説明

金属製品の電解加工用電解液

【課題】金属製品の電解加工用電解液に関するもので、電解加工製品の不良が減り、電解液と電極の寿命が延長され、加工効率が向上される金属製品の電解加工用電解液を提供する。
【解決手段】金属製品の電解加工用電解液は溶媒に無機塩を含み、錯化剤及び還元剤のうち、少なくとも一つを含む。さらに、金属は鉄、ニッケル、アルミニュウム、スズ、クロム、亜鉛及びこれらの合金のうち、いずれか一つである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属製品の電解加工用電解液に関するもので、より詳細には電解加工製品の不良が減り、電解液と電極の寿命が延長され、加工効率が向上される金属製品の電解加工用電解液に関するものである。
【背景技術】
【0002】
電解加工は、電導性物質の電気化学的反応を用いた加工法である。電解加工では、加工しようとする製品である加工物と特定の形状を有する電極を電解液に浸し、加工物を陽極にし、電極を陰極にして一定の間隙を維持した状態で電量を流すと電極の形状通り加工物が加工される。
【0003】
電解加工法を用いると、加工物の硬度に関わらず加工が可能で、曲面や溝の内部加工等の複雑な形状に加工することができるという長所がある。最近には、電解加工時、超端パルスを用いて微細形状加工が可能になったが、その例として流体動圧ベアリング(Fluid dynamic bearing)の微細溝の加工を挙げることができる。
【0004】
電解加工時、金属加工物は陽極に作用するため金属成分が溶出される。溶出された金属成分は金属水酸化物を形成しスラッジ形態で沈殿されることができる。このような沈殿は、加工物の表面及び電極の表面または電解加工槽に沈殿され微細電解加工の主な不良発生の原因になる。
【0005】
電解液の組成は、電気を通電するための電解質で単一或いは複合の無機塩のみを含んでいる。従って、加工物の金属成分が電解加工時溶出されると電解液の中で水酸化物形態の沈殿を発生させる。例えば、加工物の主成分が鉄である場合、電解加工が行われるとFe(OH)またはFe(OH)のような水酸化鉄の沈殿が多量に発生するようになる。
【0006】
スラッジ形態の沈殿は、加工物の形状を歪曲させるか、電気供給を妨害し加工不良の主要原因になっている。従来にはフィルタープレス(filter press)や遠心分離を用いて物理的に沈殿を除去する方法が用いられてきたが、沈殿物が一定水準以上増加すると電解液を取り替えなければならないという問題点がある。
【0007】
従って、金属製品の電解加工時、電解液に沈殿される金属沈殿物を減少させ加工物の品質を向上させ、加工工程の効率性を高めることができる電解液の開発が要求された。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、上述の問題点を解決するためのもので、本発明の目的は電解加工製品の不良が減り、電解液と電極の寿命が延長され、加工効率が向上される金属製品の電解加工用電解液を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
以上のような目的を達成するための本発明の一側面による金属製品の電解加工用電解液は溶媒に無機塩を含み、錯化剤及び還元剤のうち、少なくとも一つを含む。金属は鉄、銅、ニッケル、アルミニウム、スズ、クロム、亜鉛及びこれらの合金のうち、いずれか一つであることができる。溶媒は水、その中でも純水であることができて電解液は水溶液であることができる。
【0010】
無機塩はNaNO、NaCl、NaClO、NaSO、KNO、KCl、KClO、KSO、LiNO、LiCl、LiClO、及びLiSOにより構成された群から選ばれた少なくとも一つであることが好ましい。このような無機塩の濃度は、全体電解液の体積を基準にし100g/L乃至500g/Lであることが電解加工に適合な濃度であることができる。
【0011】
錯化剤としては、クエン酸(Citric acid)、酢酸(Acetic acid)、シュウ酸(Oxalic acid)、フルボ酸(Fulvic acid)、コハク酸(Succinic acid)、酒石酸(Tartaric acid)、乳酸(Lactic acid)、グルコン酸(Gluconic acid)、マレイン酸(Maleic acid)、リンゴ酸(Malic acid)及びこれらの塩のうち、少なくとも一つを使用することができる。
【0012】
特に、錯化剤はこのうち酢酸であることができるが、詳細にはエチレンジアミンテトラ酢酸(Ethylenediaminetetraacetic acid)、ヒドロキシエチルエチレンジアミントリ酢酸(Hydroxyethylethylenediaminetriacetic acid)、及びニトリロトリ酢酸(Nitrilotriacetic acid)により構成された群から選ばれた少なくとも一つであることができる。
【0013】
錯化剤の濃度は、全体電解液の体積を基準にし0.5g/L乃至20g/Lであることが好ましい。
【0014】
還元剤は、L―アスコルビン酸(L―ascorbic acid)、D―イソアスコルビン酸(D―isoascorbic acid)及びこれらの塩のうち、少なくとも一つを使用することができるが、その濃度は全体電解液の体積を基準にし0.5g/L乃至20g/Lであることが好ましい。
【0015】
本発明の一実施例による金属製品の電解加工用電解液は物性の向上のために腐食抑制剤、界面活性剤、粘度調節剤、pH調節剤のうち、少なくとも一つをさらに含むことが好ましい。
【0016】
本発明の一実施例による金属製品の電解加工用電解液はpH範囲がpH2乃至pH7であることができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明による金属製品の電解加工用電解液で電解加工時には金属沈殿物の発生を抑制することができる。従って、電解加工時、電極または加工物に沈殿物の沈着等を抑制することができ、それによる加工不良を防ぎ、加工効率を向上させることができる。
【0018】
また、使用する電解加工用電解液の寿命が増加し電解加工工程の費用が節減され、さらなる金属沈殿物の除去工程を省略することができ、時間的損失が発生せず、生産性が向上される効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変更されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態で限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業界において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
【0020】
本発明の一側面による金属製品の電解加工用電解液は、溶媒に無機塩を含み、錯化剤及び還元剤のうち、少なくとも一つを含む。
【0021】
電解液は、無機塩を水に溶解させて製造する。電解液に使用されることができる無機塩はNaNO、NaCl、NaClO、NaSO、KNO、KCl、KClO、KSO、LiNO、LiCl、LiClO、及びLiSOにより構成された群から選ばれた少なくとも一つであることが好ましい。このような無機塩の濃度は全体電解液の体積を基準にし100g/L乃至500g/Lであることが電解加工に適合する濃度であることができる。
【0022】
本発明の電解液に使用される溶媒として水を使用することができる。電解液は水溶液になる。水は塩を除いた純水を使用することが好ましい。
【0023】
金属製品は、電解加工を通じ加工されることができる金属製品はいかなるものでも使用されることができる。金属は、例えば鉄、銅、ニッケル、アルミニウム、スズ、クロム、亜鉛及びこれらの合金のうち、いずれかの一つであることができる。
【0024】
以下では、鉄を例に挙げて金属製品の電解加工時溶出された金属の沈殿を説明する。鉄を含む製品は電解加工時、製品の表面から溶出され電解液に流入される。電解液で鉄は以下のように水酸化物に変換される。
【0025】
(反応式1)
Fe→Fe+++2e
【0026】
(反応式2)
Fe+++2OH→Fe(OH)
【0027】
(反応式3)
4Fe(OH)+2HO+O→4Fe(OH)
【0028】
反応式1で金属製品の中の鉄は2価のイオンで溶出される。電解液に存在する鉄は反応式2のように電解液に存在する水酸化イオンと反応してFe(OH)が形成され、Fe(OH)は再びFe(OH)形態の水酸化物に変換される。変換された水酸化物はスラッジ形態に沈殿される。従って、スラッジ形態に沈殿された金属水酸化物を抑制または除去するために本発明の一実施例による電解加工用電解液は錯化剤及び還元剤のうち、少なくとも一つを含む。
【0029】
錯化剤は、金属と化学的に安定したキレート化合物を形成する。従って、電解液に金属がイオン状態の安定な形態に存在するようになり沈殿の発生を抑制する。
【0030】
錯化剤としては金属を錯化させることができ、電解加工に有意な影響を及ぼさない錯化剤であれば如何なるものでも使用されることができる。例えば、錯化剤としてはクエン酸(Citric acid)、酢酸(Acetic acid)、シュウ酸(Oxalic acid)、フルボ酸(Fulvic acid)、コハク酸(Succinic acid)、酒石酸(Tartaric acid)、乳酸(Lactic acid)、グルコン酸(Gluconic acid)、マレイン酸(Maleic acid)、リンゴ酸(Malic acid)及びこれらの塩のうち、少なくとも一つを使用することができる。
【0031】
特に、錯化剤は酢酸であることができるが、詳細にはエチレンジアミンテトラ酢酸(Ethylenediaminetetraacetic acid)、ヒドロキシエチルエチレンジアミントリ酢酸(Hydroxyethylethylenediaminetriacetic acid)、及びニトリロトリ酢酸(Nitrilotriacetic acid)により構成された群から選ばれた少なくとも一つであることができる。
【0032】
錯化剤の濃度は、電解加工時電解液内における金属イオンの濃度により変わる。一般的に錯化剤の濃度は電解液で機能を充分に発現させるために0.5g/L以上含むことが好ましい。また、電解液の物性に有意な影響を及ぼさないにようにするために20g/L以下に含まれることが好ましい。即ち、錯化剤は全体電解液の体積を基準にし0.5g/L乃至20g/Lであることが好ましい。
【0033】
本発明の電解液は還元剤を含むことができる。還元剤は金属水酸化物で金属を還元させ溶解度がより大きい形態の金属水酸化物を生成する。従って、金属沈殿が電解液内に溶解された状態が維持できるようにする。
【0034】
鉄水酸化物を例に挙げると、Fe(OH)の場合、pH2以上で生成され広範囲のpH範囲で生成されるが、Fe(OH)はpH7乃至pH9の範囲で生成される。即ち、Fe(OH)よりFe(OH)が電解液内に生成されていることがより好ましく、従って、Fe(OH)-Fe3+を相対的に溶解度が大きいFe(OH)-Fe2+で還元させると沈殿の発生を抑制することができる。
【0035】
本発明に使用されることができる還元剤としては、金属を還元させることができ、電解加工に有意な影響を及ぼさない還元剤であれば如何なるものでも使用されることができる。例えば、還元剤はL−アスコルビン酸(L−ascorbic acid)、D−イソアスコルビン酸(D−isoascorbic acid)及びこれらの塩のうち、少なくとも一つを使用することができる。
【0036】
還元剤の濃度も、電解加工時電解液内における金属イオンの濃度により変わる。一般的に還元剤の濃度は、電解液で機能を充分に発現させるために0.5g/L以上含むことが好ましい。また、還元剤は電解液の物性に有意な影響を及ぼさないようにするために20g/L以下に含まれることが好ましい。即ち、還元剤は全体電解液の体積を基準にし0.5g/L乃至20g/Lであることが好ましい。
【0037】
本発明の一実施例による金属製品の電解加工用電解液は物性の向上のために腐食抑制剤、界面活性剤、粘度調節剤、pH調節剤のうち、少なくとも一つをさらに含むことが好ましい。腐食抑制剤は電極の腐食を抑制させるための添加剤である。界面活性剤、粘度調節剤、pH調節剤は電解液の加工特性を向上させるための物性調節添加剤である。
【0038】
本発明の一実施例による金属製品の電解加工用電解液はpH範囲がpH2乃至pH7であることができる。上述のように、鉄水酸化物を例に挙げると、酸化水がさらに大きいFe(OH)の場合pH2以上で生成され、酸化水がさらに小さくなるように還元されたFe(OH)はpH7乃至pH9の範囲で生成される。従って、還元剤により還元されたFe(OH)はpH7乃至pH9の範囲で生成されるため電解液のpH範囲をpH2乃至pH7に調節すると、Fe(OH)の沈殿をさらに抑制することができる。
【実施例】
【0039】
以下の実施例では、本発明の一実施例により電解加工電解液を製造し、これら電解液の金属沈殿物の除去効果を確認するために金属イオン(鉄イオン)を添加し、その除去率を算出した。
【0040】
先ず、電解液を製造するために、溶媒として純水に無機塩として硝酸ナトリウム(NaNO)を溶解させ150g/L硝酸ナトリウム水溶液を製造した。金属製品を加工せず、一定量の硝酸第2鉄(Fe(NO.12HO)を添加し電解液内に一定濃度の鉄イオンを含ませる。電解液は、0.1M水酸化ナトリウム(NaOH)溶液を用いてpHを中性に調節する。その結果、肉眼で確認することができる黄土色の沈殿物が確認できた。
【0041】
電解液に錯化剤と還元剤の役割をすることができる添加剤を一定量ずつ添加しながら沈殿物が除去されるのかを観察し、ICP−AES(誘導結合プラズマ原子発光分析器)を用いて鉄の濃度変化を測定した。実験に用いた錯化剤はEDTA、NTA、クエン酸及びHEDTAが用いられ、還元剤としてはL−アスコルビン酸、D-イソアスコルビン酸が用いられた。
【0042】
沈殿物の除去率は、最初基準電解液に添加した鉄の濃度と沈殿ではない電解液に溶解されている鉄の濃度を比較する方法で計算した。即ち、初期沈殿物が生成された基準電解液を遠心分離させ沈殿と分離された上澄み液の鉄の濃度を測定すると、大部分の鉄は水化物の形態に沈殿されており、沈殿物と分離された電解液の上澄み液では鉄が殆ど検出されない。
【0043】
反面、沈殿物除去のための錯化剤や還元剤を基準電解液に添加すると、沈殿物に含まれている鉄の成分が電解液に溶解され沈殿物は除去され、電解液の鉄の濃度は増加する。最初電解液に添加した鉄の濃度と添加剤を添加した後、電解液の鉄の濃度を比較することにより電解液の沈殿除去率を計算した。添加された錯化剤及び還元剤の種類と量による沈殿除去率が以下の表1乃至表3に表れている。
【0044】
【表1】

【0045】
実施例1乃至実施例16では電解液に錯化剤としてEDTA、HEDTA、NTA、及びクエン酸が夫々1g/L乃至7g/L範囲で含まれている。
【0046】
表1を参照すると、実施例1乃至実施例16でと同様に電解液が錯化剤を含む場合、鉄が除去されたことを確認することができた。錯化剤の濃度が高くなるほどさらに高い沈殿除去率が表れた。
【0047】
【表2】

【0048】
実施例17乃至24では電解液に還元剤としてL−アスコルビン酸及びD-イソアスコルビン酸が夫々1g/L乃至7g/L範囲で含まれている。
【0049】
表2を参照すると、実施例17乃至24でと同様に電解液が還元剤を含む場合、鉄が除去されており、還元剤の濃度が高いほど沈殿除去率が高く表れた。
【0050】
【表3】

【0051】
実施例25乃至実施例33の電解液には錯化剤としてNTA、還元剤としてL−アスコルビン酸が異なる濃度で含まれている。
【0052】
実施例25乃至実施例33のように、錯化剤及び還元剤を共に電解液に添加した場合、89%以上の沈殿除去率が算出された。特に、実施例25ではNTA及びL−アスコルビン酸が夫々1g/Lずつ添加され比較的少量が添加されたにも関わらず89%の高い沈殿除去率を表した。
【0053】
表1及び表2を参照すると、実施例1乃至実施例16でと同様に電解液が錯化剤を含む場合と実施例17乃至24でと同様に電解液が還元剤を含む場合、鉄の沈殿物が除去されており、夫々の錯化剤及び還元剤の濃度が高いほど沈殿除去率が高く表れた。
【0054】
従って、金属製品の電解加工用電解液に錯化剤及び還元剤のうち、いずれか一つが含まれる場合、鉄のように溶出された金属イオンの沈殿除去が高い効率で可能であることを確認することができた。特に、各々の実験結果で、沈殿が90%以上除去されるためには錯化剤または還元剤が5g/L以上含まれた場合可能であった。
【0055】
実施例25乃至実施例33のように、錯化剤及び還元剤を共に電解液に添加した場合は、実施例1乃至実施例24でと同様に錯化剤及び還元剤が単独で使用される場合より少ない量を使用しても同じ水準の沈殿除去率を得ることができた。
【0056】
本実施例では、鉄を例に挙げて実施しその結果を確認したが、鉄以外の金属、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、スズ、クロム、または亜鉛のような金属及びこれらの合金からなる製品の場合にも錯化剤及び還元剤の金属への作用面で鉄製品の場合と類似に金属沈殿物を除去することができると思われる。
【0057】
本発明は、上述の実施形態により限定されるものではなく、添付の請求範囲により解釈されるべきである。また、本発明に対して請求範囲に記載の本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは当該技術分野において通常の知識を有する者には自明である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶媒に無機塩を含み、錯化剤及び還元剤のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする金属製品の電解加工用電解液。
【請求項2】
前記金属は鉄、銅、ニッケル、アルミニウム、スズ、クロム、亜鉛及びこれらの合金のうち、いずれか一つであることを特徴とする請求項1に記載の金属製品の電解加工用電解液。
【請求項3】
前記溶媒は、純水であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の金属製品の電解加工用電解液。
【請求項4】
前記無機塩はNaNO、NaCl、NaClO、NaSO、KNO、KCl、KClO、KSO、LiNO、LiCl、LiClO及びLiSOにより構成された群から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載の金属製品の電解加工用電解液。
【請求項5】
前記無機塩の濃度は、全体電解液の体積を基準にし100g/L乃至500g/Lであることを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載の金属製品の電解加工用電解液。
【請求項6】
前記錯化剤は、クエン酸(Citric acid)、酢酸(Acetic acid)、シュウ酸(Oxalic acid)、フルボ酸(Fulvic acid)、コハク酸(Succinic acid)、酒石酸(Tartaric acid)、乳酸(Lactic acid)、グルコン酸(Gluconic acid)、マレイン酸(Maleic acid)、リンゴ酸(Malic acid)及びこれらの塩のうち、少なくとも一つであることを特徴とする請求項1から請求項5の何れかに記載の金属製品の電解加工用電解液。
【請求項7】
前記錯化剤は、エチレンジアミンテトラ酢酸(Ethylenediaminetetraacetic acid)、ヒドロキシエチルエチレンジアミントリ酢酸(Hydroxyethylethylenediaminetriacetic acid)、及びニトリロトリ酢酸(Nitrilotriacetic acid)により構成された群から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項6に記載の金属製品の電解加工用電解液。
【請求項8】
前記錯化剤の濃度は、全体電解液の体積を基準にし0.5g/L乃至20g/Lであることを特徴とする請求項1から請求項7の何れかに記載の金属製品の電解加工用電解液。
【請求項9】
前記還元剤は、L―アスコルビン酸(L―ascorbic acid)、D-イソアスコルビン酸(D―isoascorbic acid)及びこれらの塩のうち、少なくとも一つであることを特徴とする請求項1から請求項8の何れかに記載の金属製品の電解加工用電解液。
【請求項10】
前記還元剤の濃度は、全体電解液の体積を基準にし0.5g/L乃至20g/Lであることを特徴とする請求項1から請求項9の何れかに記載の金属製品の電解加工用電解液。
【請求項11】
腐食抑制剤、界面活性剤、粘度調節剤、およびpH調節剤のうち、少なくとも一つをさらに含むことを特徴とする請求項1から請求項10の何れかに記載の金属製品の電解加工用電解液。
【請求項12】
pH範囲がpH2乃至pH7であることを特徴とする請求項1から請求項11の何れかに記載の金属製品の電解加工用電解液。