平成元年度 研究報告 大分県工業書式験場
（3）シボ加工を有する精密鋳造法について
吉 浦 洋 之 機械部金属科
清 高 稔 膵
被加i 一物に対して均一なシポ模様を転写するのは高 度な技術を必要とする。
そこで今回開発した球面体へび）露光に有効な球形 反射露光装置（特願l 年第144521号）を用いて，曲 面を有する金型へのシボ模様ジ〕露光転写実験を行な
った。更に9 被旭］二物に各種のシポ加工を施した金 型を用いて9 ロストワックス法による精密鋳造品を 試作しノ好結果を得吏≠で報告する。
2．適性条件の選定と要図
シ粛加1二を施すためには，国柄び）作成がポイント となり9 白黒のはっきりした図柄でフイルムを作成 する必要がある。感光膜ロ〕選定，露光の照度，露光 時間の設定，及び用し小山Lる金型∬材乳 腐食液， 腐食温度，腐食濃度及び浸漬時間等についての諸条 件を選定しラ 最適条件を見いだす必要がある。
本実験朝会型の材質には，純アルミ材，銅合金（黄 銅材），一般構造用圧延鋼材（SS材）を選定した。 図1にこれらに関する特性安匪1図を示す。
1．緒 言
皮革模様，幾何模様，絵頑店嘔柄模様等（以下こ れらJ ）模様をシボという）はプラスチック製品及び 自動車の内外装かシ〕玩具に室るまでー］常生活の中で
あるi ノ㌧わる部門に利用さj Lるようにな〉つた。
ニれらの模様付けには圭ず，図柄を設計！ノ，透明 フイルムにパターmンを転写して9 感光性のフイルム
1二に密着露光後，級別1二物に貼付し薬液によってエ
ッチングすれば所望する図柄ができる。こ〃りこうに
薬液による食刻法であるため，あまり設備を要せず 精巧に転写できることから，多方面に利用されてい
匂。
シ甘加丁法による金属材のエッチング特性につい ては，昭和61年度J ）研究報告で報告済藩であるがゥ シアナⅧ口工された金型を用いて精密鋳造品に各穫の模 様を転写すればぎ より付加価値の高い鋳物を製造す
ることができる。
しかしこの技術は文献等による発表が非常に少な
∴ 各企業によるノウハウが多く，職人的技法の要 素があると言われている。その「1†でも曲面をもった
区＝ シポ加エを施した精密鋳造品の特性要因図
平成元年度 研究報告 大分県コニ業喜式験場
また，シポ模様について基本的な調査をする意味 で，細線から太線の各種の線幅についてのエッチン グ特性を調査した。また，シボ模様をパターンフイ ルムから金型，ワックス模型，セラミックス鋳型を
経て鋳物製品へ転写した場合ジ〕状態について最適な
諸条件を見い出した。
3．実験方法 31 シ粛加工に関して （1）供試材の選定
本実験においては各種材質♂〕エッチンブ特性を把 捉するために金型材質としてラ純アルミ材，黄鋼材，
SS材の3種類に限定して調査した。SK王〕，SKH等 の合金鋼については報告済みである。
金型表面は，＃240のペーパー及びパフ仕上げを行
ない，供試材とした。
（2）シポ加］工方法のフロ血チャ山ト
フィルム法におけるシボ加」二のフローチャートに ついて図2に示す。被加工物の上に感光膜を貼付し9 予め準備しておいたフイルム原版を密着貼付した 後，紫外線を発生する光源を用いて露光する。更に エ、ソナングの不要部分をビニール系のテープ等でマ スキングした後，塩化第二鉄溶液，塩酸及び硝酸等
を添加してエッチング仕上げを行う。仕ヒげにはヤ
アセトン，メチルエチルケトン及び苛性ソ、・′ ′ ・・〉ダ額を
用いて耐酸膜を除去し，供試材より軟らかいワイヤ ーブラシを用いてエッチンブ部分を清浄にする。
（′ 3）露光装置及び露光還測定方法
曲面を肯する金盟等の露光には，光源が一様に照 射されることがを要である。＝ 図3には今【耶胃発さj L
た球形反射露光装置び〕断面図 を示す。この装置は球
形盤の上蓋とF蓋で組合わされ 卜勺部は全面反射鏡
で被加工物へJ 〕直接照射をさけるようになってい
る。
光源には水銀ランプを用い，被加工物の大小又は 形状に応じて電圧の調整及び被加工物受台を矩」転 し，均一員弓絹」する構造となっている。園4は光速蔽 板を用いた球形内光量の測定方法につし〕て示す。
原図作成こ手書、クラブい 漸頁丁て藤「
＝痕加工物（金属類 」Ⅶイ、
簡麺軒扇面ニ子音F1 7毎夜好言有二1ざ三㌻1 ▼〈ノノ 品 T ゾル▼∨、
「 頂元痘痕打満宮前前行
L三ユま〔壬些イ〕聾¶ し 密 着
しん革塑ゝ，撃墜上，牒L旦薫⊥ツj 「一皿、ムⅥ〝ルー∧仇 ≡マステング、（不用部分の修i E、
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図2 シボ加エのプロ… チャm巨（フイルム法）
／／光源（低圧水銀ランプ）
図3 球形反射蛍光装置の断面
図座 光源からの距離及び測定方法
平成元年度 研究章巨告 承二分県工業書式験場
ンプルに形成された線幅0．4，0．7，1。0，1．5，2．Ol Ⅵnl J 〕5種額のノ＼ターンについての形状分析を行なっ
／二。
線幅は市販のクラフト紙及びスクリーント山ンを 用いて感光性フイルムに直接露光を行い現像後エ、ソ チングを施した。また，エッチンブ後の測定には形 状測定機及び万能投影機によって断面形状を測定し
た。尚，切断面の仕壬二げには，研磨装置にて鏡面仕 上二げを行い切断時のかえりを完全除去した。
フイルムパタ山ン露光条件を表1に示しフイルム の現像及び剥離条件は表2に示す。
ト4）パターンフイルムによる三次元的加工法 複数び〕パターンフイルムによる三次元的抽工法に つ†．〕て図5に示す。
朝にエッチングのメカニズムとして9 初期の段 階手ふ 耐酸膜かむ金型へ垂直に腐食されるがエ、ソ ナングの終r 時には，腐食形状は内側に湾曲する。
また9 バーニングされた面は耐酸膜より外側にエ ＼ソナンブされるため，耐酸堰切形状よりやや大きく なる。軋二9 耐酸膜を除去した時点では，形状は湾 曲し 仕i 二げ面になるとコーナーほ丸みを帯びエッ チンブ叶形状は更二丸味を帯びる。
そこでエッチングの性状を調査するため実働用サ
l ・
怪1のバターり硯像 エッチング
塾吏＝ 塾加
硯像 エッチング
＝＝1し1＝1 ＝打吊＝
匝互亘三三互；∃
l l l ヽ l l l ヽ ヽ
現像 エッチング
動￡まよ
蝕i 呈
硯像 エッチング
鳥‖Ⅵl l ￡
閏5 複数のパタmンフィジレムによる三次元的加工法
泰i 感光性膿への露光条件（球形反射露光装置）
Wワッ
」 ＋¶ 椚W∧〟「品
光 源会型温度＝吏用目的
＼ 製品名
感＼
＼1
露光量
（′m」′′qc汀デニ
13 0
ホールト
タイム分）
10
（電圧調整〕
▲L一皿←¶ 仙】】」」
「言丁六 低圧水銀30∼紆C平面状
ランプ ルム徳山ソーダ梨4 20nm
フォトレジストアク7アマ￣
ニ；三‡グ書写重宝謂K365‖m 液揉フォト
常温諾拭
球面
十，〝〉冊八人J
レジェーサーⅨⅠ
∃く露光嵐郎主装置：ミノルタ製紫外繰強度計Uれ′ ト1
表2 感光性膜の現像及び剥離条件
… 山一T−′′’′′’Y
㈲乱雲＝翫郡家ギ摘弼澗 陸別離 備 考 アセトン 柔らかい布等で メチルエチル軽くこすり下地
ケトン の金属邑が完全
方 法 現象劉
ドライブイルム
フすトレジストNa2CO3 錯t さ）1′ ：ニう0∼4的二二1∼2分
一 にでるまで溶解
3椚ミー、
した後完全水洗
を必要とする エッチンゲ Na2川3 2＼Vt ‘ H肝｝用℃ 仁一2分
平成元年度 研究報告 大分県二こ葉書式験場
ニ弓2 実験鞘機器及び造型条件
リストワックス法王よる犀密鋳造を行なうために
はゥ ワッブス模型をいかに精度よく転写するかが最
も大きな要因である
ワックス模型びノ成形には高性能な射出成形機を必 要とし，また同時に金型精度が転写精度を確保する
と．での大きな要因となる。更に模型へレ〕コーティン グには9 ロータリ血スラリ血タンクにて模型の表面 に液状セラミックスにてコーティングを施し9 流動 床によってセラミックス材を表面に一定の厚みを付 着させるサンディングを施す。 サンディンブには紐 粒9 粗粒の二種類を用いた。
焼成時におけるセラミックスの膨張乍 収縮を最小 にするため，細粒から粗拉へ順次積層する必要があ
り9 サンディンブの方法としてはブロワーで粒子が 浮上する流動床を用いた。
鋳型の焼成には9 昇温速度が速く9 醇化性雰囲気 であることが必要条件であるため，プロパンガスを 燃料とするガス焼成炉を用いた。
4．実験結果及び考察
4… 川1 露光条件
球形反射露光装置を用いて露光時間に対する感光 性フイルムの透過濃度＼直接光からの距離と露光量 の関係，光源を遮蔽（間接光）したときの距離と露 光量の関係について示す。
図6は露光時間に対して光景を変化させたときの フイルムの透過濃度を示したものである。加電圧80 ㌔′ ’ ∼100Ⅴの光量におけるフイルム透過濃度は5分 ∼10分ではあまり変化なく，15分照射では若干濃度 は高くなる傾向にある。一方加電圧釧Ⅴの5分席脛 射では，極端に透過濃度が低いものの10分では3烏 15分では他の光量と同程度の濃度となった。従って 露光量の関係から10分経過後，透過濃度が4以上で あれば使用可能である。透過濃安算出式は工）二“ l ogi O（‡J O′ ノ′ ′ L）で表わす。（但しDニ透過濃度9主ノ0ニ入
射光強度9 L＝透過光強度）
図7は本実験装置を用いた直径50cm球形反射露光 装置の光源からの距離と露光量を示したもJ 〕であ りタ 遮蔽板を使用せずに直接光にて測定した結果で あるい加電圧6析r では距離に応じて露光量は直線的 に減少するがそぴ〕減少量は小さい。加電圧紬Vで烏
時間（分） □甜V＋80V◇1帆Ⅴ
図6 露光時間と感光性フイルムの透過濃度の関係
距離（cm）
□60V ＋帥V ◇100V
図7 光源からの距離と露光量の関係
露光景が減少し，3眈i l l 付近からは平行線に近くなる。 また加電圧100Vでは露光量が急に減少している。 47cI Tl 付近では加電圧による露光量の責はは小さい結 果となった。
図牒は光源を遮蔽Lた間接光である。加電圧6（Ⅳ
では光源からの直接尿巨難がユ軋2cnl （実際は遮蔽板に
より光は球耐本内を全反射）で露光量こうOnl j ノ′ ′ ′ cm2であ
るが球面体中央付近は許† 二高く47ci l l では露光遺訓 111j ′ ′ cn㌔となる。加電圧鋸持㍉〃球面体付近では9露光量 醐雨′ 撼となり那加付近では減衰する。また加亀圧 100Ⅴではパ蛤Vと同様な傾向を示しヲ中央付近では
i 2（j 111j ノ′ ′ ′ cm2以」二となる。また露光二蔓に対する現像明時
間は1∼2分が望ましい。従って露光量4伽11j ′ ノ′ ′ cm2以 ヒ180nl j ′ ′ ′ ′ 七m2以内であれば現像が容易であること から，如電圧8（トi （沼VJ 〕設定9被加∧I 二物を中丸付近 に設置すれば最適露光が得られる。
図9は液状レジストの露光量と剥離性を示したも Lりである。加）現像では炭酷ソーダを用いたのに対
平成元年度 研究報告 大分県工業浦添場
的に剥離時間が増加する。また区J 12における現像有
効範囲の上限が1柑画′ ′ ／cm3であることから剥離時間
2（卜55秒以内が最適といえる。
墨
d
き 測定項目
W−：線径の幅
W2：エッチングの幅
R：元の線径から内側に腐食が食い込んだ幅 S：腐食断面積
305 355
距鮭（cm）
□60V ＋BOV 〈〉100V
図8 光源からの距離と露光量の関係
ロ：腐食の深さ d：底面の荒さ
0：腐食の傾き
D／R：腐食係数
70
60
50
40
30
20
10
0
﹁
金︶
堅空誌貰
二「） I ）
＼＼′ニー＼＼′t ニ R
図10 エッチングによる形状分析
あるが，他の材質では逆の傾向を示している。 更に腐食の傾きでは，線幅が大きくなるほど傾き は小さくなっているが純アルミ柑は黄銅材，SS材 に比較して腐食角度が大きい。純アルミ材において 線幅が大きくなると断面積の増加割合が少ないの は，データ上のばらつき及び測定誤差と考えられる。
エッチングの深さではSS木かこ比較して黄鋼材9 純アルミ材とも深くエッチングされている。また線 幅が太くなってもエッチング深さはあまり変わらな
い。
図12は，総合評価として各種材質における各種測 定項目の相関関係を求めたものである。腐食係数で は9 純アルミ材が非常に高く逆に黄鋼材が極端に低
い結果とな〆J ている。この理由として純アルミ柑と
他の材質とは腐食条件が異なっているため∴甘一に 比較するのは無理があると考えるが腐食時における 腐食速度の割合が高い。線幅に関してどの分野から のも非常に高く，そぴ〕中でも特に黄銅村とS S材は 棺関が高くなっていることから，線幅に対する腐食 幅とは相関が深い。また断面積も比較的高い傾向を
0 童 ゴ0 】20 160
露光還（m抽m）
図9 露光量と剥離性（液状感光性レジスト）
42 エッチングの形状及び転写
本実験でシボ加工に問いた金型より得られたセラ ミックス鋳型にAL7Å，銅合金，球状黒鉛鋳鉄
（FCD55相当）をそれぞれ鋳込んだ時の転写状況に ついて図Ⅲに示す8項目び〕形状分析を行った。
回1i は各種金型材料のエ、ソナンブ特性について示 す。各線幅と腐食係数の関係では，純アルミ材は線 幅が大きくなる程腐食係数が増加する。黄銅材及び SS村は逆の結滞となり，線幅が大きくなる程安定 している。この結晃王ついては昭和61年度の研究報 喜サ汗巨でも触れているが，純アルミ材に一」いては他
の材料に比較して汲濃度は5分骨i に薄めてエッチ
ンブLても聞かつ腐食の進行度告が速いこ。
平成元年度 研究報告 大分県工業試験場
面積について相関が非常に高く安定している。特に 球状黒鉛鋳鋲∴∵）いては探さに関しても非常に相関 が高くなィj ている。従ってワックス模型からセラミ
ックス鋳型に転写された時点で幅と断面硬及び深さ について相関が高くなっていることかろヲ セラミッ
クス鋳型から鋳物製品へぶ転写についても相関が高 くなっている。特：二球状黒鉛鋳鉄についてそレ〕傾向 が強い。
示している。その埋出として，断面積け掛合秩 他 J J 項目に比較して極端な羞が出にくいた釘 高い結 果になっているものと思われる。図12−2の金型か らワックス模型への転写では幅のみが高く他J 〕項目 についてはあまり相僕がない。また「フックス模型か らセラミックス鋳型へ転写された場合でも前図と同
様サ 偏に／ついて高く9 この項では断［軒積が最む高い
値となっている。
図ユ2一け∧5，匪1126ではいずれの材質も幅及び断
ハ
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︹り アルミ板 ＋ 黄銅板
くO s s 板
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基本フイルムの線幅（mm）
図1ト1各種材料による線幅と腐食係数の関係
農本フイルムの線幅（ml 了1）
図1ト4各種材料による線幅とエッチング幅の関係
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基本フイルムの線幅（mm）
図‖ 「2各種材料による線幅と底面荒幅の関係
基本フイルムの線幅（mm）
凱1−5各種材料による線幅と腐食の傾きの関係
︵空こ璧璧怠還
ヱ
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基本フイルムの線幅（nl m） 基本フイルムの線幅（m汀i ）
平成元年度 研究率浸告 大分県工業書式験場
セラミックスから鋳物製品への転写
アルミ 7A
フイルムから金型への雫云写 1
9 8 7 6 5 4 3 2 ﹂ O n U O
へじ
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U
ハ
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ハ
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慮
撃
誕
茸
0
ノ
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ノ
D n U n U O
ハリ
慮
撃
帽 荒 幅 傾 き
各 項 目
断面根 探 さ 腐食係数 幅 荒 幅 傾 き 断簡根 深 さ
各 項 目
巳匪L板 茎ヨ黄銅板 匿野S板
辺ÅL板 野黄銅坂 田SS板
図12Ⅳ1フイルム線幅とエッチング 図12−4 各材料の測定頃日と相関係数の関係 測定項目の相関関係
セラミックスから鋳物製品への転写 銅 合 金
金型からワックスへの転写 1
9 8 7 6 5 4 3 2 ﹂ O n U
八
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0
幅 荒 幅 傾 き 断面礁 探 さ
各 項 臼 監AL坂 田黄銅板 臨SS板
探 さ 荒 帽 傾 き 断面積
各 項 目
AL板 黄銅赦 SS′鮫
図12−2 各材料の測定項目と相関系数の関係 図12−5 各材料の測定項目と相関係数の関係
セラミックスから鋳物製晶への転写 球状黒鉛 鉄
ワックスからセラミックスヘの転写
1
G
ノ
8 7 6 5 4 3 2 ﹂
〇
八
U
ハーノ
n U ︵ U O n U O O
ハ
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戯
撃
琵
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帽 荒 帽 傾 き 断面榛
名 項 目 凄AL坂 田黄銅故 監SS板
探 さ 帽 荒 幅 傾 き 断面積 促 さ 各 項 目
琶ÅL板 短資銅版 田SS坂 図12−3 各材料の測定項目と相関係数の関係 図ヱ2−6 各材料の測定項目と相関係数の関係
平成元年度 研究報告 大分県工業討議険場
5．実態鋳物への応用
4の実験結果を踏まえシボ加工された金型を用い てロストワックス法により製品を試作した。図ユ3は
実態鋳物に使用した各種花柄及び幾何模様について 示す。
図13 実体鋳物に使用した各種花柄及び幾何学模様
② 線幅とエッチング幅の関係は，黄銅材が他び〕 材質に比較して若干高い。
③ 線幅と底面の荒幅の関係は純アルミ材が他の 材質に比較して高い。
④ 線幅と腐食の傾きの関係はぅ 純アルミ材が他 の材質に比較して高い。
⑤ 線幅と断面積の関係は，SS柑が他の材質に 比較して小さい。
⑥ 線幅とエッチンブ探さレ〕関係は，SS材が小 さく黄銅札純アルミ材の順に深くなっている。
（2）各種材料から転写された相関関係
① フイルムか▲1金型への転写は，幅及び断面積 に関して相関が高い。
L忽 念型からワックス模型へ明転写は，幅に関し て相関が高い。
③ ワックス模型からセラミックス鋳型へ00転写 ほ，断面積，幅，深さレ〕順で相関が高い。 せセラミックス模型からアルミニウム鋳物ヘリ〕 6．ま と め
61 露光条件
① 露光量に対するフイルム町透過濃度は10分を 目安とし，透過澱度4以上であれば現像に供せ られる。
② 光源を遮蔽しない直接光では加電圧を増すと 急速に露光量が増大するが47cm付近になると減 衰し，加電圧の差はほとんどない。
③ 光源を遮蔽した間接光では，加電圧を増すと 露光畳も若干増すがその差は小さい。また有効 現像範囲は40∼180mj ／′ ′ cn12以内が最適露光量 である。
④ 液状感光性レジストの剥離性は露光量との関 係から20∼55秒以内が最適といえる。
6仙一2 形状分析について
（1）金型における各種材質のエッチング特性 窯〕線幅と腐食係数の関係はヲ 純アルミ材が他の
平成元年度 研究報告：た分県工業書式験場
三次元的ノ瓜工法についても第1〔リバターンから第 4Cりパタ山ンまでマスキングを繰り返してエッチン ブ加工を施した桔私 レリーフ状の形状を得ること が甘能となった。また㍉ フイルム線幅を基に純アル
ミ材，黄鋼材㌧ SS材にエッチンブを施し，ワック ス模型に転写後セラミックスをコーティングして逆 型転写を行ってアルミニウム鋳造占占9銅合金鋳造品， 球状黒鉛鋳鉄品へと転写したが線幅が太くなるほど 純アルミ村以外の腐食係数は下る傾向にある。また 極細な線幅は，元ジノ）線幅に対して太くなる傾向にあ
ることからこれらのことを踏まえて模様を選定する 必要がある。
更に実態鋳物へ応用する場合ラ 線幅が細い場合は 尉寺間の腐食は避けるべきであり， 逆に太線の場合 は若干腐食時間の長い方がはっきりした模様とな る。従って花柄模様，幾何模様を組み合わせてその 製品にマッチした図柄の組立が必要となってくる。
今回の実験においてもこれらのことを踏まえて着 色を施し，錆びた古粥の感じを出し，各種模様部分 には磨きだしによる地金色を出して深みのある工害 鋳物とした。
今後鋳物製品のみならずプラスチック製品等多方 面への応用ウ 展開を図り，新技術事業団を通じて企 業への指導及び育成を図っていきたい。
最後に本研究は技術加二1二費支出先である新技術事 業団を通じて実施したものであり9 実施にあたり御 協九 御指導頂きました関係各位に対し，感謝の意 を表します。
参考文献
ユ）吉浦洋′ 乙清高給勝：昭和61年度大分県二j 二業試験
場研究報告
2）鋳鍛造と熱処理：84．9ロストワックス法び）すす
め
3）吉浦洋之：昭和62年度大分県工業試験場研究報
ノt 二 ⊂コ
4）鋳物：第54巻5号
5）吉浦洋之：昭和52年度大分県了二業試験場研究報 告アルミニウム1二芸鋳物の着色
転写は，幅に関して最も高、く断【盃了横，探さの＝償
で相関が高い。
宣L セラミ、ソクス鋳型から銅合金鋳物へび）転写 は，隔，断面積とも非常に高い。
箋：、セラミ、ソクスから球状黒鉛鋳鉄へJ 〕転′ 引士9 幅に関して最も高く断両横9 探さの順に相関が
「笥し、1。
63 実態鋳物について
花柄模様及び幾何模様について銅郡酎〕うら5種 頬を組み合わせて実態鋳牛如こ供した。
（1）花柄模様
① 線描による桜の花の模様では製品へ精度よく 転写され，模様もはっきりしているが梅レ〕木で は，全体的に潰れた重い感じとなった。
② エッチング条件として腐食液温度45′ ）500c，
液濃度40％塩化第二鉄水溶液で， 腐食時間2時
間の場合と腐食時間2時間45分の場合との比較 では予 後者の方が腐食探さ，及び幅の広がりが 大きく，模様が潰れた感じを受けるため，腐食 時間は2時間程度が適当である。
（2）幾何模様
① 線描による模様は2時間の腐食時間が適当で あり模様もはっきりしている。
② 度シボ模様の丸 角型模様等9 腐食面積の広 くはっきりした模様でない場合は腐食の良し悪 しはあまり巨h’ 王二たないものぴ〕，瓦模様，格子模 様等は線がはっきりしているため，腐食宜良し 著しによって製品に影響を及ぼし目立つように なる。また，星模様は特に中心部が狭いためヮ 腐食によって模様が潰れはっきりとした模様と
′ならなか〉ノ）た。
7．緒 言
