JP2010248589A - 線材の溶融めっき方法並びに溶融めっき装置 - Google Patents

Abstract

【課題】めっき厚の均一性に優れ、安定的に偏肉度を２０％以下を達成することができる線材の溶融めっき方法並びに溶融めっき装置を提供する。
【解決手段】金属製の線材１１を、溶融めっき液１２を保持しためっき浴槽に連続的に浸して溶融めっき層を形成する溶融めっき方法において、線材１１をめっき浴槽の湯面１２１から上方に引出す部分を緊張液面形成管１７で囲むと共に、緊張液面形成管１７を、その緊張液面形成管１７で囲まれためっき湯面が水平面を持たない内径に形成して、線材１１に溶融めっきを施すものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属製の線材に付着させるめっき層の長手方向の厚さの均一性を向上させると共に、偏肉を小さくできる線材の溶融めっき方法並びに溶融めっき装置に係り、特に、線材の速度調整以外の方法で、めっき厚を調整することができる線材の溶融めっき方法並びに溶融めっき装置に関するものである。

従来、線材の溶融めっき方法として、図６に示す溶融めっき装置を用いて線材にめっきする方法がある。

図６において、めっき浴槽４０内には、溶融めっき材料として用いる低融点金属の溶融めっき液４２が保持され、めっき浴槽４０内にシンカーロール４３が回転自在に固定され、めっき浴槽４０の溶融めっき液４２の湯面４２ｌに絞りダイス４４が適当な支持具で固定もしくは浮遊させて設けられ、その上方に引き上げロール４６が設けられて溶融めっき装置が構成される。

この溶融めっき装置を用いた線材の溶融めっき方法は、線材４１をめっき浴槽４０内の溶融めっき液４２に連続的に送って浸し、シンカーロール４３より線材４１を上方へ引出し、めっき浴槽４０の湯面４２ｌの適当な穴径の絞りダイス４４を通すことにより、余分な溶融めっき液４２を絞り出し、引き上げロール４６に引き上げる間に凝固させて、線材４１に所望のめっき厚のめっき層４５をめっきする溶融めっき方法である。

この溶融めっき方法は、高速でめっきができる反面、線材４１と絞りダイス４４の偏心あるいは線材４１および絞りダイス４４の振動により、図７に示すようにめっき層４５の長手方向の外径は一定でも、めっき厚さが不均一となる偏肉が生じやすいという問題がある。

そこで、偏肉を低減するために、絞りダイスを用いない溶融めっき法がある。

この絞りダイスを用いないダイスレスの場合、めっき浴槽湯面から線材を引出す部分において、図８に示すように線材４１を取巻く溶融めっき液４２からなる凹面の円錐表面をもつ引出し円錐４２ｃが形成され、その円錐４２ｃが線材４１を中心にして形成されるため偏肉を低減できる。

この引出し円錐４２ｃは、溶融めっき液４２と線材４１の濡れ性や、線材の走行速度により、この円錐４２ｃの形や大きさは変化するが、円錐４２ｃは、線材４１の外周より距離Ｒ離れた点Ｘから水平な湯面４２ｌより上昇し始めて円錐４２ｃの底面が形成される。線材４１と溶融めっき液４２の濡れ性が良好で、走行速度を速くすれば、点Ｘの距離Ｒは長くなりめっき層の層厚が厚くなり、また、濡れ性が低く、線材の走行速度が遅くなれば距離Ｒは短く、層厚は薄くなる。

従って、濡れ性と線材の走行速度を最適に維持すれば、溶融めっき層の外径を長手方向に均一にして偏肉も低減できる。

この引出し円錐の形状は、溶融めっき液４２がめっき中に揺動したり線材４１が振動するとその形状が変化するため、めっき厚の長手方向の均一性向上や偏肉低減のためには、溶融めっき線材の製造中に乱れないようにする必要がある。

このためには、めっき浴槽湯面や線材が振動しないようにすることが必要である。

その方法として特許文献１〜３に示されているように、線材引出し部を管あるいは筒状体等で、シンカーロールが回転することにより惹き起こされる溶融金属の揺れから隔離する方法や、外部のめっき浴槽湯面の波立ちから隔離する方法が提案されている。

またこの管あるいは筒状体の中を非酸化性ガスあるいは還元性ガスで満たし、内部の湯面酸化を抑えることや、管を加熱することにより、引出し部において線材と溶融金属の濡れ性を上げることも効果があることも記述されている。

特公平５−３２４６６号公報 特許第２７４９６９４号公報 特許第２９６７３２８号公報

しかし、上記のように絞りダイスを用いない溶融めっき線の製造方法では、めっき層の長手方向の均一性は比較的優れるものの、依然として偏肉度を安定的に２０％以下にすることが困難であった。

ここで偏肉度とは、めっき線の断面において、次式で表される数値である。

偏肉度（％）＝（（最大めっき厚さ）−（最小めっき厚さ））／（最小めっき厚さ）×１００
また、この絞りダイスを用いない溶融めっき方法では、走行する線材の線速により、めっき厚を調整（線速を早くするとめっきが厚くなる）するが、一般に絞りダイスを用いる溶融めっき法の線速が数百ｍ／分であるのに対し、数ｍ〜数十ｍ／分と線速が遅い。線速を上げるためには溶融めっき液の温度を上げる方法があるが、線材の金属成分が溶融めっき液へ溶出する量が多くなる等の不具合がある。

なお、電解めっき法によれば、溶融めっき法に比し、偏肉の少ないめっき線材を得ることができるが、製造装置が高コストであること、廃液処理が必要であること、めっきできる金属元素に限りがあること、２種以上の元素からなる合金めっきにおいてはめっき浴の管理が煩雑等の問題があった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、電解めっき法よりも低コストである溶融めっき法であって、また溶融金属の温度や線速以外の方法でめっき厚を調整する方法において、めっき厚の均一性に優れ、安定的に偏肉度を２０％以下を達成することができる線材の溶融めっき方法並びに溶融めっき装置を提供するものである。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、金属製の線材を、溶融めっき液を保持しためっき浴槽に連続的に浸して溶融めっき層を形成する溶融めっき方法において、線材をめっき浴槽の湯面から上方に引出す部分を、緊張液面形成管で囲むと共に、該緊張液面形成管を、その緊張液面形成管で囲まれためっき湯面が水平面を持たない内径に形成して線材に溶融めっきを施すことを特徴とする線材の溶融めっき方法である。

請求項２の発明は、緊張液面形成管の下方のめっき浴槽中にガイドダイスを設け、そのガイドダイスで、前記線材が、緊張液面形成管の中心と同一軸線上なるようにガイドする請求項１記載の線材の溶融めっき方法である。

請求項３の発明は、線材が銅線又は銅合金線からなり、溶融めっき液が、溶融Ｓｎあるいは溶融Ｓｎ合金からなり、その線材表面と緊張液面形成管の内表面の距離を７ｍｍ以下にした請求項１又は２記載の線材の溶融めっき方法である。

請求項４の発明は、線材表面と緊張液面形成管の内表面の距離を調整することにより、めっき厚さを調整する請求項１〜３いずれかに記載の線材の溶融めっき方法である。

請求項５の発明は、金属製の線材を、溶融めっき液を保持しためっき浴槽に連続的に浸して溶融めっき層を形成する溶融めっき装置において、線材をめっき浴槽の湯面から上方に引出す部分を囲む緊張液面形成管を設け、該緊張液面形成管を、その緊張液面形成管で囲まれためっき湯面が水平面を持たない内径に形成したことを特徴とする線材の溶融めっき装置である。

請求項６の発明は、緊張液面形成管の下方のめっき浴槽中に、前記線材が、緊張液面形成管の中心と同一軸線上なるようにガイドするガイドダイスを設けた請求項５記載の線材の溶融めっき装置である。

請求項７の発明は、線材が銅線又は銅合金線からなり、溶融めっき液が、溶融Ｓｎあるいは溶融Ｓｎ合金からなり、その線材表面と緊張液面形成管の内表面の距離を７ｍｍ以下にした請求項５又は６記載の線材の溶融めっき装置である。

請求項８の発明は、線材表面と緊張液面形成管の内表面の距離を調整することにより、めっき厚さを調整する請求項５〜７いずれかに記載の線材の溶融めっき装置である。

本発明によれば、線材をめっき浴槽の湯面から上方に引出す部分を囲む緊張液面形成管にて線材にめっきを施すことで偏肉を２０％以下にできるという優れた効果を発揮するものである。また、緊張液面形成管と線材の距離を調整することで、めっき厚を調整することが可能となり、所望のめっき厚を得るために選択する線速の幅が広がる効果を発揮するものである。

本発明の溶融めっき装置の一実施の形態を示す概略図である。 本発明において、溶融めっき液と濡れ性のない素材で形成した緊張液面形成管を用いたときの溶融めっき液の引出し部の状態を示す模式図である。 本発明において、溶融めっき液と濡れ性のよい素材で形成した緊張液面形成管を用いたときの溶融めっき液の引出し部の状態を示す模式図である。 本発明における実施例１〜６と比較例１〜４における石英管内表面と線材表面の距離と形成されるめっき厚の関係を示した図である。 本発明における実施例７〜１２と比較例５〜８における銅管内表面と線材表面の距離と形成されるめっき厚の関係を示した図である。 従来の絞りダイスを用いた溶融めっき装置の概略図である。 図６の溶融めっき装置で製造した線材のめっき層の偏肉状態を示す断面図である。 絞りダイスを用いない場合の線材引き出し部の引出し部形状を示す模式図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の溶融めっき装置の概略を示したものである。

図において、めっき浴槽１０内には、ＳｎやＳｎ合金からなる低融点金属の溶融めっき液１２が所定の温度で溶融保持される。

めっき浴槽１０内には、銅線や銅合金線からなる線材１１を案内するシンカーロール１３が回転自在に設けられ、その上方にガイドダイス１４が設けられ、めっき浴槽１０の湯面１２ｌ上には引き上げロール１６が設けられる。

ガイドダイス１４と引き上げロール１６間には、線材１１にめっき層１５を形成するための緊張液面形成管１７が線材１１を覆うように、かつその下端が溶融めっき液１２に浸るよう、またその上端が湯面１２ｌから突出するように設けられる。

この緊張液面形成管１７の上部には、緊張液面形成管１７の上部空間を覆うように酸化防止ガス室１８が設けられ、その酸化防止ガス室１８には、窒素ガスなどの不活性ガスや水素などの還元ガスを供給する酸化防止ガス供給管１９が接続される。

緊張液面形成管１７は、溶融めっき液１２と濡れ性の少ない材料、例えば、石英管、ステンレスパイプなどで形成されるか、或いは溶融めっき液１２と濡れ性の良好な材料、例えば銅管や銅合金管、或いは管の内表面を細かく荒らして表面積を増大した管などで形成される。また緊張液面形成管１７の内径は、図８で説明した湯面からの上昇する点Ｘの位置から内側、すなわち引き上げで形成される円錐の底面径より小さくなるように形成される。また緊張液面形成管１７の高さは、引き上げで形成される円錐の高さよりも高ければ良い。

めっき浴槽１０上には、溶融めっき液１２に浸る前の線材１１の外径を測定する外径測定器２０ａが設けられ、また引き上げロール１６の下方にはめっき層１５を形成した後の外径を測定する外径測定器２０ｂが設けられている。

次に、この溶融めっき装置による線材の溶融めっき方法を説明する。

線材１１は、外径測定器２０ａで外径が測定されて、めっき浴槽１０内の溶融めっき液１２に連続的に送られて浸り、シンカーロール１３で上方に反転され、ガイドダイス１４で位置決めされて緊張液面形成管１７の中心を通り、そこで酸化防止ガス室１８からの不活性ガスや還元性ガス雰囲気下で、溶融めっき液１２が線材１１の外周にその濡れ性で付着して引き上げられてめっき層１５（図２，図３）が形成され、外径測定器２０ｂで、そのめっき後の線材１１の径が測定され、引き上げロール１６からキャプスタン（図示せず）を介して巻取ボビン（図示せず）に巻き取られる。

本発明の溶融めっき方法においては、引き上げで形成される溶融めっき液による円錐の底面径より、小さな内径の緊張液面形成管１７を通して線材１１がめっきされるため、めっき層１５の偏肉を２０％以下にすることが可能となる。

以下にこの理由について説明する。

特許文献１〜３に示される絞りダイスを用いない溶融めっき方法においては、線材をめっき浴槽湯面から上方に引出す部分を、図８で説明したＸ点より外側に内表面がある、比較的径の大きな石英管等の筒状体で隔離するものであり、この筒状体で、ある程度、筒状体内部の湯面の振動を抑えられるが、Ｘ点より外側の水平な湯面は、振動に対して自由に振動するため、揺れを完全に抑えることは難しく、このため偏肉を２０％以下にすることは困難であった。この湯面の振動は、めっき浴槽内の線材の走行やシンカーロールの回転が惹き起こす溶融めっき液の流動のみならず、めっき装置自体の振動や、作業場に置かれた他の機械から発生する振動等も影響することが分かった。よって振動を完全になくすことは不可能であり、偏肉を２０％以下にすることも困難であることが分かった。

そこで、本発明者等が鋭意研究した結果、線引き出し部を比較的内径の小さな緊張液面形成管１７で囲むこと、すなわち、図８で説明した円錐の底面となる点Ｘより内側で線引き出し部を囲むことで、緊張液面形成管１７で囲まれた部分が溶融めっき液１２の表面張力により緊張した状態の線引き出し部とすることができ、従来のように自由振動する水平面が存在しないため、湯面が多少振動で揺れても偏肉を２０％以下にすることができることが分かった。

すなわち、緊張液面形成管１７で囲まなければ、図２、図３で点線で示すように線引き出し部が円錐４２ｃで形成され、円錐４２ｃの外周の水平な湯面の振動により円錐４２ｃの形状が変化して偏肉が大きくなるが、円錐４２ｃの底面径より小さな内径の緊張液面形成管１７で囲むことで、その内部の湯面が水平面をもたない、内外周面から表面張力で引っ張られた線引き出し部２３、２４が形成される。これにより、緊張液面形成管１７内部の線引き出し部２３、２４の湯面の振動を完全に抑えることが可能となり、偏肉を２０％以下にできることが分かった。

ここで、緊張液面形成管１７を石英管やステンレス管のように、溶融めっき液１２とは濡れ性のない材料で形成することで、図２に示すように、石英管と触れている近傍の湯面は、石英管の外側に形成される湯面１２ｌよりやや低く、石英管内周面から表面張力で全体に凸状となり、中心の線材１１では凹状の円錐状となり、湯面が水平面を持たない状態の線引き出し部２３が形成される。

この線引き出し部２３は、点線で示した円錐４２ｃと違って、中心と外周が表面張力で引っ張られて、底部と頂部の高さが低い形状となり、自由振動する水平面がないため、振動が伝達されても、振動することがないため、偏肉を低減できる。また、線引き出し部２３は、円錐４２ｃと比較し大きさが大きくなるため、めっき厚が厚くなる。緊張液面形成管１７と線材１１の距離Ｄが小さいほど、その効果は大きくなる。

具体的には溶融錫系めっきの場合は、緊張液面形成管１７を石英管で形成した場合、石英管の内表面と線材１１の表面の距離を７ｍｍ以下にすることで、上記状態の線引き出し部２３が形成できる。

また逆に、緊張液面形成管１７の内表面が溶融めっき液１２と濡れ性の良好な素材で構成されるときは、図３に示すように線材１１の外周面と緊張液面形成管１７の内表面の溶融めっき液１２は、緊張液面形成管１７の外側に形成される湯面１２ｌよりやや高く、その中央部が湯面１２ｌとほほ同じ高さとなり、表面張力で、内外周が緊張液面形成管１７と線材１１により引き上げられた、緊張した状態の線引き出し部２４が形成でき、振動を完全に抑えることができる。また、線引き出し部２４は円錐４２ｃと比較し大きさが小さくなるため、めっき厚が薄くなる。緊張液面形成管１７と線材１１の距離Ｄが小さいほど、その効果は大きくなる。

また、この線引き出し部２３，２４を囲う緊張液面形成管１７は、従来の管や筒と違って内径が小さいため、線材１１の中心がずれると、引出し円錐の形も非対称となり、結果としてめっきの偏肉が発生しやすくなるために、緊張液面形成管１７のめっき浴槽１０内に線材１１の通過位置を決めるガイドダイス１４を設けて線材１１を緊張液面形成管１７の中心と合うように支持すれば、偏肉を防止できる。このときガイドダイス１４は線材１１の振動を抑える役目も果たす。

緊張液面形成管１７の内部には必要に応じて、不活性ガス室１８から窒素などの非酸化性ガスや窒素・水素混合ガスなどの還元性ガスを用いることにより、湯面の酸化を防ぐと良い。

溶融めっき液１２中に、亜鉛等の酸化傾向の高い金属が含まれる場合は完全に酸化膜の形成を抑えることができないが、本発明の緊張液面形成管１７のように比較的小さな管で線引き出し部を囲うことにより、通常よりも酸化膜の発生量を抑制することができる。湯面の酸化防止をすることにより、酸化膜がめっき線材に付着するのを防止すると共に、管の内表面に接する湯面に大きな表面張力を発生させることができる。

また緊張液面形成管１７内の表面を細かく荒らし、表面積を増やすことによって、溶融めっき液１２と濡れ性の良好な素材の場合はより濡れやすく、濡れ性のない素材の場合はより濡れにくくなるので、表面張力の大きさ、ひいては引出し円錐の形状を任意に変えることができる。また、緊張液面形成管１７の内表面と線材表面の距離を変えることによっても引出し円錐の形状を変えられることはいうまでもない。

また外径測定器２０ａ，２０ｂにより、めっき前後の線材の外径を測定し、両者の差分を取ることでめっき厚とし、線材１１の線速を決定するキャプスタン（図示せず）の巻き取り速度と同調させることにより、長時間の製造におけるめっき厚の長手方向の均一性を保つことができる。

めっき槽で錫を溶解して温度２８０℃に保ち、Φ１．０ｍｍの銅線を前処理後、溶融めっき槽へ導入し、シンカーロールにて鉛直上方に引き上げるラインにて溶融めっきを行った。線引出し部は石英管、または表面処理し濡れ性を向上させた銅管で囲み、窒素ガスを１リットル／分で導入した。

線材の引き上げ線速は、４．５ｍ／ｍｉｎ及び１２．５ｍ／ｍｉｎとし、石英管と銅管の内径をΦ５〜Φ２５ｍｍまで振って溶融めっき線を試作し、試作しためっき線をそれぞれの条件で各１０箇所ずつ断面研磨による偏肉度の評価及び電解式膜計によりめっき厚の評価を行った。得られた１０箇所のデータを平均し、表１に示した。

管の内径が小さいΦ５〜１５ｍｍの実施例１〜１２では、石英管内の湯面に水平面は現れず、また管内の振動は観察されず、それに伴いめっき偏肉が小さくなり、偏肉度は２０％を切ることを確認した。また、めっき厚に変化が現れ、石英管を用いた場合は厚く、銅管を用いた場合は薄くなることが分かった。

これに対し、管の内径がΦ２０ｍｍ以上の比較例１〜８は、湯面に水平面が現れはじめ、その部分で微妙な湯面の振動を確認した。それに伴い偏肉度もやや悪くなることを確認した。まためっき厚は、Φ２０ｍｍ以上では変化がなかった。

このことから溶融Ｓｎめっきの線引出しを管で囲う場合には、管の内表面と線材表面の距離を７ｍｍ以下にすることで、湯面の振動を完全に抑えることができ、偏肉の少ない溶融めっき線が得られる。

また管の素材について、溶融めっき液と濡れ性のない石英管、或いは濡れ性の良い銅管を選択することによって、更に、管内面と線材表面の距離を７ｍｍ以下で任意に調整することにより、線速以外の方法で、２０％以下の偏肉としたままめっき厚を調整することができる。

図４は、表１に示した実施例１〜６と比較例１〜４における石英管内表面と線材表面の距離Ｄと、形成されるめっき厚の関係を示したものであり、また図５は、実施例７〜１２と比較例５〜８における銅管内表面と線材表面の距離Ｄと、形成されるめっき厚の関係を示したものである。

この図４、図５から分かるように、管内面と線材表面の距離を７ｍｍ以下で任意に調整することにより、石英管では距離Ｄを小さくすればめっき厚さを厚くでき、逆に銅管では距離Ｄを小さくすればめっき厚さを薄くできる。

このことは、所望のめっき厚を得るにあたって、従来より線速を大きくして生産性を上げたり、従来より線速を小さくして、より偏肉度や均一性を向上させたりすることが可能とするものである。

１０ めっき浴槽
１１ 線材
１２ 溶融めっき液
１３ シンカーロール
１４ ガイドダイス
１５ めっき層
１７ 緊張液面形成管

Claims (8)

1. 金属製の線材を、溶融めっき液を保持しためっき浴槽に連続的に浸して溶融めっき層を形成する溶融めっき方法において、線材をめっき浴槽の湯面から上方に引出す部分を、緊張液面形成管で囲むと共に、該緊張液面形成管を、その緊張液面形成管で囲まれためっき湯面が水平面を持たない内径に形成して線材に溶融めっきを施すことを特徴とする線材の溶融めっき方法。
2. 緊張液面形成管の下方のめっき浴槽中にガイドダイスを設け、そのガイドダイスで、前記線材が、緊張液面形成管の中心と同一軸線上になるようにガイドする請求項１記載の線材の溶融めっき方法。
3. 線材が銅線又は銅合金線からなり、溶融めっき液が、溶融Ｓｎあるいは溶融Ｓｎ合金からなり、その線材表面と緊張液面形成管の内表面の距離を７ｍｍ以下にした請求項１又は２記載の線材の溶融めっき方法。
4. 線材表面と緊張液面形成管の内表面の距離を調整することにより、めっき厚さを調整する請求項１〜３いずれかに記載の線材の溶融めっき方法。
5. 金属製の線材を、溶融めっき液を保持しためっき浴槽に連続的に浸して溶融めっき層を形成する溶融めっき装置において、線材をめっき浴槽の湯面から上方に引出す部分を囲む緊張液面形成管を設け、該緊張液面形成管を、その緊張液面形成管で囲まれためっき湯面が水平面を持たない内径に形成したことを特徴とする線材の溶融めっき装置。
6. 緊張液面形成管の下方のめっき浴槽中に、前記線材が、緊張液面形成管の中心と同一軸線上なるようにガイドするガイドダイスを設けた請求項５記載の線材の溶融めっき装置。
7. 線材が銅線又は銅合金線からなり、溶融めっき液が、溶融Ｓｎあるいは溶融Ｓｎ合金からなり、その線材表面と緊張液面形成管の内表面の距離を７ｍｍ以下にした請求項５又は６記載の線材の溶融めっき装置。
8. 線材表面と緊張液面形成管の内表面の距離を調整することにより、めっき厚さを調整する請求項５〜７いずれかに記載の線材の溶融めっき装置。

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