JP4895440B2

JP4895440B2 - 被加工物の表面機能改善方法及び装置

Info

Publication number: JP4895440B2
Application number: JP2001203089A
Authority: JP
Inventors: 和俊片平; 整大森; 潤小茂鳥; 仁永田
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: JP2003019623A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＬＩＤ研削と同時に被加工物の表面機能を改善する表面機能改善方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鏡面仕上げを必要とする部位への加工手段として最も一般的なものは、ラッピング、ポリッシング等、遊離砥粒を用いた研磨加工である。しかし研磨加工は、（１）通常手作業のため効率が悪い、（２）被加工物へ砥粒が食い込む場合がある、などの問題点がある。そのため、近年では研削に代表される固定砥粒を用いた加工手段が注目を集めている。
一方、ますます細密化する半導体回路の加工などを背景として、位置決めの精度の高い加工機と固定砥粒加工とを組み合わせた超精密研削技術の開発と実用化が求められている。超精密研削では、加工面粗さや形状精度、表面品位などで厳しい仕様を満たさなければならない。
【０００３】
上述した問題点を解決する加工手段として固定砥粒を用いた砥石の表面を電解ドレッシングしながら、砥石でワークを研削加工する電解インプロセスドレッシング研削（ＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃＩｎ−ｐｒｏｃｅｓｓＤｒｅｓｓｉｎｇＧｒｉｎｄｉｎｇ）が注目されている。以下、この研削手段をＥＬＩＤ研削と呼ぶ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＥＬＩＤ研削は、一般的な金属材料の他、超硬金属、脆性材料、セラミックス、ガラス、半導体等の多くの材料を高精度、高品質、高能率で加工することができる。しかし、この加工により得られた加工物を、エンジンのシリンダ、軸受部品、電子部品、光学部品、等に適用するためには、従来、メッキ、蒸着、塗装等の耐食処理を施し、その酸化（腐食）を防止する必要があった。
【０００５】
しかし、かかる耐食処理により、ＥＬＩＤ研削で得られた高精度及び高品質が損なわれる場合があった。
また、生体内で使用するいわゆる生体材料（例えば人工歯根）の場合には、耐食処理自体が生体に影響を及ぼすおそれがあるため、研削加工した加工物を耐食処理せずにそのまま使用する必要がある。この場合、人体に影響のない材料は限られるため、これを耐食処理することなく耐食性、トライボロジー特性、疲労強度等の表面機能を改善することが望まれる。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ＥＬＩＤ研削と同時に被加工物の表面機能を改善することができる被加工物の表面機能改善方法及び装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、導電性砥石（１）と電極（２）との間に導電性研削液（３）を流しながら、砥石と電極との間に電圧を印加し、砥石を電解ドレッシングしながら被加工物（４）を研削する電解インプロセスドレッシング研削において、アルカリ性研削液を導電性研削液（３）として用い、かつ被加工物を電極より高い電位に印加する、ことを特徴とする被加工物の表面機能改善方法が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、導電性砥石（１）と電極（２）との間にアルカリ性の導電性研削液（３）を流しながら、砥石と電極との間に電圧を印加し、砥石を電解ドレッシングしながら被加工物（４）を研削する電解インプロセスドレッシング研削装置（１０）と、被加工物を電極より高い電位に印加するワーク印加装置（１２）とを備えた、ことを特徴とする被加工物の表面機能改善装置が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記被加工物は、導電性を有し、かつ酸化物が安定して存在しうる材料である。
【００１０】
上記本発明の方法及び装置によれば、アルカリ性研削液を導電性研削液として用いることにより、研削液中にＯＨイオンを大量に遊離させることができる。
また、電解インプロセスドレッシング研削（ＥＬＩＤ研削）において、砥石をプラス（＋）に電極をマイナス（−）に印加するので、砥石と電極との間で水（研削液）の電気分解が生じ、ＯＨイオンと共に溶存酸素濃度を増大させることができる。
【００１１】
更に、本発明の方法では、被加工物（例えば金属材料）を電極より高い電位に印加するので、被加工物はプラス（＋）の電位を有する。従って、研削液中のＯＨイオンを被加工物の表面に引きつけて、表面をＯＨイオンと溶存酸素によりこれを酸化して表面に酸化皮膜が形成される。
【００１２】
また、ＥＬＩＤ研削では、砥石の表面に不導体皮膜が形成され、この皮膜を構成する金属の水酸化物が被加工物に転写されるので、被加工物表面の酸化皮膜の形成が助長される。
従って、被加工物の表面は、ＥＬＩＤ研削で表面を研削すると同時に、研削加工により露出した素材表面をＯＨイオンと溶存酸素で酸化して強い酸化皮膜が形成され、その表面機能（耐食性、トライボロジー特性、疲労強度等）を改善することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００１４】
図１は、本発明の表面機能改善装置の全体構成図である。この図において、本発明の表面機能改善装置は、ＥＬＩＤ研削装置１０と、ワーク印加装置１２を備える。
【００１５】
ＥＬＩＤ研削装置１０は、被加工物４（ワーク）との接触面を有する導電性砥石１と、砥石と間隔を隔てて対向する電極２と、砥石１と電極２との間に導電性研削液３を流すノズル７と、砥石１と電極２との間に電圧を印加する電源５（ＥＬＩＤ研削）とからなり、導電性砥石１と電極２との間に導電性研削液３を流しながら、砥石１と電極２との間に電圧を印加し、砥石１を電解ドレッシングしながらワーク４を研削するようになっている。
【００１６】
ノズル７は、砥石１と電極２の間を通過した研削液３が、そのまま砥石１とワーク４との間に流れるように配置するのがよい。また、砥石１とワーク４との間に導電性研削液３を流すように別のノズル７’を設け、ノズル７’の研削液３が砥石１と電極２の間を通過した研削液３と合流して混合するようにしてもよい。
【００１７】
ワーク印加装置１２は、この例では、ＥＬＩＤ電源５の陽極（＋）とワーク４を電気的に接続するワーク印加ライン１２ａを有し、参考例では、ワーク４を砥石１と同電位にするようになっている。なお、ワーク印加装置１２は、この構成に限定されず、本発明では、ワーク４を電極２より高い電位に印加し、砥石と電極の中間電位に印加する。参考例では、ワーク印加ライン１２ａは必ずしも不可欠ではなく、例えば、砥石とワークを接地（アース）し、電極のみに負（−）の電圧を印加するようにしてもよい。更に、ＥＬＩＤ電源としてパルス電圧を用いる場合に、別の電源でワークのみを一定電圧に印加してもよい。
【００１８】
本発明を適用する被加工物４（ワーク）は、ワーク印加装置１２で必要な電位を印加できるように導電性を有し、かつＥＬＩＤ研削と同時に形成された酸化物が表面に安定して存在しうる材料である必要がある。かかるワーク４は、金属一般、金属を含む複合材料、半導体、導電性セラミックス等である。
【００１９】
上述した表面機能改善装置を用い、本発明の方法では、アルカリ性研削液を導電性研削液３として用い、かつワーク４をワーク印加装置１２により電極２より高い電位に印加した状態で、ワークをＥＬＩＤ研削する。
【００２０】
上述した本発明の方法及び装置によれば、アルカリ性研削液を導電性研削液３として用いることにより、研削液中にＯＨイオンを大量に遊離させることができる。
また、ＥＬＩＤ研削において、砥石１をプラス（＋）に電極２をマイナス（−）に印加するので、砥石１と電極２との間で水（研削液）の電気分解が生じ、ＯＨイオンと共に溶存酸素濃度を増大させることができる。
【００２１】
更に、本発明の方法では、被加工物４（例えば金属材料）を電極より高い電位に印加するので、被加工物はプラス（＋）の電位を有する。従って、研削液中のＯＨイオンを被加工物の表面に引きつけて、表面をＯＨイオンと溶存酸素によりこれを酸化して表面に酸化皮膜が形成される。
【００２２】
また、ＥＬＩＤ研削では、砥石１の表面に不導体皮膜が形成され、この皮膜を構成する金属の水酸化物（Ｆｅ（ＯＨ）₂，Ｆｅ（ＯＨ）₃）が被加工物に転写されるので、被加工物表面の酸化皮膜の形成が助長される。
従って、被加工物の表面は、ＥＬＩＤ研削で表面を研削すると同時に、研削加工により露出した素材表面をＯＨイオンと溶存酸素で酸化して強い酸化皮膜が形成され、その表面機能（耐食性、トライボロジー特性、疲労強度等）を改善することができる。
【００２３】
図２は、本発明の表面機能改善装置の他の構成例を示す図である。この図に示すように、本発明の表面機能改善装置を構成するＥＬＩＤ研削装置１０は、（Ａ）ロータリー平面研削盤、（Ｂ）円筒研削盤、（Ｃ）曲面加工装置、等であってもよい。なお、この図において、ワーク印加装置１２は省略している。
（Ｂ）円筒研削盤では、シリンダーや軸受部品のトライボロジー特性の改善に特に適している。また、（Ｃ）曲面加工装置では、ミラー、レンズ等の保護膜形成に適している
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
図１に示した表面機能改善装置１０を用い、生体用金属系材料として広く用いられるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に対してＥＬＩＤ研削により表面仕上げを施した試験片を準備し、耐食性に及ぼすＥＬＩＤ研削の効果について従来のアルミナ研磨と比較した。
【００２５】
（供試材および実験方法）
表１に示す化学成分を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を被加工物４（ワーク）として使用した。このワーク４を９００℃、８時間の焼鈍処理を施し組織を粗大化させた後、本発明によるＥＬＩＤ研削と、アルミナによるバフ研磨とを施した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
ＥＬＩＤ研削は、研削砥石として鋳鉄ボンドダイヤモンド砥石を用い、＃４０００まで順次研削を施した。また、アルミナによるバフ研磨はエメリ紙により＃２０００まで順次研磨した後、アルミナ粉０．０６μｍを用いて鏡面状に仕上げた。以下前者をＥＬＩＤ研削材、後者をアルミナ研磨材と称す。
【００２８】
腐食試験はポテンシオスタットを用いて３電極法により行った。この試験では、動電位分極測定を行い電気化学的に金属表面の耐食性を評価した。その際、電位走査速度は１０ｍＶ／ｍｉｎとし、電解液としては２５℃に保持した３％ＮａＣｌ溶液を用いた。表面の観察には走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭ）、表面の元素分析にはＸ線分析装置（以下ＥＤＸ）を用いた。
【００２９】
（実験結果）
ＥＬＩＤ研削材とアルミナ研磨材の表面粗さの測定結果を表２に示す。表２からアルミナ研磨材と比較してＥＬＩＤ研削材の方が表面状態が粗いことがわかる。また、ＳＥＭにより観察した結果からＥＬＩＤ研削材には、明瞭な研削痕が形成されていることがわかる。
【００３０】
【表２】

【００３１】
（腐食試験）
図３にＥＬＩＤ研削材とアルミナ研磨材の動電位分極試験結果を示す。この図から、アルミナ研磨材と比較してＥＬＩＤ研削材の孔食電位は低い値を示していることがわかる。しかしながら、不動態域保持電流密度に注目すると、その値はＥＬＩＤ研削材の方が低く、より耐食性に優れることを示唆している。以下、これらの原因について考察する。
【００３２】
まず腐食試験前の表面性状を把握するために、ＥＬＩＤ研削材とアルミナ研磨材に対してＸ線分析装置（ＥＤＸ）により表面全体の分析を行った。その結果を図４（ａ），（ｂ）に示す。図４からはＥＬＩＤ研削材（右図）においてはアルミナ研磨材（左図）と比較して酸素の含有量が著しく多いことがわかる。このことはＥＬＩＤ材表面に何らかの酸化皮膜が形成されていることを示唆しており、これがＥＬＩＤ研削材が不動態域において良好な耐食性を示した要因と考えられる。なお、ＥＬＩＤ研削においては砥石と電極との間で水の電気分解が起こっており、これにより生成した酸素イオンが、加工熱により活性となる試験面と化学反応を起こした結果、表面に酸化層が形成されたと考えられる。
【００３３】
（ステンレス鋼との比較）
図５に、ステンレス鋼に対してＥＬＩＤ研削を施し耐食性を評価した結果を示す。この図において横軸は電圧、縦軸は電流であり、図中の（１）はアルミナ研磨材、（２）（３）は本発明によるＥＬＩＤ研削材である。アルミナ研磨材の表面粗さは、（３）と同等であり、（２）はそれよりも粗くなっている。
各図において、電圧を徐々に上げると電流は少しずつ増加するが、ある電圧以上では電流が急増する。この急増点の電圧が高く電流が低いほど耐食性が高いことになる。
この図から、アルミナ研磨材と比較してＥＬＩＤ研削材の方が高い孔食電位を有しており、また不動態域において低い保持電流密度を有していることがわかる。
【００３４】
図６は、ステンレスの加工面の元素分析の結果である。この図からＥＬＩＤ研削材においてはアルミナ研磨材と比較して酸素の含有量が多いことがわかる。
従って、図６と図７からＥＬＩＤ研削材の研削表面にはチタンの場合と同様に安定した酸化皮膜が形成されていると考えられる。しかしながら、ステンレス鋼に対してはチタンに観察されたような明瞭な研削痕は認められなかった。これが、腐食ピットの発生を抑制し良好な耐食性を示した要因と考えられる。したがって適切な研削条件を見つけ出すことができれば、チタン合金へもＥＬＩＤ研削法を適用することが可能と考えられる。
【００３５】
（結論）
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に対してＥＬＩＤ研削を施し耐食性を評価した結果アルミナ研磨材と比較して粗い表面が形成され低い孔食電位を有したが、不動態域においては良好な耐食性を有することが明らかとなった。これは、水の電気分解により生成した酸素イオンが、加工熱により活性となる試験面と化学反応を起こした結果、表面に酸化層が形成されたためと考えられる。
【００３６】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで主種に変更できることは勿論である。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の方法及び装置によれば、研削液中のＯＨイオンと溶存酸素濃度を増大させることができ、プラス（＋）の電位を有する被加工物の表面にＯＨイオンを引きつけて、表面をＯＨイオンと溶存酸素によりこれを酸化して表面に酸化皮膜を形成することができる。
【００３８】
従って、被加工物の表面は、ＥＬＩＤ研削で表面を研削すると同時に、研削加工により露出した素材表面をＯＨイオンと溶存酸素で酸化して強い酸化皮膜が形成され、その表面機能（耐食性、トライボロジー特性、疲労強度等）が改善される。
【００３９】
すなわち、本発明の被加工物の表面機能改善方法及び装置は、ＥＬＩＤ研削と同時に被加工物の表面機能を改善することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面機能改善装置の全体構成図である。
【図２】本発明の表面機能改善装置の他の構成例を示す図である。
【図３】ＥＬＩＤ研削材とアルミナ研磨材の動電位分極試験結果である。
【図４】ＥＬＩＤ研削材とアルミナ研磨材の加工面の元素分析結果である。
【図５】ステンレスの動電位分極試験結果である。
【図６】ステンレスの加工面の元素分析結果である。
【符号の説明】
１導電性砥石、２電極、３導電性研削液、４ワーク（被加工物）、
５電源、７ノズル、１０ＥＬＩＤ研削装置、
１２ワーク印加装置、１２ａワーク印加ライン

Claims

導電性砥石（１）と電極（２）との間に導電性研削液（３）を流しながら、砥石と電極との間に電圧を印加し、砥石を電解ドレッシングしながら被加工物（４）を研削する電解インプロセスドレッシング研削において、
アルカリ性研削液を導電性研削液（３）として用い、被加工物を電極より高くかつ砥石と電極の中間電位に印加することにより砥石と電極との間で研削液に含まれる水の電気分解を行い、生成した酸素イオンと研削による加工熱で研削加工により露出した被加工物の表面に研削と同時に酸化層を形成する、ことを特徴とする被加工物の表面機能改善方法。
前記被加工物は、導電性を有し、かつ酸化物が安定して存在しうる材料である、ことを特徴とする請求項１に記載の被加工物の表面機能改善方法。
導電性砥石（１）と電極（２）との間にアルカリ性の導電性研削液（３）を流しながら、砥石と電極との間に電圧を印加し、砥石を電解ドレッシングしながら被加工物（４）を研削する電解インプロセスドレッシング研削装置（１０）と、被加工物を電極より高くかつ砥石と電極の中間電位に印加するワーク印加装置（１２）とを備え、前記ワーク印加装置が供給する電力により砥石と電極との間で研削液に含まれる水の電気分解を行い、生成した酸素イオンと研削による加工熱で研削加工により露出した被加工物の表面に研削と同時に酸化層を形成することを特徴とする被加工物の表面機能改善装置。