(57)【要約】      （修正有）【課題】コバルトおよびコバルト合金は機械研磨するとコストがかかる上に、ワークの表面構造に歪みが生じることが多い。この歪みは、ワークの耐腐食性に悪影響を及ぼす場合がある。この課題を解決するため、コバルトまたはコバルト合金（特にステライトのようなコバルト−クロム合金を含む）のワーク表面を、機械的研磨によらず平滑化、デバリング出来る電解研磨方法を提供する。【解決手段】グリコール酸および、１〜３個の炭素原子を有するアルキル残基を有する少なくとも１種のアルカンスルホン酸、例えばメタンスルホン酸を含む電解液を用い、４０〜７０℃、陽極電流密度５〜２５Ａ／ｄｍ２で電解する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コバルトまたはコバルト合金の表面を電解研磨するための電解液であって、１、２、または３個の炭素原子を有するアルキル残基を有する少なくとも１種のアルカンスルホン酸、およびグリコール酸を含む電解液。
【請求項２】
少なくとも１種のアルカンスルホン酸がメタンスルホン酸を含むことを特徴とする請求項１に記載の電解液。
【請求項３】
アルカンスルホン酸のグリコール酸に対する比が、純物質の重量基準で、３０：７０から８０：２０の範囲にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電解液。
【請求項４】
アルカンスルホン酸のグリコール酸に対する比が、純物質の重量基準で、６０：４０から７０：３０の範囲にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電解液。
【請求項５】
３５重量％以下の水を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電解液。
【請求項６】
２５重量％以下の水を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電解液。
【請求項７】
過塩素酸および過塩素酸塩を含まないことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電解液。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電解液を用いて、コバルトまたはコバルト合金の表面を電解研磨する方法。
【請求項９】
４０℃〜７０℃で行うことを特徴とする請求項８に記載の電解研磨方法。
【請求項１０】
陽極電流密度５〜２５Ａ／ｄｍ２で行うことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の電解研磨方法。
【請求項１１】
陽極電流密度約１０Ａ／ｄｍ２で行うことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の電解研磨方法。
【請求項１２】
前記表面がコバルト−クロム合金を含むことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の電解研磨方法。
【請求項１３】
前記表面が医療用インプラントの表面であることを特徴とする請求項１２に記載の電解研磨方法。
【請求項１４】
前記コバルト−クロム合金がステライトであることを特徴とする請求項１２に記載の電解研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コバルトまたはコバルト合金の表面の電解研磨方法、およびコバルトまたはコバルト合金の表面を電解研磨するための電解液に関する。該電解液は、グリコール酸および少なくとも１種のアルカンスルホン酸を含む。
【背景技術】
【０００２】
コバルトまたはコバルト合金のみからなるワーク、または、コバルトまたはコバルト合金の表面を有するワークはますます重要になっている。コバルト合金は、その高い耐食性および耐磨耗性により、様々な分野で利用されている。コバルト合金が利用されている分野は広範で、機械・生産設備の組立てにおいては、コバルト合金は磨耗を防ぐために用いられ、医用工学においては、コバルト合金は高い耐腐食性と強度とニッケルを配合しないためにインプラントとして用いられる。
【０００３】
しかし、コバルト含有ワークを用いる際の大きな障害は、その表面を平滑化、デバリングするのが困難なことである。これは、コバルトおよびコバルト合金には硬くて耐性の高いカーバイドが含まれているからである。このようなコバルト含有表面を機械研磨するとコストがかかる上に、ワークの表面構造に歪みが生じることが多い。この歪みは、ワークの耐腐食性に悪影響を及ぼす場合がある。
【０００４】
機械研磨の代わりに、電解研磨によりコバルト含有表面を研磨することができる。特許文献１は、コバルト−クロム−タングステンから成るステントの電解研磨に用いることができる電解研磨方法を開示している。用いられる電解液は、濃塩酸および濃硫酸を含む。硫酸及び塩酸に加えてグリコールを含む電解液は、非特許文献１にも記載されている。上記文献では、上記方法は、主に電解研磨方法の専用装置や制御装置に焦点を当てて記載されているが、これは当然である。というのは、従来の電解研磨条件下、上記文献に記載の電解液を用いた場合、コバルト含有表面を平滑化またはデバリングして所望の品質を達成するのはまず不可能だからである。この原因としては、上記と同様にワークの構造中に含まれるカーバイドが挙げられる。カーバイドは、金属や金属合金と同程度に除去されることはなく、表面粗さを悪化させることもある。
【０００５】
上記文献に記載の過塩素酸および酢酸を含む電解液も、十分な結果をもたらさないことが多い。さらに、この方法で用いられる過塩素酸は爆発性で助燃性であり、上記過塩素酸を含む電解液の使用はリスクを伴い、該リスクを避けるためのコストをも伴うことになる。
【０００６】
上述したように、コバルト合金は、特に医用工学の分野でますます重要になってきている。この一因として、ニッケルアレルギーを患う人々の割合が増加していることが挙げられる。従って、医療用インプラントにおいてニッケル含有特殊鋼の使用を制限することに多大な労力が費やされている。ニッケル含有特殊鋼の代替物として、チタンの他に、特にコバルト−クロム合金（いわゆるインプラント合金）が検討されている。しかし、該インプラントが十分な耐腐食性および生体適合性を有するためには、ワークの表面を高品質研磨する必要があった。この高品質研磨は、従来用いられているクロム−ニッケル鋼においては、最良の結果が得られるため主に電解研磨によって行われている。しかし、これまでのところ、コバルト−クロム合金については、同程度に適当な電解研磨方法が存在しなかった。
【０００７】
機械・生産設備の組立てにおいては、硬度と高耐磨耗性が群を抜いているため、コバルトベースの硬質合金が用いられることも多い。たとえば、原子力発電所において、特に磨耗しやすいポンプ、バルブ、ベアリング等の部品の表面は、コバルト合金ステライトにより保護されていることが多い。しかし、ステライトの機械的研磨は歪みをもたらすことが多く、これによってワークの耐腐食性に悪影響が出る。前期歪みを緩和するための次工程の熱処理にはコストがかかり、また、機械部品の特質により十分に熱処理を行えないことが多い。上述したような欠点があるため、特殊鋼表面の電解研磨と同等の品質を提供するコバルトまたはコバルト合金のワーク表面を平滑化、デバリングできる電解研磨方法が長らく求められていた。
【０００８】
【特許文献１】米国特許６６７９９８０  Ｂ１号
【非特許文献１】"AutomatisierterEntwurf von Fuzzy Systemen", H. Surmann, VDI Verlag, Series 8, No. 452
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、新規な電解液に関する。該電解液を用いて、コバルトまたはコバルト合金の表面を光沢があって、平滑化、デバリングされたものとすることができる。この電解液は１、２、または３個の炭素原子を有するアルキル残基を有する少なくとも１種のアルカンスルホン酸、およびグリコール酸を含む。ある実施態様においては、少なくとも１種のアルカンスルホン酸は、メタンスルホン酸を含む。このような電解液は、たとえば、グリコール酸、メタンスルホン酸、および水を含むものとすることができる。
【００１０】
１〜３個の炭素原子を有するアルキル残基を有する１種以上のアルカンスルホン酸、およびグリコール酸の混合物を含む電解液を用いて、コバルトベースの表面を従来達成し得なかったレベルにまで平滑化できるということは、全く驚きであり、予想外のことであった。該混合物を電解液として用いることで、結晶粒界を著しく侵食することなく、コバルトおよびコバルト合金（ステライトのような合金を含む）の電解研磨を行うことができる。該電解研磨方法を用いれば、光沢及び平滑度に関して従来得られなかった品質を確実に有するコバルト含有ワーク表面を得ることができる。該電解研磨方法を用いれば、材料の凹凸および歪み変質層を除去して、歪みの無い高品質研磨表面を有するコバルト含有ワークを得ることができる。さらに該ワークの表面は、機械研磨をされた表面、従来の電解液で電解研磨された表面に比べて、実質的に高い耐腐食性を有する。
【００１１】
好ましい実施態様においては、本発明の電解液におけるアルカンスルホン酸のグリコール酸に対する比が、純物質基準で、３０：７０から８０：２０の範囲にある。より好ましくは、アルカンスルホン酸のグリコール酸に対する比が、純物質基準で、６０：４０から７０：３０の範囲の混合液である。該分量は、明細書中に記載されるその他の分量、相対比率、相対百分率と同様、特に記載が無い限り、各物質、成分、溶液の重量に関する。
【００１２】
より好ましい実施態様においては、主成分であるアルカンスルホン酸およびグリコール酸が電解液中に高濃度に存在する。すなわち、ある実施態様においては、電解液中は３５重量％以下の水を含む。好ましくは、電解液は２５重量％以下の水を含む。
【００１３】
本発明に係る電解液の調製においては、前記主成分を純物質または濃縮溶液として用いることが好ましい。すなわち、前記グリコール酸は、６０〜８０重量％の濃縮水溶液として用いるのが好適であり、より好ましくは７０重量％以上の濃縮水溶液として用いる。このような濃縮水溶液は市販されている。また、前記主成分を純物質として用いたり、自然にできたグリコール酸水溶液を用いてもよい。
【００１４】
また、前記１種以上のアルカンスルホン酸は、高濃度に濃縮された状態で用いることが好ましい。例えば、メタンスルホン酸は、約８５％または９９％以上の溶液で用いることができる。このような溶液は市販されている。
【００１５】
好ましい実施態様においては、本発明の電解液は爆発性物質、特に過塩素酸および過塩素酸の塩を含まない。
【００１６】
本発明の別の態様は、上述の電解液を用いてコバルト含有表面の電解研磨を行う方法に関するものである。本発明に係る該電解研磨方法は、高品質で微細なレベルにおいても平滑な表面を有するコバルトまたはコバルト合金のワークを製造するのに好適である。
【００１７】
前記電解研磨方法は、当該分野で一般的で当業者に既知の全ての条件下で行うことができる。前記電解研磨方法を実施する上で、特に４０℃〜７０℃の温度範囲が好適である。温度の制御および計測は、当業者に既知のいずれの方法を用いて行ってもよい。好ましい実施態様においては、前記電解研磨方法を、陽極電流密度５〜２５Ａ／ｄｍ２で行う。また、他の実施態様において、前記陽極電流密度を約１０Ａ／ｄｍ２とすることができる。
【００１８】
前記電解研磨方法の継続時間は、もちろん研磨されるワークの粗さと所望の平滑度によって決まるものである。前記電解研磨方法の最適実施時間は、当業者が通常の実験の範囲で、電流密度、温度、電解液の組成、通常の実験で用いられる電解研磨装置とのからみで決定できる。
【００１９】
電解研磨後、研磨されたワークは研磨浴から取り出され、通常脱イオン水でリンスされ、必要に応じて乾燥される。
【００２０】
また、前記本発明に係る方法は、特にコバルト−クロム合金を含む表面を有するワークを電解研磨するのに適している。該コバルト−クロム合金は、コバルト元素およびクロム元素以外の成分を含んでいてもよい。上記コバルト−クロム合金表面を有するワークで、本発明の方法により平滑化・デバリングされたワークは、一般的にヒト組織または生物組織と高い親和性を有するため、医療用インプラントとして用いることができる。
【００２１】
約５０〜６０％のコバルト、約３０〜４０％のクロム、約８〜２０％のタングステンを含み、これら以外の元素を少量含んでもよいコバルト−クロム合金ステライトもまた、上記方法により従来にないレベルで平滑化、デバリングすることができる。また、コバルト合金、たとえばステライトを対象とした上記電解研磨方法は、特に原子力工学において、未使用の新しい部品の製造にも用いることができるし、すでに使用中のコバルト含有部品、使用されたコバルト含有部品の洗浄および汚染除去に用いて安全に修理したり廃棄したりすることもできる。さらに、本発明に係る電解研磨方法は、コバルトまたはコバルト合金ベースの高品質で平滑な耐磨耗塗膜の製造にも適している。該塗膜は、コバルトまたはコバルト合金以外の材料でできたワークに塗布することができる。
【００２２】
本発明を、下記実施例でより詳細に説明する。該実施例は、本発明の電解研磨方法のあり得る実施態様の一例を示すに過ぎず、本発明の条件の限定を意味するものではない。
【実施例】
【００２３】
電解研磨を以下のように行った。
・コバルト−クロム−モリブデン合金製インプラント
・コバルト−クロム−タングステン合金製器具
・塊状ステライト製器具
・ステンレス鋼製溶接アーマー付器具
上記インプラントおよび器具を、９９％以上のメタンスルホン酸および７０％以上のグリコール酸（水溶液）を５５：４５の混合比で含む混合物を含む電解液中で、電流密度１０Ａ／ｄｍ２で、４０℃〜７０℃の温度で処理した。該混合物の組成は、純物質で約６５：３５の比、水含有量が１５％未満に対応する。
【００２４】
得られたすべてのワークは、非常に光沢のある平滑な表面を有し、結晶界面の選択的侵食は観察されなかった。
【外国語明細書】
2008121110000001.pdf