JP2013155395A - 熱処理用治具および金属線の熱処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱処理時における金属線同士の接着を防止することができる熱処理用治具およびその熱処理用治具を用いた金属線の熱処理方法を提供する。
【解決手段】熱処理用治具１においては、中空の円筒形状を有する筒状体１０の外周面に螺旋状に溝２０が刻設されている。筒状体１０はアルミナにて形成される。熱処理対象となる金属線は熱処理用治具１の溝２０に沿って巻き付けられる。その金属線を巻き付けた熱処理用治具１を熱処理炉に装着して加熱処理を行う。所定の熱処理温度にまで昇温された金属線は熱膨張によって伸張するが、金属線は溝２０に巻き付けられた状態で昇温されるため互いに接触することはなく、熱処理時における金属線同士の接着を防止することができる。
【選択図】図１
【解決手段】熱処理用治具１においては、中空の円筒形状を有する筒状体１０の外周面に螺旋状に溝２０が刻設されている。筒状体１０はアルミナにて形成される。熱処理対象となる金属線は熱処理用治具１の溝２０に沿って巻き付けられる。その金属線を巻き付けた熱処理用治具１を熱処理炉に装着して加熱処理を行う。所定の熱処理温度にまで昇温された金属線は熱膨張によって伸張するが、金属線は溝２０に巻き付けられた状態で昇温されるため互いに接触することはなく、熱処理時における金属線同士の接着を防止することができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、熱処理炉にて銀線などの金属線の加熱処理を行う際に、その熱処理対象となる金属線を巻き付ける熱処理用治具および当該熱処理用治具を用いた金属線の熱処理方法に関する。
従来より、金属材料の材質改善を目的として所要の加熱および冷却操作を加える熱処理が広く行われている。一般には、金属材料を加熱することによって、材料内部に存在していた格子欠陥（空孔、格子間原子、転位、積層欠陥、結晶粒界など）が回復されるとともに、再結晶が生じてその再結晶粒が成長する。また、熱処理に伴う相変態や析出による金属材料の改質も行われている。このような金属材料の熱処理の一例として、特許文献１および特許文献２には、銀線などの金属線を所定の雰囲気中にて加熱することによって再結晶粒を粗大化させ、金属線に高い電導効率を付与する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示される熱処理技術においては、石英管に金属線を巻き付けて加熱処理を行っているのであるが、このようにすると高温に加熱された近接する金属線同士が互いに接着するという問題が生じることが判明した。特に、生産効率を高めるために、金属線を巻き付けるピッチを小さくすると、このような接着が多くの箇所で生じることとなっていた。金属線同士の接着が生じると、線材としての使用は不可能となる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱処理時における金属線同士の接着を防止することができる熱処理用治具およびその熱処理用治具を用いた金属線の熱処理方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、熱処理対象となる金属線を巻き付ける熱処理用治具において、外壁面に前記金属線を巻き付けるための螺旋状の溝を形成した筒状体を備えることを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理用治具において、前記筒状体は円筒形状を有し、前記外壁面の周方向に沿って前記溝が形成されることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理用治具において、前記溝の深さは、室温にて前記溝に巻き付けられた前記金属線が所定の熱処理温度にまで昇温されて熱膨張したときに前記溝から隔離する長さよりも大きいことを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理用治具において、前記筒状体はアルミナまたはシリカにて形成されることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、金属線の熱処理方法において、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理用治具の前記溝に前記金属線を巻き付ける巻回工程と、前記金属線を巻き付けた前記熱処理用治具を熱処理炉に装着して所定の熱処理温度にまで昇温する加熱工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る金属線の熱処理方法において、前記金属線は銀線であることを特徴とする。
請求項１から請求項４の発明によれば、熱処理用治具が外壁面に金属線を巻き付けるための螺旋状の溝を形成した筒状体を備えるため、その溝に巻き付けられた金属線は熱処理時にも互いに接触することはなく、熱処理時における金属線同士の接着を防止することができる。
特に、請求項３の発明によれば、溝の深さは、室温にて溝に巻き付けられた金属線が所定の熱処理温度にまで昇温されて熱膨張したときに溝から隔離する長さよりも大きいため、熱処理時に熱膨張した金属線が溝から外れて近隣の金属線と接着することが確実に防止される。
また、請求項５および請求項６の発明によれば、請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理用治具の溝に金属線を巻き付けて所定の熱処理温度にまで昇温するため、熱処理温度にまで昇温された金属線が互いに接触することはなく、熱処理時における金属線同士の接着を防止することができる。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る熱処理用治具の全体外観を示す斜視図である。また、図２は、図１の熱処理用治具の縦断面図である。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
熱処理用治具１は、中空の円筒形状を有する筒状体１０の外周面に溝２０が刻まれて構成されている。熱処理対象となる銀線（Ａｇ）などの金属線は溝２０に沿って巻き付けられる。筒状体１０の大きさは、特に限定されるものではなく、熱処理炉の収容スペースのサイズに応じて適宜のものとすることができる。本実施形態では、円筒の筒状体１０の外径をφ５０ｍｍ、高さを１２０ｍｍとしている。
筒状体１０には、その軸と同軸となる円筒状の中空部１５が設けられている。本実施形態において、中空部１５の直径（つまり、筒状体１０の内径）はφ４２ｍｍとしている。なお、中空部１５は必須の要素ではなく、筒状体１０は中実円筒であっても良い。
筒状体１０の材質としては、不純物が少なく耐熱性を有するセラミックス、例えばアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ２Ｏ３）またはシリカ（二酸化ケイ素：ＳｉＯ２）を用いることができる。本実施形態では、筒状体１０をアルミナにて形成している。なお、シリカを用いる場合には、純度の高い石英を採用するのが好ましい。また、筒状体１０の材質として加工性に優れたマシナブルセラミックス（快削性セラミックス）を用いるようにすれば、溝２０の刻設が容易となる。
円筒形状の筒状体１０の外周面には、その周方向に沿って螺旋状に溝２０が刻設されている。本実施形態においては、溝２０の刻設ピッチｐを０．５ｍｍとしている。ピッチｐは、螺旋状に溝２０を刻む間隔であって、筒状体１０の高さ方向に沿って隣り合う溝２０の中心間距離に相当する。図２に示すように、断面で見ると複数の溝２０が設けられているが、これらは筒状体１０の外周面に螺旋状に刻設された１本の溝２０である。溝２０は、高さ１２０ｍｍの筒状体１０のうち両端のそれぞれ５ｍｍを除く１１０ｍｍの円筒周面にピッチｐ＝０．５ｍｍにて螺旋状に刻設されている。
また、図２に示すように、溝２０の幅と隣り合う溝２０を仕切る壁の幅との和がピッチｐとなる。よって、溝２０の幅は、ピッチｐよりは当然に小さく、本実施形態では０．３ｍｍとしている。そして、隣り合う溝２０を仕切る壁の幅は０．２ｍｍとなる。なお、溝２０の幅、隣り合う溝２０を仕切る壁の幅、および、溝２０の刻設ピッチｐについては、本実施形態の例に限定されるものではなく、適宜の値とすることができる。ピッチｐが小さいほど、溝２０の全長を長くすることができるため、熱処理用治具１に巻き付け可能な金属線も長くすることができるが、溝２０および壁の幅も狭くせざるを得ない。溝２０の幅は、最低でも巻き付ける金属線の径よりは大きく確保する必要がある。隣り合う溝２０を仕切る壁の幅を狭くしすぎると、壁の強度が低下して破損するおそれもある。従って、これらの点を総合的に考慮して、熱処理の目的の適合した溝２０、壁の幅およびピッチｐを決定するのが望ましい。
また、溝２０の深さｄは、本実施形態では１．０ｍｍとしている。φ５０ｍｍの円筒形状である筒状体１０の周方向に沿った溝２０の一周分の長さは約１５５ｍｍである。例えば、長さ１５５ｍｍの銀線が室温（約２０℃とする）から熱処理温度である８００℃にまで昇温したときには、銀の熱膨張率が１８．９×１０−６・Ｋ−１であるため、熱膨張によって約２．３ｍｍ伸びることとなる。従って、溝２０に巻き付けた銀線の径が昇温時には約０．７３ｍｍ大きくなる。この値よりも溝２０の深さｄ＝１．０ｍｍの方が大きいため、熱処理温度にまで昇温されて熱膨張した銀線が溝２０から外れて隣の銀線と接着することは防がれる。このように、溝２０の深さｄは、室温にて溝２０に巻き付けられた金属線が所定の熱処理温度にまで昇温されて熱膨張したときに溝２０から隔離する長さよりも大きくしておく必要がある。
このような熱処理用治具１に金属線を巻き付けて熱処理を行うことにより、熱膨張に起因して金属線が若干変形したとしても金属線同士が接触することはないため、熱処理時における金属線同士の接着を防止することができる。特に、本発明に係る熱処理用治具１は、金属線同士の接着が一旦生じると分離が困難な径がφ０．５ｍｍ以下の細線を長時間にわたって熱処理するような場合に、その細い金属線同士の接着を防止するのに顕著な効果を奏する。以下、熱処理用治具１を使用した熱処理技術について説明する。
図３は、熱処理用治具１を適用した熱処理炉６０の構成を示す図である。熱処理炉６０は、真空雰囲気または所定のガス雰囲気中にて試料の熱処理を行う真空炉である。熱処理炉６０は、ケーシング６１の内側に電気炉６２を設けて構成される。電気炉６２の側壁には発熱体６３が設けられており、この発熱体６３に囲まれた空間が熱処理空間６５となる。熱処理空間６５に対しては、図示を省略する開閉扉を介して熱処理用治具１の収容および取り出しを行うことができる。本実施形態においては、熱処理用治具１に銀線を巻き付けた状態にて熱処理空間６５に収容する。
発熱体６３は、電力線を介して電力供給源１３に接続されている。発熱体６３は、電力供給源１３からの電力供給を受けて発熱し、熱処理空間６５を昇温する。電力供給源１３が発熱体６３に供給する電力量は制御部９０によって制御されている。
熱処理炉６０には、熱処理空間６５にガス供給を行うための給気ポート３０および熱処理空間６５から排気を行うための排気ポート４０が設けられている。給気ポート３０は、給気配管３１を介してヘリウム供給装置３２および水素供給装置３４と連通接続されている。すなわち、給気配管３１の先端側が給気ポート３０に接続されるとともに、基端側が二叉に分岐されてその一方がヘリウム供給装置３２に接続され、他方が水素供給装置３４に接続される。そして、給気配管３１の分岐点とヘリウム供給装置３２との間にはヘリウムバルブ３３が介挿され、当該分岐点と水素供給装置３４との間には水素バルブ３５が介挿されている。
ヘリウム供給装置３２および水素供給装置３４は、例えばそれぞれヘリウムガス（Ｈｅ）および水素ガス（Ｈ２）のボンベにて構成され、ヘリウムガスおよび水素ガスを送給する。ヘリウムバルブ３３を開放することによって給気ポート３０から熱処理空間６５にヘリウムガスが供給される。また、水素バルブ３５を開放することによって給気ポート３０から熱処理空間６５に水素ガスが供給される。これら双方のバルブを開放することによって、熱処理空間６５にヘリウムガスと水素ガスとの混合ガスを供給することもできる。なお、ヘリウムバルブ３３および水素バルブ３５の開閉は制御部９０によって制御するようにしても良い。
一方、排気ポート４０は、排気配管４１を介して真空ポンプ４５と連通接続されている。排気ポート４０から真空ポンプ４５に至る排気配管４１の経路途中には排気バルブ４６が介挿されている。真空ポンプ４５を作動させつつ排気バルブ４６を開放することによって、排気ポート４０から熱処理空間６５内の雰囲気を排出することができる。また、給気ポート３０からの給気を行うことなく、真空ポンプ４５を作動させて排気ポート４０からの排気を行うことにより、熱処理空間６５内を真空雰囲気とすることができる。なお、真空ポンプ４５としては、例えばロータリーポンプを用いることができる。
熱処理空間６５内の気圧は圧力センサ５１によって計測される。また、熱処理空間６５内の温度は温度センサ５２によって計測される。圧力センサ５１および温度センサ５２によって計測された熱処理空間６５内の圧力および温度は制御部９０に伝達される。
制御部９０は、熱処理炉６０に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部９０のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部９０は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクなどを備えて構成される。制御部９０のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理炉６０における処理が進行する。具体的には、制御部９０は、圧力センサ５１および温度センサ５２によって熱処理空間６５の状態を監視しつつ、それらの計測結果に基づいて、電力供給源１３による供給電力量、ヘリウムバルブ３３、水素バルブ３５および排気バルブ４６の開閉などを制御する。
かかる構成を有する熱処理炉６０において金属線の熱処理を行う際には、まず熱処理対象となる金属線を熱処理用治具１に巻き付ける。本実施形態では、熱処理用治具１の螺旋状の溝２０に沿って銀線８を巻き付ける。この巻き付け作業は、熱処理用治具１を熱処理炉６０から取り出した状態にて巻線機などを用いて行う。
熱処理用治具１に巻き付ける銀線８の径は溝２０の幅よりも小さく、φ３００μｍ以下である。銀は、ＦＣＣ構造（面心立方構造）を有する貴金属であり、その電気伝導率は銅（Ｃｕ）よりも高い。また、銀は延性および展性にも富んでいる。なお、螺旋状の溝２０の全長に渡って銀線を巻き付ける必要はなく、必要な長さ分だけ巻き付けるようにすれば良い。
熱処理用治具１の溝２０に銀線８を巻き付ける巻回工程が完了した後、銀線８を巻き付けた熱処理用治具１を軸方向が水平方向に沿うように熱処理炉６０の熱処理空間６５に装着する。そして、熱処理空間６５を例えばヘリウムガス雰囲気とし、電力供給源１３から発熱体６３への電力供給を開始して熱処理空間６５を昇温する。これにより、熱処理空間６５に置かれている熱処理用治具１およびそれに巻き付けた銀線８が所定の熱処理温度（例えば、銀の再結晶温度以上かつ融点以下の８００℃）にまで昇温される。
熱処理温度にまで昇温された銀線８は熱膨張によって伸張するが、銀線８は溝２０に巻き付けた状態で昇温されるため互いに接触することはなく、熱処理時における銀線８同士の接着を防止することができる。特に、溝２０の深さｄは、室温にて溝２０に巻き付けられた銀線８が熱処理温度にまで昇温されて熱膨張したときに溝２０から隔離する長さよりも大きいため、熱処理時に熱膨張した銀線８が溝２０から外れて近隣の銀線８と接着することが確実に防止される。
銀線８を熱処理温度にまで昇温して所定時間保持する加熱工程が終了した後、発熱体６３の出力を低下させて熱処理空間６５の温度を降温させる。これにともなって熱処理用治具１および銀線８の温度も低下する。やがて、熱処理空間６５の温度が所定値以下にまで降温した後、熱処理空間６５から熱処理用治具１を取り出す。そして、熱処理用治具１から銀線８を取り外して熱処理後の製品を得ることができる。なお、銀線８の昇温速度、降温速度、熱処理温度での保持時間、および、熱処理空間６５の雰囲気などの熱処理条件は、熱処理の目的に応じて適宜に設定することが可能である。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、円筒形状の筒状体１０の外周面に螺旋状に溝２０を刻設していたが、これに代えて筒状体１０の外周面に仕切壁を形設することによって溝を形成するようにしても良い。図４は、熱処理用治具の他の例を示す縦断面図である。図４において、図１と同一の要素については同一の符号を付している。
図４の熱処理用治具１ａは、中空の円筒形状を有する筒状体１０の外周面に螺旋状に仕切壁１１９を形設している。その結果、隣り合う仕切壁１１９の間が溝１２０となり、上記実施形態と同様に、筒状体１０の外周面に螺旋状に溝１２０が形成されることとなる。熱処理用治具１ａにおいて、仕切壁１１９を形設するピッチは、そのまま溝１２０のピッチとなる。よって、仕切壁１１９を形設するピッチを０．５ｍｍとすれば、溝１２０のピッチも第１実施形態と同じ０．５ｍｍとなる。また、熱処理用治具１ａにおいて、仕切壁１１９を形設する高さは、そのまま溝１２０の深さとなる。よって、仕切壁１１９の高さを１．０ｍｍとすれば、溝１２０の深さも上記実施形態と同じ１．０ｍｍとなる。このような熱処理用治具１ａに金属線を巻き付けて熱処理を行っても、上記実施形態と同様に熱処理時における金属線同士の接着を防止することができる。
また、筒状体１０の形状は円筒形状に限定されるものではなく、多角柱形状であっても良い。その多角柱形状の筒状体１０の外周面に溝２０を螺旋状に形設すれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、本発明に係る熱処理用治具に巻き付けて熱処理対象となる金属線は、銀線に限定されるものではなく、銅線（Ｃｕ）、アルミ線（Ａｌ）、金線（Ａｕ）などの他の金属材料の線材であっても良い。これらの金属線を本発明に係る熱処理用治具に巻き付けて熱処理を行っても、金属線同士の接着を防止することができる。
また、本発明に係る熱処理用治具を装着する熱処理炉６０の構成は、図３の例に限定されるものではなく、例えば発熱体１２の背面側に強電界を印加する機構を付加するようにしても良い。また、熱処理炉６０は、発熱体６３によって金属線を加熱する電気炉に限定されるものではなく、例えば高周波加熱や光照射加熱などの他の方式によって金属線を加熱するものであっても良く、そのような炉に本発明に係る熱処理用治具を装着することができる。さらに、上記実施形態の熱処理炉６０は、金属線を熱処理用治具１に巻き付けて一括熱処理するいわゆるバッチ炉であったが、複数の熱処理ゾーンを設けて金属線を巻き付けた熱処理用治具１をそれら複数の熱処理ゾーン間で搬送して連続で熱処理を行うことができるいわゆる連続炉であっても良い。
また、上記実施形態では、熱処理空間６５をヘリウムガス雰囲気としていたが、これに代えて他の不活性ガス、例えばアルゴンガスの雰囲気とするようにしても良い。
本発明に係る熱処理用治具は、半導体チップのボンディングワイヤ、自動車の電源系統配線材、オーディオケーブル、医療機器配線材などの金属線の熱処理に好適に利用することができる。
１，１ａ 熱処理用治具
８ 銀線
１０ 筒状体
２０，１２０ 溝
６０ 熱処理炉
６３ 発熱体
６５ 熱処理空間
９０ 制御部
８ 銀線
１０ 筒状体
２０，１２０ 溝
６０ 熱処理炉
６３ 発熱体
６５ 熱処理空間
９０ 制御部
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、熱処理対象となる金属線を巻き付ける熱処理用治具において、外壁面に前記金属線を巻き付けるための螺旋状の溝を周方向に沿って形成した円筒形状の筒状体を備え、前記溝の深さは、室温にて前記溝に巻き付けられた前記金属線が所定の熱処理温度にまで昇温されて熱膨張したときに前記溝から隔離する長さよりも大きいことを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理用治具において、前記筒状体はアルミナまたはシリカにて形成されることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、金属線の熱処理方法において、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理用治具の前記溝に前記金属線を巻き付ける巻回工程と、前記金属線を巻き付けた前記熱処理用治具を熱処理炉に装着して所定の熱処理温度にまで昇温する加熱工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る金属線の熱処理方法において、前記金属線は銀線であることを特徴とする。
請求項１および請求項２の発明によれば、熱処理用治具が外壁面に金属線を巻き付けるための螺旋状の溝を形成した筒状体を備えるため、その溝に巻き付けられた金属線は熱処理時にも互いに接触することはなく、熱処理時における金属線同士の接着を防止することができる。特に、溝の深さは、室温にて溝に巻き付けられた金属線が所定の熱処理温度にまで昇温されて熱膨張したときに溝から隔離する長さよりも大きいため、熱処理時に熱膨張した金属線が溝から外れて近隣の金属線と接着することが確実に防止される。
また、請求項３および請求項４の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の熱処理用治具の溝に金属線を巻き付けて所定の熱処理温度にまで昇温するため、熱処理温度にまで昇温された金属線が互いに接触することはなく、熱処理時における金属線同士の接着を防止することができる。
Claims (6)
- 熱処理対象となる金属線を巻き付ける熱処理用治具であって、
外壁面に前記金属線を巻き付けるための螺旋状の溝を形成した筒状体を備えることを特徴とする熱処理用治具。 - 請求項１記載の熱処理用治具において、
前記筒状体は円筒形状を有し、
前記外壁面の周方向に沿って前記溝が形成されることを特徴とする熱処理用治具。 - 請求項２記載の熱処理用治具において、
前記溝の深さは、室温にて前記溝に巻き付けられた前記金属線が所定の熱処理温度にまで昇温されて熱膨張したときに前記溝から隔離する長さよりも大きいことを特徴とする熱処理用治具。 - 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理用治具において、
前記筒状体はアルミナまたはシリカにて形成されることを特徴とする熱処理用治具。 - 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理用治具の前記溝に前記金属線を巻き付ける巻回工程と、
前記金属線を巻き付けた前記熱処理用治具を熱処理炉に装着して所定の熱処理温度にまで昇温する加熱工程と、
を備えることを特徴とする金属線の熱処理方法。 - 請求項５記載の金属線の熱処理方法において、
前記金属線は銀線であることを特徴とする金属線の熱処理方法。
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