亜鉛合金の強度改善技術と鉱業機械市場での適用事例

亜鉛合金が鉱業機械で注目される理由

亜鉛合金は比較的低価格で鋳造性に優れ、複雑形状の大量生産に向いています。
一方で純粋な亜鉛や従来の亜鉛合金は強度と耐摩耗性が不足し、過酷な鉱山環境で使用すると早期摩耗や破断を招くことが課題でした。
近年は添加元素や熱処理、表面改質を組み合わせることでこれらの弱点を克服する技術が確立され、鉄鋼材やアルミ合金に代わる軽量部材として採用が進んでいます。
鉱業機械の小型化、省エネ化、コスト低減が求められる中で、強度を底上げした亜鉛合金は重要な選択肢になっています。

強度改善が必要となる背景

鉱業機械は鉱石や岩石、スラリーと連続接触し、高荷重衝撃と摩耗が常態化します。
鋳鋼や高クロム鋳鉄は高耐久ですが重く加工コストが高いため、軽量ながら高強度を実現した亜鉛合金への置換が期待されています。
特に地下坑道の搬送装置や可搬型クラッシャーでは、軽量化が作業効率と安全性に直結するため、強度改善技術を施した亜鉛合金の需要が高まっています。

亜鉛合金の強度向上技術

添加元素による機械的性質の向上

アルミニウム、マグネシウム、銅、チタンを適切に添加することで、固溶強化と析出強化を同時に得る手法が一般化しています。
例えばAl4〜5％、Cu1％、Mg0.03％を含むZamak系改良合金は引張強さが300MPa近くまで向上し、従来比で約30％の強度アップが確認されています。
微量のチタンや希土類元素を添加すると結晶粒を微細化でき、靭性と耐摩耗性も同時に強化できます。

熱処理プロセスの最適化

時効硬化熱処理を行うと微細なAl-Cu系析出物が生成し、降伏強さを高めます。
溶体化温度は370〜380℃、時効温度は120〜150℃が推奨値で、保持時間を2〜6時間に調整することで硬度を20〜25％向上できます。
急冷後の時効工程を二段階に分ける二段時効法は、オーステナイト残留を抑えて耐摩耗性をさらに引き上げます。

表面改質・複合コーティング

高周波焼入れやレーザークラッディングで表面を部分硬化させると、基材の靭性を維持したまま接触面の耐摩耗性を確保できます。
またPVD法でCrNやTiAlN膜を3〜5μm付与すると摩擦係数が0.4から0.2程度に低下し、摺動部品の発熱と摩耗を大幅に抑制できます。
リン酸塩皮膜＋フッ素系潤滑剤の複合処理は腐食環境下でも潤滑性を保持し、電食によるピッティングを防止します。

鉱業機械における適用事例

事例1：可搬式破砕機のハンマーヘッド

豪州鉱山の現場では、高クロム鋳鉄製ハンマーを改良Zamak合金に置換し、重量を15％削減しながら寿命を1.3倍に延長しました。
衝撃荷重が集中する先端部にはレーザークラッディングでWC強化層を設け、硬度HV800超を実現しています。
軽量化による慣性モーメント低減でモーター負荷が7％下がり、省エネ効果も報告されました。

事例2：地下コンベヤのアイドラーローラー

従来の鋼製ローラーは腐食と摩耗で半年ごとに交換が必要でした。
表面にTiAlN膜を施した亜鉛合金ローラーへと更新した結果、摩耗量が70％減少し、交換周期は18か月となりました。
作業時間の短縮と部品コスト削減で年間約20万ドルの経済効果が試算されています。

事例3：浚渫ポンプのインペラ

沖合いの砂利採取船では、海水と砂粒が混在する高腐食・高摩耗環境でインペラの損耗が激しく、頻繁なメンテナンスが問題でした。
MgとAlを高比率で含む耐食型亜鉛合金に陽極酸化処理を組み合わせたインペラを採用したところ、腐食速度が従来の1/4に低下しました。
重量が10％軽くなり、ポンプ軸受けの負荷も減少してシステム全体の信頼性が向上しています。

亜鉛合金導入時の評価ポイント

機械的強度だけでなく、摩耗モード（研磨、接着、衝撃）を把握し、添加元素や表面処理を最適化することが重要です。
耐食性は環境イオン濃度とpHの影響を大きく受けるため、JIS H8610やASTM B117による塩水噴霧試験で比較評価することを推奨します。
溶接や機械加工性も事前確認が必要で、低融点ゆえに過度の入熱を避ける設計と工程管理が求められます。

市場動向と今後の展望

国際エネルギー機関は2025年以降、電動化の進展で銅、リチウム、ニッケルの鉱石需要が増すと予測しています。
鉱業機械の稼働率向上が不可欠となり、軽量・高強度・低コストの亜鉛合金部材は採用がさらに広がる見通しです。
加えて、リサイクル容易性も環境規制強化に対応する強みとなり、欧州では亜鉛合金部材の回収率90％超を目標とするプロジェクトが進行中です。
今後はAIによる成分最適化、グリーン水素利用の低温熱処理など、脱炭素製造プロセスの導入が加速すると考えられます。

まとめ

亜鉛合金は最新の強度改善技術により、鉱業機械でも十分な耐久性を発揮できる材料へ進化しました。
添加元素、熱処理、表面改質を組み合わせることで、引張強さ300MPa級、硬度HV150以上、耐摩耗寿命1.5倍という性能が実現可能です。
破砕機、コンベヤ、ポンプなど多様な事例で軽量化とコストダウンの効果が報告され、市場の関心は急速に高まっています。
導入を成功させるには、使用環境に合わせた材料設計と信頼性試験を徹底し、部品ごとの寿命サイクルを最適化することが鍵となります。
鉱業機械の効率運用と環境負荷低減を同時に叶える素材として、亜鉛合金の適用範囲は今後も拡大していくでしょう。