金属前処理工程 – サンドブラスト

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サンドブラストは、圧縮空気の流れや遠心力を動力として、一定の粒径で高い運動エネルギーを持つ砂粒を金属基材の表面に噴射し、砂粒の衝撃や切削作用によって金属表面を粗くし、浄化するものです。最も一般的で効率的な表面粗化手法として、サンドブラストは以下の点によってコーティングの基材表面への密着性を向上させる。1.1 接合面積の増加 サンドブラスト処理により基材表面に大きな突起や凹みが生じ、それによってコーティングと基材の接合面積が大幅に増加し、結果としてコーティングと基材間の接着強度が高まる；1.2 分散界面の引張応力　サンドブラスト処理を施した基材表面には残留圧縮応力が生じる。この圧縮応力は一方で金属自体の引張応力を相殺し、他方で基材表面の応力分布をより均一にすることで、コーティングのひび割れの発生やさらなる拡大を効果的に抑制し、コーティングの耐久性を向上させる；1.3 さらなる浄化と基材金属表面の活性化 100年以上にわたる発展を経て、サンドブラスト技術は大きく進歩し、さまざまな工学技術分野でその利用範囲が拡大している。サンドブラスト処理は、その低コストと高効率から、特に大型部品の粗面化処理をはじめとする基材の粗面化分野で広く利用されている。研究により、サンドブラスト処理はコーティングや接着剤などと基材との結合強度を大幅に向上させることが示されている。しかし、サンドブラスト処理技術にも一定の問題があり、サンドブラスト処理中に砂粒が基材表面に残留しやすく、それによってコーティングと基材の密着強度に悪影響を及ぼします。一定の範囲内で圧力と粒子径を高くすることで基材表面の粗さを増大させ、それによってコーティングの密着性を向上させることができるが、これにより砂粒の残留量が増えるため、適切な圧力と粒子径を選択する必要がある。サンドブラストの角度は、基材表面の粗さやサンドブラスト後の残留物にも大きな影響を与えるため、適切な範囲を設定する必要がある。サンドブラストの角度と圧力を一定にした場合、ある範囲内でサンドブラスト距離を大きくするとコーティングの基材への付着強度が向上するが、距離が過度に大きくなると逆に付着強度は低下する。これは、適切に距離を大きくすることで砂粒が十分な加速距離を得て、基材表面に到達した際に十分な運動エネルギーを持つからです。しかし、サンドブラストの距離が過度に大きくなると、砂粒は移動中に空気抵抗によって運動エネルギーを失い、基材に衝突した時の運動エネルギーが小さくなるため、処理面の粗さが悪化してしまいます。国内外の学者たちはサンドブラスト処理技術について多くの研究を行い、砂粒の種類や大きさといった砂粒の特性、サンドブラストの距離、圧力、角度といった処理条件、そして基材の特性が基材の形状や基材とコーティングとの接着強度に与える影響について検討している。魏敏らは、CaCO3、ブラウンコランダム、および石英砂粒子を用いて45鋼および7A52型装甲アルミニウム合金にサンドブラスト処理を施し、サンドブラスト後のワーク表面の形状および粗さの変化について研究した。実験によると、CaCO3を用いたサンドブラスト後の基材表面の粗さは小さく、ブラウンアルミナを用いた場合は粗さが大きくなり、混合研磨剤を用いたサンドブラスト後の表面粗さはその中間の値となった。異なる比率を用いることで、連続した粗さを得ることができる。Mellailiらは、サンドブラスト前処理工程が鋳鉄、アルミニウム合金、高強度鋼などの基材表面の粗さや砂粒の残留に与える影響について検討した。実験結果によると、粗さに最も大きな影響を与えるのは砂粒の粒径であり、サンドブラスト圧力を上げるとある程度基材表面の粗さが増すが、砂粒の残留が増加することになる。Bahbouらは、サンドブラストの角度が基材表面の粗さおよびサンドブラスト残留物に与える影響について研究した。研究によると、サンドブラストの方向が基材表面と75°の角度をなす場合、基材表面に多くの砂粒が残存することがわかっている。ワンは、サンドブラストの強度が鉄表面のマイクロアーク酸化コーティングの形状および特性に与える影響を研究し、サンドブラスト時間が鉄表面の粗さやサンドブラスト後の残留物に与える影響を観察した。実験の結果、サンドブラスト時間が15秒の場合、鉄表面にはわずかな尾根状の粗い構造しか見られず、サンドブラストによる残留物は確認されなかった；時間が30秒になると、チタン表面には多数の尾根状の粗い構造や溝が現れ、これらの尾根状構造に埋もれた砂粒の残留物が徐々に増えていく。時間がさらに経過しても、粗い構造自体にはほとんど変化は見られないが、残留物は続けて増加する。リャオ・メンハオは、異なる粒径の砂粒を用いて鋼、チタン、アルミニウムなどの異なる基材にサンドブラスト処理を施し、金属表面のサンドブラスト汚染について研究し、砂粒の残留メカニズムを探求した。実験の結果、残留する粒子のサイズはサンドブラスト用の砂粒の粒径よりもはるかに小さいことがわかり、これは砂粒が基材に衝突して破砕されることが砂粒が残留する主な原因であることを示している。李欽奉はサンドブラストの効率に影響を与える要因について研究し、サンドブラスト圧力と清掃効率は正比例の関係にあると指摘した。原理的には圧力が高ければ高いほど清掃効率も高くなるが、圧力が上昇すると砂粒の破損やサンドブラスト残渣が増加するため、0.7MPa前後が最適であり、一般的には0.55～0.75MPaの範囲で制御される。したがって、サンドブラストを基材の前処理方法として使用する場合は、基材の硬さに応じて適切な砂粒、サンドブラストの角度、時間、および圧力を選定し、サンドブラストの残渣がコーティングの接着強度に悪影響を与えないように努める必要がある。近年、一部の研究者は小粒径の砂粒を用いたサンドブラストを行い、その後酸処理によって基材表面を処理している。これにより、基材表面に残ったわずかなサンドブラストの残留物を除去すると同時に、表面の粗さを増大させ、均一なマイクロ・ナノ二重構造を得ることができ、結果として適切な表面粗さと十分なコーティングの密着強度が実現される。金属表面に研磨、エッチング、酸洗い、不動態化、サンドブラスト処理を施すことで、基材表面を清潔にし、表面の粗さを増大させることができる。しかし、各前処理方法にはそれぞれ欠点があり、単独で使用しても完璧な処理効果は得られない。異なる前処理方法を組み合わせることが、有効な選択肢かもしれない。基材表面の粗さを高めるために粗面処理を施すことでコーティングの密着強度は向上するが、粗さがコーティングの密着強度に与える影響は常に正の相関にあるわけではない。粗さが過度に大きい場合、特に粗面の構造が不均一な場合、コーティングの厚み分布が不均一になり、結果として接着力が低下してしまいます；同時にコーティングの応力亀裂の問題を引き起こし、腐食性媒体に対するコーティングの遮断性能を低下させる。また、粗さが大きすぎると、波の頂点部分のコーティング厚が設計値を下回り、コーティングが早期に劣化する。さらに、深くて狭い波の谷では気泡がたまりやすく、コーティングに泡が発生し、防護性能が低下する。一方、スプレー方法が異なると、基材表面の粗さがコーティングの付着強度に与える影響の傾向も異なってくる。アークスプレーとプラズマスプレーを例にとると、ある範囲内で粗さが大きくなるほど、プラズマスプレー層の密着性は低下する一方、アークスプレー層の結合強度は高くなる。したがって、異なる設計要件、異なるコーティングシステム、異なるスプレー方法における最適な粗さは、実験によって決定する必要がある。