JP5889799B2

JP5889799B2 - 電解ケース

Info

Publication number: JP5889799B2
Application number: JP2012546699A
Authority: JP
Inventors: 義明井田
Original assignee: MARUI GALVANIZING CO., LTD
Current assignee: MARUI GALVANIZING CO., LTD
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: WO2012073501A1; US20130319878A1; JPWO2012073501A1

Description

本発明は電解研磨に関し、特に、電解研磨に用いる電解液、電解ケース、電解研磨システムおよび、電解研磨方法に関するものである。

金属の錆び、汚れ等を除去する方法として、電解研磨がしばしば用いられる。

すなわち、金属（ワーク）とカソードとを所定距離を保って電解液に浸漬し、金属に正、カソードに負を印加して所定の電流を流すことによって、ワーク表面の金属元素を溶解させ表面改質させて、耐久性を高めようとするものである。但し、この処理の前工程として、バフ研磨をして、機械的な研磨しておくのが通例である。

金属ワークをステンレスとした場合、電解液としては、リン酸あるいはリン酸と硫酸が用いられるのが通例であり、電極間距離は１０ｃｍ程度、電流は１０Ａ〜２０Ａが用いられる。

一方、食品や飲料の貯蔵、化学剤・医薬剤の貯蔵等に大型の缶体が用いられることがある。これら缶体は、経年劣化によって、内面に汚れや錆びが付着することになり、この状態になると、設備の更新を考慮することになる。設備の更新は多額の費用を要することになるので、バフ研磨等の機械研磨で一時的な補修をして缶体寿命を延ばす方法が採られていることがある。

このバフ研磨は、高温多湿な環境の缶体内に作業員が直接入っての力仕事であり、非常に過酷な作業となる。それに加えて、バフ研磨だけでは表面組織を破壊して、返って錆びや劣化を招き易いので、このバフ研磨後に電解研磨処理を施すことが試されようとしている。

ところが大型の缶体内面を電解研磨しようとすると、大量の電解液を必要とし、コスト面から現実的でない。そこで、本願出願人は、特開2010-209423に、缶体内面に沿って枠体と電極を組んで、少ない電解液で缶体内面を電解研磨することを提案している。

更に、電解液を保持し難い空間で電解研磨あるいは電解メッキをする場合、フェルト等に電解液を含浸させて電圧を印加する方法も従来から採用されている。

特開2010-209423

上記、特開2010-209423に開示の方法を採るにしても、枠体や電極を組み立てるまでは、作業者が缶体内部で作用をする必要があり、バフ研磨作業程ではないにしても、その作業は快適とは言いがたい。また、フェルト等に電解液を保持させる方法は、電極間抵抗が大きくなり、大きな電流が流せない。従って、作業時間が長くなり、この方法を大規模な電解研磨、特に、本願が主目的とするような缶体内面の電解研磨に利用することは、作業環境から考慮しても無理がある。

本発明は上記従来の事情に鑑みて提案されたものであって、枠体や電極を組み立てる必要もなく、缶体内部での作業者の作業自体が極めて容易となる電解研磨方法およびそれに用いる電解液、電解ケース、電解研磨システムを提供することを目的とするものである。

本発明の電解ケースは、所定大きさ、および所定深さの環状枠の、下の開口端から所定高さの位置にカソードを配設し、当該カソードの上側に、所定粘度の電解液を導入する導入口と、上記環状枠内に導入された電解液を電解ケース枠から排出する排出口と、を備えた構成となっている。

上記カソードとして網体を用いると、上記導入口は、網体の網目に対して小穴を多数有する網体に沿って配設されたパイプを備え、当該パイプに電解液を供給する構成とする構成とすることができる。また、上記排出口として網目を利用する構成とすることが可能となる。更に、前記環状枠の下の開口端とカソードとで構成される空間に前記所定粘度の電解液を保持する保持材を充填する構成としても良い。

以上構成の電解ケースを使用すると、粘度を持った電解液を簡単に保持することができ、しかも、電解ケースのカソードは、上記ワーク表面が位置する開口端からの距離を小さく（例えば５〜２０ｍｍ）することができる。この結果、電解液の抵抗を低く抑えることができるので大電流（例えば３０〜１００Ａ／ｄｍ²）を流せることになり、作業時間を短くすることが可能となる。

電解液が粘性を持っているので、電流を流すと、電解液内に気泡（アノード（ワーク）から発生する酸素）が蓄積するが、上記電解液を導入口から環状枠に導入するとともに、排出口から排出して、気泡を追い出すことができる。これによって、缶体に入った作業者の作業は、電解ケースを移動するだけとなり、作業量が極めて少なくなる。更に、電解ケースをワーク面に当接した状態で自動制御によってワークに沿って移動させるようにすることによって無人でも缶体内の電解研磨が出来ることになる。

図１は本発明に使用する電解ケースの上から見た斜視図。図２は本発明に使用する電解ケースの下から見た斜視図。図３は図１のA−A断面図。図４は実施例１のサンプル（ａ）〜（ｂ）の電子顕微鏡による表面写真。図５は実施例１のサンプル（ｄ）〜（ｆ）の電子顕微鏡による表面写真。図６は本発明の電解研磨システムの概念図。

まず、本発明に使用される電解液は通常の研磨用の電解液である無機酸にゲル化剤を接触させて、所定の粘度を持たせるようにしている。

上記無機酸は、リン酸水溶液または、リン酸と硫酸の混合水溶液が通例であり、ゲル化剤としては二酸化珪素を使用する。上記無機酸に接触した二酸化珪素はゲル状に溶解し、上記電解液に粘度を与えることになる。この粘度は二酸化珪素の添加量を変化させることによって調整することができる。

リン酸としては、濃度８５％を使用した場合、５００ｍＬ／Ｌ〜１０００ｍＬ／Ｌを用い、これに水０ｍＬ〜５００ｍＬ／Ｌを加えて更に、二酸化珪素１００ｇ〜２００ｇ／Ｌを接触させる。これによって、上記に二酸化ケイ素の量に応じた粘度を持った電解液を生成することができる。

リン酸の量が５００ｍＬ／Ｌ以下では研磨機能が充分働かない。全量リン酸でも本願の目的を達成することができるが、後述する硫酸を添加する余地がなくなり、光沢がでないことになる。

更に、上記リン酸に加えて、硫酸（例えば濃度９８％）を０ｍＬ／Ｌ〜５００ｍＬ／Ｌ加えるのが通例である。硫酸は仕上がり表面に光沢を与える機能を有し、光沢が要求される場合に添加する。但し、硫酸が５００ｍＬ／Ｌ以上であると、上記リン酸量が少なくなり、研磨機能が充分でなくなる。

上記、電解液には、界面活性剤を０．００１％〜０．０１％（外掛け）、添加するのが望ましい。この界面性剤は、上記粘性を持った電解液のワークに対する濡れ性を確保する目的で添加される。界面活性剤が０．００１％以下であると、前記濡れ性が不十分であり、０．０１％以上の場合でも濡れ性が返って落ちる。

この電解液を以下の電解ケースに保持して電流を流すことによって、電解研磨が進行するようにする。電解ケースは図１〜３に示すようになっている。図１は電解ケースの上側から見た斜視図、図２は下側から見た斜視図、図３は図１のＡ−Ａ断面図である。

すなわち、周囲を囲う環状枠１１の、下の開口端１１oから所定の高さ位置にカソード１２を配設し、上記カソード１２の上側に、上記した所定粘度の電解液を導入する導入口１３と、上記環状枠１１内に導入された電解液を当該環状枠１１から排出する排出口１４とを備えた構成となっている。

上記カソード１２を網体とすると、当該網体の網目に対して小穴１３ｈが多数開口する導入パイプ１３ｐを網体に沿って配設し、当該導入パイプ１３ｐに対して、前記粘性を持った電解液を案内する案内パイプ１３ｇを立設することによって導入口１３を構成することができ、また、上記排出口１４ｅとして網体１２の網目を利用することが可能となる。

尚、上記カソード１２のリード１６が設けられていることはもちろんである。また、上記環状枠１１の形状や大きさは、特に限定されるものではないが、以下の実施例では、手で持ってワーク表面上を自由に移動させることができる程度の形状・大きさである。この点は、適用場面に応じて適当に変更可能である。また、比較的小型の強度を備えた環状枠１１がカソードの支持対となるので、環状枠１１の下の開口端１１o（ワーク面）とカソードとの距離を著しく小さく、例えば、５ｍｍ〜２０ｍｍにすることができ、これによって、大電流（例えば３０〜１００Ａ／ｄｍ²）を得ることができ、電解処理の時間を著しく短縮することができる。

尚、上記環状枠１１内に、電解液を保持しやすいように、人工芝状の保持材１５を充填してもよい。尚、図２において、保持材５の芝の葉は一部描いて、他は省略している。

この構成の電解ケース１０の環状枠１１の下の開口端１１oを、ワークＷ表面（図３参照）に向けて置き、上記導入口１３から所定粘度の電解液を環状枠１１のワークＷとカソード１２の間に導入（図３、実線矢印）しつつ、ワーク側に正、カソード側に負の所定電圧を印加すると、ワークＷに対する電解研磨が進行する。このとき、前記のように、電解液に粘度を持たせているので、当該電解液は環状枠１１と、前記保持材１５に保持され、電解ケース１０の外に急速に流れ出ることはなく、電解液の機能を保つことになる。また、前記ワークＷとカソ−ド１２の距離が小さいので、電気抵抗が小さくなり、大電流を流すことができることになり、早い速度での研磨が可能になる。

ただし、ワーク側から酸素の気泡が発生し、この気泡は電流が大きくなる程、発生量が多くなり、粘度を持った電解液中に累積し、電気抵抗を高めることになる。そこで、前記環状枠１１への電解液の導入を継続すると、先に環状枠１１内に導入されていた電解液は、新しく導入された電解液に排出口１４ｅから押し出されることになり（図３、点線矢印）、蓄積された気泡も追い出されることになる。これによって、電解研磨は、気泡を含まない電解液の元で進行することになる。

上記のように、電解ケース対応の部分の電解処理を進行させながら、当該電解ケースのワーク上の場所を順次移動させて、ワーク全体、あるいはワークＷの所定の箇所を電解処理することになる。

（実施例１）
＜電解液＞
まず、以下の電解液を用意した。
（１）比較例用（ｂ）、（ｃ）、（ｆ）の電解液（以下通常液という）
８５％−燐酸７５０ｍｌ／Ｌ
９８％−硫酸２５０ｍｌ／Ｌ
（２）本発明の電解液（以下高粘液という）
８５％−燐酸７５０ｍｌ／Ｌ
９８％−硫酸２５０ｍｌ／Ｌ
ＳｉＯ2・ＸＨ2Ｏ２００ｇ／Ｌ
＜電解研磨＞
ＳＵＳ３１６Ｌ（３０×３０×３）ｍｍの試験片に対して以下の研磨処理をした。下記（ｂ）、（ｃ）の塗布式電解研磨とは、フェルト、あるいは耐薬品性の布に電解液を滲みこませ、当該フェルト（布）を挟んで、ワークとカソード間に電流を流す方式である。また、下記（ｄ）、（ｅ）が、電解ケース（ワークとカソード間の距離１０ｍｍ）を用いた本願の方式である。

（ａ）バフ研磨のみ
（ｂ）通常液（上記電解液（１））による塗布式電解研磨（１分）
電圧１１Ｖ、電流０．１Ａ／ｄｍ²
（ｃ）通常液（上記電解液（１））による塗布式電解研磨（２分）
電圧１１Ｖ、電流０．１Ａ／ｄｍ²
（ｄ）高粘液（上記電解液（２））による塗布式電解研磨（１分）
電圧１１Ｖ、電流３５Ａ／ｄｍ²
（ｅ）高粘液（上記電解液（２））による塗布式電解研磨（２分）
電圧１１Ｖ、電流３５Ａ／ｄｍ²
（ｆ）通常液による浸漬電解研磨（５分）
電圧１１Ｖ、電流１０Ａ／ｄｍ²
上記（ｂ）から（ｅ）は液循環実施
＜性能評価方法＞
（１）表面粗さの測定
ミツトヨ製ＳＪ−３０１による５点粗さ測定
ここで粗さパラメータＲａは測定した範囲の平均粗さ。Ｒｙは測定した範囲の最大山高さと最大谷深さの和。Ｒｚは最大山高さと五番目までの山高さの平均値と最大谷深さと五番目までの谷深さの平均値の和。
（２）表面観察
日本電子製操作顕微鏡ＪＣＭ−５７００による。

＜結果＞
（１）上記表面粗さの測定結果を表１に示す。

（２）電子顕微鏡による表面観察の結果を、上記処理（ａ）〜（ｆ）に対応して図４、図５の写真（ａ）〜（ｆ）に示す。尚、図４、図５で、横軸は倍率の違いを表し、左端が、×１００、中央が×３００、右端が×１０００である。

＜評価＞
図４に示す写真（ｂ）、（ｃ）（上記試験片（ｂ）、（ｃ）に対応）ではバフ研磨のみによる試験片（ａ）に見られる横の筋が消えていないが、図５に示す、本願発明に対応の試験片（ｄ）、（ｅ）、特に（ｅ）に対応する写真ではそれが消え、写真（ｆ）（浸漬品）に近くなっている。

また、試験片（ｄ）、（ｅ）では、試験片（ｆ）と同様表面にオーステナイトを生成し表面改質が生じている。これによって、より耐久性の高い電解研磨ができることが理解できる。

（実施例２）
＜電解液＞
前記、通常液、高粘液とも実施例１に示す電解液（１）（２）に同じ。

＜電解研磨＞
実施例１と略同じであるが、本願発明に対応する下記（ｃ）、（ｄ）の電圧を大きくしている。従って、当然電流も大きくなっている。また、（ｃ）、（ｅ）では処理時間を３分としている。

（ａ）バフ研磨のみ
（ｂ）通常液（上記電解液（１））による塗布式電解研磨（１分）
電圧１１Ｖ、電流０．１Ａ／ｄｍ²
（ｃ）通常液（上記電解液（１））による塗布式電解研磨（３分）
電圧１１Ｖ、電流０．１Ａ／ｄｍ²
（ｄ）高粘液（上記電解液（２））による塗布式電解研磨（１分）
電圧２０Ｖ、電流５０〜７０Ａ／ｄｍ²
（ｅ）高粘液（上記電解液（２））による塗布式電解研磨（３分）
電圧２０Ｖ、電流５０〜７０Ａ／ｄｍ²
（ｆ）通常液による浸漬電解研磨（５分）
電圧１１Ｖ、電流１０Ａ／ｄｍ²
上記（ｂ）から（ｅ）は液循環実施
＜性能評価方法＞
実施例１に同じ、但し、外観評価は目視
＜結果＞
表２に表面粗さの結果を示し、表３に目視での外観評価の結果を示す。

＜評価＞
実施例１と比して、本願発明の試験片（ｄ）、（ｅ）での電圧を大きくした。その結果、電流も大きくなっているが、逆に、電流をここまで流せるという評価となる。（ｄ）、（ｅ）において、電流が５０〜７０Ａ／ｄｍ²と幅を持っている。電解ケースを移動するときの電流変動である。

本願発明の試験片（ｄ）、（ｅ）、特に（ｅ）（処理時間３分）の表面粗さは、実施例１の（ｅ）（処理時間２分）のときとは格段に改善され、比較例（ｂ）、（ｃ）、（ｆ）に比べて遜色がない。その上外観上の光沢性にも優れ本発明の優位性を示している。実施例１と同じく、試験片（ｄ）、（ｅ）では、試験片（ｆ）と同様表面にオーステナイトを生成し表面改質が生じ、耐久性の高い電解研磨ができることが期待できる。

＜電解研磨システム＞
図６は、前記電解ケースを適用した電解システムを示す概念図である。

電解液貯留槽３に貯留された電解液Ｌは、ポンプ４によって流量調整弁５を介して、前記電解ケース２の導入口１３に圧送させるようになっている。又、前記電解ケース２のカソード１２には、リード１６を介して直流電源６からの負電圧が、又、前記ワークＷには、当該直流電源６からの正電圧が、それぞれ印加される構成となっている。

ここで、前記電解液貯留槽３は、上述した所定粘度の電解液Ｌを貯留している。又、前記ポンプ４は、前記電解液貯留槽３から、前記電解液Ｌを所定の吐出量で汲み出す構成である。

ここで、前記電解液Ｌは、強酸性で且つ高粘性であることから、前記ポンプ４には、当該電解液Ｌに対応して、耐薬品性に優れ且つ高い吐出量（高揚程）である合成樹脂製のダイヤフラムポンプが採用される。

又、前記ポンプ４の吐出量又は揚程は、いずれも高い程好ましいが、例えば、最大吐出量が５０Ｌ／ｍｉｎ以上、又は最大自吸揚程が、２．０ｍ以上であれば、好ましい。図６に示すポンプ４では、最大吐出量が５４．５Ｌ／ｍｉｎであり、最大自吸揚程が２．４ｍであるダイヤフラムポンプ４が適用される。

又、前記流量調整弁５は、前記ポンプ４と、前記電解ケース２との間に設けられ、当該ポンプ４から汲み出された電解液Ｌの流量を、前記電解ケース２の容積（１０００ｃｍ³）当たりの所定の流量、言い換えると、前記電解ケース２の単位体積（１ｃｍ³）当たりの所定の流量に調整して、当該電解液Ｌを前記導入口１３に流す構成である。

これにより、前記電解液Ｌを、前記電解ケース２の単位体積当たりの所定の流量で、当該電解ケース２に常時、移送することで、当該電解ケース２のカソード１２と、前記ワークＷとの間に常に新鮮な電解液Ｌを供給することが可能となり、当該ワークＷに、欠点が少なく品質の高い電解研磨を施すことが可能となる。尚、前記電解ケース２の単位体積当たりの所定の流量は、言い換えると、前記ワークＷとカソード１２の間の単位体積当たりの所定の流量に対応する。

前記電解ケース２の単位体積当たりの電解液Ｌの所定の流量は、前記流量調整弁５により、例えば、前記電解ケース２の寸法が、長さ２０ｃｍ、幅１０ｃｍ、高さ５ｃｍである場合、当該電解ケース２の体積は、１０００ｃｍ³であるから、前記流量は、前記電解ケース２の容積(１０００ｃｍ³)当たりに２０〜１００ｍＬ／ｍｉｎの範囲、前記電解ケース２の単位体積（１ｃｍ³）当たりに０．０２０〜０．１００ｍＬ／ｍｉｎの範囲であると好ましい。

又、前記直流電源６は、前記電解ケース２のカソード１２に、前記リード１６を介して負の電圧を、前記ワークＷに正の電圧を、それぞれ印加する構成であり、前記直流電源６の印加する電圧は、例えば、上述に示すように、１１Ｖ〜２０Ｖの範囲内と大きな値となる。又、前記電解ケース２におけるカソード１２と、ワークＷとの距離が、５ｍｍ〜２０ｍｍであれば、両者間に流れる電流を、上述に示すように、３０〜１００Ａ／ｄｍ²とすることが可能となる。

このように、本発明に係る電解研磨システム１では、電解ケース２と、電解液貯留槽３と、ポンプ４と、流量調整弁５と、直流電源６とを組み立てることで、前記電解ケース２に、前記電解液Ｌを、前記電解ケース２の単位体積当たりの所定の流量で、常時、供給する構成としているため、当該電解ケース２のカソード１２と、前記ワークＷとの間に常に新鮮な電解液Ｌが流れ、当該ワークＷに、高品質な電解研磨を施すことが可能となる。

尚、本発明に係る前記電解研磨システム１では、作業者が、前記電解ケース２を手で持って、当該電解ケース２のカソード１２（底面）を、前記ワークＷの表面上に自由に移動（走査）させることで、当該ワークＷに電解研磨を施すことになる。

ここで、前記電解ケース２を前記ワークＷの表面上に対して所定の処理時間だけ静置させることで、前記電解研磨がなされることになる。この処理時間の逆数が、例えば、前記電解ケース２を前記ワークＷに移動（走査）させる走査速度に対応する。

又、前記処理時間は、特に限定しないが、例えば、５ｍｉｎ／ｍ²〜１５ｍｉｎ／ｍ²の範囲内、具体的には、１０ｍｉｎ／ｍ²であると、前記ワークＷに、ほぼ浸漬電解研磨と同様の光沢を得ることが可能となり、好ましい。

尚、前記処理時間が、前記ワークＷの形状、前記直流電源６による電流の電流密度、前記電解研磨の処理の目的に応じて、適宜設計変更され得る。例えば、前記電解研磨の処理の目的が、前記ワークＷの表面の脱脂や小程度の溶解（前記ワークＷの表面に対して厚み数μｍの溶解）であれば、前記処理時間は、上述の範囲よりも小さく設定され得るし、当該電解研磨の処理の目的が、浸漬電解研磨と同等の大規模の溶解（前記ワークＷの表面に対して厚み数十μｍの溶解）であれば、前記処理時間は、上述の範囲内又はそれ以上となり得る。

以上説明したように、本発明は大電流で電解研磨をすることができるので、作業時間が短時間となり、また、少量の電解液の保持が容易であるので、電解処理が極めて簡単となる。又、本発明は高品質な電解研磨を実現出来るため、産業上の利用可能性は極めて大きい。

１１環状枠
１２カソード
１３導入口
１４排出口
１５保持材

Claims

環状枠と、
前記環状枠の下の開口端から所定の高さの位置に配設した網体のカソードと、
前記網体の網目に対応して小穴を備えた導入パイプを、網体上に沿って配設し、当該導入パイプを介して所定粘度の電解液を、前記開口端に位置するワークとカソードの間に導入する構成とした導入口と、
上記環状枠内に導入された電解液を環状枠から排出する前記網体の網目を利用した排出口と、
を備えたことを特徴とする電解ケース。
前記環状枠の下の開口端とカソードとで構成される空間に前記所定粘度の電解液を保持する保持材を充填した請求項１に記載の電解ケース。