(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸塩処理液中に鋼材を連続的に通材させながら電流を印加して鋼材表面にリン酸塩皮膜を形成させる鋼材の表面処理装置において、リン酸塩処理槽内に鋼材の経路に沿って隣り合った陰極電極と陽極電極との一対以上を各陰極電極が通材方向の上流側になるように配置し、陰極電極の通材方向長さ／陽極電極の通材方向長さの比が０．２〜０．３であり、各電極は通過する鋼材に接触しない位置に配置せしめ、各対内の陰極電極と陽極電極とは直流定電流またはパルス電流を供給する単一の電源装置を介して電気的に接続して、電極と鋼材を直接接触させることなく、かつ、各対間で個別に電流印加を可能に構成したことを特徴とする鋼材の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、コイル状の鋼材を巻き戻しながら連続通材させてリン酸塩皮膜を形成させる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼材へのリン酸塩処理は、部品加工用の潤滑皮膜下地処理、防錆処理、および塗装下地処理として広く利用されている。リン酸塩処理は一般的に浸漬法、スプレー法により実施される。
そこで、鋼材をリン酸亜鉛処理液に浸漬すると、以下の反応が起こる。
（アノード反応）Ｆｅ→Ｆｅ 2+ ＋２ｅ- 
（カソード反応）２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 
ここでアノード反応は、リン酸による鋼材面の溶解腐食反応であり、鋼材面に電子を与えるとともに鋼材表面を活性化して析出するリン酸塩の結晶と鋼材表面の密着性が確保される。また、鋼材内に与えられた電子により起こるカソード反応は溶液中に分離して浮遊していた水素イオンを水素分子へと変換する反応である。処理液の平均的なｐＨは２前後であるがカソード反応が起きた鋼材面近くではｐＨが４前後まで上昇し、リン酸亜鉛結晶（Ｚｎ3 （ＰＯ4 ）2 ）の析出条件を満足し、鋼材表面にリン酸亜鉛皮膜が形成される。
（３Ｚｎ（Ｈ2 ＰＯ4 ）2 →Ｚｎ3 （ＰＯ4 ）2 ＋Ｈ3 ＰＯ4 
【０００３】
このリン酸亜鉛皮膜を下地処理として表面にステアリン酸塩等の金属石鹸からなる潤滑剤の皮膜を形成させることにより、冷間鍛造のごとく面圧が３０００（ＭＰａ）、摩擦面温度４００℃、表面積の拡大率が１００倍にも達する過酷な条件下においても鋼材と金型間の摩擦力を下げて金型の摩耗や焼き付きを防止できる。
しかしながら、このリン酸亜鉛皮膜の形成反応は電気化学反応とｐＨ変動に伴う平衡反応および結晶析出反応が互いに関連作用する複合的な反応であるため液の温度、濃度や成分変動により皮膜量が十分得られなかったり、鋼材との密着性が十分でないと上記冷間鍛造加工で焼き付き等の不具合を発生する要因となる。
【０００４】
また、皮膜付着状態を鋼材表面全体で均一に処理するために必要な時間は、平板を処理槽内に浸漬するような系、すなわち処理液が鋼材表面に対して十分置換可能な場合でも２０秒から２分程度、コイル状に巻き取られた鋼材を処理槽内に浸漬するような系、すなわちコイルの内部に滞留した処理液の置換が十分に起きない系では３分から８分という長い時間を要し生産性向上の点で問題があった。そこでリン酸塩処理の促進技術の一つとして電気的促進法が考案されている。リン酸塩処理の電気的促進技術は英国特許１６３００号（１９０９年）で直流定電流法が開示されて以来、交流通電法（例えば特公昭４９−４６２２０号公報）や、パルス電流印加法（例えば特開昭５９−１９７５９６号公報，特開平６−３２２５９２号公報）等の改良が重ねられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
リン酸塩処理の電気的促進方法は、皮膜付着量の確保と鋼材表面との密着性を両立させることができないという問題があり実用化には至っていない。
リン酸塩溶液中で陰極電極を対面に浸漬すると鋼材表面が陽極電解されアノード反応が選択的に促進される。しかし、このときカソード反応によるｐＨ変動がほとんど起きないためリン酸塩皮膜生成量が確保できないばかりか過剰溶出したＦｅイオンがＺｎイオンと置換したリン酸亜鉛鉄（Ｚｎ2 Ｆｅ（ＰＯ4 ）2 ）を主成分とした皮膜が析出してしまい所期の目的を達し得ない。
【０００６】
同様にリン酸塩溶液中で陽極電極を対面に浸漬すると鋼材表面が陰極電解され、カソード反応を促進する。この結果ｐＨ変動が十分に起きるため供給電流に応じてリン酸塩皮膜生成の析出を増大させることができるが、アノード反応がないため鋼材とリン酸塩皮膜の密着性が悪く、部品加工時に剥離してしまい金型との焼付けを起こしてしまう等の問題があった。
この問題を解決する方法として鋼材に付与する電流をパルス電流や正逆反転サイクル電流とする方法（例えば特開昭５９−１９７５９６号公報）によりアノード反応とカソード反応の各々の促進する時間帯を繰り返し実施することでリン酸塩皮膜生成の析出増大を狙ったものであるが、パルス電流で陰極電解する場合では電流休止期間中に若干のアノード反応が期待できるものの直流電流と根本的には変わらない。また、正逆反転サイクル電流とした場合は、陽極電解中に処理を完了した部位の皮膜は、一旦析出した皮膜と鋼材の界面にあるＦｅが陽極電解中のアノード反応により局所的に侵食されてしまい鋼材との密着性が著しく阻害されてしまうという問題があり、所期の目的を達しえなかった。
【０００７】
また、鋼材に電流を印加する方法として線材、棒鋼、鋼板、パイプ等のコイル状に巻き取られた鋼材を巻き戻しながら通材させつつ電気的促進方を適用する場合、図４に示すごとくリン酸塩処理槽３３の入側と出側に配置した抑えローラー３２により鋼材１はリン酸塩処理液３４中に浸漬される。ここで、通電ローラー３１あるいは通電ブラシなどにより鋼材に直接接触させて、リン酸塩溶液３４中に通材方向に沿って鋼材と対面するよう配置された電極２１との間にある電源装置８により鋼材１に電流を印加する直流通電方式が採用されている。しかしこの方法では、不可避的に鋼材の凹凸、曲がり等に表面欠陥や、通電ローラーやブラシ表面の摩耗等により鋼材への電気供給時の放電が発生し孔触されたり、鋼材表面に疵が発生してしまうという問題があった。
本発明の目的は、極短時間で密着制に優れた鋼材のリン酸塩皮膜生成を可能とする鋼材の表面処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、次のとおりである。
（１）リン酸塩処理液中に鋼材を連続的に通材させながら電流を印加して鋼材表面にリン酸塩皮膜を形成させる鋼材の表面処理装置において、リン酸塩処理槽内に鋼材の経路に沿って隣り合った陰極電極と陽極電極との一対以上を各陰極電極が通材方向の上流側になるように配置し、（陰極電極の通材方向長さ／陽極電極の通材方向長さ）の比が０．２〜０．３であり、各電極は通過する鋼材に接触しない位置に配置せしめ、各対内の陰極電極と陽極電極とは直流定電流またはパルス電流を供給する単一の電源装置を介して電気的に接続して、電極と鋼材を直接接触させることなく、かつ、各対間で個別に電流印加を可能に構成したことを特徴とする鋼材の表面処理装置にある。
【０００９】
本発明はリン酸塩処理液中で鋼材の通材方向の上流側に陰極電極を、下流側に陽極電極を配置して連続的に鋼材を通材処理するのでリン酸塩処理におけるアノード反応を陰極電極による陽極電解帯で行った後、カソード反応を陽極電極による陰極電解帯で実施できるので、短時間で密着性の良い皮膜を生成できる。
また、本発明は直流定電流を印加した場合には最も効率良く電気を供給できるので、処理時間が短くなることや、電極の表面積を最小限にして設計できる等の点で優れている。また、パルス電流にした場合は電流休止期間があるため直流電流に比べると供給できる電気量は少なくなるが、鋼材表面に生成するリン酸塩皮膜の結晶が緻密になり鋼材との密着性が向上する。すなわちパルス電流では通電時の電流密度（ｉｐ）と１週期の間に電流が流れる割合（θ）の積であるパルス平均電流密度（ｉｐ×θ）が直流定電流の電流密度と同等であり、またパルス電流の電流休止期間中に鋼材表面近傍のリン酸塩処理液が置換され、再度電流が流れる際に新たな皮膜結晶析出の起点が発生し、結晶粒が緻密で微細化されるためと考えられる。
また、本発明はリン酸塩処理液中に経路に沿って浸漬配置した隣り合った電極間に電源装置を介して連接することにより鋼材と電極を直接接触させることなく鋼材に電流を印加できるので、鋼材表面の孔触や疵の発生が防止できる。また、単一の電源装置のみで陽極電解帯と陰極電解帯とをリン酸塩処理槽内に効率よく形成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について説明する。
本発明の適用となる鋼材とは熱間圧延材や焼きなまし処理材はもとより、表面に亜鉛メッキ処理した鋼材、その他、原理的にリン酸塩処理が可能な全ての鋼材を対象として実施可能である。
また、本発明でいうリン酸塩とは、リン酸亜鉛、リン酸ニッケル、リン酸カルシウム、リン酸鉄の一種または２種以上を含有してなるものである。
また、本発明により鋼材に印加される電流は直流定電流あるいはパルス電流であるが、直流定電流は電流密度が５０〜２０００００Ａ／ｍ2 、の範囲であることが望ましい。電流密度がこの範囲よりも小さい場合は電流印加による促進効果がほとんど期待できなく、電流密度がこの範囲を超えると処理液の物質移動が皮膜生成速度を律速するため電流値を増やしても促進効果には影響しなくなるためである。
【００１１】
本発明について更に詳しく図示の例により説明する。図１は本発明による電流印加式のリン酸塩処理装置例の側面図である。リン酸塩処理槽３３には鋼材通材方向の上流側で陽極電解を、下流側で陰極電解を行うよう電極２１が電源装置８を介して電気的に接続されている。鋼材１は図の左方より移動し抑えローラー３２によりリン酸塩処理槽３３に導かれリン酸塩処理液３４中に浸漬される。鋼材は電源装置８の陰極側に接続した電極２１により陽極電解されアノード反応が急激に起き鋼材表面は活性化される。その後鋼材は電源装置８の陽極側に接続した電極２２により陰極電解されカソード反応が起き鋼材近傍の処理液のｐＨが上昇し極短時間で皮膜結晶が析出する。この結果、皮膜付着量の確保と鋼材表面との密着性を両立させたリン酸塩皮膜が得られる。
【００１２】
ここで陽極電解帯と陰極電解帯の総電流値は等しいため両帯の長さが等しい場合は鋼材表面の電流密度が等しく、電解帯長さが異なる場合は電解帯長さに反比例して電流密度は小さくなる。よって、陽極電解帯と陰極電解帯の長さが極端に違うと各電解反応を効率良く行うことができない。また、陰極電解帯の方がリン酸塩結晶析出のための時間を要することから、陽極電解帯と陰極電解帯との長さの比は０．２〜０．３：１．０の範囲が好ましい。
また電極の材質は、炭素電極により良好な結果が得られたが、金属であれば、白金、チタン、イリジウム等のいわゆる貴なる金属やその酸化物からなるものとすることで、電解反応時に電極がリン酸塩液中へ溶出することを防ぐことが可能である。
【００１３】
図２は本発明による電流印加式のリン酸塩処理装置の他の例の側面図である。リン酸塩処理槽３３内に陽極電解帯と陰極電解帯を各々２ケ所づつ交互に連続配置した例である。この場合、電源装置８を２個に分散できるので比較的小容量の電源装置でもよく、また上流側の陰極帯と下流側の陰極帯で電流の種類、電流密度を変えて組み合わせることも可能となる。ここで、上流側の電流密度を下流側のそれより大きくした前段負荷型にすると総投入電力が同じでもより多くの皮膜を生成可能である。これは、皮膜生成反応の後半では鋼材表面の過半に非導電性のリン酸塩の結晶が付着しており電流印加の効果が小さくなっているためと考えられる。
【００１４】
図３は図１の電流印加式のリン酸塩処理装置を組み込んだ線材の連続処理装置である。サプライスタンド２より引き出されたコイル状の鋼材１は伸線機１３を動力として長手方向に矯正機３、デスケーリング装置４、洗浄・予熱装置５を通過した後にリン酸塩処理槽３３へ移送される。
このリン酸塩処理槽３３には陽極電解帯６と陰極電解帯７が鋼材の経路に沿って備えられている。陽極電解帯６には電源装置８の陰極側が接続された陰極電極２１が、陰極電解帯７には電源装置８の陽極側が接続された陽極電極２２が各々リン酸塩処理液３４中に浸漬配置される。このとき、鋼材の通材方向に対して陽極電解帯６が陰極電解帯７の上流側となるよう配置され、電極は処理する鋼材の投影幅以上の大きさのものを鋼材を挟んで対面に直接鋼材に接触しないように配置することで鋼材周方向における皮膜量のばらつきを抑えることが可能である。
リン酸塩処理槽３３を出た鋼材１は洗浄・中和装置９、石鹸処理装置１０、乾燥装置１１を経過した後、伸線ダイス１２にて縮径され、捲取装置１４にて再度コイル状に巻き取られる。
また、上記連続処理装置のデスケーリング装置４にショットブラスト等のメカニカルデスケーリングにて脱スケールした場合、極微量ではあるものの除去しきれなかった鉄スケール、合金酸化物が鋼材表面に残存し、リン酸塩の付着を阻害するという問題があるが、本発明のリン酸塩処理槽内での陽極電解帯で完全除去が可能となる。
【００１５】
【実施例】
本発明の実施例を、鋼線材にリン酸亜鉛皮膜を形成させた場合について詳述する。
表１には図３の連続処理装置を用いて本発明法と従来法とを以下の条件で実施した結果について示す。ここで、鋼材表面に生成せしめたリン酸亜鉛皮膜の付着量を評価するため処理後の鋼材を酸性溶液に溶かすという方法でリン酸亜鉛皮膜量を測定した。リン酸亜鉛皮膜量はその用途により好適な値が選定されるが４〜２０ｇ／ｍ2 の範囲が好ましい。また、鋼材とリン酸亜鉛皮膜の密着性を評価するため、処理材を孔型ダイスで伸線加工した後のリン酸亜鉛皮膜量を測定し、伸線前後の皮膜量からリン酸亜鉛皮膜の残存率を求めた。
【００１６】
（実施条件）
被処理材：ＪＩＳ  Ｓ４５Ｃ相当，直径７．５ｍｍ
デスケーリング：ショットブラスト
処理材予熱温度：８５℃
リン酸亜鉛処理：濃度３０〜８０ポイント，処理時間５秒
0003822709.tif 000002
潤滑石鹸：石灰石鹸（固形分濃度１８％）
乾燥：熱風温度１５０℃，乾燥時間１０秒
伸線条件：仕上線径φ６．５ｍｍ（減面率２５％）
【００１７】
表１から明らかなように、本発明法による実施例１では６〜１４．５ｇ／ｍ2 のリン酸亜鉛皮膜の付着量が確保され、更に伸線後も皮膜の８７％は鋼材表面に残存する優れた密着性が得られている。また実施例２は陽極電解帯と陰極電解帯からなる組の工程を２回行うので、実施例１よりも総投入電力が１０％少ないにもかかわらずほぼ同等の皮膜付着と密着性が得られた。また実施例３ではパルス電流の結晶粒微細化作用により伸線後の皮残存率は９０％にまで向上した。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明法に従えば、電気的リン酸塩処理においても皮膜量の確保と、鋼材と皮膜の密着性を兼ね備えた優れた表面処理材を製造可能となったばかりか生産性向上による経済的効果や省力化にもたらす効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の陽極電解帯と陰極電解帯を各々１つづつ備えたリン酸塩処理方法と装置を示す概念図、
【図２】本発明の陽極電解帯と陰極電解帯を各々２つづつ備えたリン酸塩処理方法と装置を示す概念図、
【図３】本発明の電気的リン酸塩処理装置を組み込んだ線材の連続処理装置のブロック図、
【図４】従来法による電気的リン酸塩処理方法と装置を示す概念図である。
【符号の説明】
１  鋼材
２  サプライスタンド
３  矯正機
４  デスケーリング装置
５  洗浄・予熱装置
６  陽極電解帯
７  陰極電解帯
８  電源装置
９  洗浄・中和槽
１０  潤滑石鹸処理装置
１１  乾燥装置
１２  伸線ダイス
１３  伸線機
１４  捲取装置
２１  電極（陰極）
２２  電極（陽極）
３１  通電ローラー
３２  抑えローラー
３３  リン酸塩処理槽
３４  リン酸塩処理液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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