目的を持った腐食：原子レベルでの電気化学加工部品
投稿者：ステンレススチールワールド・アメリカズ出版社 2024年2月12日そして
腐食工学の分野における様々な技術、手順、材料、システムを考慮すると、この分野の大部分は腐食の発生を防止または抑制することを目的としていると考えるのが妥当でしょう。しかし、腐食と電気化学の原理を利用して腐食工学の作業を「リバースエンジニアリング」し、金属部品に対して「制御された腐食」に相当するものを材料除去プロセスとして実行する材料除去方法も存在します。この独自のプロセスは、電気化学加工（ECM）として知られており、さらに高度なバージョンとしてパルス電気化学加工（PECM）もあります。
カーク・ジーノ・アボラフィア（Voxel Innovations社 テクニカルマーケティング＆セールスマネージャー）
本稿では、この独自の材料除去プロセスが腐食の原理をどのように活用しているか、電気化学加工の特筆すべき利点、そしてエネルギー、航空宇宙、医療機器産業向けの重要部品の加工に電気化学をどのように応用できるかについて論じる。
簡単に言うと、腐食とは、精製された金属がより化学的に安定な酸化物に変化する化学プロセスです。ほとんどの用途において、腐食は望ましくない結果となります。なぜなら、腐食によって金属の化学結合が弱まり、変色、環境への物質の流出、材料の強度低下などを引き起こす可能性があるからです。
一方、電気化学加工は、腐食と電気分解の特性を利用することで、従来の加工方法では得られない独自の利点を生み出します。例えば、難削材の加工、非加熱・非接触での材料除去、高い再現性、そして非常に滑らかな表面仕上げなどが挙げられます。
PECMは、非接触・非熱による材料除去方法であり、高い再現性、微細な形状、そして超精密な表面仕上げを実現できる。
- 難削材の加工：ECMは材料の硬度ではなく、その化学的性質に着目します。プラスチックなどの非導電性材料の加工はできませんが、ニッケル超合金のような難削材を銅と同程度の速度で加工することが可能です。
- 非加熱・非接触による材料除去：電気化学加工プロセスでは熱や接触が一切発生しないため、部品の熱に弱い部分や、工具の歪みが生じやすい薄肉部分なども加工できます。
- 高い再現性：熱や接触がないため、工具の摩耗がほとんどなく、ECMは高い再現性を実現し、特に大量生産の加工に有利です。
- 超精密仕上げ面：前述のように、熱や接触がないため、ECMは部品の加工と仕上げを同時に行うことができ、完成部品の加工に必要な工程を削減できます。ECMは、0.005.4μm Raまでの表面仕上げが可能です。
- ECMプロセスがどのように機能するかを理解するためには、まずこの技術の4つの主要構成要素、すなわち陰極、陽極、電解液、および電源について理解することが最善です。
- 陰極（工具）：電極とも呼ばれるECM（電気化学加工）における工具は、加工対象物の形状のほぼ逆の形状として設計されます。つまり、各プロジェクトごとに独自のカスタムメイド工具が使用されます。加工中は工具が加工対象物上に降ろされますが、加工対象物と接触することはありません。
- 陽極（被加工物）：陽極はあらゆる導電性材料で構成できますが、電気化学加工は、高エントロピー合金、クロム基合金、ニッケル超合金などの高靭性材料の加工に最適です。これは、このプロセスが陽極の靭性ではなく化学的性質のみに関係するためです。ECMは、ニアネットシェイプ部品（プレス加工、粗加工、鋳造など）によく使用されますが、棒材や未加工の板材に使用して目的の形状に加工することもできます。
- 加工中、陰極と陽極の間の微細な隙間（電極間ギャップ、またはIEDとも呼ばれる）に電解液が流れ込み、この液は同時に2つの重要な役割を果たします。まず、帯電した電解液は電気化学反応の触媒として機能します。さらに、廃液と熱をその領域から除去する洗浄剤としても機能し、滑らかな表面仕上げを実現します。
電源装置は、電気化学反応を行うために必要な電流を電解液に供給し、その電流はプロセスの材料除去速度に直接関係します。ECMは、低電圧（5～50V）、高電流（25～150A/cm2または160～970A/in2）のプロセスです。これが、従来のECMとより高度なPECMの最大の違いです。ECM電源装置は連続的な直流電流を印加するのに対し、PECMは精度を高めるために、より精密な「パルス」の電力を供給します。
この技術の基礎的な理解があれば、ユーザーは電気化学加工がどのようにして加工対象物の材料を原子レベルで除去するのかを理解できるようになります。
電気化学加工（ECM）では、まず陽極表面が酸化されることで「加工」されます。この酸化過程では、特定の原子が1つまたは複数の電子を失い、原子構造が変化して他の原子から分離されます。この材料除去は微細なスケールで起こりますが、電気化学加工プロセスは比較的短時間で部品の加工と仕上げの両方を行うことができます。
この酸化は、電源からの電流が流体を通過する際に、負に帯電した陰極（工具）と正に帯電した陽極（加工物）との間で電子の不均衡が生じるために起こる。
電気的な電荷の作用により、正に帯電した陽イオンは（電子とともに）陽極表面から除去され、負に帯電した陰極表面に析出します。しかし、これらの陽イオンは負に帯電した陰極に析出するのではなく、酸素や水素と結合して中和された金属水酸化物を形成します。この酸化と同時に、陰極表面で電子が水素イオンと結合して水素ガスを生成する還元反応も起こります。水素ガスは、この電気化学反応のもう一つの副産物です。
これは、銅（Cu）が電気化学反応で銅イオンとその2個の電子に溶解する仮想的な反応式を示すことで、一連の反応を説明しています。ECMプロセスの最後には、これらは水酸化銅と水素ガスとなり、これらは除去される廃棄物となります。
これは酸化プロセス、つまりECMにおける主要な反応であり、表面の銅分子がカチオン（この場合は銅(II)カチオン）とその余剰電子に分解される。
Cu→Cu+2+2e–
これは還元過程であり、余剰電子が水素イオンと結合して水素ガスを生成する。水素ガスは反応のもう一つの副産物である。
2e(-) + 2H(+)→H2
以下に、これら2つの同時反応を説明する「酸化還元」式を示します。
Cu+2H+→Cu+2+H2
正に帯電した金属陽イオンは負に帯電した陰極（工具）に引き寄せられ、通常の状態では陰極の表面に付着します。しかし、電気化学加工では、電解液（通常は水とNaClなどの塩から構成される）中の水に含まれる水素と酸素と反応し、中性の水酸化物になります。
最終的な式は以下のとおりです。この式では、水中の銅(II)陽イオン、余剰電子、水素/酸素が水酸化銅と水素ガスに変化します。
Cu+2+2e-+2H2O→Cu(OH)2+H2
金属陽イオンと陰極表面との接触がないことも、ECMプロセスにおいて陰極（工具）が摩耗しない理由の一つです。この液体は、中和された水酸化物を老廃物として保持し、洗浄剤として作用して老廃物を除去します。
例えば、Voxel Innovations社のPECM技術は、電流密度が最も高い場所で化学反応が最も速く起こるというファラデーの法則を利用しています。独自のカスタマイズされた陰極を作成し、電極間ギャップ（IEG）を変化させることで、PECMは電気化学反応をさらに制御し、加工対象物上に特定の形状を形成することができます。
念のため申し添えますが、これはあくまでこの技術の主要な側面を簡略化して言い換えた要約であり、電流密度、IEGサイズ、電解液のpHなど、プロセスの精度と速度に影響を与える多くの変数があることをご留意ください。これらの変数については、以降のセクションでは説明しません。
PECM（プラズマ電気化学成形）法で加工されたニッケルチタン合金製骨固定具。このプロセスは、ニッケルチタン合金などの生体適合性金属合金を、高い精度と表面品質で加工することが可能です。
PECMの重要な応用例
電気化学加工は、エネルギー、医療機器、航空宇宙産業など、部品の公差、材料、表面品質に高度な製造プロセスが求められるいくつかの重要な産業で応用されている。
例えば、航空宇宙メーカーは、タービンブレード、ロケットノズル、熱交換器、ブリスクなどの製造プロセスを最適化するための新しい方法を模索しています。これらのECM（電気化学成形）用途では、高温フラックスや高荷重といった過酷な環境に耐えられる特殊な材料が求められることが多く、同時に軽量化と高い表面品質も要求されるため、これらの部品は設計や材料特性が難しく、PECM（プラズマ電気化学成形）のような代替製造方法が必要とされる場合があります。
航空宇宙用途の熱交換器は、複雑な部品設計を持つ重要な部品の好例であり、PECM（ポリマー電気化学材料）の使用が求められる可能性がある。メーカーは、単位体積あたりの冷却機能の数を増やすことで、これらの部品の熱伝達能力を向上させようとしており、その結果、部品設計の複雑さが増している。
従来の機械加工プロセスは、これらの熱交換器には必ずしも最適ではありません。なぜなら、ますます薄肉化していく形状は、材料（インコネルなどのニッケル超合金）の靭性によって増幅される熱歪みや工具振動の影響を受けやすいためです。しかし、PECMは、重要な熱交換器に高密度で薄肉の冷却部を形成する効果的な手段です。この化学ベースの機械加工プロセスは、被加工材の靭性を無視し、熱や摩擦を加えないため、薄肉のインコネル形状を比較的容易に加工できます。
この例では構造が単純な銅が使用されていることに留意してください。ECMは通常、銅よりも構造が複雑で加工が難しい材料、例えばインコネル（ニッケル、クロム、モリブデン、マンガンなどの複合材料）などに使用されます。ただし、PECMにおける反応の基本的な部分は、加工可能なすべての材料で共通しています。
例えば、Voxel Innovationsは、厚さ0.075mm未満または0.003インチ未満の壁を20:1のアスペクト比で形成することを実証しました。ステンレス鋼
PECM技術のもう一つの貴重な応用例は、医療機器製造業界の重要な部分に見られます。整形外科用固定具メーカーは、次のようなインセンティブを受けています。
- 生体適合性と強度を兼ね備えた加工が困難な材料、例えば特定のチタン合金や ステンレス鋼
- 患者の可動性を向上させ、外科手術の侵襲性を最小限に抑えるために、小型部品を開発する。
- ニッケルなどの部品に含まれる特定の材料の潜在的な細胞毒性影響を最小限に抑えるため、超精密表面仕上げの部品を製造する。
製品発売に必要な部品量が多いため、これらの困難はさらに深刻化し、製造業者にさらなる負担をかけています。Voxel Innovationsなどの企業は、PECMが、加工が困難な小型固定具を大量に、優れた表面品質（0.005～0.4 µm Raまで）で加工できる有能な加工プロセスであることを証明しています。ワークピース材料を原子単位で除去するPECMは、従来のプロセスでは得られない独自のレベルの精度、制御性、再現性を実現します。