アルミニウムの光沢仕上げに最適なバレル研磨メディアは？

バレル研磨でアルミニウムに光沢をだしてみる
美しい仕上がりを得るためのバレル研磨の最適条件

バレル研磨でアルミニウムに光沢をだしてみる

アルミニウムはなぜ光沢が出にくいのか？

YouTubeで「回転バレル研磨機でアルミの光沢を出すことが難しい…」というご質問をいただいたため、実際に検証してみることにしました。思い返すと、他の金属よりアルミニウム100％の素材は光沢が出にくいうえ、変色してしまった記憶があります。

アルミと食材の化学反応による黒ずみ

アルミ鍋でゆで卵を作った時にカルシウムなどのミネラルと化学反応したり、こんにゃくやゴボウなどのアルカリ性の強い食材を調理したりすると黒ずむことがあります。そのため、アルミニウムに光沢がでないのは、他の素材のワーク（工作物）や、pHが原因だと思っていましたが、実際には他にも要因があることがわかりました。

美しい光沢を得るために避けたい表面のダメージ

その他の一因となるのが、アルミニウムは金属として非常に柔らかく、傷や打痕が入りやすいという性質を持っています。光沢とは表面が平滑で光が一定方向に反射することで生じる現象ですが、表面に目立つ傷や凹凸を作ってしまうと光が乱反射し、くすんで見えてしまうことがあります。

粗いセラミックメディアはアルミニウムに不向き

合金系	主な添加元素	特徴
1000系	純アルミ（99%以上）	非常に柔らかい
5000系	Mg（マグネシウム）	やや硬い・耐食性良好
6000系	Mg＋Si	加工しやすく強度もそこそこ
2000系	Cu（銅）	硬い
7000系	Zn＋Mg	非常に硬い

特に大きいサイズで表面が粗かったり、目視で砥粒が確認できる粗仕上や中仕上用のセラミックメディアは、アルミニウムとの相性が良くありませんでした。純アルミニウムは表面が非常に柔らかいため、メディアの角やエッジに当たると、深い傷や打痕が入りやすいうえ、バリが寝込みやすいデメリットもありました。

バリ取り工程で衝撃を抑えるにはプラスチックメディアが効果的

そのため、アルミニウムのバリ除去や面取りの様な初期処理から、表面に生じた黒ずみや軽度の腐食生成物を除去する工程では、メーカーが推奨するように、衝撃が穏やかで柔らかいプラスチックメディアのほうが適していると感じました。

ちなみに、チップトン社のプラスチックメディアには、「一般切削」「微小切削」「平滑仕上」の3種類が用意されており、切削力が弱くなるほどメディアに含まれる砥粒が細かくなり、仕上げ向けに適した性質を持ちます。

私自身は「微小切削」と「平滑仕上」用のプラスチックメディアを所持していますが、平滑仕上用でも軽い面取りやバリ取りに対応でき、さらに被膜による変色の除去にも十分使用することができました。

そのため、アルミニウムのように非常に柔らかく、表面に傷が入りやすい軟金属の初期処理には、まずは平滑仕上用のメディアから試すのが安全だと思います。

それでも作業に時間がかかる場合や、モース硬度がやや高いアルミ合金を扱う場合には、「一般切削」や「微小切削」に切り替えてみると、より効率的にバリ取りや下地処理を進められるでしょう。

その他に、メディアのサイズや形状を変えたり、水量の調整を行うことで仕上がりに変化が起こることもあります。

アルミ研磨で家庭用洗剤を使ってはいけない理由

今回の初期処理の工程では、緩衝と潤滑を行う目的で中性洗剤を添加しました。アルミニウムが変色（酸化被膜の変質や腐食による変色）を起こしやすくなるpHの範囲は、pH4未満（酸性）および pH8以上（アルカリ性）のため、コンパウンドの代わりに家庭用洗剤を添加する場合は、変色しにくいpH4～pH8になるものを選んだほうがよいでしょう。

私の予想では、何を添加しても平滑仕上用のメディアを使用すれば、アルミニウム表面は物理的に研磨され同じ色になると思いこんでいました。しかし、中性洗剤・洗濯洗剤・クエン酸を添加したバレル槽を同時に回して比較すると、中性洗剤を添加したアルミニウムが最も灰白色に近くなりました。

初期工程で表面が変色すると、後述する仕上げの工程で変色した色を戻せなかったため、コンパウンドを家庭用洗剤で代用するのではなく、アルミニウム専用のコンパウンドを添加したほうがよいでしょう。最近では個人でも買い求めやすい少量のコンパウンドが販売されているのが散見されます。

光沢は控えめだが用途によっては十分な仕上がり

今回はバレル研磨用のコンパウンドを添加せず、平滑仕上用のプラスチックメディアと中性洗剤の組み合わせで、表面が変色していたアルミ板のバレル研磨を24時間行いました。使用したメディアは円錐形で、平面だけでなく穴や凹凸のある部分にも効果的に当たる形状です。プラスチックメディアはセラミックに比べて比重が小さいため、衝撃が穏やかで打痕や傷が発生しにくく、バリが寝込みにくい特徴もあります。

研磨後のアルミ板は表面がなめらかで均一な仕上がりとなり、変色や腐食も確認されませんでした。灰色でくすんでいた表面はアルミニウム本来の灰白色が保たれ、深い傷や打痕も目立たなくなります。

表面の映り込みは少なく、反射した鉛筆は薄っすら見える程度であるものの、すぐに酸化するアルミニウムは光沢を維持することが難しいことと、最終仕上げを光沢や鏡面にすると、バレル研磨で除去できない深い傷や凹凸が目立つこともあるので、用途によってはこの段階でも十分満足できる仕上がりだと思いました。

✍：バレル研磨後すぐに大量の水で十分にすすいで中和洗浄し、水滴を残さないようにしないと、変色したり水シミが発生しやすいので注意を要した。

✍：このバリ取りの工程でアルミニウムが変色したままだと、後述する仕上用のメディア（球状）では皮膜を剥がせなかったので、やはりバリ取り・変色・水垢・錆を除去する場合は、必要以上に削りすぎず、ある程度研磨力のある平滑仕上用のプラスチックメディアが最適だと感じた。

仕上げ工程では傷のつきにくい球状セラミックメディア（仕上用）を使用

仕上用のプラスチックメディアは販売されていませんでした。そのため、仕上げの工程では、傷がつきにくい球状の光沢仕上用セラミックメディアを使用しました。

基本的に仕上用のセラミックメディアは、アルミナ微粉が含まれており（含まれてないものもあり）、表面は磁器のような滑らかな質感をしています。

仕上用でも円柱や三角などエッジがあるセラミックメディアですと、柔らかいアルミニウムや亜鉛の場合、傷がつきやすいと思うので避けたほうがよいでしょう。

24時間後

2mm厚のアルミニウム板をφ6mmの仕上用のセラミックメディアを使い、24時間バレル研磨してみました。研磨剤には中性タイプのNS ピンクコンパウンドを添加しています。

研磨後の表面はくっきりとした鏡面とまではいきませんでしたが、鉛筆に印刷された文字まで読みとれるほどの高い反射性が得られました。研磨後の表面は白い曇りが消え、光沢や映り込みの具合に大きな差がでています。

48時間後

さらに追加で24時間バレル研磨してみました。写真ではわかりにくいですが、48時間連続でバレル研磨したほうが、定規のメモリがくっきり映りました。ただし、光沢が出ると同時に、表面の傷や凹みがかえって目立ってしまうというデメリットも存在します。

そのため、やはりバリ取りの工程では研磨力は低下しますが、衝撃が穏やかで軽いプラスチックメディアを使い、最終仕上げでは角やエッジのない球状のセラミックメディアを使うのが適していると考えられます。

今後の検証予定：低硬度研磨剤による仕上がりの比較

研磨材	モース硬度	新モース硬度	化学式
炭化ケイ素	9-9.5	13	SiC
アルミナ	9	12	Al₂O₃
酸化セリウム	6	6～7	CeO₂
酸化鉄(ベンガラ)	5～6.5	5～6	Fe₂O₃
炭酸カルシウム	3	3	CaCO₃

これらの研磨材を添加した場合、1～2日の実施ではピンクコンパウンドの様な光沢はだせなかったので、光沢用のバレル研磨用の液体コンパウンドには、水に溶けない固形粒子は含有していないのかもしれません。バレル研磨用の金属用の液体コンパウンドはどうやって短時間で光沢をだしているのか―この点は非常に不思議であり、成分表だけでは判断しにくい部分があります。そのため、家庭用洗剤や一般的な研磨材で代用しようとするより、素直に市販の光沢用コンパウンドを使うのが最も確実であり、期待どおりの仕上がりに近づけると感じました。

美しい仕上がりを得るためのバレル研磨の最適条件

バレル研磨における基本的なマス装入量

ちなみに、今回のバレル研磨ではマス（メディアと工作物を合わせた全体）の装入量をバレル槽の容積に対して約50％としました。水量はマスの表面とほぼ同じ高さに合わせています。これが基本的な条件であり、水やメディアが少ないと仕上がりが荒くなる傾向があります。

ワークとメディアの混合比

また、ワークとメディアの混合比は、教科書では（1：3）〜（1：6）が目安とされており、ワークを入れすぎるとワーク同士の衝突の発生が増えるため、きれいに仕上げるには量のバランスに注意が必要です。

低速回転で穏やかな流動を維持することが美しい仕上がりの鍵

回転バレル研磨は、バレル槽を回転させてマス（メディアと工作物の混合物）の表層に流動層を作り出し、その中でワークとメディアの間に相対運動を生じさせて研磨する方法です。バレル槽が回転すると、マスは内壁に沿って持ち上がり、重力に逆らえなくなった部分が滑り落ちます。このとき、傾斜した流動層の中でワークがメディアと擦れ合い、表面が少しずつ削られて滑らかになります。なお、流動層の長さが最も大きくなるマス装入量は、バレル槽容積の約50％となります。

回転スピードが速すぎると、バレル槽内で本来の流動層が形成されず、マス全体が激しくかき回される撹拌状態となります。このとき、メディアやワーク同士が強くぶつかり合うため、表面に深い傷や打痕が発生し、研磨ムラが生じる原因となります。そのため、回転スピードは低速に設定することが望ましく、穏やかな流動を維持することでキレイな仕上がりとなります。