Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13B-02]

APPLIED TECHNIQUES OF PERIODIC REVERSE COPPER
ELECTROFORMING FOR COMPONENTS OF THE JAPANHADRON FACILITY
K. Tajiri*), Z. Kabeya, T. Kawasumi, Y. YamanakaA), F. NaitoB) , T. KatoB) and E. TakasakiB)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd., Nagoya Aerospace Systems
10, Oye-cho, Minato-ku, Nagoya 455-8515 JapanA)

Asahi Kinzoku Kogyo Co. Ltd.
4851-4, Maki, Anpachi-cho, Anpachi-gun, 503-01 JapanB)
KEK-High Energy Accelerator Research Organization
1-1, Oho, Tsukuba, 305-0801 Japan
Abstract
We developed the technology for appling periodic copper electroforming to DTL (drift tube linac) of the Japan
Hadron Facility. Highly pure copper is deposited on components of DTL by the copper electroforming. Key techniques
which improve productivity or quality of electroformed copper are introduced.

大型ハドロン計画におけるＰＲ銅電鋳法適用技術
1 . 緒言文部省高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）が建設中の大型ハドロン計画用ＤＴＬ（ドリフトチューブリニアック）の部品である空洞、ドリフトチューブ並びにこれに内蔵される電磁石用中空コイルの製作には、高純度の銅電析物が得られる新しい銅電鋳法が用いられている。
この銅電鋳法は光沢剤等の有機性添加剤を浴中に一切含まない酸性硫酸銅浴を用い、極性を周期的に反転しながら（Periodic Reverse: PR）通電する方法である。
（以後ＰＲ銅電鋳法と呼ぶ）
中空コイルにおいては中空を構成する銅壁の形成に、また空洞およびドリフトチューブにおいてはライニングの形成にこの銅電鋳法が用いられている。本稿では、ＰＲ電鋳法の特徴、並びにこの特徴を踏まえて開発・実用化した銅電鋳法適用技術について紹介する。

そうしたなかで、極性を周期的に反転しながら通電することによって無添加浴から厚い電析物が得られることを示したのは G.A. Malone である。2 ）しかしながら、Malone の方法は汎用の高濃度タイプの浴（硫酸銅濃度が 202〜225g/l の浴）を用いていたため適正電流密度範囲が狭かった。そのため、この方法は処理時の電流密度分布が広くなる複雑形状部品に適用することができず、銅電鋳法の主流となることができなかった。
我々は付き廻り性能が優れている低濃度タイプの浴 3)を基本とし、周期的極性反転通電下において電析物の微細構造や物性に大きく影響する塩素イオン濃度を最適化した浴を用いるＰＲ銅電鋳法を開発した 4)。
本法は初めロケットエンジン 燃焼室に、そして今回ＤＴＬ部品に適用された。本銅電鋳法における浴組成と処理条件を表１に示す。
表１

2 . ＰＲ銅電鋳法の誕生
光沢剤等の有機性添加剤を含まない酸性硫酸銅浴（無添加浴）から無酸素銅並みに高純度な銅電析物が得られることは以前から知られていた。1)しかし、本浴から直流電解によって得られる電析物は、厚さが増すとともに表面の凹凸が激しくなってボイド等の欠陥を含む様になる。2)このため、滑らかな表面が得られる光沢剤が開発されて以来、無添加浴は電鋳にはおろか、薄いめっきにさえも用いられなくなった。
* )keisuke_tajiri@mx.nasw.ｍhi.co.jp−80−

ＰＲ銅電鋳法における浴組成と処理条件

Sulfuric acid
Copper sulfate
Chloride ions
Bath temperature
Cathodic-anodic time ratio
Current density

135〜145g/l
138〜148g/l
15ppm or so
24〜28°C5
1〜5.5A/dm2

3 . ＤＴＬ部品における銅電鋳
中空コイルはロストワックス法にて製作される。
5)
本法においては、図１の様に溝加工が施された銅母材の溝内部に充てんしたワックス表面に銀粉を擦り込み、銅母材の露出部に密着し、溝に架橋した銅電鋳層を形成させるものである。

図１

溝内部に充てんされたワックス上に銀粉を擦り込んだコイルの母材空洞およびドリフトチューブにおいては、炭素鋼あるいはステンレス鋼製の母材に 0.5〜0.8mm の銅電鋳ライニングを施こす。このライニングは形成された銅電鋳層の表面を３Ｓの粗さに機械加工仕上げした後、電解研磨処理を施こして製作される。こうして得られるライニングの表面は清浄で、かつ光沢めっきに劣らない平滑さを有する。
厚さ約 0.4mm の銅電鋳供試体の垂直断面並びに水平断面（電鋳表面付近）についてのエッチング後の観察像を図２に示す。垂直断面観察像から結晶粒が極めて微細であることが分かるが、水平断面では１つ１つの結晶粒ではなく、電鋳表面の凹凸に対応した云わば「結晶粒群」の境界が観察される。

この様に、機械加工前に存在していた電鋳表面の凹凸がエッチングによってミクロな凹凸として顕在化するということは、同様なエッチング効果のある電解研磨処理によって良好な電解研磨面を得るためには、凹凸の少ない良質の電鋳層形成が必須であることを示している。
4 . 銅電鋳適用技術
4.1 重層電鋳
ＰＲ銅電鋳は中間の手入れ加工なしで、一度に３mm 以上の厚みの電鋳層を形成し得る。しかし、我々は１mm 以下の電鋳厚みしか要求されていないＤＴＬ部品に対して重層電鋳を実施している。これは電鋳を複数の層で形成させることにより、欠陥のない電鋳層や凹凸の小さい電鋳表面を得ることを狙ったものである。
(1) 中空コイル中空コイルでは、３項で述べた様にワックス上に保持された銀粉が下地の一部となるが、この銀粉は電鋳開始前の水洗・活性化工程、並びに電鋳開始時の揺動で脱落する可能性がある。銀粉が脱落した箇所には正常な電鋳層が形成されず、放置すると銅電鋳層を貫通するピンホールを生じる可能性がある。
図３に銀粉脱落を模擬した供試体における電鋳成長とピンホール発生の様子を示す。銀粉脱落部は周りから成長してくる電析物により次第に小さくなるが、成長してきた電析物どうしがぶつかり合うため、いつまでたっても穴が閉じず貫通ピンホールを発生してしまう。そこで一旦電鋳を止めて中間加工を施こすと、加工した面からは真直に電析物が成長するので、二層目電鋳層においては電鋳開始後速やかに穴が閉じると考えられる。

200μ(a)

水平断面(b)

垂直断面

電 鋳 層

200μ200μ

図２

銅電鋳供試体断面のエッチング後の顕微鏡観察像

銀粉脱落模擬部
図３

銀粉脱落模擬部における電析物の成長とピンホール発生の様子

(2) 空洞
炭素鋼の鍛造材でできたこの大型空洞本体は、その表面にひけ巣、腐食痕および加工傷等の欠陥を有することが避けられない。一層目の電鋳層にこれ等の素材欠陥に起因するピンホールを生じた場合、二層目の電鋳層ではこれを遮断し、無欠陥の電鋳表面を形成させる様にした。
また、３項で述べた様に、形成された電鋳層は機械加工仕上後に電解研磨処理されるため、加工前の電鋳表面は凹凸の小さいことが要求される。形成される電鋳層の厚さが薄いほどこの凹凸は小さいので、電鋳層を二層にし、上層を薄くするとこの目的が達成され、光沢めっきを凌ぐ平滑な面が形成される。
4.2 染み出し検査法による欠陥検出
重層電鋳によって欠陥発生を防止する場合、機械加工した下層の電鋳層表面に存在する欠陥を検出し、その部分をリューター等でブレンドすることにより、以後の電鋳における欠陥発生防止をより確実なものとすることができる。しかしながら、汎用のザイグロ検査は、欠陥部へのザイグロ液残留により上層の電鋳層中にピンホールを発生させる恐れがあるため、電鋳工程への適用は好ましくない。そこで実施したのが「染み出し検査法」である。本法は機械加工した部品をエッチング液に浸せき後水洗して放置すると、ピンホール等の表面欠陥中に残留したエッチング液の染み出しにより、欠陥部を起点にした銅の変色が認められる現象を利用したものである。変色は欠陥部のみではなく付着したパーティクル等を起点としても生じるが、両者を特に区別せずに全点ブレンドすることにより、見落しなく欠陥箇所を処置できる。
4.3 電鋳液中での再活性化
空洞本体内面の電鋳に於いては空洞と 電極との位置関係に厳密さが要求される。従って電極は予め空洞に取付けられたうえで電鋳槽中に浸漬される。
しかし、電極を取付けたままで電鋳前の活性化処理を行なうと活性化処理液や水洗水を電鋳液中に持ちこんでしまうことになる。これを避けるためには
空洞単独で活性化処理した後に電極等を取付けざるを得ないが、これにはある程度の時間を要し、その間に被処理面の活性度が失なわれる。
そこで考えたのが電鋳槽中で被処理面を再活性化する方法である。すなわち、電極等を取付けた空洞を約 10 分間電鋳液中に浸漬し、更に数秒間反転通電した後に電鋳を開始する。
本法は、使用している電鋳浴が添加剤の異常吸着による密着不良を心配しないで良い無添加浴であること、並びに硫酸濃度が高くエッチング能力が優れていることにより、初めて採り得る方法である。

この再活性化法にて銅母材上に形成させた銅電鋳供試体の密着性を試験したところ、銅母材の強度を越える密着力を示した。
4.4 セル電鋳
エアーポケットや液だまりのために漬浸法では無欠陥の電鋳層を形成させることが困難なポート部には「セル電鋳」を適用した。本法はポート部に電極を有するセルを取付け、電鋳槽から液をポンプアップしてセル内部に供給した状態で電鋳するものである。
このセル電鋳によって形成させた電鋳層表面は非常に滑らかであると同時に、光沢浴で通常発生する角部における電鋳の異常成長や液流れにそった電鋳面のうねりも認められなかった。これは吸着して作用する有機性添加剤を浴中に含まないＰＲ銅電鋳法の特徴であり、本電鋳法がセル電鋳に大変適していることを示している。
4.5 部品設計上の工夫
効率的に電鋳層を形成させたり、欠陥のない電鋳層を得るうえで、母材の形状は極めて重要である。
そこで、ＤＴＬ部品においては可能な限り電鋳に適した形状に設計を行なった。このうち最も顕著な効果があったのは、試作段階で図１の形状であったコイル母材に対して量産段階で設計変更を行い、その端部を丸くしたことである。これにより、端部への電解電流集中を防いで均一な電鋳層を形成させることができ、その後の機械加工作業を大幅に軽減できた。
5 . 結言ＰＲ銅電鋳法の特徴、並びにＫＥＫの大型ハドロン計画用ＤＴＬ部品に対する本法の適用技術を紹介した。ＰＲ銅電鋳法で得られる銅電析物は高純度であるとともに電解研磨に適し、かつ機械的性質も優れている 4)。これに加えて、本法は適正電流密度範
囲が広く複雑形状部品に対応できるため 4)、今後の加速器部品への適用拡大が期待される。
参考文献[1] W.H.Safranek, The Properties of Electrodeposited Metals
and Alloys, 2nd ed., P.99, American Electroplaters andSurface Finishers Society, Orlando, FL (1986).
[2] G.A.Malone, NASA CR-134959, P.10, NASA Lewis
Research Center (1975).
[3] A.C.Hamilton Jr., Plat. and Surf. Fin., 84, 47 (Aug. 1997).
[4] K.Tajiri and T.Imamura,“Controllable Copper
Electro -forming for Mechanical Properties form AcidCopper Sulfate Bath”, Abstracts of the 195th Meeting ofthe Electrochemical Society, No.102 (1999).
[5] K.Tajiri, Y.Yamanaka, F.Naito, T.Kato and E.Takasaki,“Coil, New Application of Electroforming”, AESF/SFSJ
Advanced Surface Technology Forum Proceedings, P.145(1998).