JP2008121118A - 電解研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 鉄、タングステン、軽金属およびこれらの合金の表面を電解研磨するのに適した、作業の安全性や環境保護については実質的に無害な方法を提供する。
【解決手段】 メタンスルホン酸と、一般式Ｃ_ｎＨ_２ｎ（ＯＨ）_２、ｎ＝２〜６で示される脂肪族ジオールおよび一般式Ｃ_ｍＨ_２ｍ−１ＯＨ、ｍ＝５〜８で示される脂環式アルコールからなる群から選択される少なくとも一種のアルコール化合物を含み、クロム酸またはクロム酸塩を含まない電解液を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属および金属合金の表面を電気化学研磨する方法に関する。また、前記金属および金属合金の表面を電解研磨するために使用される電解液は、メタンスルホン酸と、脂肪族ジオールおよび脂環式アルコールから選択される少なくとも一種のアルコール化合物を含む。また、前記方法は、鉄、タングステン、マグネシウム、アルミニウムまたはこれらの金属の合金を含む金属表面に適している。

電気化学研磨法または電解研磨法の目的は、高純度の金属表面を製造し、金属表面を平滑化およびデバリングすることである。ミクロレベルでの平滑化を行うことで、処理面は高光沢を有する。また、電解研磨により材料外層のひずみを除去することができる。

多様な電解研磨方法が公知であり、種々の金属および金属合金の処理に用いることができる。通常、これらの方法は電解液を使用することを前提としている。該電解液はホスホン酸、硫酸のような濃無機酸または濃無機酸の混合物を含み、加えて電解液の作用を高め、より平滑で光沢のある金属表面を得るために添加剤を含むことが多い。このような添加剤の例としては、アルコール、アミン、グリセロール等のような、クロム酸、フッ化水素酸、アミンフッ化物または有機添加物が挙げられる。

しかしながら、産業的に広く使用されている既存の電解液のすべてに共通して、特定の金属または金属合金のみにしか効果的に使用されないという特徴があり、そのため使用用途がとても限定される。したがって、様々な金属または金属合金を加工するためには、相当する数の異なる電解液を保持することが度々必要となる。これらの電解液は混ぜ合わせるとダメージを受けて使い物にならなくなってしまうので、電解液ごとに厳密に隔離され、特に決して混ぜ合わせてはならない。これらを混ぜ合わせた場合、時に電解液が互いに反応して、例えば危険物質または健康に有害な物質を放出する。さらに、処理を行う条件や電解研磨装置の備品もまた、異なる電解液によって変更しなくてはならない。そのため、異なる材料に対して多数の装置を保持しなくてはならない。

通常よく使用される電解液は危険物質であり、それら特有の有害性、引火性および／または危険クラスにもよるが、前記危険物質は、保管方法、使用に関して特殊な条件や規制を必要とするものであり、環境保護および作業の安全性につながる特有な予防策が要求される。また、それによって相当な支出および関連するコストが生じる。

これらの問題の理想的な解決策は、すべての金属および金属合金の処理に適し、関連する環境上の影響および作業の安全性に関して主として無害な電解研磨方法にあるだろう。

一般的な使用に必要な条件を主として満たす電解液は古くから知られている。この電解液は過塩素酸および無水酢酸の混合物である。しかし、この混合物は爆発する恐れがあるため工業的に使用できない、または安全処置による相当な支出を伴ってのみ使用することができる。

特許文献１では、電解研磨法を開示しており、この電解研磨法は広い範囲の金属または金属合金に使用できるようである。とりわけ、この電解研磨法では、メタンスルホン酸およびメタノールからなる電解液を用いている。しかしながら、この電解液は、高い揮発性を持つメタノールを８０％以上と高濃度に含んでいるため、健康に有害であり、火災および爆発の危険性がある。そのため、このような処理は通常、例えば最高１０℃のような、かなり低い温度においてのみ実施可能である。若しくは、結果として生じる蒸気を捕捉して、それらを排出するための高価なシステムを用いてのみ実施することができる。さらに、炭素鋼、マグネシウム、マグネシウム合金またはアルミニウム−シリコン合金に対する適合性は開示されていない。

特許文献２に開示される方法も比較的広い範囲で処理ができるようだが、これにもまた、マグネシウム含有金属表面やアルミニウム−シリコン合金からなる表面に対する適合性は開示されていない。また、電解液は、少なくともアルキレングリコールを７５ｗｔ．％含み、残りはアルカリ金属の塩化物塩および／またはアルカリ土類金属からなるものを使用している。

国際公開ＷＯ０１／７１０６８Ａ１ 米国特許２００５／００４５４９１Ａ１

本発明は、広い範囲の金属および金属合金に効果的な電解研磨方法に関する。該方法は作業の安全性や環境保護については実質的に無害である。また、前記方法は、鉄、タングステンおよび軽金属のような種々の金属表面、およびこれらの金属の金属合金の表面を電解研磨するのに適している。また、前記方法は特にニッケル鉄、特殊鋼（ステンレス鋼）または炭素鋼のような鉄または鉄合金に適している。また、本発明の方法によれば、硬化されたものと未硬化のものとの両方の形態のタングステンまたはタングステン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、そしてアルミニウム−シリコン合金を電解研磨することができる。ここで、特定の金属の合金の意味は、その合金の成分重量において、この金属がその合金の主成分であるものである。また、その金属、あるいは複数の金属が、その合金の５０ｗｔ．％以上含むことが度々ある。

本発明における電解研磨方法で使用する電解液としては、メタンスルホン酸と、少なくとも一種のアルコール化合物を含む溶液である。該少なくとも一種のアルコール化合物は一般式Ｃ_ｎＨ_２ｎ（ＯＨ）_２、ｎ＝２〜６で示される脂肪族ジオールおよび一般式Ｃ_ｍＨ_２ｍ−１ＯＨ、ｍ＝５〜８で示される脂環式アルコールからなる群から選択される。特に、前記アルコール化合物は一般式Ｃ_ｎＨ_２ｎ（ＯＨ）_２、ｎ＝３、４、５または６で示される少なくとも一種の脂肪族ジオールを含むことができる。さらに、２つのヒドロキシル基が異なる炭素原子に結合して得られるこれらの脂肪族ジオールの異性体も用いることができる。例として１、２−ペンタンジオール、１、２−ブタンジオールまたは１、４−ブタンジオールが挙げられる。

特別な実施態様においては、前記電解液は少なくとも一種の一般式Ｃ_ｎＨ_２ｎ（ＯＨ）_２で示される脂肪族ジオールと、少なくとも一種の一般式Ｃ_ｍＨ_２ｍ−１ＯＨで示される脂環式アルコールの両方のアルコール化合物を含む。また、この場合ｎ＝２〜６、ｍ＝５〜８である。

本発明における脂環式アルコールは一般式Ｃ_ｍＨ_２ｍ−１ＯＨ、ｍ＝５〜８を満たす全ての異性体を含む。全ての炭素原子はシクロペンタノール、シクロヘキサノール、シクロヘプタノールおよびシクロオクタノールのような環状構造となることができる。しかしながら、１つ以上の炭素原子はヒドロキシアルキルおよび／または一つ以上のアルキル側鎖となることも可能である。また、シクロヘキサノールを含む電解液が特に好ましい。

好ましい実施態様においては、本発明の電解研磨方法における電解液はメタンスルホン酸を５〜９３ｗｔ．％、少なくとも一種のアルコール化合物を９５〜７ｗｔ．％含む混合液からなる。本発明におけるこれらの比率やその他は、特別な状況を除いては、物質および溶液における重量に対するものである。また、前記電解液はメタンスルホン酸を１０〜８０ｗｔ．％、少なくとも一種のアルコール化合物を９０〜２０ｗｔ．％含むことが特に好ましい。したがって、前記電解液は、例えばメタンスルホン酸を２０〜５０％、そして少なくとも一種のアルコール化合物を５０〜８０％含むことができる。

特に、本発明における電解研磨方法は、電解液にメタンスルホン酸およびアルコール化合物の他に、その他の添加剤を必要としないことを特徴としている。特に本発明の方法において使用される電解液は、クロム酸またはクロム酸塩だけでなく、過塩素酸またはその塩化物も含まない。さらに、前記方法は、メタノール、エタノールまたはエステルのような高い揮発性を有する添加剤を用いなくともよい。特記したこれらの物質の高い蒸気圧は、その引火性および有毒性により作業安全性を脅かす。さらに、前記電解液は、フッ化水素酸を含まず、また、このような主成分であれば実施において問題がないものである。

好ましくは、本発明の電解研磨方法において使用される電解液は、水を含まないか、水を少量のみ含む。したがって、前記電解液に含まれる水の量は１０％の比率を超えるべきではない。また、前記電解液は、伝導性を上げるために塩を添加する必要はない。

本発明の特別な実施態様としては、前記方法は４０℃から１００℃の間の温度において実施される。また、該方法が実施されるのに特に好ましくは６０℃から１００℃の間の温度である。本発明の方法における電解液は高揮発性の成分を含まないので、例えば発生した蒸気を確実に捕捉して、除去するような特別な予防策を必要とすることなく、より高い温度、例えば８０℃以上、９０℃以上、１００℃以上又はより高温を用いることができる。より高い温度においても前記方法を実施できるという可能性は、一方で、電解研磨処理を必要であれば比較的短時間とすることができ、もう一方で、電解研磨処理において発生した熱を除去する高価な除去処理が不必要となることを意味する。したがって、高価な冷却処理が概ね、あるいは完全に不必要となる。また、冷却処理が用いられる場合であっても、高い性能条件を満たす必要はない。

本発明における電解研磨方法においては、陽極電流密度をかなり自由に選択することができる。特定の金属に従って、研磨される表面の３から４０Ａ／ｄｍ^２の間の値が好ましく、５〜３０Ａ／ｄｍ^２の範囲が特に好ましい。タングステンまたはタングステン合金は、特に、例えば約３０〜４０Ａ／ｄｍ^２の高い陽極電流密度の使用を可能とする。しかしながら、ここに記載される他の材料は、より高い陽極電流密度においても効果的に電解研磨することができる。鉄、アルミニウムおよびマグネシウムを含む表面には、およそ５〜２０Ａ／ｄｍ^２の陽極電流密度であれば通常十分である。

電解研磨処理の継続時間は、もちろん処理される金属と、研磨されるワークの粗さ、所望の金属除去量とワーク表面の所望の平滑度、そして温度および電流密度に依存する。

その広い適応性に加えて、本発明における電解研磨方法は、前述の電解研磨処理に勝る他の重要な利点を有する。使用される電解液は化学的にアグレッシブではなく、そのため電解研磨のための通電を停止した後、次のリンス処理中であっても、電解研磨された表面に対して実質的に不活性である。表面は化学的に侵されず、エッチングもされないので、電解研磨された表面の品質は維持され、処理されたワークから前記電解液をできるだけ急速に除去するという特別な処置は必要ない。これは、例えば通常の鋼、マグネシウム、アルミニウムおよびそれらの金属合金のような腐食抵抗が低いワークの処理において特に重要である。

ここに示されるすべての態様の電解研磨方法に加え、本発明のさらなる態様は前記方法で使用される上記の電解液に関する。

本発明を、下記実施例でより詳細に説明する。該実施例は、本発明の電解研磨方法のあり得る実施態様の例を示すに過ぎず、本発明の条件の限定を意味するものではない。

１．
処理表面：特殊鋼、材料番号１．４３０１
電解液： ３７％ メタンスルホン酸 ＋ ６３％ １、２−プロパンジオール
温度：８０℃
陽極電流密度：１０Ａ／ｄｍ^２
継続時間：１５分
結果：鏡面仕上がり

２．
処理表面：工具鋼（炭素鋼）
電解液： ３７％ メタンスルホン酸 ＋ ６３％ １、２−ペンタンジオール
温度：８０℃
陽極電流密度：２０Ａ／ｄｍ^２
継続時間：１０分
結果：高光沢

３．
処理表面：タングステン
電解液： ５０％ メタンスルホン酸 ＋ ５０％ １、２−プロパンジオール
温度：８０℃
陽極電流密度：４０Ａ／ｄｍ^２
結果：高光沢

４．
処理表面：マグネシウム
電解液： ２０％ メタンスルホン酸 ＋ ４０％ １、２−プロパンジオール ＋ ４０％ シクロヘキサノール
温度：６０℃
陽極電流密度：１０Ａ／ｄｍ^２
継続時間：８分
結果：高光沢

５．
処理表面：アルミニウム−シリコン合金 ＡｌＳｉ_２Ｏ
電解液： ２０％ メタンスルホン酸 ＋ ８０％ １、２−ブタンジオール
温度：８０℃
陽極電流密度：１０Ａ／ｄｍ^２
継続時間：１２分
結果：高光沢

６．
処理表面：アルミニウム−マグネシウム合金 ＡｌＭｇ_１
電解液： ５０％ メタンスルホン酸 ＋ ５０％ １、２−プロパンジオール
温度：８０℃
陽極電流密度：１０Ａ／ｄｍ^２
継続時間：１０分
結果：高光沢

Claims (16)

1. 鉄、タングステン、軽金属、およびこれらの金属の合金から選択される金属の表面を電解液を用いて電解研磨する方法であって、前記電解液は、メタンスルホン酸と、一般式Ｃ_ｎＨ_２ｎ（ＯＨ）_２、ｎ＝２〜６で示される脂肪族ジオールおよび一般式Ｃ_ｍＨ_２ｍ−１ＯＨ、ｍ＝５〜８で示される脂環式アルコールからなる群から選択される少なくとも一種のアルコール化合物を含むことを特徴とする電解研磨方法。
2. 前記表面が、鉄またはニッケル鉄のような鉄合金、特殊鋼または炭素鋼、硬化されたものまたは未硬化のものを含むことを特徴とする請求項１に記載の電解研磨方法。
3. 前記表面が、タングステンまたはタングステン合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の電解研磨方法。
4. 前記表面が、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の電解研磨方法。
5. 前記表面が、アルミニウム−シリコン合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の電解研磨方法。
6. 前記アルコール化合物が、少なくとも一般式Ｃ_ｎＨ_２ｎ（ＯＨ）_２、ｎ＝３〜６で示される脂肪族ジオールを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
7. 前記脂肪族ジオールが、１，２−プロパンジオールおよび／または１，２−ブタンジオールを含むことを特徴とする請求項６に記載の電解研磨方法。
8. 前記電解液が、メタンスルホン酸を５〜９３ｗｔ．％、アルコール化合物を９５〜７ｗｔ．％含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
9. 前記電解液が、メタンスルホン酸を１０〜８０ｗｔ．％、アルコール化合物を９０〜２０ｗｔ．％含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
10. 前記アルコール化合物が、少なくとも一種の脂肪族ジオールおよび少なくとも一種の脂環式アルコールを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
11. 前記脂環式アルコールが、シクロヘキサノールを含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
12. 前記電解液がクロム酸またはクロム酸塩を含まないことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
13. 前記電解研磨は、４０〜１００℃の温度で行われることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
14. 前記電解研磨は、６０〜１００℃の温度で行われることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
15. 前記電解研磨は、３〜４０Ａ／ｄｍ^２の陽極電流密度で行われることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
16. 鉄、タングステン、軽金属、およびこれらの金属の合金から選択される金属の表面を電解研磨するための電解液であって、該電解液が請求項６乃至１１のいずれか一項に記載のものであることを特徴とする電解液。