金属エッチング

　化学エッチングや電解エッチングは、電子工業、精密機械工業、印刷工業などのあらゆる分野で基礎的な技術として応用されてきました。なかには他の優れた加工技術の進歩によってその役割を終えたものもありますが、いまなお重要な加工技術であることに変わりはありません。幾つかの例を紹介しましょう。

　化学エッチングや電解エッチングは、電子工業、精密機械工業、印刷工業などのあらゆる分野で基礎的な技術として応用されてきました。なかには他の優れた加工技術の進歩によってその役割を終えたものもありますが、いまなお重要な加工技術であることに変わりはありません。幾つかの例を紹介しましょう。 (1)薄膜のエッチングによる回路形成 　コンピュータや通信機器などの電気回路は、プリント基板で構成され、その上にはミクロな構造をもつ集積回路（IC）や抵抗、コンデンサーが搭載されています。集積回路の高密度化に伴って、これら抵抗やコンデンサーも年々小型化が要求されています。抵抗を例にとりますと、これらを小型化するためには、従来のような金属の細線を絶縁物に巻いた巻線型抵抗では限界があります。そこで、絶縁物上に抵抗金属やその合金の薄膜を形成し、その薄膜上に所望の抵抗値となるような回路パターンをエッチングして作成しています。 　抵抗としては一般的にはニッケル・クロム合金やタンタル薄膜などが使用されています。回路を形成するエッチング液としては、硝酸・塩酸・水などの混酸が用いられます。

　通常のラッピングにおけるラップ液として電解液を用い、電解エッチングを行いながらラッピングを行う方法を電解ラッピングといいます。この方法は、加工物表面にできる皮膜を電解エッチングによって除去してラッピングが進行しますので、電解研削や電解ホーニングにおける固定砥粒のかわりに遊離砥粒を用い、これを電解液の中に混合させた状態で行います。 　電解ラッピングは、実施方法によって【図1】に示すような3種類に分けられます。 　図(ａ)の方法では加工物（陽極）とラップ（陰極）が一定の間隔（0.05～0.2mm）に保持され、この間隙を電解液と砥粒の混合液（電解スラリーといわれます）が流れます。スラリーの流れはラップの回転によってつくられ、スラリーの流れによって砥粒は加工物の表面をこすり、電解生成物を除去します。

　研削とよく似た加工法に、ホーン仕上げ、または、ホーニングとよばれる加工法があります。この方法は、油砥石をホーン（hone）と呼ばれる保持具に入れ、砥石に一定の圧力を加えながら、加工物との間で回転と往復運動を行わせ、これに多量の灯油や軽油などの加工液を注入して加工する方法であります。研削に比べて、その切削量は小さいのですが、仕上げ面粗さは非常によくなるので、精密な部品の研削後の仕上げに広く用いられています。 　このようなホーニングに、電解エッチングを重畳する方法が電解ホーニングです。電解ホーニングの装置は、機械的ホーニングと電解加工を組み合わせたものであり、その構成を【図1】に示しました。

　「ばり」の除去がむずかしい部品の研削には、電解研削が最適です。たとえば、研削能率は機械研削のほうがよくても、「研削かえり」または「ばり」が発生し、その除去に手数がかかるような部品の研削には電解研削のほうが有利です。 　このような例として、【図1】に示すアルミニウム合金鋳物製の自動車用バルブボデーがあります。 　材料は特別に難研削ではありませんが、表面に多数の複雑なみぞをもつ形状なので、機械研削によってみぞ部に生じる研削かえりやばりを除去するのに、多くの手間と時間がかかります。 　これを電解研削すると研削能率はかなり低下しますが、ばりやかえりが殆ど発生しないので総合的にはかなりの効果があります。 　ハニカムの端面の研削についても全く同様で、機械研削するとハニカムの蜂の巣状の部分にばりを生じてハニカムの機能を失ってしまします。これに電解研削を適用すると、このようなことがなく、著しい効果があります。

　一般の鉄鋼材料は機械的な切削加工や研削加工が容易でありますから、電解研削を必要とすることは稀です。しかし研削焼けを起し易い高速度鋼の重研削、曲がり易い薄板やハ二カム構造製品の平面研削、砥石磨耗の大きい高バナジウム高速度鋼の研削などに対しては電解研削は大きな威力を発揮します。また電解研削は、研削によってバリがでない特徴がありますから、皮下注射針【図1】、積層材料などの研削にも有利です。 　しかし電解研削の最も大きなしかも簡単な応用は、超硬バイトの研削であります。このような硬度の高い、削りにくい材料に対しては、加工速度は通常の方法より著しく高くすることができます。

(6)電解研削面の仕上げ面粗さ 　電解研削において生じる仕上げ面粗さの生成機構を【図1】に示します。図は電極砥石と研削面の関係を示しておりますが、この図で電解研削が行われている部分は砥石の外周と加工面が接触するbの部分であります。 　しかし砥石と加工物が電解液で満たされている部分はbの部分だけではなく、ノズルから供給された電解液がbの範囲に入る過程でcの部分にも溢れますし、また加工間隙を通過した電解液がaの部分にも流れます。電解エッチングは電解液に接するすべての面で起こりますから、電解エッチングはa、b、cのすべての範囲で行われます。 　このうちa、cの部分は砥粒の研削作用はなく電解エッチングだけが行われます。 　これら3つの部分のうち、aの部分は研削の進行に伴って除去された部分でありますから、仕上げ面の粗さには殆ど影響がありません。

(5)電解研削の電極砥石 　電解研削における電極砥石は、基本的には、絶縁性の砥粒を導電性の結合材で固めた構造をもっています。 　この場合の砥粒としては、超硬合金またはHRC65以上の硬さをもつ鋼材に対しては、ダイヤモンドが一般に用いられます。その粒寸法は100～120メッシュの範囲が多いようです。また、導電性結合材としては、銅合金または銅含浸樹脂が多く用いられています。前者をメタルボンド砥石、後者をレジンボンド砥石といっています。 　一般鋼材用の砥石としては、砥粒にはアランダム、結合材にはブロンズ系合金（メタルボンド砥石）と銅含浸樹脂（レジンボンド砥石）が用いられ、アランダム砥石の粒径は、メタルボンドで60～80メッシュ、レジンボンドでは100メッシュ程度が用いられています。

(4)電解研削の電解液 　電解研削用電解液は、主として無機酸を含む導電性の水溶液でありますが、電解加工のように加工物の表面に不動態皮膜の生成を防止する必要がありませんので、次の2つに重点がおかれます。 (1)腐食を防止する特性があること (2)高い電導度をもっていること 　腐食防止剤としては、NaNO2、NaNO3、KNO2、NaCO3、Na3PO4、硼砂（Na2B4O7）などのような高いpH値を与える塩類が使用されます。 　また、高い電導度はKNO3、NaNO3、KNO2、NaNO2などを適当に混合することによって得られます。アミン類または有機防食剤が腐食防止剤として加えられる場合もあります。

(1)電解研削の原理 　電解加工は、金属表面の所要部分から材料を除去するのに、電解エッチング作用を利用したものでありますが、電解研削は、この電解エッチング作用にさらに、機械的な研削作用を加えたものです。 　一般に金属表面から金属を電気化学的に溶出させる場合には、溶出の進行を妨害する陽極生成物が生じ、場合によっては金属表面が不動態となって溶出が全く進行しなくなります。電解加工では、この現象を防止するために、電解液として不動態を生じないような液を用いますが、電解研削ではこの不動態皮膜を砥石の砥粒によって引っかきながら、その後に出来る新鮮な金属面へ電解エッチングを作用させるようにします。 　電解研削は、はじめは電解工具研削盤として発展しましたが、この方法が研削熱、研削圧力が小さいことを利用して、広く一般の難研削材に応用されるようになりました。 (2)電極砥石 　電解研削で除去される材料の量は、機械的研削と電解溶出による量に分けられますが、機械的研削量はごく僅かで、炭素鋼などで1～2％、超硬などで10～16％で、大部分は電解溶出によるといわれております。電極となる砥石の断面を【図1】に示しました。

(2)酸溶液 　各種の無機酸の水溶液は、電導度が比較的高く、また陰極反応は水素の放電が主でありますので、電極工具への電着の危険性はありません。しかし、一般に酸溶液は、腐食性が強く、取扱に不便なため、特殊の場合にしか用いられません。 　また、酸溶液を用いた場合、加工の進行につれて水素の消耗により、電導度が減少し、同時にpHが増大するので、金属イオンが陰極面上に電着し易くなります。溶出して生成された金属イオンは、液中にそのまま保持されます。   (3)アルカリ溶液 　通常、多くの金属に対してアルカリ溶液は用いられません。それは、アルカリ溶液中では不溶解な陽極生成物が形成され、加工物の溶出を妨害するからです。 　しかし、タングステンやモリブデンなどを電解溶出させるには、有効です。それは、これらを陽極酸化によって酸化物とし、それをNaOHなどによって、タングステン酸塩またはモリブデン酸塩として溶出させることができるからです。

電解加工用の電解液には、次の特性が要求されます。

8)電解微小孔加工 　微小孔を加工するには、外面を絶縁した細い金属管を電極工具として実施することができますが、この方法の欠点は、外面の絶縁が難しく、また加工中に電極の先端部の絶縁が破れ易いなどであります。 　そこで、この欠点を防止するものとして【図1】に示すような仮電極を用いる方法があります。仮電極は、ガラス管などの絶縁物の先端を細く絞ったもので、これがゴム管などのフレキシブルな管によって陰極室につながっています。 　陰極室には、電解液中に実電極（金属の棒または板）が浸漬されています。陰極室に約1気圧の圧力を加え、細いチップ（約数μm）をもった仮電極に電解液を充満させるとともにチップを通して電解液のゆるやかな流れを発生させるようにします。 　このようにしてチップを加工物にできるだけ接近させて通電すると、電解エッチングは加工物面上のチップに近傍だけで起こるので、エッチングの進行に応じてチップを加工物中へ進ませると微小孔あけができます。

8)静止加工 　いままで述べた電解加工の応用では、すべて電極工具と加工物に間に相対的な運動があり、加工の進行に応じて電極が加工物の中へ送り込まれますが、応用形態として両者の間にこの運動がなく、電解液だけが電極工具と加工物の間を流通する場合があります。この方式を静止加工といっています。   　【図1】は加工物であるシリンダーの内部に棒状の電極を入れ、電極の所要部分以外は絶縁して固定し、電解液を電極と加工物の間の環状の間隙を流通させながら通電し、シリンダーの内面を電解エッチングすることによってシリンダーの内径を拡大する静止加工です。この加工方法は、電解バルジ(electrolytic bulge)、または電解ボーリング(electrolytic boring)と言われています。 　同じような方法で、盲孔の拡大加工を行うことができます。このような静止加工では、平衡間隙は存在せず、したがって最初の寸法精度がある程度仕上げ精度を左右しています。

5)電解旋削(electrolytic turning) 　旋削加工を電解作用によって行うもので、通常の旋削加工のようにバイトに切込みを与えて軸方向に送るのではなく、【図1】のように、所要の形状に成形された電極工具を回転する加工物の半径方向に中へ送りこむことによって軸対称の旋削部品を得る方法です。   　この方法によりますと、電極形状を所要の形状にすることによって、倣い旋削と同じ加工を1工程で行うことができます。また、通常の旋削加工では、旋削力による変形作用で加工が困難な加工も旋削加工も可能です。   6)電解切断(electrolytic cutting off) 　この方法は、タングステンやその合金のような難削材料の切断に有効です。この方法に用いられる電極工具には多くの種類がありますが、一例を【図2】に示します。

2)電解切抜き加工(electrolytic trepanning) 　電解切抜き加工は、加工物から目的の形状をもった材料を切りだす加工で、加工方法としては孔あけ加工と同じでありますが、両者の相違は目的の加工物で、孔あけ加工の目的が加工された「孔」であるのに対して、切り抜き加工の目的は、「電極の内側に残った部分」であります。 　したがって、切り抜き加工は、孔あけ加工と全く同じ装置で、電極工具に若干の変更を加えることで実施できます。孔あけ加工の電極は、漏洩電流防止のために電極の外側を絶縁していましたが、切り抜き加工の電極は、外側と内側の両方を絶縁しております。このようにすると、管の断面と同じ外形をもった部品を材料から切り出すことができます。この様子を【図1】に示します。

(5)電解加工の応用 　電解加工は材料の硬度、靭性に関係なく、複雑な形状を1工程で加工できるので、材料の硬度、靭性が高くて、一般の機械加工の適用が困難であり、加工形状が複雑な加工ほどそのメリットは大きくなります。 　例えば、機械的な切削加工において、工具径が小さくなるほど工具の剛性が不足して、切込み量を小さくしなければなりませんので加工能率は著しく低くなります。このような加工に電解加工を適用することはきわめて効果的です。 　これらの形態と方式に応じた加工例をみてみましょう。 1)電解孔あけ(electrolytic drilling) 　孔あけ加工は、種々の断面をもった管が電極工具として用いられています。

(4)電解加工における電流効率と加工速度 　電解加工における加工速度は、電気分解におけるファラデーの法則を用いて理論的に求めることができます。ただし、次の条件が満たされていることが必要です。

(2)電解加工機の構成 　電解加工機の一般的な構成を、【図1】に示します。図に示すように、加工物と工具に相当する電極の距離を極めて近くし（通常0.02～0.7mm）、電解液を介して、被加工物が陽極、電極工具が陰極として直流を通電します。

(1)概要 　電解エッチングは、化学エッチングが材料の溶解を化学的に行うのに対して、直流電力を供給して材料を陽極として電気化学的に溶解を行うものです。 　電解エッチングを応用する技術としては、電解加工、電解研削、電解ホーニング、電解ラッピングなどがありますが、これらの技術はすべて、あらかじめ所要の形状に成形した陰極を用いて、加工される材料を陽極として、両者を極めて近い位置において電気化学的溶解を行わせることによって電解エッチング作用を所要の部分に集中し、制限する方法がとられています。 　電解加工と化学加工は、両方とも、エッチング作用を金属材料のある部分に集中・制御することによって行われますが、集中・制御の方法としては、電解加工のほうが化学加工より多くの方法を用いることができます。 　化学加工では、金属材料の非加工部分をマスキングで被覆してエッチング作用から保護する方法が集中・制御の唯一の方法でありますが、電解加工においては、これと全く同じ方法も採用できますが、多くは、あらかじめ所要の形状につくった電極を陰極として用いて通電することにより効率よく、所望の製品を得ることができます。