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JP7610226B2 - Etching method and etching apparatus - Google Patents
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Description

本発明は、金属表面の結晶組織の観察や、各種材料表面の処理等を目的として行われる固体表面のウェットエッチング処理に用いられるエッチング処理方法、及び、エッチング処理装置に係るものである。 The present invention relates to an etching method and etching processing apparatus used in wet etching of solid surfaces for the purposes of observing the crystal structure of metal surfaces and processing the surfaces of various materials.

一般に、構造材料等として使用される金属は、金属原子によって構成される結晶の粒(結晶粒)が、結晶粒界を介して相互に結合してなる多結晶体であり、当該金属原子の種類と共に、当該多結晶体が形成する金属組織の形態等に応じて、構造材料としての強度等の特性が大きく変化することが知られている。このため、各種の金属材料の健全性等を評価する手段の一つとして、当該金属材料が含む結晶組織を観察することが従来から行われている。 Generally, metals used as structural materials are polycrystalline bodies in which crystal grains (crystal grains) made up of metal atoms are bonded to each other via grain boundaries, and it is known that the strength and other properties of the structural material vary greatly depending on the type of metal atoms and the morphology of the metal structure formed by the polycrystalline body. For this reason, one of the methods for evaluating the soundness of various metallic materials has traditionally been to observe the crystalline structure contained in the metallic material.

例えば、非特許文献1には、各種のプラント等を構成する鉄鋼材料等について、非破壊検査の一つとして、その組織を観察する手法が記載されている。非特許文献1に記載されるように、金属の組織観察を行う際には、観察する表面について粗研磨~仕上げ研磨を行って当該表面を鏡面仕上げした後、各種の薬剤を使用してエッチング(腐食)することにより、観察の目的となる組織を現出させて明瞭な組織観察を可能とする操作が行われる。
上記エッチング処理は、例えば、母相と析出相、結晶粒と結晶粒界、結晶粒の方位の違い等、被観察面に含まれる各種の材質的な相違を利用して、当該相違に応じて凹凸を生じさせたり、着色することで当該相違を強調し、その後の顕微鏡等による観察を明瞭化し、容易にする目的で行われる。
For example, Non-Patent Document 1 describes a technique for observing the structure of steel materials and the like constituting various plants, as one of the non-destructive inspections. As described in Non-Patent Document 1, when observing the structure of a metal, the surface to be observed is roughly polished and then finished to a mirror finish, and then etched (corroded) using various chemicals to reveal the structure to be observed and enable clear observation of the structure.
The above-mentioned etching process is carried out for the purpose of taking advantage of various material differences contained in the surface to be observed, such as between the parent phase and the precipitated phase, between crystal grains and crystal grain boundaries, and differences in crystal grain orientation, and emphasizing the differences by producing irregularities or coloring in accordance with the differences, thereby clarifying and facilitating subsequent observation under a microscope, etc.

上記金属の研磨表面をエッチングする際には、一般に所望のエッチングを生じる成分を水や、アルコール等の有機溶媒に溶解してなるエッチング液を使用して、所定の条件で金属の研磨表面にエッチング液を接触させることで、金属の研磨表面とエッチング液の間で化学反応を生じる結果として所望の組織が現出される。このため、金属表面を均一にエッチングするために、金属の研磨表面とエッチング液の間で生じる化学反応を均一に進展させることが求められる。 When etching the polished surface of the above metal, an etching solution is generally used, which is made by dissolving the components that produce the desired etching in water or an organic solvent such as alcohol. The etching solution is brought into contact with the polished surface of the metal under specified conditions, and a chemical reaction occurs between the polished surface of the metal and the etching solution, resulting in the appearance of the desired structure. For this reason, in order to etch the metal surface uniformly, it is necessary to ensure that the chemical reaction that occurs between the polished surface of the metal and the etching solution progresses uniformly.

つまり、上記のように金属の研磨表面にエッチング液を接触させる際の手法としては、例えば、非特許文献1に記載されるように、エッチング液を含浸させた脱脂綿を研磨表面に接触させる等によっても行うことが可能である。その一方で、例えば、エッチングの進行が研磨表面に接触するエッチング液の成分によって強く影響を受ける系においては、当該エッチング現象を生じる化学反応を均一に進展させるための機構が必要とされている。 In other words, as described above, the method of contacting the polished metal surface with an etching solution can be, for example, by contacting absorbent cotton soaked in the etching solution with the polished surface, as described in Non-Patent Document 1. On the other hand, for example, in a system in which the progress of etching is strongly influenced by the components of the etching solution that contacts the polished surface, a mechanism is needed to uniformly advance the chemical reaction that causes the etching phenomenon.

上記のようなエッチングを均一に進展させるための手段として、例えば、特許文献1には、エッチング液に対して超音波を伝播させることで、被エッチング物の表面に発生する気泡を離脱させる技術が記載されている。また、特許文献2には、被エッチング物である試料を浸漬するエッチング液に対してマイクロバブルを含ませると共に、所定の超音波を印加することによって、エッチングによる腐食ムラを抑制する技術が記載され、マイクロバブルがエッチング液中に存在する状態で超音波を印加することで、所定の共振状態が形成されてエッチング面全体に概ね均等に超音波が伝達されると共に、エッチングに伴う反応生成物である水素ガスがマイクロバブルに吸収されて円滑に除去されることが記載されている。 As a means for uniformly progressing the above-mentioned etching, for example, Patent Document 1 describes a technique for propagating ultrasonic waves through the etching solution to remove bubbles generated on the surface of the object to be etched. Patent Document 2 describes a technique for suppressing uneven corrosion caused by etching by including microbubbles in the etching solution in which the sample to be etched is immersed and applying a predetermined ultrasonic wave, and describes that by applying ultrasonic waves while microbubbles are present in the etching solution, a predetermined resonance state is formed and ultrasonic waves are transmitted roughly evenly to the entire etching surface, and hydrogen gas, a reaction product of etching, is absorbed by the microbubbles and smoothly removed.

また、特許文献3には、循環させたエッチング液をスプレーノズルによってエッチング液の液面に吹き付けることで、被エッチング物の周囲のエッチング液を撹拌するエッチング装置が記載されており、当該機構とすることにより、エッチング液の内部でのエッチング液の撹拌や吐出に比べてエッチングのムラが抑制できることが記載されている。 Patent Document 3 also describes an etching device that stirs the etching liquid around the object to be etched by spraying the circulated etching liquid onto the surface of the etching liquid using a spray nozzle, and describes how this mechanism can reduce unevenness in etching compared to stirring or ejecting the etching liquid from inside the etching liquid.

また、金属表面とエッチング液の間の化学反応に起因して、固相の反応生成物を生じる系においては、当該反応生成物が金属表面に付着してエッチングに対するマスクとして作用し、エッチングの均一性を損なうことが知られている。このため、非特許文献1の他、特許文献4、特許文献5等に記載されるように、エッチング処理によって生じる反応生成物をバフ研磨用の布等を使用した機械的な作用によって適宜除去して、エッチング処理を継続する方法が知られている。 In addition, in systems in which a solid-phase reaction product is generated due to a chemical reaction between the metal surface and the etching solution, it is known that the reaction product adheres to the metal surface and acts as a mask against the etching, impairing the uniformity of the etching. For this reason, as described in Non-Patent Document 1, Patent Documents 4 and 5, etc., a method is known in which the reaction product generated by the etching process is appropriately removed by mechanical action using a buffing cloth or the like, and the etching process is continued.

また、固体表面のウェットエッチング処理は、上記金属の結晶組織の観察の前処理に限定されず、例えば、特許文献6,7等に記載されるように、金属やガラス等の表面の平滑化や粗面化等を目的としても使用されており、そのいずれにおいても目的とするエッチングを効率的に進展させることが期待されている。 In addition, wet etching of solid surfaces is not limited to pretreatment for observing the crystal structure of the above-mentioned metals, but is also used for the purpose of smoothing or roughening the surfaces of metals, glass, etc., as described in, for example, Patent Documents 6 and 7, and is expected to efficiently advance the desired etching in both cases.

特開昭60-39174号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 60-39174 特開2012-247382号公報JP 2012-247382 A 特開2017-168633号公報JP 2017-168633 A 特開平2-141590号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-141590 特開昭62-238380号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-238380 特開平2-149685号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-149685 特開2004-190043号公報JP 2004-190043 A

溶接学会誌 第79巻(2010)第8号,p.760~764Journal of the Japan Welding Society, Vol. 79 (2010), No. 8, pp. 760-764

上記のように、金属の組織観察等の目的で、研磨等がされた金属表面をその目的に応じてエッチングするための各種の手段が提供されているが、エッチング処理に求められる品質の水準の変化や、効率等の向上への希求等により、新たなエッチング方法等の提案が求められている。その他、固体表面のエッチング処理は、各種金属やガラス材料等の固体表面の平滑化や粗面化等を目的としても使用されており、そのいずれにおいても目的とするエッチング処理を効率的に進展させることが期待されている。
本発明は、固体表面に対して簡便に高効率のエッチング処理を可能とする新規なエッチング処理方法、及び当該エッチング処理方法に使用されるエッチング処理装置を提供することを課題とする。
As described above, various means are provided for etching metal surfaces that have been polished or the like in accordance with the purpose, such as for observing the structure of the metal, but proposals for new etching methods, etc. are required due to changes in the level of quality required for etching treatments and the desire for improved efficiency, etc. In addition, etching treatments of solid surfaces are also used for the purpose of smoothing or roughening the solid surfaces of various metals, glass materials, etc., and in both cases, it is expected that the intended etching treatments will proceed efficiently.
An object of the present invention is to provide a novel etching method that enables simple and highly efficient etching of a solid surface, and an etching processing apparatus for use in said etching method.

上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を提供する。
(1)固体表面を被エッチング面として、エッチング液を用いてウェットエッチングを行うエッチング処理方法であって、エッチング液を含浸させたエッチング液保持材を被エッチング面に接触させた状態で、当該エッチング液保持材に超音波を印加するエッチング処理方法。
(2)上記エッチング液保持材は、エッチング槽の内部に保持される上記エッチング液に浸漬されることでエッチング液が含浸されているエッチング処理方法。
(3)上記エッチング液保持材は、公定水分率が3%以上である素材を含むエッチング処理方法。
(4)上記固体は鉄鋼材料であり、当該鉄鋼材料の結晶組織の現出を目的とするエッチング処理方法。
(5)固体表面を被エッチング面として、エッチング液を用いてウェットエッチングを行うエッチング処理装置であって、エッチング液を内部に保持可能なエッチング液保持材と、当該エッチング液保持材に超音波を印加可能な超音波印加手段を有し、エッチング液を含浸させたエッチング液保持材を被エッチング面に接触させた状態で、当該エッチング液保持材に超音波を印加可能であるエッチング処理装置。
(6)上記エッチング液を保持するためのエッチング槽を有し、上記エッチング液保持材は、当該エッチング槽の内部に設置されるエッチング処理装置。
(7)上記エッチング液保持材は、公定水分率が3%以上である素材を含むエッチング処理装置。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following means.
(1) An etching method for performing wet etching using an etching solution on a solid surface as an etching surface, in which ultrasonic waves are applied to an etching solution holding material impregnated with the etching solution while the etching solution holding material is brought into contact with the etching surface.
(2) An etching treatment method in which the etching solution holding material is impregnated with the etching solution by being immersed in the etching solution held inside an etching tank.
(3) The etching method, wherein the etching solution holding material contains a material having an official moisture content of 3% or more.
(4) The solid is a steel material, and the etching method is aimed at revealing the crystal structure of the steel material.
(5) An etching treatment apparatus that performs wet etching using an etching liquid on a solid surface as an etching surface, the etching treatment apparatus having an etching liquid holding material capable of holding the etching liquid therein and an ultrasonic application means capable of applying ultrasonic waves to the etching liquid holding material, and capable of applying ultrasonic waves to the etching liquid holding material while the etching liquid holding material impregnated with the etching liquid is in contact with the etching surface.
(6) An etching treatment apparatus having an etching tank for holding the etching solution, the etching solution holding material being placed inside the etching tank.
(7) An etching treatment device, wherein the etching solution holding material contains a material having an official moisture content of 3% or more.

本発明によれば、固体表面に対する効率的なエッチング処理が可能になる。特に、エッチング反応によって固相の反応生成物を生じる系において、当該反応生成物の固体表面への付着を抑制しながらエッチング処理を進展させることが可能になり、効率的なエッチング処理が可能になる。 The present invention enables efficient etching of solid surfaces. In particular, in a system in which a solid-phase reaction product is produced by an etching reaction, it is possible to proceed with the etching process while suppressing adhesion of the reaction product to the solid surface, enabling efficient etching.

本発明に係るエッチング処理の機構を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the mechanism of an etching process according to the present invention. 本発明に係るエッチング処理装置の形態の一例を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an example of an etching processing apparatus according to the present invention; 本発明に係るエッチング処理装置の形態の一例を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an example of an etching processing apparatus according to the present invention; 本発明に係るエッチング処理の評価に使用した装置の概要を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an overview of an apparatus used for evaluating an etching process according to the present invention. 本発明に係るエッチング処理を行った鉄鋼材料(S45C)の表面の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of the surface of a steel material (S45C) that has been subjected to an etching treatment according to the present invention. エッチング処理後の鉄鋼材料(S45C)の表面の光学顕微鏡写真(比較例)である。1 is an optical microscope photograph (comparative example) of a surface of a steel material (S45C) after etching treatment. エッチング処理後の鉄鋼材料(S45C)の表面の光学顕微鏡写真(比較例)である。1 is an optical microscope photograph (comparative example) of a surface of a steel material (S45C) after etching treatment. エッチング処理後の鉄鋼材料(S45C)の表面の光学顕微鏡写真(比較例)である。1 is an optical microscope photograph (comparative example) of a surface of a steel material (S45C) after etching treatment. 本発明に係るエッチング処理を行った鉄鋼材料(S45C)の表面の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of the surface of a steel material (S45C) that has been subjected to an etching treatment according to the present invention. 本発明に係るエッチング処理を行った鉄鋼材料(SCr415H)の表面の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of the surface of a steel material (SCr415H) that has been subjected to an etching treatment according to the present invention. エッチング処理後の鉄鋼材料(SCr415H)の表面の光学顕微鏡写真(比較例)である。1 is an optical microscope photograph (comparative example) of a surface of a steel material (SCr415H) after etching treatment. エッチング処理後の鉄鋼材料(SCr415H)の表面の光学顕微鏡写真(比較例)である。1 is an optical microscope photograph (comparative example) of a surface of a steel material (SCr415H) after etching treatment. 本発明に係るエッチング処理を行った鉄鋼材料(SCM435)の表面の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of the surface of a steel material (SCM435) that has been subjected to an etching treatment according to the present invention. 本発明に係るエッチング処理を行った鉄鋼材料(SCM435)の表面の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of the surface of a steel material (SCM435) that has been subjected to an etching treatment according to the present invention. 本発明に係るエッチング処理に使用した不織布の状態を示す写真である。1 is a photograph showing the state of a nonwoven fabric used in an etching treatment according to the present invention.

金属の組織観察等の目的で行われるエッチング処理は、例えば、母相と析出相、結晶粒と結晶粒界、結晶粒の方位の違い等、金属等の表面に含まれる各種の材質的な相違に対して、当該相違を顕著化し、又は当該相違を利用して金属等の表面に特有の特徴を付与する目的で行われる。また、エッチング処理は、金属等の表面とエッチング液との間の化学変化を利用するものであり、当該エッチング処理の目的に応じた化学変化が生じるように、エッチング液の成分や濃度、エッチング温度、エッチング時間等が調整される。 Etching, which is carried out for the purpose of observing the structure of metals, etc., is carried out for the purpose of highlighting various material differences contained in the surface of metals, such as differences between parent phases and precipitated phases, crystal grains and grain boundaries, and differences in crystal grain orientation, or of using these differences to give the surface of metals unique characteristics. Etching also makes use of chemical changes between the surface of the metal, etc. and the etching solution, and the components and concentration of the etching solution, etching temperature, etching time, etc. are adjusted so that chemical changes occur according to the purpose of the etching.

一方、金属等の表面とエッチング液の間の化学変化の進展の程度等は、例えば、エッチング液に含まれる各成分の濃度によって変化するものであることから、化学反応の進展に伴って当該化学変化に関与する成分の濃度が低下し、当該化学変化による反応生成物の濃度が高まることによってエッチング処理の進展が阻害されることが避けられない。その結果、仮に少量のエッチング液が金属等の表面に滞留した際には、エッチング液の成分変化によって所望のエッチング反応が進展しない等の現象を生じるものと考えられる。 On the other hand, the degree of progress of the chemical reaction between the surface of the metal or the like and the etching solution varies depending on, for example, the concentration of each component contained in the etching solution. As the chemical reaction progresses, the concentration of the components involved in the chemical reaction decreases, and the concentration of the reaction products of the chemical reaction increases, which inevitably impedes the progress of the etching process. As a result, if a small amount of etching solution remains on the surface of the metal or the like, it is thought that a phenomenon will occur in which the desired etching reaction does not progress due to changes in the components of the etching solution.

上記特許文献1,2に記載される発明は、当該現象を防止して良好にエッチング処理を行うものであって、被エッチング物のエッチングを完了するために十分な量のエッチング液を使用する環境で、各種の方法でエッチング液の撹拌や循環を行うことで、特に被エッチング表面におけるエッチング液の成分変化や不均一の程度を緩和して、均一なエッチングを行おうとするものである。 The inventions described in the above-mentioned Patent Documents 1 and 2 aim to prevent this phenomenon and perform good etching processing. In an environment where a sufficient amount of etching solution is used to complete the etching of the object to be etched, the etching solution is stirred and circulated by various methods, thereby mitigating the degree of change in the composition and non-uniformity of the etching solution, particularly on the surface to be etched, and thereby performing uniform etching.

上記のような技術背景において、エッチング処理が困難な材質等についてのエッチング処理方法を本発明者が検討したところ、意外にも、エッチング液を含浸させることでこれを保持可能な布等を使用し、当該エッチング液を保持した布等を被エッチング表面に接触させた状態で超音波を印加することによって、例えば、特許文献1に記載されるように、単にエッチング液に対して超音波を印加した場合等と比較して、エッチング処理に必要な時間を短縮可能であることを見出した。 In light of the above technical background, the present inventors have investigated etching methods for materials that are difficult to etch, and have unexpectedly discovered that by using a cloth or the like that can be impregnated with an etching liquid and capable of holding the etching liquid, and applying ultrasonic waves while the cloth or the like holding the etching liquid is in contact with the surface to be etched, it is possible to reduce the time required for etching, as compared to the case of simply applying ultrasonic waves to an etching liquid, as described in Patent Document 1, for example.

また、特にエッチング処理によって固相の反応生成物を生じる系においては、当該反応生成物が被エッチング表面に付着して均一なエッチング処理が阻害されるのに対して、上記形態によるエッチングを行うことにより、反応生成物が被エッチング表面に付着することが抑制され、当該反応生成物を除去するためのエッチング処理の中断が不要となって効率的なエッチング処理を行うことが可能になることを見出した。 In addition, in particular in systems in which etching produces solid-phase reaction products, the reaction products adhere to the surface being etched, preventing uniform etching. However, by performing etching in the above-described manner, the reaction products are prevented from adhering to the surface being etched, making it unnecessary to interrupt the etching process to remove the reaction products, and it has been found that this makes it possible to perform an efficient etching process.

上記のように、本発明に係るエッチング処理によって均一なエッチングが可能になり、また固体の反応生成物の被エッチング表面への付着が防止されることで効率的なエッチング処理が可能になる機構は以下のように推察される。 As described above, the etching process according to the present invention enables uniform etching, and the mechanism by which efficient etching is possible by preventing the adhesion of solid reaction products to the surface being etched is believed to be as follows.

図1には、本発明に係るエッチング処理によってエッチングを行う際の、被エッチング表面近傍の様子を模式的に示す。例えば、バフ研磨において研磨剤を保持するために使用される布3等を用いて、当該布3等にエッチング液2を含浸させた状態で被エッチング物1の表面に接触させた際には、図1に示すように、当該布3を構成する繊維要素4の一部が被エッチング物1の表面に接触して存在するものと考えられる。一方、当該布3等に含浸したエッチング液2は、当該布3を構成する繊維要素4の空隙を充填するように存在する結果、被エッチング物1の表面に繊維要素4とエッチング液2の両者が接触した状態が形成されるものと考えられる。 Figure 1 shows a schematic diagram of the state near the surface to be etched when etching is performed by the etching process according to the present invention. For example, when a cloth 3 or the like used to hold an abrasive in buffing is used and the cloth 3 or the like is impregnated with etching liquid 2 and brought into contact with the surface of the object to be etched 1, as shown in Figure 1, it is considered that some of the fiber elements 4 constituting the cloth 3 are in contact with the surface of the object to be etched 1. On the other hand, the etching liquid 2 impregnated in the cloth 3 or the like is present so as to fill the gaps in the fiber elements 4 constituting the cloth 3, and as a result, it is considered that a state is formed in which both the fiber elements 4 and the etching liquid 2 are in contact with the surface of the object to be etched 1.

上記の状態において、適宜の手段を使用して布3やエッチング液2に対して超音波が印加されることで、エッチング液2の内部に振動が誘起されると共に、繊維要素4の振動20が誘起され、特に被エッチング物1の表面に接触する繊維要素4の部位は、被エッチング物1の表面との接触を維持した状態で所定の振幅の振動を生じるものと考えられる。 In the above state, ultrasonic waves are applied to the cloth 3 and the etching solution 2 using an appropriate means, which induces vibrations inside the etching solution 2 and also induces vibrations 20 in the fiber elements 4. In particular, it is believed that the parts of the fiber elements 4 that come into contact with the surface of the object to be etched 1 generate vibrations of a predetermined amplitude while maintaining contact with the surface of the object to be etched 1.

一般に、固体表面と流体の界面においては、界面の流体側に流体が流動し難い境界層が形成されることが知られており、この境界層内においてエッチング処理の進展によってエッチング液の成分変化を生じた場合には、その後のエッチング処理の進展が阻害されるものと考えられる。当該境界層の厚みは、流体の流動速度を高めたり、超音波の印加によって生じるキャビテーション等によって低減可能と考えられることから、上記特許文献1~3に記載の技術は、各種の手段によってエッチング液を撹拌することによって、被エッチング面の表面の境界層の厚みを低減してエッチング処理の進展を促すものと考えられる。 It is generally known that at the interface between a solid surface and a fluid, a boundary layer is formed on the fluid side of the interface, through which the fluid has difficulty flowing. If the etching process progresses within this boundary layer and the composition of the etching solution changes, the progress of the subsequent etching process is thought to be hindered. The thickness of the boundary layer is thought to be able to be reduced by increasing the flow speed of the fluid or by cavitation caused by the application of ultrasonic waves, and therefore the techniques described in the above Patent Documents 1 to 3 are thought to promote the progress of the etching process by reducing the thickness of the boundary layer on the surface of the surface to be etched by agitating the etching solution by various means.

一方、本発明のエッチング処理においては、エッチング液2の内部において繊維要素4が被エッチング物1の表面との接触を維持した状態で振動することによって、被エッチング物1の表面近傍が機械的に撹拌され、エッチング液内の境界層が継続して破壊されることでエッチング液が均一化され、被エッチング面近傍のエッチング液の成分変化が抑制されてエッチング効率の向上が図られるものと推察される。 On the other hand, in the etching process of the present invention, the fiber elements 4 inside the etching solution 2 vibrate while maintaining contact with the surface of the object 1 to be etched, mechanically stirring the area near the surface of the object 1 to be etched, and the boundary layer within the etching solution is continuously destroyed, homogenizing the etching solution, suppressing changes in the composition of the etching solution near the surface to be etched, and improving the etching efficiency.

つまり、本発明は、所定のエッチング液を用いて固体表面をウェットエッチングする際に、エッチング液を内部に保持可能な布等のエッチング液保持材を使用して、当該エッチング液保持材にエッチング液を含浸させて保持した状態でエッチング対象である固体表面に接触させ、その状態でエッチング液保持材やエッチング液に超音波を印加することにより固体表面のエッチング処理を行うものである。 In other words, when wet etching a solid surface using a specific etching solution, the present invention uses an etching solution holding material such as a cloth capable of holding the etching solution inside, and while the etching solution holding material is impregnated with the etching solution and holds the etching solution, it is brought into contact with the solid surface to be etched, and in this state ultrasonic waves are applied to the etching solution holding material and the etching solution to perform the etching process on the solid surface.

図2及び図3には、本発明によってエッチング処理を行う際の構成の一例をそれぞれ示す。図2に示すように、本発明に係るエッチングは、被エッチング面に対してエッチング液を内部に保持可能なエッチング液保持材5を接触して配置し、当該エッチング液保持材5にエッチング液2を含浸させて保持させた状態で、超音波発生手段7によって発生させた超音波を適宜の音響特性を有する振動子6を介してエッチング液保持材5とエッチング液2に印加することによって行うことができる。また、図2に示す形態でエッチング処理を行う場合には、エッチング液の漏出を防止するための壁9等を設けることも好ましい。 2 and 3 show an example of the configuration when performing the etching process according to the present invention. As shown in FIG. 2, the etching according to the present invention can be performed by placing an etching solution holding material 5 capable of holding an etching solution inside in contact with the surface to be etched, impregnating and holding the etching solution 2 in the etching solution holding material 5, and applying ultrasonic waves generated by an ultrasonic generating means 7 to the etching solution holding material 5 and the etching solution 2 via a transducer 6 having appropriate acoustic characteristics. When performing the etching process in the form shown in FIG. 2, it is also preferable to provide a wall 9 or the like to prevent leakage of the etching solution.

また、本発明に係るエッチング方法は、図3に示すように、エッチング液2を保持するエッチング槽8内に、被エッチング面がエッチング液保持材5に接触するように被エッチング物1を配置して、超音波発生手段7等によってエッチング槽8に超音波を印加することによっても実施することができる。その際には、図3(a)に示すように、エッチング液保持材5の上面に被エッチング面を配置することで、被エッチング物1の重量によってエッチング液保持材5と被エッチング面を接触させても良く、図3(b)に示すように、被エッチング面の上面にエッチング液保持材5を配置して、更に加重体11を使用することでエッチング液保持材5と被エッチング面を接触させる等をしてもよい。 The etching method according to the present invention can also be carried out by placing the object 1 to be etched in an etching tank 8 holding an etching solution 2 so that the surface to be etched is in contact with the etching solution holding material 5, as shown in FIG. 3, and applying ultrasonic waves to the etching tank 8 by an ultrasonic generating means 7 or the like. In this case, as shown in FIG. 3(a), the surface to be etched may be placed on the upper surface of the etching solution holding material 5, so that the etching solution holding material 5 and the surface to be etched are brought into contact by the weight of the object 1 to be etched, or as shown in FIG. 3(b), the etching solution holding material 5 may be placed on the upper surface of the surface to be etched, and a weighted body 11 may be used to bring the etching solution holding material 5 and the surface to be etched into contact.

上記のエッチング液保持材5は、各種の繊維要素4によって構成された織物、編み物、不織布、起毛布、紙状物、綿状物(繊維塊)等の他、海綿や合成高分子で構成されるスポンジ等の多孔質物質等のように、微小な空隙を有することでエッチング液の表面張力の作用などによってエッチング液を保持可能な構造を有するものであれば、特に限定されずにエッチング液保持材5として使用することができる。 The etching solution holding material 5 can be any material that has a structure capable of holding the etching solution by the action of the surface tension of the etching solution due to the presence of minute voids, such as woven fabrics, knitted fabrics, nonwoven fabrics, raised fabrics, paper-like materials, cotton-like materials (fiber masses) and the like made up of various fiber elements 4, as well as porous materials such as sponges made up of sea sponges and synthetic polymers.

また、エッチング液保持材5を構成する繊維要素4としては、綿糸等の植物由来のセルロース繊維や、セルロースを原料とした再生セルロース繊維、ポリ乳酸によって構成される繊維、羊毛や絹糸等のタンパク質等から構成される天然繊維、ポリエステルやPET樹脂等の合成高分子から構成される繊維などを使用することができる。また、エッチング液として各種の反応成分を溶解した水溶液等を使用する場合には、当該エッチング液の保持性を良好にするために、水との間で水和等を生じることによって高い親水性を示すセルロース繊維や再生セルロース繊維、合成高分子繊維などの材質から構成されるエッチング液保持材5を使用することが好ましい。 Fiber elements 4 constituting the etching solution holding material 5 can be cellulose fibers derived from plants such as cotton thread, regenerated cellulose fibers made from cellulose, fibers made from polylactic acid, natural fibers made from proteins such as wool and silk thread, and fibers made from synthetic polymers such as polyester and PET resin. When using an aqueous solution in which various reactive components are dissolved as the etching solution, it is preferable to use an etching solution holding material 5 made from a material such as cellulose fiber, regenerated cellulose fiber, or synthetic polymer fiber that exhibits high hydrophilicity by hydrating with water, in order to improve the retention of the etching solution.

繊維等が水に対して示す親和性は、例えば、室温雰囲気において各種の繊維が吸湿することによって示す重量変化の程度(水分率)によって評価することができる。本発明において、特にエッチング液保持材が親水性であると記載する場合には、当該エッチング液保持材を構成する材質が標準状態(20℃、湿度65%)において示す公定水分率が3%以上であることを意味するものとし、特に当該水分率が5%以上、或いは10%以上である材質によって構成されることにより、エッチング液保持材が良好に水系のエッチング液を保持することが可能となる。 The affinity of fibers, etc. for water can be evaluated, for example, by the degree of weight change (moisture content) that various fibers exhibit when absorbing moisture in a room temperature atmosphere. In the present invention, when an etching solution holding material is described as being hydrophilic, this means that the material constituting the etching solution holding material has an official moisture content of 3% or more under standard conditions (20°C, humidity 65%), and in particular, by being composed of a material with a moisture content of 5% or more, or 10% or more, the etching solution holding material can hold the aqueous etching solution well.

水分率の観点からは、例えば、羊毛(公定水分率:16%程度)、シルク、麻(同:9%程度)、綿(同:7%程度)等の天然繊維や、レーヨン、キュプラ(同:13%程度)等の再生セルロース繊維等を含むエッチング液保持材を使用することによって、特に水系のエッチング液がエッチング液保持材内の空隙に良好に保持され、被エッチング面に対してエッチング液保持材を構成する繊維要素とエッチング液の両方を接触させることができる。 From the viewpoint of moisture content, for example, by using an etching solution holding material containing natural fibers such as wool (official moisture content: about 16%), silk, hemp (about 9%), cotton (about 7%), or regenerated cellulose fibers such as rayon and cupra (about 13%), the aqueous etching solution is particularly well held in the voids within the etching solution holding material, and both the fiber elements that make up the etching solution holding material and the etching solution can be brought into contact with the surface to be etched.

また、上記レーヨン、キュプラ等の再生セルロース繊維では、その紡糸の際に繊維径が自由に設定可能であり、特に繊維径が数10μm程度以下、特に20μm以下、更に10μm以下の微細な繊維とすることが可能であり、エッチング液の表面張力が有効に作用することで高い保水性を示すエッチング液保持材を構成することが可能である。また、エッチング液保持材を構成する繊維を微細にすることで、隣接する繊維要素の間の平均的な距離を縮小可能であり、特に高い周波数であって振幅の限られる超音波を印加した際にも、繊維要素が被エッチング面に接触して掃く際に生じるムラを抑制することができる。 In addition, the fiber diameter of the regenerated cellulose fibers such as rayon and cupra can be freely set during spinning, and it is possible to make fine fibers with a fiber diameter of tens of μm or less, especially 20 μm or less, and even 10 μm or less, and it is possible to make an etching solution holding material that exhibits high water retention by effectively using the surface tension of the etching solution. In addition, by making the fibers that make up the etching solution holding material fine, it is possible to reduce the average distance between adjacent fiber elements, and even when applying ultrasonic waves with a particularly high frequency and limited amplitude, it is possible to suppress unevenness that occurs when the fiber elements come into contact with the etched surface and sweep it.

また、エッチング液保持材は複数種の素材によって構成することが可能であって、例えば、主に被エッチング面に接触して、被エッチング面近傍でのエッチング液の流動に寄与する部分と、主にエッチング液の保持に寄与する部分が組み合わされた構造にする等、その目的に応じた構造とすることができる。 The etching solution holding material can be made of multiple types of materials, and can have a structure suited to the purpose, for example, a structure that combines a part that mainly comes into contact with the surface to be etched and contributes to the flow of the etching solution near the surface to be etched with a part that mainly contributes to holding the etching solution.

一方、エッチング液保持材5は、エッチング処理中に超音波振動によって被エッチング物との間で摩擦を生じるため、特に金属組織観察のための前処理等として本発明のエッチング方法を使用する場合には、被エッチング面を傷付けることを防止するために被エッチング物よりも十分に硬さの低い材質で構成されるエッチング液保持材5を使用することが望ましい。 On the other hand, since friction occurs between the etching solution holding material 5 and the object to be etched due to ultrasonic vibration during the etching process, it is desirable to use an etching solution holding material 5 made of a material that is sufficiently less hard than the object to be etched in order to prevent scratching the surface to be etched, particularly when using the etching method of the present invention as a pretreatment for metal structure observation.

例えば、図3に示すように、エッチング液2を保持したエッチング槽8の内部等でエッチング処理を行う場合には、エッチング液保持材5からのエッチング液の漏出の恐れが無いため、主に使い勝手や入手のし易さ等の点からエッチング液保持材5を選択することが可能であり、例えば、脱脂綿や再生セルロース繊維から構成される不織布等を使用してエッチング処理をすることが可能である。 For example, as shown in FIG. 3, when etching is performed inside an etching tank 8 holding an etching solution 2, since there is no risk of leakage of the etching solution from the etching solution holding material 5, it is possible to select the etching solution holding material 5 mainly from the viewpoints of ease of use and availability. For example, it is possible to perform the etching using absorbent cotton or nonwoven fabric made of regenerated cellulose fibers.

一方、図2に示す形態により、主にエッチング液保持材5に含浸されたエッチング液によってエッチング処理を行う場合には、例えば、繊維径が数10μm程度以下、好ましくは10μm以下の微細な再生セルロース繊維等の良好な親水性を示す材質によって構成され、高い保水性を示すエッチング液保持材5を使用することで、例えば、水平でない被エッチング面などのエッチング処理を行うことが可能である。 On the other hand, when etching is performed mainly using an etching solution impregnated in the etching solution holding material 5 as shown in FIG. 2, the etching solution holding material 5 is made of a material that exhibits good hydrophilicity, such as fine regenerated cellulose fibers with a fiber diameter of tens of μm or less, preferably 10 μm or less, and has high water retention, making it possible to perform etching on surfaces to be etched that are not horizontal, for example.

上記のように、本発明に係るエッチング処理においては、エッチング液保持材5を構成する繊維要素4等によって被エッチング表面の近傍を撹拌することで、エッチング液内に形成される境界層を攪乱して効率的なエッチング処理を行うものであり、エッチング液保持材5は全体として柔軟性を有し、容易に被エッチング面に均一に接触可能であるものが好ましく使用される。 As described above, in the etching process according to the present invention, the fibrous elements 4 constituting the etching solution holding material 5 are used to agitate the vicinity of the surface to be etched, thereby disrupting the boundary layer formed within the etching solution and performing an efficient etching process. It is preferable to use an etching solution holding material 5 that is flexible overall and can easily come into uniform contact with the surface to be etched.

本発明に係るエッチング処理においては、被エッチング面に対してエッチング液保持材5を良好に接触させるため、両者が押圧される形態で設置されることが望ましい。当該押圧力を適切に設定することにより、エッチング液保持材が有する張力や被エッチング面の凹凸等に起因して、被エッチング面の一部にエッチング液保持材が接触しない等が防止され、均一なエッチング処理を行うことができる。一方、当該押圧力が過大である場合には、被エッチング面に接触するエッチング液保持材の部位が、被エッチング面との間で変位することが妨げられ、境界層を攪乱が不十分となる場合がある。 In the etching process according to the present invention, in order to bring the etching solution holding material 5 into good contact with the surface to be etched, it is desirable to place the two in a form in which they are pressed against each other. By setting the pressing force appropriately, it is possible to prevent the etching solution holding material from not contacting part of the surface to be etched due to the tension of the etching solution holding material or the unevenness of the surface to be etched, and to perform a uniform etching process. On the other hand, if the pressing force is excessive, the part of the etching solution holding material that contacts the surface to be etched may be prevented from being displaced between the surface to be etched and the etching solution holding material, which may result in insufficient disturbance of the boundary layer.

被エッチング面に対してエッチング液保持材5を押圧する圧力は、例えば、被エッチング面が平面状である場合には、0.1~10g/cm程度、或いは0.5~3g/cm程度とすることができる。当該範囲内で圧力を調整することで、エッチング液保持材5を構成する繊維要素4等が被エッチング面に接触する密度や、接触点における圧力を調整することができる。 The pressure with which the etching solution holding material 5 is pressed against the surface to be etched can be, for example, about 0.1 to 10 g/ cm2 , or about 0.5 to 3 g/ cm2 , when the surface to be etched is flat. By adjusting the pressure within this range, it is possible to adjust the density at which the fiber elements 4 constituting the etching solution holding material 5 contact the surface to be etched, and the pressure at the contact points.

被エッチング面に対してエッチング液保持材5を押圧するために、例えば、図2に示す形態によりエッチング処理を行う際には、所定の質量を有する振動子6を使用したり、振動子6に対して外部から力を加える等をすることができる。また、図3に示す形態でエッチング処理を行う際には、エッチング液保持材5上に被エッチング物1を配置することで、被エッチング物1の重量によってエッチング液保持材5と被エッチング面を接触させても良く、更に被エッチング物1の背面に加重を加えることでエッチング液保持材5を強く接触させることも可能である。 When performing the etching process in the form shown in FIG. 2, for example, in order to press the etching solution holding material 5 against the surface to be etched, a vibrator 6 having a predetermined mass can be used, or a force can be applied to the vibrator 6 from the outside. When performing the etching process in the form shown in FIG. 3, the object to be etched 1 can be placed on the etching solution holding material 5, so that the weight of the object to be etched 1 brings the etching solution holding material 5 into contact with the surface to be etched. It is also possible to apply a weight to the back surface of the object to be etched 1 to bring the etching solution holding material 5 into strong contact.

本発明に係るエッチング処理を行う際のエッチング液保持材5の厚みは、当該エッチング処理の形態等に応じて適宜決定することができる。
例えば、図3に示すように、エッチング液保持材5をエッチング液中に浸漬して、平面状の被エッチング面をエッチングする場合には、0.1~5mm程度、或いは0.5~2mmの厚みの布状のエッチング液保持材を使用することで、エッチング液保持材を被エッチング面に接触させることが可能である。また、曲面状や凹凸を有する被エッチング面をエッチングする場合には、当該凹凸等を吸収してその全面に接触可能なスポンジ状のエッチング液保持材を使用し、必要に応じて被エッチング物の背面に適宜の加重を行うこと等により良好なエッチング処理を行うことができる。
The thickness of the etching solution holding material 5 when performing the etching treatment according to the present invention can be appropriately determined depending on the type of the etching treatment, etc.
For example, as shown in Fig. 3, when etching a flat surface to be etched by immersing the etching solution holding material 5 in an etching solution, a cloth-like etching solution holding material having a thickness of about 0.1 to 5 mm, or 0.5 to 2 mm, can be used to bring the etching solution holding material into contact with the surface to be etched. When etching a curved or uneven surface to be etched, a sponge-like etching solution holding material that can absorb the unevenness and come into contact with the entire surface can be used, and an appropriate weight can be applied to the back surface of the object to be etched as necessary, thereby achieving a good etching process.

一方、図2に示す形態で被エッチング面に接触したエッチング液保持材5に保持されるエッチング液によってエッチング処理を行う際には、エッチング処理に十分な量のエッチング液を保持できる程度の厚みを有するエッチング液保持材5を使用することが望ましい。また、図2に示す形態でエッチング処理を行う際に、必要に応じて外部からエッチング液保持材5に対してエッチング液を供給することも有効である。 On the other hand, when performing an etching process using an etching solution held in an etching solution holding material 5 in contact with the surface to be etched in the form shown in FIG. 2, it is desirable to use an etching solution holding material 5 having a thickness sufficient to hold a sufficient amount of etching solution for the etching process. In addition, when performing an etching process in the form shown in FIG. 2, it is also effective to supply an etching solution to the etching solution holding material 5 from the outside as necessary.

本発明に係るエッチング処理においては、超音波が印加される空間にエッチング液保持材5を構成する繊維要素4等とエッチング液2が混在し、両者が同時に被エッチング面に接触した状態でエッチング処理が行われる。当該状態において、繊維要素4等とエッチング液2における超音波の伝達速度等が異なるために超音波の伝播の形態が複雑になり、被エッチング面の近傍における定在波の発生等が抑制され、特に印加する超音波の出力密度を高めた際にも、超音波のエネルギーの局在化に起因した被エッチング物のエロージョン等を抑制することができる。 In the etching process according to the present invention, the etching solution 2 and the fiber elements 4 constituting the etching solution holding material 5 are mixed in the space to which ultrasonic waves are applied, and the etching process is performed with both in contact with the surface to be etched at the same time. In this state, the ultrasonic propagation mode becomes complex due to differences in the ultrasonic transmission speeds between the fiber elements 4 and the etching solution 2, suppressing the generation of standing waves near the surface to be etched, and in particular, even when the power density of the applied ultrasonic waves is increased, erosion of the material to be etched due to localization of ultrasonic energy can be suppressed.

また、特に本発明に係るエッチング処理によって、エッチングに係る化学反応によって固相の反応生成物を生じる系のエッチングを行った際に、当該反応生成物が被エッチング面に固着し難いことが観察された。例えば、特許文献4,5等に記載されるように、特に鉄系の材料のエッチング処理等においては、エッチング液との化学反応によって固相の反応生成物がエッチング面上に析出して固着する現象を生じ、均一なエッチング処理の妨げとなるため、エッチング処理の過程で別にバフ研磨等の機械的研磨によって当該固相の反応生成物を除去することが必要とされていた。 In particular, when etching a system that generates solid-phase reaction products through chemical reactions associated with etching is performed using the etching process according to the present invention, it has been observed that the reaction products are less likely to adhere to the surface being etched. For example, as described in Patent Documents 4 and 5, particularly in etching processes for iron-based materials, a phenomenon occurs in which solid-phase reaction products precipitate and adhere to the etching surface through chemical reactions with the etching solution, which hinders uniform etching, and therefore it has been necessary to remove the solid-phase reaction products by mechanical polishing such as buffing during the etching process.

一方、本発明に係るエッチング方法によれば、反応生成物の被エッチング面への固着が抑制されるために、エッチング処理を中断することなく処理を完了することが可能となり効率的な処理が可能となる。
上記のように、本発明に係るエッチング方法によって被エッチング面への反応生成物の固着が抑制される機構は明らかではないが、上記のようにエッチング液保持材5による撹拌の効果によって被エッチング面の表面近傍でのエッチング液の成分変化が抑制される結果として、反応生成物の濃度の局所的な上昇が防止されるために、その析出量が抑制されることが考えられる。
On the other hand, according to the etching method of the present invention, adhesion of reaction products to the surface to be etched is suppressed, so that the etching process can be completed without interruption, enabling efficient processing.
As described above, the mechanism by which the etching method of the present invention suppresses adhesion of reaction products to the etched surface is not clear; however, it is thought that the stirring effect of the etching solution holding material 5 as described above suppresses changes in the components of the etching solution near the surface of the etched surface, thereby preventing a local increase in the concentration of reaction products and suppressing the amount of precipitation.

また、エッチング液保持材5を接触させた状態で上記の系のエッチング処理を行った後に、当該エッチング液保持材5の内部に固相の析出物が観察される場合があることから、反応生成物の析出の初期にエッチング液保持材5の接触によって析出物が被エッチング面から機械的な作用によって除去される機構や、被エッチング面の近傍に固相としてのエッチング液保持材が存在することにより、反応生成物がエッチング液保持材の表面に核生成と析出を生じる等の機構の存在が考えられた。 In addition, after performing the etching process of the above system with the etching solution holding material 5 in contact, solid-phase precipitates may be observed inside the etching solution holding material 5. This suggests the existence of a mechanism in which precipitates are mechanically removed from the etched surface by contact with the etching solution holding material 5 in the early stages of precipitation of reaction products, or the presence of the etching solution holding material as a solid phase near the etched surface causes nucleation and precipitation of reaction products on the surface of the etching solution holding material.

本発明に係るエッチング処理においては、被エッチング物に応じて一般に使用されるエッチング液を使用することができる。例えば、鉄鋼材料のエッチング処理においては、塩化第二鉄の水溶液、硝酸のエタノール溶液、ピクリン酸の水溶液やエチルエーテル溶液等を使用することができる。また、チタン合金のエッチング処理においてはフッ酸と硝酸の混酸水溶液、アルミニウム合金に対してはフッ酸と塩酸、硝酸等の混酸水溶液、苛性ソーダ水溶液、銅合金に対しては塩酸のエタノール溶液や過硫酸アンモニウム水溶液を用いることができる。また、金属以外の被エッチング物について、例えば、ガラス等に対してはフッ酸水溶液等を使用してエッチングを行うことができる。 In the etching process according to the present invention, etching solutions that are commonly used can be used depending on the material to be etched. For example, in the etching process for steel materials, an aqueous solution of ferric chloride, an ethanol solution of nitric acid, an aqueous solution of picric acid, an ethyl ether solution, etc. can be used. In addition, in the etching process for titanium alloys, an aqueous mixed acid solution of hydrofluoric acid and nitric acid can be used, for aluminum alloys, an aqueous mixed acid solution of hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, etc., an aqueous caustic soda solution can be used, and for copper alloys, an ethanol solution of hydrochloric acid or an aqueous ammonium persulfate solution can be used. In addition, for materials to be etched other than metals, for example, for glass, etc., an aqueous hydrofluoric acid solution can be used for etching.

本発明に係るエッチング処理において、エッチング液を含浸させたエッチング液保持材に超音波を印加するための超音波印加手段としては、所定の出力で20~200kHz程度の周波数の振動を励起できるものであれば、特に制限無く使用することができる。 In the etching process according to the present invention, any ultrasonic application means can be used to apply ultrasonic waves to the etching solution holding material impregnated with the etching solution, as long as it can excite vibrations with a frequency of about 20 to 200 kHz with a specified output.

例えば、図2に示すような形態で、エッチング液を含浸させたエッチング液保持材5を被エッチング面に接触して配置してエッチング処理を行う際には、例えば、超音波カッター等の名称で販売される超音波発生手段を使用して、エッチング液保持材5の背面に配置した振動子6に対して超音波を励起することにより、エッチング液保持材5、及び、エッチング液保持材に保持されているエッチング液に対して超音波を印加することができる。 For example, when performing an etching process by placing an etching solution holding material 5 impregnated with an etching solution in contact with a surface to be etched as shown in FIG. 2, ultrasonic waves can be applied to the etching solution holding material 5 and the etching solution held in the etching solution holding material by exciting ultrasonic waves to a transducer 6 placed on the back surface of the etching solution holding material 5 using an ultrasonic generating means sold under the name of, for example, an ultrasonic cutter.

また、図3に示すような形態で、被エッチング面をエッチング液中に浸漬してエッチング処理を行う場合には、例えば、超音波洗浄機等の液体に対して超音波を印加するための装置を利用して、超音波が印加可能な槽の内部にエッチング液とエッチング液保持材を配置して、当該エッチング液保持材に被エッチング面が接触するように被エッチング物を配置することにより、エッチング液やエッチング液保持材5に対して超音波を印加することができる。 In addition, when performing an etching process by immersing the surface to be etched in an etching solution as shown in FIG. 3, for example, an ultrasonic cleaner or other device for applying ultrasonic waves to liquid can be used to place the etching solution and the etching solution holding material inside a tank to which ultrasonic waves can be applied, and the object to be etched is placed so that the surface to be etched is in contact with the etching solution holding material, thereby applying ultrasonic waves to the etching solution and the etching solution holding material 5.

本発明に係るエッチング処理は、超音波を印加したエッチング液を使用して固体表面をウェットエッチングする従来のエッチング処理において、当該エッチング処理を行う被エッチング表面に対して、エッチング液を保持するためのエッチング液保持材を接触させることによって行うことが可能であり、金属や無機材料等の固体表面に対する各種のエッチング処理に適用することで、エッチング処理の時間を短縮し、また反応生成物の固着等を抑制することによってエッチング処理の中断が抑制可能となる。 The etching process according to the present invention can be performed by contacting an etching solution holding material for holding the etching solution with the surface to be etched, which is a conventional etching process in which a solid surface is wet-etched using an etching solution to which ultrasonic waves are applied. By applying this to various etching processes for solid surfaces such as metals and inorganic materials, the etching process time can be shortened and the interruption of the etching process can be suppressed by suppressing the adhesion of reaction products.

本発明に係るエッチング処理は、例えば、被エッチング表面におけるエッチング反応の選択比を拡大する等の目的で、エッチング液内での各種成分の濃度が低く保たれ、又は、低温でのエッチング処理が必要であり、エッチングに長時間を有する系に好ましく適用することができる。 The etching process according to the present invention can be preferably applied to systems in which the concentrations of various components in the etching solution are kept low or etching is required at low temperatures, for example, to increase the selectivity ratio of the etching reaction on the surface to be etched, and etching takes a long time.

また、例えば、鉄系の材料の組織観察のためのエッチング処理のように、エッチング反応によって固相の反応生成物が生成して被エッチング面に固着する系に本発明に係るエッチング処理を適用することで、当該固相の反応生成物の被エッチング面への固着が抑制され、高精度のエッチングを効率的に行うことが可能となる。 In addition, by applying the etching process according to the present invention to a system in which a solid-phase reaction product is generated by the etching reaction and adheres to the surface to be etched, such as an etching process for observing the structure of an iron-based material, the adhesion of the solid-phase reaction product to the surface to be etched is suppressed, making it possible to perform highly accurate etching efficiently.

また、上記金属の結晶組織の観察の前処理としてのウェットエッチング処理以外にも、本発明に係るエッチング処理は、金属やガラス等の表面の平滑化や粗面化等を目的としたエッチング処理に適用することが可能であって、特にエッチング反応によって著しいエッチング液の消耗が生じる系や、目的のエッチング反応を生じさせる際のエッチング液の組成の許容範囲が狭い系、エッチング反応によって固相の反応生成物を生じることで所望のエッチング処理が阻害される系等に好ましく使用することができる。 In addition to the wet etching process as a pretreatment for observing the crystal structure of the above metals, the etching process according to the present invention can also be applied to etching processes aimed at smoothing or roughening the surfaces of metals, glass, etc., and can be preferably used in systems in which the etching reaction causes significant consumption of the etching solution, systems in which the acceptable range of the composition of the etching solution when causing the desired etching reaction is narrow, and systems in which the etching reaction produces solid-phase reaction products that inhibit the desired etching process.

以下、本発明に係るエッチング処理について、焼入れ処理を経た鉄鋼材料において観察される旧オーステナイト粒界のエッチング処理による現出を例として、本発明をより具体的に説明するが、本発明は当該実施例に限定して解釈されるべきものではない。 The etching process according to the present invention will be explained in more detail below, taking as an example the appearance of prior austenite grain boundaries observed in steel materials that have undergone quenching treatment, but the present invention should not be interpreted as being limited to these examples.

表1には、本発明に係るエッチング処理の試料として使用した鉄鋼材料、及びその熱処理条件を示す。評価に使用した鋼材は、いずれもオーステナイト組織となる温度領域まで加熱した後に急速冷却をすることで非拡散の相変態により硬度等の高いマルテンサイト組織を導入する、いわゆる焼入れ処理の熱履歴を有するものであり、その結晶組織内に当該オーステナイト組織の際の結晶粒界である旧オーステナイト粒界を有するものである。 Table 1 shows the steel materials used as samples for the etching process according to the present invention, and the heat treatment conditions. All of the steel materials used in the evaluation had a thermal history of a so-called quenching process, in which the steel was heated to a temperature range where an austenite structure was formed, and then rapidly cooled to introduce a martensite structure with high hardness etc., by a non-diffusion phase transformation, and the crystal structure had prior austenite grain boundaries, which were the crystal grain boundaries of the austenite structure.

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焼入れ処理を行った鉄鋼材料においては、上記オーステナイト化した際の結晶粒の大きさに応じて強度、靱性、耐食性等の機械的特性が変化するため、材質の管理等を目的として、旧オーステナイト粒界の観察が行われる。一方、例えば、特許文献5等に記載されるように、焼入れ処理された各種の鉄鋼材料において旧オーステナイト粒界を現出させるためのエッチング処理は種々の問題を伴うものであり、これを回避するための手段が提案される等、難易度の高いエッチング処理である。 In steel materials that have been quenched, mechanical properties such as strength, toughness, and corrosion resistance change depending on the size of the crystal grains when the material is austenitized, so prior austenite grain boundaries are observed for the purpose of material management, etc. On the other hand, as described in Patent Document 5, for example, etching to reveal prior austenite grain boundaries in various quenched steel materials is accompanied by various problems, and measures to avoid these problems have been proposed, making this an extremely difficult etching process.

図4には、本発明に係るエッチング処理の評価に使用した装置を模式的に示す。使用した試料は、一辺が1cm程度の立方体状に切り出した各鉄鋼材料を、当該立方体の一面が露出するように直径φ30mm、高さ25mm程度のエポキシ樹脂に埋め込んだものを被エッチング物(試料)1として、当該鉄鋼材料の露出した面をエメリー紙及びバフ研磨を用いて鏡面研磨し、この面を被エッチング面として以下のエッチング処理を行った。 Figure 4 shows a schematic diagram of the apparatus used to evaluate the etching process according to the present invention. The samples used were each steel material cut into a cube with a side length of approximately 1 cm, embedded in epoxy resin with a diameter of φ30 mm and a height of approximately 25 mm so that one side of the cube was exposed, and used as the etched object (sample) 1. The exposed surface of the steel material was mirror-polished using emery paper and buff polishing, and this surface was used as the etched surface for the following etching process.

エッチング液2は、一般に旧オーステナイト粒界の現出などに使用される、水100gに対してピクリン酸2g、塩化ナトリウム0.15g、硫酸ナトリウム0.07g、界面活性剤5gを溶解したものを使用し、250ml程度の当該エッチング液を入れたエッチング槽8としてのガラス製ビーカー(内容積;500ml)内において、各試料に対し室温雰囲気で所定時間の浸漬を行うことでエッチング処理を行った。 The etching solution 2 is generally used for revealing prior austenite grain boundaries, and is made by dissolving 2 g of picric acid, 0.15 g of sodium chloride, 0.07 g of sodium sulfate, and 5 g of surfactant in 100 g of water. Each sample was immersed in a glass beaker (volume: 500 ml) as an etching tank 8 containing approximately 250 ml of the etching solution at room temperature for a specified period of time to perform the etching process.

なお、エッチング処理において、エッチング液保持材5を被エッチング面に接触させる際には、平均線径が10μm程度の再生セルロース繊維(キュプラ)からなる不織布(ベンコット(登録商標))をエッチング液保持材5として当該ビーカーの底面に敷き入れ(乾燥状態での厚み:1mm程度)、上記試料の被エッチング面を下側になるようにして上記エッチング液保持材上に設置し、試料の自重で被エッチング面とエッチング液保持材に接触させた。また、エッチング液保持材5を使用しない条件では、上記試料の被エッチング面が上側になるようにしてエッチング液中に浸漬した。 In the etching process, when the etching solution holding material 5 was brought into contact with the surface to be etched, a nonwoven fabric (Bencotto (registered trademark)) made of regenerated cellulose fibers (cupra) with an average fiber diameter of about 10 μm was laid on the bottom of the beaker as the etching solution holding material 5 (thickness in dry state: about 1 mm), and the sample was placed on the etching solution holding material with the surface to be etched facing downward, and the surface to be etched and the etching solution holding material were brought into contact with each other under the weight of the sample. In addition, when the etching solution holding material 5 was not used, the sample was immersed in the etching solution with the surface to be etched facing upward.

エッチング中に超音波を印加する処理においては、試料を浸漬したエッチング槽8を、速やかに振動伝達物11としての水道水を入れた超音波洗浄機12(Bransonic1210J型:日本エマソン(株))内に設置し、室温で所定時間の超音波印加を行った。また、エッチング中に超音波を印加しない処理においては、試料を浸漬したエッチング槽8を所定時間、静置してエッチング処理を行った。
所定時間のエッチング処理を行った試料は、取り出して水洗し、その後に必要に応じて希釈した中性洗剤を含ませた脱脂綿と流水で被エッチング面に付着した介在物を洗浄除去した後、ブロアーで乾燥させて光学顕微鏡観察を行った。
In the treatment in which ultrasonic waves were applied during etching, the etching tank 8 in which the sample was immersed was quickly placed in an ultrasonic cleaner 12 (Bransonic 1210J type: Emerson Japan, Ltd.) containing tap water as a vibration transmitter 11, and ultrasonic waves were applied for a predetermined time at room temperature. In the treatment in which ultrasonic waves were not applied during etching, the etching tank 8 in which the sample was immersed was left stationary for a predetermined time to perform the etching treatment.
After etching for a specified time, the samples were removed and washed with water. If necessary, inclusions adhering to the etched surface were washed off with absorbent cotton soaked in diluted neutral detergent and running water, and then the samples were dried with a blower and observed under an optical microscope.

図5A~Eには、上記S45C材を各種の条件でエッチング処理した後の被エッチング面の光学顕微鏡写真を示す。図5A~Dにおいて、エッチング処理の際に超音波を印加したものは「US」、被エッチング面とエッチング液保持材に接触させたものは「BF」と記載し、エッチング液への浸漬時間をそれぞれ付記した。 Figures 5A to 5E show optical microscope photographs of the etched surface of the S45C material after etching under various conditions. In Figures 5A to 5D, the surface to be etched in which ultrasonic waves were applied during the etching process is indicated as "US," and the surface to be etched in which the etching solution holding material was brought into contact is indicated as "BF," with the immersion time in the etching solution also indicated.

図5Aに示すように、被エッチング面とエッチング液保持材を接触させた状態で超音波を印加した試料では、5分間のエッチング処理によって数10μm程度の旧結晶粒を区画する旧オーステナイト粒界と考えられるコントラストが得られた。また、試料の表面には、エッチング中に接触していたエッチング液保持材に起因すると思われるような傷等は観察されなかった。 As shown in Figure 5A, in the sample where ultrasonic waves were applied while the etched surface was in contact with the etching solution holding material, a contrast that was thought to be a prior austenite grain boundary that separates prior crystal grains of about several tens of microns was obtained after 5 minutes of etching. In addition, no scratches or other defects that were thought to be caused by the etching solution holding material that was in contact with the sample during etching were observed on the surface of the sample.

一方、エッチング液保持材を使用せずに超音波を印加した試料(図5B)では、5分間のエッチング処理によっては旧オーステナイト粒界等の結晶組織に由来するコントラストは得られなかった。また、被エッチング面とエッチング液保持材に接触させた状態で静置した試料(図5C)においても、5分間のエッチング処理によっては結晶組織に由来するコントラストは得られなかった。更に、エッチング液中に30分間の浸漬をすることで処理を行った試料(図5D)においても、結晶組織に由来するコントラストは得られなかった。 On the other hand, in the sample to which ultrasound was applied without using an etching solution retaining material (Figure 5B), contrast derived from crystalline structure such as prior austenite grain boundaries was not obtained by the 5-minute etching process. Moreover, in the sample that was left in a state where the etched surface was in contact with the etching solution retaining material (Figure 5C), contrast derived from crystalline structure was not obtained by the 5-minute etching process. Furthermore, in the sample that was treated by immersing in the etching solution for 30 minutes (Figure 5D), contrast derived from crystalline structure was not obtained.

また、被エッチング面をエッチング液保持材に接触させた状態で超音波を10分間、印加した試料(図5E)では、5分間のエッチング処理した試料(図5A)と比較して、主に結晶粒内にコントラストを生じることが観察され、5分間程度のエッチング処理によって旧オーステナイト粒界の現出が十分に行われることが推察された。 In addition, in a sample in which ultrasonic waves were applied for 10 minutes while the etched surface was in contact with an etching solution holder (Figure 5E), contrast was observed to occur mainly within the crystal grains, compared to a sample etched for 5 minutes (Figure 5A), suggesting that etching for about 5 minutes is sufficient to reveal prior austenite grain boundaries.

以上の結果から、被エッチング面に対して、エッチング液を含浸したエッチング液保持材を接触させた状態で超音波を印加することによって、短時間で明瞭な旧オーステナイト粒界の現出を行えることが示された。この結果は、被エッチング面にエッチング液保持材が接触した状態で超音波が印加されることにより、被エッチング面の表面近傍に生成するエッチング液の境界層が有効に撹拌され、被エッチング面の表面近傍でのエッチング液の成分変化が抑制されて、被エッチング面とエッチング液の間の化学反応が継続して進展するためと推察された。 These results show that applying ultrasonic waves to the surface to be etched while an etching solution holding material impregnated with etching solution is in contact with the surface to be etched can reveal clear prior austenite grain boundaries in a short period of time. This result is believed to be due to the fact that applying ultrasonic waves while the etching solution holding material is in contact with the surface to be etched effectively stirs the boundary layer of the etching solution that forms near the surface of the surface to be etched, suppressing changes in the composition of the etching solution near the surface of the surface to be etched, and allowing the chemical reaction between the surface to be etched and the etching solution to continue to progress.

図6A~Cには、上記SCr415H材を各種の条件でエッチング処理した後の被エッチング面の光学顕微鏡写真を示す。図6A~C中の「US」、「BF」、エッチング液への浸漬時間等の記載は図1と同様である。 Figures 6A to 6C show optical microscope photographs of the etched surface of the above-mentioned SCr415H material after etching under various conditions. The descriptions of "US", "BF", immersion time in the etching solution, etc. in Figures 6A to 6C are the same as those in Figure 1.

図6Aに示すように、被エッチング面に対してエッチング液保持材を接触させた状態で超音波を印加する本発明に係るエッチング処理により、SCr415H材においても5分間のエッチング処理によって数10μm程度の粒度を区画する旧オーステナイト粒界と考えられるコントラストが得られた。一方、エッチング液保持材を使用せずに超音波を印加した試料(図6B)や、エッチング液保持材に接触させた状態で静置した試料(図6C)では、一部に旧オーステナイト粒界と考えられるコントラストが観察されるが、その明瞭度が図6Aに及ばないことが観察された。 As shown in Figure 6A, the etching process according to the present invention, in which ultrasonic waves are applied while an etching solution holding material is in contact with the surface to be etched, produced a contrast believed to be a prior austenite grain boundary that divides grain sizes of about tens of microns, even in SCr415H material, after a 5-minute etching process. On the other hand, in the sample to which ultrasonic waves were applied without using an etching solution holding material (Figure 6B) and the sample that was left stationary while in contact with the etching solution holding material (Figure 6C), contrast believed to be a prior austenite grain boundary was observed in some places, but the clarity was not as clear as in Figure 6A.

図7A,Bには、上記SCM435材に対して本発明に係るエッチング処理をした後の被エッチング面の光学顕微鏡写真を示す。図7A,B中の「US」、「BF」、エッチング液への浸漬時間等の記載は図5と同様である。
特に、図7Aに示すように、SCM435材に対して本発明に係るエッチング処理を行うことで、2分間程度の短時間のエッチングによっても旧オーステナイト粒界と考えられるコントラストが明瞭に現出することが観察された。
7A and 7B show optical microscope photographs of the etched surface of the SCM435 material after the etching process according to the present invention. The notations "US", "BF", and immersion time in the etching solution in Fig. 7A and 7B are the same as those in Fig. 5.
In particular, as shown in FIG. 7A, it was observed that by subjecting SCM435 material to the etching process according to the present invention, a contrast believed to be a prior austenite grain boundary clearly appeared even after etching for a short period of time, such as about 2 minutes.

エッチング処理による旧オーステナイト粒界等の現出には、当該粒界が有する個別の構造が影響し、特に当該粒界に析出して存在する合金成分等によって旧オーステナイト粒界の現出の容易性が変化し、粒内とのエッチングの選択比等が変化するものと考えられる。このことから、旧オーステナイト粒界等の現出の程度は鉄鋼材料が含む合金成分や熱処理の履歴等によって変化し、本発明に係るエッチング処理の効果の程度が試料とした鉄鋼材料に応じて変化するものと推察された。 The appearance of prior austenite grain boundaries and the like by etching is influenced by the individual structure of the grain boundaries, and in particular, it is believed that the ease with which prior austenite grain boundaries are revealed varies depending on the alloy components present as precipitates at the grain boundaries, and that the etching selectivity with respect to the grain interior varies. From this, it was inferred that the degree of appearance of prior austenite grain boundaries and the like varies depending on the alloy components contained in the steel material and the heat treatment history, and that the degree of effect of the etching treatment according to the present invention varies depending on the steel material used as the sample.

一方、上記のように本発明に係るエッチング処理によれば、現出が困難な材質においても旧オーステナイト粒界の現出が可能となると共に、短時間のエッチング処理によって旧オーステナイト粒界等が明瞭に現出可能であることが示された。 On the other hand, as described above, the etching process according to the present invention makes it possible to reveal prior austenite grain boundaries even in materials where this is difficult, and it has been shown that prior austenite grain boundaries can be clearly revealed by a short etching process.

図8には、上記S45C材を含む試料を、上記エッチング液を使用して被エッチング面とエッチング液保持材を接触させた状態で超音波を印加することで5分間のエッチング処理を行った後の、当該エッチング液保持材(不織布)の様子(写真)を示す。本発明に係るエッチング処理により、上記S45C材等の鉄鋼材料のエッチング処理を行った後には、エッチング槽8に浸漬されたエッチング液保持材(不織布)において、試料の被エッチング面に接触する箇所に、いずれも図8に示すような黒色の汚れが付着することが観察された。 Figure 8 shows (photograph) the state of the etching solution holding material (nonwoven fabric) after a sample containing the S45C material was etched for five minutes using the etching solution by applying ultrasonic waves while the etching solution holding material was in contact with the surface to be etched. After etching steel materials such as the S45C material using the etching process according to the present invention, it was observed that black stains, as shown in Figure 8, adhered to the etching solution holding material (nonwoven fabric) immersed in the etching bath 8 at all points in contact with the surface to be etched of the sample.

非特許文献5等に記載されるように、ピクリン酸等を含むエッチング液を使用して鉄鋼材料をエッチングした際には試料表面に反応生成物が付着するため、均一なエッチング処理のためには当該生成物の除去を適時に機械的に除去する必要があることが知られている。一方、本発明に係るエッチング処理では、エッチング終了後の試料表面において反応生成物の付着が有意に少ないことが観察された。 As described in Non-Patent Document 5 and other publications, when etching steel materials using an etching solution containing picric acid or the like, reaction products adhere to the sample surface, and it is known that in order to achieve a uniform etching process, the products must be removed mechanically in a timely manner. On the other hand, in the etching process according to the present invention, it was observed that there was significantly less adhesion of reaction products to the sample surface after etching was completed.

上記のことから、図8に示す不織布に付着した汚れは、エッチング中に試料表面に析出した生成物がエッチング液保持材として使用した不織布によって機械的に除去され、又は、当該生成物が不織布を構成する繊維要素に析出した結果であることが推察された。 From the above, it was inferred that the dirt adhering to the nonwoven fabric shown in Figure 8 was the result of products that precipitated on the sample surface during etching being mechanically removed by the nonwoven fabric used as an etching solution holding material, or that the products precipitated on the fiber elements that make up the nonwoven fabric.

このことから、本発明に係るエッチング処理によれば、エッチング処理によって生じる反応生成物の被エッチング面への付着が抑制され、当該反応生成物がマスク材となってエッチング処理が不均一化することが抑制されて高品質なエッチング処理を行うことが可能となる。また、反応生成物の発生が多いエッチング処理においても、反応生成物の被エッチング面への付着が抑制されることで連続的なエッチング処理が可能となり、処理を効率化することが可能となる。 For this reason, the etching process according to the present invention suppresses the adhesion of reaction products generated by the etching process to the surface to be etched, and prevents the reaction products from acting as a mask and causing the etching process to become non-uniform, making it possible to perform a high-quality etching process. Furthermore, even in etching processes that generate a large amount of reaction products, the suppression of the adhesion of reaction products to the surface to be etched makes it possible to perform continuous etching, thereby making the process more efficient.

本発明によれば、固体表面に対する効率的なエッチング処理が可能となり、従来からエッチング処理が使用される各種の金属構造体の品質管理や表面処理等に対して適用されることにより、その効率化や高品質化を図ることができる。 The present invention enables efficient etching of solid surfaces, and by applying it to the quality control and surface treatment of various metal structures for which etching has traditionally been used, it is possible to improve efficiency and quality.

1 被エッチング物
2 エッチング液
3 布
4 繊維要素
5 エッチング液保持材
6 振動子
7 超音波発生手段
8 エッチング槽
9 エッチング液の漏出防止壁
10 加重体
11 振動伝達物(水)
12 超音波洗浄機
20 振動
Reference Signs List 1: Object to be etched 2: Etching solution 3: Cloth 4: Fiber element 5: Etching solution holding material 6: Vibrator 7: Ultrasonic wave generating means 8: Etching tank 9: Etching solution leakage prevention wall 10: Weighted body 11: Vibration transmitting object (water)
12 Ultrasonic cleaner 20 Vibration

Claims (7)

固体表面を被エッチング面として、当該被エッチング面の結晶組織を現出させるためにエッチング液を用いてウェットエッチングを行うエッチング処理方法であって、
エッチング液を含浸させたエッチング液保持材を当該被エッチング面に接触させた状態で、当該エッチング液保持材に超音波を印加することを特徴とするエッチング処理方法。
1. An etching method for performing wet etching using an etching solution on a solid surface as an etching target surface to reveal a crystal structure of the etching target surface , comprising the steps of:
An etching method comprising applying ultrasonic waves to an etching solution holding material impregnated with an etching solution while the etching solution holding material is in contact with the surface to be etched.
上記エッチング液保持材は、エッチング槽の内部に保持される上記エッチング液に浸漬されることでエッチング液が含浸されていることを特徴とする請求項1に記載のエッチング処理方法。 The etching method according to claim 1, characterized in that the etching solution holding material is impregnated with the etching solution by being immersed in the etching solution held inside the etching tank. 上記エッチング液保持材は、公定水分率が3%以上である素材を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエッチング処理方法。 The etching method according to claim 1 or 2, characterized in that the etching solution holding material contains a material with an official moisture content of 3% or more. 上記固体は鉄鋼材料であり、当該鉄鋼材料の結晶組織の現出を目的とすることを特徴とする請求項1~請求項3のいずれかに記載のエッチング処理方法。 The etching method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the solid is a steel material and the purpose is to reveal the crystal structure of the steel material. 固体表面を被エッチング面として、当該被エッチング面の結晶組織を現出させるためにエッチング液を用いてウェットエッチングを行うエッチング処理装置であって、
エッチング液を内部に保持可能なエッチング液保持材と、
当該エッチング液保持材に超音波を印加可能な超音波印加手段を有し、
エッチング液を含浸させたエッチング液保持材を当該被エッチング面に接触させた状態で、当該エッチング液保持材に超音波を印加可能であることを特徴とするエッチング処理装置。
An etching processing apparatus that performs wet etching using an etching solution on a solid surface as an etching target surface to reveal a crystal structure of the etching target surface ,
An etching solution holding material capable of holding an etching solution therein;
an ultrasonic wave applying means capable of applying ultrasonic waves to the etching solution holding material;
1. An etching treatment apparatus, characterized in that ultrasonic waves can be applied to an etching solution holding material impregnated with an etching solution while the etching solution holding material is in contact with a surface to be etched.
上記エッチング液を保持するためのエッチング槽を有し、
上記エッチング液保持材は、当該エッチング槽の内部に設置されることを特徴とする請求項5に記載のエッチング処理装置。
An etching tank for holding the etching solution,
6. The etching processing apparatus according to claim 5, wherein the etching solution holding member is placed inside the etching tank.
上記エッチング液保持材は、公定水分率が3%以上である素材を含むことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載のエッチング処理装置。
7. The etching processing apparatus according to claim 5, wherein the etching solution holding material contains a material having an official moisture content of 3% or more.
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