JP2006111958A

JP2006111958A - 電解析出方法とその装置

Info

Publication number: JP2006111958A
Application number: JP2004328223A
Authority: JP
Inventors: Toru Yamazaki; 徹山崎; Takayasu Mochizuki; 孝晏望月
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】金属製の細孔または細管の内壁部分を、高耐摩耗性、高耐食性、高耐熱性等の優れた特性を有する金属もしくは合金を場所的に制御された厚さで被覆、並びに成形することを可能にする。
【解決手段】金属製の細孔または細管の内壁を陰極として、この管状空洞内に細身の棒状陽電極を挿入し、前記棒状陽電極の一部表面上に前記内壁と電気的に接触することを防止する絶縁体を固定配置し、前記棒状陽電極と陰極との間隙に管軸方向に沿って電解液を流動させて供給しながら高耐摩耗性、高耐食性、高耐熱性等の優れた特性を有する金属もしくは合金を電解析出させる。電解析出中は前記棒状陽電極全体に管軸方向に往復運動または管軸を中心にした回転運動の少なくとも一つをさせつつ、前記金属もしくは合金を場所的に制御された厚さで電解析出させて、前記細孔または細管の内壁面を選択的に被覆するとともに成形する。
【選択図】図４

Description

金属製ノズル等の金属細孔または細管の内壁部分を高耐摩耗性、高耐食性、高耐熱性等の優れた特性を有する金属もしくは合金によって、場所的に制御された厚さで被覆、並びに成形する方法と装置に関する。

各種の流体を射出してその流体の形態を制御する金属製ノズルまたは移送管としての細孔または細管は、種々のステンレス鋼や高強度合金鋼などの部材により作製されているが、これらは、機械的強度が高いものの、前記流体が溶融した樹脂の場合には部材との反応性が高く、腐食による摩耗が激しい。酸性流体を射出する場合も同様である。また、泥水のような流体では機械的磨耗が激しく起こる。

このような欠点を改善するため、ノズル内壁表面に高耐磨耗性、高耐食性、高耐熱性等の優れた特性を有する金属もしくは合金の被膜の形成が求められている。このような被覆材は同時に高付着性をも要求される。無電解メッキでは高耐摩耗性、且つ高付着性の金属が存在しない。幸い、数年前に本発明者によって、電解析出法を用い、上記の特性を全て満足する理想的なナノ結晶ニッケルータングステン（Ｎｉ−Ｗ）合金被覆材（特開２００１−３４２５９１）が開発された。

しかしながら、平面電極を用いて材料の外側表面にメッキ被覆することを基本とする従来の電解析出法では、電界分布を金属体の空洞内全域に形成できないため、前記被覆材膜を金属製ノズル内壁等に形成することは困難である。特に口径が数ミリ以下でアスペクト比（細孔の長さ／口径）が３以上の場合に内壁を被覆することは極めて困難である。

そこで、細身の陽電極を空洞内部へ挿入することによって電界分布を空洞内全域に形成することが可能であるが、実際の電析中には空洞部分に電解液の供給を行う必要があるために、電解液流の乱流により陽電極が陰極側である金属性ノズル細孔または細管の内壁と接触して、電気的に短絡する場合が多い。したがって、現実には、前記細孔または細管の内壁へ、場所的に制御された厚さで、且つ緻密な被覆の形成は困難であり、このままでは工業生産には適しない。

一方、従来のノズルの内面形状は流体の圧縮部と膨張部からなる、所謂ラバール管のような単純形状であるが更に圧縮部と膨張部とが繰り返されれば流体の流れに速度、または密度変調を与えることが可能になるため、高速の液滴形成など流体運動に対する制御機能を拡大することができる。しかし、従来の切削機械加工法では上述のようなノズル内の途中を膨らました形状構造を成形することは不可能である。

本発明によって、金属製ノズル等の細孔または細管の内壁部分を、選択的に高耐摩耗性、高耐食性、高耐熱性等の優れた特性を有する金属もしくは合金で、場所的に制御された厚さで被覆、並びに成形することを可能にする、低コストで大量生産に適した電析方法と、それを実現する電析装置を提供する。

金属製ノズル等の金属細孔または細管の内壁を陰極として、これに細身の棒状陽電極を挿入し、前記棒状陽電極の一部表面上に前記内壁と電気的に接触することを防止する絶縁体を固定配置し、前記棒状陽電極と陰極との間隙に電解液を管軸方向に沿って流動させて供給しながら高耐摩耗性、高耐食性、高耐熱性等の優れた特性を有する金属もしくは合金を前記内壁面上に電解析出させる。

電解析出中は前記棒状陽電極全体を軸方向の往復運動並びに軸中心の回転運動の少なくとも一つを行わせつつ、前記金属もしくは合金を場所的に制御された厚さで電解析出させて、前記金属細孔または細管の内壁面を選択的に被覆するとともに内壁面の形状を成形する。

本発明の電解析出方法と装置により、ナノ結晶Ｎｊ−Ｗ合金のような高耐摩耗性、高耐食性、高耐熱性等の優れた特性を有する金属もしくは合金を場所的に制御された厚さで析出することが可能になるため、ステンレス鋼や高強度合金鋼等により形成された金属製ノズルの細孔内面などを前記金属もしくは合金で被覆することによって溶融樹脂、酸性液体などによる腐食磨耗等を防止する結果、使用中にノズル形状寸法の変化の極めて少なく、寿命の長い金属製ノズルまたは細管を提供することができる。また、内壁面形状を自由に成形できるため、ノズルの流体運動に対する制御機能を拡大することができる。

金属製ノズル等の金属細孔または細管の内壁を陰極として、これに細身の棒状陽電極を挿入する。前記棒状陽電極の一部表面上には前記内壁と電気的に接触することを防止する絶縁体を固定配置しておく。さらに、電析中は前記棒状陽電極全体を軸方向の往復または回転運動、またはその両方を行わせつつ、前記棒状陽電極と陰極との間隙に電解液を管軸方向に沿って流動させて供給する。この仕組みによって、陽電極と陰電極との短絡なく、且つ、安定な電界を維持して高耐摩耗性、高耐食性、高耐熱性等の優れた特性を有する金属もしくは合金を場所的に制御された厚さで電解析出させ、金属細孔または細管の内壁面を選択的に被覆するとともに成形する。

図１は棒状陽電極の実施例の一つの側面図を示す。図１（ａ）は全体の側面を示す図である。左側は直径１〜１０ｍｍの石英ガラス管（１）が陽電極（２）を包み、電気絶縁を保ちつつ、前記石英ガラス管を介して電極全体を保持する。右側が金属細孔または細管部分（３）へ挿入される先端部（４）である。図１（ｂ）は先端部を拡大した最先端部（５）の側面を示す。図１（ｂ）において、左側の主電極部分の直径を０．５〜５ｍｍとすると、最先端部（５）の寸法は直径０．１〜１ｍｍ、長さ５ｍｍとする。このような段付き直径をもった棒状の陽電極（２）を用いることによって機械的安定性を確保できる利点がある。また、テーパー状や段付き直径部分をもつ細管の内部（３）に挿入した場合に、各部分での陰極表面との間隙を最適にできるという利点がある。

棒状電極の表面には図１（ｂ）に示すように局所的に絶縁体（６）が固定されてあり、挿入時に陰極内面との電気的接触が起こらない構造となっている。新鮮な電解液（７）を棒状電極と内壁との間隙に流れるように供給しながら電解析出を行う。さらに、前記棒状電極を管軸方向に往復運動させながら同時に回転運動させることにより、均質で厚さの制御された金属または合金の被覆を内壁面全体に沿って形成できる。

この時、絶縁体の配置や電極の運動速度（局部に滞在する時間）などの調節によって厚さ分布、即ち形状制御ができるため、ノズルの目標形状の成形ができる。前記絶縁体（６）の存在によって往復運動または回転運動中にても棒状電極は細管のほぼ中心部に機械的に保持されるため、安定な電析が可能である。棒状電極の材料としては白金（Ｐｔ）またはコート材の塗布されたチタン（Ｔｉ）などの不溶性電極材料を用いる。

ニッケルータングステン（Ｎｉ−Ｗ）合金を被覆するときは、電解液（７）としては硫酸ニッケル０．０５〜０．１ｍｏｌ／Ｌ，タングステン酸ナトリウム０．１〜０．２ｍｏｌ／Ｌなどを含み、ｐＨ７．０〜８．５として、温度を３０〜９０度Ｃに保ち、往復運動の移動距離を１０ｍｍ程度とする。この場合、１０マイクロメートル厚さのＮｉ−Ｗ合金被覆層が３０分程度で直径１ｍｍ，長さ５ｍｍ程度の細孔内部に形成できる。

上記の金属または合金としてはニッケル−タングステン合金以外に、クロム、ニッケル、ニッケル−クロム合金、ニッケル−モリブデン合金、ニッケル−コバルト合金、ニッケル−鉄合金、ニッケル−リン合金、ニッケル−タングステン−リン合金、ニッケル−ボロン合金、ニッケル−タングステン−ボロン合金を用いてもよい。

図２は最先端部（５）全体を絶縁体層（６）で被覆し、前記絶縁体層に細孔を一様に分布させて開けた陽電極の例を示す。絶縁体層として光レジスト材を用い、リソグラフィー技術によって前記細孔を形成してもよい。ここに示す細孔は１マイクロメートルから１ミリメートルの口径をもつ円形開口であるが、円形開口に限る必要はなく、陽電極の円周に沿ってスリット状に開口していてもよい。その場合、スリット開口部が電極の軸に沿って多重リング状に分布する形状となる。

図３は陰極側の形状に応じて、棒状陽電極が軸方向に沿って２つの部分に分割され、先端部分の直径は図１（ｂ）のようにより小さな直径としてあるだけでなく、２つの部分が電気的に絶縁してある例を示す。２つの部分の電圧もしくは電流は個別に制御できるので、金属もしくは合金の被覆厚さや電析合金組成を意図的に軸方向に沿って局所的に制御することができる。

図４は本発明を実施する電解析出装置の全体の構成を示す。棒状陽電極（２）を陰極である金属ノズル（１４）の細孔または細管部分（３）内へ挿入し、石英ガラス管（１）を介して電極固定治具（１３）によって保持される。前記棒状陽電極（２）と陰極（３）の内壁との間隙に管軸方向に沿って電解液（７）を流動させるとともに、駆動機構（８）によって前記棒状陽電極に管軸方向の往復運動並びに管軸を中心とした回転運動の少なくとも一つを行わせながら金属細孔または細管部分（３）の内壁に電解析出させる。電解液（７）は電解液槽（１０）を介して回収され、電解液循環ポンプ系（９）により循環される。電解液（７）の状態は電解液モニター（１１）により監視され、そのモニター出力信号を制御信号の一つとして電析制御電源（１２）が電析の電圧・電流、電解液の流速と温度、並びに陽電極の駆動速度を時間制御する。

本発明の電解析出方法と装置により、ステンレス鋼や高強度合金鋼により形成された金属製ノズルの細孔内面などを高耐磨耗性、高耐食性、高耐熱性等の優れた特性を有する金属もしくは合金で場所的に制御された厚さで被覆することができるため、内面に接する溶融樹脂、酸性液体などによる腐食磨耗を防止することができる。したがって、使用中にノズル形状寸法の変化の極めて少ない金属製ノズルまたは細管を安価に大量に提供することができる。

また、内壁面形状を自由に成形できるため、ノズルの流体運動に対する制御機能を拡大することができる。

ａ）棒状陽電極の全体側面図，ｂ）電極最先端部の側面図多数の細孔を持つ絶縁体層で被覆された電極最先端部の拡大図分割型棒状陽電極の側面図電解析出装置の構成

符号の説明

１石英ガラス管
２棒状陽電極
３金属製の細孔または細管部分
４先端部
５最先端部
６絶縁体
７電解液
８駆動機構
９電解液循環ポンプ系
１０電解液槽
１１電解液モニター
１２電析制御電源
１３電極固定治具
１４金属製ノズル

Claims

金属製の細孔または細管の内壁を金属もしくは合金で場所的に制御された厚さで被覆、並びに成形するため、内壁側を陰極として、前記内壁への接触を防止する絶縁体が表面の一部に固定されている棒状陽電極をこれら管状空洞内に挿入し、且つ間隙に電解液を満たして、前記内壁の表面に選択的に前記金属または合金を析出させることを特徴とする電解析出方法。
請求項１において、金属内壁部分への接触を防止する絶縁体層で前記棒状陽電極の表面を被覆し、さらに前記絶縁体層にはリソグラフィー技術を用いて、電気的導通を可能とする１マイクロメートルから１ミリメートルの範囲の開口径を持つ微細な開口部が多数形成された前記棒状陽電極を使用することを特徴とする電解析出方法。
請求項１において、被覆材となる前記金属もしくは合金の電析厚さを場所的に制御し、並びに合金組成の不均一性を防止するため、電解析出中に前記棒状陽電極に管軸方向の往復運動、並びに管軸を中心とした回転運動の少なくとも一つを行わせることを特徴とする電解析出方法。
請求項１において、電析中は前記棒状陽電極と前記内壁との間隙に管軸方向に沿って電解液を流動させ、これを回収・循環させることを特徴とする電解析出方法。
請求項１において、陰極側の形状に応じて、前記棒状陽電極を軸方向に沿って複数に分割し、それぞれの直径、並びに電圧もしくは電流を個別に制御することによって、前記金属もしくは合金の被覆厚さや組成を意図的に軸方向に沿って局所的に制御することを特徴とする電解析出方法。
金属製の細孔または細管の内壁を、前記金属もしくは合金で場所的に制御された厚さで被覆、並びに成形するため、内壁側を陰極として、これら管状空洞内に挿入され、金属内壁部分への接触を防止する絶縁体が表面の一部に固定されている棒状陽電極と、前記棒状陽電極に管軸方向の往復運動、並びに管軸を中心とした回転運動の少なくとも一つを行わせる駆動機構と、前記棒状陽電極と内壁との間隙に管軸方向に沿って電解液を流動させ、これを回収・循環させる電解液循環ポンプ系と、電解液モニターと、電析制御電源、並びに電解液槽とから成ることを特徴とする電解析出装置。
請求項６において、前記棒状陽電極は、リソグラフィー技術を用いて電気的導通を可能とする１マイクロメートルから１ミリメートルの開口径を持つ微細な開口部が多数形成された絶縁体層によって被覆されていることを特徴とする電解析出装置。
請求項１，請求項２，請求項３、請求項４、および請求項５にて述べた電解析出方法を用いて、内壁の表面を高耐磨耗性または高耐食性または高耐熱性のいずれかの特性をもつ金属または合金で被覆、並びに成形してあることを特徴とする細孔または細管を持つ固体部品。
請求項８において、前記内壁の表面を被覆、並びに成形する金属または合金として、クロム、ニッケル、ニッケル−クロム合金、ニッケル−タングステン合金、ニッケル−モリブデン合金、ニッケル−コバルト合金、ニッケル−鉄合金、ニッケル−リン合金、ニッケル−タングステン−リン合金、ニッケル−ボロン合金、ニッケル−タングステン−ボロン合金の内の少なくとも一つを使用していることを特徴とする細孔または細管を持つ固体部品。