(57)【要約】      （修正有）【課題】炭素鋼に対して耐食性の高い研磨加工を行うことができる電解砥粒研磨装置を提供すること。【解決手段】研磨後の表面に生成する酸化物層のＸ線光電分光法の強度が、ＦｅＯＯＨ由来よりもＦｅ２Ｏ３由来の方が大きいことを特徴とする電解砥粒研磨装置であって、炭素鋼の表面を研磨する研磨体と、電解液を介して前記炭素鋼との間に電圧を印加する電極と、前記電極と前記炭素鋼との間の前記電圧を制御する電圧制御部と、を備える。実施例では、炭素鋼を硝酸ナトリウム水溶液に浸漬させ、炭素鋼と銅電極（電極）との間に最大値２４Ｖの単相全波の電圧を印加させながら電解砥粒研磨を行う。【選択図】図３
2020117743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の酸化皮膜と、前記第１の酸化皮膜よりも高い耐食性を示す第２の酸化皮膜と、が表面に生成しうる炭素鋼の表面を研磨する電解砥粒研磨装置であって、
前記炭素鋼の表面を研磨する研磨体と、
電解液を介して前記炭素鋼との間に電圧を印加する電極と、
前記電極と前記炭素鋼との間の前記電圧を制御する電圧制御部と、を備え、
前記電圧制御部は、前記電圧の最大値を所定の電圧値以上にすることで、前記炭素鋼の表面上に酸化皮膜を形成させ、
前記炭素鋼の表面上に形成された前記酸化皮膜は、Ｘ線光電子分光法を用いて測定した際の前記第２の酸化皮膜内の酸素原子に由来する光電子強度が前記第１の酸化皮膜内の酸素原子に由来する光電子強度よりも強く観測されるという性質を有する、
電解砥粒研磨装置。
【請求項２】
前記研磨体が回転軸の周りを回転可能かつ回転径方向に変位可能に構成され、
前記研磨体の前記回転径方向の内側には袋体が設けられており、
前記袋体が膨張することによって、前記研磨体が前記回転径方向の外側に変位可能である、
請求項１に記載の電解砥粒研磨装置。
【請求項３】
前記電極は、前記電解砥粒研磨装置の外側に向けて突出した複数のスリットを備えており、
前記複数のスリットの間には前記電解液が供給可能に構成されている、
請求項１または２に記載の電解砥粒研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解砥粒研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属の被研磨物に対し、電解液を介して電圧を印加しながら表面を研磨する電解砥粒研磨法が知られている。特許文献１には、電解砥粒研磨を行う回転研磨工具が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２５３２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば自動車の精密部品には、炭素鋼などの鉄系材料を用いる場合があり、当該精密部品を精度良く研磨したいという要望がある。しかしながら、本発明者らは、特許文献１に記載されているような方法では正常に炭素鋼を電解砥粒研磨することができないことを見出した。
【０００５】
図１３は、印加電圧値を変化させながら炭素鋼に電解砥粒研磨を行ったときの、印加電圧値に対する電流値をプロットした電流−電圧グラフである。図１３において、縦軸は電流、横軸は印加した電圧を表している。なお、印加電圧を６．５Ｖよりも大きくしたときの電流値については、測定機器の計測限界のため測定していない。
【０００６】
図１３に示すように、印加電圧が１Ｖ以下の場合、炭素鋼と電極との間にほとんど電流は流れなかった。これは、印加電圧が小さすぎて電解が起こらなかったことを示している。印加電圧が１Ｖを超えると、炭素鋼と電極との間に電流が観測された。これは、炭素鋼の表面で電解が起こって鉄イオンが流れ始めたことを示している。しかし、印加電圧が２．６Ｖ付近のときは、炭素鋼と電極との間にほとんど電流は流れなかった。これは、印加電圧が２．６Ｖのときには、電解砥粒研磨時に耐食性の高い酸化皮膜が形成され、酸化皮膜の内部から金属が溶出されるのが抑制されたからだと考えられる。
【０００７】
一方で、例えば印加電圧が２．５Ｖのときは、電極に２００ｍＡ以上の電流が流れた。これは、電解砥粒研磨時に耐食性の低い酸化皮膜が形成され、酸化皮膜の内部から金属が溶出されたものと考えられる。すなわち、このような条件においては、炭素鋼の表面にいわゆる赤さびが発生しており、電解によって鉄表面の腐食が進行し、研磨を正常に行うことができなかったと考えられる。これらの結果は、炭素鋼に対する印加電圧が０．１Ｖ変わるだけで、酸化皮膜の耐食性が大きく変化し得ることを示すものである。
このように、炭素鋼に数ボルトの電圧を印加させて電解砥粒研磨を行おうとすると、耐食性の高い酸化皮膜を形成させるためには電圧を狭い範囲で調整する必要があり、工業的に行うことは実質的に難しいという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、炭素鋼に対して耐食性の高い研磨加工を行うことができる電解砥粒研磨装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る電解砥粒研磨装置は、第１の酸化皮膜と、前記第１の酸化皮膜よりも高い耐食性を示す第２の酸化皮膜と、が表面に生成しうる炭素鋼の表面を研磨する電解砥粒研磨装置であって、前記炭素鋼の表面を研磨する研磨体と、電解液を介して前記炭素鋼との間に電圧を印加する電極と、前記電極と前記炭素鋼との間の前記電圧を制御する電圧制御部と、を備え、前記電圧制御部は、前記電圧の最大値を所定の電圧値以上にすることで、前記炭素鋼の表面上に酸化皮膜を形成させ、前記炭素鋼の表面上に形成された前記酸化皮膜は、Ｘ線光電子分光法を用いて測定した際の前記第２の酸化皮膜内の酸素原子に由来する光電子強度が前記第１の酸化皮膜内の酸素原子に由来する光電子強度よりも強く観測されるという性質を有することを特徴としたものである。
【００１０】
上記の構成によれば、電圧制御部が印加電圧の最大値を所定の電圧値以上にするように制御することによって、炭素鋼の表面上に酸化皮膜が形成される。当該酸化皮膜は、Ｘ線光電子分光測定においてＦｅＯＯＨ内の酸素原子よりもＦｅ２Ｏ３内の酸素原子由来の光電子強度が強く観測されるという性質を有する。Ｆｅ２Ｏ３はＦｅＯＯＨよりも緻密な構造を有しており高い耐食性を示すため、当該酸化皮膜は、耐食性の高い膜であるといえる。このように、本発明によって、炭素鋼に対して耐食性の高い研磨加工を行うことができる電解砥粒研磨装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、炭素鋼に対して耐食性の高い研磨加工を行うことができる電解砥粒研磨装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電解砥粒研磨装置の構成を説明する模式図である。
【図２】図１に示す電解砥粒研磨装置の切断線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】電解砥粒研磨装置の動作を説明する模式図である。
【図４】炭素鋼を電解砥粒研磨したときの、電圧値に対する電流値をプロットした電流−電圧グラフである。
【図５】研磨後の炭素鋼の、Ｆｅ原子の２ｐ軌道に由来するＸＰＳスペクトルである。
【図６】研磨後の炭素鋼の、Ｏ原子の１ｓ軌道に由来するＸＰＳスペクトルである。
【図７】研磨後の炭素鋼の、ラマンスペクトルである。
【図８】電解液中に析出した生成物のＸＲＤスペクトルである。
【図９】図１に示す電極付近の切断線ＩＸ−ＩＸにおける断面図である。
【図１０】電極の拡大図である。
【図１１】電解砥粒研磨装置の袋体付近の拡大図である。
【図１２】電解砥粒研磨における炭素鋼の印加電圧と電流の関係を表す電圧−時刻グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者らは、鋭意研究の結果、炭素鋼に対して所定の電圧値以上の電圧で電解砥粒研磨を行うと、耐食性の高い酸化皮膜が炭素鋼の表面に優位に形成されることを見出した。本発明は、上記の知見に基づくものである。
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。また、以下に説明される複数の構成例は、独立に実施されることもできるし、適宜組み合わせて実施されることもできる。これら複数の構成例は、互いに異なる新規な特徴を有している。したがって、これら複数の構成例は、互いに異なる目的又は課題を解決することに寄与し、互いに異なる効果を奏することに寄与する。
【００１５】
＜電解砥粒研磨装置１の全体的な構成＞
まず、本実施形態に係る電解砥粒研磨装置１の全体的な構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る電解砥粒研磨装置１の概略図である。図２は、図１の状態における電解砥粒研磨装置１の、切断線ＩＩ−ＩＩでの断面図である。本実施形態で説明する電解砥粒研磨装置１は、筒状の炭素鋼の内表面を研磨するための装置である。
なお、当然のことながら、図１およびその他の図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。
【００１６】
電解砥粒研磨装置１は、第１の酸化皮膜と、第１の酸化皮膜よりも高い耐食性を示す第２の酸化皮膜と、が表面に生成しうる炭素鋼の表面を研磨する電解砥粒研磨装置である。第１の酸化皮膜は、例えばＦｅＯＯＨからなる酸化皮膜であり、第２の酸化皮膜は、例えばＦｅ２Ｏ３からなる酸化皮膜である。Ｆｅ２Ｏ３はＦｅＯＯＨよりも緻密な構造を有しており、高い耐食性を示す。
【００１７】
図１に示すように、電解砥粒研磨装置１は、軸部１１と、動力伝達部１２と、フランジ１３と、研磨体２１と、緩衝材２２と、研磨体支持部２３と、電圧制御部３０と、電極３１と、整流板３２と、電極支持部３３と、コネクタ３４と、注入口３５と、を備える。後述するように、軸部１１、研磨体２１、緩衝材２２、研磨体支持部２３、電極３１、整流板３２、及び電極支持部３３は、一体となって回転軸ＣＬの周りを回転可能に形成されている。
【００１８】
図２に示すように、研磨体２１の回転径方向の内側には、袋体４１が設けられている。また、注入口３５、フランジ１３、軸部１１、電極支持部３３には貫通した内部空間が形成されており、それぞれの内部空間がこの順に接続されて流路３６が形成されている。換言すると、注入口３５の開口部を入口とし、電極支持部３３の開口部を出口とするように、電解砥粒研磨装置１の内部に流路３６が形成されている。
なお、図２の断面図では、電解砥粒研磨装置１における流路３６を説明するために必要な構成要素を主に示しており、他の構成要素についての記載を適宜省略あるいは簡略化している。
【００１９】
図１に示すように、軸部１１は、回転軸ＣＬの周りを回転可能に形成された柱状部材である。軸部１１は、例えば、銅や炭素鋼などの金属や合金によって形成されうる。軸部１１は、フランジ１３を介して動力伝達部１２と回転可能に接続されている。動力伝達部１２は、図示しない外部のモータ等に接続され、軸部１１に回転動力を伝達する。
【００２０】
研磨体２１は、炭素鋼の表面を擦ることによって炭素鋼を研磨する部材である。研磨体２１としては、例えば、炭素鋼よりも硬い砥粒が表面に固定されたパッドやシートを用いることができる。当該砥粒には、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、アルミナ等の無機材料で形成された、平均粒径が数十ｎｍ〜数μｍ程度の粒子を用いることができる。
【００２１】
研磨体２１には、回転径方向の内側に緩衝材２２が設けられている。緩衝材２２は、例えば合成樹脂やゴム等で形成されうる、外部からの力に応じて変形可能な部材である。研磨体２１及び緩衝材２２は、回転径方向の内側に設けられた研磨体支持部２３によって支持されている。研磨体支持部２３は棒状部材であって、例えば銅や炭素鋼などの金属や合金によって形成されうる。研磨体支持部２３は軸部１１と回転径方向に変位可能に接続されている。したがって、研磨体２１、緩衝材２２、及び研磨体支持部２３は、一体となって、軸部１１の回転に伴って回転軸ＣＬの周りを回転することができる。また、研磨体２１及び緩衝材２２は、回転径方向に変位可能である。
なお、図１には、電解砥粒研磨装置１が研磨体２１を３つ備えている例を示しているが、研磨体２１の個数は３つに限られるものではなく、１つ以上であればよい。電解砥粒研磨装置１が複数の研磨体２１を備える場合、それぞれの研磨体２１の高さ（ｚ軸方向の位置）が異なっていてもよい。また、研磨体２１及び緩衝材２２は、交換可能な部材としてもよい。
【００２２】
電極３１は、研磨時に電解液を介して炭素鋼との間に電圧を印加する電子部品である。電極３１は、電気伝導性を有する部品であって、例えば銅などの金属や合金によって形成することができる。電極３１は、回転径方向の外側に向けて突出する複数のスリット３１ｓを備えている。換言すると、電極３１は、電解砥粒研磨装置１の外側に向けて突出した複数のスリット３１ｓを備えている。スリット３１ｓの周囲には、プラスチック等の絶縁体で形成された整流板３２が設けられている。電極３１及び整流板３２は、回転径方向の内側に設けられた電極支持部３３によって支持されている。電極支持部３３は棒状部材であって、例えば銅や炭素鋼などの金属や合金によって形成されうる。電極支持部３３は軸部１１に固定されており、電極３１、整流板３２、及び電極支持部３３は、一体となって、軸部１１の回転に伴って回転軸ＣＬの周りを回転することができる。
【００２３】
また、電極３１は、電極支持部３３を介して、フランジ１３に固定されたコネクタ３４と電気的に接続されている。コネクタ３４は、電圧制御部３０と接続されており、電極３１に対して電圧制御部３０から供給された電力を中継する。
フランジ１３の外周側に設けられた注入口３５は、電解液を注入するための開口部である。図２に示すように、流路３６の出口となる電極支持部３３の開口部は、電極３１の近傍に設けられている。このように、注入口３５に注入された電解液は、流路３６を通って複数のスリット３１ｓの間に供給可能に構成されている。
なお、図１には、電解砥粒研磨装置１が電極３１を１つだけ備えている例を示しているが、電極３１の個数は１つに限られるものではなく、１つ以上であればよい。電解砥粒研磨装置１が複数の電極３１を備える場合、それぞれの電極３１の高さが異なっていてもよいが、研磨体２１と同一の高さにすることが好ましい。また、電極３１及び整流板３２は、交換可能な部材としてもよい。
【００２４】
電圧制御部３０は、外部の電源（不図示）から供給された電力を用いて電極３１と炭素鋼との間の電圧を制御する。電圧制御部３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）によって構成されており、予め記憶したプログラムに基づいて電圧制御を行うようにすることができる。具体的には、電圧制御部３０は、電極３１と炭素鋼とに電気的に接続され、電極３１と炭素鋼との間の電圧の最大値を所定の電圧値以上にするように制御する。このとき、電圧制御部３０は炭素鋼の電位を電極３１の電位よりも高くすることが好ましい。詳細は後述するが、このような制御によって、高い耐食性を示す酸化皮膜を炭素鋼の表面に優位に形成させることができる。なお、ここでいう「表面」とは、例えば最表面から１０ｎｍ程度の範囲における最表層を含めるものとする。
【００２５】
図２に示される袋体４１は、例えば合成樹脂等で形成された袋であり、軸部１１に接続されている。研磨時においては、軸部１１から袋体４１の内部に流体が供給され、袋体４１が膨張する。当該流体は、例えば空気である。袋体４１が膨張することによって、研磨体２１、緩衝材２２、及び研磨体支持部２３は、一体となって回転径方向の外側に変位する。
【００２６】
研磨時において、軸部１１、研磨体２１、及び電極３１は、筒状の炭素鋼の内部に挿入される。このとき、後述するように、研磨体２１は袋体４１によって炭素鋼の内表面に押しつけられるように接触される。この状態で軸部１１を回転させるとともに、電極３１と炭素鋼との間に電圧を印加することによって、炭素鋼の内表面を電解砥粒研磨することができる。
【００２７】
＜電解砥粒研磨装置１の動作＞
ここで、図３を用いて、研磨時における本実施形態に係る電解砥粒研磨装置１の動作を説明する。一連の図３（ａ）〜（ｃ）は、電解砥粒研磨装置１が炭素鋼を研磨する様子の例を模式した図である。図３（ａ）は、研磨前の炭素鋼の断面を表す。図３（ｂ）は、研磨体２１が炭素鋼の表面を研磨した直後の様子を表す。図３（ｃ）は、その後、炭素鋼と電極３１との間に電圧が印加されたときの様子を表す。
【００２８】
図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、研磨時において炭素鋼の表面は電解液と接している。当該電解液には、例えば、硝酸ナトリウムや硝酸カリウムなどの中性塩の水溶液を用いることができる。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、砥粒が表面に固定されたパッドを有する研磨体２１が、炭素鋼と接しながら太矢印の方向に移動すると、炭素鋼の表面において凸の部分の酸化皮膜が削れる。これにより、炭素鋼の凸の部分において、金属状態の鉄が電解液に露出する。
なお、図３（ｂ）では、研磨体２１の一部のみが電解液に浸漬されている様子が図示されているが、研磨体２１の全体が電解液に浸漬されていてもよい。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、太矢印方向に移動する電極３１が炭素鋼の表面に接近すると、電極３１は電解液を介して炭素鋼の表面と対向する。このとき、電圧制御部３０によって、炭素鋼の電位は電極３１の電位よりも所定の電圧値以上高く設定されている。したがって炭素鋼と電極３１は、炭素鋼を陽極とし、電極３１を陰極として、電解液を介して通電し、電解液に露出された金属状態の鉄は鉄イオンとなって溶出する。一方で、炭素鋼の表面において凸の部分でない箇所の鉄は酸化皮膜によって覆われているため、溶出が制限される。すなわち、この状態においては炭素鋼の凸部の金属のみが優先的に溶出されるため、炭素鋼表面の凹凸差が小さくなる。
なお、図３（ｃ）では、電極３１の一部のみが電解液に浸漬されている様子が図示されているが、電極３１の全体が電解液に浸漬されていてもよい。
【００３１】
また、炭素鋼の表面では、電解液に含まれる水分子の電気分解によって酸素が生成されている。電解液に露出した金属状態の鉄は、これらの酸素や水と反応して、再び酸化皮膜を形成する。したがって、電極３１が炭素鋼の表面付近を通過した後は、炭素鋼の表面に酸化皮膜が再生され、図３（ａ）で示されるような状態に戻る。
以上の動作を繰り返すことによって、炭素鋼の表面を精密に研磨することができる。
【００３２】
本実施形態において、炭素鋼と電極３１との間に印加される電圧の最大値は、所定の電圧値（第１の電圧値）以上に設定される。具体的には、電圧の最大値を２０Ｖ以上とすることが好ましい。電圧の最大値を２０Ｖ以上とすると、炭素鋼の表面上に形成される酸化皮膜が、Ｘ線光電子分光法を用いて測定した際のＦｅ２Ｏ３内の酸素原子に由来する光電子強度がＦｅＯＯＨ内の酸素原子に由来する光電子強度よりも強く観測されるという性質を有する。なお、電圧の最大値は、電極３１の溶出を防ぐ観点から、第１の電圧値とは異なる所定の電圧値（第２の電圧値）以下に設定されることが好ましい。例えば、電極３１に銅電極を用いる場合には、電圧の最大値を２４Ｖ以下とすることが好ましい。
【００３３】
さらに、炭素鋼と電極３１との間の電圧は、大きさが時間変化することが好ましく、単相全波であることがより好ましい。電圧の大きさを時間変化させることで、酸化皮膜下の鉄の溶出をより抑制でき、さらに精密な研磨が可能になる。例えば、印加電圧をパルス状とすると、電極３１と炭素鋼との間に瞬間的に電圧を印加できるため、炭素鋼の中でも鉄イオンが流れ出やすい箇所を選択的に電解することができる。すなわち、炭素鋼表面において金属の鉄が露出した部分に電解を集中させることができる。また、印加する電圧を単相全波とすると、炭素鋼表面において金属の鉄が露出した部分に電解を集中させることができるとともに、電圧をパルス状とした場合よりも穏やかに電解反応を起こすことができる。したがって、炭素鋼の表面を、効率よく、かつ、より荒らさずに研磨することができる。
【００３４】
図４は、炭素鋼と電極３１との間に印加される電圧の例を表す電圧−時刻グラフである。図４の縦軸は電圧の大きさ、横軸は印加される時刻を示す。図４には、最大値が２４Ｖの単相全波の電圧を示している。
単相全波の電圧を印加する場合、周期Ｔの逆数である周波数ｆは任意に設定してよいが、例えば外部電源として交流を用いる場合は、当該交流の周波数と同一にしてもよい。また、電極３１が一定の回転速度で回転する場合、周波数ｆは、当該回転速度に合わせてもよい。この場合、炭素鋼と電極３１との間には、電極３１が炭素鋼の特定の位置を通過する際にのみ電圧の最大値が印加されるため、当該特定の位置のみを重点的に研磨することができる。
【００３５】
＜研磨後の炭素鋼の評価＞
以下、本実施形態における電解砥粒研磨装置１を用いたときの、炭素鋼の表面に生成される酸化皮膜の評価について述べる。
【００３６】
（研磨条件）
１．実施例
炭素鋼を硝酸ナトリウム水溶液に浸漬させ、炭素鋼と銅電極（電極）との間に最大値２４Ｖの単相全波の電圧を印加させながら電解砥粒研磨を行った。なお、炭素鋼としては片状黒鉛鋳鉄を用いた。
２．比較例
実施例で用いた炭素鋼と同じ組成の炭素鋼に対して、電圧の最大値を４Ｖとした電解砥粒研磨と、電圧の最大値を８Ｖとした電解砥粒研磨を行った。研磨時間や単相全波の周波数等の、電圧以外の研磨条件はすべて実施例と同一にした。
【００３７】
（評価手法）
１．Ｘ線光電子分光（X-ray Photoelectron Spectroscopy：ＸＰＳ）
上記の研磨条件で研磨された３種類の炭素鋼に対し、ＭｇＫα線（ｈν＝１２５３．６ｅＶ）を用いてＸＰＳ測定を行った。光電子の放出角度は４５°とした。
２．顕微ラマン分光
上記の研磨条件で研磨された３種類の炭素鋼に対し、波長５３２ｎｍの励起光を用いて顕微ラマン分光測定を行った。
３．Ｘ線回折（X-Ray Diffraction：ＸＲＤ）
上記３つの研磨条件で炭素鋼を研磨した際に電解液中に析出した生成物に対し、ＣｕＫα線（ｈν＝８．０４８ｋｅＶ）を用いてＸＲＤ測定を行った。
４．放置実験
上記の研磨条件で研磨された３種類の炭素鋼を室温空気中に放置し、放置後の炭素鋼の表面を目視で評価した。
【００３８】
（ＸＰＳ評価）
まず、図５、図６を用いて、それぞれの条件で研磨された炭素鋼に対して行ったＸＰＳ評価の結果について説明する。ＸＰＳは、試料の元素分析や、試料内の原子の化学的環境を評価できる測定手法であり、特に試料の表面に敏感な測定手法である。光源にＭｇＫα線を用いた場合に得られるＸＰＳスペクトルは、主に試料の最表面から１０ｎｍ以内の範囲にある原子の情報を強く反映する。
【００３９】
図５は、鉄（Ｆｅ）原子の２ｐ軌道に由来するＸＰＳスペクトルであり、図５は、酸素（Ｏ）原子の１ｓ軌道に由来するＸＰＳスペクトルである。図５、図６のいずれのＸＰＳスペクトルにおいても、縦軸は光電子強度を表し、横軸は光電子の束縛エネルギー（Binding Energy：Ｅｂｉｎｄ）を表している。また、図５、図６のいずれのＸＰＳスペクトルも、Shirley法に基づいてバックグラウンド除去がなされている。
【００４０】
まず、以下のように、研磨後の炭素鋼表面の元素分析を行った。
図５に示すように、研磨時の印加電圧の最大値を４Ｖ、８Ｖ、２４Ｖとしたいずれの炭素鋼に対しても、束縛エネルギーが７１１ｅＶ付近の位置と７２５ｅＶ付近の位置に光電子ピークが観測された。これらの束縛エネルギーは、それぞれＦｅ ２ｐ３／２軌道とＦｅ ２ｐ１／２軌道から放出された光電子に由来すると帰属できた。したがって、研磨後の炭素鋼表面上にＦｅ原子が存在することが確認できた。
【００４１】
また、図６に示すように、研磨時の印加電圧の最大値を４Ｖ、８Ｖ、２４Ｖとしたいずれの炭素鋼に対しても、束縛エネルギーが５３０〜５３３ｅＶ付近の位置に光電子ピークが観測された。この束縛エネルギーは、Ｏ １ｓ軌道から放出された光電子に由来すると帰属できた。したがって、研磨後の炭素鋼表面上にＯ原子が存在することが確認できた。
【００４２】
以上で説明した通り、研磨後の炭素鋼表面にＦｅ原子とＯ原子が存在することが確認できた。そこで次に、当該Ｆｅ原子及びＯ原子の化学的環境を評価した。
まず、Ｆｅ原子について行った化学的環境の評価について説明する。Ｆｅ ２ｐのＸＰＳスペクトル（図５）において、Ｆｅ ２ｐ３／２のピークは、単体（０価）のＦｅの束縛エネルギー位置（≒７０７ｅＶ）にはなく、それよりも４ｅＶほど高束縛エネルギー側にシフトしていた。このピークシフトは、酸化されたＦｅ原子からの光電子に特徴的なシフトである。したがって、炭素鋼表面のＦｅ原子のほとんどが０価の状態ではなく、酸化された状態にあることが確認された。
【００４３】
また、いずれのＸＰＳスペクトルにおいても、束縛エネルギーが７１６〜７２１ｅＶの辺りに、Ｆｅ３＋に特徴的なＦｅ ２ｐ３／２のサテライトピークが観測された。一方で、Ｆｅ２＋に特徴的なＦｅ ２ｐ３／２のサテライトピークは、いずれのＸＰＳスペクトルからも観測されなかった。この結果から、炭素鋼表面の酸化皮膜のＦｅ原子がＦｅ３＋の状態にあることが確認された。
【００４４】
ここで、炭素鋼表面にはＦｅ原子の他にＯ原子が存在していることを加味すると、炭素鋼表面のＦｅ原子はＯ原子と結合することで酸化されたものと考えられる。すなわち、研磨後の炭素鋼表面には、それぞれＦｅ３＋を含む酸化皮膜、すなわちＦｅ２Ｏ３やＦｅＯＯＨが形成されたものと同定できる。
【００４５】
Ｆｅ２Ｏ３とＦｅＯＯＨの違いは、Ｏ原子の化学的環境の違いから区別できる。そこで次に、Ｏ原子の化学的環境を評価した。
Ｏ １ｓのＸＰＳスペクトルの形状（図６）に着目すると、印加電圧の差によって形状が異なっている。具体的には、印加電圧を４Ｖまたは８Ｖとした炭素鋼のＯ １ｓの光電子ピークでは、低束縛エネルギー側（５３１．８〜５３２．０ｅＶ）の光電子強度よりも高束縛エネルギー側（５２９．９〜５３０．４ｅＶ）の光電子強度が強いのに対し、印加電圧を２４Ｖとした炭素鋼では、その強度比が逆転している。この結果は、それぞれのＯ １ｓのピークが、少なくとも低束縛エネルギー側と高束縛エネルギー側の２つのピークが重ね合わさっていることを示すものである。
【００４６】
ここで、高束縛エネルギー側のピーク位置は、ＦｅＯＯＨ内のＯ原子に由来すると帰属でき、低束縛エネルギー側のピーク位置は、Ｆｅ２Ｏ３内のＯ原子に由来すると帰属できる。したがって、印加電圧を４Ｖまたは８Ｖとした炭素鋼では、Ｆｅ２Ｏ３内の酸素原子に由来する光電子強度よりもＦｅＯＯＨ内の酸素原子に由来する光電子強度が強く観測されたといえる。これは、印加電圧を４Ｖまたは８Ｖとした炭素鋼では、ＦｅＯＯＨがＦｅ２Ｏ３よりも優位に生成されたことを示す結果である。
【００４７】
一方、印加電圧を２４Ｖとした炭素鋼では、ＦｅＯＯＨ内の酸素原子に由来する光電子強度よりもＦｅ２Ｏ３内の酸素原子に由来する光電子強度が強く観測された。これは、印加電圧を２４Ｖとした炭素鋼では、Ｆｅ２Ｏ３がＦｅＯＯＨよりも優位に生成されたことを示す結果である。
前述した通り、Ｆｅ２Ｏ３はＦｅＯＯＨよりも緻密な構造を有しており、高い耐食性を示す。したがって、以上の結果から、印加電圧を２４Ｖとした炭素鋼では、印加電圧を４Ｖまたは８Ｖとした炭素鋼と比べて、耐食性の高い酸化皮膜が当該炭素鋼の表面に優位に形成されたといえる。
【００４８】
（顕微ラマン分光評価）
次に、図７を用いて、それぞれの条件で研磨された炭素鋼に対して行った顕微ラマン分光評価の結果について説明する。顕微ラマン分光は、試料における化学結合や結晶状態を評価できる測定手法であり、ＸＰＳよりも表面敏感性は低い測定手法である。顕微ラマン分光法によって得られるラマンスペクトルは、主に試料の最表面から数百ｎｍ〜数μｍの範囲にある結晶構造の情報を含む。
【００４９】
図７は、研磨後の炭素鋼のラマンスペクトルである。図７のいずれのラマンスペクトルにおいても、縦軸は散乱光強度を表し、横軸は入射光と散乱光との波数差（ラマンシフト、Raman Shift）を表している。
【００５０】
図７において、ラマンシフトが７００ｃｍ−１以下の位置に現れるピークは、主にＦｅ２Ｏ３またはＦｅＯＯＨに由来するものと帰属できる。一方で、ＦｅＯやＦｅ３Ｏ４などの他の酸化鉄の組成に対応するピークは現れなかった。これらの結果は、いずれの印加電圧においても生成された酸化皮膜の主成分がＦｅ２Ｏ３とＦｅＯＯＨであることを示すものであり、ＸＰＳの結果を支持するものである。
【００５１】
（ＸＲＤ評価）
次に、図８を用いて、それぞれの炭素鋼を研磨した際に電解液中に析出した生成物に対して行ったＸＲＤの結果について説明する。ＸＲＤは、試料における原子構造や結晶性を評価できる測定手法である。
【００５２】
図８は、研磨後の炭素鋼を研磨した際に電解液中に析出した生成物のＸＲＤスペクトルである。図８のいずれのＸＲＤスペクトルにおいても、縦軸は回折強度を表し、横軸は回折角度を表している。
【００５３】
図８において、＊印が付いている一点鎖線の回折パターンはα鉄（α−Ｆｅ）、＊印が付いていない一点鎖線の回折パターンはＦｅ２Ｏ３を表している。また、一点鎖線で示していない回折パターンは主に硝酸ナトリウムの結晶を表している。α鉄は、電解液中に溶出した鉄イオンが析出することによって生成される。
【００５４】
ここで、Ｆｅ２Ｏ３由来のピーク高さに対するα鉄由来のピーク高さの比に注目すると、印加電圧の最大値を２４ＶとしたときのＸＲＤスペクトルにおける比が最も高いことが分かる。これは、印加電圧の最大値を２４Ｖとしたときの電解砥粒研磨でα鉄の析出が最も起こっていることを示す結果である。このことから、印加電圧の最大値を２４Ｖとしたときが、最も効率よく鉄の金属イオンが溶出されたことが確認された。
【００５５】
（放置実験評価）
次に、それぞれの印加電圧の条件下で研磨した炭素鋼を室温空気中に放置した結果について説明する。
印加電圧を４Ｖまたは８Ｖとしたときの炭素鋼を１日放置したところ、表面に赤さびが形成されたことが確認できた。一方、印加電圧を２４Ｖとしたときの炭素鋼については、１日放置しても赤さびの形成が確認されなかった。これは、印加電圧を２４Ｖとしたときの炭素鋼には耐食性の高い酸化皮膜が形成され、当該炭素鋼の表面の化学的安定性が向上したからであると考えられる。このように、印加電圧を２４Ｖとすることによって、赤さびの形成を抑制しつつ研磨加工できることが確認された。
【００５６】
以上で説明したように、電圧制御部３０が印加電圧の最大値を所定の電圧値以上にするように制御することで、炭素鋼の表面上に酸化皮膜を形成することができた。そして、炭素鋼の表面上に形成された酸化皮膜は、Ｘ線光電子分光測定においてＦｅＯＯＨ内の酸素原子よりもＦｅ２Ｏ３内の酸素原子由来の光電子強度が強く観測されるという性質を有することが確認された。すなわち、本発明の構成によって、ＦｅＯＯＨよりも高い耐食性を示すＦｅ２Ｏ３を、炭素鋼の表面上に優位に形成できることが示された。
【００５７】
＜電解砥粒研磨装置の詳細部の構造＞
次に、電解砥粒研磨装置１の詳細部の構造について、図９〜図１１を用いて説明する。
図９は、図１の状態における電極３１、整流板３２、及び電極支持部３３の、切断線ＩＸ−ＩＸでの断面図である。図９に示すように、流路３６を流れた電解液は、整流板３２とスリット３１ｓの間を流れるように供給される。供給された電解液は、図１０に示すように、複数のスリット３１ｓの間を流れる。このような構成にすることで、研磨時においてスリット３１ｓと炭素鋼との間に電解液が均一に供給され、電極３１と炭素鋼との間にかかる電界を均一にすることができる。したがって、より精密な電解砥粒研磨が可能になる。
【００５８】
図１１は、研磨時における電解砥粒研磨装置１の、袋体４１付近の部分拡大図である。図１１に示すように、袋体４１の膨張によって、それぞれの研磨体２１が回転径方向外側に変位する。このとき、袋体４１は非対称に膨張可能であるため、例えば軸部１１の回転軸ＣＬが炭素鋼の筒部の中心軸とずれている場合や、炭素鋼の筒部が円筒型を有していない場合であっても、それぞれの研磨体２１は炭素鋼の内表面と接触することができる。また、緩衝材２２が炭素鋼の内表面の形状に沿って変形可能であるため、研磨体２１は炭素鋼の内表面に追随して、均一な圧力で接触することができる。したがって、研磨体２１が炭素鋼の内表面を効率よく研磨することができる。
なお、図１１の部分拡大図では、電解砥粒研磨装置１における研磨体２１及び袋体４１を説明するために必要な構成要素を主に示しており、他の構成要素についての記載を適宜省略あるいは簡略化している。
【００５９】
以上のように、電解砥粒研磨装置１においては、袋体４１が膨張することによって、研磨体２１が回転径方向の外側に変位可能である。このような構成においては、研磨体２１は、断面が円形でない炭素鋼の内面に沿って移動することができる。
また、電解砥粒研磨装置１においては、電極３１が、電解砥粒研磨装置１の外側に向けて突出した複数のスリット３１ｓを備えており、複数のスリット３１ｓの間には電解液が供給可能に構成されている。このような構成においては、電極３１と炭素鋼との間に、より均一な電界を生じさせることができる。
【００６０】
なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、上記の実施形態の例では、研磨体２１及び電極３１が回転方向の外側を向くように配置された電解砥粒研磨装置１の構成について説明したが、研磨体２１及び電極３１が回転方向の内側を向くように配置されていてもよい。このような構成においては、電解砥粒研磨装置１は、筒状の炭素鋼の外表面を研磨することができる。なお、この場合は袋体４１を研磨体２１の径方向外側に設けることができる。
【００６１】
あるいは、研磨体２１及び電極３１が共に下方向（図１のｚ軸負方向）を向くように配置されていてもよい。このような構成においては、電解砥粒研磨装置１は、平面形状の炭素鋼の表面を研磨することができる。なお、この場合は袋体４１を研磨体２１の上側（図１のｚ軸正方向）に設けることができる。
【００６２】
また、上記の実施形態において、電極支持部３３を金属等の導電体で形成した場合は、電極３１と電極支持部３３の全体が同一の電位を備えるが、電極支持部３３の周りを絶縁体で覆って使用してもよい。このような構成においては、電極支持部３３と炭素鋼の表面との間で電解が生じることを抑制でき、より精密な電解砥粒研磨を行うことができる。
【符号の説明】
【００６３】
１      電解砥粒研磨装置
１１    軸部
１２    動力伝達部
１３    フランジ
２１    研磨体
２２    緩衝材
２３    研磨体支持部
３０    電圧制御部
３１    電極
３１ｓ  スリット
３２    整流板
３３    電極支持部
３４    コネクタ
３５    注入口
３６    流路
４１    袋体
ＣＬ  回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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