JP7553382B2 - 電着砥粒工具の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電着砥粒工具の製造方法に関するものである。

特許文献１には、鉄系材料の基材（台金とも称する）の表面に、ダイヤモンドやＣＢＮ等の砥粒がニッケルめっきにより固定された電着砥粒工具が記載されている。特許文献２にも、同様に、電着砥粒工具が記載されている。

近年、軽量化の観点から、基材にアルミニウム又はアルミニウム合金が適用されることが検討されている。しかし、アルミニウム系の基材と、砥粒を固定するためのめっき層との接合強度が十分ではなく、アルミニウム系の基材を適用することが困難であった。

ところで、アルミニウム系材料の表面の粗化方法としては、例えば、特許文献３に記載のように、ダブルジンケート処理が知られている。また、アルミニウム系材料の表面の粗化方法として、ジンケート処理とは異なる方法が、特許文献４に提案されている。

特開２０１４－１１１３０２号公報 特開平６－１１４７３９号公報 特開昭６１－１４８９００号公報 特開２００７－１３８２２４号公報

アルミニウム系の基材の粗化方法としてダブルジンケート処理を適用する場合には、強アルカリ性からなる処理液の取り扱いが容易ではない上に、強アルカリ性の処理液を用いることにより部分的なめっきができない。電着砥粒工具においては、砥粒を配置する部分のみにめっき層を形成し、取付相手部材に当接する被取付面にはめっき層が形成されないようにする必要がある。しかし、上記のとおり、ダブルジンケート処理は、強アルカリ性の処理液を用いるためマスキングが困難であり、部分的なめっきを行うことができない。そのため、アルミニウム系材料の基材の粗化表面を形成するためにダブルジンケート処理を適用することができない。

本発明は、ダブルジンケート処理を適用することなく、基材にアルミニウム又はアルミニウム合金を適用し、且つ、基材と砥粒を固定するためのめっき層との接合強度を高くすることができる電着砥粒工具の製造方法を提供することを目的とする。

電着砥粒工具の製造方法は、基材の表面に砥粒が固定された電着砥粒工具の製造方法であって、銅イオンを含みアルミニウム又はアルミニウム合金を溶解する酸性液に、アルミニウム又はアルミニウム合金により成形された基材を接触させることにより、基材の表面を溶解すると共に基材の表面を置換金属としての銅に置換させる基材粗化工程と、酸性液を用いて基材の表面における置換金属を選択エッチングすることにより、基材の粗化表面を露出させる置換金属選択エッチング工程と、基材の粗化表面に下地めっき層を形成する下地めっき工程と、下地めっき層の表面に砥粒を配置し、且つ、砥粒を固定するための固定めっき層を形成する砥粒固定工程とを備える。

基材粗化工程及び置換金属選択エッチング工程において、酸性液を用いている。従って、基材の表面を部分的にマスキングすることが可能となり、基材の表面を部分的に粗化することができる。さらに、アルミニウム又はアルミニウム合金の基材の表面を粗化することにより、基材の表面の凹凸に下地めっき層が係止する。従って、基材と下地めっき層との接合強度が高くなる。そして、下地めっき層の表面に、砥粒を固定するための固定めっき層を形成しており、めっき層同士の接合力は十分に確保できる。従って、基材と砥粒との接合強度を高くすることができる。

このように、基材にアルミニウム又はアルミニウム合金を適用することにより、電着砥粒工具の軽量化を図ることができる。強アルカリ性の液を用いずに、酸性液を用いて、基材の表面を粗化することができるため、部分的なめっきを行うことができ、取り扱い性も良好となる。さらに、基材の表面を粗化することにより基材と下地めっき層との接合強度を高くすることができるため、結果として、基材と砥粒との高い接合強度を確保することができる。

電着砥粒工具の断面図である。 電着砥粒工具の表面部分における拡大断面図である。 電着砥粒工具の製造方法を示すフローチャートである。 基材粗化工程における基材の表面部分を示す拡大図である。二点鎖線は基材粗化工程前の基材の形状を示す。 置換金属選択エッチング工程における基材の表面部分を示す拡大図である。 下地めっき工程における基材の表面部分を示す拡大図である。 砥粒配置工程における基材の表面部分を示す拡大図である。 仮固定めっき工程における基材の表面部分を示す拡大図である。 下地めっき層の厚みを変化させた場合に基材の表面の腐食の有無を示す表である。

（１．電着砥粒工具の種類）
電着砥粒工具は、電着ホイールや電着ドレッサ等であって、電着によって基材の表面に砥粒が固定された工具である。

電着ホイール（電着砥石とも称する）は、金属工作物の研削加工を行うための工具であって、基材の表面にダイヤモンドやＣＢＮ等の砥粒（例えば、超砥粒）が固定された工具である。電着ホイールは、例えば、円盤状の基材の外周面に複数の砥粒が固定された構成や、円盤状の基材の外周側における軸方向端面に複数の砥粒が固定された構成等を有する。ただし、基材は、円盤状に限られるものではなく、任意の形状に形成することができ、砥粒を配置する位置も任意に設定することができる。また、複数の砥粒は、めっき層によって基材の表面に固定されている。めっき層は、例えば、ニッケルめっきである。

電着ドレッサは、例えば、砥石の表面に対してドレッシング又はツルーイングを施すための工具である。電着ドレッサは、電着ホイールと同様に、基材の表面に、ダイヤモンド等の複数の超砥粒がめっき層により固定された工具である。電着ドレッサの基材は、円盤状であっても良く、円盤状以外の任意の形状であっても良い。例えば、電着ロータリドレッサは、円盤状の基材の外周表面に、めっき層により複数の砥粒が固定されている。

（２．電着砥粒工具１の構成）
電着砥粒工具１の構成について図１を参照して説明する。電着砥粒工具１は、基材１０、砥粒２０、めっき層３０を備える。

基材１０は、アルミニウム又はアルミニウム合金により成形されている。基材１０は、例えば、円盤状に形成されており、中心には貫通孔が形成されている。貫通孔の内周面が、電着砥粒工具１を相手部材（図示に取り付けるための取付面１１を構成する。電着砥粒工具１の取付面１１、すなわち、貫通孔の内周面は、基材１０が露出しており、相手部材と直接接触する部位となる。つまり、取付面１１は、めっき等が施されていない面である。

基材１０の外周面は、任意の形状に形成されている。図１においては、基材１０の外周面は、円筒外周面に形成されている。他に、基材１０の外周面は、軸方向断面において山形等に形成されるようにしても良い。

砥粒２０は、ダイヤモンド、ＣＢＮ等の超砥粒である。砥粒２０は、基材１０の表面に固定されている。図１に示す電着砥粒工具１においては、砥粒２０は、基材１０の外周面に固定されている。

めっき層３０は、砥粒２０を基材１０の表面に電着により固定するための層である。めっき層３０は、基材１０の表面に接合しており、且つ、砥粒２０の表面に接合している。めっき層３０は、例えば、ニッケルめっきを適用される。

（３．電着砥粒工具１の表面の詳細構成）
電着砥粒工具１の表面の詳細構成について図２を参照して説明する。電着砥粒工具１は、上述したように、基材１０、砥粒２０、めっき層３０を備える。基材１０の表面１０ａは、図２に示すように、凹凸状に粗化されている。特に、基材１０の粗化表面１０ａは、大きな凹凸形状を有しており、その大きな凹凸形状の表面にさらに小さな凹凸形状を有している。つまり、基材１０の粗化表面１０ａは、当該小さな凹凸形状によって、図２の上下方向にアンダーカット形状を有する。

めっき層３０は、下地めっき層３１と、固定めっき層３２とを備える。下地めっき層３１は、基材１０の粗化表面１０ａに、めっき材料によってめっきされている。下地めっき層３１は、基材１０の粗化表面１０ａの凹凸における凸端（最大高さに対応する部位）から所定厚みＨを有する。つまり、下地めっき層３１は、基材１０の粗化表面１０ａの凹凸における凸部を完全に被覆しており、且つ、粗化表面１０ａの凹凸における凹部に完全に埋設されている。言い換えると、下地めっき層３１は、基材１０の粗化表面１０ａを完全に被覆しており、粗化表面１０ａが露出している部位が存在しない。

固定めっき層３２は、下地めっき層３１の表面にめっきされており、下地めっき層３１と砥粒２０とを接合する。固定めっき層３２は、仮固定めっき層３２ａと、本固定めっき層３２ｂとを備える。仮固定めっき層３２ａは、砥粒２０を下地めっき層３１の表面に仮固定するためのめっき層である。仮固定めっき層３２ａは、下地めっき層３１と同種のめっき材を適用すると良く、例えば、ニッケルめっきを適用する。これにより、下地めっき層３１と仮固定めっき層３２ａとの接合強度を高くすることができる。

本固定めっき層３２ｂは、仮固定めっき層３２ａの表面に形成されるめっき層である。本固定めっき層３２ｂは、砥粒２０と仮固定めっき層３２ａとを接合し、砥粒２０を下地めっき層３１により強固に接合する役割を有する。本固定めっき層３２ｂは、仮固定めっき層３２ａと同種のめっき材を適用すると良く、例えば、ニッケルめっきを適用する。なお、仮固定めっき層３２ａ及び本固定めっき層３２ｂの厚みは、砥粒２０の大きさに応じて、適宜変更される。

（４．電着砥粒工具１の製造方法）
電着砥粒工具１の製造方法について、図３－図８を参照して説明する。まず、事前準備として、基材１０の表面のうち、砥粒２０を配置する部分以外をマスキングする。続いて、基材１０の表面の脱脂処理を行い、その後に水洗する（Ｓ１：脱脂工程，Ｓ２：水洗工程）。脱脂処理は、苛性ソーダ、リン酸ソーダ、その他の混合液のアルカリ性液を用いる。例えば、脱脂工程は、温度５０℃で水酸化ナトリウムの濃度０．２５ｍｏｌ／Ｌの水溶液に、基材１０を接触させる。処理時間は、６０ｓｅｃとする。

続いて、基材１０の表面を粗化する工程を行い、その後に水洗する（Ｓ３：基材粗化工程、Ｓ４：水洗工程）。基材粗化工程は、基材１０の表面を溶解すると共に、基材１０の表面を銅で置換するための処理である。基材粗化工程は、銅イオンを含みアルミニウム又はアルミニウム合金を溶解する酸性液に、基材１０を接触させる。

ここで、酸性液は、例えば、塩酸の濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌ～５．０ｍｏｌ／Ｌであり、銅イオンの濃度が０．００４ｍｏｌ／Ｌ～１．０ｍｏｌ／Ｌである。基材粗化工程は、温度３０℃～８０℃の上記酸性液に、基材１０を接触させる。処理時間は、３０ｓｅｃ～２０ｍｉｎである。

基材粗化工程により、基材１０の表面部分は図４に示すようになる。つまり、基材粗化工程では、基材１０の表面が溶解されることにより凹凸状（相対的に大きな凹凸状）に形成される。さらに、基材粗化工程では、溶解された基材１０の表面のアルミニウムが置換金属としての銅に置換され、基材１０の表面に銅４０が析出する。図４において、模式的に図示するように、基材１０の表面は、大きな凹凸形状を有しており、その大きな凹凸状の表面に丸印にて示した銅４０が析出する。

続いて、酸性液を用いて基材１０の表面における置換金属としての銅４０を選択エッチングすることにより、基材１０の粗化表面１０ａを露出させ、その後に水洗する（Ｓ５：置換金属選択エッチング工程、Ｓ６：水洗工程）。置換金属選択エッチング工程は、置換金属としての銅４０を基材１０よりも優先的に溶解する酸性液に、基材粗化工程（Ｓ３）の後の基材１０を接触させることにより、基材１０を溶解しないようにしつつ置換金属としての銅を溶解する。

ここで、置換金属選択エッチング工程にて用いる酸性液は、塩酸、硫酸、硝酸等の強酸を適用する。例えば、酸性液は、濃度０．２ｍｏｌ／Ｌの過硫酸ナトリウムを用いて、置換金属としての銅を溶解する。処理時間は、６０ｓｅｃである。

置換金属選択エッチング工程により、基材１０の粗化表面１０ａは図５に示すようになる。つまり、基材１０の粗化表面１０ａは、図４に示す基材１０の表面において置換金属である銅と基材１０との境界線により表される。従って、基材１０の粗化表面１０ａは、基材１０の溶解による大きな凹凸形状を有しており、その大きな凹凸形状の表面にさらに置換金属選択エッチングによる小さな凹凸形状を有している。つまり、基材１０の粗化表面１０ａは、当該小さな凹凸形状によって、図５の上下方向にアンダーカット形状を有する。

続いて、基材粗化工程（Ｓ３）及び置換金属選択エッチング工程（Ｓ５）の処理を、予め設定された規定回数実施したか否かを判定する（Ｓ７）。規定回数は、例えば、１回又は２回に設定されるが、３回以上としても良い。規定回数に達していなければ（Ｓ７：Ｎｏ）、Ｓ３に戻り、基材粗化工程（Ｓ３）及び置換金属選択エッチング工程（Ｓ５）を再び実施する。

ここで、規定回数終了後の置換金属選択エッチング工程後の基材１０の粗化表面１０ａは、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ００３１：２００３、ＩＳＯ １３０２：２００２）が１μｍ以上、又は、最大高さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ００３１：２００３、ＩＳＯ １３０２：２００２）が１０μｍ以上である。さらには、規定回数終了後の置換金属選択エッチング工程後の基材１０の粗化表面１０ａは、算術平均粗さＲａが１μｍ以上６μｍ以下（１～６μｍ）、又は、最大高さＲｚが１０μｍ以上３５μｍ以下（１０～３５μｍ）とすると良い。

規定回数に達した後には（Ｓ７：Ｙｅｓ）、デスマット処理を行い、その後に水洗する（Ｓ８：デスマット工程、Ｓ９：水洗工程）。デスマット処理により、基材１０の粗化表面１０ａに付着したスマットを除去する。デスマット工程は、例えば、１０％トップデスマットＮ－２０（奥野製薬工業株式会社製）を用いて、室温にて、処理時間１２～２４時間行う。

続いて、基材１０の粗化表面１０ａに下地めっき層３１を形成する（Ｓ１０：下地めっき工程）。下地めっき層３１は、例えば、ニッケルめっきである。下地めっき工程は、図６に示すように、基材１０の粗化表面１０ａの凹凸における凸端から厚みＨを有する下地めっき層３１を形成する。ここで、下地めっき層３１の厚みＨは、少なくとも６μｍとし、８μｍ以上が好適である。従って、下地めっき層３１は、基材１０の粗化表面１０ａの凹所に埋設されており、さらに、凸端及び凹所を完全に被覆している。

ここで、６μｍ以上の厚みＨの下地めっき層３１を形成するために、公知の電気めっきを適用する。さらに、電気めっきを採用することにより、基材１０の粗化表面１０ａをニッケルに置換することなく、基材１０の粗化表面１０ａにニッケルめっきからなる下地めっき層３１を形成することができる。つまり、下地めっき層３１が、基材１０の粗化表面１０ａに物理的に係止する。従って、下地めっき層３１は、アンカー効果により、基材１０に対して高い接合強度を有する状態となる。なお、無電解めっきを適用して、６μｍ以上の厚みＨの下地めっき層３１を形成するようにしても良い。

続いて、図７に示すように、下地めっき層３１の表面に砥粒２０を配置する（Ｓ１１：砥粒配置工程、砥粒固定工程）。続いて、図８に示すように、砥粒２０を下地めっき層３１に固定するための仮固定めっき層３２ａを形成する（Ｓ１２：仮固定めっき工程、砥粒固定工程）。仮固定めっき層３２ａの厚みは、砥粒２０の大きさに応じた厚みに設定される。仮固定めっき層３２ａは、例えば、ニッケルめっきである。つまり、仮固定めっき層３２ａは、下地めっき層３１と同種のめっき材とすることで、下地めっき層３１との高い接合強度を確保することができる。また、仮固定めっき層３２ａは、砥粒２０を保持するための厚みを必要とするため、電気めっきにより形成する。

続いて、図２に示すように、仮固定めっき層３２ａの表面に本固定めっき層３２ｂを形成する（Ｓ１３：本固定めっき工程、砥粒固定工程）。本固定めっき層３２ｂの厚みは、砥粒２０の大きさに応じた厚みに設定される。本固定めっき層３２ｂは、仮固定めっき層３２ａと同様に、ニッケルめっきである。つまり、本固定めっき層３２ｂは、仮固定めっき層３２ａと同種のめっき材とすることで、仮固定めっき層３２ａとの高い接合強度を確保することができる。また、本固定めっき層３２ｂは、好適には、無電解めっきを適用する。このようにして、電着砥粒工具１が製造される。

（５．評価）
下地めっき層３１の厚みＨを変えて、基材１０の表面における腐食の有無を検査する評価を行った。下地めっき層３１の厚みＨ（図６に示す）は、２．０μｍ、４．０μｍ、６．０μｍ、８．０μｍ、１０．０μｍとした。基材１０の腐食は、基材１０の表面に黒いシミの有無により評価する。

結果は、図９に示すようになった。つまり、下地めっき層３１の厚みＨが、２．０μｍ、４．０μｍの場合には、腐食が確認された。一方、下地めっき層３１の厚みＨが、６．０、８．０、１０．０μｍの場合には、腐食を確認できなかった。つまり、下地めっき層３１の厚みＨを少なくとも６．０μｍとすることで、腐食を抑制できる。好適には、下地めっき層３１の厚みＨを８．０μｍ以上とすることで、腐食を確実に抑制できる。なお、下地めっき層３１の厚みＨは、厚くするほど、処理時間、処理コストを要する。従って、下地めっき層３１の厚みＨは、例えば、１０．０μｍ以下にすると良い。

次に、基材１０の粗化表面１０ａの表面粗さに対する下地めっき層３１の剥離強度について評価を行った。具体的には、基材粗化工程における酸性液の銅イオン濃度、塩酸等の濃度を調整することにより、基材１０の粗化表面１０ａの表面粗さを異なる状態とした。算術平均粗さＲａが、０．５、１、３、６、９μｍとした。算術平均粗さＲａが、０．５μｍ、９μｍでは、アンカー効果が弱く、下地めっき層３１の剥離強度が小さくなった。算術平均粗さＲａが、１～６μｍであれば、所定の剥離強度を確保することができた。

また、他の指標として、最大高さＲｚが、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０μｍとした。最大高さＲｚが、５μｍ及び４０μｍ以上では、アンカー効果が弱く、下地めっき層３１の剥離強度が小さくなった。最大高さＲｚが、１０～３５μｍであれば、所定の剥離強度を確保することができた。

（６．効果）
基材粗化工程Ｓ３及び置換金属選択エッチング工程Ｓ５において、酸性液を用いている。従って、基材１０の表面を部分的にマスキングすることが可能となり、基材１０の表面を部分的に粗化することができる。さらに、アルミニウム又はアルミニウム合金の基材１０の表面を粗化することにより、基材１０の表面の凹凸に下地めっき層３１が係止する。従って、基材１０と下地めっき層３１との接合強度が高くなる。そして、下地めっき層３１の表面に、砥粒２０を固定するための固定めっき層３２を形成しており、めっき層同士の接合力は十分に確保できる。従って、基材１０と砥粒２０との接合強度を高くすることができる。

このように、基材１０にアルミニウム又はアルミニウム合金を適用することにより、電着砥粒工具１の軽量化を図ることができる。強アルカリ性の液を用いずに、酸性液を用いて、基材１０の表面を粗化することができるため、部分的なめっきを行うことができ、取り扱い性も良好となる。さらに、基材１０の表面を粗化することにより基材１０と下地めっき層３１との接合強度を高くすることができるため、結果として、基材１０と砥粒２０との高い接合強度を確保することができる。

１：電着砥粒工具、 １０：基材、 １０ａ：粗化表面、 １１：取付面、 ２０：砥粒、 ３０：めっき層、 ３１：下地めっき層、 ３２：固定めっき層、 ３２ａ：仮固定めっき層、 ３２ｂ：本固定めっき層、 ４０：銅（置換金属）Ｓ３：基材粗化工程、 Ｓ５：置換金属選択エッチング工程、 Ｓ１１-Ｓ１３：砥粒固定工程

Claims (4)

1. 基材の表面に砥粒が固定された電着砥粒工具の製造方法であって、
   銅イオンを含みアルミニウム又はアルミニウム合金を溶解する酸性液に、アルミニウム又はアルミニウム合金により成形された前記基材を接触させることにより、前記基材の表面を溶解すると共に前記基材の表面を置換金属としての銅に置換させる基材粗化工程と、
   酸性液を用いて前記基材の表面における前記置換金属を選択エッチングすることにより、前記基材の粗化表面を露出させる置換金属選択エッチング工程と、
   前記基材の前記粗化表面に下地めっき層を形成する下地めっき工程と、
   前記下地めっき層の表面に砥粒を配置し、且つ、前記砥粒を固定するための固定めっき層を形成する砥粒固定工程と、
   を備える、電着砥粒工具の製造方法。
2. 前記下地めっき工程は、電気めっき又は無電解めっきにより前記基材の前記粗化表面の凹凸における凸端から少なくとも６μｍの厚みを有する前記下地めっき層を形成する、請求項１に記載の電着砥粒工具の製造方法。
3. 前記基材の前記粗化表面は、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ００３１：２００３、ＩＳＯ １３０２：２００２）が１μｍ以上、又は、最大高さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ００３１：２００３、ＩＳＯ １３０２：２００２）が１０μｍ以上である、請求項１又は２に記載の電着砥粒工具の製造方法。
4. 前記下地めっき層及び前記固定めっき層は、ニッケルめっきである、請求項１－３の何れか１項に記載の電着砥粒工具の製造方法。

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