JP2009504905A - 電解研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】
本発明は、鋼、特に低合金鋼の電解研磨方法においてコストを節減し、環境を保護する手法を述べる。ワークは湿気のないリン酸−硫酸−浴における電解研磨後、リン酸含有溶液を用いた第１リンス工程によってリンスされ、これにより、クロマートのような環境に有毒で危険な抑制剤を用いずに、新たに研磨された表面における化学的攻撃が防止される。酸やリンス溶液のリサイクルにより、これらの酸及び溶液は再生され、これにより前記手法を廃液の生じないものとできる。
【選択図】なし

Description

本発明は、リンス工程における表面への腐食攻撃を、高価な抑制剤および環境に有害な抑制剤を用いなくても抑制することができる鋼ワークの電解研磨方法に関する。この方法は、化学的攻撃の影響を特に受けやすい低合金鋼のワークにおいても特に好適である。

電解研磨は金属表面をデバリング、平滑化および光沢を持たせるために用いられる手法である。高い電流密度により、細かい傷や他の凹凸がある位置では金属ワークの平坦な領域に比べて金属が電離し、溶解するのが速いため、凹凸はならされる。この用途から、電解研磨された、適当な担体に坦持された物体又はかごに入った物体等の対象は、電解液、研磨浴に浸され、一定時間経過後に後者から取り出される。研磨された表面から研磨浴の液体を枯渇させた後、電解液を完全に除去するために、対象はリンス浴に浸される。これらの電解研磨方法は、広く産業に応用されており、特に、一般的にステンレス鋼、特殊鋼あるいは酸耐性鋼と呼ばれるクロムを１２％以上含む鋼に応用されている。使用される電解液は、主にリン酸と硫酸を混合したものをベースとし、さらに作用を向上させるために、光沢剤および阻害剤をこれらに添加することができる。

しかしながら、クロムを１２％以下含む鋼、すなわち構造用鋼や工具鋼等の低合金鋼は、多様な鋼品質を形成し、特殊鋼の処理に適した方法では電解研磨することができない。その理由は、これらの鋼の低い酸耐性により、電解研磨処理中の電解液による、表面への化学的攻撃や腐食攻撃をコントロールすることができないことにある。

リン酸と硫酸をベースとした電解液を用いた低合金鋼を効果的に電解研磨するために、一般的に顕著な濃度のクロム酸、すなわち六価のクロムのオキシ酸（クロマート）、が電解液に抑制剤として加えられ、電解研磨中のワーク表面への化学的攻撃を防ぐ。

クロマートは毒性が高く、胎児毒、発がん性であるため、これらの産業上の使用は、しだいに制限され、労働者の保護や環境保護に関する厳しい安全性の要求にさらされている。特許文献１には、アスコルビン酸又はアスコルビン酸の塩の添加により、６価のクロマートを毒性の少ないクロム−（ＩＩＩ）イオンにすることができると記載されている。しかしながら、クロム酸の使用はかなりのコスト要因となり、電解研磨工程における経済的効果がさらに制限される。

特許文献２によると、様々な鋼、アルミニウム、ニッケル及びこれらの合金がクロム酸を含まない硫酸及びリン酸の溶液で電解研磨されているが、ヒドロキシ酢酸、ベンゼンスルホン酸及びトルエンスルホン酸の添加が必要である。このような有機添加物は電解研磨溶液の４０％までを占める。特許文献３は、鋼、特殊鋼、ニッケル合金、アルミニウム及びアルミニウム合金の対象のクロムなし電解研磨のために、リン酸をベースとするキレート剤を使用している。特許文献４には、電解研磨した対象がつや出しされる前に、電解研磨溶液に５０％までアルコール及び他の界面活性物質を添加する旨が記載されている。これらの全ての添加物は、典型的なコスト要因となる。

リンス処理は電解研磨実施の後に行われ、表面から付着した電解液を除去することを意図しており、処理される対象の光沢性や平坦性の決め手となる重要なものである。電解研磨された対象の表面における酸濃度の結果的な低下は、電解液の腐食作用を高める。この影響はクロム酸等の抑制剤の添加により抑制されるだろう。これらの添加剤を用いなければ、新たに研磨された金属表面は再び攻撃され、電解研磨により実現される、より平坦で光沢のある表面はかなりの範囲失われる。

従って、高価な物質、また、環境や人に有毒な物質を添加することなく、希薄酸による化学的攻撃を防ぐことができ、コスト、ポテンシャルリスクの点で特殊鋼を処理するための方法と同等な低合金鋼の電解研磨方法は、産業において極めて有益となるだろう。

特許文献５は、電解的手法による高炭素鋼又は低炭素鋼及び低合金鋼の研磨およびデバリングを説明している。電解液は硫酸を５〜６０ｗｔ．％、リン酸を３０〜８０ｗｔ．％含んでいる。電解浴は、その他の内、３価の溶解金属（例えば鉄）をさらに含むことができる。

特許文献６は、金属対象の電解的洗浄のための方法及び電解液を説明している。該電解液は、塩酸からなり、電解後リンスされ、約０．０５％〜３％の割合でリン酸をリンス用の水に添加できる。リン酸の添加の目的は、処理された対象の金属上に酸化物が形成されるのを防ぐことである。

特許第５１６３６００号 米国特許Ａ ２７７３８２１号 欧州特許Ａ ０２４９６５０号 欧州特許Ａ １４４３１２９号 独国特許８０８５１９ Ｂ号 オーストリア特許１９０７６９ Ｂ号

本発明は、電解研磨方法に基づき、特殊鋼の電解研磨方法のようにリン酸及び硫酸の混合物をベースとし、実際の電解研磨工程の後に続く第１リンス工程はリン酸含有溶液を用いて、好ましくはリン酸を少なくとも５０ｗｔ．％有する溶液を用いて行われる。特に、８５ｗｔ．％Ｈ_３ＰＯ_４という濃縮したリン酸の使用は開始溶液として好適である。この方法は、クロム酸又は他の抑制剤を添加しないため、かなり経済的であり、また、経済的のみならず、利益をもたらす。

まず、電解研磨される対象は、電解液の汚染を防ぐために、また、ワーク表面が電解液に完全に接するようにするために、任意の工程において脱脂される。これにはいずれの市販の脱脂溶液を使用することができる。次に、ワークは通常水でリンスされ、その後電解研磨浴に浸され、アノードとして接続する。電解研磨される対象の表面の望ましないような厳しい化学的攻撃は、電解研磨工程中に電解液の水含有量を低く保つことで防ぐことができる。したがって、硫酸、リン酸及び硫酸とリン酸の混合物等のような高い濃度の酸は、鋼や鋼合金の電解研磨にほぼ排他的に使用される。水を最大で２０ｗｔ．％で含む電解液は特に良好な作用を示す。

さらに、開始時において、電解液が、少なくとも１ｗｔ．％、好ましくは２．０ｗｔ．％以上の鉄（ＩＩＩ）イオンをもとから含んでいれば、有益であることが判る。効率的な手法のために十分な化学的作用を実現するため、電解研磨温度は５０℃以上とし、好ましくは６０℃〜９０℃とする。

リンス処理中に酸の濃度が低下する間の化学的攻撃の問題は、抑制剤を用いずに、１段階目のリンス工程を、水ではなく、少量の水を含む濃縮リン酸を用いて室温でリンスするという本発明による方法で解決できる。驚くべきことに、この１段階目のリンス工程の後、水を用いて問題なく表面を最終リンスすることができ、観察されていた酸の希薄による化学的攻撃がないことが明らかとなった。また、最終リンス工程において、ＫＯＲＡＮＴＩＮ ＢＨ（２−ブチン−４−ジオール）のような市販の腐食抑制剤を一定量添加することで乾燥中に生じるその後の腐食を防ぐことができ有効である。

１段階目のリンス工程において、リン酸電解液が約２０ｗｔ．％硫酸を含有しても結果に不利な影響を及ぼさないことが判った。これは、硫酸電解液を豊富に含むリン酸の使用の可能性、ひいては新たな電解液の生産の基礎となる可能性を示す。リンス用の水から追加リンス中に運ばれるリン酸の回収は、品質を損なうことなく実行できる。これは、無機酸の回収を、蒸発装置中のリンス用の水の循環と連結し、非常に経済的にする。このため、前記電解研磨工程はほとんど廃液を生じないものとすることができる。

電解研磨中にワーク表面から生じた鉄イオンは電解液中に入り込み、蓄積する。臨界濃度である約８ｗｔ．％を超えると、電解液１リットル中イオンが約１４０グラム含まれることになり、電解液の効果が目立って低減する。このため、部分的に新しい電解液と交換することでイオン含有量を低下させることが必要となる。使用された電解液はリンス工程において直接又はすくい出しにより取り除くことができる。

使用済みの電解液は認可された廃棄場に運ばれるか、再度使用できるように再生されるものとする。濃縮電解液からのＦｅ（ＩＩ）硫酸の状態のイオンの電解による析出は使用済み電解液の再生に非常に有効である。そのため、最終的に鉄（ＩＩ）イオンの状態で除去されるイオンが前記電解研磨方法における唯一の廃棄物であり、それ自体をさらに、産業で、おそらく還元剤として、使用することができるだろう。

本発明による方法の使用は、特殊鋼と同じくらい効率的に安価に低合金鋼も電解研磨することが可能である。さらに、この手法は環境に害が少なく、健康にリスクの少ない電解研磨方法である。

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。

（実施例１）
硬化性工具鋼（材料番号 １３３４３）からなる切削工具一組を、５０ｗｔ．％リン酸、５０ｗｔ．％硫酸からなり、比重１．７５ｋｇ／ｌ、鉄含有量４．５ｗｔ．％の電解液において、電解液温度８０℃、電流密度４０Ａ／ｄｍ^２、電圧１２Ｖで６分電解研磨し、その後室温で濃縮リン酸（８５ｗｔ．％）においてプレリンスし、最後に水でリンスを行い、その後６０℃の市販の腐食抑制剤を２ｗｔ．％の濃度で添加した水に浸し、空気中で乾燥させた。

第二の一組は、７０ｗｔ．％リン酸、２．５ｗｔ．％硫酸、９ｗｔ．％クロム酸を含み、比重１．７４０ｋｇ／ｌ、鉄含有量２．５ｗｔ．％の電解液において、電解液温度５０℃、電流密度４０Ａ／ｄｍ^２、電圧１２Ｖで６分電解研磨した。このパーツを水でリンスし、空気中で乾燥させた。

電解研磨の結果は、表面の平坦度および切刃の平滑度においてそれぞれの方法で同様であった。

（実施例２）
硬化性および非硬化性の状態の熱処理形鋼のプレートを実施例１における電解液において電解研磨した。電流密度２５Ａ／ｄｍ^２、電圧１４Ｖで電解研磨時間は６０分であった。リンス工程は実施例１で記載したように実施し、同様に空気中で乾燥させた。硬化性および非硬化性の状態のプレートにおいて得られた結果は、物質除去、光沢、平坦度においてそれぞれの方法で同様であった。

Claims (12)

1. リン酸を１００〜３０ｗｔ．％、硫酸を０〜７０ｗｔ．％含む電解液を用いて低合金鋼を電解研磨する方法において、前記電解液はリンスされ、該リンスにリン酸含有溶液が使用されることを特徴とする電解研磨方法。
2. 前記リンスに使用される溶液のリン酸含有量は少なくとも５０ｗｔ．％とすることを特徴とする請求項１に記載の電解研磨方法。
3. 前記電解研磨方法において、濃縮したリン酸を前記リンスに使用することを特徴とする請求項２に記載の電解研磨方法。
4. 前記電解液がクロムを含まないことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
5. 前記電解液が水を最大で２０ｗｔ．％含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
6. 前記電解液が、リン酸を８０〜５０ｗｔ．％、硫酸を２０〜５０ｗｔ．％含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
7. 前記電解液が、鉄イオンを前記鋼の表面における化学的攻撃を抑制する量含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
8. 前記電解液が、鉄イオンを少なくとも１ｗｔ．％含むことを特徴とする請求項１から請求項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、鉄イオンを２．０ｗｔ．％以上、最大約８％含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
10. 前記電解研磨方法において、前記電解研磨された鋼を、前記リン酸含有溶液によるリンスの後、水でリンスすることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
11. 前記電解研磨方法において、前記リンスに用いられる水に含まれる無機酸は回収されることを特徴とする請求項１０に記載の電解研磨方法。
12. 前記電解液は、第１リンス段階からのリン酸豊富な前記電解液を少なくとも部分的に補われ、少なくとも一段階の他の水によるリンス段階から回収されたリン酸を選択的に補われることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の電解研磨方法。