本稿は2部構成で、電解研磨に関する論文の要点をまとめ、今月末に開催されるInterPhexでのTverberg氏のプレゼンテーションの概要をお伝えします。第1部では、ステンレス鋼管の電解研磨の重要性、電解研磨技術、および分析方法について解説します。第2部では、機械研磨されたステンレス鋼管の不動態化処理に関する最新の研究成果をご紹介します。
パート1：電解研磨ステンレス鋼管　製薬業界と半導体業界では、電解研磨されたステンレス鋼管が大量に必要とされています。どちらの業界においても、316Lステンレス鋼が好ましい合金として用いられています。モリブデンを6%含むステンレス鋼合金が使用されることもあり、特に気体状の塩酸をエッチング剤として用いる場合、C-22合金とC-276合金は半導体メーカーにとって重要です。
より一般的な材料に見られる複雑な表面異常の中に隠れてしまうような表面欠陥を容易に特定できる。
不動態層の化学的不活性は、クロムと鉄の両方が3価の酸化状態であり、ゼロ価金属ではないことに起因する。機械研磨された表面は、硝酸による長時間の熱不動態化処理後も、膜中に高濃度の遊離鉄を保持していた。この点だけでも、電解研磨された表面は長期安定性の点で大きな利点を持つ。
両者の表面におけるもう一つの重要な違いは、合金元素の存在（機械研磨面）または非存在（電解研磨面）である。機械研磨面は主要な合金組成を保持し、他の合金元素の損失は少ないのに対し、電解研磨面は主にクロムと鉄のみを含む。
電解研磨パイプの製造 滑らかな電解研磨面を得るには、まず滑らかな表面から始める必要があります。つまり、最適な溶接性を実現するために製造された、非常に高品質の鋼材から始めるということです。硫黄、ケイ素、マンガン、およびアルミニウム、チタン、カルシウム、マグネシウム、デルタフェライトなどの脱酸元素を溶融する際には、厳密な管理が必要です。溶融凝固中または高温処理中に形成される可能性のある二次相を溶解するために、鋼帯は熱処理する必要があります。
さらに、ストライプ仕上げの種類が最も重要です。ASTM A-480では、市販されている3種類の冷間ストリップ表面仕上げが挙げられています。2D（空気焼鈍、酸洗、鈍角圧延）、2B（空気焼鈍、ロール酸洗、ロール研磨）、2BA（光輝焼鈍、シールド研磨）。
可能な限り真円度の高い管を得るためには、形状加工、溶接、ビード調整を慎重に行う必要があります。研磨後には、溶接部のわずかなアンダーカットやビードの平坦な線さえも目に見えるようになります。さらに、電解研磨後には、圧延痕、溶接部の圧延パターン、表面の機械的損傷なども明らかになります。
熱処理後、ストリップとパイプの形成中に生じた表面欠陥を除去するために、パイプの内径を機械的に研磨する必要があります。この段階では、ストリップ仕上げの選択が重要になります。折り目が深すぎると、滑らかなチューブを得るために、チューブの内径の表面からより多くの金属を除去する必要があります。粗さが浅いか、またはない場合は、除去する必要のある金属は少なくなります。通常5マイクロインチの範囲またはそれよりも滑らかな、最良の電解研磨仕上げは、チューブの縦方向のバンド研磨によって得られます。このタイプの研磨は、通常0.001インチの範囲で表面からほとんどの金属を除去し、それによって結晶粒界、表面の不完全性、および形成された欠陥を除去します。旋回研磨は、除去する材料が少なく、「曇った」表面を作り出し、通常10～15マイクロインチの範囲でより高いRa（平均表面粗さ）を生成します。
電解研磨 電解研磨は、コーティングの逆のプロセスです。電解研磨液をチューブの内径に流し込みながら、陰極をチューブ内を通します。金属は、表面の最も高い部分から除去されるのが望ましいです。このプロセスでは、チューブ内部（つまり陽極）から溶解した金属で陰極を亜鉛めっきすることを目的としています。陰極コーティングを防ぎ、各イオンの正しい価数を維持するために、電気化学を制御することが重要です。
電解研磨の過程では、陽極またはステンレス鋼の表面に酸素が生成され、陰極の表面に水素が生成されます。酸素は、不動態層の深さを増し、真の不動態層を形成するなど、電解研磨された表面の特殊な特性を生み出す上で重要な要素です。
電解研磨は、いわゆる「ジャケ層」と呼ばれる重合ニッケル亜硫酸塩層の下で行われます。ジャケ層の形成を妨げるものはすべて、電解研磨された表面に欠陥を生じさせます。これは通常、塩化物イオンや硝酸イオンなどのニッケル亜硫酸塩の形成を阻害するイオンです。その他の阻害物質としては、シリコーンオイル、グリース、ワックス、その他の長鎖炭化水素などが挙げられます。
電解研磨後、チューブを水で洗浄し、さらに熱硝酸で不動態化処理を行った。この追加不動態化処理は、残留する亜硫酸ニッケルを除去し、表面のクロムと鉄の比率を改善するために必要である。不動態化処理後のチューブは、処理水で洗浄し、熱脱イオン水に浸漬した後、乾燥させて包装した。クリーンルームでの包装が必要な場合は、規定の導電率に達するまでチューブを脱イオン水でさらにすすぎ、包装前に熱窒素で乾燥させる。
電解研磨された表面を分析する最も一般的な方法は、オージェ電子分光法（AES）とX線光電子分光法（XPS）（化学分析電子分光法とも呼ばれる）です。AESは、表面付近で生成された電子を用いて各元素に特有の信号を生成し、深さ方向の元素分​​布を示します。XPSは、軟X線を用いて結合スペクトルを作成し、酸化状態によって分子種を区別します。
表面形状が表面外観と類似している表面粗さの値であっても、表面外観が同じであるとは限りません。最新の表面粗さ測定器の多くは、Rq（RMSとも呼ばれる）、Ra、Rt（最小谷と最大峰の最大差）、Rz（平均最大プロファイル高さ）など、さまざまな表面粗さの値を報告できます。これらの式は、ダイヤモンドペンで表面を一周するさまざまな計算の結果として得られました。このバイパスでは、「カットオフ」と呼ばれる部分が電子的に選択され、この部分に基づいて計算が行われます。
表面は、RaやRtといった異なる設計値の組み合わせを用いることでより適切に記述できますが、同じRa値を持つ2つの異なる表面を区別できる単一の関数は存在しません。ASMEは、各計算関数の意味を定義したASME B46.1規格を発行しています。
詳細については、ジョン・トバーバーグ（Trent Tube、2015 Energy Dr.、PO Box 77、East Troy、WI 53120）までお問い合わせください。電話番号：262-642-8210。