精密切断機のトラブルを防ぐ！～その1～【トラブルの正体】

精密切断機は他の装置に比べ故障率が高い装置です。同じく試料作製で使用される研磨機と比べると故障発生率は約10倍です。

しかし、それは何故でしょうか？ここでは、精密切断機が故障してしまう原因を深掘りしていきます。

精密切断機のシステム構成

精密切断機は湿式切断機でありクーラント（水に切削油を混ぜたもの）を使用し切断を行います。そして、ほぼ全ての精密切断機は付属のタンクを持ち、ポンプでクーラントを循環させています。

まず、この循環タンクシステムという大前提がこの故障原因に大きく関与しています。簡単に言うと、循環させることでクーラントの劣化が起こり、錆びが発生し、故障につながります。しかし、世の中には循環タンクを使用した機械はNC装置に代表されるように多くあります。循環タンクを使用していることが故障の原因にならないのでは？と思われる方も少なくないと思います。循環タンクを搭載している装置は当然クーラントの劣化を考えなければなりませんが、精密切断機の場合は、特にこのことを気を付けなければならない理由があるのです。

原因１，金属イオン

精密切断はで使用する切断砥石は小さな砥粒で構成されています。その為、他の加工機などと比べ精密切断機から排出される金属屑は、圧倒的に小さくミクロン単位となります。そして、この小さい金属屑こそが精密切断機の故障となる大きな要因なのです。

金属は水などの液体に接したり、湿度が高い環境下にあると、表面の金属原子が電子を放出することで金属イオン（陽イオン）となり流れ出すのです。つまり、金属イオンは金属の表面から溶け出すのです。同じ重さの金属屑であっても、屑が小さくなることで全体の表面積は非常に大きくなります。そして、見た目よりも数十倍、数百倍大きな面積から金属イオンが流れ出します。

溶けだした金属イオンはクーラント中にある陰イオンと結びつくことで、装置に錆や腐食といった形で現れます。錆は、金属表面で金属イオンと他の陰イオンと結合し発生します。腐食は、金属イオンが流れ出し、金属表面がザラザラしたり、穴が空いたりします。このほか、流れ出した金属イオンが他の金属表面で電子を受け取り個体に戻る「析出」といった現象もおこります。金属表面にボツボツと謎の塊りが付着している場合は、この析出が起きている可能性があります。

例えば鉄の場合、水を媒介に鉄の表面の原子が電子を放出し陽イオン（Fe3+）となり溶け出し、水分中や空気中の酸素（O2-）と結びつき赤錆（Fe2O3）となって現れます。特に水面付近は空気中の酸素の影響を受け錆の進行が早くなります。乾式切断であれば、水分が無いので金属イオンが流れ出し錆が発生するということはありませんが、湿式切断においては、この金属イオンは無視出来ない厄介な存在なのです。

クーラントが水のみだと、金属イオンは大量に発生し錆と腐食で装置がボロボロになります。これを抑えるために切削油を使います。切削油は、切断時の試料の冷却、洗浄といった機能と金属イオンの反応を抑制し錆、腐食を抑えるという機能があります。後者の機能を十分発揮する為は、クーラントの濃度とpH値の管理が大切になります。

適正な濃度で作られたクーラントは、切断屑に油膜を張り金属イオンが流れ出すことを防ぎます。この油膜が効果的に形成出来ているか確認する為、濃度管理を行います。金属イオンはクーラントの劣化スピードを速め油膜形成の機能を低下させますので、定期的な濃度管理をお勧めします。

多くの金属は酸性条件下で錆び、腐食が起こります。その為、クーラントはアルカリ条件下というのが基本となり、pHの値を管理が必要になります。金属イオンが大量に発生すると陽イオンが多くなるので、クーラントは酸性へと傾きます。陽イオンが多くなり酸性に傾いていくと、クーラントが変色していきます。こうなると、クーラントは酸性条件下となり、装置が錆、腐食しやすい環境になり、切断する試料にも影響を与えてしまいます。特に青色や黒っぽい色に変色している場合は、クーラントがかなり酸性になっているので素手で触らないようにして直ぐにクーラントの交換をして下さい。

原因2，異種金属接触腐食

金属イオンには、金属の種類により陽イオンになり易いものとと、なり難いものがあるります。これを「金属のイオン化列」と言い、下の表が金属が陽イオンになりやすい順に並べたイオン化列です。

水素は金属ではありませんが、水素を基準として考えると解りやすくなるので表記されています。

なぜ、金属のイオン化列について知ってもらいたいかというと、違う種類の金属が接触すると、そこで錆、腐食が加速度的に発生する「異種金属接触腐食」（ガルバニック腐食）が起きるからです。

異種金属接触腐食は2種類の金属が液中や高湿度下で接触していると、「陽イオンになりやすい方の金属」から「陽イオンになりにくい金属」へと電子が流れ、電子を失った金属の表面からは陽イオンが流れ出します。異種金属接触腐食の注意しなければならない点は、急速に腐食するということです。腐食のスピードが速い為、大きな腐食になりやすく装置寿命を縮めます。腐食を発見したらすぐに対応することが大切になります。

この異種金属接触腐食という言葉は、あまり聞きなれないと思いますが身近な生活の中でもよく起きている現象です。例えば、銀歯にスプーンが当たりキーンとなるのは、この異種金属接触腐食が起こり電子が流れるからです。台所のステンレスシンクに鉄の缶を置いていたらシンク錆びてしまったという経験をした人は多いと思いますが、これも異種金属接触腐食による「もらい錆」という現象です。

では、錆びないステンレスが錆びてしまう、「もらい錆」とは何が起きているのでしょうか？ステンレスは金属イオン化列に表記されていませんが、銅の辺りに位置します。陽イオン化しやすい鉄の缶が、陽イオン化しにくいステンレスシンクに水を介して電子の移動が促進され、速いスピードで錆が発生します。ステンレスは酸化被膜により守られているので、シンク表面についた鉄錆をすぐに拭き取れば錆は付きませんが、そのまま放置すると表面に錆が定着し被膜が不安定な状態になりステンレス自体も錆びてしまう、「もらい錆」を受けるのです。

この他に、異種金属接触腐食で注意すべきはアルミニウムの部品の腐食です。アルミニウムは軽量で丈夫な素材の為、多くの機械装置には欠かせないものとなっています。ステンレス同様に酸化被膜を形成し単体では錆難い素材ですが、イオン化列を見てみると、錆びやすい金属代表の鉄よりも上位に位置しています。これは、酸化被膜が不安定な状態になった場合のアルミニウムの腐食は鉄よりも急速に進むことを意味しています。

「陽イオン化しにくい試料」を切断すると、その切削屑がアルミニウムの部品に接触することになります。そして、それを放置することで腐食が進行していきます。下の写真は、実際に起きたアルミニウムの異種金属接触腐食です。

銀を含んだ試料を切断し、切削屑がアルミニウムの部品に付着し長く放置していると腐食が一気に進みます。アルミニウムと銀のイオン化列をみてみるとかなり離れていることが解ります。イオン化列で離れているものほど、電位差が大きくなり腐食も激しくなるので、写真のような激しい腐食になったと思われます。

金属と液体が接触して発生する金属イオンの反応スピードはそれほど速くない為、定期的なクーラントの管理で対応出来ます。しかし、金属同士が激しく反応してしまう異種金属接触腐食では早い対応が求められます。それは切断屑の清掃です。切断室にある切断屑は放置せず直ぐに取り除きましょう。また、一日の最後には排水フィルターに溜まった切断屑を取除くよう習慣付けましょう。特に水素よりも陽イオンになり難い金属や合金を切断する場合は、装置に腐食が起きていないか定期的に確認をして下さい。

原因3，バクテリア

クーラントにとってもう一つ厄介な存在がバクテリアです。バクテリアは空気中からやってくるので、バクテリアの混入は防ぎようがありません。そして、残念ながら水溶性切削油で作られたクーラントは、バクテリアを増殖させるのに適しているのです。クーラントにたどり着いたバクテリアは、最高に住みやすい環境にやってきたと喜んでいるはずです。

さらに切断頻度が高ければ、クーラントの温度も上がりバクテリアが繁殖する環境としては申し分ありません。夏休み明けなどにタンクから異臭がするというのは、よく耳にすると思います。それは休みの間、夏場の気温上昇とタンク内でクーラントが滞留している状態はバクテリアの天国となっており、繁殖が爆発的に進むからです。また、岩石試料を切断している場合は特にバクテリアの発生が多くなる傾向にありますので確認頻度を上げる必要があります。

バクテリアが繁殖すると何がいけないのかと言うと、次の3つの点で悪影響を及ぼすからです。

・衛生的な問題

・硫化水素の増加

・油膜形成が出来なくなる

◆ 衛生的な問題

腐敗臭やバクテリアが増殖して目に見える状態にまでなると、作業現場の衛生面は保たれません。多くはタンク内の上部に白い塊として浮いてきます。日頃からタンク内を確認していれば、バクテリアの発生にすぐに気づくことが出来ますが、タンク内の確認をしていないと大量発生していても気付かない場合があります。塊りとなったバクテリアはポンプで吸引された際にバラバラにされますので、切断室では確認出来ません。このような状態で使用しているとオペレーターの健康被害の問題が出る可能性があります。

◆ 硫化水素の増加

バクテリアは硫化水素を発生させます。硫化水素はクーラントのpHを酸性へと変えていきます。大量にバクテリアが発生した場合は、陽イオンが多くなっており、金属の錆、腐食も進みます。クーラントの色が青く変色していたら陽イオンが充満していると考えて下さい。バクテリア要因の場合は、硫化水素の黒色が出て、クーラントも黒っぽくなるかもしれません。通常は、臭いなどでそこまで行く前に気付くはずですが…