シェラダイジング
シェラダイジング（sheradizing）とは、粉末亜鉛またはこれを含む混合粉末の中に鉄鋼部品を埋め込み、300〜400℃の温度域で数時間加熱することで、鉄鋼表面に亜鉛を拡散浸透させて耐食性皮膜を形成する表面処理技術である。「亜鉛焼き」や「亜鉛被覆」とも呼ばれ、拡散浸透処理の一種に分類される。皮膜はめっき層として被覆されるのではなく、素地金属と拡散した亜鉛が一体化したFe-Zn合金層として形成されるため、密着性が極めて高い。ねじやナットのような複雑な形状の小物部品への適用に優れており、溶融亜鉛めっきでは処理が難しい用途を補完する技術として広く知られている。
歴史と名称の由来
シェラダイジングの名称は、20世紀初頭にこの技術を開発したイギリスの冶金学者シャーラード・カウパー＝コールズ（Sherard Cowper-Coles）に由来する。亜鉛製錬の副産物として得られる粉末青粉（Zn 85〜90%、ZnO 5〜8%）を活用する手法として考案され、廃材を有効利用できる実用的な防錆処理として工業化が進んだ。処理に用いる粉末材料のコストが比較的低く、古くから量産部品の防錆に応用されてきた経緯がある。現在では粉末亜鉛の品質制御や炉内雰囲気管理の技術が向上し、安定した皮膜品質が得られるようになっている。
処理プロセスの概要
シェラダイジングの基本的なプロセスは、密閉容器（レトルト）に脱脂・洗浄した鉄鋼部品と粉末亜鉛を投入し、容器ごと回転させながら加熱するバレル炉方式が主流である。加熱温度は250〜400℃の範囲で設定され、3〜12時間の保持によって亜鉛が鉄鋼表面から内部へと熱拡散する。容器を回転させることで部品同士の凝着を防ぎ、均一な皮膜を各部に形成できる。処理後は徐冷または空冷し、必要に応じてクロメートやリン酸塩などの化成処理を後処理として施すこともある。処理温度が鉄鋼の焼入れ温度よりはるかに低いため、母材の機械的特性に与える影響が少ない点も特長のひとつである。
皮膜の構造と組成
形成される皮膜は、鉄鋼側から外表面に向かってFe含有率が段階的に低下するFe-Zn金属間化合物の多層構造をとる。最内層には鉄リッチなΓ相（Fe₃Zn₁₀）が形成され、その外側にδ相（FeZn₇）が続き、最表層には薄い純亜鉛層（η相）が残る。皮膜全体の厚さは処理条件によって異なるが、一般的に10〜30μm程度となる。この拡散接合による皮膜は素地との結合が強固で、溶融めっきのような別途形成された被覆層ではないため、剥離やフレーキングが起きにくい。また、皮膜の成長が素地から外側方向に進むため、中空形状やねじ山のような入り組んだ部位にも均一に皮膜が形成される。
合金相と防食機構
皮膜中の亜鉛は鉄よりもイオン化傾向が高いため、腐食環境下では亜鉛が優先的に溶解して鉄鋼素地を保護する犠牲防食が機能する。溶解した亜鉛は炭酸亜鉛や水酸化亜鉛からなる緻密な腐食生成物を表面に形成し、バリア効果として腐食の進行をさらに遅らせる。このため、塩水噴霧試験などの加速腐食試験においても長期間の耐食性が確認されている。無機ジンク塗料における犠牲防食の原理と本質的に同じ機構であるが、シェラダイジングでは拡散合金層として亜鉛が固定されているため、塗膜の剥離に起因する防食効果の喪失がない点で異なる。
溶融亜鉛めっきとの比較
溶融亜鉛めっきは約450℃の亜鉛浴への浸漬により皮膜を形成するのに対し、シェラダイジングは処理温度が低く、高強度鋼でも焼戻し軟化を生じにくい。また溶融めっきでは処理容器や設備の制約から大型部品や複雑形状の均一被覆に課題が残るが、シェラダイジングはバレル内での粉末拡散により微細なねじ山や内面にも皮膜が入り込む。一方、皮膜の耐食性においては溶融亜鉛めっきの方が厚膜を得やすく、屋外大型構造物など長期耐久が求められる用途では溶融めっきが有利である。両工法を比較した場合、シェラダイジングは量産小物部品向けに適した選択肢として位置づけられる。
- 処理温度が低く（250〜400℃）、高強度鋼の機械的特性を維持しやすい
- 複雑形状・ねじ山・中空部への均一皮膜形成が可能
- 水素雰囲気を伴わないため水素脆化のリスクが低い
- 皮膜が拡散合金層であるため剥離・フレーキングが生じにくい
- 電気めっきに比べて膜厚の均一性が高い
他の拡散浸透処理との関係
拡散浸透処理（diffusion coating）は、金属元素を鉄鋼表面に熱拡散させて合金層を形成する処理の総称であり、浸透させる元素の種類によって名称が異なる。クロムを浸透させるクロマイジング（chromizing）、アルミニウムを浸透させるアルミナイジング（aluminizing）、ケイ素を浸透させるシリコナイジング（siliconizing）、ホウ素を浸透させるボロナイジング（boronizing）などが工業的に実用化されている。これらと比較すると、シェラダイジングは処理温度が最も低い部類に入り、設備コストや熱処理によるひずみの観点でも有利である。主たる目的が防錆・耐食であるのに対し、クロマイジングは耐熱性、ボロナイジングは高硬度・耐摩耗性の付与を主目的とするなど、各処理の特性に応じた使い分けがなされている。
主な適用部品と用途
シェラダイジングは、ボルト・ナット・ワッシャー・スプリングなどの締結部品に最も広く適用されている。これらは形状が複雑で数量が多く、バレル炉による一括処理との親和性が高い。土木・建設用の鋼材付属品、配管継手、農業機械の留め具、鉄道用締結部材などにも採用実績がある。また、中空構造を持つ部品や内面にめっきが必要な部品への対応も可能であり、電気めっきでは処理が困難な複雑形状部品の防錆処理として活用される場面も多い。自動車部品では、サスペンション系やボディ締結に用いられるねじ類の一部にも採用されている。
品質管理と規格
シェラダイジング皮膜の品質評価では、膜厚測定、外観検査、塩水噴霧試験（SST）による耐食性確認が主要な管理項目となる。膜厚は電磁式膜厚計による非破壊測定が一般的であり、重要部位は断面観察や秤量法で確認する。国際規格ではISO 14713-3がシェラダイジングに関する要求事項と試験方法を規定しており、皮膜の均一性や最小膜厚の基準が定められている。後処理として施すクロメートやシーラー処理の種類によって最終的な耐食性が大きく変化するため、適用環境に応じた後処理の選定が品質確保のうえで重要となる。表面の孔食リスクや隙間腐食への対策も、設計段階から考慮することが望ましい。
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