溶融Ａｌめっき鋼線製造装置
【課題】細径の鋼線の表面に厚い溶融Ａｌめっき層を有する溶融Ａｌめっき鋼線を工業的に大量生産するのに適した溶融Ａｌめっき装置を提供する。
【解決手段】鋼線３を長手方向に連続的に搬送してＡｌめっき浴１中に浸漬させた後、めっき浴面から気相空間に引き上げる溶融Ａｌめっき鋼線製造装置において、気相空間側からめっき浴面の一部領域に気体を吹き付けてめっき浴面に局所的な窪みを形成させる気体吐出ノズルＡを備え、前記窪み部分での浴面低下によって浴面から引き上げられる鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じるようにノズルＡの気体吹き出し方向が調整されている溶融Ａｌめっき鋼線製造装置。
【解決手段】鋼線３を長手方向に連続的に搬送してＡｌめっき浴１中に浸漬させた後、めっき浴面から気相空間に引き上げる溶融Ａｌめっき鋼線製造装置において、気相空間側からめっき浴面の一部領域に気体を吹き付けてめっき浴面に局所的な窪みを形成させる気体吐出ノズルＡを備え、前記窪み部分での浴面低下によって浴面から引き上げられる鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じるようにノズルＡの気体吹き出し方向が調整されている溶融Ａｌめっき鋼線製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼線の表面をＡｌで被覆する装置であって、特に細径の鋼芯線に厚いＡｌめっき層を形成するのに適した溶融Ａｌめっき鋼線製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のワイヤーハーネス用素線をはじめとする各種導線には、従来、銅素線が使用されている。しかし、鉄スクラップとともにリサイクルする上で、銅材の混入は好ましくない。このためリサイクル性の観点からは、鉄スクラップとともに溶解可能で且つ導電性が比較的良好なアルミニウム線の適用が有利となる。
【０００３】
また、ワイヤーハーネスを構成する各導線は「かしめ加工」によって端子に締結されることが多く、かしめ部で容易に破断することがないように、個々の素線にはある程度の強度が要求され、また、かしめ締結部での引抜強度が要求される。現状の信号用ワイヤーハーネス素線には、銅素線の場合は直径約０.２ｍｍ以上、アルミニウム素線の場合には直径１ｍｍ以上の線径を確保することが必要とされる。
【０００４】
一方、高強度・高耐食性が要求される用途において、鋼線を芯線とするＡｌめっき鋼線が知られている（特許文献１、２）。特許文献１には漁網ロープ用、送電線の補強用、海底光ファイバーケーブル補強用等のワイヤーに使用するＡｌめっき鋼線が記載されている。特許文献１の実施例に開示されている鋼線は線径２〜１３ｍｍと太いものであり、Ａｌめっきの目的は耐食性改善である。特許文献２のＡｌめっき線材は高強度ボルト用であり、その図２には７ｍｍ径のものが示されている。
【０００５】
Ａｌめっき鋼線は、芯材である「鋼」に高強度を負担させることができる。しかし、直流電流や、一般的な商用周波数あるいはそれより高い周波数の交流電流を伝送する導線としては、良好な導電性を確保するために電気抵抗の小さいＡｌめっき層の厚さを鋼芯線に対して十分に厚くする必要がある。例えば直径０.１〜１.０ｍｍ、特に好ましくは直径０.１〜０.６ｍｍといった細径の鋼線の表面に平均厚さ５０μｍ以上のＡｌめっき層を有するＡｌめっき鋼線を製造することができれば、そのＡｌめっき鋼線を必要に応じて伸線加工することにより、ワイヤーハーネス素線等に適した強度および導電性を有する細径の導線を得ることが可能となる。本出願人はこれまでにそのようなＡｌめっき鋼線を試作し、特許文献３、４に開示した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２１９０２５号公報
【特許文献２】特開２００４−３６００２２号公報
【特許文献３】特開２００９−１７９８６５号公報
【特許文献４】特開２００９−１８７９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献３、４に開示したとおり、細径であり且つめっき付着量の多い溶融Ａｌめっき鋼線を作製すること自体は可能である。しかし、これを工業的に安定して製造することは容易でなかった。例えば溶融Ａｌめっき直前にガス還元を行う工程を採用する場合、鋼芯線の径が細いと還元工程の高温加熱で鋼芯線が破断しやすい。このため、還元温度をできるだけ低くしたり還元時間をできるだけ短くしたりする措置が必要となり、十分に活性化された理想的な表面性状を持たない鋼芯線を溶融Ａｌめっき浴に送給せざるを得ない状況が生じやすい。この場合、めっき付着量を十分に確保することが難しくなる。また、特許文献３に示されるようにＺｎめっき鋼線を素材に用い、溶融Ａｌめっき層中に断片状のＦｅ−Ａｌ合金層を分散させる手法は、製造条件範囲に制約が大きい。
【０００８】
本発明はこのような現状に鑑み、細径の鋼線の表面に厚い溶融Ａｌめっき層を有する溶融Ａｌめっき鋼線を工業的に大量生産するのに適した溶融Ａｌめっき装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは詳細な研究の結果、溶融Ａｌめっき浴に浸漬した鋼線を気相空間に連続的に引き上げる方法で鋼線表面に溶融Ａｌめっきを施すにあたり、浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある平面内で、鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じる状態を作り、その状態を維持しながら鋼線を引き上げることにより、細径の鋼線の表面に厚い溶融Ａｌめっき層を形成させることが可能になることを見出した。
【００１０】
より詳細には、上記のように鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じる状態を維持しながら鋼線を引き上げることによって、引き上げられる鋼線に随伴して形成される溶融Ａｌのメニスカスを浴面高さが高い側で発達させ、その発達したメニスカスからのＡｌ供給を利用して、前記浴面高さに差がない場合と比べ、Ａｌめっき付着量を顕著に増大させることができるのである。本発明の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置は、上記の浴面高さの差を生じさせるために気相空間側からめっき浴面の一部領域に窒素ガスなどの気体を吹き付けて浴面に窪みを形成させる手法を採用するものである。
【００１１】
すなわち本発明では、鋼線を長手方向に連続的に搬送してＡｌめっき浴中に浸漬させた後、めっき浴面から気相空間に引き上げる溶融Ａｌめっき鋼線製造装置において、気相空間側からめっき浴面の一部領域に気体を吹き付けてめっき浴面に局所的な窪みを形成させる気体吐出ノズルＡを備え、前記窪み部分での浴面低下によって、気相空間に引き上げられる鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じるようにノズルＡの気体吹き出し方向が調整されている溶融Ａｌめっき鋼線製造装置が提供される。前記ノズルＡは例えば窒素ガス供給装置に接続されている。
【００１２】
また、上記のノズルＡに加えてさらに、気相空間に引き上げられた鋼線のＡｌめっき層が未凝固である高さ位置に一定方向から気体を吹き付けるためのノズルであって、その吹き付け方向が、引き上げられる鋼線を挟んで浴面の高い側の気相空間位置から浴面の低い側の気相空間位置に向かう方向に調整されている気体吐出ノズルＢを備える溶融Ａｌめっき鋼線製造装置が提供される。
【００１３】
本発明の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置は連続的にめっき浴に送給し、めっき浴中を通過させ、気相空間に引き上げ、巻き取るための鋼線搬送機構を有するが、特に直径０.１〜１.０ｍｍの鋼線に対応した鋼線搬送機構を有するものが好適な対象となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、めっき付着量の多い細径の溶融Ａｌめっき鋼線を効率的に生産することが可能となった。この装置によって得られる溶融Ａｌめっき鋼線は、単に鋼材の表面処理として薄いアルミニウム被覆を施したものではなく、アルミニウム導線の断面内部に鋼芯線を配置したような断面構造を有する「アルミニウム／鋼複合線材」である。これは「鋼強化アルミニウム線材」と呼ぶこともできる。この線材はアルミニウムの断面比率が高いので導電性が良く、鋼芯線を内部に有するので「かしめ加工部」での耐破断性に優れ、銅材を使用しないので鉄スクラップとしてのリサイクルが可能である。したがって、本発明はワイヤーハーネス素線に好適な「アルミニウム／鋼複合線材」の工業的普及に寄与しうるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置の構成を模式的に例示した図。
【図２】従来の溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含む断面内の浴面形態を模式的に示した図。
【図３】本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある断面内の浴面形態を模式的に示した図。
【図４】本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線、ノズルＡ、ノズルＢおよび浴面窪みの鉛直方向から見た位置関係を模式的に示した図。
【図５】本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線、ノズルＡおよび浴面窪みの図４Ｘ方向から見た位置関係を模式的に示した図。
【図６】本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある断面内の浴面形態の他の例を模式的に示した図。
【図７】浴面窪みの位置が鋼線から遠すぎる場合における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線および浴面窪みの中心部を含む断面内の浴面形態を模式的に示した図。
【図８】本発明の装置を用いてノズルＢからの気体吹き付けを行わずに製造した溶融Ａｌめっき鋼線の長手方向に垂直な断面の光学顕微鏡写真の一例。
【図９】本発明の装置を用いてノズルＢからの気体吹き付けを行って製造した溶融Ａｌめっき鋼線の長手方向に垂直な断面の光学顕微鏡写真の一例。
【図１０】Ａｌめっき層の平均厚さに及ぼすライン速度の影響を例示したグラフ。
【図１１】Ａｌめっき層の平均厚さに及ぼす浴面への気体吹き付け流量の影響を例示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に、本発明の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置の構成を模式的に例示する。めっき浴槽５０の中に溶融Ａｌめっき浴１が収容されている。送出装置５１から送り出された鋼線３は矢印方向に連続的に搬送されて、溶融Ａｌめっき浴１の中を通過した後、浴面１０から気相空間２へと引き上げられ、その引き上げ過程でめっき層が凝固して溶融Ａｌめっき鋼線となり、巻取装置５２によって巻き取られる。
【００１７】
鋼線３が浴面１０から気相空間２へと出て行く位置の近傍には気体吐出ノズルＡが設置され、そのノズルＡによって気相空間２側から浴面１０の一部領域に気体が吹き付けられ、浴面１０には局所的な浴面窪み４が形成されるようになっている。浴面窪み４は、浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある平面内で、鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じる状態を得るために形成される。このように周囲の浴面に高さの差がある状態で鋼線３を気相空間２に引き上げることによって、鋼線３に随伴して持ち上げられる溶融Ａｌの量を飛躍的に増大させることができるのである。したがって、ノズルＡの気体吹き出し方向は、窪み４の部分での浴面低下によって浴面から引き上げられる鋼線３の水平方向両側における浴面高さに差が生じるように調整されている。なお、図１において、浴面窪み４、ノズルＡおよび後述のノズルＢは大きさを誇張して描いてある。
【００１８】
ノズルＡはガス供給管５４を介してガス供給装置５５に接続されている。ガス供給装置５５は、所定の種類のガスを、所定の流量で送り出すための装置である。最も簡単な構成としてはガスボンベ、減圧弁、流量調整弁からなる構成を挙げることができるが、工業的には鋼線搬送速度（ライン速度）、鋼線の線径、目標めっき付着量に応じて流量を自動制御する機構を備えたものを採用することが好ましい。吐出ガスとして例えば窒素等の不活性ガスを用いると、より安定してめっき付着量の増大効果を得ることができる。その場合、ガス供給装置５５として例えば窒素ガス供給装置が採用される。ノズルＡの形状は局所的な浴面窪み４が安定して形成される限り特に限定されるものではなく、例えば一定の内径を有する金属パイプを用いることが可能である。
【００１９】
ノズルＡに加え、浴面１０から気相空間２へ引き上げられた直後の鋼線３に側方から一定方向に気体を吹き付けるための気体吐出ノズルＢを設けることができる。ノズルＢは気相空間２に引き上げられた鋼線３のＡｌめっき層がまだ溶融状態にある（未凝固である）高さ位置に気体を吹き付けるものである。これにより鋼線３の表面に付着するＡｌの片寄りを軽減することができ、めっき層の厚さが鋼芯線周囲において均一化される。ノズルＢから吹き付ける気体としては空気や不活性ガスなどが採用される。ノズルＢはガス供給管５６を介してガス供給装置５７に接続されている。ノズルＢは、その吹き付け方向が、引き上げられる鋼線３を挟んで浴面の高い側の気相空間位置から浴面の低い側の気相空間位置に向かう方向に調整されていることが重要である。
【００２０】
気相空間２に引き上げられた鋼線３は、引き上げられる過程で冷却され、めっき層が凝固する。引き上げ過程には必要に応じて冷却装置５３が設置され、ガスや液体ミストの吹き付けなどにより強制冷却することができる。また、送出装置５１とめっき浴１の間に熱処理装置を挿入することができる。熱処理雰囲気としては例えば還元性ガス雰囲気（Ｈ2−Ｎ2混合ガスなど）が採用できる。熱処理装置からめっき浴１に浸漬されるまでの区間を大気から遮蔽するためのスナウトを設ける場合もある。さらに、前工程でプレめっきや伸線などを行う場合には、それら前工程の装置と本発明装置を直列に配置して連続ラインを構築することができる。気相空間２は大気雰囲気とすることもできるし、気相空間２の酸素濃度をコントロールする場合には、ノズルＡの吐出口あるいはさらにノズルＢの吐出口を含む気相空間２および浴面１０が大気から遮蔽されるように覆いを設けてもよい。
【００２１】
溶融Ａｌめっき浴１は、Ｓｉ含有量を０〜１２質量％とすることができる。すなわち、Ｓｉ含有量が０〜１質量％のいわゆる純Ａｌめっき浴を適用することができる他、Ｓｉ含有量が１２質量％以下のＡｌめっき浴を適用することもできる。Ｓｉを添加することにより脆いＦｅ−Ａｌ系合金層の成長を抑制することができ、伸線加工性の向上に有効となる。またＳｉ添加により融点が低下するので、製造が容易となる。ただし、Ｓｉ含有量が増加するとＡｌめっき層自体の加工性が低下する。また導電性低下にも繋がる。したがって、Ａｌめっき浴１にＳｉを含有させる場合は１２質量％以下の範囲で行うこと望ましい。なお、浴中の不純物として、Ｆｅ：４質量％以下、Ｚｎ：１質量％以下が含まれていて構わない。
【００２２】
めっきに供する鋼線３として直径０.１ｍｍの細径のものまで対応できる鋼線搬送機構を有していることが望ましい。従来、直径０.１〜１.０ｍｍといった細径の鋼線に対して厚いＡｌめっき層を形成させることは極めて難しいとされていた。浴面窪み４を形成させる手法によればそれが可能となる。ワイヤーハーネス素線などに適した細径の線材を得るためには、直径が０.１〜０.６ｍｍである鋼線３を溶融Ａｌめっきに供することがより好ましい。鋼線搬送機構は、鋼線３を連続的にめっき浴１に送給し、めっき浴１中を通過させ、気相空間２に引き上げ、巻取装置５２で巻き取るための各種リール５８を有しており、鋼線３の搬送速度（ライン速度）が制御されるようになっている。必要に応じて各部を通過する鋼線３の張力を制御する機構を備える。
【００２３】
Ａｌめっき付着量は主として、ノズルＡによって浴面１０に吹き付ける気体の流量、および鋼線の搬送速度（ライン速度）によって制御することができる。本発明の装置によれば、めっき浴に供給される鋼線３の直径が０.１〜１.０ｍｍである場合において、Ａｌめっき層の長手方向平均厚さが例えば５０μｍ以上という厚目付の溶融Ａｌめっきを施すことが可能である。１００μｍ以上の平均厚さを確保することもできる。Ａｌめっき層の平均厚さδ（μｍ）は、溶融Ａｌめっき鋼線の平均直径をＤａ（μｍ）、鋼芯線（Ｆｅ−Ａｌ系合金層の部分を含む）の平均直径をＤｓ（μｍ）とするとき、δ＝（Ｄａ−Ｄｓ）／２で表される。ただし、ＤａおよびＤｓは平均円相当径が採用される。ここで、線材の長手方向に垂直な断面の面積をＳ（μｍ2）、円周率をπとするとき、Ｓ＝πＤ2／４によって定まるＤ（μｍ）をその線材の円相当径という。
【００２４】
図２に、従来の溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含む平面内の浴面形態を模式的に示す。図中、線径およびめっき層厚さは誇張して描いてある（後述の図３〜７において同じ）。溶融Ａｌめっき浴１に浸漬された鋼線３は連続的に気相空間２へ矢印の方向に引き上げられ、溶融Ａｌめっき層７で被覆された溶融Ａｌめっき鋼線３０が得られる。この場合、浴面１０の平均高さは、引き上げられる鋼線３の周囲においてほぼ一定である。引き上げられる鋼線３に随伴して溶融Ａｌのメニスカス２０が形成され、このメニスカス２０を構成する溶融Ａｌの一部が鋼線３の表面に付着して持ち上げられ、これが溶融Ａｌめっき層７となる。鋼線３の径が例えば０.６ｍｍ程度以下と小さい場合は、鋼板や太径の鋼線に溶融Ａｌめっきを施す場合とは異なり、ライン速度を大きくしても鋼線３の表面に付着して立ち登る溶融Ａｌの量（めっき厚さ）を増大させることは難しい。つまり、メニスカス２０を構成する溶融Ａｌは溶融Ａｌめっき浴１の中へ流れ落ちやすい。このため、細径の鋼線に厚い溶融Ａｌめっき層を形成させることは容易でない。なお、本明細書では溶融Ａｌめっき鋼線３０における鋼線３の部分を特に「鋼芯線」と呼んでいる。
【００２５】
図３に、本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある平面内の浴面形態の一例を模式的に示す。溶融Ａｌめっき浴１から気相空間２へ連続的に引き上げられる鋼線３の周囲の一部領域に、鋼線３の表面通過位置に沿って浴面窪み４が形成されている。図示された平面内において、鋼線３に沿う浴面は、浴面窪み４の部分とその反対側の部分とで高さに差が生じている。すなわち浴面窪み４の部分における浴面１１の平均高さをｈ1、反対側の浴面１２の平均高さをｈ2とするとき、浴面から引き上げられる鋼線３の中心線を含むある平面内で、鋼線３の水平方向両側における浴面平均高さにΔｈ＝ｈ2−ｈ1の差が生じている。このような浴面状態を維持しながら鋼線３を引き上げると、浴面が低い側に形成されるメニスカス２１に比べ、浴面が高い側に形成されるメニスカス２２を著しく発達させることができることがわかった。
【００２６】
このように、引き上げられる鋼線３の周囲の一部に巨大化したメニスカスが形成されているとき、その巨大メニスカスからのＡｌ供給を利用して、溶融Ａｌめっき層７の平均厚さ（めっき付着量）を顕著に増大させることができるのである。その理由については現時点で必ずしも明確ではないが、浴面近傍に形成される小さいメニスカスと比べ、浴面からの高さが高い位置まで発達した巨大メニスカスでは、メニスカス上部付近の温度低下が大きくなってメニスカスを構成する溶融Ａｌの粘性が増大し、これが一因となって鋼線３に付着して立ち登る溶融Ａｌの量が著しく増加するのではないかと考えられる。
【００２７】
本発明の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置では、浴面窪み４を形成させる手法として、気相空間２からめっき浴面の一部領域に気体を吹き付けるためのノズルＡ（図３中には図示されない）を配置し、引き上げられる鋼線３の周囲のめっき浴面の一部領域に気相空間２の側から局所的に気体を吹き付ける手法を採用する。ただし、このような手法によれば、溶融Ａｌめっき鋼線３０の長手方向に垂直な断面内において、溶融Ａｌめっき層７の厚さに片寄りが生じやすい。この片寄りを是正したい場合には、気相空間２に気体吐出ノズルＢを設置し、鋼線３に随伴して立ち登る未凝固の溶融めっき層７に気体６を一定方向から吹き付けることが効果的である。具体的には、巨大メニスカス２２の側から気体６を適度に衝突させることにより、片寄って立ち登った溶融Ａｌが反対側に回り込み、鋼芯線の周囲におけるめっき層厚さを均一化することができる。ここで、気相空間２へ引き上げられる鋼線３の中心線を含む平面のうち、特に鋼線３を挟んで両側の浴面高さの差が最も大きくなる平面を平面Ｐ0と呼ぶ。図３は平面Ｐ0内の状態を表したものである。
【００２８】
図４に、本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線、ノズルＡ、ノズルＢおよび浴面窪みの鉛直方向から見た位置関係を模式的に示す。前述図３は、図４のＹ方向から水平に見たものである。気相空間２にノズルＡが配置され、引き上げられる鋼線３に沿う浴面の一部領域に局所的に気体５を吹き付けることにより浴面窪み４が形成される。ノズルＡは吐出気流の中心軸５１が鋼線３の中心軸３１と交わらないように設置することが好ましい。気体５が鋼線３に直接当たると引き上げられる鋼線に振動が生じやすくなり、安定した操業ができない場合がある。
【００２９】
図４中には前述の平面Ｐ0の位置を示してある。ノズルＢの吐出口中心位置６２は必ずしも平面Ｐ0上に位置する必要はないが、引き上げられる鋼線３の中心軸３１を中心とする角度において、平面Ｐ0からの角度θが±４５°となる範囲にノズルＢの吐出口中心位置６２を配置することが望ましく、±３０°となる範囲に配置することがより好ましい。
【００３０】
図５に、図４のＸ方向から水平に見た場合の、鋼線、ノズルＡおよび浴面窪みの位置関係を模式的に示す。気相空間２に設置するノズルＡは浴面１０に対して斜め上方から気体５を吹き付けるように配置することが望ましい。
【００３１】
図６に、本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある平面内の浴面形態の他の例を模式的に示す。ノズルＡの配置の仕方によっては、このように鋼線３を挟んだ水平方向両側の浴面１１、１２がともに定常部分の浴面１０よりも低い位置になることがある。このような場合でも両側の浴面平均高さの差Δｈ＝ｈ2−ｈ1が生じていれば、浴面が低い側に形成されるメニスカス２１に比べ、浴面が高い側に形成されるメニスカス２２を発達させることができ、前述のようにその発達したメニスカスからのＡｌ供給を利用して、Ａｌめっき付着量を増大させることができる。
【００３２】
図７に、浴面窪みの位置が鋼線から遠すぎる場合における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線および浴面窪みの中心部を含む平面内の浴面形態を模式的に示す。この場合は、鋼線３に沿う周囲の浴面状態において、浴面窪み４が形成されている側の浴面１１と、その反対側の浴面１２の平均高さの差Δｈ＝ｈ2−ｈ1は実質的にゼロであり、浴面窪み４の反対側に形成されるメニスカス２２は発達しない。その結果、図２の場合と同様、溶融Ａｌめっきの付着量増大効果は得られない。
【００３３】
上記の浴面平均高さの差Δｈは、目視観測可能な程度（概ね１ｍｍ）以上の大きさであれば、それが定常的に生じている限り、溶融Ａｌめっきの付着量増大効果を得ることができる。Δｈは３ｍｍ以上であることがより効果的であり、５ｍｍ以上とすることもできる。ただし、あまり過大な浴面窪みを形成させると浴面の波立ちが荒くなり、引き上げ途上の鋼線が振動するなどして、安定した操業が難しくなる。種々検討の結果、Δｈは２５ｍｍ以下の範囲で十分であり、１５ｍｍ以下となるように管理しても構わない。ノズルＡの位置、ノズルＡの形状、吹き付ける気体の流量などによってΔｈを調整することができる。Δｈが１ｍｍ未満の場合、メニスカス２２が発達せず、溶融Ａｌめっきの付着量増大効果は得られない。また、Δｈが２５ｍｍを超えてもメニスカス２２は発達し、付着量増大効果は得られるが、浴面の波立ちが荒くなることや、ガス流量を増大する必要があることなどの問題が生じ、コスト的に不利となる。なお、後述の実施例で浴面窪みを形成するために気体を吹き付けたものは、図１１の＊印を付した例を除き、いずれもΔｈが３〜２５ｍｍの範囲内にある。
【００３４】
溶融Ａｌめっき付着量を制御する手法としては、ノズルＡから吐出させる気体の流量（すなわち浴面窪み４の大きさ）を調整する方法の他、鋼線３のライン速度を調整する方法が挙げられる。ライン速度を大きくしていくと、鋼線３に随伴して立ち登る溶融Ａｌの量が増大することによってＡｌめっき付着量は急激に増大する。そして、ライン速度がある程度大きくなるとＡｌめっき付着量の変化は少なくなる。しかし、ライン速度が過大になると逆にＡｌめっき付着量が減少するようになる。これはライン速度が大きくなりすぎるとメニスカス近傍での浴表面温度が低下しにくくなること、あるいは溶融Ａｌめっき浴中の浸漬時間が短くなることにより鋼線表面と溶融Ａｌの界面において、溶融Ａｌの付着張力が十分に得られないことなどが原因ではないかと推察される。
【００３５】
図８に、本発明の装置を用いてノズルＢによる気体吹きつけを行わずに製造した溶融Ａｌめっき鋼線の長手方向に垂直な断面の光学顕微鏡写真の一例を示す。ノズルＡによる浴面窪みの形成は行っている。グレーに見える部分が鋼芯線、その周囲の白っぽく見える部分が溶融Ａｌめっき層である。鋼芯線の径が０.２ｍｍ程度と細いにもかかわらず、非常に多量のＡｌめっき付着量が確保されている。溶融Ａｌめっき層は断面内で片寄っているが、アルミニウム／鋼複合線材として優れた導電性を示すことから種々の導線用途において適用が可能である。
【００３６】
図９に、本発明の装置を用いてノズルＢによる気体吹きつけを行って製造した溶融Ａｌめっき鋼線の長手方向に垂直な断面の光学顕微鏡写真の一例を示す。ノズルＡによる浴面窪みの形成も行っている。この場合、非常に多量のＡｌめっき付着量が確保されるとともに、断面内での溶融Ａｌめっき層の片寄りが大幅に軽減されている。このような線材を素線として束ねた導線は、例えば端子とのかしめ加工部で密着性が向上するなどの利点を有する。
【実施例１】
【００３７】
前述の気体吐出ノズルＡおよびＢを備える本発明の溶融めっき鋼線製造装置を用いて、鋼線を長手方向に連続的に搬送し、溶融Ａｌめっき浴中に浸漬したのち鉛直方向にめっき浴から気相空間に引き上げる手法にて、種々のライン速度にて溶融Ａｌめっき鋼線を製造した。ノズルＡは図４、図５に示したように浴面に対して斜め上方から気体が吹き付けられるように配置され、吐出気流の中心軸６１が鋼線３の中心軸３１と交わらないようになっている。そして、ノズルＡから窒素ガスを浴面に吹き付けることにより、図３に示したような形態の浴面窪み４が鋼線３に沿う位置に形成され、浴面から引き上げられる鋼線３の中心線を含むある平面内で、鋼線３の水平方向両側における浴面高さに差が生じる状態が実現できるようになっている。また、ノズルＢは図３、図４に示したように平面Ｐ0内に配置され、溶融めっき層７が未凝固である高さ位置から水平方向に空気を吹き付けるようになっている。その高さ位置はライン速度に応じて定常浴面位置に対し１５〜４５ｍｍの高さに調整した。
【００３８】
溶融Ａｌめっきに供する鋼線として、直径０.２ｍｍのＺｎめっき鋼線を使用した。このＺｎめっき鋼線は、直径１.０ｍｍの溶融Ｚｎめっき硬鋼線（ＪＩＳ素材規格；２７Ａ）をドローイングにより伸線加工して直径０.２ｍｍとしたものであり、その表面には平均厚さ４μｍのＺｎめっき層を有している。芯材である鋼の組成は、質量％でＣ：０.２４〜０.３１％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.３〜０.６％、Ｐ：０.０３０％以下、Ｓ：０.０３０％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の範囲内にある。
【００３９】
溶融Ａｌめっきは、上記Ｚｎめっき鋼線を、還元処理することなく直接溶融Ａｌめっき浴に送給する方法で行った。ノズルＡおよびＢによる気体吹きつけを行う実験（本発明例）と、ノズルＡ、Ｂいずれからも気体吹きつけを行わない実験（比較例）を実施した。めっき条件は、以下のとおりである。
・めっき浴組成（質量％）； Ｆｅ：１.５〜２.５％、Ｚｎ：０.１〜０.２％、残部Ａｌ
・めっき浴温； ６８５℃±５℃
・ライン速度： ５〜１５０ｍ／ｍｉｎ
・めっき浴中の線材浸漬長さ； ８００ｍｍ
・気相空間； 空気
・ノズルＡから浴面への吐出気体； 窒素ガス（本発明例）、吹き付けなし（比較例）
・ノズルＢから鋼線への吐出気体； 空気（本発明例）、吹き付けなし（比較例）
・ノズルＡからの浴面への気体吹き付け流量； ２０Ｌ／ｍｉｎ（本発明例）、０Ｌ／ｍｉｎ（比較例）
・ノズルＢの吹き付け流量； １０Ｌ／ｍｉｎ（本発明例）、０Ｌ／ｍｉｎ（比較例）
【００４０】
結果を図１０に示す。図１０からわかるように、浴面に気体を吹き付けることによって鋼線に沿う位置に浴面窪みを形成させた場合には、適切なライン速度に設定することによって、平均厚さ５０μｍ以上、あるいはさらに平均厚さ１００μｍ以上という厚目付のＡｌめっき層を有する溶融Ａｌめっき鋼線を得ることができた。これに対し、浴面に気体を吹き付けることなく、図２に示したような状態を維持した場合には、ライン速度を変化させても、めっき付着量の顕著な増大効果は見られなかった。
【実施例２】
【００４１】
ライン速度を３５ｍ／ｍｉｍと一定にし、ノズルＡから浴面へ吹きつける気体（窒素ガス）の流量を種々変化させたことを除き、実施例１における本発明例と同様の条件で溶融Ａｌめっき鋼線を製造した。
【００４２】
結果を図１１に示す。図１１からわかるように、浴面に吹き付ける気体の流量がゼロから増大していくと、それに伴って溶融Ａｌめっき層の平均厚さも増大していく。これは、浴面窪み側の平均浴面高さｈ1と、その反対側の浴面平均高さｈ2の差Δｈ＝ｈ2−ｈ1が大きくなるに伴って、浴面高さが高い側に形成されるメニスカスが大きく発達することに起因する。吹き付け気体流量がある程度以上になると（この例では２０Ｌ／ｍｉｎ程度以上になると）Ａｌめっき層の平均厚さは定常的になる。これは前記メニスカスの発達が頭打ちになるためだと考えられる。さらに吹き付け気体流量が増大すると（この例では４０Ｌ／ｍｉｎ程度以上になると）Ａｌめっき層の厚さは不安定となり、長手方向での変動が大きくなる。これは、浴面の波立ちが大きくなり、引き上げ途上の鋼線が振動することに起因する。
【符号の説明】
【００４３】
Ａ、Ｂ 気体吐出ノズル
１ 溶融Ａｌめっき浴
２ 気相空間
３ 鋼線
４ 浴面窪み
５、６ 気体
７ 溶融Ａｌめっき層
１０、１１、１２ 浴面
２０、２１、２２ メニスカス
３０ 溶融Ａｌめっき鋼線
３１ 鋼線の中心軸
５０ めっき浴槽
５１ 送出装置
５２ 巻取装置
５３ 冷却装置
５４、５６ ガス供給管
５５、５７ ガス供給装置
５８ リール
６１ ノズルＡの吐出気流の中心軸
６２ ノズルＢの吐出口中心位置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼線の表面をＡｌで被覆する装置であって、特に細径の鋼芯線に厚いＡｌめっき層を形成するのに適した溶融Ａｌめっき鋼線製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のワイヤーハーネス用素線をはじめとする各種導線には、従来、銅素線が使用されている。しかし、鉄スクラップとともにリサイクルする上で、銅材の混入は好ましくない。このためリサイクル性の観点からは、鉄スクラップとともに溶解可能で且つ導電性が比較的良好なアルミニウム線の適用が有利となる。
【０００３】
また、ワイヤーハーネスを構成する各導線は「かしめ加工」によって端子に締結されることが多く、かしめ部で容易に破断することがないように、個々の素線にはある程度の強度が要求され、また、かしめ締結部での引抜強度が要求される。現状の信号用ワイヤーハーネス素線には、銅素線の場合は直径約０.２ｍｍ以上、アルミニウム素線の場合には直径１ｍｍ以上の線径を確保することが必要とされる。
【０００４】
一方、高強度・高耐食性が要求される用途において、鋼線を芯線とするＡｌめっき鋼線が知られている（特許文献１、２）。特許文献１には漁網ロープ用、送電線の補強用、海底光ファイバーケーブル補強用等のワイヤーに使用するＡｌめっき鋼線が記載されている。特許文献１の実施例に開示されている鋼線は線径２〜１３ｍｍと太いものであり、Ａｌめっきの目的は耐食性改善である。特許文献２のＡｌめっき線材は高強度ボルト用であり、その図２には７ｍｍ径のものが示されている。
【０００５】
Ａｌめっき鋼線は、芯材である「鋼」に高強度を負担させることができる。しかし、直流電流や、一般的な商用周波数あるいはそれより高い周波数の交流電流を伝送する導線としては、良好な導電性を確保するために電気抵抗の小さいＡｌめっき層の厚さを鋼芯線に対して十分に厚くする必要がある。例えば直径０.１〜１.０ｍｍ、特に好ましくは直径０.１〜０.６ｍｍといった細径の鋼線の表面に平均厚さ５０μｍ以上のＡｌめっき層を有するＡｌめっき鋼線を製造することができれば、そのＡｌめっき鋼線を必要に応じて伸線加工することにより、ワイヤーハーネス素線等に適した強度および導電性を有する細径の導線を得ることが可能となる。本出願人はこれまでにそのようなＡｌめっき鋼線を試作し、特許文献３、４に開示した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２１９０２５号公報
【特許文献２】特開２００４−３６００２２号公報
【特許文献３】特開２００９−１７９８６５号公報
【特許文献４】特開２００９−１８７９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献３、４に開示したとおり、細径であり且つめっき付着量の多い溶融Ａｌめっき鋼線を作製すること自体は可能である。しかし、これを工業的に安定して製造することは容易でなかった。例えば溶融Ａｌめっき直前にガス還元を行う工程を採用する場合、鋼芯線の径が細いと還元工程の高温加熱で鋼芯線が破断しやすい。このため、還元温度をできるだけ低くしたり還元時間をできるだけ短くしたりする措置が必要となり、十分に活性化された理想的な表面性状を持たない鋼芯線を溶融Ａｌめっき浴に送給せざるを得ない状況が生じやすい。この場合、めっき付着量を十分に確保することが難しくなる。また、特許文献３に示されるようにＺｎめっき鋼線を素材に用い、溶融Ａｌめっき層中に断片状のＦｅ−Ａｌ合金層を分散させる手法は、製造条件範囲に制約が大きい。
【０００８】
本発明はこのような現状に鑑み、細径の鋼線の表面に厚い溶融Ａｌめっき層を有する溶融Ａｌめっき鋼線を工業的に大量生産するのに適した溶融Ａｌめっき装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは詳細な研究の結果、溶融Ａｌめっき浴に浸漬した鋼線を気相空間に連続的に引き上げる方法で鋼線表面に溶融Ａｌめっきを施すにあたり、浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある平面内で、鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じる状態を作り、その状態を維持しながら鋼線を引き上げることにより、細径の鋼線の表面に厚い溶融Ａｌめっき層を形成させることが可能になることを見出した。
【００１０】
より詳細には、上記のように鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じる状態を維持しながら鋼線を引き上げることによって、引き上げられる鋼線に随伴して形成される溶融Ａｌのメニスカスを浴面高さが高い側で発達させ、その発達したメニスカスからのＡｌ供給を利用して、前記浴面高さに差がない場合と比べ、Ａｌめっき付着量を顕著に増大させることができるのである。本発明の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置は、上記の浴面高さの差を生じさせるために気相空間側からめっき浴面の一部領域に窒素ガスなどの気体を吹き付けて浴面に窪みを形成させる手法を採用するものである。
【００１１】
すなわち本発明では、鋼線を長手方向に連続的に搬送してＡｌめっき浴中に浸漬させた後、めっき浴面から気相空間に引き上げる溶融Ａｌめっき鋼線製造装置において、気相空間側からめっき浴面の一部領域に気体を吹き付けてめっき浴面に局所的な窪みを形成させる気体吐出ノズルＡを備え、前記窪み部分での浴面低下によって、気相空間に引き上げられる鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じるようにノズルＡの気体吹き出し方向が調整されている溶融Ａｌめっき鋼線製造装置が提供される。前記ノズルＡは例えば窒素ガス供給装置に接続されている。
【００１２】
また、上記のノズルＡに加えてさらに、気相空間に引き上げられた鋼線のＡｌめっき層が未凝固である高さ位置に一定方向から気体を吹き付けるためのノズルであって、その吹き付け方向が、引き上げられる鋼線を挟んで浴面の高い側の気相空間位置から浴面の低い側の気相空間位置に向かう方向に調整されている気体吐出ノズルＢを備える溶融Ａｌめっき鋼線製造装置が提供される。
【００１３】
本発明の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置は連続的にめっき浴に送給し、めっき浴中を通過させ、気相空間に引き上げ、巻き取るための鋼線搬送機構を有するが、特に直径０.１〜１.０ｍｍの鋼線に対応した鋼線搬送機構を有するものが好適な対象となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、めっき付着量の多い細径の溶融Ａｌめっき鋼線を効率的に生産することが可能となった。この装置によって得られる溶融Ａｌめっき鋼線は、単に鋼材の表面処理として薄いアルミニウム被覆を施したものではなく、アルミニウム導線の断面内部に鋼芯線を配置したような断面構造を有する「アルミニウム／鋼複合線材」である。これは「鋼強化アルミニウム線材」と呼ぶこともできる。この線材はアルミニウムの断面比率が高いので導電性が良く、鋼芯線を内部に有するので「かしめ加工部」での耐破断性に優れ、銅材を使用しないので鉄スクラップとしてのリサイクルが可能である。したがって、本発明はワイヤーハーネス素線に好適な「アルミニウム／鋼複合線材」の工業的普及に寄与しうるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置の構成を模式的に例示した図。
【図２】従来の溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含む断面内の浴面形態を模式的に示した図。
【図３】本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある断面内の浴面形態を模式的に示した図。
【図４】本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線、ノズルＡ、ノズルＢおよび浴面窪みの鉛直方向から見た位置関係を模式的に示した図。
【図５】本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線、ノズルＡおよび浴面窪みの図４Ｘ方向から見た位置関係を模式的に示した図。
【図６】本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある断面内の浴面形態の他の例を模式的に示した図。
【図７】浴面窪みの位置が鋼線から遠すぎる場合における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線および浴面窪みの中心部を含む断面内の浴面形態を模式的に示した図。
【図８】本発明の装置を用いてノズルＢからの気体吹き付けを行わずに製造した溶融Ａｌめっき鋼線の長手方向に垂直な断面の光学顕微鏡写真の一例。
【図９】本発明の装置を用いてノズルＢからの気体吹き付けを行って製造した溶融Ａｌめっき鋼線の長手方向に垂直な断面の光学顕微鏡写真の一例。
【図１０】Ａｌめっき層の平均厚さに及ぼすライン速度の影響を例示したグラフ。
【図１１】Ａｌめっき層の平均厚さに及ぼす浴面への気体吹き付け流量の影響を例示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に、本発明の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置の構成を模式的に例示する。めっき浴槽５０の中に溶融Ａｌめっき浴１が収容されている。送出装置５１から送り出された鋼線３は矢印方向に連続的に搬送されて、溶融Ａｌめっき浴１の中を通過した後、浴面１０から気相空間２へと引き上げられ、その引き上げ過程でめっき層が凝固して溶融Ａｌめっき鋼線となり、巻取装置５２によって巻き取られる。
【００１７】
鋼線３が浴面１０から気相空間２へと出て行く位置の近傍には気体吐出ノズルＡが設置され、そのノズルＡによって気相空間２側から浴面１０の一部領域に気体が吹き付けられ、浴面１０には局所的な浴面窪み４が形成されるようになっている。浴面窪み４は、浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある平面内で、鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じる状態を得るために形成される。このように周囲の浴面に高さの差がある状態で鋼線３を気相空間２に引き上げることによって、鋼線３に随伴して持ち上げられる溶融Ａｌの量を飛躍的に増大させることができるのである。したがって、ノズルＡの気体吹き出し方向は、窪み４の部分での浴面低下によって浴面から引き上げられる鋼線３の水平方向両側における浴面高さに差が生じるように調整されている。なお、図１において、浴面窪み４、ノズルＡおよび後述のノズルＢは大きさを誇張して描いてある。
【００１８】
ノズルＡはガス供給管５４を介してガス供給装置５５に接続されている。ガス供給装置５５は、所定の種類のガスを、所定の流量で送り出すための装置である。最も簡単な構成としてはガスボンベ、減圧弁、流量調整弁からなる構成を挙げることができるが、工業的には鋼線搬送速度（ライン速度）、鋼線の線径、目標めっき付着量に応じて流量を自動制御する機構を備えたものを採用することが好ましい。吐出ガスとして例えば窒素等の不活性ガスを用いると、より安定してめっき付着量の増大効果を得ることができる。その場合、ガス供給装置５５として例えば窒素ガス供給装置が採用される。ノズルＡの形状は局所的な浴面窪み４が安定して形成される限り特に限定されるものではなく、例えば一定の内径を有する金属パイプを用いることが可能である。
【００１９】
ノズルＡに加え、浴面１０から気相空間２へ引き上げられた直後の鋼線３に側方から一定方向に気体を吹き付けるための気体吐出ノズルＢを設けることができる。ノズルＢは気相空間２に引き上げられた鋼線３のＡｌめっき層がまだ溶融状態にある（未凝固である）高さ位置に気体を吹き付けるものである。これにより鋼線３の表面に付着するＡｌの片寄りを軽減することができ、めっき層の厚さが鋼芯線周囲において均一化される。ノズルＢから吹き付ける気体としては空気や不活性ガスなどが採用される。ノズルＢはガス供給管５６を介してガス供給装置５７に接続されている。ノズルＢは、その吹き付け方向が、引き上げられる鋼線３を挟んで浴面の高い側の気相空間位置から浴面の低い側の気相空間位置に向かう方向に調整されていることが重要である。
【００２０】
気相空間２に引き上げられた鋼線３は、引き上げられる過程で冷却され、めっき層が凝固する。引き上げ過程には必要に応じて冷却装置５３が設置され、ガスや液体ミストの吹き付けなどにより強制冷却することができる。また、送出装置５１とめっき浴１の間に熱処理装置を挿入することができる。熱処理雰囲気としては例えば還元性ガス雰囲気（Ｈ2−Ｎ2混合ガスなど）が採用できる。熱処理装置からめっき浴１に浸漬されるまでの区間を大気から遮蔽するためのスナウトを設ける場合もある。さらに、前工程でプレめっきや伸線などを行う場合には、それら前工程の装置と本発明装置を直列に配置して連続ラインを構築することができる。気相空間２は大気雰囲気とすることもできるし、気相空間２の酸素濃度をコントロールする場合には、ノズルＡの吐出口あるいはさらにノズルＢの吐出口を含む気相空間２および浴面１０が大気から遮蔽されるように覆いを設けてもよい。
【００２１】
溶融Ａｌめっき浴１は、Ｓｉ含有量を０〜１２質量％とすることができる。すなわち、Ｓｉ含有量が０〜１質量％のいわゆる純Ａｌめっき浴を適用することができる他、Ｓｉ含有量が１２質量％以下のＡｌめっき浴を適用することもできる。Ｓｉを添加することにより脆いＦｅ−Ａｌ系合金層の成長を抑制することができ、伸線加工性の向上に有効となる。またＳｉ添加により融点が低下するので、製造が容易となる。ただし、Ｓｉ含有量が増加するとＡｌめっき層自体の加工性が低下する。また導電性低下にも繋がる。したがって、Ａｌめっき浴１にＳｉを含有させる場合は１２質量％以下の範囲で行うこと望ましい。なお、浴中の不純物として、Ｆｅ：４質量％以下、Ｚｎ：１質量％以下が含まれていて構わない。
【００２２】
めっきに供する鋼線３として直径０.１ｍｍの細径のものまで対応できる鋼線搬送機構を有していることが望ましい。従来、直径０.１〜１.０ｍｍといった細径の鋼線に対して厚いＡｌめっき層を形成させることは極めて難しいとされていた。浴面窪み４を形成させる手法によればそれが可能となる。ワイヤーハーネス素線などに適した細径の線材を得るためには、直径が０.１〜０.６ｍｍである鋼線３を溶融Ａｌめっきに供することがより好ましい。鋼線搬送機構は、鋼線３を連続的にめっき浴１に送給し、めっき浴１中を通過させ、気相空間２に引き上げ、巻取装置５２で巻き取るための各種リール５８を有しており、鋼線３の搬送速度（ライン速度）が制御されるようになっている。必要に応じて各部を通過する鋼線３の張力を制御する機構を備える。
【００２３】
Ａｌめっき付着量は主として、ノズルＡによって浴面１０に吹き付ける気体の流量、および鋼線の搬送速度（ライン速度）によって制御することができる。本発明の装置によれば、めっき浴に供給される鋼線３の直径が０.１〜１.０ｍｍである場合において、Ａｌめっき層の長手方向平均厚さが例えば５０μｍ以上という厚目付の溶融Ａｌめっきを施すことが可能である。１００μｍ以上の平均厚さを確保することもできる。Ａｌめっき層の平均厚さδ（μｍ）は、溶融Ａｌめっき鋼線の平均直径をＤａ（μｍ）、鋼芯線（Ｆｅ−Ａｌ系合金層の部分を含む）の平均直径をＤｓ（μｍ）とするとき、δ＝（Ｄａ−Ｄｓ）／２で表される。ただし、ＤａおよびＤｓは平均円相当径が採用される。ここで、線材の長手方向に垂直な断面の面積をＳ（μｍ2）、円周率をπとするとき、Ｓ＝πＤ2／４によって定まるＤ（μｍ）をその線材の円相当径という。
【００２４】
図２に、従来の溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含む平面内の浴面形態を模式的に示す。図中、線径およびめっき層厚さは誇張して描いてある（後述の図３〜７において同じ）。溶融Ａｌめっき浴１に浸漬された鋼線３は連続的に気相空間２へ矢印の方向に引き上げられ、溶融Ａｌめっき層７で被覆された溶融Ａｌめっき鋼線３０が得られる。この場合、浴面１０の平均高さは、引き上げられる鋼線３の周囲においてほぼ一定である。引き上げられる鋼線３に随伴して溶融Ａｌのメニスカス２０が形成され、このメニスカス２０を構成する溶融Ａｌの一部が鋼線３の表面に付着して持ち上げられ、これが溶融Ａｌめっき層７となる。鋼線３の径が例えば０.６ｍｍ程度以下と小さい場合は、鋼板や太径の鋼線に溶融Ａｌめっきを施す場合とは異なり、ライン速度を大きくしても鋼線３の表面に付着して立ち登る溶融Ａｌの量（めっき厚さ）を増大させることは難しい。つまり、メニスカス２０を構成する溶融Ａｌは溶融Ａｌめっき浴１の中へ流れ落ちやすい。このため、細径の鋼線に厚い溶融Ａｌめっき層を形成させることは容易でない。なお、本明細書では溶融Ａｌめっき鋼線３０における鋼線３の部分を特に「鋼芯線」と呼んでいる。
【００２５】
図３に、本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある平面内の浴面形態の一例を模式的に示す。溶融Ａｌめっき浴１から気相空間２へ連続的に引き上げられる鋼線３の周囲の一部領域に、鋼線３の表面通過位置に沿って浴面窪み４が形成されている。図示された平面内において、鋼線３に沿う浴面は、浴面窪み４の部分とその反対側の部分とで高さに差が生じている。すなわち浴面窪み４の部分における浴面１１の平均高さをｈ1、反対側の浴面１２の平均高さをｈ2とするとき、浴面から引き上げられる鋼線３の中心線を含むある平面内で、鋼線３の水平方向両側における浴面平均高さにΔｈ＝ｈ2−ｈ1の差が生じている。このような浴面状態を維持しながら鋼線３を引き上げると、浴面が低い側に形成されるメニスカス２１に比べ、浴面が高い側に形成されるメニスカス２２を著しく発達させることができることがわかった。
【００２６】
このように、引き上げられる鋼線３の周囲の一部に巨大化したメニスカスが形成されているとき、その巨大メニスカスからのＡｌ供給を利用して、溶融Ａｌめっき層７の平均厚さ（めっき付着量）を顕著に増大させることができるのである。その理由については現時点で必ずしも明確ではないが、浴面近傍に形成される小さいメニスカスと比べ、浴面からの高さが高い位置まで発達した巨大メニスカスでは、メニスカス上部付近の温度低下が大きくなってメニスカスを構成する溶融Ａｌの粘性が増大し、これが一因となって鋼線３に付着して立ち登る溶融Ａｌの量が著しく増加するのではないかと考えられる。
【００２７】
本発明の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置では、浴面窪み４を形成させる手法として、気相空間２からめっき浴面の一部領域に気体を吹き付けるためのノズルＡ（図３中には図示されない）を配置し、引き上げられる鋼線３の周囲のめっき浴面の一部領域に気相空間２の側から局所的に気体を吹き付ける手法を採用する。ただし、このような手法によれば、溶融Ａｌめっき鋼線３０の長手方向に垂直な断面内において、溶融Ａｌめっき層７の厚さに片寄りが生じやすい。この片寄りを是正したい場合には、気相空間２に気体吐出ノズルＢを設置し、鋼線３に随伴して立ち登る未凝固の溶融めっき層７に気体６を一定方向から吹き付けることが効果的である。具体的には、巨大メニスカス２２の側から気体６を適度に衝突させることにより、片寄って立ち登った溶融Ａｌが反対側に回り込み、鋼芯線の周囲におけるめっき層厚さを均一化することができる。ここで、気相空間２へ引き上げられる鋼線３の中心線を含む平面のうち、特に鋼線３を挟んで両側の浴面高さの差が最も大きくなる平面を平面Ｐ0と呼ぶ。図３は平面Ｐ0内の状態を表したものである。
【００２８】
図４に、本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線、ノズルＡ、ノズルＢおよび浴面窪みの鉛直方向から見た位置関係を模式的に示す。前述図３は、図４のＹ方向から水平に見たものである。気相空間２にノズルＡが配置され、引き上げられる鋼線３に沿う浴面の一部領域に局所的に気体５を吹き付けることにより浴面窪み４が形成される。ノズルＡは吐出気流の中心軸５１が鋼線３の中心軸３１と交わらないように設置することが好ましい。気体５が鋼線３に直接当たると引き上げられる鋼線に振動が生じやすくなり、安定した操業ができない場合がある。
【００２９】
図４中には前述の平面Ｐ0の位置を示してある。ノズルＢの吐出口中心位置６２は必ずしも平面Ｐ0上に位置する必要はないが、引き上げられる鋼線３の中心軸３１を中心とする角度において、平面Ｐ0からの角度θが±４５°となる範囲にノズルＢの吐出口中心位置６２を配置することが望ましく、±３０°となる範囲に配置することがより好ましい。
【００３０】
図５に、図４のＸ方向から水平に見た場合の、鋼線、ノズルＡおよび浴面窪みの位置関係を模式的に示す。気相空間２に設置するノズルＡは浴面１０に対して斜め上方から気体５を吹き付けるように配置することが望ましい。
【００３１】
図６に、本発明の装置を用いた溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある平面内の浴面形態の他の例を模式的に示す。ノズルＡの配置の仕方によっては、このように鋼線３を挟んだ水平方向両側の浴面１１、１２がともに定常部分の浴面１０よりも低い位置になることがある。このような場合でも両側の浴面平均高さの差Δｈ＝ｈ2−ｈ1が生じていれば、浴面が低い側に形成されるメニスカス２１に比べ、浴面が高い側に形成されるメニスカス２２を発達させることができ、前述のようにその発達したメニスカスからのＡｌ供給を利用して、Ａｌめっき付着量を増大させることができる。
【００３２】
図７に、浴面窪みの位置が鋼線から遠すぎる場合における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線および浴面窪みの中心部を含む平面内の浴面形態を模式的に示す。この場合は、鋼線３に沿う周囲の浴面状態において、浴面窪み４が形成されている側の浴面１１と、その反対側の浴面１２の平均高さの差Δｈ＝ｈ2−ｈ1は実質的にゼロであり、浴面窪み４の反対側に形成されるメニスカス２２は発達しない。その結果、図２の場合と同様、溶融Ａｌめっきの付着量増大効果は得られない。
【００３３】
上記の浴面平均高さの差Δｈは、目視観測可能な程度（概ね１ｍｍ）以上の大きさであれば、それが定常的に生じている限り、溶融Ａｌめっきの付着量増大効果を得ることができる。Δｈは３ｍｍ以上であることがより効果的であり、５ｍｍ以上とすることもできる。ただし、あまり過大な浴面窪みを形成させると浴面の波立ちが荒くなり、引き上げ途上の鋼線が振動するなどして、安定した操業が難しくなる。種々検討の結果、Δｈは２５ｍｍ以下の範囲で十分であり、１５ｍｍ以下となるように管理しても構わない。ノズルＡの位置、ノズルＡの形状、吹き付ける気体の流量などによってΔｈを調整することができる。Δｈが１ｍｍ未満の場合、メニスカス２２が発達せず、溶融Ａｌめっきの付着量増大効果は得られない。また、Δｈが２５ｍｍを超えてもメニスカス２２は発達し、付着量増大効果は得られるが、浴面の波立ちが荒くなることや、ガス流量を増大する必要があることなどの問題が生じ、コスト的に不利となる。なお、後述の実施例で浴面窪みを形成するために気体を吹き付けたものは、図１１の＊印を付した例を除き、いずれもΔｈが３〜２５ｍｍの範囲内にある。
【００３４】
溶融Ａｌめっき付着量を制御する手法としては、ノズルＡから吐出させる気体の流量（すなわち浴面窪み４の大きさ）を調整する方法の他、鋼線３のライン速度を調整する方法が挙げられる。ライン速度を大きくしていくと、鋼線３に随伴して立ち登る溶融Ａｌの量が増大することによってＡｌめっき付着量は急激に増大する。そして、ライン速度がある程度大きくなるとＡｌめっき付着量の変化は少なくなる。しかし、ライン速度が過大になると逆にＡｌめっき付着量が減少するようになる。これはライン速度が大きくなりすぎるとメニスカス近傍での浴表面温度が低下しにくくなること、あるいは溶融Ａｌめっき浴中の浸漬時間が短くなることにより鋼線表面と溶融Ａｌの界面において、溶融Ａｌの付着張力が十分に得られないことなどが原因ではないかと推察される。
【００３５】
図８に、本発明の装置を用いてノズルＢによる気体吹きつけを行わずに製造した溶融Ａｌめっき鋼線の長手方向に垂直な断面の光学顕微鏡写真の一例を示す。ノズルＡによる浴面窪みの形成は行っている。グレーに見える部分が鋼芯線、その周囲の白っぽく見える部分が溶融Ａｌめっき層である。鋼芯線の径が０.２ｍｍ程度と細いにもかかわらず、非常に多量のＡｌめっき付着量が確保されている。溶融Ａｌめっき層は断面内で片寄っているが、アルミニウム／鋼複合線材として優れた導電性を示すことから種々の導線用途において適用が可能である。
【００３６】
図９に、本発明の装置を用いてノズルＢによる気体吹きつけを行って製造した溶融Ａｌめっき鋼線の長手方向に垂直な断面の光学顕微鏡写真の一例を示す。ノズルＡによる浴面窪みの形成も行っている。この場合、非常に多量のＡｌめっき付着量が確保されるとともに、断面内での溶融Ａｌめっき層の片寄りが大幅に軽減されている。このような線材を素線として束ねた導線は、例えば端子とのかしめ加工部で密着性が向上するなどの利点を有する。
【実施例１】
【００３７】
前述の気体吐出ノズルＡおよびＢを備える本発明の溶融めっき鋼線製造装置を用いて、鋼線を長手方向に連続的に搬送し、溶融Ａｌめっき浴中に浸漬したのち鉛直方向にめっき浴から気相空間に引き上げる手法にて、種々のライン速度にて溶融Ａｌめっき鋼線を製造した。ノズルＡは図４、図５に示したように浴面に対して斜め上方から気体が吹き付けられるように配置され、吐出気流の中心軸６１が鋼線３の中心軸３１と交わらないようになっている。そして、ノズルＡから窒素ガスを浴面に吹き付けることにより、図３に示したような形態の浴面窪み４が鋼線３に沿う位置に形成され、浴面から引き上げられる鋼線３の中心線を含むある平面内で、鋼線３の水平方向両側における浴面高さに差が生じる状態が実現できるようになっている。また、ノズルＢは図３、図４に示したように平面Ｐ0内に配置され、溶融めっき層７が未凝固である高さ位置から水平方向に空気を吹き付けるようになっている。その高さ位置はライン速度に応じて定常浴面位置に対し１５〜４５ｍｍの高さに調整した。
【００３８】
溶融Ａｌめっきに供する鋼線として、直径０.２ｍｍのＺｎめっき鋼線を使用した。このＺｎめっき鋼線は、直径１.０ｍｍの溶融Ｚｎめっき硬鋼線（ＪＩＳ素材規格；２７Ａ）をドローイングにより伸線加工して直径０.２ｍｍとしたものであり、その表面には平均厚さ４μｍのＺｎめっき層を有している。芯材である鋼の組成は、質量％でＣ：０.２４〜０.３１％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.３〜０.６％、Ｐ：０.０３０％以下、Ｓ：０.０３０％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の範囲内にある。
【００３９】
溶融Ａｌめっきは、上記Ｚｎめっき鋼線を、還元処理することなく直接溶融Ａｌめっき浴に送給する方法で行った。ノズルＡおよびＢによる気体吹きつけを行う実験（本発明例）と、ノズルＡ、Ｂいずれからも気体吹きつけを行わない実験（比較例）を実施した。めっき条件は、以下のとおりである。
・めっき浴組成（質量％）； Ｆｅ：１.５〜２.５％、Ｚｎ：０.１〜０.２％、残部Ａｌ
・めっき浴温； ６８５℃±５℃
・ライン速度： ５〜１５０ｍ／ｍｉｎ
・めっき浴中の線材浸漬長さ； ８００ｍｍ
・気相空間； 空気
・ノズルＡから浴面への吐出気体； 窒素ガス（本発明例）、吹き付けなし（比較例）
・ノズルＢから鋼線への吐出気体； 空気（本発明例）、吹き付けなし（比較例）
・ノズルＡからの浴面への気体吹き付け流量； ２０Ｌ／ｍｉｎ（本発明例）、０Ｌ／ｍｉｎ（比較例）
・ノズルＢの吹き付け流量； １０Ｌ／ｍｉｎ（本発明例）、０Ｌ／ｍｉｎ（比較例）
【００４０】
結果を図１０に示す。図１０からわかるように、浴面に気体を吹き付けることによって鋼線に沿う位置に浴面窪みを形成させた場合には、適切なライン速度に設定することによって、平均厚さ５０μｍ以上、あるいはさらに平均厚さ１００μｍ以上という厚目付のＡｌめっき層を有する溶融Ａｌめっき鋼線を得ることができた。これに対し、浴面に気体を吹き付けることなく、図２に示したような状態を維持した場合には、ライン速度を変化させても、めっき付着量の顕著な増大効果は見られなかった。
【実施例２】
【００４１】
ライン速度を３５ｍ／ｍｉｍと一定にし、ノズルＡから浴面へ吹きつける気体（窒素ガス）の流量を種々変化させたことを除き、実施例１における本発明例と同様の条件で溶融Ａｌめっき鋼線を製造した。
【００４２】
結果を図１１に示す。図１１からわかるように、浴面に吹き付ける気体の流量がゼロから増大していくと、それに伴って溶融Ａｌめっき層の平均厚さも増大していく。これは、浴面窪み側の平均浴面高さｈ1と、その反対側の浴面平均高さｈ2の差Δｈ＝ｈ2−ｈ1が大きくなるに伴って、浴面高さが高い側に形成されるメニスカスが大きく発達することに起因する。吹き付け気体流量がある程度以上になると（この例では２０Ｌ／ｍｉｎ程度以上になると）Ａｌめっき層の平均厚さは定常的になる。これは前記メニスカスの発達が頭打ちになるためだと考えられる。さらに吹き付け気体流量が増大すると（この例では４０Ｌ／ｍｉｎ程度以上になると）Ａｌめっき層の厚さは不安定となり、長手方向での変動が大きくなる。これは、浴面の波立ちが大きくなり、引き上げ途上の鋼線が振動することに起因する。
【符号の説明】
【００４３】
Ａ、Ｂ 気体吐出ノズル
１ 溶融Ａｌめっき浴
２ 気相空間
３ 鋼線
４ 浴面窪み
５、６ 気体
７ 溶融Ａｌめっき層
１０、１１、１２ 浴面
２０、２１、２２ メニスカス
３０ 溶融Ａｌめっき鋼線
３１ 鋼線の中心軸
５０ めっき浴槽
５１ 送出装置
５２ 巻取装置
５３ 冷却装置
５４、５６ ガス供給管
５５、５７ ガス供給装置
５８ リール
６１ ノズルＡの吐出気流の中心軸
６２ ノズルＢの吐出口中心位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼線を長手方向に連続的に搬送してＡｌめっき浴中に浸漬させた後、めっき浴面から気相空間に引き上げる溶融Ａｌめっき鋼線製造装置において、気相空間側からめっき浴面の一部領域に気体を吹き付けてめっき浴面に局所的な窪みを形成させる気体吐出ノズルＡを備え、前記窪み部分での浴面低下によって、気相空間に引き上げられる鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じるようにノズルＡの気体吹き出し方向が調整されている溶融Ａｌめっき鋼線製造装置。
【請求項２】
前記ノズルＡが窒素ガス供給装置に接続されている請求項１に記載の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置。
【請求項３】
気相空間に引き上げられた鋼線のＡｌめっき層が未凝固である高さ位置に一定方向から気体を吹き付けるためのノズルであって、その吹き付け方向が、引き上げられる鋼線を挟んで浴面の高い側の気相空間位置から浴面の低い側の気相空間位置に向かう方向に調整されている気体吐出ノズルＢを備える請求項１または２に記載の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置。
【請求項４】
直径０.１〜１.０ｍｍの鋼線を連続的にめっき浴に送給し、めっき浴中を通過させ、気相空間に引き上げ、巻き取るための鋼線搬送機構を有する請求項１〜３のいずれかに記載の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置。
【請求項１】
鋼線を長手方向に連続的に搬送してＡｌめっき浴中に浸漬させた後、めっき浴面から気相空間に引き上げる溶融Ａｌめっき鋼線製造装置において、気相空間側からめっき浴面の一部領域に気体を吹き付けてめっき浴面に局所的な窪みを形成させる気体吐出ノズルＡを備え、前記窪み部分での浴面低下によって、気相空間に引き上げられる鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じるようにノズルＡの気体吹き出し方向が調整されている溶融Ａｌめっき鋼線製造装置。
【請求項２】
前記ノズルＡが窒素ガス供給装置に接続されている請求項１に記載の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置。
【請求項３】
気相空間に引き上げられた鋼線のＡｌめっき層が未凝固である高さ位置に一定方向から気体を吹き付けるためのノズルであって、その吹き付け方向が、引き上げられる鋼線を挟んで浴面の高い側の気相空間位置から浴面の低い側の気相空間位置に向かう方向に調整されている気体吐出ノズルＢを備える請求項１または２に記載の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置。
【請求項４】
直径０.１〜１.０ｍｍの鋼線を連続的にめっき浴に送給し、めっき浴中を通過させ、気相空間に引き上げ、巻き取るための鋼線搬送機構を有する請求項１〜３のいずれかに記載の溶融Ａｌめっき鋼線製造装置。
【図１】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１７４１５８（Ｐ２０１１−１７４１５８Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４０８４７（Ｐ２０１０−４０８４７）
【出願日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
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