2.4 研磨

2.4 研磨

研磨は、材料表面を滑らかにする加工法です。研磨には、機械的方法と電気化学的方法とがあります。電気化学的な方法は、さらに電解研磨と化学研磨とがあります。

 

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2.4.1 機械的研磨(mechanical polishing)

機械的研磨には、研削、バフ研磨、ベルト研磨、バレル研磨等があります。順番に見て聞きましょう。

(1)研削:

研削は、高速で回転する砥石車(grinding wheel)と呼ばれる、加工物の表面を除去して平滑な面を得る方法です(図2.4.1;長島精工研削盤)。

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図2.4.1 研削盤(frm 長島精工HP)

砥石車は、砥粒と呼ばれる、アルミナ(酸化アルミニウム)や、炭化ケイ素、CBN、ダイヤモンドなどの極めた硬い鉱物の小片を、樹脂を用いて円筒状や円盤状に成形して固めたものです。砥粒を固めるために使用する樹脂を結合材(bond)といいます。結合材は樹脂の他に軟質金属が使用されることもあります。
研削は、砥石車を高速(周速30m/sec程度)で回転させ、砥粒により形成される微小切れ刃により切削する加工(図2.4.1-b;研削スラッジの例)ですが、一つの切れ刃あたりの切削量が極めて小さいこと、切れ刃が多数あるためにランダムに切削されること、冷却のため研削液と呼ばれる液体でのワーク表面の冷却が行われることより、極めて滑らかな表面が得られます。

図2.4.1-b_研削スラッジの例_frm 四国工業HP

図2.4.1-b_研削スラッジの例 frm 四国工業HP

(2)バフ研磨:

フェルトや、布でできた円筒形のものをバフといい、その表面に研磨材を付着させたものを、回転研磨機に取り付けて研磨することをバフ研磨(図2.4.2)といいます。

図2.4.2_バフ研摩ササゲpolish

図2.4.2 バフ研摩 (frm ササゲHP)

研磨材には、エメリや、コランダム、溶融アルミナなどの硬質粒子などが用いられます。エメリというのは、天然産の研磨材で主成分は酸化アルミニウムと酸化鉄です。主に、ギリシャ、トルコ、アメリカで産出されます。

バフ研磨を研磨の程度によって分類すると、粗研磨、中研磨、仕上研磨、つや消し研磨に分類されます(表2.4.3)。

表2.4.3_バフ研摩種類

図2.4.3 バフ研摩の種類

粗研磨は、エメリをアブレシブセメントや膠を接着剤としてバフに接着したエメリバフ(図2.4.4)を用いて研磨する方法です。

図2.4.4_エメリバフ_ムラコ

図2.4.4_エメリバフ (frm ムラコHP)

目的は金属表面素地の傷を除去して、素地の粗さを均一化することを目的とします。ただし、この場合は、ベルト研磨やバレル研磨の方が良い場合もあるので、研磨方法は良く検討する必要があります。この他に金属製の心金にエメリ布紙を放射状に取り付けたフラップホイール(図2.4.5)と呼ばれるものがあり、エメリバフの代わりに使用されます。

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図2.4.5_フラップホイール (frm モノタローHP)

中研磨は、油脂性研磨材をバフに付着させて使用して、微小研削と光沢の向上を目的としています。バフとしては固めのものが使用されます。

仕上研磨は、軟らかいバフと油脂性研磨材を用います。主として光沢の向上を目的としています。油脂性研磨材は、バフに半固定また遊離した状態で付着しています。

 

(3)ベルト研磨:

ベルト研磨は、エンドレスベルト、及びコンタクトホイール、ベルト研磨機の3つの構成要素からできているベルト研磨機(図2.4.6)を使用して行う研磨のことをいいます。

図2.4.6_ベルト研摩機_日立_BG100

図2.4.6_ベルト研摩機 (frm 日立HP)

ベルト研磨の特徴は、
(a)作業者のスキルが比較的低い場合でも均一な研磨面を得ることができる。
(b)研削速度が速く、能率的な研磨ができる。
(c)バフ研磨でバフを交換するのと比較して、ベルト研磨の場合のベルトの交換は短時間でできる。
(d)ベルトの使用方法がいくつかあり、用途が広い。
(e)バフ研磨ほどには粉じんを多く発生しないので、若干作業環境が改善される。

エンドレスベルトは、構造上は砥石というよりは研摩布紙に近い構成になっています。ベルトである基材、砥石でいうボンドに相当する接着剤、ワークを削り取る役割の砥粒より構成されています(図2.4.7)。

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図2.4.7_エンドレスベルト (frm 岡田ペーパHP)

基材には、袋織綿布が一般的に使用されますが、ポリエステルも使用されています。布に何を使用するかは、強度区分である引張強さ以外の規定はありません。エンドレスベルトの強度は、粒度と大きさ(幅)によって規定されています。
砥粒には、シリコンカーバイドや酸化アルミニウムが多く用いられます。粒度も広い範囲にわたっています。

コンタクトホイール(図2.4.8)は、ベルトに回転を与える軽金属製のプーリで、プーリの外側がゴムでできているものをラバーコンタクトホイールと呼び、ゴム表面が平滑なもの、溝があるものがあり、溝の形にはいくつかの種類があります。

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図2.4.8_コンタクトホイール (frm ミニコHP)

ゴムの硬さと溝の形は研磨速度と関係があります。ゴムが硬く溝のあるコンタクトホイールは研磨速度を大きくとれるので、粗削りやバリ取りなどに適しています。ゴムが軟らかく溝のないホイールは平滑な仕上げ面をつくる場合に適しています。

 

(4)バレル研摩:

バレルと呼ばれる樽(たる)状の研磨槽の中に、ワーク(研磨の対象の品物)及びメディア、コンパウンドを含む液体を入れて、研磨槽もしくはワークの何れかを運動させて、ワークとメディアとの相対運動により、品物のバリ取りや、面取り、ツヤだしなどを行う加工法をバレル研摩といいます。

バレル研摩の特徴は、
(a)従来のバフ研磨法より、研磨コストが安い。
(b)他の研磨法と比較して、ワークの疲労限度が向上する。
(c)研磨が液体中で行われるので、バフ研摩のように粉じんが発生しないので衛生的。
(d)一人で何台もの研磨機を操作できる。

などがあります。

メディアとは、研磨材(固体)のことで、多くの種類と寸法があります。メディアのは、研削加工の砥石車に相当する役割です。
メディアの種類は、天然の研磨石の他に、人造研磨石、金属メディア、有機質メディアなどがあります。形状は色々ありますが、代表的なものに三角形、球形、アングルカットシリンダ形などがあり、サイズもいろいろあります。

コンパウンドは、バレル研磨の効果の向上を図るために、水に添加する添加剤です。コンパウンドの添加により、次のような効果が期待できます。
(a)ワークとメディアとの間の潤滑性が高まり、ワークの光沢と平滑度が向上する。
(b)ワークとメディアとを清浄にする。メディアが汚れにより目詰まりするのを防止して切削力を向上させる。
(c)界面活性剤が含まれており、発泡作用があるので泡がワークとメディアとのクッションになるのでワークの光沢が増す。
(d)防錆剤を含有させると、ワークをバレルから取り出した後も発錆しにくくなる。

コンパウンドの成分は、ラウリン酸ソーダ、洗濯石鹸、炭酸ソーダなどのソーダ類の他、潤滑油なども利用されます。

バレル研磨の方法には、いろいろな方法が開発されていますが、よく使用されているのは、回転バレル研磨、振動バレル研磨、遠心流動バレル研磨の3つです。

そのうち、もっとも一般的な回転バレル研磨機についてみていきましょう。
回転バレル研磨機は、多くの場合多角形(八角形が多い)の円筒形をしたバレルを、軸をほぼ水平から斜め方向にして回転させるものです。
図2.4.9は、水平八角形回転バレル研磨機の、バレルの中のワーク、メディア、水の流動状態を示します。
回転バレル研磨を正しく行うためには、次の項目に注意してください。

図2.4.9_八角形回転バレル中の運動状況

図2.4.9_回転バレル機中の運動状況

1) ワークの形状、寸法、要求される仕上げの程度を考慮して、メディアのサイズを選択します。メディアのサイズが大きい場合、ワークは過大な研削作用を受けることになります。一方、メディアのサイズが小さすぎれば、研削作用が十分得られません。
大きなサイズと小さなサイズのメディアを混合して使用する場合は、大きなサイズを1とすると小さいサイズは3くらいが良いといわれています。小さなサイズのメディアが多すぎるとクッション作用が大きくなって研削されなくなります。少なすぎるとクッション作用がなくなってしまいます。
2) 使用したメディアは、使用ごと、もしくは数回の使用ごとにふるいを使ってサイズを整えてください。
3) ワークには加工に使用した油脂類が付着しています。研磨前に脱脂するのが望ましいです。
4) ワークとメディアを合計したバレルへの装入量は、回転バレル槽の容積の約55% にして下さい。挿入するときは、メディアとワークを交互に挿入して、メディアでワークを包むようにしてください。
5) 精密仕上げをする場合には、一度使用して表面が平滑になったメディアを使用しましょう。
6) 添加する水の量は、通常、ワークとメディアとを挿入した面(マス面といいます)上、または少しかぶる程度とします。
7) コンパウンドの量は、コンパウンドメーカにより指定されていますが、仕上がり状態を確認しながら最適量を決めるようにしてください。通常、粗仕上げの場合はコンパウンドの量を少なめに、精密仕上げの場合はコンパウンドも水の量も多くします。
コンパウンドの効力は数時間程度しかありませんので、光沢仕上げで長時間作業する場合には、作業途中で、水やコンパウンドを入れ替えるなどの考慮が必要です。
8) バレルの回転速度は、最適な流動層を形成するために重要な要因となります。速すぎても、遅すぎても均一な流動層が形成されません。
例えば、バレルの直径をD(m)とすると、バリやカエリの荒取りに16/√D(min-1)で回転させた後、32/√D(min-1)の回転数で粗仕上げや中仕上げを行います。仕上げの際は回転数を下げて25/√D~16/√D(min-1)で行います。最後に、15/√D~12/√D(min-1)の最小回転数で光沢仕上げを行います。
9) 形状が複雑なものや重いものは、そのままバレルに挿入しないでラックに入れてからバレル槽に挿入する必要があります。
10) 穴、凹み、溝などのあるワークは、ゴムやワックス、木栓などを詰めてから挿入します。
11) バレル研磨に使用する水は、ときどき検査して、硬度や汚れの度合いを知る必要があります。

 

2.4.2 電解研磨(electrolytic polishing)

電解研磨とは、研磨したい金属のワークを陽極に、他の金属を陰極として、特殊な電解液中で電流を流し、ワーク表面の微視的及び巨視的な凹凸を平滑化して、ワークの表面に光沢を与える方法です。
電解研磨は、1930年頃に海外で開発されました。第二次世界大戦後発展を遂げて工業的研磨技術の一つになりました。
電解研磨で平滑化できる粗面の最大粗さは、160番のエメリ紙で研磨した程度といわれています。
電解研磨が、工業的に適用されているのはステンレス鋼が主で、白金、タングステン、銅合金、鉄鋼などにも利用されていますが、適用例は極めて少ないです。

良好な結果を電解研磨で得るためには、研磨の対象となる金属には次のような条件が必要となります。
1) 組織は緻密で均一な方が良い。粗大な組織や不均一の組織は不適当です。
2) 非金属介在物が存在すると、研磨効果を妨げます。
3) 方向性を持った傷、例えばロール傷などは除去しにくい。
4) 形状が複雑で、補助陰極を製作しにくいものや、極めて薄い板や細い線、非常に大型のものの研磨は困難です。
5) 焼入れやプレス加工等、大きな内部応力が残留しているワークは、熱処理を実施して内部応力を除去してから研磨する必要があります。
6) 油脂汚れや、スケール、錆は、あらかじめ除去してから電解研磨を実施します。

(1)電解研磨の設備

(a) 研磨槽:
電解研磨液を入れる槽は、研磨液に対して侵食されない材質でつくる必要があります。ガラスやプラスチックをライニングしたり、鉛、ステンレス鋼、セラミックなどの層が使用されています。槽は加熱装置が付属していることが多いです。また、電解液はゆっくり撹拌した方が量置いう名結果を得る場合が多いので、ワークを上下に揺動させたり、電解液を空気で撹拌できる設備が使用されます。
通電することにより、ワーク(陽極)からは酸素が、陰極からは水素が発生します。これらのガスは、発生時に電解液のミストを伴ないます。ミストが有害な場合は、クロムメッキ等に使用される排気設備に準じた除外設備を設置する必要があります。

(b) 電解液
電解液に必要な性質は以下の通りです。
1) 金属が溶け出して高濃度の陽極液層(拡散層)ができるので、錯イオンをつくる濃厚で粘度の高い酸などが用いられます。粘度が不足する場合はグリセリンなどを添加します。
2) 酸化作用があり、陽極酸化皮膜を生じるものであること。
3) 2)項の酸化被膜を溶解させる作用がある液であること。
が挙げられます。

電解液の作用を具体的に見ていきましょう。
1) 電解液中で浴電圧を上昇させていくと、図2.4.10の電流-電位曲線が得られます。
2) 図のAB区間の間で、エッチングが行われます。このとき、ワークの凸部は溶解しやすいの
で、平滑化が行われます。溶解とともに拡散層が生じて平滑化を助けます。
3) 図のBC区間では、光沢化が行われます。この部分では、陽極酸化が行われます。拡散層の存在は濃度分極を高めて、陽極酸化を生じやすくします。酸化被膜が生成すると活発な溶解が阻害され、金属イオンは酸化被膜を拡大して酸化被膜を成長させますが、同時に酸が酸化被膜を溶解するので、溶解と同時に電流通過により酸化物が、常に続々と形成されます。この溶解にも、拡散層の存在が影響を与えます。そのため、酸化被膜の厚さは定常的な厚さを保持しています。その厚さは、Cuでは6~60Å、Alでは10~20Å、Feでは約100Åであることが得られています。この状態では、酸化被膜を通してワークの金属がゆっくり溶解することになり、この溶解過程中に光沢化が行われます。
4) 図のCD区間は、酸素発生電位に達して、酸素が発生する領域であって、同時にワークの金属の溶解も起きており研磨が伴っている場合もあります。
5) 図でB’、B”、B’”は電流を急激に増加させたときの過渡現象を示しています。

図2.4.10_電解研磨の電位-電流曲線

(c) 陰極材質:
陰極材質は、通電しないときも電解液に置かされないものが良く、黒鉛、炭素、ステンレス鋼、銅、鉛などが使用されます。陰極の面積は、陽極の1~2倍程度必要です。陽極・陰極間の距離は、30~600mm程度が採用されます。近すぎると電流分布が悪くなります。反対に遠過ぎると電解液の抵抗のため電解に要する電圧が高くなります。

(d) 電源:
通常は直流電源を用います。電圧は、20~40V必要で、特殊な場合は100V 以上必要な場合もあります。めっき用直流電源(例えば、2~6V)の転用は困難です。

(e) ラック:
電解槽中に、ワークをつるすラックは、メッキのときのラックとほぼ同じ形式で問題ありません。

 

(2) 電解研磨を行った金属の性質

電解研磨した金属は、機械的研磨した金属と性質が、若干異なります。
1) 電解研磨した面と機械研磨した面とでは硬さに差があります。電解研摩面の方が硬さが小さです。理由は、電解研磨は相手の金属に内部応力を生じさせない研磨方法のためです。
2) 電解研磨したワークの摩擦係数は、エメリバフ仕上げのワークより小さくなり、面の仕上げ状態がすぐ得ていることを示します。
3) 機械研磨した面では、必ず研磨傷があり、異物の埋没がありますが、電解研磨面にはこのようなものがありません。

2.4.3 化学研磨(chemical polishing)

化学研磨とは、化学研磨液酸にワークを浸漬するだけでワーク表面の微視的及び巨視的な凹凸を平滑化して光沢を向上させる方法です。
化学研磨は、炭素鋼、銅などにも適用が可能ですが、実用化されているのはアルミニウムの化学研磨が最も多く、化学研磨を行ってから陽極酸化(アルマイト処理)を行う場合が多いです。
亜鉛めっきやカドミウムめっきのクロメート処理の一種である光沢クロメート処理は、化学研磨の一種です。