(57)【要約】      （修正有）【課題】金属材料の分析用試料を調製するのに適した電解研磨方法を提供する。【解決手段】研磨対象物Ｐの表面を電解研磨するにあたり、電解槽１３に一対の電極１４，１５を設けるとともに、電解槽内に電解液を入れ、回転子２５の回転によって電解液を攪拌し、一対の電極の一方を籠状電極１５とし、この籠状電極に研磨対象物を搭載し、籠状電極を電解液中で上下動させながら、一対の電極間に通電して電解研磨を行う。電解槽の周囲を冷却水によって冷却するのがよい。また、一対の電極に対する通電の方向を所定の時間間隔で切り換えるのがよい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨対象物の表面を電解研磨するにあたり、
電解槽に一対の電極を設けるとともに、電解槽内に電解液を入れ、回転子の回転によって電解液を攪拌し，
上記一対の電極の一方を籠状電極とし、この籠状電極に研磨対象物を搭載し、籠状電極を電解液中で上下動させながら、上記一対の電極間に通電して電解研磨を行うようにしたことを特徴とする電解研磨方法。
【請求項２】
電解槽の周囲を冷却水によって冷却するようにした請求項１記載の電解研磨方法。
【請求項３】
一対の電極に対する通電の方向を所定の時間間隔で切り換えるようにした請求項１記載の電解研磨方法。
【請求項４】
炭素を含有する研磨対象物を溶体化処理し、炭素を固溶した研磨対象物に対して電解研磨を行うようにした請求項１記載の電解研磨方法。
【請求項５】
表面がヤスリ又はベルターによって機械研磨された研磨対象物を電解研磨するようにした請求項１記載の電解研磨方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法よって電解研磨された後の研磨対象物を有機溶媒中で超音波洗浄して脱水・脱脂するようにしたことを特徴とする分析用試料の調製方法。
【請求項７】
研磨対象物の表面を電解研磨するのに適した電解研磨装置において、
電解液が入れられる電解槽と、
該電解槽の槽底に投入され、その回転によって電解液を攪拌する回転子と、
上記電解槽の槽底外側に設けられ、回転軸に上記回転子を磁着する磁石が取付けられた駆動モータと、
上記電解槽中の電解液に浸漬され、一方の電極が研磨対象物を搭載し得る籠状をなす一対の電極と、
上記籠状電極を上下動させる上下動機構と、
上記一対の電極間に電流を通電する通電回路と、
を備えたことを特徴とする電解研磨装置。
【請求項８】
上記電解槽の周囲を冷却する冷却水槽又は上記電解槽の周囲に冷却水を流通させる冷却水通路が設けられている請求項７記載の電解研磨装置。
【請求項９】
上記通電回路は、上記一対の電極に対する通電の方向を一定の時間間隔で切り換えるようになっている請求項７記載の電解研磨装置。
【請求項１０】
洗浄冷却水が入れられる洗浄冷却水槽と、該洗浄冷却水槽内に浸漬され、有機溶媒が入れられる洗浄槽と、上記洗浄冷却水槽内の洗浄冷却水を介して上記洗浄槽内の研磨対象物に超音波を与えて超音波洗浄する超音波発生器と、を更に備えた請求項７記載の電解研磨装置。
【請求項１１】
上記電解槽の上方を開閉可能な閉空間に構成するカバーと、該カバー内の電解液の蒸気を吸着する吸着器と、を備えた請求項７記載の電解研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電解研磨方法に関し、特に金属材料の分析用試料を調製するのに適した方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、製鋼工程において成分分析を行う場合、レンガ製の試料採取器を用いて溶鋼を汲み取り、凝固した鋼を切断して試料を作製し、試料表面をグラインダーやベルターなどで研磨して分析に供することが行われている。鋼製品については製品の任意の部位から試料を切り取り、溶鋼の試料の場合と同様にグラインダーやベルターなどで表面を研磨して分析に供することが行われている。これら表面研磨された試料は機器分析のための試料であり、一般にブロック試料と呼ばれている。他方、ドリルで鋼などに穴を穿って切粉を採取し、化学分析の試料として用いることも行われている。分析試料は大別してこの二種類である。
【０００３】
ところで、鉄鋼材料や特殊金属材料（以下、単に「金属材料」という）に含まれる成分のなかでも、特に炭素、硫黄、酸素、窒素、水素などは金属材料の物性に大きく影響することから、これらの成分を分析することが行われる。
【０００４】
例えば、金属材料中の酸素分析を行う場合、分析用の試料を調製する必要がある。そこで、分析対象の金属材料から小型切断機で試料を切り取り、試料表面をヤスリで研磨し、ベルターなどで表面研磨した後、アルコールやアセトンなどの中で試料の超音波洗浄を行って脱水・脱脂し、分析に供するようにしている。酸素分析の場合、試料の大気酸化を防止する必要があるので、ブロック試料として加工して分析に用いるのが一般的である。これを一般的に乾式法という。
【０００５】
酸素分析用の試料を調製する場合、前述のように、ヤスリやベルダーなどを用いて表面研磨すると、試料に摩擦熱が加わり、大気中の酸素に起因して表面酸化してしまい、試料に含まれる酸素量を正確に定量することが難しい。特に、酸素量が微量域（１０ｐｐｍレベル）にあるときには大気酸化の影響で正しい測定値が得られない。
【０００６】
他方、試料調製中に可能な限り大気酸化をさせない方法として、電解研磨法がある。電解研磨法は試料を予め任意の試料重量に調整し、これを電解液中に浸漬し、陽極と陰極の両電極の間に電圧を印加して電解するという方法である。
【０００７】
試料表面を電解研磨する場合、電解研磨中は試料が常に電解液の中にあるので、大気との接触がなく、試料の酸化が起こりにくい。
【０００８】
【特許文献１】特開平０５−２１４６００号公報
【特許文献２】特開平０９−３２４３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、電解研磨によって分析用の試料を研磨する場合、次のような問題があった。
１．陽極及び陰極には白金電極を用いるが、試料のうち、白金電極と接触している部分は試料表面の溶解むらを生じ、均一で平滑な表面とはならない。
２．電解中に槽内の電解液が不均一となってしまう。
３．電解中における電極への通電によって電解液の温度が上昇して試料の温度も上昇し、試料を電解液から取り出したときに大気酸化が起こるおそれがある。
４．電解中には電流の流れは陽極から陰極への一方向となるが、電解液中の不純物質が試料の表面に析出してくるおそれがある。
５．試料に炭素が含まれている場合、試料が焼鈍された状態であると、試料中の炭素がセメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）の形態で存在し、電解研磨によっても溶解しない。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑み、分析用試料の調製に適した電解研磨方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで、本発明に係る電解研磨方法は、研磨対象物の表面を電解研磨するにあたり、電解槽に一対の電極を設けるとともに、電解槽内に電解液を入れ、回転子の回転によって電解液を攪拌し、上記一対の電極の一方を籠状電極とし、この籠状電極に研磨対象物を搭載し、籠状電極を電解液中で上下動させながら、上記一対の電極間に通電して電解研磨を行うようにしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第１の特徴は一方の電極を籠状とし、籠状電極に研磨対象物（以下、「研磨対象物」を単に「試料」ともいう）を搭載して籠状電極を上下動させるようにした点にある。これにより、試料のあらゆる部分が籠状電極と接触するので、溶解むらを生じることはなく、均一で平滑な表面に研磨できる。
【００１３】
本発明の第２の特徴は電解槽内に回転子を投入し、回転子を回転させることによって電解液を攪拌するようにした点にある。これにより、電解中に槽内の電解液が不均一となることはなく、電解研磨を安定に行うことができる。
【００１４】
電解中には試料の温度も上昇するため、電解液の温度が上昇して試料を電解液から取り出したときに大気酸化が起こるおそれがある。そこで、電解槽の周囲を冷却水で冷却し、電解液が冷却水温度以上の温度にならないようにするのがよい。
【００１５】
電解中には電流の流れを一方向にすると、電解液中の不純物質が試料の表面に析出してくるおそれがある。そこで、一対の電極に対する通電の方向を所定の時間間隔で切り換えるようにするのがよい。
【００１６】
炭素を含む試料が焼鈍された状態にあると、試料中の炭素がセメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）の形態で存在し、電解研磨によっても溶解しない。そこで、炭素を含有する試料を溶体化処理し、炭素を固溶した試料に対して電解研磨を行うようにするのがよい。炭素は溶体化処理をしても溶解されないが、単一元素として存在しているので、極性の切り換え方式によって電解中に炭素が脱落させることができ、超音波洗浄中にも脱落する。
【００１７】
試料はそのまま電解研磨してもよいが、平滑な表面を得る上で、表面をヤスリ又はベルターによって機械研磨したものを用いるのがよい。
【００１８】
電解研磨の終了後は直ちに、試料を電解液から取り出し、水洗し、アルコール又はアセトンなどの有機溶媒を用いて超音波洗浄し、脱水・脱脂を行うと、表面酸化を少なくできる。なお、いずれの工程も数秒程度の時間を与えればよく、長い時間超音波洗浄を行うと、超音波によって洗浄液が加熱され、表面酸化の原因となるおそれがある。洗浄工程中は試料表面は乾燥させてはならず、洗浄液で濡れた状態とする。試料表面が洗浄液で濡れていると、試料を大気中に取り出しても洗浄液が気化して試料表面を覆い、しかも気化するときに試料から気化熱を奪い試料を冷却することになるので、大気酸化は抑制される。
【００１９】
即ち、分析用試料を調製するにあたっては電解研磨された後の試料を水洗した後、有機溶媒中で超音波洗浄して脱水・脱脂するのがよい。試料の乾燥は冷風乾燥がよいが、有機溶媒にアセトンを使用したときにはアセトンの沸点が５３°Ｃと低いので、そのまま分析を行うくらいが大気酸化防止対策としてよい。
【００２０】
また、本発明に係る電解研磨装置は、研磨対象物の表面を電解研磨するのに適した電解研磨装置において、電解液が入れられる電解槽と、該電解槽の槽底に投入され、その回転によって電解液を攪拌する回転子と、上記電解槽の槽底外側に設けられ、回転軸に上記回転子を磁着する磁石が取付けられた駆動モータと、上記電解槽中の電解液に浸漬され、一方の電極が研磨対象物を搭載し得る籠状をなす一対の電極と、上記籠状電極を上下動させる上下動機構と、上記一対の電極間に電流を通電する通電回路と、を備えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の電解研磨装置では電解槽の周囲に冷却水を入れた冷却水槽又は冷却水を流通させる冷却水通路を設けるのがよい。また、通電回路は、一対の電極に対する通電の方向を一定の時間間隔で切り換えるように構成するのがよい。
【００２２】
また、電解研磨装置には、洗浄冷却水が入れられる洗浄冷却水槽と、該洗浄冷却水槽内に浸漬され、有機溶媒が入れられる洗浄槽と、上記洗浄冷却水槽内の洗浄冷却水を介して上記洗浄槽内の研磨対象物に超音波を与えて超音波洗浄する超音波発生器と、を更に備えるのがよい。
【００２３】
さらに、電解槽の上方を開閉可能な閉空間に構成するカバーと、カバー内の電解液の蒸気を吸着する吸着器と、を備えるのがよい。吸着器にはガラスウールにアルカリ性剤をしみ込ませた脱臭剤と活性炭を内蔵するのがよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。図１ないし図５は本発明に係る電解研磨装置の好ましい実施形態を示す。図において、電解研磨装置のハウジング１０は側面大略Ｌ字状をなし、ハウジング１０の上面前半部には左半部に平面四角形状の冷却水槽１１が設けられ、右半部に平面四角形状の超音波洗浄冷却水槽１２が設けられている。
【００２５】
冷却水槽１１内には電解槽１３が設けられ、電解槽１３内には電解液が入れられ、又電解槽１３内には一対の白金電極１４、１５が浸漬され、一方の白金電極１５は編み籠状に形成され、試料Ｐが搭載され、他方の白金電極１４は電解槽１３又はハウジング１０に適切な治具によって支持されている。
【００２６】
編み籠状の白金電極（以下、籠型電極という）１５は吊り部材１６によって吊り下げられ、吊り部材１６の上端はアーム１７の先端に取付けられ、アーム１７の基部はロッド１８に取付けられ、ロッド１８はブッシュ１９によって取付けブラケット２０にスライド自在に支持され、取付けブラケット２０はハウジング１０に取付けられている。
【００２７】
ロッド１８の下端は楕円形状のカム２１の外周カム面に摺接され、カム２１はギアードモータ２２の回転軸２２Ａに固定されており、こうしてカム２１の回転によって支柱１８が上下され籠型電極１５を上下動させる上下動機構２３が構成されている。
【００２８】
また、冷却水槽１１内には冷却水が入れられ、これによって電解槽１３内の電解液の温度上昇が抑制されるようになっている。
【００２９】
さらに、電解槽１３の槽底には磁着可能な材料で作製された回転子２５が投入され、又冷却水槽１１の槽底外側には磁石２６が設けられ、磁石２６は駆動モータ２７の回転軸に固定されており、磁石２６の回転によって回転子２５が回転されて電解槽１３内の電解液を攪拌するようになっている。
【００３０】
白金電極１４及び籠型電極１５には通電線が接続され、通電線には極性の切換え器２８、ＯＮ・ＯＦＦスイッチ３０及び電源２９が接続されており、白金電極１４及び籠型電極１５の間には電流が流されるとともに、設定された時間間隔で通電の方向が切り換えられるようになっている。
【００３１】
洗浄冷却水槽１２内には洗浄冷却水が入れられるとともに、第１、第２の洗浄槽３１、３２が浸漬され、第１の洗浄槽３１及び第２の洗浄槽３２には有機溶媒が入れられ、洗浄冷却水槽１２の下側には超音波発生器３３が設けられている。
【００３２】
また、ハウジング１０の上面後半部は段部が立ち上がり形成され、段部上面は傾斜され、傾斜面にはＯＮ・ＯＦＦスイッチ３０、パイロットランプ３５、極性切換えタイマー３６、直流電圧計３７、直流電流計３８、出力調整器３９及び超音波洗浄器のスイッチ４０がレイアウトされている。
【００３３】
さらに、ハウジング１０の側部には脱臭器４１が設けられ、脱臭器４１内には脱臭剤及び活性炭が内蔵されるとともに、吸引ファン及び駆動モータ（図示せず）が設けられ、脱臭器４１の吸引口４２は電解槽１３の上方に設けられるとともに、電解槽１３及び冷却水槽１１の上方は透明なカバー４３がこれらを覆うように設けられる一方、脱臭処理された排気は排気口４４から排気されるようになっている。
【００３４】
分析用の試料Ｐを調製する場合、試料Ｐを切断し、ヤスリ及びベルターなどで表面を研磨した後、必要に応じて溶体化処理を行い、炭素を固溶させる。こうして準備が済むと、試料Ｐを籠型電極１５内に搭載し、スイッチ３０をＯＮにする。すると、白金電極１４と籠型電極１５との間に電流が流れ、試料Ｐが電解研磨される。
【００３５】
タイマー３６が設定された時間になると、極性切換え器２８によって極性が切り換えられ、白金電極１４と籠型電極１５との間に流れる電流の方向が切り換えられる。
【００３６】
このとき、電圧計３７及び電流計３８を監視し、通電電流が適切な値となるように、出力調整器３７で調整する。電解研磨中における電圧は１．５Ｖ以下、電流は１Ａ以下とし、あまり激しい電解反応が起こらないようにする。
【００３７】
また、籠型電極１５は上下動機構２３によって上下動され、又回転子２５はモータ２７と磁石２６とによって回転され、電解槽１３内の電解液を攪拌する。
【００３８】
電解研磨が済むと、試料Ｐを第１の洗浄槽３１に投入した後引き上げて第２の洗浄槽３２に投入し、脱水及び脱脂を行う。このとき、超音波発生器３３を作動させ、脱水及び脱脂時に超音波を与えて超音波洗浄を行わせる。
【００３９】
こうして洗浄が済むと、例えばドライヤーから冷風を吹き付けて有機溶媒を除去し、分析を行う。
【００４０】
例えば、本例の装置を用い、次のような条件の下に試料を調製した。
供試料；高純度鉄（約１ｇ）
電解液；濃塩酸
電解電流値；０、２Ａ
電解時間；約５秒毎に極性を切り換えながら電解研磨を３回繰り返し、合計３０秒間電解研磨を行った。
洗浄；水、エチルアルコール、アセトンを使用し、各数秒間行う。
【００４１】
１．試料の表面観察
試料をヤスリ研磨しているので、電解研磨前には表面に凹凸状が観察されたが、電解研磨後は表面が平滑となり、マクロ組織が観察された。
【００４２】
２．ＸＳＰによる表面酸素測定
図６はＸＳＰによる表面酸素量を試料深さ方向に定量した結果を示す。このように、極表面層の酸素量は４１〜４７％と高く、これを積分して試料重量比で換算すると、約２ｐｐｍに相当する。これは試料を最終段階で冷風乾燥して大気に晒した結果であると考えられる。従って、できる限り大気に触れないような対策が重要となると考えられる。
【００４３】
３．酸素分析結果の１例
図７はヤスリ研磨法と電解研磨法による酸素の比較分析結果を示す。電解研磨法ではアセトンによる洗浄の最終段階で、ドライヤーによる冷風乾燥Ａを行って酸素分析した結果（Ａ法）と、乾燥せずに酸素分析を行った結果（Ｂ法）を示す。なお、酸素分析は不活性ガス雰囲気高温溶融抽出−赤外線吸収測定法を用いた。このように、酸素分析を行う最終段階まで、大気酸化には厳重な注意を要することが確認された。この点で本例の電解研磨方法は分析試料の調製に最適であった。
【００４４】
なお、本例では図４に示す上下動機構２３を採用したが、他の方式を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る電解研磨装置の好ましい実施形態の全体構成を示す概略斜視図である。
【図２】上記実施形態を示す正面図である。
【図３】上記実施形態を示す平面図である。
【図４】上記実施形態における上下動機２３の１例を示す斜視図である。
【図５】上記実施形態における電気系の構成を示す図である。
【図６】本例の作用を説明するための図である。
【図７】本例の作用を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０      ハウジング
１１      冷却水槽
１２      超音波洗浄冷却水槽
１３      電解槽
１４      白金電極
１５      籠型電極
２３      上下動機構
２５      回転子
２６      磁石
２７      駆動モータ
３１      第１の洗浄槽
３２      第２の洗浄槽
３３      超音波発生器
４１      脱臭器
４３      カバー
【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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