JP6590110B2 - 連続溶融金属めっき処理装置及び該装置を用いた溶融金属めっき処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、走行する金属帯に連続して溶融金属めっきをするための連続溶融金属めっき処理装置及び該装置を用いた溶融金属めっき処理方法に関するものである。
従来、金属帯への溶融金属めっき、例えば鋼帯への溶融亜鉛めっきは、一般的には図８に示すような連続溶融亜鉛めっきラインで行われる。すなわち、還元雰囲気の連続焼鈍炉で焼鈍された鋼帯Ｓは、スナウト８１内を通過して、めっき槽８２内の溶融亜鉛浴８３中に連続的に導入される。その後鋼帯Ｓは、溶融亜鉛浴８３中のシンクロール８４を介して溶融亜鉛浴８３の上方に引き上げられ、一対のガスワイピングノズル８５で所定のめっき厚みに調整された後に、冷却されて後工程に導かれる。
この連続溶融金属めっきラインでは、ガスワイピングノズル８５から加熱された気体、又は常温の気体を吐出させ、鋼帯Ｓの表面に吹き付けることにより、該鋼帯の表面に付着して引き上げられてくる溶融亜鉛をワイピングし、所望の付着量に制御している。このガスワイピング法は現在広く用いられている方法である。
しかしながら、本方式で溶融亜鉛の付着量制御を行う際、鋼帯へのガスの衝突圧力を上げると、ガス風量の増加によりスプラッシュと呼ばれる溶融亜鉛の飛散が起こり、飛散した溶融亜鉛が鋼帯表面に再付着することで、めっき表面の外観欠陥となるという問題がある。また、亜鉛浴は大気と接しているため亜鉛が空気を巻き込み、浴表面に酸化物塊（ドロス）となって溜まる。これが鋼帯に付着して、めっき表面の外観欠陥となるといった問題がある。また、薄めっきを得たい場合、ガス衝突圧力を上げるが、鋼帯の反りや振動により、ノズルと鋼帯間の距離を近づけることが困難なため、溶融亜鉛めっきの目付け量は、30g/m2程度が現状の下限である。
これらの問題を解決する手段として、特許文献１〜３のような技術が知られている。特許文献１には、溶融金属めっき浴から連続的に引き上げられる金属帯の表面に向けてワイピングノズルから、バーナの排ガスを吹き付けることによりめっき付着量を制御する溶融めっき付着量制御方法が開示されている。
特許文献２には、ガスワイピング法に代替する付着量制御方法として、溶融金属めっき浴から連続的に引き上げられる鋼帯の両面に対向して一対の電磁コイルを配置して、電磁力を利用して溶融金属をワイピングする方法が開示されている。
特許文献３には、金属帯を溶融金属に浸漬させる方法に代替するめっき処理方法として、連続的に走行供給される鋼帯の表面に、該鋼帯を挟んで対向して設けられた一対のスプレーノズルより溶融金属の微粒子を噴射してスプレーめっきする溶融金属のめっき方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１の方法では、燃焼させた高温の排ガスを用いてワイピング効率を高めることでガス量を削減できるが、ガス衝突圧力を用いたガスワイピング法であることには変わりないため、結局はスプラッシュやドロスの問題が残る。
特許文献２の方法では、薄めっきを得るためには、電磁コイルに大電流を流す必要があり、その結果鋼帯が加熱されてしまうといった問題がある。また、亜鉛浴を必要とするため、空気との接触による浴中や浴表面でのドロス生成の問題は解決できない。
特許文献３のスプレーめっき法では、溶融金属の微粒子群が拡散して鋼帯表面に到達する。このため、鋼帯表面で微粒子量の流量密度のばらつきが生じて、めっき膜厚の分布が生じたり、鋼帯のエッジ外側へも溶融金属の微粒子が噴霧されて、溶融金属の歩留りが悪化するといった課題が発生する。さらに、微粒子径にばらつきが生じるため、非常に微小なミストは鋼帯に付着することなく炉内を浮遊し、溶融金属の歩留りが悪化したり、炉内が汚染されるといった課題も発生する。
そこで本発明は、上記課題に鑑み、金属帯の表面への溶融金属めっき処理方法として、従来の浸漬めっき法やスプレーめっき法に固有の課題を回避した全く新規な溶融金属めっき処理方法と、該方法を実現可能な連続溶融金属めっき処理装置を提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するために、金属帯に対し、電磁力（ローレンツ力）を用いて溶融金属の液滴をノズルから吐出して、表面が美麗なめっき金属帯を製造できる方法及び装置を見出したものである、その要旨構成は以下のとおりである。
（１）連続的に金属帯が走行する非酸化性雰囲気の空間を区画するめっき炉と、
前記金属帯の表面に向けて溶融金属液滴を吐出するノズルシステムと、
を有する連続溶融金属めっき処理装置であって、
前記ノズルシステムは、
溶融金属が通過するチャンバを区画し、先端に前記チャンバから連通する吐出口を区画するノズルを有するノズルカートリッジと、
前記チャンバの少なくとも一部に所定方向の磁束を発生させる磁束発生機構と、
磁束が与えられた前記チャンバの少なくとも一部に位置する溶融金属に、前記所定方向と垂直方向の電流を流すための電流発生機構と、
を有し、前記電流発生機構によって前記溶融金属に電流を流すことにより前記溶融金属に生じるローレンツ力の作用で、前記吐出口から前記溶融金属の液滴を前記金属帯の表面に向けて吐出するものであることを特徴とする連続溶融金属めっき処理装置。
前記金属帯の表面に向けて溶融金属液滴を吐出するノズルシステムと、
を有する連続溶融金属めっき処理装置であって、
前記ノズルシステムは、
溶融金属が通過するチャンバを区画し、先端に前記チャンバから連通する吐出口を区画するノズルを有するノズルカートリッジと、
前記チャンバの少なくとも一部に所定方向の磁束を発生させる磁束発生機構と、
磁束が与えられた前記チャンバの少なくとも一部に位置する溶融金属に、前記所定方向と垂直方向の電流を流すための電流発生機構と、
を有し、前記電流発生機構によって前記溶融金属に電流を流すことにより前記溶融金属に生じるローレンツ力の作用で、前記吐出口から前記溶融金属の液滴を前記金属帯の表面に向けて吐出するものであることを特徴とする連続溶融金属めっき処理装置。
（２）前記金属帯を加熱する加熱機構と、
前記溶融金属の融点をTu（℃）として、前記金属帯の温度をTu−20（℃）以上とする、前記加熱機構の制御装置と、
をさらに有する、上記（１）に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
前記溶融金属の融点をTu（℃）として、前記金属帯の温度をTu−20（℃）以上とする、前記加熱機構の制御装置と、
をさらに有する、上記（１）に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
（３）前記めっき炉の金属帯出側に設置された、前記非酸化性雰囲気の空間を大気から遮断するシール装置をさらに有する、上記（１）又は（２）に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
（４）前記金属帯の進行方向に対して前記ノズルシステムの上流側及び下流側の少なくとも一方に設定された、前記金属帯の振動および反りを抑制する制振・矯正機構をさらに有する、上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
（５）前記ノズルカートリッジにおいて、その先端の前記ノズルに前記吐出口が、前記金属帯の幅方向に複数個配置される、上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
（６）前記ノズルカートリッジが、前記金属帯の幅方向に複数個配置され、前記金属帯の幅方向全範囲にわたり、前記吐出口が所定の間隔で配置される、上記（５）に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
（７）前記ノズルカートリッジが、前記金属帯の進行方向に複数個配置される、上記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
（８）前記金属帯の進行方向の異なる位置に配置された前記ノズルカートリッジ間で、各ノズルカートリッジのチャンバに供給する溶融金属の種類を異なるものに制御して、複層めっき被膜の形成を可能とした、上記（７）に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
（９）上記（１）〜（８）のいずれか一項に記載の連続溶融金属めっき処理装置を用いて、連続的に走行する金属帯の表面に向けて溶融金属の液滴を吐出して、前記金属帯の表面をめっき処理することを特徴とする溶融金属めっき処理方法。
本発明の連続溶融金属めっき処理装置によれば、金属帯の表面への溶融金属めっき処理方法として、従来の浸漬めっき法やスプレーめっき法に固有の課題を回避した全く新規な溶融金属めっき処理方法を実現できる。
本発明の溶融金属めっき処理方法によれば、従来の浸漬めっき法やスプレーめっき法に固有の課題を回避しつつ、金属帯の表面に溶融金属めっき処理を施すことができる。
図１及び図２に示す本発明の一実施形態による連続溶融金属めっき処理装置１００，２００は、連続的に金属帯Ｓが走行する非酸化性雰囲気の空間を区画するめっき炉１と、このめっき炉１に取り付けられ、金属帯Ｓの表面に向けて溶融金属液滴を吐出するノズルシステム１０と、を有する。そして、本発明の一実施形態による溶融金属めっき処理方法は、これら連続溶融金属めっき処理装置１００，２００を用いて、連続的に走行する金属帯Ｓの表面に向けて溶融金属の液滴を吐出して、金属帯Ｓの表面をめっき処理する。
本開示においては、ノズルシステム１０によって電磁力（ローレンツ力）を用いて溶融金属の液滴を金属帯Ｓの表面に向けて吐出することが特徴である。以下、図３〜６を参照して、ノズルシステム１０について説明する。
まず、図３〜５に示すように、ノズルシステム１０はノズルカートリッジ２０を有する。ノズルカートリッジ２０は、溶融金属が通過するチャンバ２１を区画し、先端にノズル２３を有する。ノズル２３は、チャンバ２１Ｃから連通する吐出口２２を区画する。
図３，４には、ノズルカートリッジ２０の先端近傍のみを図示するが、ノズルカートリッジ２０には、チャンバ２１に溶融金属を連続的に供給可能な供給機構（図示せず）が接続されている。供給機構は、例えば誘導加熱により高温溶融状態となった金属を保持可能なタンクと、ノズルカートリッジに溶融金属を安定供給する電磁ポンプとから構成される。または、溶融金属を溜めるタンクをカートリッジの鉛直上方に配置することで重力による自動供給を行うことができる。
本実施形態において、ノズルカートリッジ２０の先端近傍で区画されるチャンバ２１は、直方体形状の第１チャンバ２１Ａと、これよりもサイズが小さい直方体形状の第３チャンバ２１Ｃと、これらを連結して、図３及び図４の断面視でテーパー形状を有する第２チャンバ２１Ｂとからなる。そして、第３チャンバ２１Ｃを区画する部位が、ノズルカートリッジ２０の最先端部となる。図５に示すように、ノズルカートリッジ２０の先端のノズル２３は、矩形の板状部材であり、その長手方向に所定の間隔をあけて複数の吐出口２２が形成されている。すなわち、吐出口２２は、ノズル２３をチャンバ２１から外気に向けて貫通する貫通孔である。
ノズルカートリッジ２０及びノズル２３の素材は、耐熱性があるグラファイトや各種セラミックス等が好適に利用できる。また、ノズルカートリッジ２０には電磁コイル（図示せず）を巻き付けて、誘導加熱により溶融金属を高温に保持可能とすることが好ましい。
ノズルシステム１０は、チャンバ２１の少なくとも一部に所定方向の磁束を発生させる磁束発生機構と、磁束が与えられたチャンバの少なくとも一部に位置する溶融金属に、前記所定方向と垂直方向の電流を流すための電流発生機構を有する。以下、図３及び図５を参照して、本実施形態の電流発生機構を説明し、図４及び図５を参照して、本実施形態の磁束発生機構を説明する。
図３に示すように、本実施形態の電流発生機構は、一対のピン形状の電極４０Ａ，４０Ｂを含む。電極４０Ａ，４０Ｂは、各々の先端部が、ノズルカートリッジ２０の第３チャンバ２１Ｃを区画する部位に設けられた貫通孔に差し込まれて、第３チャンバ２１Ｃ内の溶融金属と物理的かつ電気的に接触している。電極４０Ａ，４０Ｂは、各々の先端部が互いに対向している。また、本実施形態の電流発生機構は、電極４０Ａ，４０Ｂに電気的に接続した直流電源（図示せず）と、該直流電源の制御装置（図示せず）とを含む。制御装置により直流電源を制御して、電極４０Ａ，４０Ｂを介して、第３チャンバ２１Ｃ内の溶融金属に直流のパルス電流を流す。電流パルスの形状、振幅及びパルス幅は、制御装置により適切に制御される。本実施形態では、電極４０Ａ，４０Ｂの先端同士を結ぶ線は、ノズル２３の長手方向、すなわち吐出口２２の配列方向と一致している。そして、この方向は、第３チャンバ２１Ｃ内の溶融金属に流れる電流の方向とも一致する。直流電流の向きは、図３の電極４０Ａから電極４０Ｂに向かう方向でもよいし、その逆方向でもよい。電極４０Ａ，４０Ｂの素材は特に限定されないが、高温での使用に耐えうるタングステン等が好適に用いられる。
図３〜５に示すように、本実施形態の磁束発生機構は、磁束を発生させる一対の永久磁石３０Ａ，３０Ｂと、発生した磁束を第３チャンバ２１Ｃに集中させるための一対の集束器３２Ａ，３２Ｂとからなるものとすることができる。一対の永久磁石３０Ａ，３０Ｂは、各々電極４０Ａ,４０Ｂの上方に、第３チャンバ２１Ｃを挟むように、かつＮ極同士及びＳ極同士が同じ側になるように、配置される。一対の集束器３２Ａ，３２Ｂは、一対の永久磁石３０Ａ，３０Ｂの間に配置される。磁石によって発生する磁束を、チャンバの少なくとも一部、本実施形態では第３チャンバ２１Ｃに集中させることができるように、鉄製の集束器３２Ａ，３２Ｂの形状は、ノズルカートリッジの先端に向かって細くなるように設計する（図４参照）。集束器３２Ａ，３２Ｂは、鉄等の磁性案内材料により構成される。この構成によって、第３チャンバ２１Ｃに、前記電流の向きと垂直方向の磁束を発生させることができる（図５参照）。
本実施形態では、第３チャンバ２１Ｃに、図４の左右の方向の磁束が発生している状態で、第３チャンバ２１Ｃ内の溶融金属に、図３の右方向又は左方向にパルス電流を付与する。これにより、第３チャンバ２１Ｃ内の溶融金属には、磁束方向及び電流方向の両方に垂直な方向にローレンツ力が働く。このローレンツ力の作用で、吐出口２２から溶融金属の液滴が金属帯の表面に向けて吐出される。
この吐出原理について、図６を参照して簡潔に説明する。第１の態様として、磁束Ｂ及びパルス電流Ｉの方向が図６に示す向きの場合、第３チャンバ２１Ｃ内の溶融金属には図６の下方向（すなわちチャンバ内から吐出口を介して外気に向かう方向）に、パルス的にローレンツ力Ｆが働く。この溶融金属に直接発生するパルス状のローレンツ力の作用で、溶融金属は吐出口２２に向けて押し出される。その際、溶融金属は非常に高い表面張力を有するため、吐出口２２から液滴Ｄの状態で吐出される。
第２の態様として、パルス電流の向きを図６に示す向きと反対にした場合、第３チャンバ２１Ｃ内の溶融金属には、図６の上方向（すなわち外気から吐出口を介してチャンバ内に向かう方向）に、パルス的にローレンツ力Ｆが働く。このローレンツ力の作用でも、溶融金属は吐出口２２から吐出される。この場合、あるパルスのローレンツ力が溶融金属に働いている間は、吐出口２２内の溶融金属のメニスカスはチャンバ内の方向に向かって凹むが、パルス間のローレンツ力が発生していない期間に、そのメニスカスが押し戻される。その際、溶融金属は非常に高い表面張力を有するため、メニスカスが破れて、液滴が形成され、吐出口２２から吐出される。
なお、ローレンツ力を利用した溶融金属の吐出技術は、既に知られており、ＷＯ２０１０／０６３５７６号公報及びＷＯ２０１５／００４１４５号公報に開示されている。前者の公報には、第１の態様の吐出技術が記載されており、後者の公報には、第１の態様及び第２の態様の吐出技術が、その吐出原理とともに詳細に記載されている。一般的に第１の態様よりも第２の態様の方が、より微小な液滴を得ることができる。よって、所望の溶融金属液滴径に応じて、いずれかの態様を選択すればよい。
本開示では、このローレンツ力を利用した溶融金属の吐出技術を連続溶融金属めっき処理に適用しつつ、均一なめっきを実現したものである。インクジェットのように、ピエゾ素子を用いて溶融金属を吐出制御する方式も考えられるが、耐熱性の問題があり高温環境下での使用には適さない。そのため、断熱材と冷却機構を組み合わせた防熱対策を行う必要がある。また、ヘッド寿命も短く、メンテナンスや交換周期が短くなるといった課題もある。一方、電磁力を利用してノズルから溶融金属を吐出する方式であれば、耐熱性も上がり、ヘッド寿命も長くなる。以下、本開示において均一なめっきを実現するための好適条件を説明する。
図１及び図２を参照して、金属帯Ｓは、非酸化性ガスが導入された非酸化性雰囲気中を連続的に走行し、ノズルシステム１０から液滴として吐出された溶融金属によりめっき処理される。めっき炉１の形状は特に限定されないが、図１及び図２に示すような縦型炉とすることができる。図８に示すような一般的な連続焼鈍炉で焼鈍された金属帯Ｓをめっき処理する場合には、めっき炉１の内部は、連続焼鈍炉のスナウトと空間的に連通していることが好ましい。
めっき炉１内の雰囲気は、非酸化性雰囲気とする必要があり、金属帯表面の酸化により濡れ性が劣化して不めっきが発生すること十分に抑制する観点から、炉内の酸素濃度は200ppm未満とすることが好ましく、100ppm以下とすることがより好ましい。また、脱酸素コスト制約の観点から、炉内の酸素濃度は0.001ppm以上とすることが好ましい。めっき炉１内の雰囲気ガスは、非酸化性ガスであれば特に限定されないが、例えば、N2、Ar等の不活性ガスや、H2等の還元性ガスから選択される１種または２種以上のガスを好適に用いることができる。
金属帯Ｓとノズルシステム１０の配置について、図１では、縦型炉内での両面めっきとなっているが、横型炉で片面ずつまたは両面めっきするレイアウトにも適用できる。ノズルシステム１０と金属帯Ｓ間の距離は、金属帯の反りや振動などの影響を受け一定とはならないため、センサー等によりノズル−金属帯間ギャップを測定し、ノズル位置を適宜調整できる構造とすることが好ましい。
金属帯および溶融金属の酸化を抑えるため、めっき炉１の金属帯出側には、非酸化性雰囲気の空間を大気から遮断するシール装置２を設置することが好ましい。シール装置としては、ガスカーテンやスリットなど仕切り、又は図１及び図２に示すようなシールロールを上げることができる。これにより、炉内の酸素濃度を100ppm以下に抑えることができ、不めっき等の欠陥を十分に抑制できる。
図５を参照して、ノズル２３の寸法は特に限定されないが、金属帯の長手方向に1〜10ｍｍ程度、金属帯の幅方向に1〜200ｍｍ程度の矩形とすることが好ましい。金属帯の幅方向の長さが1ｍｍ未満の場合、金属帯の幅方向に効率的に塗布することが困難となり、ノズルを走査させるなど複雑な機構の追加が必要であり、200ｍｍ超えの場合、ノズル幅方向に均一にローレンツ力をかけることが困難となり、各吐出口間での均一な吐出が難しくなるからである。
図５を参照して、ノズルカートリッジにおいて、その先端のノズル２３には吐出口２２が金属帯の幅方向に複数個配置されることが好ましい。そして、吐出口２２の直径や、隣接する吐出口間の間隔は、以下の吐出条件を考慮しつつ決定する。
すなわち、溶融金属液滴吐出の際は、ライン速度や、所望のめっき膜厚又は解像度に応じて、液滴径や吐出量をコントロールするためのパルス電流制御が必要となる。パルス電流制御において、小さな液滴を形成するには、ある程度高い周波数に設定する必要があり、パルス電流周波数は100Hz以上が好ましい。さらに好ましくは500Hz以上である。また、溶融金属がノズルに充填される速度の限界から、パルス電流周波数は50000Hz以下とすることが好ましい。また、溶融金属の比重は重く、速度を付けて金属帯に着弾できるよう吐出するには、強い磁界と電流出力を必要とする。これらは、吐出口の形状や要求される液滴径、使用する溶融金属等により適宜調整が必要なパラメーターとなる。一般的に液滴体積Ｖは次式のように与えられる。
ここでrは吐出口の半径、νは吐出速度、fはチャンバ内の圧力波の共振周波数である。液滴径（液滴体積）を小さくするには、吐出口半径を小さくすれば良い。または、共振周波数を高く設定することで液滴径を小さくできる。
また、種々検討の結果、液滴径は吐出口径とほぼ同じか少し大きくなることが分かった。本実施形態では、平均液滴径は、均一なめっきを実現する観点から100μｍ以下とすることが好ましい。安定的に液滴径100μｍ以下の微小液滴を吐出するには、吐出口径は60μｍ以下、さらに好ましくは50μｍ以下に設定することが好ましい。また、溶融金属液滴の安定的な充填と吐出を保つため、吐出口径は2μｍ以上とすることが好ましい。よって、平均液滴径も2μｍ以上が好ましい範囲となる。なお、本明細書において「液滴径」は、液滴をその体積と同等の球とした場合の球の直径とする。液滴径の測定方法は、以下のとおりである。すなわち、溶融金属の液滴を金属板に吐出し、固化した後の単一液滴をレーザー顕微鏡で測定して３次元高さ分布を得て、この３次元高さ分布から液滴体積を算出した。そして、その体積と同等の体積の球の直径に換算することで液滴径とした。平均液滴径は、金属板に吐出された任意かつランダムな10個以上の液滴について液滴径を求め、その算術平均と定義する。
この条件下で均一なめっきを実現する観点から、隣接する吐出口間の間隔（吐出口の中心間距離）は、10〜250μｍとすることが好ましい。
また、速度を付けて金属帯に着弾できるように液滴を吐出するには、磁界の強さは、10ｍＴ以上とすることが好ましく、さらに好ましくは100ｍＴ以上である。また、永久磁石の磁力の限界から、磁界の強さは1300ｍＴ以下とすることが好ましい。
高速で通板される広幅の金属帯を均一にめっき処理するためには、ノズルカートリッジは、金属帯の幅方向に複数個配置して、金属帯の幅方向全範囲にわたり吐出口が所定の間隔で配置されるようにする必要がある。さらには、ノズルカートリッジを、金属帯の進行方向に複数個配置することも好ましい。これによりめっき処理速度を向上することができる。ノズルカートリッジの配置の一例として、図７に示すような位置関係でノズル２３が配置されるように、ノズルカートリッジを幅方向及び金属帯の進行方向に複数段配置することができる。
また、ノズルやノズルカートリッジの交換を容易に行えるように、金属帯の進行方向に対し、ノズルの上流側にもシール装置を設け、ノズル交換が炉内雰囲気全体に影響を及ぼさない設備構成とすることが望ましい。
めっき処理される金属帯Ｓの温度であるが、めっきする溶融金属の融点をTu（℃）とした場合、Tu−20（℃）以上であることが望ましい。これは、めっき表面を平滑化、均一にするためである。金属帯の温度がTu−20（℃）以上であれば、金属帯表面に着弾した液滴はすぐに固化せず、レベリングされるため平滑なめっき面を得ることができる。そのため、図１及び図２には図示しないが、本実施形態の連続溶融金属めっき処理装置１００，２００は、金属帯を加熱する加熱機構と、金属帯の温度をTu−20（℃）以上とするための加熱機構の制御装置と、有することが好ましい。また、金属帯の温度がその軟化点や融点に近いと金属帯自体の通板が困難となるため、金属帯の温度は金属帯の融点−200（℃）以下とすることが好ましい。例えば、加熱はラジアントチューブや誘導加熱、赤外線加熱、通電加熱、冷却はガスジェットやミスト、ロールクエンチなどが用いられる。
一方、着弾後の溶融金属をレベリングさせずに、液滴形状を維持して所定の表面テクスチャを得たい場合には、金属帯表面温度をTu−20（℃）より低く設定する。めっき表面に模様を付け、微細な形状を形成、文字等を印刷する場合には、Tu−20（℃）未満、より望ましくは、Tu−40（℃）以下とする。この場合、金属帯はあまりに低温では脆性材料となり通板が困難となるため、金属帯の温度は10℃以上とすることが好ましい。
また、図１を参照して、ノズルシステム１０の下流側の、金属帯出側までの炉内距離は、めっき後の溶融金属が固化するに十分な長さとする。この下流側には、種々の設備を追加してもよい。例えば、より平滑なめっき表面を得るため、めっき処理後にガス噴射による均しを行っても良い。また、より早くめっきを固化させたい場合には、ガスジェット等の冷却装置を設けてもよい。また、めっき層を合金化処理させたい場合には、高温の金属帯に対し溶融金属を吐出するもしくは、バーナ、誘導加熱といった加熱装置を設けても良い。
また、異種溶融金属の多層被膜、複合被膜を得たい場合には、各ノズルカートリッジのチャンバに注入する溶融金属の種類を変更できるよう、別系統で異種溶融金属を注入可能な設備構成にすることで対応できる。例えば、図２に示すように、金属帯の進行方向の異なる位置に配置されたノズルカートリッジ２０間で、各ノズルカートリッジのチャンバに供給する溶融金属の種類を異なるものに制御すれば、複層めっき被膜の形成が可能となる。このようにして、多層化、複合化が容易に行え、めっき被膜設計の自由度が増し、耐食性や塗料密着性、加工性といった機能を付与し、被膜を高機能化できる。
炉内を走行する金属帯は、振動や形状不良による反りが発生する場合がある。そのため、金属帯の進行方向に対してノズルシステムの上流側及び下流側の少なくとも一方には、金属帯の振動および反りを抑制する制振・矯正機構を設置することが好ましい。例えば、図２には、接触式の制振・矯正機構の例としてサポートロール３を図示し、非接触式の制振・矯正機構の例として電磁コイル４を図示した。めっき処理後の表面は、めっきが凝固するまでは接触しない方がよいため、ノズルシステムの下流側では、非接触式を採用することが好ましい。
ノズル表面（吐出口先端）から金属帯までの距離は0.2ｍｍより大きく10ｍｍ未満とすることが好ましい。0.2ｍｍ以下では、金属帯を制振しきれない場合に、金属帯がノズルに接触してしまうおそれがある。また、10ｍｍ以上では、ノズル周りのガス流れの影響で、金属液滴の着弾位置にズレが生じ均一な塗布が困難となる。
以上説明した本実施形態によれば、従来の浸漬めっき法やスプレーめっき法に固有の課題を回避しつつ、連続的に走行する金属帯の表面に溶融金属めっき処理を施すことができる。金属帯は特に限定されないが、例えば鋼帯を挙げることができる。また、液滴として吐出する溶融金属も特に限定されないが、溶融亜鉛を挙げることができる。なお、本実施形態において記載した好適な条件については、個別に採用しても構わないし、任意の組み合わせで採用しても構わない。
板厚0.4ｍｍ、板幅100ｍｍの鋼帯に対して、図２に示した装置を用いて、鋼帯片面への溶融亜鉛めっきを行い、めっきの付着量、外観の評価を行った。100kW電源の出力調整及びパルス電流の周波数制御を行い、溶融亜鉛液滴を吐出しめっきを実施した。ノズル径は30μｍ、ノズル先端から鋼帯までの距離は3ｍｍとした。ノズル数は、幅方向に1インチ当たり100個の間隔で配置し、幅方向25.4ｍｍの範囲に吐出可能なノズルシステムを図７に示すように幅方向2台、長手方向4列に設置した。炉内雰囲気は5%H2、95%N2である。めっき付着量はランダムに抽出した１０箇所のめっき断面を顕微鏡で観察し、めっき厚みを測定し平均値を算出した。従来法として、図８に示すように溶融金属浴に浸漬するめっき方法も実施した。また、既述の方法で求めたランダムな10滴の平均液滴径を表１に示した。
めっき外観は下記の基準で評価した。
○：目視で外観ムラ、変色が認められない。
△：目視で軽微な外観ムラ、軽微な変色が認められるが製品として許容範囲である。
×：目視で明瞭な外観ムラ、変色が認められる。
○：目視で外観ムラ、変色が認められない。
△：目視で軽微な外観ムラ、軽微な変色が認められるが製品として許容範囲である。
×：目視で明瞭な外観ムラ、変色が認められる。
不めっきは下記の基準で評価した。
○：目視で不めっきが認められない。
△：目視で軽微な不めっきが認められるが製品として許容範囲である。
×：目視で明瞭な不めっきが認められる。
○：目視で不めっきが認められない。
△：目視で軽微な不めっきが認められるが製品として許容範囲である。
×：目視で明瞭な不めっきが認められる。
スプラッシュは下記の基準で評価した。
○：目視でスプラッシュが認められない。
△：目視で軽微なスプラッシュが認められるが製品として許容範囲である。
×：目視で明瞭なスプラッシュが認められる。
○：目視でスプラッシュが認められない。
△：目視で軽微なスプラッシュが認められるが製品として許容範囲である。
×：目視で明瞭なスプラッシュが認められる。
表１に示すように、本発明例では、スプラッシュやドロス欠陥の発生しないめっき処理が可能であった。また、鋼帯温度が本発明の好適範囲を外れて低い条件６では、溶融金属の軽微なレベリングむらが発生し、許容範囲ではあるが外観がやや不良となった。電流周波数を小さくしていくと微小液滴を安定的に吐出することが困難となり、めっき膜厚が厚くなった。また、炉内酸素濃度が200ppmの条件１３では、製品としては許容範囲ではあるがわずかに微小な不めっきが認められた。
また、比較のため表１の条件１〜５において、ノズル径50μｍと60μｍで製作したノズルヘッドによるめっきを行った。結果、膜厚はそれぞれ10〜11μｍ、16〜17μｍとなり厚膜となったものの、スプラッシュやドロス欠陥の発生しないめっき処理が可能であった。なお、既述の方法で求めたランダムな10滴の平均液滴径は、それぞれ52μｍと62μｍであった。
従来法では、図８に示すようにガスワイピングを行った。ワイピングノズルのスリット幅は0.8ｍｍ、ノズル−鋼帯間距離は10ｍｍ、ノズル内圧力は60kPaとした。結果、溶融金属のスプラッシュが発生した。また、亜鉛浴内、浴面には表面欠陥の原因となるドロス（金属酸化物）形成が確認された。
本実施例では溶融金属として、Ａｌを質量％で０．２％添加した亜鉛−アルミ合金を用いたが、本手法は、種々の溶融金属に適用できるものである。
本発明は、金属帯の表面への溶融金属めっき処理方法として、従来の浸漬めっき法やスプレーめっき法に固有の課題を回避した全く新規な溶融金属めっき処理方法と、該方法を実現可能な連続溶融金属めっき処理装置を提供するものであり、産業上非常に有用である。
１００ 連続溶融金属めっき処理装置
２００ 連続溶融金属めっき処理装置
１ めっき炉
２ シール装置
３ サポートロール（制振・矯正機構）
４ 電磁コイル（制振・矯正機構）
１０ ノズルシステム
２０ ノズルカートリッジ
２１ チャンバ
２２ 吐出口
２３ ノズル
３０ 永久磁石（磁束発生機構）
３２ 集束器（磁束発生機構）
４０ 電極（電流発生機構）
Ｓ 金属帯
２００ 連続溶融金属めっき処理装置
１ めっき炉
２ シール装置
３ サポートロール（制振・矯正機構）
４ 電磁コイル（制振・矯正機構）
１０ ノズルシステム
２０ ノズルカートリッジ
２１ チャンバ
２２ 吐出口
２３ ノズル
３０ 永久磁石（磁束発生機構）
３２ 集束器（磁束発生機構）
４０ 電極（電流発生機構）
Ｓ 金属帯
Claims (9)
- 連続的に金属帯が走行する非酸化性雰囲気の空間を区画するめっき炉と、
前記金属帯の表面に向けて溶融金属液滴を吐出するノズルシステムと、
を有する連続溶融金属めっき処理装置であって、
前記ノズルシステムは、
溶融金属が通過するチャンバを区画し、先端に前記チャンバから連通する吐出口を区画するノズルを有するノズルカートリッジと、
前記チャンバの少なくとも一部に所定方向の磁束を発生させる磁束発生機構と、
磁束が与えられた前記チャンバの少なくとも一部に位置する溶融金属に、前記所定方向と垂直方向の電流を流すための電流発生機構と、
を有し、
前記ノズルには、前記吐出口が前記金属帯の幅方向に複数個配置され、前記吐出口の吐出口径は60μｍ以下であり、
前記電流発生機構によって前記溶融金属に電流を流すことにより前記溶融金属に生じるローレンツ力の作用で、前記吐出口から前記溶融金属の液滴を前記金属帯の表面に向けて吐出するものであることを特徴とする連続溶融金属めっき処理装置。 - 前記金属帯を加熱する加熱機構と、
前記溶融金属の融点をTu（℃）として、前記金属帯の温度をTu−20（℃）以上とする、前記加熱機構の制御装置と、
をさらに有する、請求項１に記載の連続溶融金属めっき処理装置。 - 前記めっき炉の金属帯出側に設置された、前記非酸化性雰囲気の空間を大気から遮断するシール装置をさらに有する、請求項１又は２に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
- 前記金属帯の進行方向に対して前記ノズルシステムの上流側及び下流側の少なくとも一方に設定された、前記金属帯の振動および反りを抑制する制振・矯正機構をさらに有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
- 前記ノズルカートリッジが、前記金属帯の幅方向に複数個配置され、前記金属帯の幅方向全範囲にわたり、前記吐出口が所定の間隔で配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
- 前記ノズルカートリッジが、前記金属帯の進行方向に複数個配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
- 前記金属帯の進行方向の異なる位置に配置された前記ノズルカートリッジ間で、各ノズルカートリッジのチャンバに供給する溶融金属の種類を異なるものに制御して、複層めっき被膜の形成を可能とした、請求項６に記載の連続溶融金属めっき処理装置。
- 請求項１〜７のいずれか一項に記載の連続溶融金属めっき処理装置を用いて、連続的に走行する金属帯の表面に向けて溶融金属の液滴を吐出して、前記金属帯の表面をめっき処理することを特徴とする溶融金属めっき処理方法。
- 溶融金属が通過するチャンバを区画し、先端に前記チャンバから連通する吐出口を区画するノズルを有するノズルカートリッジと、
前記チャンバの少なくとも一部に所定方向の磁束を発生させる磁束発生機構と、
磁束が与えられた前記チャンバの少なくとも一部に位置する溶融金属に、前記所定方向と垂直方向の電流を流すための電流発生機構と、
を有し、前記ノズルには、前記吐出口が金属帯の幅方向に複数個配置され、前記吐出口の吐出口径は60μｍ以下であるノズルシステムを用いて、前記電流発生機構によって前記溶融金属に電流を流すことにより前記溶融金属に生じるローレンツ力の作用で、前記吐出口から前記溶融金属の液滴を、非酸化性雰囲気内に位置する前記金属帯の表面に向けて吐出して、前記金属帯の表面をめっき処理することを特徴とする溶融金属めっき処理方法。
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