刷毛めっき亜鉛ニッケルを塗布するためのベストめっき方法 (2023)

編集者注記:以下は、2019 年 6 月 5 日にイリノイ州ローズモントで開催された NASF SUR/FIN 2019 のセッション 13「亜鉛合金仕上げトレンド: 課題と展望」でのプレゼンテーションに基づく論文です。この論文の PDF にアクセスして印刷できますここ;完全な Powerpoint プレゼンテーションは、クリックすると利用できます。ここ。

概要: ブラシ メッキは、要求の厳しい OEM および修理用途向けに設計された工業用電気メッキ プロセスであり、浸漬タンクを使用しません。今日のアプリケーションの多くは、オペレーターと環境の両方に対するリスクを最小限に抑える、十分に設計され実証済みのデポジットを必要とします。航空宇宙産業にとって、亜鉛ニッケルはカドミウムの毒性が低い代替品であり、高強度鋼の損傷したカドミウム、亜鉛ニッケル、IVD アルミニウムの修復に使用できます。また、AMS 2451/9 および BAC 5664 の性能要件も満たしています。さらに、亜鉛ニッケルはめっき後の水素脆化緩和ベークを必要とせず、適切に適用されれば優れた腐食保護を提供できます。このプレゼンテーションでは、水素脆化と腐食防止に関する ASTM F519 規格を満たす亜鉛ニッケルのブラシめっきのベスト プラクティスを示します。準備段階から三価クロム化成皮膜の塗布まで、お客様の厳しい要件を満たすために必要な適切なめっき技術について説明します。

概要と背景: 選択めっきは、1938 年にフランスのパリで George Icxi によって最初に開発されました。タンクメッキパーツの簡単タッチアップから進化しました。 1959 年、Steel Improvement and Forge Company (Sifco Industries としても知られる) はカナダに本拠を置く会社を買収し、すべての事業をオハイオ州クリーブランドに移転しました。 2012年に、シフコASC は英国に本社を置く Norman Hay に買収されました。 NH は 1940 年に設立され、クロムメッキと硬質陽極酸化処理を行っていました。ノーマン・ヘイは2019年10月にクエーカー・ホートンに買収された。

航空宇宙産業にとって、亜鉛ニッケルはカドミウムの毒性が低い代替品であり、高強度鋼の損傷したカドミウム、亜鉛ニッケル、IVD アルミニウムの修復に使用できます。 AMS 2451/9 および BAC 5664 の性能要件を満たしており、めっき後の処理や水素脆化緩和ベークを必要とせず、適切に適用すると優れた腐食保護を提供できます。この文書では、水素脆性に関する ASTM F519 規格および腐食防止に関する ASTM B117 規格を満たすための亜鉛ニッケルのブラシめっきのベスト プラクティスを紹介します。この研究では、ブラシめっき中に低水素脆化（LHE）を実現する独自の Zn-Ni プロセスが使用されています。***準備段階から三価クロム化成皮膜の塗布まで、お客様の厳しい要件を満たすために必要な適切なめっき技術について説明します。

選択めっきの概念

選択めっき、またはより一般的にはブラシめっきは、浸漬タンクを使用せずにワークピース上の局所的な領域にめっきを行うためのポータブルなプロセスです。図 1 に示すように、ブラシ メッキのセットアップには 4 つの重要な要素があります。

1. この場合のワークピースは、右側の回転ヘッド固定具によって回転されるシリンダーの内径です。
2. 左側が電流、電圧、アンペア時制御を備えたパワーパック。
3. めっきツール、ここではワークピースの穴に挿入される陽極、​​および
4. 溶液フローシステムのタンクに含まれる準備溶液とめっき溶液が中央にあります。

図1- 選択メッキ/ブラシメッキの典型的なセットアップ。

アノードは、グラファイト、Dura-A-Form、白金、または白金被覆ニオブまたはチタンで構成できます。これらは通常、厚さの分布を最適化するために基板に適合するように作られます。赤と黒のケーブルは電源をアノードとワークピースに接続し、緑と黒のチューブはリザーバーとワークピースの間で溶液を循環させます。

残りの操作の決定は、めっき溶液を加熱、流す、または浸す必要があるかどうか、選択した領域を隔離するためにワークピースをどのようにマスキングするか、および部品を保持または回転させるために補助装置が必要かどうかに基づいて決定されます。またはメッキツール。

図2- 選択的なめっき操作。

図2に示すように、金属イオンを含む電解液が正に帯電したアノード（アノード）間に導入されます。つまり、準備またはメッキツール) および負に帯電したカソード (つまり、ワーク）。アノード自体は、綿、パーマラップ、赤または白のタフラップなどで作ることができる素材で包まれています。ラップは 2 つの主な機能を果たします。アノードとカソードの短絡を防ぐことと、溶液のキャリアとして機能することです。両方の電極を濡らして電気化学セルを形成することで、電流の流れを促進します。溶液は、外部ポンプを使用して陽極に溶液を流すことによって、または陽極をワークピースの近くにあるビーカーに浸す浸漬メッキによってワークピースに導入できます。

一般的なめっきスキームは、最終的な金属堆積ステップに向けて表面を準備するいくつかの準備ステップで構成されます。各準備ステップには専用のアノードが必要です。準備ステップには通常、ワークピースの表面の電気洗浄、エッチング、デスマットおよび活性化が伴います。二次汚染を回避し、きれいな作業面を確保するために、ステップ間で部品を脱イオン水で洗浄します。ワークピースが適切に準備された後、ニッケルプレメッキを適用できますが、これは基板に依存します。

評価方法

水素脆化

水素脆化を評価するための主な試験方法は ASTM F519 です。ASTM F519 は機械試験方法を記述し、鋼に水素脆化を引き起こす可能性のあるコーティングおよびメッキプロセスの許容基準を定義します。†図 3 に示す試験片 (タイプ 1.a1 および 1.a2 を示します) は、仕様に従ってめっきされ、空気中で持続負荷下に維持され、破断または試験期間の完了までの時間を測定します。ノッチ全体と両側の 0.5 インチはメッキする必要があります。

図3- 鋼の水素脆化試験に使用される試験片のレイアウト: (L) Type1.a1 および (R) 1.a2 ノッチ付き棒。

サンプルは個別にロードすることも、複数のサンプルを連続してロードすることもできます。各テストでは少なくとも 4 つの標本が使用されます。サンプルは、引張ノッチ破壊強度 (NFS) の 75% で最低 200 時間維持される持続荷重を受けます。

1 つまたは複数の試験片が破損した場合、それらの試験片は取り外されてダミーと交換され、負荷がかかった状態に戻されます。オフロードの合計時間はテスト合計時間の 10% を超えることはできず、10% を超える追加時間がテストに追加されます。ノッチ以外の場所での破損はテストを無効にし、4 つの試験片すべてに対して交換テストが行​​われる可能性があります。

破断がなければ、めっきプロセスは非脆化処理となります。 4 つの試験片のうち 1 つが破損した場合、残りの 3 つの試験片には、200 時間の持続荷重を完了した後、NFS の 90% まで 5% ずつ増分で 2 時間ごとに段階的に荷重を加えることができます。試験片が 90% NFS で 2 時間存続する場合、このプロセスは脆化していないと考えられます。 2 つ以上の破断がある場合、めっきプロセスは脆化していると考えられます。

腐食

腐食は ASTM B117 に従って評価されます。ASTM B117 には、塩水噴霧試験環境を作成および維持するための装置、手順、条件が記載されています。††この装置は、フォグチャンバー、塩溶液リザーバー、圧縮空気、噴霧ノズル、試料支持体、チャンバー加熱、および塩水噴霧環境の制御手段で構成されています。試験片はチャンバー内で垂直から 15 ～ 30 度の位置に配置され、金属との接触がなく、塩霧にさらされることはありません。塩溶液は、IV 型水中の 5% 塩化ナトリウムから構成され、35 ± 2°C、pH 6.5 ～ 7.2 で噴霧されます。少なくとも 2 つのクリーンなフォグコレクターがチャンバー内に配置されます。収集速度は 1.0 ～ 2.0 mL/hr と指定されています。検査は継続的に行われ、チャンバーはサンプルの検査のために 1 日に 1 回しか開けられません。

プロセスとプロパティ

この作業に関係する 2 つのプロセス/プロパティ仕様があります。ボーイング BAC 5664 には、「スタイラス電気めっきプロセスを使用して低合金鋼上に ZnNi めっきを堆積するための材料と手順の要件」が概説されています。 AMS 2451†††「電着による亜鉛ニッケルのブラシめっきの技術要件とプロセス」について説明しています。これは、AMS 2451/9 と組み合わせて、防食亜鉛ニッケルめっきに使用され、高張力鋼の水素脆化緩和処理の省略を可能にする可能性があります。 2 つの仕様の要件を図 4 で比較します。

図4- ボーイング 5664 と AMS 2451 の仕様の比較。

BAC 5664 では、アノードは高純度および密度のグラファイト、または寸法安定性 (DSA) 白金、白金イリジウム、白金メッキチタン、または白金メッキニオブで構成されます。中綿は綿、袖は綿またはダクロンを指定します。 ZnNiスタイラスメッキの最大面積は5インチです。²、最小厚さは 0.0005 インチです。めっき中、ZnNi は事前に湿らされず、電解液はスクイズ ボトルまたは浸漬法で適用されます。スタイラスの陽極は、動作中はめっきされる領域と同一平面上にあり、前後または円運動を往復する必要があります。

AMS 2451 は、クロメート化成皮膜の使用を対象としています。タイプ 1 および 2 はそれぞれ、(1) クロメート コーティングなし、および (2) ブラシ、スプレー、または浸漬プロセスによって適用されるクロメート コーティングを指定します。また、Aグレードは6価クロメート処理、Bグレードは3価クロメート処理を表します。亜鉛-ニッケルの組成範囲はニッケル 6 ～ 20% で、厚さ 0.0004 ～ 0.0007 インチにめっきされます。塩水噴霧曝露時間は ASTM B117 に従って 500 ± 1 時間です。タイプ 1 仕上げの場合、500 時間後に赤い腐食の形跡が見られないはずです。タイプ 2 は、96 時間後に白色の腐食生成物の痕跡がなく、500 時間後に赤色の腐食の痕跡が見られないはずです。

水素脆化研究

研究のこの部分の目標は、Zn-Ni LHE コーティングが 1a.1 および 1a.2 バーにめっき後 24 時間以内に、水素脆化緩和のための蒸着後のベークを行わずに水素脆化試験に合格することでした。 「低水素脆化」プロセスを使用した場合でも、かなり減少したとはいえ、ある量の水素が堆積物中に存在します。めっき後、周囲条件下で時間が経つと、水素の一部が放出されます。めっき間の時間が長いほど、残留水素は少なくなります。脆化試験に合格しながら、この「緩和」時間を 24 時間に短縮できれば、生産効率が向上します。

標本の準備は次のとおりです。

1. ノッチバーをアセトンで洗浄し、脱脂します。
2. バーのネジ山と放射状の領域をテープでマスクし、120 グリットの炭化ケイ素でサンドブラストします。
3. マスキングを取り外し、脱イオン水ですすぎ、糸くずの出ないワイプを使用してアセトンで拭きます。
4. バーのネジ山と半径方向の領域をテープでマスクし、ノッチバーをバレル固定具にねじ込み、ターニングヘッドに挿入します。
5. バーの回転速度を 60 ～ 65 RPM に設定します。
6. プリウェットなしで Zn-Ni LHE をプレートし、脱イオン水ですすいでください。
7. 三価クロム化成皮膜に 90 秒間浸漬し、脱イオン水ですすぎ、圧縮空気で乾燥させます。ベーキングは必要ありません。

動作構成を図5に示します。

図5- Zn-Niブラシメッキ構成。

実験計画には、水素脆化性能に対する多数の変数の影響が含まれていました。 3 A/インチおよび 6 A/インチの定電流密度²6V の定電圧と比較しました。テストバーの曲率に適合し、有効電気接触率 50% の陽極を、有効接触率 25% のスタイラスタイプの陽極と比較しました。アノード材料であるグラファイトと DSA も比較されました。テストは 3 つの段階に分けて実施され、それぞれの段階が最後の段階よりも厳格になりました。フェーズ 1 の目標は、3 および 6 A/インチでめっき後 72 時間以内に水素脆化試験に合格することでした。²。フェーズ 2 は、6V (BAC 5664 による) および 6 A/インチでメッキ後 (a) 48 時間および (b) 24 時間以内に通過することを意図していました。²。フェーズ 3 は、6 A/インチでメッキ後 24 時間以内に通過することを目指しました²。

フェーズ 1

フェーズ 1 では、プレーティング後のテスト時間を比較しました: ≤ 72 時間および約 1 週間。 3 および 6 A/インチに加えて²電流密度の比較では、2 つのテストバー構成 (1.a1 と 1.a2) が比較されました。テストバーの完全および部分めっきの効果も調査され、端から端まで完全にめっきされたサンプルとノッチの 1/2 インチ以内のみにめっきされたサンプルの両方を準備しました。すべてのサンプルは、50% 接触適合のグラファイト陽極でめっきされました。図 6 の結果は、すべてのサンプルが ASTM F519 に合格したことを示しています。

図6- ASTM による HE フェーズ 1 の結果F519。

フェーズ2

フェーズ 1 の結果を考慮して、次のフェーズは総プロセス時間を短縮するためにより厳格になりました。プレートからテストまでの時間は 24 時間および 48 時間に短縮されました。 6 A/インチのより高い定電流密度²6V の定電圧 (BAC 5664) と比較されました。 2 つのテスト バーと 2 種類のアノード形状の比較がこのテストでも継続されました。 1a.2 バーは全長に沿ってメッキされました。すべてのサンプルはグラファイト陽極でメッキされました。

図7- ASTM による HE フェーズ 2 の結果F519。

結果を図 7 に示します。黄色で強調表示された条件が ASTM F519 に合格していることがわかりました。 9 つのグループのうち 3 つだけが合格したことがわかります。 3 つのうち、計画どおりにめっきされたのは 1 つだけでした (アノードは 6 A/in で適合)²）。 1 つ (6V で使用された不適合スタイラス アノード) は、めっきと HE テストの間で 96 時間遅れました。もう一方 (6 A/in で使用される不適合スタイラス アノード)²) より高い電流密度 (10 ～ 12 A/インチ) でめっきされました。²）。プレートからテストまでの時間が短縮されたため、1a.2 テストバーがすべて不合格を示したことは注目に値します。

フェーズ 3

フェーズ 3 では、前の 2 つの実験の結果を利用して、プレートからテストまでの間隔 24 時間という目標を達成するために条件を最適化しました。調査された最短の間隔で、陽極材料 (DSA 対グラファイト) と陽極形状 (50% の接触面積とスタイラスに適合) が比較されました。 Zn-Ni LHE めっきの前の中性ニッケルストライクの使用、Zn-Ni LHE の前の 20 V Zn-Ni ストライクの使用、めっき中の Zn-Ni LHE 溶液の加熱など、追加の変数が導入されました。すべての試験片は 6 A/インチでめっきされました²。

図8- ASTM による HE フェーズ 3 の結果F519。

結果を図 8 に示します。黄色で強調表示された条件は ASTM F519 に合格しました。ここでは8グループ中5グループが通過した。これらのグループはすべて、適合するアノード形状を利用しました。 DSA アノードとグラファイト アノードは両方とも、6 A/in の CD で適合する形状で規格を満たしました。²24時間の待機期間付き。適合するグラファイト陽極と 6 A/in の電流密度を備えた 3 つの新しい変数²成功しました。ここでも、1.a1 テスト バーを使用すると、1.a2 テスト バーよりも優れていましたが、これはおそらく幾何学的な要因に関連しています。

要約すると、Zn-Ni LHE の選択的めっきは、以下の条件下でめっき後 24 時間以内に ASTM F519 の要件を満たすことができます。

• 1.a1 テストバーの使用
• DSA またはグラファイトの適合アノード
• 6A/インチ²電流密度
• 中性ニッケルストライク
• 高電圧Zn-Niストライク
• 加熱したZn-Ni LHE溶液

耐食性能

Zn-Ni LHE の腐食試験の目標は、AMS 2451 の要件に合格することでした。つまり、化成皮膜なしのめっき皮膜では500時間で赤色腐食なし、化成皮膜ありでは96時間で白色腐食なし/500時間で赤色腐食なし。試験は ASTM B117 に従って行われました。プレートの厚さは 0.00065 インチに設定されました。次の評価と比較が行われました。

• Zn-Ni LHE を使用した BAC 5664 プロセス
• コットンラップ vs. ホワイトタフラップ vs. レッドタフラップ
• ディップめっきとフローめっきの比較
• 化成皮膜なし vs 三価皮膜 vs 六価皮膜
• 浸漬型と噴出型の化成皮膜塗布
• 定電圧対定電流 (6 A/インチ)²対 6V)

以下の塩水噴霧結果のすべての写真は、脱イオン水ですすぎ、乾燥させてから写真を撮った標本を示しています。乾燥した表面は、腐食結果の深刻さをより正確に表します。

Zn-Ni LHE を使用した BAC 5664 プロセス

試験片は BAC 5664 によって準備されました。スタイラスタイプのグラファイト陽極が使用され、めっきサイクル全体にわたって 6V の定電圧が印加されました。最小厚さは0.0005インチでした。めっき後に三価化成皮膜を塗布しました。化成皮膜を塗布する 2 つの方法を比較しました: (a) 浸漬 (溶液の入ったビーカーに浸す) と (b) 表面のコーティング溶液をスクイズボトルから噴出する (5 秒間の噴出と 15 秒間の停止を交互に 90 秒まで繰り返す)に達しました。結果を図9に示します。

(a) 90 秒の浸漬により塗布された三価化成皮膜。

(b) 90 秒間の噴射/スプレー塗布により塗布された三価化成皮膜。

図9 -BAC 5664 に従ってめっきされた Zn-Ni LHE サンプルの ASTM B117 腐食試験結果: (a) 浸漬および (b) スプレー三価化成皮膜。 6Vの定電圧でZn-Niめっき、室温で溶液。目標厚さは 0.00065 インチです。

浸漬三価化成皮膜は、噴霧／スプレー三価化成皮膜と比較して、わずかに良好な結果をもたらした。すべてのサンプルは AMS 2451 - タイプ 2 に合格しました。わずかな白化が観察されましたが、96 時間での白色腐食や 500 時間での赤色腐食は観察されませんでした。 BAC 5664 プロセスの平均合金組成は、Ni が 8.8% で、残りが亜鉛でした。

Zn-Ni LHEによる従来のメッキ

研究の次の段階では、Zn-Ni LHE の従来の「浸漬」めっきを扱いました。このめっきでは、ワークピースの表面に十分な溶液が存在することを確認するために、陽極を溶液の入ったビーカーに 5 秒ごとに繰り返し浸漬します。アノードには綿のラップを使用し、電流密度は 6 A/インチでした。²適用されました。目的は、めっき Zn-Ni LHE (a) 化成処理なし、(b) 3 価化成処理あり、(c) 6 価化成処理ありの腐食結果を比較することでした。化成皮膜は噴霧/スプレー法で 90 秒間塗布され、その後すすぎ、風乾されました。 ６価変換プロセスの場合、塗布中に溶液を９５〜１００°Ｆに加熱した。目標の厚さは 0.00065 インチでした。これらの結果は、ブラシまたはフローめっき方法でめっきされた試験片と比較されます。

(a) 化成皮膜なし。

(b) 三価化成皮膜。

(c) 六価化成皮膜。

図10- 従来の浸漬めっき Zn-Ni LHE の ASTM B117 腐食性能の比較：（a）化成皮膜なし、（b）三価化成皮膜あり、（c）六価化成皮膜あり。

結果を図１０に示す。両方の化成皮膜はＡＭＳ ２４５１に合格し、９６時間後の白色腐食、および５００時間のＡＳＴＭ Ｂ１１７塩水噴霧暴露後の赤色腐食はなかった。化成皮膜のない試験片は AMS 2451 に不合格となり、100 ～ 230 時間の間に赤い腐食が見られました。

6 A/インチでめっきされたこれらのサンプルのニッケル含有量²平均は 11.5% であり、BAC 5664 による一定の 6V で生成される値 8.8% よりも高くなります。

Zn-Ni LHEによるフロー（ブラシ）めっき

研究の次の段階では、陽極のラップと定電圧と定電流密度の問題を比較するという目的で、溶液が作業面に一定供給されるように陽極を通してポンプで送られるフロー (ブラシ) めっきを調査しました。作業の前の段階。アノードラップは、綿、ホワイトタフ、レッドタフラップの腐食結果を比較しました。 BAC 5664 定数 6V の結果と 6A/in の結果を比較しました。²。目標の厚さは0.00065インチでした。三価化成皮膜はすべての条件で使用され、溶液は90秒間の噴射/スプレー塗布によって塗布されました。結果を図11に示します。

(a) Tri Cr を使用したコットンラップ。 6V。

(b) Tri Cr を使用したコットンラップ。 6A/インチ²。

(c) Tri Cr を使用したホワイトタフラップ。 6V。

(d) Tri Cr を使用したホワイトタフラップ。 6A/インチ²。

(e) Tri Cr を使用した Red Tuff ラップ。 6V。

(f) Tri Cr を使用した Red Tuff ラップ。 6A/インチ²。

図11- 三価 Cr 化成コーティングを施したフロー (ブラシ) メッキ Zn-Ni LHE の ASTM B117 腐食試験結果: コットン、ホワイト タフ、レッド タフのアノード ラップ材料の比較 (上から下のペア)。定電圧 (6V)(a、c、e) と定電流密度 (6 A/in) の比較²)(b、d、f)。

一般に、パネルは一定の 6 A/インチでメッキされます。²一定の 6V でメッキされたものよりも優れたパフォーマンスを発揮します。

図 10 の従来のめっき結果と比較すると、綿ラップ、白色凝灰岩ラップ、および赤色凝灰岩ラップはすべて、250、500、および 1000 時間の塩水噴霧において従来の浸漬めっきよりも優れた性能を示しました。

図12- ASTM による最高の結果B117テスト中。

すべてのパネルを分析したところ、6 A/in の定電流密度でフロー (ブラシ) めっきを行った場合に最良の腐食結果 (図 12) が得られました。²、綿またはホワイトタフラップアノード材料を使用します。

今後の取り組み

水素脆化性能に関する今後の研究は、1.a1 棒で機能した追加プロセス (中性ニッケルストライク、20V Zn-Ni ストライク、および Zn-ニッケルめっき液。腐食作業には、三価クロム変換プロセスの代替品の研究が含まれます。 Zn-Ni溶液の寿命とそれが長期にわたってどの程度優れた性能を発揮するかについての研究が計画されています。

謝辞: 著者らは、ラボ技術者の Teri Zarnesky、テクニカル マネージャーの Derek Vanek、設計およびプロジェクト エンジニアの Derek Kilgore、ソリューション マニュファクチャリング技術者の Ken Mabe、ソリューション マニュファクチャリング技術者の Mike Torma、およびテクニカル サービス代表の Jeff McArthur の尽力に感謝します。

著者について

サラ・メデイロスで腐食エンジニアとして働いています。シフコASC。彼女はアクロン大学を卒業し、腐食工学の学士号を取得しました。入会前にシフコ2018 年に ASC に就任したサラは、ルーブリゾール コーポレーションで数回の協働ローテーションを担当し、防錆剤、腐食防止剤、有機塗料や樹脂を担当し、腐食試験法の経験を積んでいました。

ダニイェラ・ミロシェヴィッチ・ポポヴィッチ、研究開発マネージャーでシフコASC は、2005 年に入社しました。彼女は、現行製品、新製品、めっきアプリケーションを開発および評価するためのラボ プログラムの設計と実行を担当しています。また、品質、契約サービス、ソリューションの製造グループに技術サポートと支援も提供しています。彼女はニューヨーク州立大学バッファロー校を卒業し、化学工学の理学士号と工学修士号を取得しました。その後、オハイオ大学で工学管理修士号を取得し続けました。入会前にシフコASC では、彼女は半導体 (IBM) およびゴム産業で働いていました。