JP6534446B2 - 電気化学プロセス用板材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電気精錬または電解採取など、金属の電気化学プロセスで使用される板材の製造方法に関するものである。
湿式冶金工業における電気化学めっき金属間の被着力に関し、カソード板材の粗面度は重要な要素である。湿式冶金工業で得られた経験によると、表面は、被着力を得るに足る粗さにして、めっき金属がはがれる可能性を回避する必要があるが、その一方で、表面を粗くしすぎて被着力が高くなりすぎ、剥離工程においてめっき金属の剥離が非常に困難になったり板が損傷したりしないようにする。銅工業では、電気精錬および電解採取のどちらにおいても、ステンレス鋼をカソード板として使用してきた。カソード板に適したステンレス鋼の鋼種は、冷間圧延した表面2Bを備える等級EN1.4404（316L/UNS S31603）である。この鋼種のステンレス鋼では一般に、高価な成分であるニッケルを10〜13重量％含有している。そのため、銅工業では、例えば二相ステンレス鋼をカソード板として使用するなど、費用効果のより高い方法の他に、より経済的なカソード板製造プロセスも模索している。
電気化学プロセス工程は、例えば金属銅の処理における最終工程の１つである。銅の電気精錬では、アノードおよびカソードを硫酸銅および硫酸を含む電解液中に配置する。電流が電解液を流れることにより、銅は正に帯電したアノードから負に帯電したカソードに移動して析出される。銅の電解採取も同様のプロセスで行なわれるが、銅はアノードからではなく電解液から取り出されてカソードに析出する。適量の銅がカソードに析出したら、カソードを電解液から取り出し、剥離処理を行なって、銅析出物をカソード板の表面から取り除く。
米国特許第7,807,029号は恒久ステンレス鋼製カソード板に関するものであり、カソードは低ニッケル二相鋼または低級の鋼種の「304」鋼からなり、カソードの少なくとも１つの表面の粗面度によって、被着の達成に必要な被着力を得る。この被着力は、銅析出物が表面から機械的に分離するのを防止するには不十分な強さである。しかし、米国特許第7,807,029号における所望の被着力は、所定の被着特性に基づいているにすぎず、各表面の粗面度Raを0.6〜2.5マイクロメートルの範囲内と判定している。表面の被着力に関する具体的な判定方法は何ら示されていないうえに、カソード板を製造する方法も提示されていない。
国際公開公報第2012/175803号は、恒久カソードおよび恒久カソードの表面処理方法について記載している。当該方法では、恒久カソード板表面の粒界を化学的または電気化学的に処理して、表面に析出金属を被着させ、また表面から金属を剥離する所望の表面特性を得ている。
ここに引用した米国特許第7,807,029号および国際公開公報第2012/175803号はいずれも、電気精錬の電解採取において電極として使用される個々の独立したカソード板の表面処理に重点を置いている。これらの参考公報は、個々の独立したカソード板が製作された方法について一切述べていない。
本発明は、従来技術におけるいくつかの障害を防止し、電気精錬または電解採取などの金属の電気化学プロセスに使用される板材を製造する改良された方法を実現することを目的とする。本発明の基本的な特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。
本発明によると、板材は、例えば電気精錬または電解採取などの電気化学プロセスにおいて表面に金属が析出されるカソードの一部として使用される。板材は、冷間圧延工程ラインなどのコイル処理ラインで製造して金属析出物と板材との間の被着力に係る所望の粗面度が得られるようにする。カソードの一部として使用される板の粗面度は、コイル処理ラインの少なくとも１つの機械的および／または化学的処理によって形成される。所望の粗面度を得る処理は、例えば以下の処理、すなわちパターン圧延、湿式研削、乾式研削、ショットブラスト、酸洗い、ブラッシング、スキンパス、またはこれらの処理の任意の組合せのうちの１つ以上でよい。
コイル処理ラインで処理される板材は、有利にはステンレス鋼製のストリップからなる。板材は、コイル処理ラインの最終処理後にコイル処理ラインから受け取った成品であり、所望の粗面度を有し、板形状に維持されるが、有利にはコイル形状を有するように処理される。板材は、板形状として、所望の大きさに切断して、電気化学プロセスにて表面に金属が析出されるカソードの一部として使用できる。板材がコイルの形をとる場合は、金属の電気化学プロセスを行なう場所に板材を移送することが基本的に容易になる。そこで、コイル状板材は、金属の電気化学プロセスの作業に有利な形状に切断される。
本発明によるコイル処理ラインは、有利には、例えば焼鈍、化学的表面処理、機械的表面処理、冷間圧延などの処理工程を含む。化学的表面処理は、例えば酸洗いである。機械的表面処理は、例えば研削、湿式研削あるいは乾式研削、ブラッシング、およびショットブラストである。冷間圧延は、例えばパターン圧延によって実現してもよい。これらの処理工程の任意の組合せを利用して、所望の粗面度を有する板材を得てもよい。本発明の好適な一実施形態によると、板材のコイル処理ラインは、予備焼鈍および酸洗い、冷間圧延、研削、最終焼鈍および酸洗いの処理で構成される。
本発明を用いて処理した板材は、金属の電気化学プロセスにおいてカソードの一部として使用し、その場合、板材に析出される金属は、例えば、銅、ニッケルまたは銀である。電気化学プロセスは、例えば、電気精錬または電解採取でよい。
金属の電気化学プロセスで使用する板に所望の粗面度を得るには、板の表面と板の表面上に析出される金属との間の析出金属を分離するために必要なせん断力を測定して、金属の電気化学プロセスにおける被着力を判定する。せん断力は、引張試験機で使用する器具を使用して測定する。ステンレス鋼などの板材から作成された試料は、器具に対して可動に取り付けるが、金属片が固定された器具の壁部に対して試料の表面の金属析出物が接触状態を維持する程度にしっかり固定する。次に、試料を担持した器具を引張試験機に取り付け、試料を押し下げる一方で、金属析出物は固定位置に保持する。金属析出物を試料から分離するために必要なせん断力は、試料が下がったときに測定する。
本発明について、以下の図面を参照して詳細に述べる。
板材に析出する金属として銅を使用する本発明に係る好適な一実施形態を示す図であり、せん断力と粗面度Raとの間の相関性を示す。
板材に析出する金属として銅を使用する本発明に係る好適な一実施形態を示す図であり、工業規模におけるせん断力と粗面度Raとの間の相関性を示す。
析出される銅と銅の電気化学プロセスで使用される板との間に生じるせん断力に対する板材の粗面度および化学組成の影響を、一方では異なる板材を使用して判定し、他方では板の表面の様々な粗面度値を用いて判定する。板材自体がせん断力の差を左右するか否かを比較するために、板試料を研削して粗面度を同じような値にする。粗面度に起因するせん断力に対する影響を判定するために、同一の板材から作成された複数の試料の表面を様々な粗さにする。また、板試料の表面を研削して有利に得られる溝の整列効果は、その面において、試料の長さ方向に平行な溝を研削し、さらに面上の試料の長さ方向に実質的に垂直な溝を研削することで、判定する。
板試料の表面への銅の析出は電気化学セルにおいて行ない、その場合、電解液は、硫酸銅水和物、塩化ナトリウム、チオ尿素および硫黄酸からなり、これは、銅の電気精錬における工業規模の電解液を模擬するものである。電気化学セルでは、飽和カロメル電極（SCE）を使用して動作時の電位を記録し、プラチナメッシュを対向電極として機能する。電気化学プロセス時、気泡を電解液に送り込んで撹拌を促進させる。所望量の銅が板試料の表面に析出したら、電気化学プロセスを終了する。
試験した板材の化学組成の主要元素量を以下の表１に重量パーセントで示す。
合金Ａは、一般にカソード板に用いられるEN1.4404（316L/UNSS31603）のオーステナイト系ステンレス鋼を示し、重量パーセントで、0.03％未満の炭素（C）、2％未満のマンガン（Mn）、16.5〜18.5％のクロム（Cr）、10〜13％のニッケル（Ni）、２〜2.5％のモリブデン（Mo）および0.10％未満の窒素（N）を含有する。
合金ＢはEN1.4162（LDX2101/UNS32101）のオーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼を示し、通常、重量パーセントで、0.04％未満の炭素（C）、4〜6％のマンガン（Mn）、21〜22％のクロム（Cr）、1.35〜1.70％のニッケル（Ni）、0.1〜0.8％のモリブデン（Mo）、0.2〜0.25％の窒素（N）および0.1〜0.8％の銅（Cu）を含有する。
合金ＣはEN1.4462（2205/UNS32205）のオーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼を示し、通常、重量パーセントで、0.03％未満の炭素（C）、2％未満のマンガン（Mn）、21〜23％のクロム（Cr）、4.5〜6.5％のニッケル（Ni）、2.5〜3.5％のモリブデン（Mo）および0.10〜0.22％の窒素（N）を含有する。
合金Ａ〜Ｃにおける粗面度とせん断力との相関性を判定するために、様々な研磨ベルトとある程度摩耗した複数の研磨ベルトを使用して、様々な粗面度値を得る。さらに、表面を乾式研削および湿式研削して、様々な粗面度を得る。また、コイル処理ラインにおいてスキンパスを施した素材の他に、ショットブラストおよび酸洗いを施した表面も試験する。
本発明によると、粗面度値Ra（粗度平均）に関して粗面度測定は粗面度計を使用して行ない、その場合、カットオフ値は0.8mmに設定し、Ra値が2.26マイクロメートル未満の試料に対する触針移動速度は0.5mm/sとする。Ra値が2.26マイクロメートルよりも大きい試料の場合、カットオフは2.5mm、触針移動速度は１mm/sに設定する。
各板試料を電気化学セル内に固定して、各板試料の表面に銅を析出させた。せん断工程の開始前は、析出した銅と試料との間の界面において、銅が試料の表面のごく小さい局所的形質に良好に浸入していることが判明した。
析出した銅と板試料との間のせん断力によって被着力を測定するために、銅の析出した試料を器具に取り付けるが、ここで、試料を可動にしたまま、析出銅は固定位置に留まるようにする。次に、器具を引張試験機に取り付け、カソード板試料を動かすことによって、銅析出物を板試料から分離するのに要する力を測定する。
板試料は、それぞれの粗面度ならびに測定したせん断力とともに、粗面度Raに対応して以下の表２および図１に記載する。また、基準素材の値も表２に記載する。表２において、用語「摩耗ベルト」とは、実際の処理に使用する前に少なくとも一度研削処理に使用した研磨ベルトを意味し、これに対し、用語「新ベルト」とは、実際の処理に使用する前は本発明による処理に使用していない研磨ベルトを意味する。
表２において、各結果は、湿式研削によって粗面度を得る３つの試験、ならびにショットブラストおよび酸洗いを組み合わせて粗面度を得る１つの試験に基づく。粗面度値が増加すると、せん断力によって測定した被着力が増加することが分かる。湿式研削した表面では、実質的に線形な傾向が見てとれる。板と板の表面に析出した銅との間で測定されるせん断力は、板の粗面度で調整され、図１に示すように、板の粗面度を研削によって得た場合、せん断力は板の粗面度に正比例する。ショットブラストと酸洗いを組み合わせて、すなわち最初にショットブラストを行ない、その後酸洗いを行なって処理した試料では、最高値のせん断力が測定された。さらに、銅析出物とステンレス鋼の表面の間の界面からは、銅析出物がステンレス鋼のごく小さい局所的形質に良好に浸入していることも分かった。したがって、0.7〜5.5マイクロメートル、好適には0.7〜2.5マイクロメートルの粗面度Raで、銅析出物とステンレス鋼の表面との間に所望の被着力が十分に得られる。よって、せん断力は250〜800Ｎ、好適には250〜650Ｎである。
粗面度とせん断力の関係も工業規模で試験した。その結果を表３に示し、合金Ｂに関してはそれぞれ図２に示す。
粗面度とせん断力の関係も工業規模で試験した。その結果を表３に示し、合金Ｂに関してはそれぞれ図２に示す。
表３および図２における試験結果は、粗面度およびせん断力が互いに線形依存性を有していることを示す。また、せん断力によって測定した被着力の結果値は、実験室規模のせん断力の数値と実質的に同じ範囲である。
Claims (16)
- 金属の電気化学プロセスで表面に金属が析出されるカソードの一部として使用する板材の製造方法において、パターン圧延による冷間圧延工程によって形成され、その結果金属析出物と前記板材との間の被着力に関わる該板材の粗面度は、該冷間圧延工程における少なくとも１つの処理を施して得ることを特徴とする板材の製造方法。
- 請求項１に記載の方法において、前記板材の粗面度は粗度平均値Raで0.7〜5.5マイクロメートルであることを特徴とする製造方法。
- 請求項１または２に記載の方法において、前記板材は銅の電気化学プロセス用であることを特徴とする製造方法。
- 請求項３に記載の方法において、前記板材は銅の電気精錬用であることを特徴とする製造方法。
- 請求項３に記載の方法において、前記板材は銅の電解採取用であることを特徴とする製造方法。
- 請求項１または２に記載の方法において、前記板材は銀の電気化学プロセス用であることを特徴とする製造方法。
- 請求項６に記載の方法において、前記板材は銀の電気精錬用であることを特徴とする製造方法。
- 請求項６に記載の方法において、前記板材は銀の電解採取用であることを特徴とする製造方法。
- 請求項１または２に記載の方法において、前記板材はニッケルの電気化学プロセス用であることを特徴とする製造方法。
- 請求項９に記載の方法において、前記板材はニッケルの電気精錬用であることを特徴とする製造方法。
- 請求項９に記載の方法において、前記板材はニッケルの電解採取用であることを特徴とする製造方法。
- 請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法において、コイル処理ラインから得た成品としての前記板材はオーステナイト系ステンレス鋼から作成され、該ステンレス鋼は、重量パーセントで、0.03％未満の炭素（C）、2％未満のマンガン（Mn）、16.5〜18.5％のクロム（Cr）、10〜13％のニッケル、2〜2.5％のモリブデン（Mo）および0.10％未満の窒素（N）を含有することを特徴とする製造方法。
- 請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法において、コイル処理ラインから得た成品としての前記板材はオーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼から作成され、該ステンレス鋼は、重量パーセントで、0.04％未満の炭素（C）、4〜6％のマンガン（Mn）、21〜22％のクロム（Cr）、1.35〜1.70％のニッケル、0.1〜0.8％のモリブデン（Mo）、0.2〜0.25％の窒素（N）および0.1〜0.8の銅（Cu）を含有することを特徴とする製造方法。
- 請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法において、コイル処理ラインから得た成品としての前記板材はオーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼から作成され、該ステンレス鋼は、重量パーセントで、0.03％未満の炭素（C）、2％未満のマンガン（Mn）、21〜23％のクロム（Cr）、4.5〜6.5％のニッケル、2.5〜3.5％のモリブデン（Mo）および0.10〜0.22％の窒素（N）を含有することを特徴とする製造方法。
- 請求項１ないし１４のいずれかに記載の方法において、前記板材はコイルの形状となるように処理されることを特徴とする製造方法。
- 請求項１ないし１４のいずれかに記載の方法において、前記板材は板の形状となるように処理されることを特徴とする製造方法。
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