令和５年１２月２２日（金）

令和５年度 グリーンものづくり新技術研究会事業

第２回セミナー講演２

防⾷のための機能性⽪膜の被覆技術

機械素材研究所

機械・無機材料グループ

田中俊行
1

材料表面の機能を高め寿命をのばす材質制御
材料が長もちすればその分 脱炭素に貢献できる◆二酸化炭素排出抑制やリサイクルの促進といった製品ライフサイクル全体での環境負荷を低減させる
当研究所のグリーンものづくり新技術研究会

2金属材料の劣化要因とメカニズム
金属組織の変化に伴う劣化 と 化学反応による腐⾷にわけられる
金属材料（鋼）の劣化要因

金属組織の変化に伴う劣化のメカニズム

繰返し 弾性範囲内での繰り返しによる金属組織のすべりによ
疲労る劣化 温度変化の繰り返
しでも応力が発生し疲労ボルト
歯車

高温下 鋼中の炭素が粒界面で肥大化することによる粒界破壊

ボイラ

クリー 高温下で応力がかかってい 蒸気パイプ
プ劣化 るところでは 粒界に微小な 圧力容器ボイドが発生し成長

腐⾷

表面化学反応による劣化 あらゆる鋼（出典）久米辰雄, 工業製品・部材の長もちの科学, エヌ・ティー・エス, 2017. から一部表現を変更

3

金属材料の腐⾷

金属製の部材は時間とともに腐⾷による劣化が進むためこれを抑えるための防⾷技術が必要である

4

防⾷技術の市場
腐⾷対策市場の規模 および 腐⾷に対する関心は増加傾向にあるため防⾷技術には今後もビジネスチャンスがある
わが国の腐食対策市場規模の推移

腐食防食学会への相談件数の推移（出典）腐食コスト調査委員会, わが国における腐食コスト, 材料と環境, 第69巻, 第11号, p.283-306, 2020. から一部表現を変更

5

腐⾷はどのようにして起こるのか
金属の表面で 水を介して 金属と酸化剤の小さい回路を形成すると腐⾷が始まる
腐食の三要素
水

金属イオン

水酸化物イオン 酸素◆金属の表面に水が接触していること◆水の中に 酸素などの酸化剤があること

金属◆水の中に 酸化された金属イオンをはきだせること電子
6腐⾷の種類
様々な腐⾷の形態があるものの 金属と水との接触を起点に腐⾷が始まることは全てに共通している（出典）川重テクノロジー株式会社, ホームページ, 技術レポート, 腐食の形態と腐食試験

7防⾷のための機能性⽪膜
金属と水との接触を断ち 腐⾷を防ぐ または 遅らせる機能をもつ⽪膜を金属表面に形成すればよい
腐食の三要素酸素
水◆金属の表面に水が接触している
こと

機能性⽪膜

◆水の中に 酸素などの酸化剤があること

金属◆水の中に 酸化された金属イオンをはきだせること
8様々な表面処理プロセス
素材の表面に⽪膜を形成し 新たな機能を追加する加工
塗処理
プ ロ セ ス

装

電気めっき

陽表 面 熱 処 理

無電解めっき物 理 蒸 着 法

溶 融 め っ き溶

化理

化 学 蒸 着 法

機械的めっき機 械 的 特 性

光 学 的 特 性

物 理 的 特 性装

電 気 的 特 性

熱的特性

化学的特性

輸

電子機器

機

射成処

極酸化箔押飾し特性

目 的 特 性産 業 分 野送機

器（出典）材料技術研究協会, 実用 表面改質技術総覧, 1993. から一部表現を変更

械日用品
9

塗装技術の動向
環境配慮の観点から有機溶剤を含まない固形の粉体塗料を使用する粉体塗装が注目されているスプレー塗装粉体塗装
溶剤入りの液体塗料を液圧もしくはエア圧で噴霧

負に帯電した固形粉末を正に帯電した被塗物に付着させ加熱して定着させる

溶剤レスで環境にやさしい（出典）田村 吉宣, 塗装技術, 2021年12月号, p.77-86.

10溶剤ありスプレー塗装と粉体塗装の対比
裏面へのつきまわり性や凹凸部への付着性に優れるため均一な膜厚を確保でき 結果的に耐⾷性も高くなる

粉体塗装

スプレー塗装11

めっき技術の動向
環境配慮の観点から 六価クロム等の重金属類を含まない無電解ニッケルめっきが注目されている
電気めっき

無電解めっき無電解めっきは外部電源ではなく還元剤という薬剤から電子が供給されて金属を還元して皮膜を作る
還元剤に含まれる元素との合金化が同時に起こるため
例えば 硬質クロムめっきのような硬い皮膜を別の金属で実現することができる（出典）日本カニゼン株式会社, ホームページ, 無電解ニッケルめっき加工.com

12電気めっきと無電解めっきの対比
めっき液中のニッケルイオンが 次亜りん酸塩によって還元析出するため均一な膜厚（高耐⾷性）や 熱処理との親和性といった特徴をもつ
熱処理による りん化三ニッケル（Ni3P）の析出硬化めっき厚さの分布

電気無電解（出典）雇用・能力開発機構 職業能力開発総合大学校 能力開発研究センター,
二級技能士コース めつき科 三訂版, 2008.

（出典）電気鍍金研究会,無電解めっき 基礎と応用, 1994.

（出典）伊藤 普, 日本金属学会会報,第14巻, 第5号, p345-,1975.

13めっき周辺技術の応用例
従来 めっき工程中の前処理の一つであった電解研磨の薬液を工夫する
ことで平滑で高耐⾷性の⽪膜を形成できることがわかった★シーズ技術不動態厚膜形成法

湿式法によるｽﾃﾝﾚｽ鋼表面への緻密膜形成⇒ 従来の乾式成膜（PVD・CVD）に匹敵（特許登録）

14

めっき周辺技術の応用例
従来 めっき工程中の前処理の一つであった電解研磨の薬液を工夫することで平滑で高耐⾷性の⽪膜を形成できることがわかった

SUS304溶接試験片の模式図

酢酸酸性CASS試験前後の外観

CASS試験の状況

未処理品のSUS304溶接個所：48hr経過で著しく発錆
電解研磨のみ：528hr経過後の発錆抑制
不働態厚膜形成試料：528hr発錆が認めず
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インフォマティクス（情報科学）を活用した材料開発の動向
材料開発の分野にも機械学習の技術を取り入れることで 要求特性から逆算してまだ見ぬ次にやるべき実験条件を推定できるようになりつつある

欠陥を減らして腐食の発生を抑えたい

樹脂の組成
分子量 官能基 配合

耐食性を高めて材料を長もちさせたい

浴の条件
pH 温度 還元剤濃度

切削性を高めて工具を長もちさせたい

化学成分
C Si Mn P S Cu Mg
16従来からの材料開発の問題点
開発が形になるまでに長時間と費用を要してしまう
結果

実験条件
実験

仮想実験
（ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ）
共同研究

膨大な試行錯誤・文献調査・経験と勘

TP番号

pH

浴温℃

濃度g/L･･･

硬さ
HV

伸び%

耐食
RN･･･

No.1

4.5

9025･･･

550

1.27･･･

No.2

5.5

9025･･･

500

1.38･･･

No.3

5.5

10025･･･

600

1.16･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

No.10

610030･･･

450

1.55･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

･･････

17インフォマティクス（情報科学）を活用した材料開発の動向
材料開発の分野にも機械学習の技術を取り入れることで 要求特性から逆算してまだ見ぬ次にやるべき実験条件を推定できるようになりつつある
結果 Y条件 X

実験

仮想実験（ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ）

TP番号pH

浴温℃

濃度g/L･･･

硬さ
HV

伸び%

耐食RN･･･

No.1

4.59025･･･

550

1.27･･･

No.2

5.59025･･･

500

1.38･･･

No.3

5.5

10025･･･

600

1.16････････････････････････

･･･

･･･

No.10

610030･･･

450

1.55･･･

YとXの紐づけ（機械学習）

予
測値
Ｙ2

No.11

5.09028･･･

9.8･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

･･･

実測値 Y118

当研究所にお寄せいただいた ご相談と解決事例①
塗装を施した折り曲げ鋼板の耐食性を調べたい
塩水噴霧試験装置

試験前テストピース

機能性皮膜の耐食性を調べることができます

SPCC材

SUS304

この後 実演にてお見せいたします19当研究所にお寄せいただいた ご相談と解決事例 ･･･ ②

不動態化処理を施したステンレス鋼の耐食性を評価したい
全自動分極装置

アノード分極曲線

不動態化

不動態維持

（出典）JIS G 0579 : 2012, ステンレス鋼のアノード分極曲線測定方法

機能性皮膜のミクロな構造を調べることができます
この後 実演にてお見せいたします20実演
質疑応答の後 職員がご案内しますので １階へのご移動をお願いします
摩擦摩耗試験

塩水噴霧

ナノインデンテーション

アノード分極グリーンものづくり新技術研究会

セミナー

材料表面の機能を高め寿命をのばす材質制御

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アンケートについてセンターホームページのサイトの中に アンケートフォームのボタンを作っていますので こちらからアンケートのご記入をお願いしますグリーンものづくり新技術研究会

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