JP6870389B2 - 金属材表面の酸化皮膜を除去する方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属材表面上に形成されている金属酸化皮膜の除去方法に関する。特に不動態皮膜と称されるチタン又はチタン合金表面に形成される自然酸化皮膜や陽極酸化などによる厚い酸化皮膜を除去するのに好適な、金属材表面の酸化皮膜を除去する方法に関する。

チタン及びチタン合金部材は、高い硬度と強度を備えた軽い金属であり、かつ耐食性が高く、延性に富むという優れた特性を有することから広く利用されている。さらに、チタン及びチタン合金部材に陽極酸化処理を施して陽極酸化皮膜を形成することによって、着色、耐摩耗性の向上、光触媒の機能が発現されるため、その用途が拡大されている。

このチタン及びチタン合金部材は、表面に薄い自然酸化皮膜が形成されている。陽極酸化皮膜を形成するには酸化皮膜を一旦除去する必要があるが、チタン表面に形成される酸化皮膜は強固であるため、チタンの素地を出すために化学的手法や物理的手法などにより除去される。例えば、化学的手法であれば化学処理液を用いた化学研磨（特許文献１）、物理的手法であれば機械研磨（特許文献２）及び電解研磨（特許文献３）が行われている。

特開昭６２−１６７８９５号公報 特開平０６−１７０７２１号公報 特開平０９−２０７０２９号公報

しかしながら、化学研磨、機械研磨、電解研磨の公知のこれらの方法によるチタン酸化皮膜の除去方法では、薄い自然酸化皮膜の除去は可能であるが、チタン及びチタン合金部材の再生などを目的として一旦形成した陽極酸化皮膜などの厚い酸化皮膜を除去することは困難である。また、物理的手法は部分的にしか研磨できないため曲部や穴部の作業性が悪く皮膜が残留してしまい、再生品の性能低下の要因となってしまう。さらに、従来の化学的手法ではフッ酸や硝酸などにより化学的に研磨することが主流であるが、この手法では厚い陽極酸化皮膜を完全に除去するためには極端に基材を侵してしまい、健全な表面のチタン及びチタン合金部材とすることが困難である、という問題点がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、例えばチタン又はチタン合金部材の表面に形成される自然酸化皮膜のみならず陽極酸化などにより形成された厚い酸化皮膜除去を容易にし、再生可能な表面を形成することが可能な金属材表面の酸化皮膜の除去方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、金属材を陰極として硫酸濃度５〜７５重量％、温度１０℃以上の電解液中で電解処理することによって前記金属材表面の酸化皮膜を除去する方法を提供する（発明１）。

かかる発明（発明１）によれば、電解した硫酸の強い酸化作用により金属材の表面に形成された酸化皮膜を除去することができる一方、硫酸濃度５〜７５重量％とすることで電解した硫酸による過度な酸化作用を抑制して金属材の表面に酸化皮膜が再度形成されることを防止することができ、金属材の素地を露出させることができる。

上記発明（発明１）においては、前記金属材がチタン又はチタン合金であり、該金属材の表面に形成されているチタン酸化皮膜を電解液中で陰極として電解処理することが好ましい（発明２）。

チタン又はチタン合金の表面に形成される酸化皮膜は安定しており除去が難しいが、かかる発明（発明２）によれば、この強固な酸化皮膜を除去して、チタン又はチタン合金の素地を露出させることができる。

上記発明（発明１，２）においては、前記電解処理において、前記陰極の金属材に−１Ｖ〜−５Ｖの電圧を印加することが好ましい（発明３）。

かかる発明（発明３）によれば、陰極で金属酸化物が還元されて金属の素地を露出することができ、さらに還元が進むと陰極では水素が発生するので、これにより除去反応能の完了を判断することができる。

本発明の金属材表面の酸化皮膜を除去する方法によれば、電解した硫酸の強い酸化作用により金属材の表面に形成された酸化皮膜を除去するとともに金属材の表面に再度酸化皮膜が形成されることを防止して金属材の素地を露出させることができる。

本発明の一実施形態による金属酸化皮膜の除去方法を適用可能な処理装置を示す概略図である。 上記実施形態の処理装置による本発明の金属酸化皮膜の除去方法の第一の実施形態の初期状態を示す概略図である。 第一の実施形態の除去方法の酸化皮膜の除去時の状態を示す概略図である。 上記実施形態の処理装置による本発明の金属酸化皮膜の除去方法の第二の実施形態の酸化皮膜の除去時の状態を示す概略図である。

図１は本発明の一実施形態による金属酸化皮膜の除去方法を適用可能な処理装置を概念的に示しており、図１において処理装置１は、処理槽２とこの処理槽２内に設置された陰極部材４及び陽極部材５とを有し、これら陰極部材４及び陽極部材５はそれぞれ直流電源３のマイナス極及びプラス極に接続している。なお、処理槽２には処理槽２内の溶液を所望の温度に保つための恒温ヒータ（図示せず）を設けることができる。このような処理装置１において、陰極部材４は被処理部材となるものであり、本実施形態ではチタン又はチタン合金製の部材であって、その表面に厚い陽極酸化皮膜が形成されたものを用いる。また、陽極部材５としては、通電性の材料であれば特に制限はないが、導電性、耐食性などの点でダイヤモンド基材とした電極や白金族金属を基材とした電極等を用いることができる。

このような処理装置１の処理槽２に収容する電解処理の溶液としては、硫酸濃度５〜７５重量％の電解液Ｓを用いる。硫酸濃度が５重量％未満では、後述する電解処理における硫酸の電解によるＨ^＋（Ｈ_３Ｏ^＋）イオンが少ないため陰極部材４（被処理部材）表面の酸化皮膜を十分に除去できない一方、７５重量％を超えると陰極部材４の表面に形成された酸化皮膜は除去できるものの硫酸の酸化作用により陰極部材４表面に新たな酸化皮膜が形成されてしまう。この電解液Ｓは、上述したような硫酸濃度であれば、硫酸のみであってよいし、硫酸を電気分解した電解硫酸溶液であってもよい。この電解液ＳはｐＨ５以下であるのが好ましい。ｐＨが５を超えるとＨ^＋（Ｈ_３Ｏ^＋）イオンが不足して金属材の表面に形成された酸化皮膜の除去能が十分でなくなるため、好ましくない。

また、この電解液Ｓの温度は１０℃以上、好ましくは２０℃以上とする。電解液の温度が１０℃未満では、陰極部材４の表面に形成された酸化皮膜の除去速度が低下し、これにより酸化皮膜を十分に除去できない。なお、温度の上限については特に制限はないが、９０℃を超えると硫酸の濃度によっては電解液Ｓが沸騰してしまうため９０℃以下とするのが好ましい。したがって、好ましい電解液Ｓの温度は２０〜９０℃である。

〔第一実施形態〕
次に上述したような処理装置１を用いた金属酸化皮膜の除去方法の第一の実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。まず、処理槽２に直流電源３に接続した被処理部材としての陰極部材４及び陽極部材５を吊設したら処理槽２を電解液Ｓである硫酸で満たし、必要に応じて恒温ヒータにより所定の温度に保持する。このとき図１に示すように処理槽２内には、硫酸に起因してＨ^＋（Ｈ_３Ｏ^＋）イオンと水酸イオンＯＨ⁻イオンとが存在している。なお、図中においては、硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）については省略している。

そして、直流電源３から電流を印加すると、図２に示すようにＨ^＋イオンは陰極部材４側に移動する一方、ＯＨ⁻イオンは陽極部材５側に移動する。このとき陰極部材４に印加する電圧は、−１Ｖ未満では陰極部材４（被処理部材）表面の酸化皮膜を十分に除去できない一方、−５Ｖを超えてもＨ_２ガスの発生が多量となり、かえって酸化皮膜の除去の阻害要因となるので−１Ｖ〜−５Ｖの範囲とするのが好ましい。

これにより陰極では、下記式（１）によりチタン又はチタン合金製の部材からなる陰極部材４の表面に形成された酸化チタンが還元される一方、陽極では下記式（２）により酸素が発生する。
（陰極）ＴｉＯ_２＋４Ｈ⁺＋２ｅ⁻ → Ｔｉ^２+＋２Ｈ_２Ｏ ・・・（１）
（陽極）Ｈ_２Ｏ → １／２Ｏ_２＋２Ｈ⁺＋２ｅ⁻ ・・・（２）

この状態を継続することにより、チタン又はチタン合金製の部材からなる陰極部材４の表面に形成された酸化皮膜を除去することができるが、この酸化皮膜の除去が完了したか否かの判断タイミングは、チタンの素地の色である銀白色に戻ったことで確認すればよい。あるいは、図３に示すようにチタン又はチタン合金製の部材からなる陰極部材４の酸化皮膜が進行し、上記式（１）においてＴｉＯ_２が全て還元されると下記式（３）の反応により水素（気体）が発生する。したがって、気体としての水素（Ｈ_２）が発生した段階を終点とみなすことができる。なお、陽極では上記式（２）により酸素が発生する。
（陰極）２Ｈ⁺＋２ｅ⁻ → Ｈ_２ ・・・（３）

〔第二実施形態〕
続いて本発明の金属酸化皮膜の除去方法の第二の実施形態について、図１、図２及び図４に基づいて説明する。第二実施形態の金属酸化皮膜の除去方法は、電解液Ｓ１として硫酸を電気分解した電解硫酸溶液を用いた以外は上述した第一の実施形態と同じものである。また、電解硫酸溶液Ｓ１は、硫酸濃度５〜７５重量％で、温度が１０℃以上、好ましくは２０〜９０℃である点では上述した第一の実施形態と同じである。

まず、処理槽２に直流電源３に接続した被処理部材としての陰極部材４及び陽極部材５を吊設したら処理槽２を電解液Ｓ１である電解硫酸で満たす。この電解硫酸中には非常に酸化性の強い過硫酸が含まれている一方、図１に示すように処理槽２内には、過硫酸や硫酸に起因してＨ^＋（Ｈ_３Ｏ^＋）イオンと水酸イオンＯＨ⁻イオンとが存在している。なお、図中においては、硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）及び過硫酸イオン（Ｓ_２Ｏ_８ ^２−）については省略している。

そして、直流電源３から電流を印加すると、図２に示すようにＨ^＋イオンは陰極部材４側に移動する一方、ＯＨ⁻イオンは陽極部材５側に移動する。このとき陰極部材４に印加する電圧は、−１Ｖ未満では陰極部材４（被処理部材）表面の酸化皮膜を十分に除去できない一方、−５Ｖを超えてもＨ_２ガスの発生は多量となり、かえって酸化皮膜の除去の阻害要因となるので−１Ｖ〜−５Ｖの範囲とするのが好ましい。

これにより陰極では、下記式（１）によりチタン又はチタン合金製の部材からなる陰極部材４の表面に形成された酸化チタンが還元される一方、陽極では下記式（２）により酸素が発生する。
（陰極）ＴｉＯ_２＋４Ｈ⁺＋２ｅ⁻ → Ｔｉ^２+＋２Ｈ_２Ｏ ・・・（１）
（陽極）Ｈ_２Ｏ → １／２Ｏ_２＋２Ｈ⁺＋２ｅ⁻ ・・・（２）

この状態を継続することにより、チタン又はチタン合金製の部材からなる陰極部材４の表面に形成された酸化皮膜を除去することができるが、この酸化皮膜の除去が完了したか否かの判断タイミングは、チタンの色である銀白色に戻ったことで確認すればよい。あるいは図４に示すようにチタン又はチタン合金製の部材からなる陰極部材４の酸化皮膜が進行し、上記式（１）においてＴｉＯ_２が全て還元されると下記式（３）の反応により水素（気体）が発生する。したがって、気体としての水素（Ｈ_２）が発生した段階を終点とみなすことができる。なお、陽極では上記式（２）により酸素が発生する。また、下記式（４）に示すように溶液中では過硫酸イオンが消費されて酸化チタンイオンと硫酸イオンとが生成する。
（陰極）２Ｈ⁺＋２ｅ⁻ → Ｈ_２ ・・・（３）
（電解液中）Ｔｉ＋Ｓ_２Ｏ_８ ^２−＋２Ｈ_２Ｏ
→ＴｉＯ_２ ^２+＋２ＳＯ_４ ^２−＋４Ｈ⁺ ・・・（４）

以上、本発明の金属酸化皮膜の除去装置及び除去方法について、上記各実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、被処理部材はチタン又はチタン合金に限らず、他の金属酸化物の除去にも適用可能である。また、被処理部材の形状は制限されず、曲部や穴部を有する部材を電極として均一に処理することが可能である。

以下に実施例及び比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの記載により何ら限定されるものではない。

［実施例１］
１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．５ｍｍのチタンの試験片を用意し、この試験片の表面に厚さ５μｍの陽極酸化皮膜を形成し、この試験片を図１に示す処理装置１により処理した。すなわち、陽極酸化皮膜を形成した試験片を陰極部材４とするとともに同じサイズのダイヤモンド電極を陽極部材５として、処理槽２に３０％の濃度硫酸を満たし、恒温ヒータにより温度を７０℃に保持して、直流電源３から陰極側に−３Ｖの電圧をかけて処理を行った。そして、陰極部材４から気泡が発生した時点で処理を停止し、試験片の表面をＳＥＭ−ＥＤＳ分析した結果、Ｔｉピークのみが認められた。この結果を処理条件（硫酸濃度、温度及び電圧）とともに表１に示す。

［実施例２、３及び比較例１〜４］
実施例１において、処理条件を表１に示すよう設定した以外は同様にして陽極酸化皮膜を形成した試験片を処理した。結果を表１にあわせて示す。なお、比較例４は電圧をかけずに硫酸に浸漬した例である。

表１から明らかなとおり、陽極酸化皮膜を形成したチタン製の試験片を陰極部材４として硫酸濃度５〜７５重量％、温度１０℃以上の電解液中で電解処理した実施例１〜３をＳＥＭ−ＥＤＳ分析した結果、Ｔｉピークのみが認められ、陽極酸化皮膜が除去できていることが確認された。これに対し、硫酸濃度が７５重量％を超える電解液中で電解処理した比較例１は、酸化チタンのピークが検出された。これは高温の硫酸による酸化作用により、酸化皮膜が除去されるが、再度酸化皮膜が形成されるためであると考えられる。一方、硫酸濃度が５重量％未満の電解液中で電解処理した比較例２、及び硫酸濃度が５〜７５重量％の範囲内であるが温度が１０℃未満である比較例３では、酸化チタンのピークが検出された。これは、溶解したＴｉ^２＋イオンの拡散速度が遅いため、酸化皮膜の除去が十分でなかったためであると考えられる。さらに、硫酸濃度５〜７５重量％で温度１０℃以上の電解液ではあるが、電気を通電しなかった比較例４でも、酸化チタンのピークが検出された。これは、電圧を印加しないため酸化皮膜の除去が行われないためであると考えられる。

１ 処理装置
２ 処理槽
３ 直流電源
４ 陰極部材
５ 陽極部材
Ｓ，Ｓ１ 電解液

Claims (2)

1. 金属材を陰極として硫酸濃度５〜７５重量％、温度１０℃以上の電解液中で電解処理することによって前記金属材表面の酸化皮膜を除去する方法であって、
   前記金属材がチタン又はチタン合金であり、
   前記電解処理において、前記陰極の金属材に−１Ｖ〜−５Ｖの電圧を印加する、方法。
2. 前記金属材の表面に形成されているチタン酸化皮膜を電解液中で陰極として電解処理する、請求項１に記載の方法。

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