JP7083072B2 - 化学浴を用いた金属の表面処理のためのプロセス - Google Patents

Description

本発明は、一般に金属加工の分野に関し、特に本発明は、化学浴を用いた、アルミニウムまたはアルミニウム合金で作られた半製品の表面処理のためのプロセスに関する。

航空分野では、ケミカルミリングによる、プロセスが、金属部品の表面処理のために用いられることが知られている。

ケミカルミリングは、苛性ソーダの水溶液に浸漬することによって部品（component）の表面を処理することからなるプロセスであり、金属をエッチングして表面層を除去する。この技術によって、様々な深さレベルでキャビティまたは輪郭を生成することができる。

除去される層の厚さは、主に除去速度（前記溶液の化学組成、つまりソーダの濃度によって変わる）と、半製品が前記溶液と接触している時間に依存する。

これらのパラメータは、処理された部品の表面仕上げにも影響する。特に、除去速度が速いほど、結果として得られる表面の品質は低下する（腐食プロセスを制御する能力は、後者（the latter）が速すぎると、一般的に低くなるため）。

特にアルミニウム部品の処理では、部品が腐食性溶液と化学的に相互作用する仕方とともに、除去速度が、重要なパラメータとなる。

しかし、従来のケミカルミリングの場合、これらの要因を適切に制御することはできない。また、部品の表面仕上げの粗いとの結果が依然として得られるため、単にソーダの濃度を下げて溶液を希釈することも十分ではない。

結果として、溶液の制御されていない腐食力は、一方では過度に高い除去率をもたらし、他方では部品の審美的および機械的特性の劣化をもたらし、それにより、例えば、ケミカルミリングは構造部品には使用されない。

これらの制限は、この技術を応用、航空以外の環境（自動車など）までのより広い範囲に広げる可能性を、当然に阻む。

グルコン酸塩ベースの錯化剤が苛性ソーダ溶液に添加される、ケミカルミリング操作の更なる例は、非特許文献１の記事により知られている。

Ｓｔｒａｚｚｉら、「アルミニウムおよびその合金のアルカリエッチング－新しい苛性ソーダ回収システム」，ＡＥＳＦ ＳＵＲ／ＦＩＮ ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ２００２、２００２年６月２４日、１～２２ページ、ＸＰ０５５５９９５１５、［ＵＳ］ＩＳＳＮ：００２４－３３４５

ただし、このプロセスでも、除去速度を最適に制御できないという欠点がある。加えて、表面粗さが、従来の加工形成（machining）を部品に施す場合よりも大きいため、表面仕上げの加工歩留まりは一般的に不十分である。

（本発明の要約）
本発明の目的は、前述の問題を改善することである。

この結果を得るために、本発明に係るプロセスは、一定量の金属アルミニウムが予め溶解され（便宜上、固体形態で）、錯化剤の添加により、かつ懸濁液中のアルミニウム濃度が所定の範囲内にあることによって、懸濁状態に保たれた、苛性ソーダの水溶液を用いる。

グルコン酸塩とソルビトールを含む錯化剤も溶液に加えられる。

懸濁液中のアルミニウムは、ソーダに触媒作用を及ぼす効果を有し、表面処理を受ける半製品に対する攻撃的な作用を調整する。錯化剤は、水酸化アルミニウムの形態でのアルミニウムの沈殿を防ぎ、制御下において、すなわち、除去速度、表面粗さおよび仕上げの程度などのパラメータを制御することによって、溶液が腐食作用を遂行することを可能にする。

実際に、溶液中のグルコン酸塩とソルビトールの組み合わせの存在が、半製品の表面からの材料の除去原動力（removal dynamics）を最適に調節することが、驚くべきことに見出された。特に、この因子は、除去速度と表面仕上げの程度に大きく影響することがわかった。

特に、本明細書の残りの部分でより理解される通り、グルコン酸塩に類似した錯化剤を含む、従来の浴で得られるものに相当する表面粗さの程度に関して、（この錯化剤が存在しない苛性ソーダの溶液を使用する、従来のケミカルミリングプロセスで処理された部品よりも、粗さの程度がかなり良い）、グルコン酸塩とソルビトールの組み合わせを含む溶液を用いることで、錯化を促進させ、除去速度を上げることができ、それによって、プロセスを工業化でき、かつ非常に多くの部品を同じ時間で処理することができる。

本発明による方法によれば、部品が複雑な形状を有する場合であっても、または、たとえば、小さな部品および／またはアクセスの困難な部品の一部を、製造するなどの、非常に精密な加工が必要な場合であっても、材料の機械的特性が損なわれることはなく、半製品を完全に均一に処理することも可能ある。

さらに、本プロセスで処理された部品の審美的歩留まりは、機械的除去、サンド研磨（sanding）および研磨（polishing）の従来の技術で得られるものと同等であるが、コストが大幅に削減される。とりわけ、加工形成された（machined）部品（component）の表面の均一性は、その後の塗装および／または溶接作業を容易にする。

さらに、使用される錯化剤は完全に環境に優しく（ecological）廃棄が容易であり、それらの使用は、更に浴が有毒ガスを放出することを防ぎ、有益な経済的および環境的な効果をもたらす。

前述および他の目的および利点は、本発明の一態様によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金で作られた半製品の表面処理のためのプロセスによって、請求項１で規定される特徴を有する、化学溶液との接触または浸漬によって、達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項で規定される。

（詳細な説明）
本発明の複数の実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において、以下の説明に示されるかまたは図面に示される、構成上の詳細に限定されないことを明確にすべきである。本発明は、他の実施形態を想定でき、かつ実際には、異なる方法で実施または達成することができる。また、表現および用語は便宜的なものであり、限定的なものとして解釈されるべきでないことも理解されたい。

半製品のアルミニウム製品を処理するためのプロセスは、１００ｇ／ｌから２５０ｇ／ｌの間の濃度の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）と、５０ｇ／ｌから７０ｇ／ｌの間の濃度の溶存金属アルミニウムの水溶液を準備する工程を含む。アルミニウム半製品は、アルミニウムを含む製品（単一の（monolithic）形式または他の金属と合金化されている）であるため、このような溶液によってアルミニウムがエッチングされうる。

グルコン酸塩およびソルビトールを含むアルミニウム錯化剤を、５ｇ／ｌから２５ｇ／ｌの間の濃度で、前記溶液に添加する。

ソルビトールの濃度（溶液１リットルあたりのグラム数）とグルコン酸塩の濃度（溶液１リットルあたりのグラム数）の比率は０．７から０．７５の間である。

このようにして、懸濁液中のソーダとアルミニウムの濃度を適切な比率で経時的に維持し、後者（the latter）の沈殿を回避することができる。

さらに、化学処理浴は、有毒ガスの放出がないため、環境に優しく安全である。

半製品は、所望の表面処理を達成するために必要な時間、前記溶液と接触した状態で置かれる。この期間中、前記溶液の温度は５０℃から１００℃の範囲に維持され、前記溶液に溶解されたアルミニウムの濃度は５０ｇ／ｌから７０ｇ／ｌの範囲に維持される。

前記温度は材料が除去される速度に影響を与え、一方、錯化剤の存在はアルミニウムを溶液中に保つことを可能にする。上記の範囲内に維持された温度と、前述の値の範囲内で含まれる溶液中の錯化剤の濃度との複合作用が、従来の手法により得られうる結果と比較したときに、驚くべき品質の表面仕上げをもたらすことが見出された（以下に示すように）。

便宜上、苛性ソーダとアルミニウムの濃度は、水溶液の滴定によって所望の範囲に維持される。

便宜上、溶液と半製品との間の接触は、溶液を含むタンクに半製品を浸漬することによって行われる。

溶液と接触する前に半製品をマスキングする工程も設けられ得、それによって、前記溶液は、部品のマスキングされていない部分のみをエッチングする。

好ましくは、前記溶液と接触している半製品の寸法および／または仕上げ状態は、予想される結果を参照し、加工形成操作（machining operation）の進行状態を確認するために定期的にチェックされる。

選択的に、溶存アルミニウムに触媒作用を及ぼし、前記溶液から後者（the latter）を解離するように構成されたフィルター（それ自体は知られている）で溶液を濾過する工程があり得る。

審美的収率（aesthetic yield）の向上と材料の機械的特性に悪影響を及ぼさない加工形成操作（machining operations）の実現の可能性とに加え、達成された利点の１つは、鋳造およびその後の凝固によって得られる部品により形成されるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の効果的な除去に関する。実際に、既知の技術では、アルミナの機械的除去が慣習的に用いられ、その結果、部品に残留応力が生じ、それらを除去するために、さらに熱処理を受ける必要がある。本発明による方法は、完全に均一な方法で、生成されたアルミナを効果的に除去できるので、この工程を回避できる。

アルミニウムに結合した砂（aluminum-bound sand）で鋳造物が得られる、低圧鋳造物に関する限り、この砂は必ず簡単に除去できることは興味深いことである。同じことがアルミニウムとその合金にも当てはまる。

さらに、少量の材料を除去し、部品の厚さを減少させる能力は、本発明に係る、前記プロセスを、自動車分野、特にスポーツおよびレーシングの車両の分野における、広く望ましいタイプの加工形成（machining）とする。前記分野では、重量因子は重要であり、粗すぎるとの結果になる、一般的な切りくず除去または成形プロセスによって、または従来のケミカルミリングを使用することによっては、十分に正確な加工形成（machining）（および部品の機械的特性に影響を与えないもの）を達成することはほとんどできない。

これらの理由により、本発明に係るプロセスを通じて、例えば、従来のケミカルミリング技術では適切に加工形成（machined）できなかった構造の細部を、処理することができる。

本発明に係る、化学浴による、アルミニウムまたはアルミニウム合金で作られた半製品の表面処理のプロセスの異なる態様および実施形態を説明した。各実施形態は、他の任意の実施形態と組み合わせることができると理解される。さらに、本発明は、記載された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲によって規定される範囲内で変更することができる。

（本発明の実験的検証）
アルミニウム合金で作られ、従来のケミカルミリングプロセスと本発明に係るプロセスの両方によって処理された試験片間で、比較試験を実施した。

特に、試験片は合金ＡＬ ６０１４（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ）として識別されるアルミニウム合金で作った。

圧延により得られた複数の試験片を、苛性ソーダ（１５０ｇ／ｌの濃度）、アルミニウム（５０ｇ／ｌの初期濃度）、およびグルコン酸塩とソルビトールの組み合わせ（それぞれ８．５ｇ／ｌと６．２ｇ／ｌの濃度）を含む本発明に係る溶液に、それぞれ１５分間隔で７つに分けて、合計時間１時間４５分浸漬した。各間隔の終わりに、試験片を溶液から抽出して操作の進行状況を確認し、次の時間間隔で再び浸漬した。手順全体を通して、溶液の温度は５０℃で一定に保たれ、この溶液中の溶存アルミニウムの濃度は５０ｇ／ｌに保たれた。

上記の条件下で、除去速度値は、０．００８ｍｍ／分から０．００８３ｍｍ／分の範囲で検出された。また処理終了時の試験片の表面粗さの値は、０．６２μｍから１．０１μｍの範囲であった。

同様の試験方法に従って、同じ合金ＡＬ ６０１４の試験片を、苛性ソーダ（７０ｇ／ｌの濃度）、アルミニウム（４０ｇ／ｌの初期濃度）、およびソルビトール（４０ｇ／ｌの濃度）を含む溶液に浸漬した。手順全体を通して、溶液の温度は５０℃で一定に保たれ、この溶液中の溶存アルミニウムの濃度は４０ｇ／ｌに保たれた。

上記の条件下で、除去速度値は、０．００１２４ｍｍ／分から０．００１２９ｍｍ／分の範囲で検出された。また処理終了時の試験片の表面粗さの値は、０．８１μｍから１．０２μｍの範囲であった。

最後に、同様の試験方法に従って、同じ合金ＡＬ ６０１４の試験片を、航空部品のケミカルミリングにおいて慣習的に使用されている１２０ｇ／ｌの濃度の苛性ソーダの溶液に浸漬した。この場合、除去速度は０．０５ｍｍ／分から０．１２ｍｍ／分の間であり、表面粗さは２．００μｍから３．８０μｍの間であった。

結果は、本発明によるプロセスによって加工形成された（machined）試験片の表面粗さは、錯化剤としてソルビトールを含む溶液（グルコン酸塩と組み合わせていない）に浸漬した試験片の表面粗さよりも小さいかまたは実質的に似ており、苛性ソーダのみを含む溶液の場合よりも、表面仕上げの点で明らかに優れた収率であることを示す。同時に、しかしながら、それによって得られた除去速度値は、錯化剤としてソルビトールのみを含む溶液で試料を処理することによって達成できる値よりも有意に高かった（６倍以上）。

これにより、高水準の表面仕上げを実現しつつ、より多くの半製品を処理できる。
本明細書の開示内容は、以下の態様を含み得る。
（態様１）
次の工程を含む、アルミニウムまたはアルミニウム合金の半製品の表面処理のためのプロセス。
ａ）１００ｇ／ｌから２５０ｇ／ｌの間の濃度の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）と、５０ｇ／ｌから７０ｇ／ｌの間の濃度の溶存金属アルミニウムの水溶液を準備すること、
ｂ）前記溶液に、グルコン酸塩とソルビトールを、５ｇ／ｌから２５ｇ／ｌの間の濃度であって、ソルビトールの濃度（溶液１リットルあたりのグラム数）とグルコン酸塩の濃度（溶液１リットルあたりのグラム数）の比率は０．７から０．７５の間である、アルミニウム錯化剤を加えること、
ｃ）前記半製品を、所望の表面処理の達成に必要な時間、溶液と接触させておくこと、
ｄ）工程（ｃ）の間、前記溶液の温度を５０℃から１００℃の範囲に維持し、かつ前記溶液に溶解したアルミニウムの濃度を５０ｇ／ｌから７０ｇ／ｌの範囲に維持すること
（態様２）
苛性ソーダおよびアルミニウムの濃度が、水溶液の滴定によって、工程（ａ）に示される範囲に維持される、態様１に記載のプロセス。
（態様３）
工程（ｃ）が、前記溶液を含むタンクに半製品を浸漬することによって行われる、態様１または２に記載のプロセス。
（態様４）
前記半製品をマスキングする工程を、後者を前記溶液と接触させる前に含む、態様１～３のいずれかに記載のプロセス。
（態様５）
前記溶液と接触している半製品の寸法および／または仕上げ状態を、定期的にチェックする工程を含む、態様１～４のいずれかに記載のプロセス。
（態様６）
前記溶存アルミニウムに触媒作用を及ぼし、前記溶液から後者を解離するように構成されたフィルターで前記溶液を濾過する工程を含む、態様１～５のいずれかに記載のプロセス。

Claims (5)

1. 次の工程を含む、アルミニウムまたはアルミニウム合金の半製品の表面処理のためのプロセス。
   ａ）１００ｇ／ｌから２５０ｇ／ｌの間の濃度の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）と、５０ｇ／ｌから７０ｇ／ｌの間の濃度の溶存アルミニウムの水溶液を準備すること、
   ｂ）前記溶液に、グルコン酸塩とソルビトールを、それぞれ５ｇ／ｌから２５ｇ／ｌの間の濃度であって、ソルビトールの濃度（溶液１リットルあたりのグラム数）とグルコン酸塩の濃度（溶液１リットルあたりのグラム数）の比率は０．７から０．７５の間である、アルミニウム錯化剤を加えること、
   ｃ）前記半製品を、所望の表面処理の達成に必要な時間、工程（ｂ）によって得られた溶液と接触させておくこと、
   ｄ）工程（ｃ）の間、前記溶液の温度を５０℃から１００℃の範囲に維持し、かつ前記溶液中の前記アルミニウムの濃度を５０ｇ／ｌから７０ｇ／ｌの範囲に維持すること
2. 前記水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）および前記アルミニウムの濃度が、工程（ｃ）の間、水溶液の滴定によって、工程（ａ）に示される範囲に維持される、請求項１に記載のプロセス。
3. 工程（ｃ）が、前記溶液を含むタンクに半製品を浸漬することによって行われる、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 前記半製品をマスキングする工程を、前記半製品を前記溶液と接触させる前に含む、請求項１～３のいずれかに記載のプロセス。
5. 前記溶液と接触している半製品の寸法および／または仕上げ状態を、定期的にチェックする工程を含む、請求項１～４のいずれかに記載のプロセス。