マグネシウム合金への表面処理技術の開発

(1)

福岡県工業技術センター研究報告 No. 19 (2009)

- 89 -

マグネシウム合金への表面処理技術の開発

―樹脂被覆マグネシウム合金上へのめっき技術に関する研究―

南守

^*1

猪口真規

^*1

Development of Surface Treatment for Magnesium Alloy

−Research on Plating Process on Resin Coated Magnesium Alloy−

Mamoru Minami and Shinki Inokuchi

イオン交換樹脂粉砕粉を顔料とする樹脂を被覆したマグネシウム合金上へ無電解めっき処理を施し，樹脂被覆マグネシウム合金に対するめっき処理の問題点および実用化の可能性について調査検討した。基材にはAZ91D鋳造用マグネシウム合金板材を用い，表面処理には無電解銅めっき，無電解ニッケルめっきを採用した。試験の結果，イオン交換樹脂粉砕粉を顔料とする樹脂を用いることで密着性，耐食性に優れためっき皮膜形成は可能だが，樹脂層の凹凸を低減する，あるいはめっき皮膜の膜厚を増加する等の対策を講じない限り，マグネシウム合金上へ意匠性の高い皮膜を形成することは難しいことが分かった。

1 はじめに

マグネシウムは実用金属の中で最も軽量であり，さらにその合金は，比強度が高く，鋳造性，寸法安定性，

振動吸収性，電磁波シールド性，リサイクル性に優れた特性を有している ^{1)， 2)}。そのため各種産業において，マグネシウム合金の適用が拡大しており，特に自動車を始めとする輸送機器関連分野では，省エネルギーに寄与する軽量化材料として大きな期待が寄せられている ³⁾。しかしながら，マグネシウム合金は実用金属中最も卑な電位を示し，化学的に活性で他の金属材料よりも耐食性が劣るという欠点を有している ¹⁾。そのため，マグネシウム合金を実用部材として用いる場合は，何らかの表面処理を施し耐食性を向上させる必要がある ⁴⁾。このような背景を踏まえ，当所では耐食，

意匠，耐摩耗性に優れるマグネシウム合金表面処理法に関する研究を行っている。

表面処理の中でも，金属光沢を有する外観や耐摩耗性付与といった理由から，マグネシウム合金表面へのめっき処理に対する要求は極めて高い。しかし，めっき膜とマグネシウム基材との密着性が低いことや皮膜のピンホール欠陥に起因するマグネシウム素地の腐食といった問題から，マグネシウム合金上へのめっきは実用化が遅れているのが現状である。そこで当所では，

密着性やピンホール欠陥に影響されないめっき処理技

術としてマグネシウム合金上へ樹脂を被覆し，その上に無電解めっき皮膜を形成する手法に着目した。

通常，樹脂などの非導電性基材表面に無電解めっき処理を施す際には，めっき皮膜と非導電性基材との密着性を向上させるために有害なクロム酸などによるエッチング処理が必要となる。また，無電解めっき反応前処理として触媒化行程が必要であり，通常は高活性なパラジウム塩を用いることからめっき処理コストも高くなるという問題点を有している。これに対して御幡ら⁵⁾が開発したイオン交換樹脂粉砕粉を利用する新規な無電解めっき処理法では，有害なクロム酸などによるエッチング処理やパラジウム塩を用いた触媒化前処理を必要としない等の特徴を有しているため，安全かつ安価に非導電性基材表面に無電解めっき処理を施すことが可能となることを明らかにしている。

本研究では，AZ91D 鋳造用マグネシウム合金にイオン交換樹脂粉砕粉を顔料とする樹脂を被覆し，その上に無電解めっき処理を行った際の，樹脂被覆マグネシウム合金に対するめっき処理の問題点および実用化の可能性について調査検討を行った。

2 研究，実験方法 2-1 基材

基材には，AZ91D鋳造用マグネシウム合金材を用いた。化学組成を表1に示す。試験片形状は20×50×2mm の平板とし，エメリー研磨紙にて600番まで研磨後，

*1 機械電子研究所

(2)

- 90 -

アセトン中で超音波洗浄したのち樹脂被覆処理に供した。

表1 化学組成（mass%）

Al Zn Mn Na Cl Si K Mg 9.59 0.57 0.18 0.11 0.07 0.06 0.01 bal.

2-2 樹脂層

樹脂原料には，陽イオン交換樹脂粉砕微粉を顔料とする無電解めっき用前処理剤（室町ケミカル（株）製 CRプライマーB100）を用いた。マグネシウム合金との付着性を向上させる中間層形成後，上記前処理剤をシンナーで希釈しスプレー塗装して，60℃，1時間乾燥させ，樹脂被覆基板とした。

2-3 めっき前処理および無電解銅めっき

樹脂被覆基板を40℃の塩化銅2水和物3.0g/100ml水溶液中に15分浸漬し，基板表面にイオン交換反応により銅イオンを吸着させた。水洗後，40℃の水素化ホウ素ナトリウム0.38g/100ml水溶液（水酸化ナトリウムによりpH14に調整）中に5分間浸漬し，吸着銅イオンの化学還元処理を行った。さらに，水洗後，無電解銅めっき液（メルテックス（株）製メルプレート CU- 390）中に投入し，25℃で45分間めっき処理を行い，

銅めっき処理基板を作製した。

2-4 無電解ニッケルめっき

銅めっき処理基板を触媒液（奥野製薬工業（株）製キャタリストC-7）中に浸漬しパラジウムを樹脂表面に付与後，無電解ニッケルめっき液（奥野製薬工業

（株）製化学ニッケルSEP）中に投入し，40℃，1時間のめっき処理を行った。引き続き水洗後，60℃，1時間の乾燥処理を行い銅／ニッケルめっき処理基板の作製を行った。

2-5 試料評価

試料表面及び断面の観察には走査型電子顕微鏡

（（株）エリオニクス製 ERA8800）を用いた。なお，

銅／ニッケルめっき皮膜の膜厚測定を試料断面の電子顕微鏡観察から試みたが，イオン交換樹脂の凹凸による影響から正確な値は測定できず，概ね銅めっき膜厚は約 1µm，ニッケルめっき膜厚は約 4µm であった。めっき皮膜と樹脂被覆基板との密着性は， JIS K 5600 に準拠したクロスカット法により評価した。耐食性は，

JIS Z 2371 に準拠した塩水噴霧試験（スガ試験機

（株）製 STP-120）により評価した。試験時間は 24

時間とし，試験前後の外観観察から耐食性を評価した。

なお，マグネシウム基板上に直接約 15µm の無電解ニッケルめっき皮膜を形成した試料を比較材として使用した。

3 結果と考察

3-1 表面観察及び皮膜密着性

樹脂被覆基板表面，銅／ニッケルめっき処理基板表面の電子顕微鏡写真を図1に示す。未処理材は，イオン交換樹脂粉砕粉が微細に分散して凹凸のある表面を呈していることが分かる。銅／ニッケルめっき処理材は，下地の影響を引き継いだ凹凸のあるめっき皮膜が形成されていることが観察できる。クロスカット法によりめっき皮膜と樹脂被覆基板との密着性を評価した結果を図2に示す。皮膜の剥離箇所は観察されず，密着性は良好であることが分かる。以上の結果より，イオン交換樹脂粉砕粉を顔料とする樹脂層を用いることで密着性に優れたマグネシウム合金上へのめっき皮膜形成は可能であることが明らかとなった。ただし，めっき皮膜の意匠性の向上に関しては今後の検討を要する課題であり，樹脂層の凹凸を低減する，あるいはめっき皮膜の膜厚を増加する等の対策を講じ表面平滑化を目指す予定である。

図1 樹脂被覆基板表面と銅／ニッケルめっき処理基板

表面の電子顕微鏡写真

図2 密着性評価試験結果

3-2 耐食性評価

塩水噴霧試験前後の比較材及び銅／ニッケルめっき処理材の外観観察結果を図3に示す。なお，樹脂被覆のみの試験片は，塩水噴霧240時間でも樹脂の剥離，

(3)

- 91 -

マグネシウム合金の腐食等は生じないことを確認している。塩水噴霧試験後の比較材からは，表面全体にめっき皮膜の剥離，ふくれ，素地の腐食が観察される。

これは，無電解めっき皮膜の欠陥を通して塩水が基板まで浸透し，マグネシウム合金とめっき皮膜の異種金属接触による腐食の促進効果により基材が著しく腐食し，形成されるマグネシウム水酸化物の堆積により膜の破壊と剥離が起こるからではないかと推察される。

その一方で，銅／ニッケルめっき処理材は，若干の変色は見られるもののめっき皮膜の剥離，ふくれ，基材の腐食は皆無であり，耐食性が著しく向上していることが分かる。これらの結果から，マグネシウム基材とめっき皮膜との間に樹脂層を形成することにより，無電解めっき皮膜の欠陥を通して浸入する腐食溶液とマグネシウム合金との接触を遮断することが可能となり，

環境遮断性，耐食性に優れるマグネシウム合金上めっき皮膜を形成できることが判明した。

図3 塩水噴霧試験結果

4 まとめ

本研究において，樹脂被覆マグネシウム合金上へのめっき処理について検討を行った結果，以下の知見を得た。

1) イオン交換樹脂粉砕粉を顔料とする樹脂層を用いることで密着性に優れたマグネシウム合金上へのめっき皮膜形成は可能であることが明らかとなった。

2）マグネシウム基材とめっき皮膜との間に樹脂層を形成することにより，マグネシウム合金めっき処理材の耐食性は著しく向上することが分かった。これは基板とめっき皮膜界面に緻密な中間層が形成され，腐食媒体からの環境遮断性が向上したことによるものと推察される。

終わりに，本研究を遂行するにあたり有益なご助言

を賜りました室町ケミカル（株）田中知樹氏に感謝の意を表します。

5 参考文献

1) マグネシウム加工技術， pp.12-33 ，コロナ社 (2004)

2) マグネシウム技術便覧， pp.55-65 ，カロス出版 (2007)

3)板倉浩二：金属，75巻(12号)，pp.36-43 (2005) 4) 髙谷松文：材料と環境， 48 巻 (8 号 ) ， pp.476-483

(1999)

5)御幡弘明，田中知樹：福岡県工業技術センター研究報告，No.14，pp.107-108 (2004)

マグネシウム合金への表面処理技術の開発