ぬれ

2015年02月04日

熔接

被覆棒熔接 熔接のことを書いたら、なぜ熔接が出来るのかという質問を戴いた。大変難しい質問で、筆者には確実な答を出す自信がない。
 観察できたことだけを書こう。
 

 熔接はジュール熱ではない。アークの高温プラズマを利用している。筆者がやっているのはいわゆる被覆棒熔接で、アーク溶接とはやや異なる。
 アーク熔接は砂状の被覆材をかぶせて電極を機械などで平行移動させる。船、鉄道車輛などの大物を作るときに使う。

 さて、熔接棒は二重構造で、内部には鋼の芯金があり、外はセラミックスの粉末を塗って焼き固めてあるようだ。
 熔接を始めるにはアークを発生させねばならない。よくやるのは相手の金属を熔接棒で軽くこするのである。するとぱちぱちと小さい火花が出て先端が熱くなる。そこで、先で突いてやると同時に軽く引くと、連続したアークが出る。
 芯金は融けて飛び散り、廻りの被覆材が昇華する。このセラミックスの蒸気がアークを作り、プラズマ状態になっている中を電流が通る。被覆材は融けてガラス状になり、それはスラグになる。プラズマの温度は4000℃以上あるから、鉄はたちまち融ける。一部は昇華するだろう。

used points of coated welding rods 熔接棒の中心は、周りよりへこんでいる。アークが生成しているときに押しつけてもショートしないのは、この被覆が守ってくれているからだ。被覆は短時間では融けず、芯金が飛んでいく速度くらいで融けるようになっている。絶妙な調合だ。
 だから、途中で冷えた熔接棒を使って再度スタートさせる時は周りの一部を削りとる必要がある。それはこすると云う操作だ。


 防護ガラス越しに見ていると、融けた鋼がスラグの下に入り込むのが分かる。鋼は重いからだ。母材を融かして固まると、母体の金属が相手と連続したことになる。熔接は下向きが容易だ。垂直だとやや難しい。上向き熔接はさらに難しい。これは金属同士のぬれを利用している。
 電流が大きすぎると飛び散る量が多いので、電流を減らすと良い。持っていった熔接機は電流が3段階しかないので、その辺りが難しい。家で使っているのは、無段調整出来るので、相手に合わせて調整できる。

 スラグが赤熱しているときは、熔接棒をそれに接触させるだけで、再度アークが発生し始める。融けたスラグ内ではイオンが動きやすく、電気が通じるからだ。スラグは白熱し、プラズマが発生する。
 20年ほど前のセンター試験で、「高温のガラスは電気が通り易い。」と云う文章の正誤を問う問題があったが、まさにこのことを言っている。

 融けた金属は小さな水たまりのようになり、それを連続して作ることが出来れば、完璧な熔接が完了する。
 あとは生成したガラス状のスラグをハンマで叩いて割れば熔接は完了である。余分な部分を削り取って完成である。
 
   アメリカに来ている。O Scale West で講演を頼まれたのだ。しばらく休載する。   



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2014年05月17日

「銅喰われ」という現象

 最近使われるようになった言葉である。世の中のハンダが、突然無鉛ハンダに切り替わってから出てきた言葉だ。

 ハンダ付けがなぜできるかということの、根本原理について触れた本はあまりない。以前このブログで扱ったアマルガメイションがそれである。水銀、スズ、インジウムなどは他金属と接触すると拡散し、合金を作り易い。他の元素では起こらないかと言うとそうでもないが、目に見える顕著な例を作りだすのがこれらの3元素である。水銀を使う人はいないが、インジウムを主体とするハンダは使われている。1000年以上も、鉛とスズの合金であるハンダは金属接合材として使われてきた。専ら銅合金を接合している。1000年以上前の遺物のハンダ接合がほとんど変化しているように見えない。それは鉛が入っているからであろう。

 鉛を含まぬハンダはこの15年くらいの間に業界を席巻してしまったが、果たして安定性はどうなのであろうか。まだ問題が顕在化していないが、そのうちに世界中で恐ろしい事件が起こりそうな気がする。コンピュータの暴走などが起こりうると思う。どうして1000年もの実績を捨てて、怪しい無鉛ハンダを使う方向に走ったのだろうか。ぬれ性も良くない。

 製造上では、コテの異常な消耗が報告されている。無鉛ハンダは銅を溶かすのである。それを「銅喰われ」と呼ぶのである。しかし、普段鉛ハンダのみを使う筆者は銅のコテ先が顕著に減った経験がない。Oスケールだから、HOの人の4倍ほどハンダを使っているはずだ。大半は炭素棒だが、たまには銅のコテも使う。ポイント作りには欠かせない。ハンダの中で銅がすぐ飽和するとも思えないが、次々と新しいハンダを大量に供給しないと溶けないだろう。HO以下の方がそれほどハンダを使うであろうか。筆者は年間500 g以下である。1年で棹状のハンダ1本を消費できない。

 鉛ハンダが銅を喰うのなら、銅の風呂釜などすぐに駄目になってしまうのであろうが、実際には長持ちする。 空釜さえ焚かなければ、数十年持つ。筆者の実家にあったのは、家を取り壊すまで30年ほど無事故であった。近所にあった職人の仕事場で、友人のお爺さんが丹精込めて作ってくれた美しい釜だった。筆者は幼稚園児であったが、その工作を横で毎日見ていた。リベットを打って留め、炭の上で加熱し、コバを丸めてカシめる。そしてハンダを流して隙間を無くすのだ。炭の上で予熱しておいて、焼きゴテでジュンと付けた。

 銀は鉛ハンダとよく反応することは、学生時代から知っていた。無線マニアはよく知っていることだが、銀を厚くめっきした銅線で高周波コイルを作る。それをハンダ付けすると、約1年で割れて来る。銀がハンダに移って来るのだ。それを防ぐために、予め銀を飽和させたハンダを作った。2%が良いと文献にあったので、その配合のものを作って、友人たちに分けたことがある。しかし銅についてはそのような話は見たことがない。十分長持ちしている。また、アマルガメイションは液体でないと起こらないというのは、勘違いである。
 アマルガメイションは鉄に対しては起こりにくいから、水銀の容器には鋼板を使う。最近のハンダゴテの先は鉄をめっきしてからハンダめっきしてある。鉄の層はハンダによるアマルガメイションを防ぐためである。無鉛ハンダが出てくる前から存在するから、その防止には多少の効果があることが確かめられたからであろう。
 

 ネット上の文献らしきもの(決して文献ではない)には諸問題があり、信用できないものが大半である。書いている人は専門家ではなく、思い違いなども多い。  

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2011年12月21日

”Wicking”という言葉の変遷

 ”Wicking”は、もともと燈芯に油が滲み込む現象を指す言葉だ。”毛細管現象”を表す学術用語でもある。
 最近は、燈芯という言葉すら知らない人が増えてきた。行燈(あんどんと読む)の中には油を入れる皿があり、その皿にはある植物の茎の芯を取出したものが置いてある。菜種油を入れると芯に吸い込まれ、その先に火を付けると明かりが得られる。
 西洋では毛糸を使った。薄い金属の容器に豚の脂身を入れ、毛糸を置き、それを何らかの方法で加熱する。アラジンの魔法のランプでは、磨くと「ランプの精」が現れるという訳が日本では定着しているが、英語では”rub”である。これはこするという動詞であって、摩擦熱で油(正確には脂と言うべきである)を融かしているはずだ。フランス語版やドイツ語版でも同様である。融けて液状になった脂は毛糸に滲み込み、それは火を付けられる状態になったことを意味する。

 さて本題のwickingだが、最近はプリント基板上のハンダ付けで余分なハンダを取ることをそのように呼んでいる。Solder-Wickと言う商品まである。何のことはない、フラックスを塗った銅の網線である。これを押し付けてコテで加熱すると余分なハンダが吸い取られる。鉄道模型の世界でも使う人が居るようだ。プロは使わない。余分なハンダはコテで取る。重力を使って、低いところにハンダを集めるのだ。コテを当ててワークをひっくり返す。見事に余分なハンダはコテに戻る。コテがハンダでよく濡れているからである。プロのハンダゴテは、ハンダで光っているのだ。
 また、プリント基板の上に小さな部品を置き、練りハンダを置いて電気炉に入れるのが最近の電機業界のハンダ付けである。その時、部品の温度分布の違いや、ハンダによる「ぬれやすさ」の違いで、特定の場所にハンダが毛細管現象で吸い込まれたり、場合によっては部品が浮き上がったりするのもウィッキングと呼ばれる。

 電気配線で撚り線をハンダ付けすると、必ずウィッキングが起こるので、昔は電線をハンダ付けしたところから 2 cm ほど行ったところで固定した。そうすれば固くなって折れ易い点に応力が集中するのを避けることができた。電線を結束するのは、こういう意味があった。最近は圧着端子ばかりで結束の意味を考えることが無くなったようだ。


 炭素棒ハンダ付け電源は、次々と完成・試用レポートが入っている。皆さん一様に驚かれている。部分的に加熱できるので歪まないとか、大きなロストワックス鋳物を完全にハンダ付けできると仰る。

 「温度フューズの接続を圧着端子で行った」というレポートも戴いた。本来、それが正解である。ただ、普通の方は工具をお持ちでないので、ハンダ付けする方法をご紹介したわけである。

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2011年12月17日

圧着端子

GOW_3190 今回頒布の手持ち電極の接続部分は圧着端子を用いた。大電流を間違いなく通すためには、この方法しかない。
 裸端子用の圧着工具を一般の方はお持ちでないだろうと、締めてからお渡しすることにした。そうすると握り部分を通す必要があり、結局手持ち電極全体を作ってお渡しすることになった。この工具は30年も前に購入したものだが、使用頻度は年に数回である。今回200回ほど締めたので、10年分以上に相当する。
 完全に締まるまで、開くことができない安全装置が付いているから、これで締めれば、品質は保証できる。 
 旋盤工作は別にむずかしいことではないが、ネジ切り、圧入、握りの穴開け、軸との接着、電線の切断、圧着をこなすのに1週間ほど掛かってしまった。そういうわけで、工程表から4日遅れの発送となった。

GOW_3186 さて、圧着端子はこのような形のものである。純銅を打ち抜いた板を丸く曲げ、付き合わせてロウ付けしてある。軟らかいロウを使っているのだろう。その部分をプレス工具でつぶしても、他とつぶれ具合に差があるわけでもない。そして、スズめっきを掛けてある。さて今日の本題はそのスズの働きである。

 圧着工具でプレスしたあとの圧着端子を糸鋸で切り、中の電線をほぐしてみようと思っても、全て堅く結び付いてばらばらにすることはできない。あたかもハンダで固めたような感じである。 これはどうしてだろうか。
 今回の電線の中の細い線は、スズめっきしてある。それが非常に大きなファクタを持つ。単なる錆止めではない。これはハンダ付けがなぜできるかということと、同じ原理である。

 ハンダにはスズが含まれている。最近の無鉛ハンダにもスズは含まれている。しかし、スズの含まれていないハンダがないわけではない。それらにはインジウムが含まれているはずだ。スズ、インジウム、水銀などは他の金属と接触により合金を作り易い。水銀は常温でも自然に混じり合うほどだ。すなわち、他の金属を濡らしやすい。
 スズはある程度の高温で、母材に拡散し合金を作る。これは圧力を掛ければ常温でも起こる。

 圧着端子の中ではスズを媒介としての、金属結合が形成され、電気伝導性が飛躍的に良くなる訳だ。極端な話をすれば、水銀を塗って締めると合金化し(これをアマルガムという)一体になるが、危険なので誰もやらない。

 ハンダ付けができるのはこの合金化(amalgamationという)による。アマルガメイションが起きる金属元素は、常識的な範囲では上記の3つほどしかない。     

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2007年11月09日

可塑剤

 可塑剤はPlasticizerの訳語である。ドイツでポリ塩化ビニルが実用化されたときに、混和されて、柔らかな膜を作ったのが最初らしい。

 硬いプラスティックは、「結晶性が良い」という。規則性が良かったり、直線に近い形の分子で、分子間力が強い。可塑剤はその分子間に入り込み、分子間力を減少させる。可塑剤が抜けると、硬くなって割れやすくなる。すなわち可塑剤は蒸発しにくいものを用いなければならない。溶剤をつけると可塑剤が洗い出されて割れ易くなるのは、よく体験するところだ。

 ポリ塩化ビニルに多量の可塑剤を混和したものがプラスチック消しゴムである。鉛筆の芯の黒鉛と、可塑剤のフタル酸のベンゼン環は形が似ているので、よくぬれ合う。化学的に吸着され、剥がし取られるのであって、物理的にこすり落とされるのではない。

 もちろん適度な硬さであって、表面が剥がれ落ちて新しい面が露出することにより、次々と吸着が起きる。

 問題はその可塑剤が他のプラスティックに拡散することだ。事務机の保護マットや床タイルに、消しゴムかすが落ちたままにしておくと、必ず溶けたようになる。しかし隙間に紙一枚があるだけでそれは阻止できる。消しゴムには必ず紙が巻いてあるのはそれが目的だ。

 塗装した床に落ちても塗装が傷む。全て剥がして塗り直さねばならない。ポリスチレンに接触していると、それを溶かしてしまう様に見える。

2006年11月05日

スティール・ラジアル・タイヤ

steel radial tire 戦後長らくスティール・ラジアル・タイヤが普及しなかった原因は、おそらく鉄とゴムとの接着性の悪さに起因している。
 
 ゴムと鉄とはくっつかない。しかしゴムと銅とは、化学結合に基づく極めて強力な接着が可能である。それでは、鋼線に銅メッキを掛けたらどうであろうか。このアイデアはタイヤ業界では、最大の発明として、知られている。

 タイヤに入れられているスティール・ワイヤは銅めっきをした上で入れられている。戦前ミシュランがスティールベルト入りタイヤを発明したとき、銅メッキは無かったはずである。戦後特許が成立したはずだが、それには銅メッキのことが書いてなかったと記憶している。浅学にして、この銅メッキを誰が発明したかは知らない。

 ゴムは硫黄を数%入れて加熱し、流動しないようにしている。これを加硫という。この硫黄と銅は極めて強固なイオン結合を作る。これを利用するのだ。

 銅線にゴムをかぶせたキャブタイヤ・ケーブルのゴムが極めて外れにくいことは、古くから知られていた事象である。だから、銅線には紙などを撒きつけてからゴムに封入してある。また、エボナイト(硬質ゴム)と強く接触しているブラス(真鍮)のボルトが外れにくくなるのはよくあることだ。

 1970年代のスティール・ラジアル・タイヤのワイヤは、既に銅メッキであった。現在はブラスメッキになったはずだ。より強度があるからである。ブラスメッキは銅と亜鉛を陽極に並べてメッキするもので、理論的には怪しいところがあるのだが、現実には極めてうまくメッキできる。銅と亜鉛がよくぬれあうからだ。
捨てられているタイヤに切り込みを入れると鋼線に薄くメッキしてあるのがよく見えるのでお試しあれ。

 最近は鋼線とゴムとの接着を界面活性剤で解決する方法が見付かったそうだ。ナフテン酸コバルトというものを介在させる方法である。実はこれが環境にやさしくないものらしく、業界では対応に苦慮している。

 いずれにせよゴムと鋼線とのぬれを改善することが、タイヤ工業の最も大きな問題なのだ。

 ところで、ミシュランが作った鉄道用ゴムタイヤを装備した車両があったのをご存知だろうか。もちろんガイド用の車輪はフランジ付き鉄車輪だが、駆動用、荷重受け車輪はゴムである。どんな音で走ったのであろうか。

 佐野衡太郎氏のBugattiの車輌には、ゴムを挟んだ車輪が装備されている。これは弾性車輪のさきがけとなったものであろう。

2006年11月03日

『ぬれ』の応用

applying decal on a tank car 問題の答えは 銑Г料瓦討任△襦6眤案瓜里よくぬれあうので、めっきも半田付けも出来るのだ。ハンダ付けの不得意な人は材料をよく洗い、塩化亜鉛の飽和溶液を使えば必ずうまくいく。もちろん大きなコテを使って十分な加熱が必要なことは言うまでもない。すき間に融けたハンダがつるリとしみ込むのを見れば、『ぬれ』を実感するであろう。銀ロウ付けもハンダ付けと全く同様、『ぬれ』による。Г陵仞椶睚貂爐鰺擦すと生じる半液状の金属とぬれ合う。

 接着とは固体の2つの母材のどちらにもぬれあう物質が、液体から固体に変化することである。塗装は母材がひとつの場合である。もし接着剤や塗料よりも『ぬれ』の良い物質が母材に付着しているとそこで『はがれ』が起きる。溶剤や洗剤で、確実に母材を露出させる必要がある。

 潤滑は母材になじみの良い油を選び、種々の添加剤を加えたものである。25年ほど前、LPSなるスプレー式潤滑剤の宣伝で、塗布した機関車が水槽の中を走っていたそうだが、これは、その潤滑剤の金属に対する『ぬれ』が、水のそれに勝っていたことを証明するものである。添加剤により、ぬれを改善した具体例である。

 さて、デカールを貼るとき塗膜はよく水をはじくから、何らかの方法で『ぬれ』をよくすることが大切である。筆者は、滑面(つや出しにする)に#1200のサンド・ペーパーを軽く掛け、ドライウェルを混ぜたソルバ・セットを塗る。こうすると、デカールを貼りたい面に薄く水膜を作ることが出来るから、そこにデカールを手早く載せて水がしみ出して来るのを待つ。『ぬれ』さえ良ければ水は急速にデカールの範囲外に出て、上記のように乾いていく。もちろん綿棒などで水を吸い取らせるのも助けになる。このときの温度は、ある程度高いとうまくいく。水の粘度がかなり小さくなるからである。
 気泡が出来ても気にせず乾くまで待つ。気泡のあたりによく切れるカッター・ナイフを当て、1ミリピッチで軽くデカールのみに切込みを入れる。ドライウェルと混ぜたソルバ・セットを少量置くと、『ぬれ』が良いので空気を押しのけて水が入り込む。切り込みは必ず平行にする。もし碁盤の目のように切り込むとみじん切りになってしまうから注意されたい。

『ぬれ』は界面化学の分野の用語のひとつである。

写真はデカル貼り

2006年11月02日

『ぬれ』とは 

wetting on window shield 10月23日の記事中、『ぬれ』と言う言葉を用いたところ、複数の方から『ぬれ』とは何かという質問を受けた。

 『ぬれ』は英語でwettingと言う。水で何かを洗うことができるのは、汚れが水にぬれるからである。その汚れが水をはじくものであれば水では洗うことはできない。例えば、油がしみこんだ布は、水洗いで油を取り除くことは不可能である。

 『ぬれ』とは、「濡れ手に粟」という言葉のように、濡れている手では粟粒を労なくして取ることが出来るという、その「濡れ」である。
 
 車のガラスを洗剤とスポンジでごしごしこすって洗うと、ガラスに水がよくなじむようになる。するとガラスに水が広がり、極めて薄い膜になり、最終的に虹のような干渉膜が出来る。この膜は薄いので、瞬時に蒸発する。『ぬれ』が良いと水の表面積に対する質量の比が小さくなり、蒸発速度が大きくなる。

 本日の写真はその様子を写したものである。風が吹けば、この程度の水膜は一瞬にして消滅する。

 写真の現像等に詳しい方は、フィルム現像のとき、ドライウェルという界面活性剤(一種の洗剤)を使うとぶら下げたフィルムから急速に水が滴り落ちて、乾きやすくなることをご存知であろう。最近、車のドアミラーに貼って水滴を着かなくするフィルムをよく見る。『ぬれ』をよくして均一な水膜を作り、見通しを良くしているのだ。

 明日からしばらくこの話題を展開したい。その前に、予告編としてちょっとした問題を1つ……

次の模型用語のなかで『ぬれ』に関係があるものをすべて挙げよ。

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