(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極が30 Vを超えるDC電圧で維持されかつアーク放電(エレクトロプラズマ)が動作パラメータの適切な調整によって工作物の表面に設定されている電解セルの陰極をつくるように表面を配置することにより導電面を洗浄する方法であって、陽極と陰極間のワーキングギャップを、気体及び/又は蒸気相と液相を含み、少なくとも20容積％の気体及び/又は蒸気を含む泡からなる導電性媒質で充填することを特徴とする、前記方法。
【請求項２】
陽極が30 Vを超えるDC電圧で維持されかつアーク放電(エレクトロプラズマ)が動作パラメータの適切な調整によって工作物の表面に設定されている電解セルの陰極をつくるように表面を配置することにより導電面を被覆する方法であって、陽極と陰極間のワーキングギャップを、コーティングを形成するのに必要とされる(1種以上の)化学種の正イオンを有しかつ気体及び/又は蒸気相と液相を含み、少なくとも20容積％の気体及び/又は蒸気を含む泡からなる導電性媒質で充填することを特徴とする、前記方法。
【請求項３】
工作物上にコーティングを形成するのに用いられる該正イオンが、1種以上の犠牲陽極から誘導される、請求項2記載の方法。
【請求項４】
工作物上にコーティングを形成するのに用いられる該正イオンが、1種以上の犠牲陽極と導電性媒質のもとの組成物の双方から誘導される、請求項2又は3記載の方法。
【請求項５】
該泡が少なくとも30質量％の気体及び/又は蒸気を含んでいる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
【請求項６】
該泡が陽極の作用面の1つ以上の穴を通ってワーキングギャップに導入される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
【請求項７】
該泡が陽極以外からワーキングギャップに導入される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
【請求項８】
導電性の泡が、水性導電性電解質を煮沸することにより生成する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
【請求項９】
該泡が機械的手段によって生成する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１０】
該泡の生成、性質及び安定性が該導電性媒質に発泡剤、界面活性剤、粘度調整剤又は他の添加剤の1種以上を添加することにより制御される、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１１】
陽極が該泡を生成させる加熱チャンバを1つ以上有するアセンブリを含み、該泡が陽極表面の1つ以上の穴を通ってワーキングギャップに注入される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１２】
該ワーキングギャップが該泡を含むように密閉されている、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１３】
該ワーキングギャップ内の圧力が大気圧より高い圧力に維持されている、請求項12記載の方法。
【請求項１４】
導電面を洗浄及び/又は被覆するための装置であって、
(i) 処理すべき1以上の表面について適切に配置された陽極アセンブリを1つ以上有する密封処理ゾーンであって、該又は各陽極アセンブリーが液体の電解質の流れを受け入れるように適合したチャンバと通じている貫通陽極プレートと、前記チャンバに該液体の電解質を供給する手段と、前記チャンバに受け入れた該液体の電解質を泡に変換する手段とを含み、該泡が少なくとも20容積％の気体及び/又は蒸気と残部の液体とを含む、密封処理ゾーンと、
(ii) 該陽極アセンブリ間の該処理ゾーンを通って処理すべき工作物を連続して移動させる手段と、
(iii) 該処理ゾーンを開閉する手段と、
(iv) 該処理ゾーンからの泡の供給及び除去を制御する手段と
を含んでいる、前記装置。
【請求項１５】
該チャンバが、貫通チャンバディバイダと加熱スクリーンによって2つの部分に分けられ、使用中には該電解質を煮沸させ、よって該電解質を泡に変換させる、請求項14記載の装置。
【請求項１６】
処理すべき工作物を該陽極アセンブリの該貫通陽極プレートの下に連続して移動させる手段をさらに含んでいる、請求項14又は15に記載の装置。
【請求項１７】
該処理ゾーンが可撓性シールによって密封されている、請求項14ないし16のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
該処理ゾーンが、該処理ゾーンへ該泡を注入するための入口を少なくとも1つと該処理ゾーンから該泡を除去するための出口を少なくとも1つ備えている、請求項14ないし17のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトロプラズマ技術を用いて金属表面を洗浄及び/又は被覆する改良された方法及び装置に関する。
金属、特に、多くの形態の鋼は、一般に、最終使用に置かれる前に腐食を洗浄及び/又は保護することが必要である。製造されたままの鋼は、通常は、その表面上に、一様に付着せずかつ下にある材料が異種金属接触腐食を受けやすくなるミル・スケール膜(黒色酸化物)を有する。従って、鋼が塗装、被覆又は金属化(例えば、亜鉛で)され得る前に、ミル・スケールを除去しなければならない。金属は、また、その表面上に、さび、油又はグリース、着色ドローイングコンパウンド、チップ又は切削液、又はポリシングコンパウンド又はバフ研磨剤を含む他の形の汚染(工業上『汚れ』として知られる)を有することがある。これらはすべて、通常は、除去されなければならない。スレンレス鋼でさえ、その表面上に、使用前に除去を必要とする過剰の混合酸化物を有することがある。
金属表面を洗浄する従来の方法は、酸洗(廃酸の処分によるコストと環境上の問題があることからますます許容し得なくなっている); ブラスティング; ウエット又はドライタンブリング; ブラッシング; 塩浴デスケーリング; アルカリデスケーリング; 又は酸クリーニングを含んでいる。多段洗浄操作は、例えば、(i)有機材料のバーニングオフ又は溶媒除去と、(ii)ミル・スケールやさびを除去するサンドブラスティング又はショットブラスティングと、(iii)最終表面調製としての電解洗浄とを必要とするものである。洗浄した表面に金属化、塗装又はプラスチックコーティングにより耐食性の保護を与える場合には、通常は、再び始まる表面酸化を防止するために速やかに行わなければならない。多段処理は、有効であるがエネルギー消費と処理時間の双方の点でコストがかかる。従来の処理の多くは、環境的にも望ましくない。
【０００２】
金属表面を洗浄する電解法は、ガルバナイジングや鋼帯板や鋼板のめっきのような処理ラインにしばしば組込まれている。共通のコーティングとしては、亜鉛、亜鉛合金、スズ、銅、ニッケル又はクロムが含まれている。下流の多重操作を送り込むために独立電解洗浄ラインも用いられている。電解洗浄（又は『エレクトロクリーニング』）は、通常は、電解質を生成するアルカリ洗浄溶液の使用を含むが、工作物は、電解セルの陽極か又は陰極であってもよく、極性が代わってもよい。そのようなプロセスは、一般的には、低電圧(典型的には3〜12ボルト)及び1〜15 Amp/dm2の電流密度で動作させる。従って、エネルギー消費は、約0.01〜0.5 ｋWh/m2の範囲にある。汚れの除去は、表面から汚染を持ち上げる気泡の生成によって行われる。工作物の表面が陰極である場合、表面は洗浄されるだけでなく、『活性化』され、よって続いてのコーティングに改善された接着を与える。電解洗浄は、通常は、重いスケールを除去するためには実用的ではなく、酸洗及び/又はブラスティングのような別個の操作で行われる。
従来の電解洗浄プロセスとめっきプロセスは、低電圧の状況で動作し、電流は印加電圧によって単調に増加する。ある条件下では、電圧が上昇するにつれて、不安定性が生じる点に達し、電圧の上昇につれて電流が下がり始める。不安定な状況は、電極の一方又はもう一方の表面での放電の発生を目立たせるものである。これらの放電（『マイクロアーク』又は『マイクロプラズマ』）は、気体又は蒸気の層のような表面上に存在する適切な非導電層を横切って生じる。これは、その領域の電位勾配が非常に高いからである。
【０００３】
【従来の技術】
BG-A-1399710号には、プロセスが不安定な領域を超えてすぐの状況で作動する場合には、過熱せずかつ過度にエネルギーを消費せずに金属表面を電解的に洗浄し得ることが教示され、ここで『不安定な領域』は、電圧が上昇するにつれて電流が低下する領域として定義されている。わずかに高い電圧まで移動させることにより、電圧を上昇させるにつれて電流が再び増加するとともに気体/蒸気の連続膜が処理表面上に与えられる場合には、有効な洗浄が得られる。しかしながら、このプロセスのエネルギー消費は、酸洗のエネルギー消費(0.4〜1.8 kWh/m2)に比べて大きい(10〜30 kWh/m2)。
SU-A-1599446号には、リン酸溶液中で1000 A/dm2程度の非常に高い電流密度を用いる溶接棒の高電圧電解スパーク・エロージョン洗浄法が記載されている。
SU-A-1244216号には、陽極処理を用いて100〜350 Vで動作するマシンパーツのマイクロアーク洗浄処理が記載されている。電解質処理の具体的な方法は教示されていない。
【０００４】
他の電解洗浄法も記載され、GB-A-1306337号には、酸化物スケールを除去するために、スパーク・エロージョン段階が別個の化学又は電気化学洗浄工程と共に用いられ、US-A-5232563号には、ウエハ表面上で不純物を持ち上げる気泡を生成することにより半導体ウエハから1.5〜2 Vの低電圧で不純物が除去され、EP-A-0657564号には、通常の低電圧電解洗浄はグリースを除去するのに無効であるが、アルミニウムのような電解的に酸化可能な金属は酸陽極酸化によって高電圧(マイクロアーク)下に巧みに脱脂することができることが教示されている。
洗浄ゾーンに高速乱流をつくるために電解洗浄浴中の電極近傍に位置する電解質噴射の使用は、例えば、JP-A-08003797号やDE-A-4031234号に教示されている。
放射能汚染した物体の物体全体を浸漬せずに電解質の単一噴射を用いた電解洗浄は、EP-A-0037190号に教示されている。洗浄した物体は陽極であり、使用電圧は30〜50 Vである。表面のエロージョンを避けるために1秒程度の短時間の処理が推奨され、酸化物の完全な除去は望ましくないとみなされる。CA-A-1165271号には、電解質が底に穴の配列を有する箱形陽極を通ってポンプで送られるか又は注ぎ込まれる非浸漬が教示されている。この配置の目的は、金属帯板を一方の面だけに電気めっきさせることであり、特に消耗陽極の使用を避けることである。
【０００５】
DE-A-3715454号には、ワイヤが陰極である第1チャンバ及びワイヤが陽極である第2チャンバにワイヤを通過させることによりバイポーラ電解処理の手段によるワイヤの洗浄が記載されている。第2チャンバ内では、酸素を含むガス層のイオン化によってワイヤの陽極表面にプラズマ層が形成される。その処理の間中、ワイヤは電解質に浸漬される。
EP-A-0406417号には、引抜き操作前に棒がプラズマ洗浄される銅棒から銅線を引抜く連続方法が記載されている。『プラズマトロン』ハウジングは陽極であり、ワイヤも貫通U形スリーブの形で同軸内部陽極で囲まれている。プラズマ生成を開始させるために、電圧を低いが特定されない値に維持し、浸漬ワイヤより高い電解質レベルを下げ、ワイヤ表面の放電の発生を促進させるために流量を減少させている。
低電圧電解洗浄は、電気めっき又は他のコーティング処理のための金属表面を調製するために広く用いられているが、エネルギーの費用を許容しえないほど高くせずにミル・スケールのような厚い酸化物溶着物を処理することができない。従って、そのような電解洗浄法は、通常、他の洗浄手順と共に多段操作で用いなければならない。
【０００６】
WO-A-97/35052号には、エレクトロプラズマ(アーク放電)を用いた導電面の電解洗浄方法であって、液体の電解質が高DC電圧で保持された陽極内の1つ以上の穴に流れ込み、工作物(陰極)に衝突し、よって導電性通路を得る前記方法が記載されている。システムは、陽極と陰極間に印加された電圧の上昇とともに電流が低下するか又はほぼ一定のままである状況及び気体及び/又は蒸気の不連続の気泡が処理中に工作物の表面上に存在する状況で動作する。
WO-A-97/35051号には、陽極が工作物の表面を金属コーティングする金属を含んでいる以外はWO-A-97/35052号に記載された方法と同様である導電面を洗浄及び被覆する電解方法が記載されている。
WO-A-97/35051号及び同第97/35052号の方法を動作するにあたり、アーク放電又はエレクトロプラズマは工作物の表面上に生成され、気泡層内で設定されている。プラズマは、ミル・スケールや他の不純物を工作物の表面から急速に除去する作用があり、不働態化(さらなる酸化に対しても抵抗する)することもできる洗浄金属面が残される。
陽極が、更に、高融点金属のような非不活性材料から構成される場合には、金属原子は陽極から陰極に移り、洗浄面上に金属コーティングが施される。
【０００７】
コーティングは、WO-A-99/15714号に記載されるように不活性陽極と被覆すべき金属のイオンを有する電解質を用いることにより上記動作状況下に達成することができる。この例においては、この方法は電気めっきの特殊な形であるが、アーク放電の存在下に高電圧で起こることから、めっきは通常の電気めっきより速く、コーティングは基体金属に対する接着が良好である。
WO-A-98/32892号には、本質的に上記方法で操作するが、導電性媒質として導電性気体/蒸気混合物を用いる方法が記載されている。この気体/蒸気混合物は、ワーキングギャップ内に陽極の穴を通って射出される前に2又は多重チャンバ陽極内で生成する。気体/蒸気混合物は、陽極チャンバ内の電解水溶液を沸点以上に加熱することにより生成し、陽極チャンバは、主電流か又は独立した電気ヒータによって加熱することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、我々は、エレクトロプラズマ(アーク放電)を用いて洗浄する改良法及び/又は導電面、例えば、鋼に金属コーティングを被覆する改良法であって、導電性経路が、陽極と陰極間の空間を充填するとともに電力消費が少ないこと、表面処理が一様なこと及び陽極と工作物間のギャップのサイズの寛容度が大きいことについて有利である発泡電解質によって設けられる前記方法を開発した。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従って、第1態様においては、本発明は、陽極が30 Vを超えるDC電圧で維持されかつアーク放電(エレクトロプラズマ)が動作パラメータの適切な調整によって工作物の表面に設定されている電解セルの陰極をつくるように表面を配置することにより導電面を洗浄する方法であって、陽極と陰極間のワーキングギャップを、気体/蒸気相と液相を含んでいる泡からなる導電性媒質で充填することを特徴とする、前記方法を提供する。
第2態様においては、本発明は、陽極が30 Vを超えるDC電圧で維持されかつアーク放電(エレクトロプラズマ)が動作パラメータの適切な調整によって工作物の表面に設定されている電解セルの陰極をつくるように表面を配置することにより導電面を被覆する方法であって、陽極と陰極間のワーキングギャップを、コーティングを形成するのに必要とされる(1種以上の)化学種の正イオンを有しかつ気相/蒸気相と液相を含んでいる泡からなる導電性媒質で充填することを特徴とする、前記方法を提供する。
【００１０】
他の態様においては、本発明は更に、液体の電解質の流れを受け入れるように適合したチャンバと通じている貫通陽極プレートと、前記チャンバに該液体の電解質を供給する手段と、前記チャンバ内に受け入れた該液体の電解質を泡に変換する手段とを含んでいる陽極アセンブリを提供する。
他の態様においては、更に、本発明は、導電面を洗浄及び/又は被覆するための装置であって、
(i) 処理すべき1以上の表面について適切に配置された上記陽極アセンブリを1つ以上有する密閉処理ゾーンと、
(ii) 該陽極アセンブリ間の該処理ゾーンを通って処理すべき工作物を連続して移動させる手段と、
(iii) 該処理ゾーンを開閉する手段と、
(iv) 該処理ゾーンへの泡の供給及び該処理ゾーンからの泡の除去を制御する手段と
を含んでいる前記装置を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
電解水溶液を煮沸することにより泡を適切に生成させることができるが、他の泡生成方法も用いることができる。発泡電解質がナトリウム又はカリウムのような水と反応する金属イオンのみを有する場合には、工作物が洗浄される。他の金属イオンが存在する場合には、更に、洗浄した工作物上にこれらが堆積してコーティングを形成する。
エレクトロプラズマの設定に必要な条件を与えるために調整し得る動作パラメータとしては、電圧; 泡の化学組成; 泡の密度; 泡の温度; 泡がワーキングギャップに供給される量; 及びワーキングギャップ(陽極と陰極間の距離)の幅が含まれる。
本発明は、また、ワーキングギャップに注入される前に電解質を泡に変換することができる1つ以上の加熱チャンバを、泡をワーキングギャップから除去し、ろ過し、復活させ、廃棄泡を再循環させる手段と共に、含む陽極アセンブリを提供する。
本発明は、更に、工作物が泡をほとんど漏らさずに移動し得る封入によってワーキングギャップ内の泡の封じ込めを提供する。
【００１２】
本発明は、陽極と陰極間の導電性媒質が液体の電解質でも気体/蒸気の混合物でもなく、ワーキングギャップ全体を充填している導電性の泡であるという点で従来の洗浄及び/又は被覆方法より改良されている。一般的には、『泡』という用語は、気泡又はセルの形で少なくとも20容積％、好ましくは30容積％の気体及び/又は蒸気を含み、残りの媒質は液体である媒質を意味する。更に好ましくは、少なくとも50容積％の泡が気泡又はセルの形での気体及び/又は蒸気である。本発明に用いられる泡は、一般的には、電解水溶液から生成される。
そのような泡は、便利には、金属塩を水に溶解したもののような電解水溶液を煮沸することにより生成させることができる。泡の性質を、例えば、泡密度、又は気泡サイズ又はセルサイズの点で最適化するために発泡剤と安定剤を添加することができる。
しかしながら、他の泡生成方法、例えば、電解質中に熱活性化発泡剤を混合する方法; 揮発性物質で過飽和にした液体の電解質から圧力をゆるめる方法(シャンパンのびんを振盪し開けるときのように); 水蒸気又は他の蒸気又は気体を液体の電解質に注入する方法; 比較的粘稠な電解質を機械的に「泡立てる」方法; 又は2つの液体の流れの組合わせを共に化学的に反応させて混合液を吹き込ませて泡にする方法; 又は液体を泡にするために当該技術において既知の他の手段を用いることもできる。
【００１３】
導電性媒質としての泡の使用は、液体の電解質より次の利点を有する。
a）泡は、その気体/蒸気含量によって、対応する液体の電解質より導電性が低い。これにより洗浄/被覆中の電流の流れが低下するので、電力消費を減少させるとともにプロセスの経済性を改善する。
b）気泡サイズと泡の気体/蒸気全含量を変動させることができることから、更にプロセスの電力消費とプロセスの強度について制御手段を与える。これにより、洗浄又は被覆面の平滑さ又は粗さ(トポグラフィ又はプロファイル)について制御が可能になる。
c）泡がワーキングギャップ全体を充填するので、導電性は陽極の全面と陽極の下の工作物の全面を含んでいる。これは、電解質の独立した流れが工作物上で衝突する液体の電解質の使用と対照的である。従って、泡の使用によって、処理した表面と(あてはまる場合には)犠牲陽極のエロージョンの双方に関してプロセスの一様性が改善される。電流の流れも一様になり、液体の電解質が用いられ、例えば、陽極の穴が塞がれた場合に起こり得る液体の流れの中断によって影響されない。
d）液体の流れが工作物に衝突したとき、液体の流れが導電性経路を分解や破壊することから、実際に使用し得るワーキングギャップのサイズが制限される。泡がワーキングギャップを一様に充填する場合にはこれは起こらないので、大小いずれのワーキングギャップも使用し得る。このことは、例えば、一様なワーキングギャップを維持することが実行可能でない鋼板のオンライン洗浄において実際上非常に重要である。ワーキングギャップの変化に対して泡の方法の許容量が大きいので、そのような条件によって実際上の利点が得られる。
【００１４】
上記の利点は、網羅的であることを意図しておらず、導電性媒質としての液体又は気体/蒸気よりむしろ泡の使用がエレクトロプラズマ洗浄と被覆技術の技術において真の進歩を示すという例示である。
泡は、便利には、電解水溶液を加熱した陽極の穴を通ってワーキングギャップに注入することにより生成させることができるので、電解質をプロセスにおいて煮沸及び発泡させる。好ましくは、ワーキングギャップ内に進む前に電解質を沸点まで加熱する。
この事前の発泡は、適切には、電解質を連続して通過させる加熱チャンバを1つ以上含むように陽極アセンブリを配置することにより達成することができ、チャンバは、貫通プレートによって分けられて一方のチャンバからもう一方のチャンバに、最後にはワーキングギャップに電解質を通過させる。
チャンバ自体は、陽極を通過する動作電流によって、好ましくはチャンバ内に位置する1つ以上の独立したヒータによって加熱することができる。
本発明の他の実施態様においては、陽極に電圧を印加し、電解質を陽極の穴以外の便利な点でワーキングギャップに注入する。電解質を、それ自体の抵抗加熱で(又は別な方法で)煮沸させるとともに陽極及び/又は陰極の熱い表面と接触させることによりワーキングギャップ内で泡に変換させる。しかしながら、好ましくは、電解質を適切な手段によりワーキングギャップ外で泡に変換し、注入する。
【００１５】
泡が陽極の穴を通るにしても別な方法でワーキングギャップに導入されるにしても、使用された泡をワーキング領域から除去する手段を設けることは必要である。システムが開放している場合には、泡が工作物を離れて収集タンクに出るように自然にこれが起こる。ワーキングギャップが封入されている場合には、使用した泡を取り出すように排出口が設けられる。たいていの場合、使用した泡は、液体に凝縮され、洗浄され、ろ過され、復活(例えば、pＨ又は塩濃度を調整することにより)させ、再加熱され、再循環される。
本発明の方法は、アーク放電(エレクトロプラズマ)が工作物の表面で設定されるような方法で動作する。これは、電圧、電極間分離、ワーキングゾーンへの電解質流量(液体の形でも泡の形でも)及び電解質温度のような動作パラメータの適切な調整によって達成される。また、水溶液(非泡)条件でプラズマ放電を開始してから発泡した電解質をワーキングギャップに導入することができることも有利である。例えば、密封したワーキングチャンバ(下記を参照されたい)においては、液体の電解質のプールを陽極と工作物(陰極)間に形成させることができ、プロセスの開始と所望のプラズマ状況の設定に導電性ブリッジを設ける。
【００１６】
本発明の他の実施態様においては、更に、泡を有するという効果をもつ閉塞した封入内にあるように、陽極と、処理を受ける工作物の領域とを配置することにより達成される。このことにより、泡がワーキングギャップをいつも完全に充填するとともに泡注入量を減少させることを確実にすることが容易になる。また、大気圧よりいくぶん高い圧力を作用領域に維持させる。高圧は、泡と工作物面双方の気泡サイズを小さくするという効果があり、滑らかな洗浄又は被覆した表面を与え得る。
本発明の重要な適用は、工作物が処理ゾーンを連続して移動する連続プロセスでの使用であるので、封入はかなりのシールを維持しつつ工作物を移動させなければならない。このことは、移動する工作物の周りに可撓性ゴムシールを用いることにより達成し得る。
【００１７】
本発明の方法によって達成された洗浄作用は、主に工作物表面のマイクロゾーンの溶融によって(排他的ではないが)起こると思われる。水素と水蒸気の小さな気泡は陰極上に生成し、それらを横切って生じる高電位勾配のために電気的分解を受ける。それぞれの気泡が分解を受けるにつれて、マイクロアークが簡単に生成し、マイクロ領域(ミクロンで測定される領域)内の表面の温度を上昇させ、表面の局部的な溶融をもたらす。即ち、表面のマイクロゾーンの溶融は、工作物の表面近傍と工作物の表面に濃縮される泡の正イオン間の微小プラズマ放電によって起こる。マイクロ放電が起こった後、表面は急速に再び固化する。
本発明の方法は、工作物について適切に配置された多重陽極の同時使用によって製品の片面又は両面を洗浄又は被覆する様々な方法で用いることができる。シート、プレート、ワイヤ、ロッド、チューブ、パイプ又は複雑な形のような工作物の形状又は形態は、必要な場合にはほぼ一様な作動距離を与える形をした陽極表面を用いて処理することができる。静的工作物と移動する工作物双方を本発明に従って処理することができる。
【００１８】
添付図面の図1〜図4によって、本発明を更に記載する。
図面の図1について説明する。陽極アセンブリ1は、陰極として働く工作物3の一方の面に向いている貫通陽極プレート2を含んでいる。陽極アセンブリ1は、液体の電解質を含む第1チャンバ4を有し、これは、貫通チャンバディバイダ6と、温度コントローラ7を備えた加熱スクリーンによって泡を含む第2チャンバから分けられている。液体の電解質は、入口マニホールド8によって第1チャンバ4に送り込まれる。液体の電解質は、加熱スクリーン7によって加熱され、煮沸及び発泡させる。第2チャンバ5に集める泡は、貫通陽極プレート2の穴を通過して陽極プレート2と工作物3の間のスペース9を充填する。工作物3は、ローラ10上に位置しているので、処理される場合には陽極プレート2の下から移動され得る。ローラ10は、システムを接地する働きもする。
【００１９】
図面の図2について説明する。移動する工作物の両面を連続して処理するシステムが図示されている。システムは、縦方向に作動する。陰極として働く工作物11は、工作物を導くだけでなくシステムを接地する働きもする2組のローラ12と13によって縦方向に導かれる。工作物11は、ローラ12によって可撓性ゴムシール14を通って工作物の両面上に陽極アセンブリ15を備えている処理ゾーンへ導かれる。陽極アセンブリ15は、本質的には、縦に位置している以外は図1に示される配置に従って構成されている。電解質は、入口16を通過して陽極アセンブリ15に送られ、発泡する。泡は、アセンブリ15から図示された向きに工作物の両面上のワーキングギャップ17に注入される。工作物は、処理中(リール又は他の適切な手段によって)に処理ゾーンに泡を含むとともに工作物11が移動するガイディングローラ13上にゴムシール18を通って移動する。
図3は、本発明に従って処理した工作物の特徴的な孔紋面を示す写真である。表面の特徴的な孔紋面は、洗浄プロセス中に溶融したマイクロゾーンのサイズに対応する小さなクレータからなっている。
【００２０】
図面の図4について説明する。装置は、処理される工作物20、電源21、反応チャンバ22、電解質用容器23及び供給パイプライン24を含んでいる。反応チャンバ22は、電源21の陽極に接続され、泡を調製するためのチャンバ25と構成されている。チャンバ25は、ベース27に開口26を有する。開口26は、処理セクション28と通じている。装置には、処理セクション28を密封している電気絶縁ローラ29、バルブを備えたバイパスによって容器23へ加圧放電するためのアプライアンス30、接地した金属ローラ31、絶縁ジャケット32、保護チャンバ33、及び放電パイプライン34が含まれている。処理中の工作物20は、電源21の陰極に接続され、処理ゾーン28を通って引抜かれる。電解質を、ポンプ(図示せず)を備えた、容器23と供給パイプライン24から反応チャンバ22のチャンバ25まで供給する。泡を電解質から調製し、プレート27の開口26を通過させて処理ゾーン28に送り、そこで、処理中に工作物20の表面近傍に濃縮されたイオン間にマイクロエレクトリックプラズマ放電を加えることによる表面層のマイクロゾーンの再溶融によって工作物の表面修飾が行われる。泡は、電気絶縁ローラ29によってつくられた密閉によって処理ゾーン28内に保持される。過剰の泡は流出し、圧力はバルブを備えたバイパスを経た開口30によって電解質容器23に放出される。電源21の陰極を処理中の工作物20に接続するために、接地した金属ローラ31が用いられる。反応チャンバを電気絶縁するためには、絶縁ジャケット32内に配置される。ジャケット32を有する反応チャンバ22は、保護チャンバ22内に配置されて電解質と泡の漏出を保護するとともに電解質の再循環を改善することを援助する。保護チャンバ33内に蓄積する電解質は、流出パイプライン24によって容器23に流出する。
次の実施例によって本発明を更に記載する。
【００２１】
【実施例】
実施例1
両面にブラックミル・スケール層で覆われた連続低炭素鋼帯板を、図2に示された密閉装置を縦に約1 cm/secの定常速度で通過させた。帯板の幅は10 cmであり、各陽極のワーキング領域は10 cm×10 cmであった。
10％重炭酸ナトリウム水溶液からなる電解質を90℃に予熱し、帯板の両面に位置する陽極プレートの穴を通って10 mmのワーキングギャップ(陽極と工作物の距離)に流し込ませた。
最初に、電解質は、ゴムシールによって部分的に保持されているチャンバの底にプールした。陽極(帯板は接地されている)にDC電圧を印加し、40 ampより大きい高電流の流れのために約10 Vに自動的に制限された。
チャンバの底にプールした液体の電解質の抵抗加熱によって煮沸及び発泡するまで電解質の流量を徐々に減少し、帯板の両面のワーキングギャップを上から下まで泡で充填した。
【００２２】
同時に、電流の流れが急激に低下し、(インテリジェント電源の影響によって)DC電圧が150 Vのプレセット最大値まで自動的に上昇した。プラズマが鋼帯板の表面上に生成した(視界はチャンバ内のプレキシガラス側窓によって得られている)。
プロセスは各陽極を通る電流の流れが約20 ampのこの状態で安定化した。従って、エネルギー消費は、約30ワット/cm2処理面であった。これは、図1に示されるような装置で行われたが発泡せずに液体の電解質の流れを用いたプロセスの約50ワット/cm2のエネルギー消費に匹敵した。
鋼帯板の表面は、両側で洗浄され、ミル・スケールが完全に除去され、上水の熱湯を用いて電解汚染のない状態に洗浄した。
表面は、炭素が除去されたα鉄の薄層(数ミクロンの厚さ)からなり、不働態化(耐酸化性)面を生成した。
【００２３】
実施例2
実施例1のような連続低炭素鋼帯板を、図1に示される装置に約1 cm/secの速度で通過させた。実施例1に記載された電解質を、10 mmに設定された、陽極プレートの穴を通って帯板の上のワーキングギャップに流し込ませた。200 VのDC電圧を陽極に印加した。最初は、電解質は液体の流れからなり、電解質の流量を徐々に下げることにより帯板の表面上に安定なプラズマが設定された。
陽極アセンブリ内の内部ヒータをつけ、電解質の温度を上げ、ワーキングギャップをほとんど泡の形で充填させた。プロセスが行われている間、ワーキングギャップは、プラズマを破壊せず、洗浄プロセスを中断せずに20 mmまで増大した。
発泡電解質を含まない(即ち、液体の電解質の流れのみを用いた)ワーキングギャップがそのように増大するとプラズマが消える。従って、広い作動距離は、液体の電解質より発泡電解質で使用し得る。
鋼帯板の表面を片側で洗浄し、ミル・スケールが完全に除去された。
【００２４】
実施例3
静止銅板を図2に示される装置で酸化物を洗浄した。電解質が90℃に加熱した塩化ナトリウム飽和溶液からなる以外は実質的に実施例1に記載された通りにした。しかしながら、この場合、電解質排出管をクランプで制限し、封入ワーキングチャンバ内の圧力をわずかに上昇させ、112 kPaにした。
銅板を洗浄し、得られた表面は、図1に示されるような装置において大気圧で発泡していない液体の電解質を用いて得られたものよりも滑らかであった。
【００２５】
実施例4
『パテンチング』スケールによる3 mm径の高炭素鋼線を、図2と同様であるが、水平に配置され、工作物(ワイヤ)も水平に通る装置で洗浄した。
『パテンチング』スケールをつくるために、引抜かれたままのワイヤを900℃より高い温度に加熱し、次に510℃の溶融鉛中で冷却した。パテンチングプロセスによって、ほとんどFe3O4であり、硫酸に溶解しない、薄い、しっかりと付着したスケールを得た。従って、この処理は、ふつうのものよりも非常に固いスケールを与え、それを除去するように設計されたプロセスに対する具体的な挑戦である。
ワイヤのスケールを次の条件下で静的に洗浄した。
電解質温度: 90℃(発泡前の液温)
電解質組成: 10％NaHCO3水溶液(pＨ7.64)
電解質流量: 0.25 g/min
ワーキングチャンバ圧: 17.2〜62.0 kPa(2.5 psi〜9.0 psi)
ステンレス鋼から2枚の陽極を作成した。陽極プレートの長さは53 mmと228 mmであり、約12000 mm2の作用表面積を示した。各陽極面からワイヤまでの距離は、22.0 mmであった。
【００２６】
電解質は、ワーキングチャンバの下の中央の6.0 mmの開口を通ってワーキングチャンバに入った。作業スペースの上の左部分に6.0 mmの単一の出口を設けた。この出口は、圧力ゲージと制御バルブを有した。
ワーキングチャンバを泡で充填するために、ワーキングチャンバの底に(最初は)液体の電解質を煮沸するために用いられる500ワットの2つのセラミックヒータを置いた。ヒータより高くワイヤより低い液体レベルを確認するためにサイトガラスを用いた。
電解質の流量を調節することによりプラズマを140 V DCから始めた。発泡が始まった。次に、作動電圧を、プラズマが消えるときの80 Vに達するまで10ボルトずつ降下させた。電流は、140 Vで5 ampから80 Vで最大13 ampまでの範囲にあった。プロセスは、高電圧とそれより低い電圧で同様に十分に動作した。高電圧におけるワーキングチャンバの圧力は、低い電圧より大きかった。
ワイヤは、始めは、滑らかなブラックスケールで覆われていた。プラズマに約1秒間曝露した後、ワイヤはきれいなつや消し白色面を示し、スケールはすべて除去された。
【００２７】
実施例5
実施例1のような低炭素鋼帯板を、図2に示された装置で両面に亜鉛を被覆した。帯板を静止状態に保ち、10秒間処理した。電解質は、80％硫酸亜鉛飽和水溶液であり、作動条件は、ほぼ実施例1に記載された通りにした。得られた被覆試料をSEMを用いた試験に供し、断面と、被覆面のEDAXを見た。
亜鉛コーティングは、一体であり、厚さが4〜7ミクロン(4〜7μm)に変動した。被覆面は、α鉄と亜鉛のピークのみを有する明瞭な回折図を示した(酸化亜鉛のしるしは見られなかった)。亜鉛コーティングの金属組成(質量％)は、亜鉛96％; Fe 4.0％であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、泡生成の陽極アセンブリを示す概略図である。
【図２】は、本発明の方法の連続動作を示す図である。
【図３】は、本発明の方法に従って処理した工作物の表面を示す写真である。
【図４】は、本発明の方法の連続動作の他の実施態様を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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