黒皮ってなに？鉄についている膜を剥がす理由

黒皮の正体とは？

黒皮とは熱間圧延加工という方法で作られた鋼材の表面に形成される黒い酸化被膜です。

英語でミルスケール（mill scale）と呼ばれたりもします。

黒皮の主成分は四三酸化鉄（Fe₃O₄）とされています。

この四三酸化鉄（Fe₃O₄）とは覚えている方もいらっしゃるかもですが、

以前のメールマガジンVol.24 錆の種類で取り上げた良性の錆「黒錆」の一種です。

鉄のフライパン、鋳物のスキレットなどに頻繁に見られるものです。

また実は「黒染め処理」でも生成される被膜も同様の四三酸化鉄です。

ただ黒皮は意図せず自然に形成される酸化被膜となり、特定の加工方法にて形成した

黒染めや黒錆などとは性能的に異なるものとなりますのでご注意ください。

黒皮が発生する過程

一般的に広く流通している鋼材の成型方法は圧延・鋳造・鍛造となります。

この中で圧倒的に割合が多いのが圧延です。

圧延には大きく2種類あり鋼材を高温状態にしローラーで圧延する「熱間圧延」、

熱間圧延後に黒皮を酸で除去し、常温で再度圧延する「冷間圧延」です。

熱間圧延で出来た材料を黒皮材、冷間圧延で出来た材料がミガキ材と呼ばれます。

もちろん黒皮が発生するのは「熱間圧延」です。

熱間圧延とは

鋼材を900℃～1200℃といった「再結晶温度」以上に加熱し、圧延する方法です。

加熱した金属をローラーでつぶすことにより、結晶が緻密で粘り強い特性があります。

しかし圧延された後には空気中で冷却され、鋼材は空気中の酸素と結合します。

その結果として鋼材の表面に出来る酸化被膜が「黒皮」です。

黒皮のメリットとデメリット

鋼材を製造する過程の副産物である黒皮ですが、ちゃんとメリットもあります！

【黒皮のメリット】

黒皮の唯一にして最大のメリットとは防錆性があることです。

①黒錆の防錆性能

上記で説明したように黒皮はFe₃O₄を主成分とする黒錆の一種です。

黒錆は内部へ浸食しない被膜となるので、赤錆の発生を抑制する効果があります。

そのため防錆油や塗装などの処理がされていない鋼材を入手しても、酷く錆びている

状態は少ないわけです。

しかし黒皮はあくまで製造過程の副産物で意図して形成している訳ではないので、

被膜の厚さや付着性など多くの問題があり、その防錆性はかなり限定的です。

【黒皮のデメリット】

もちろん黒皮はデメリットの方が多くあります。

その中でも大きなデメリットとされるのは3つ

①寸法精度の悪化

黒皮は意図して被膜になったのではなく、製造過程で発生するものです。

そのため黒皮の厚さは不均一で表面も大きくデコボコしています。

寸法精度に大きなバラつきが生じることになりますので、

精密な精度を必要とする場合には黒皮は大きなデメリットとなります。

②黒皮内部での赤錆（膜化腐食）の発生

黒皮のメリットは防錆能力を有することではありますが、

ピンホールと呼ばれる微細な穴が素地まで開いている場合が多くあります。

そのピンホールから水分や空気が侵入することによって、黒皮の下にある素地に赤錆が発生してしまいます。

この現象を膜下腐食と言います。

内部で赤錆が浸食していくことで、黒皮や塗膜などが剥離するデメリットがあります。

③剥離の可能性

黒皮への塗装・メッキなどのデメリットは密着性が悪いだけではありません。

黒皮は母材である鉄との密着性も低く、多孔質で脆い性質を持っています。

そのため外部からの衝撃や経年劣化で黒皮ごと塗膜やメッキが剥がれ落ちる可能性が高いデメリットがあります。

黒皮のメリット・デメリット一覧表

黒皮の付着した「黒皮材」、黒皮が除去してある「ミガキ材」

黒皮自体のメリットは少ないですが、黒皮材の材料となればメリットは多くあります。

コストや流通量など多くのメリットがあるため大型構造物、自動車、機械、造船など多くの業種にて黒皮材は使用されています。

まとめ

黒皮、ミルスケールと呼ばれる酸化被膜は一定の防錆性を有するため、

加工前の材料としては必要とされることの多いものです。

しかし基本的には製品過程で黒皮は除去する前提となります。

黒皮を除去するには費用がかかりますが、塗装の早期剥離、膜下腐食など

重大な問題に直結するため黒皮は剥がす必要があります。

塗装において黒皮は取り除くべき「異物」でしかありません。

 確実な素地調整によって製品価値と防錆性を高め、製品寿命を延長させます。 

鉄の表面にある黒皮の正体は黒錆と呼ばれる錆の一種です。

錆にはよく見かける「赤錆」と呼ばれる錆のイメージが強く

「金属をボロボロにする」「製品の耐久性が低下する」など悪い印象が多いですが、

この黒錆のように金属を保護する効果を持つ錆も存在します。

金属の種類や周辺環境によって発生する錆は異なり、全部で7種類あると言われます。

メールマガジンVol.24「錆の種類について」では7種類の錆を詳しく説明しています。

金属にとって「良い錆」なのか？「悪い錆」なのか？

またその進行具合を見極めて適切に対処・対策することで金属製品は長持ちします。

錆についてお困りでしたら、お気軽にお問い合わせください。

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製品を保護している塗装の性能や耐久性は塗装対象となる金属の表面、

下地の状態によって大きく左右されます。

塗装前に行う塗装に適した表面へ変化させる「素地調整（下地処理）」は

塗装工程の中で最重要とされています。

塗装後に形成される塗膜（塗料が完全硬化した膜）の寿命は

「素地調整」「塗装回数」「塗料の種類」「塗装技術」などの要因によって決定されます。 

その中でも最も大きな影響を与える要因が「素地調整」です。

金属表面に付着した異物（黒皮・サビ・汚れ）を完全に除去する1種ケレン、

金属表面に付着した異物を可能な限り除去する2種ケレン。

1種ケレン「ブラスト処理」、2種ケレン「電動工具処理」たったこの違いだけで、

塗膜寿命に約50％もの影響を与えるとされています。 

「塗装の回数を増やす」「高性能な塗料を使う」「高い技術にて塗装する」ことも

重要ではありますが、塗膜を長持ちさせるには適切な素地調整が何よりも重要となります。

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最後まで読んでいただき、ありがとうございました。

今月のたお

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