用途の広い銅メッキについて

銅は柔軟性にすぐれ、電気や熱の伝導性が高い金属です。そのため銅メッキはさまざまな用途に使うことができ、プラスチック上にの下地メッキから、プリント配線板のパターンメッキなど幅広い用途が挙げられます。

銅は素材の汚れや、密着を邪魔する素材に対して比較的鈍感な性質をもちます。また下地メッキとしてニッケルの下層に利用した場合、上層のニッケルメッキなどに存在するピンホールなどを素地まで貫通させずさらに耐食性を増させることになります。緩衝保護皮膜としても有効です。

銅メッキには酸性の硫酸銅浴、中性に近いピロリン酸浴、アルカリ性のシアン化銅浴が広く用いられています。

硫酸銅浴はプリント配線板へのメッキ、装飾用の樹脂メッキの下地、電解銅箔の作成などに欠かせないものです。シアン化銅浴は亜鉛系あるいは鉄系の素材上への下地メッキとしてや、バレルメッキには欠かせないものです。ピロリン酸銅浴は高周波電流を運ぶ導波管や浸炭防止用などに用いられています。

多様化するメッキの種類

メッキについては、誰もが知っているようで、その多様性や役割については、意外と知られていなのが実情でしょう。

メッキとしては、金属の表面に電気分解を応用して下地の金属とは異なる金属の層を析出させる電気メッキがが良く知られていますが、この他に金属成分が溶け込んだ溶液の中に製品を入れて、その表面に還元析出させる方法の無電解メッキがあります。

電気メッキは、メッキを施すものの表面が電流の流れるものでなければならず、金属が被メッキ素材としては中心ですが、無電解メッキではセラミックやガラスなどの電流が流れない被メッキ素材にもメッキする事が可能です。

またメッキを施す目的としては、装飾のためと、機能メッキに大別されます。装飾メッキは、防錆を兼ねて表面を綺麗に維持する事が目的で、装飾品や日常使いの様々なものに活用されています。

一方の機能メッキとしては、防錆性、耐摩耗性、電気伝導の改善など、日常品の他、産業用途に色々と活用されています。

私達は、こうしたメッキ技術の進展と多様性の恩恵を受けているのです。

メッキを行う前の脱脂の重要性

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メッキを行う前には、金属表面に対する前処理を行う必要があります。金属の表面には指紋や研磨剤のような有機物質層があります。これを完全に除去しないことには金属間の結合が形成されません。ここで行われるのが脱脂工程です。

金属表面についている汚れの主成分である油脂類は、動物性油脂と鉱物系油脂に大別されることになります。動物性油脂は力性アルカリまたはこれを含む洗剤を用いて油脂を鹸化して除去し、鉱物性油脂は溶剤または界面活性剤などを使って脱脂します。そして脱脂の工程では、浸漬脱脂や電解脱脂など、複数の工程で脱脂していきます。

浸漬脱脂浴は各種アルカリ薬品を組み合わせて使用されます。銅や亜鉛の場合には素材が溶解してしまうことがあるので、それぞれの素材にあわせた脱脂浴を選択することが大切になります。

電解脱脂は水を電気分解することで陰極で水素ガス、陽極で酸素ガスが発生することを利用し、どちらかの極で脱脂する方法です。

無電解ニッケルメッキの特徴について

無電解メッキは、製品に通電することなく、置換反応や還元剤の還元作用を用いて金属イオンを還元し、金属の皮膜を形成する方法です。その中でも特に高く利用が増大しているのが無電解ニッケルメッキです。

無電解ニッケルメッキは、電気をつかったニッケルメッキと異なり、電流を分布させる必要がないので、複雑な形状の部品であっても均一にメッキを行えるという特徴があります。そのため、精密機械の部品やねじなどに使うことが可能です。コンピューターなどが外部の電磁波から影響を受けないようにする電磁波シールドの効力を持たせることにも利用されています。

また、無電解ニッケルメッキは非電導性の素材であるプラスチックやセラミックスなど、幅広い素材にメッキを行えるのも特徴です。無電解ニッケルメッキはリンとの合金になるため、皮膜の硬度や耐摩耗性、耐食性、磁性をなくすことなど多くの機能を付与することもできます。リンやホウ素の含有量により、抵抗体として用いることもできます。

ニッケルメッキの特徴について

ニッケルは腐食しにくく、融点が高く、硬さも適当である、というさまざまな利点をもっています。よってニッケルメッキは、耐食性、耐熱性、装飾性に優れており、各種の下地メッキとして、装飾的な用途にも、電子部品などの機能的な用途にも多く用いられている主要なメッキのひとつとなっています。

ニッケルメッキ浴にはさまざまな種類がありますが、その中でもっとも多く用いられているのがワット浴です。その構成成分は金属イオンを供給する硫酸ニッケル、陽極溶解の促進や液の導電性を向上させるための塩化ニッケル、ホウ酸で弱酸性の性質をもつメッキ液というようになります。ホウ酸はニッケルイオンと弱い錯体を形成し、その錯体からニッケルの電析を行うことになります。添加剤の種類によって無光沢、半光沢、光沢浴がありますが、各成分の濃度が濃すぎると液の粘性が高くなって皮膜に欠陥が生じやすく、薄すぎるとメッキがよくくっつくにくくなるという特徴があります。

電子部品とメッキの関係

一般に身近にある電気製品には、多くの電子部品が使われています。これらの製品にはプリント配線板が使われていますが、これはメッキが大きな役割を担っています。大きな理由としては3つがあります。

1点として、プリント配線板に接合するためにはんだ性を向上させる役割があります。セラミックスなどに抵抗体を作成して使用する場合には、セラミックスだけでははんだ付けができないため、セラミックス上にはんだメッキを行って接合することが必要となるのです。

2点目として、電気伝導性が向上します。金属は一般に電気伝導性が優れていますが、銀メッキや銅メッキを行うことによって、伝導性を上げるためにメッキを行います。特にプリント配線板には電気伝導性が優れ、安価である銅メッキが多く用いられます。

3点目として、接触抵抗値を下げることができます。金メッキは表面に酸化皮膜をつくることがありませんので、接触抵抗値が低く、接点関係に多く利用されます。

電気メッキとはどのように行われるか

電気メッキとは、電気エネルギーにより、溶液の中の金属イオンを金属原子に還元してメッキを行う方法の事を言います。

この場合、メッキしたい製品を陰極にセットし、メッキする金属を陽極にセットします。

整流器から供給された電子がメッキの表面で金属原子に還元を行い、皮膜を形成することになります。皮膜表面には、金属イオンを十分に供給するために濃度をできるだけ濃くし、メッキ液を攪拌することになります。ここで析出した金属原子が、メッキの表面を動いて金属結晶をつくるのです。

電流が強すぎると皮膜形成の速度が速くなりすぎて荒いメッキになってしまいます。一方で金属イオンの供給が遅れると電子をためておくことができず、焦げが発生してメッキの質が落ちてしまうことになります。このため、それぞれのメッキには適正な電流密度が設定されています。

また、メッキ浴を行う際には、金属イオンの供給源として、電気伝導性を付与するため、pHの緩衝などの目的で薬品が混合されます。

亜鉛メッキとクロメート処理

クロメート処理とは、メッキするものを六価クロム液に浸漬させて、クロメート皮膜を形成させることをいいます。クロメート皮膜は目的によって光沢クロメート、有色クロメート、黒色クロメート、緑色クロメートの4種類があり、用途によって選択することになります。

クロメート処理の特徴として、皮膜中に含まれる六価クロムの量によって耐食性が異なることが挙げられます。皮膜中に六価クロムが多く含まれている皮膜ほど、耐食性が優れるほか、皮膜に傷がついて破壊された場合にも六価クロムが多いほど修復性能が高くなります。しかし、六価クロムは有害な物質でもあり、三価クロムを用いた化成皮膜が開発され用いられるようになってきています。クロム濃度が高いほど排水処理に負担もかかります。

六価クロムによる黒色クロメート処理に相当する三価クロムによる化成皮膜は開発の途上にあり、クロムをまったく用いることがないタングステン酸、セリウム、タンニン酸を用いた化成皮膜も検討されています。