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銀とガラスのラッピング特性について
友田 進＊・福万 祥教＊＊

Study on lapping behavior of silver using glass lap
Susumu Tomoda＊, Yoshinori Fukuman＊＊
Abstract
The authors have recently researched an interesting phenomenon on lapping test for a silver workpiece on a glass lapping plate using sodium chloride solution. It is an interesting phenomenon that thesilver was not worn during the lapping process even under the condition of large stock removal of the glasslapping plate. The Following results are experimentally confirmed. : (1) The chloride ions and pH insolution are closely related to the prevention of wear of silver work piece. (2) For the test of silver-cupperalloy work piece, the phenomenon was observed, in the case the cupper content is low.
１．はじめに船は，大量の積荷を安全，かつ迅速に運搬することを主な目的とする。この目的を達成するためには，主機関の信頼性が重要になってくる。主機関は信頼性を確保するために，その製作には高い加工精度が求められる。舶用機関に用いられる精密な加工を必要とする部品例として，燃料噴射弁，シリンダ，クランク軸がある。燃料噴射弁はシリンダ内に燃料を霧状に噴射させるため，噴射圧力が数10MPaに達する１）。このときニードル弁と弁座はメタルタッチで高圧力に耐える高精度な加工が必要になる。シリン
ダは，ピストンリング表面との気密を保ち，両者の焼き付きを防ぐための潤滑油を保持する加工が必要になる２）。また，クランク軸は初期摩耗による形状の変化３）や焼付き４）を防ぐため，凹凸の少ない表面が必要となる。
これらの部品の精度を高めるためには，多くの精密加工が用いられる。燃料噴射弁のニードル弁と弁座は精密なラッピング（研磨）が施されている。シリンダはホーニング加工を用いてシリンダ内面の精度を高めている。また，クランク軸のジャーナルには超仕上げ加工を用いる５）。
これらの内，船内で行うことが可能な精密加工はラッピングである。船内作業の例として，吸･排気弁やポンプの弁の摺り合わせがある。弁の摺り合わせは，弁や弁座に傷や摩耗が発生した場合に行われる。また，機関室で使用される種々のゲージ類加工の最終仕上げにもラッピングが用いられる６）。

＊商船学科＊＊専攻科海上輸送システム工学専攻

ここで，ラッピングとは定盤であるラップと工作物の間に非常に小さな砥粒と，ラップ液といわれる水などの溶液を加えて両者を相対運動させることで，砥粒が工作物の表面をごく微量削り取り，加工精度の高い滑らかな面を得る方法である。このような工作機械をラップ盤と言う。簡単な装置で高精度の加工面が得られる方法ではあるが，工作物だけではなくラップも摩耗してしまうため，その平坦度が損なわれ，そのまま長い時間ラップを使用すると工作物の形状精度は低下してしまう。このため，ラップの修正作業を行う必要がある７）。つまり，修正作業を必要としないラップを見出すことは工業的に意義があることといえる。
このような観点から，ラップに銀，ラップ剤に塩化ナトリウム水溶液とアルミナ砥粒の懸濁液を用いてガラスをラッピングすると，ラップである銀はラッピングされずガラスだけがラッピングされる特異な現象（以下，本現象と称する）に着目している８）。
この現象を応用すれば，無摩耗銀ラップによるガラスのラッピングを行うことができる。
また，本現象の発現メカニズムをシリンダとピストンリングの関係に応用できれば，シリンダとピストンリング間の潤滑作用に新たな考えを見い出せる可能性がある。
そこで，本現象発現のメカニズムを追究するために，ラップ液中の塩化物が及ぼす影響，ラップ液のpH測定，ガラス粉と本現象との関係，ラッピング後のラップ剤の観察を行った。また，試料をAg-Cu合金に変えることで本現象の応用を試みた。

平成19年９月14日受理

2弓削商船高等専門学校 紀要 第30号（平成20年）

表１

ラップ液と銀のラッピング量の関係

ラップ液

ラッピング量

本現象発現の有無

精製水

23mg

発現しない

塩化ナトリウム水溶液

0mg

発現する

試料：銀，ラップ：ガラス，砥粒：アルミナ，ラッピング時間：20分

２．ガラスラップを用いた銀の特異なラッピング現象
銀の特異なラッピング現象とは，ラップにガラス，ラップ液に塩化ナトリウム水溶液を用いて銀のラッピングを行うと，ガラスはラッピングされるが，銀はラッピングされない現象である。表１に代表的な実験例を示す。表１より，ラップ液に塩化ナトリウム水溶液を用いると，銀のラッピング量は検出されないことがわかる。比較のためにラップ液に精製水を用いてラッピングを行った結果をあわせて示したが，ラッピング量は23mgとなった。このように，ラップ液に塩化ナトリウム水溶液を用いると，銀がラッピングされない現象をすでに見出している。

錘④により加圧（ラップ圧力）する。試料ホルダーはコロ式試料保持ユニット⑤によって支持され，ラップが回転すると２個のコロを支点にして試料ホルダーおよびガイドリングが自転する。
３．３ ラッピング条件
表３にラッピング条件を示す。ラップの材質は石英ガラスと鋳鉄で主に石英ガラスを使用した。ラップ液は塩化物水溶液で主に塩化ナトリウム水溶液を用いた。砥粒は平均粒径9.5μｍのアルミナを使用した。これらのラッピング条件に基づき，試料を20分間ラッピングしたときのラッピング量を計測した。
表３３．実

験

ラップ材質

３．１ 試料実験に使用した試料を表２に示す。試料の材質は銀とAg-Cu合金である。銀の形状は直径20mm，厚さ５mm，Ag-Cu合金は20×20mmの板材で，厚さ２mm，Cu含有量が7.5wt%，10wt%，20wt%の３種類を用いた。
表２

試料試料

ラッピング条件

石英ガラス（200mmφ）

鋳鉄（200mmφ）

塩化ナトリウム水溶液（２wt％）

塩化第一錫水溶液（１wt％）

ラップ液（濃度） 塩化第二鉄水溶液（１wt％）

砥粒（粒径）

塩化カリウム水溶液（１wt％）

塩化亜鉛水溶液（１wt％）

アルミナ

ラップ時間20min（9.5μm）

ラップ剤濃度砥粒（３g）＋水溶液（10ml）

銀（20mmφ）

ラップ圧力20kPa

Ag-Cu合金（20×20mm）

ラップ回転数

30rpm−7.5Cuwt%，10Cuwt%，20Cuwt%−

４．実験結果と考察
３．２ ラッピング装置
実験装置を図１と図２に示す。ラッピング装置は市販のしゅう動式ラッピング装置（ムサシノ電子製
MA−200）である。試料①を試料ホルダー②に貼り付け，ガイドリング③に試料ホルダーを差し込み，

図１ ラッピング用治具

図２

ラッピング装置全体図

４．１ ラップ液中の塩化物が特異なラッピング現象に及ぼす影響
本現象の発現にはラップ液中に塩化物が必要であると考えられる。そこで，塩化ナトリウム水溶液中のCl−が本現象に及ぼす影響を調べるために，陰イオン交換樹脂（オルガノ株式会社製IRA410（OH））を用いて塩化ナトリウム水溶液のイオン交換を行い ９），−
Cl を取り除いた水溶液を用いて銀をラッピングした。実験結果を表４に示す。表４より，陰イオン交換樹脂を用いて，イオン交換を行った水溶液では銀のラッピング量が15mgとなり，本現象は発現しなくなることが明らかになった。また，比較のために行った陽イオン交換樹脂（ダウケミカル社製銀とガラスのラッピング特性について（友田・福万）

表４

イオン交換を行った水溶液での銀のラッピング

ラップ液

ラッピング量本現象の有無陰イオン交換した塩化ナトリウム水溶液

15mg

発現しない

陽イオン交換した塩化ナトリウム水溶液

0mg

発現する

DOWEX50W−X12）での実験結果もあわせて示したが，本現象が発現することがわかった。Cl−の影響について調べた結果，本現象発現にラップ液中のCl−が大きく関わっていることがわかった。
塩化ナトリウム水溶液以外の塩化物水溶液で本現象が発現するのか調べるために，Cl−を含む塩化第一錫水溶液，塩化第二鉄水溶液，塩化カリウム水溶液，塩化亜鉛水溶液を用いて銀をラッピングした。
実験結果を表５に示す。表５より，塩化カリウム水溶液と塩化亜鉛水溶液はラッピング量が0mgとなり，本現象が発現することがわかる。しかし，塩化第二鉄水溶液と塩化第一錫水溶液ではラッピング量が14mgと28mgとなり，本現象は発現しなかった。
このことからCl−を含む水溶液でも，本現象が発現するものと発現しないものがあることがわかった。
塩化物水溶液と本現象との関わりをさらに追究するために，それぞれの水溶液のpHを測定した。実験結果を表６に示す。表６より，本現象が発現した
塩化カリウム水溶液と塩化亜鉛水溶液のpHは8.52と7.24であった。しかし，本現象が発現しなかった塩化第二鉄水溶液と塩化第一錫水溶液のpHは1.80と1.70となり，本現象が発現しない水溶液は強い酸性であることがわかった。また，本現象が発現する水溶液は中性に近いことから，水溶液のpHによって本現象が発現する塩化物水溶液と発現しない塩化物水溶液があることがわかった。
表５

塩化物水溶液による銀のラッピング

ラップ液

ラッピング量

塩化第一錫水溶液28mg

塩化第二鉄水溶液14mg

塩化カリウム水溶液

0mg

塩化亜鉛水溶液0mg

表６

ラップ液のpH

ラップ液

pH

塩化第一錫水溶液1.70

塩化第二鉄水溶液1.80

塩化カリウム水溶液

8.52

塩化亜鉛水溶液

7.24

3

４．２ ラップ液のpHと特異なラッピング現象との関係
４．１で述べたように，Cl−を有する塩化物水溶液でも，pHによって本現象が発現するものと発現しないものがあることが明らかになった。そこで，
ラップ液のpHとラッピング量にどのような関係があるのかを調べるため，pHを変化させた塩化ナトリウム水溶液をラップ液に用いて銀をラッピングした。塩化ナトリウム水溶液のpHは，塩酸と水酸化ナトリウムを添加することで変化させた。実験結果を図３に示す。図３より，pH＝2.00のときにラッピング量が1.0mgとなり，pH＝12.85のときにラッピング量は０mgとなった。pHがこの範囲を超えるとラッピング量が増えていくことから，本現象が発現する範囲は約２<pH<約12であることがわかった。

図３

ラップ液のpHとラッピング量の関係

４．３ ガラス粉入り砥粒とラッピング量との関係
本現象は塩化ナトリウム水溶液と，脆性材料であるガラスラップを用いることで発現する。ラッピン
グ中に発生するガラス粉が本現象に大きく関わっていることが考えられる10）。そこで，本現象とガラス粉の関係を調べるために，塩化ナトリウム水溶液にガラス粉を含む使用後のラップ液（ビーカ内で静沈させた上澄み液）と未使用のアルミナ砥粒を加えたラップ剤を用いて鋳鉄ラップ上で銀をラッピングした。また，比較のためにアルミナ砥粒と塩化ナトリウム水溶液を混濁したラップ剤による実験も行った。表７に実験結果を示す。表７より，砥粒にガラス粉が混ざると銀のラッピング量が極端に減少することがわかる。試料と砥粒の間で，ラッピング中に

4

弓削商船高等専門学校 紀要 第30号（平成20年）生じるガラス粉が何らかの作用をしていると推測され，ガラス粉が本現象発現に大きく関わっていることがわかった。
表７

ガラス粉と銀のラッピング量との関係

砥粒

ラッピング量

アルミナ6.0mg

アルミナ＋ガラス粉

3.2mg

４．４ 電子顕微鏡による砥粒の観察
ラッピングは，二つの物体の間にラップ剤（砥粒＋液体）を加え，両者を相対運動させて滑らかな加工面を得る加工法である。このとき，砥粒はラッピング中に破砕される。
そこで，本現象が発現したときの砥粒と，発現しないときの砥粒を観察し，本現象発現の有無によって砥粒の破砕にどのような違いが認められるか，電子顕微鏡を用いて観察した。
実験結果を図4.1〜図4.3に示す。図4.1に未使用の砥粒を示す。図4.2と図4.3に使用後の砥粒を示す。
図4.2と図4.3より，使用後の砥粒は角がとれて丸みを帯びた砥粒や，単体の形状を特定できない破砕された微小な砥粒が本現象の発現の有無にかかわらず観察された。しかし，本現象が発現した砥粒の表面には微小粉が付着する傾向が認められた。
このことから，ラッピング中に生じる砥粒の破砕のされ方が本現象に及ぼす影響は少ないと判断した。ただし，塩化ナトリウム水溶液をラップ液に用いた砥粒に付着した微小粉が，本現象にどのように

図4.1

図4.2

図4.3

未使用の砥粒使用後のラップ剤（精製水）使用後のラップ剤（塩化ナトリウム水溶液）関係しているのか，ここでは明らかにできなかった。
４．５ Ag-Cu合金への応用
銀ラップを用いてガラスをラッピングした場合，ラップを長時間使用すると，銀の軟らかさで銀ラップが塑性変形してしまう可能性がある。そこで，銀よりも硬質なAg-Cu合金を用いて実験を行った11）。
４．５．１ Cu含有量が本現象に及ぼす影響
試料は，Cu含有量が7.5％，10％，20％の３種類のAg-Cu合金である。これらのAg-Cu合金を塩化ナトリウム水溶液を用いてガラスラップ上でラッピングした結果を図５に示す。図５に示したように，ラッピング量はCu含有量が少ない7.5％の合金で1.0mgとなり，10％では1.5mg，20％では12.0mgとなった。
このことから，Cu含有量が約10％以下の合金では本現象を発現し，約10％以上の合金では本現象を発現しないことがわかった。

図５

Cu含有量とラッピング量の関係

４．５．２ Ag-Cu合金のX線回折
図５で示したように，Cu含有量が7.5%や10%では本現象が発現するが，20%になると本現象が発現しなかった。Ag-Cu合金の内部組織に何らかの原因があると考えられる。
そこで，Ag-Cu合金の内部組織とラッピング量の関係を調べるために，X線回折による組織分析を行った。実験に用いたX線回折装置（理学電機株式会社製）を図６に示す。表８に回折条件を示す。管電圧は40kV，管電流は20mAとした。また，銀と銅を回折したとき，Ag：2θ=38°，Cu：2θ=43°で強い回折強度を示したので，回折範囲は2θ＝35°〜45°とした。以上の回折条件より，３種類のAg-Cu合金を回折し，α相（AgのCu固溶体）の回折強度を調べた。
実験結果を図7.1〜図7.3に示す。図より，Cu含有量によりα相の回折強度が異なることが認められた。α相の回折強度の高さを比較した結果を表９に示す。表９より，α相がCu含有量の増加に伴って減銀とガラスのラッピング特性について（友田・福万）5少することが確認できた。そこで，図５で示したラッピング量と回折強度の関係を調べた結果を図８に示す。図８より，α相の回折強度はCu含有量が増えるに従い減少しており，ラッピング量とα相の回折強度が背反することがわかった。

図６

表８X線回折装置

図８

回折条件

管電圧・管電流40 kV・20 mA

フルスケール

５kcps

SCAN SPEED

４θ°/min回折範囲

35°〜 45°

図7.1

X線回折結果（Ag 92.5%−Cu7.5%）

図7.2

X線回折結果（Ag 90%−Cu10%）

４．５．３ 光学顕微鏡によるAg-Cu合金の観察
図８に示したα相の回折強度とラッピング量の関係から，Cu含有量が増えるとα相の量が少なくなり，ラッピング量は増加することが確認できた。β相（CuのAg固溶体）の増加によってラッピング量が増加すると考えられる。しかし，実験に使用したX線回折装置ではβ相の回折強度を確認することが困難なために，光学顕微鏡によりβ相を観察した。
Ag-Cu合金のエッチングは，アンモニア水と過酸化水素水を１：１で混合させた液で10秒間の腐食を２回行った12）。実験結果を図9.1〜図9.3に示す。白い相はα相，黒い相はα相とβ相の共晶である。共晶をβ相と位置づけ，共晶が占める割合を調べた結果を表10に示す。表より，Cu含有量の増加に伴って共晶の割合も多くなっていることが確認できた。Ag-Cu合金のラッピング量と共晶の割合との関係を図10に示す。図より，共晶が増加するとラッピング量も増加することがわかった。このことから，Cu含有量の割合が増えると本現象が発現しなくなる原因は，合金中のβ相がラッピングされるためと推測した。

図9.1
図7 3

X線回折結果（Ag 80%−Cu20%）

ラッピング量と回折強度の関係

Ag−Cu合金の内部組織（Ag 92.5%−Cu7.5%）6弓削商船高等専門学校 紀要 第30号（平成20年）

実験の結果，以下のことが明らかになった。
１．本現象の発現には，ラップ液中のCl−が大きく関わっていることがわかった。

図9.2

Ag−Cu合金の内部組織（Ag 90%−Cu10%）

図9.3

Ag−Cu合金の内部組織（Ag 80%−Cu20%）

表10

Cu含有量と共晶の関係

Cu含有量（％）

共晶の割合（％）

7.517.60

1019.922036.51

図10２．Cl−を含む水溶液であってもpHが約２<pH<約12の塩化物水溶液で本現象を発現することがわかった。
３．鋳鉄ラップで銀をラッピングした場合，ガラス粉を砥粒に混合すると銀のラッピング量が減少することがわかった。
４．ラッピング中に発生する砥粒の破砕状態は本現象の発現の有無にかかわらずほとんど変わらないことがわかった。
５．Cu含有量の少ないAg-Cu合金であれば，本現象が発現することがわかった。また，Cu含有量の多いAg-Cu合金がラッピングされる原因は，合金中のβ相がラッピングされるためと推測した。

ラッピング量と共晶の関係

５．まとめ
本研究では，ラップにガラス，ラップ剤に塩化ナトリウム水溶液とアルミナ砥粒の懸濁液を用いて銀をラッピングすると，ラップであるガラスはラッピングされるが，銀はラッピングされない非常に特異な現象に着目し，本現象発現のメカニズムを追究するため，ラップ液中の塩化物が及ぼす影響，ラップ液のpHの測定，ガラス粉と本現象との関係，ラッピング後のラップ剤の観察を行った。また，試料をAg-Cu合金に変えることで本現象の応用を試みた。

参考文献
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ギュンター・ペツォー：金属エッチング技術，アグネ，（1997）39