銅および銅合金ストリップの製造過程では、焼鈍および圧延後に表面にさまざまな有機および無機汚染物質が付着します。取り扱いが不適切であったり、高温雰囲気下にあると、銅ストリップの表面が酸化し、残留する圧延油もまたストリップ表面を汚染します。中間製品の保管方法が不適切な場合にも、表面の変色を引き起こすことがあります。現代産業における銅ストリップ製品の用途が広がるにつれて、その表面品質に対する要求はますます高まっています。高品質な銅ストリップを得るためには、表面洗浄を徹底することが非常に重要です。そのため、銅ストリップの表面洗浄技術および設備は一般的に重視されています。
1 銅ストリップ表面洗浄技術
1.1 除油
脱脂の目的は、銅ストリップの表面にある有機汚染物質、特に残留する圧延油およびそれに混入した機械油を除去することです。脱脂は主に、酸洗および表面研磨前の処理として行われます。脱脂が不十分な場合、銅ストリップ表面の酸化物は酸によって完全に除去できません。脱脂方法には、溶剤脱脂、アルカリ脱脂、電解脱脂、超音波脱脂などがあります。
1.1.1 溶剤除油
脱脂溶剤には、石油系、塩素系、フッ素系、界面活性剤があります。石油系は火災を引き起こしやすく、塩素系は発がん性があり、フッ素系はオゾン層を破壊するため、ほとんど使用されていません。最近では、より多くの界面活性剤が開発されています。界面活性剤は親油性基を分子内に取り込み、油分を水中で乳化させることで脱脂を実現します。
1.1.2 アルカリ除油
動物性および植物性の油脂は、アルカリで分解され、加水分解されて高級脂肪酸ナトリウム（石鹸）とグリセリンが生成されます。このけん化反応により脱脂が行われ、生成された石鹸は陰イオン界面活性剤として働き、脱脂を助ける役割を果たします。しかし、ローリングオイルは鉱物油であり、主に石油系の脂肪族炭化水素から構成されており、けん化反応を受けません。したがって、アルカリ性脱脂には界面活性剤を添加する必要があります。
1.1.3 電解除油
電解脱脂は非常に効果的な方法です。通常、アルカリ性の脱脂液中で通電します。水が電気分解され、陰極電解（銅テープを陰極として使用）では水素が発生し、陽極電解では酸素が発生します。発生した気泡によって表面の汚れを剥がすことができます。陰極電解で生成される水素は酸素の2倍であり、水素の還元作用も表面を活性化します。そのため、銅ストリップの電解脱脂には陰極電解法が採用されますが、脱脂液中の金属不純物の析出や過度な脱脂の発生に注意する必要があります。シアン化物の添加は金属不純物の析出を防ぐのに役立ちますが、環境汚染の問題があるため、厳密に管理して使用しなければなりません。一方、陽極電解では酸素の酸化作用により、陰極電解では除去できない銅ストリップ表面の保存剤を除去できますが、過度な脱脂が起こりやすいという欠点があります。
I. 1.4 超音波除油
超音波脱脂洗浄機は、超音波信号発生器と脱脂洗浄槽で構成されています。超音波信号発生器は高周波の振動信号（正弦波）を生成し、変換器を通じて毎秒数万回の高周波の機械的振動を発生させ、脱脂液中に超音波を形成します。この超音波は高周波で正圧と負圧を交互に繰り返し、密な媒質中を前方へ放射伝播（直接放射、反射、屈折の機能を有する）することで、脱脂液内に無数の微小な気泡を絶えず生成し、さらにそれらが連続的に破裂します。この現象を「キャビテーション効果」と呼びます。気泡が破裂する際に瞬間的に1,000気圧を超える高圧が形成され、一連の爆発を引き起こして莫大なエネルギーを放出し、銅ストリップ表面に大きな衝撃を与え、油分を迅速に剥離させて脱脂・洗浄の目的を達成します。超音波溶剤による脱脂洗浄では、銅ストリップ表面がわずかに酸化している場合でも、酸洗工程は不要です。洗浄剤に不動態化剤を添加することで、洗浄と同時に不動態化処理も行えるため、脱脂洗浄の工程および設備を大幅に簡略化できます。
1.2 珪酸処理
機械的な表面洗浄と比較して、銅ストリップの表面を化学的に洗浄する方法には、酸洗いと浸漬の2種類があります。表面の厚い酸化膜を取り除き、銅ストリップを長時間酸溶液に浸す方法を酸洗いと呼び、酸化膜を取り除き、短時間酸溶液に浸す方法を浸漬と呼びます。従来、これら2つの方法は総称して酸洗いと呼ばれていました。銅ストリップの酸洗い液としては通常硫酸溶液が用いられ、その濃度は銅ストリップ表面の酸化程度によって異なります。現代の銅ストリップ製造では表面の酸化が比較的軽微であり、ほとんどの酸洗いには5%～15%の濃度の硫酸溶液が使用されています。温度は室温で、一部は60℃まで加熱されます。貫通式酸洗いの場合は、処理時間が10～60秒となります。具体的な酸洗い工程パラメータは、銅ストリップの種類や表面状態に応じて調整する必要があります。真鍮の酸洗い液の濃度は比較的低く、青銅や赤銅では比較的高くなります。銅ニッケル合金の酸洗い効果を強化するために、硝酸や過酸化水素などの酸化剤を硫酸溶液に混合することがあります。ただし、硝酸はNO₂の発生があるため、過剰に使用すべきではありません。塩酸は塩化物系の腐食性媒体を生成し、銅ストリップの変色を促進し、設備を腐食させるため、使用は避けるべきです。一般的に、酸洗いと研磨を組み合わせることで良好な結果が得られます。
1.3 研磨および洗浄
研磨方法には、研磨、ローラー刷毛処理、ローラー研磨などがあり、機械的な表面を清掃するために用いられます。布、リネン、樹脂などで作られた研磨ホイールに炭化ケイ素やアルミナなどの研磨剤を添加するか、またはアルミナをコーティングしたナイロン（ポリアミド）製ワイヤーブラシを使用します。銅ストリップの表面を清掃するための機械的刷毛処理です。銅ストリップの表面研磨・研削の品質を向上させるために、脱脂洗浄、酸洗、研磨、研削が通常、生産ラインとして組み合わされています。研磨および研削を行う際には、銅ベルトの種類、ベルトの厚さ、表面状態に応じて、異なる研磨・研削用ブラシローラーやナイロン（ポリアミド）製フィラメントの線径、粒子サイズ、あるいはブラシローラーのメッシュ数や硬度を選定する必要があります。アルミナをコーティングした研磨用ワイヤーブラシの場合、一般的には線径0.25～0.3 mm、粒度500～600メッシュの研磨ブラシが使用されます。不織布製の研磨ブラシローラーでは、粒度は1500～2000メッシュ、硬度は40（軟質）または60（中程度）とします。銅ストリップの表面に対する要求が高い製品については、さらに粒度25万～3000メッシュの研磨ブラシローラーを使用することもあります。メッシュ数が大きいほど、ブラシの使用寿命は短くなります。使用時には、銅ストリップの表面状態に応じて、研磨ブラシと銅ストリップ表面との接触圧力、または研削ブラシローラーの研削量、適切なブラシローラーの回転速度を調整します。粗延し後焼鈍処理された錫リン青銅ストリップについては、鋳造や圧延によって生じた表面欠陥を除去し、ストリップの表面品質を向上させるため、より低いメッシュ数（220メッシュ）の弾性研削ホイールがしばしば用いられます。厚いストリップに対しては簡易な表面研磨を行います。 万方データ No. 2 龔守鵬：銅ストリップ表面清掃技術および設備 71 この処理によりストリップ表面の金属損失は増加しますが、銅ストリップの表面品質向上には大きな効果があります。この方法は、水平連続鋳造で製造された真鍮ストリップについても、不適切な溶解・鋳造プロセスや操作による表面の除去・改善に有効です。
1.4 表面不動態化（防錆）処理
銅金属自体はルイス塩基性であるため、電子を失いやすく酸化しやすいです。特に銅合金は負の電位差を持つため、高温多湿な環境下で非常に酸化しやすく、変色の原因となります。したがって、洗浄後の変色防止も銅ストリップの表面処理において重要な要素です。従来の防錆処理には、クロメート皮膜処理やベンゾトリアゾール（BTA）皮膜処理があります。クロメートは強い酸化力を有しており、銅表面に不活性な皮膜を形成することで保護効果を発揮し、優れた皮膜効果を示します。しかし、環境規制により、この処理方法は大規模な使用ができなくなりました。ベンゾトリアゾールおよびその誘導体は銅の腐食抑制に優れた効果を示し、現在最も広く用いられている皮膜剤です。BTA（C₆H₅N₃）の皮膜形成機構は、BTAのベンゼン環中のNH基の水素が一価の銅と反復的に配位結合し、高分子状の化合物被膜を形成することで、ストリップとの強い密着性を生み出します。データによれば、被膜厚は5×10⁻⁶～10⁻⁵mmに達し、熱安定性は300℃、融点は100℃未満で、pH3～12の範囲で安定した性能を示します。使用時には、水溶液の濃度を0.5%～1%（重量パーセント）とし、温度は60～80℃に保ちます。BTAの水への溶解度が限られているため、調製の際には一定量のアルコールで溶解させた後、軟水に加えるのが最適です。近年、中国では新型の銅合金用皮膜剤CC-2002が開発されました。これはBTAをベースに各種有機添加剤を配合したもので、液体制剤の調製・使用・維持管理が非常に簡便です。従来のBTAと比較して防錆効果が大幅に向上しており、重金属イオンや環境に有害な化学物質を含まず、pHは中性に近いため、設備への腐食や皮膚への刺激もなく、普及・応用に値する新しいタイプの皮膜剤です。
2 銅ストリップ表面洗浄装置
銅ストリップ洗浄装置は、過去20年間に開発された特殊設備であり、実際の使用において継続的に改良され、完璧化されてきました。通常、銅ストリップ洗浄装置は異なる機能ユニットで構成されています。これらの機能ユニットには、脱脂・洗浄ユニット、酸洗・洗浄ユニット、研磨・洗浄ユニット、そして不動態化・乾燥ユニットが含まれます。異なる機能ユニットを組み合わせることで、さまざまな目的に応じた銅ストリップ表面処理生産ラインを形成できます。例えば：表面脱脂生産ライン；表面脱脂・酸洗生産ライン；表面脱脂・酸洗・研磨・研削・不動態化生産ラインなどです。さらに、多機能ユニットの組み合わせによる洗浄ラインが長大になり、設置面積が広く、フロントデスクでの操作が不便であることから、近年では単層に加えて二層式の銅ストリップ洗浄ラインも開発されています。銅ストリップ洗浄生産ラインの単層レイアウトは図1に示されており、二層レイアウトは図2に示されています。
2.1 銅テープ継ぎ合わせ
二本の銅テープの頭と尾の接合には、一般的に油圧式ストリップ接合機が使用され、上下2つの金型、油圧システム、および前後のガイド板を備えています。上下の凹凸金型で接合部を打ち抜き、銅線を挿入して2本のストリップを接続します。ストリップの接合部がピンチローラー、スクイズローラー、またはブラシローラーを通るたびに、これらのローラーは損傷を防ぐために自動的に持ち上がります。接合部が通過した後、ローラーは自動的に押し下げられます。最近では、操作が簡単なため、クリーニングマシンにおいてアルゴンアークスポット溶接によるストリップ接合方法も使用され始めています。
2.2 除油・洗浄ユニット
ユニットは通常、ストリップ脱脂室、冷水洗浄室、複数組の封入型絞りローラー、脱脂剤貯蔵タンク、循環システム、加熱装置で構成されています。近年、脱脂効果を高めるため、脱脂室の前にスプレー式予備脱脂が追加されています。脱脂室には、研磨材を使用しないナイロン（Belon）製ワイヤーブラシローラーと逆圧ローラーが装備されています。ブラシローラーのモーター電流を調整することで、ブラシとストリップへの圧力を調整できます。現代の脱脂ユニットには、脱脂剤の濾過装置および自動油水分離装置も搭載されています。脱脂剤の油水分離が不十分だと、脱脂効果が低下します。
2.3 珪酸処理および水洗
ストリップ酸洗槽の構造には、単純な単層貫通型と上下二層型の2種類があります。現代の銅ストリップの酸洗では、昇降式の上下二層循環酸洗槽の構造が採用されています。下層には酸が貯蔵され、ストリップは上層を通過します。ストリップを酸洗する必要がある場合は、酸循環ポンプを起動して下層の酸を上層に移送し、ストリップを完全に酸に浸漬させます。ストリップに浸漬された酸液が流動状態にあるため、酸洗効果が向上します。酸洗が必要ない場合は、酸ポンプを停止するだけで、上層の酸は下層へ戻り、ストリップはそのまま通過します。酸洗後の銅ストリップの表面には酸液が付着しています。通常、酸洗槽の出口には2組の絞りローラーが設置されており、絞りの後、パイプとノズルで構成される冷水洗浄室へと導かれます。
2.4 光沢仕上げ、研磨および擦り洗い
研磨、研削およびブラッシングは、銅ストリップの表面清掃において非常に重要な工程です。通常、研磨ブラシまたは研磨用ブラシを備え、高速で回転する洗浄槽内で、大量の水を噴射して洗い流しながら行われます。ブラシローラーには多くの種類があり、一般的なブラッシングには普通のナイロンワイヤー製ローラーブラシを使用できます。ベルト表面の研磨や研削には、酸化アルミニウムまたは炭化ケイ素（Anderlon）を螺旋状に配置したローラーブラシや、高強度の人工不織布で作られた研磨用ローラーがよく使用されます。幅4001Tlnl以下の銅ベルトの場合、研磨・研削用ブラシローラーは片持ち構造を採用できます。幅が400mmを超えるベルトでは、ほとんどの構造がブラシローラーの両端で支持されています。設備の製造精度、ブラシローラーの動平衡、設置条件は、ストリップの表面研磨・研削品質に影響を与え、場合によっては明らかなブラシ痕によりストリップを使用不能にしてしまうこともあります。ブラシローラーの回転速度は最大750～1200rpmに達することがあります。また、研磨用ブラシローラーの数を増やし、前後に異なる種類や目合いの研磨用ブラシローラーを配置することで、銅ベルトの表面清浄度を向上させることができます。
2.5 洗浄水の多段階利用
脱脂、酸洗、研磨、研削および不動態化機能を備えた銅ストリップの洗浄生産ラインでは、各機能ユニットに冷水洗浄設備が必要です。各ユニットの洗浄水を個別に供給・排出すると、水の消費量が非常に大きくなります。そのため、「逆送式」と呼ばれる多段式水洗装置が導入されました。この装置は、洗浄水タンクを複数の独立した水槽に分けています。研磨後の洗浄水はNo.1水槽に戻され、No.1水槽の水はストリップの酸洗後のすすぎ水として使用されます。すすぎ水はNo.2水槽に戻され、ストリップの脱脂後のすすぎや排水の戻し水として利用されます。研磨水には銅粉やその他の粒子が多く含まれるため、別途ベルトフィルターを設置し、ろ過後に再利用できます。
2.6 パッシベーションおよび乾燥
リサイクルされた不動態化剤をスプレーまたは浸漬することで、通過する銅テープと反応させ、表面に不動態皮膜を形成し、防錆効果を得ることができます。乾燥室の温風温度は約80°Cで、通常、温風循環ファンと除湿ファンを使用して加熱します。乾燥室を通過した後の銅ストリップの表面が確実に乾燥するようにするため、乾燥室に入る前の銅ストリップの表面水分をまず除去する必要があります。そのため、2組のゴム製絞りローラーには「エアナイフ」が装備され、残留水分を吹き飛ばします。最近では、ゴム製絞りローラーの代わりに3Mミレニアムローラー（Mill Roll）が使用されています。ミレニアムローラーは、より優れた絞り効果を持つ高強度の多孔質不織布ディスク構造のローラーです。ミレニアムローラーを使用する際には、銅テープの角が過度に鋭くなったり、端部が割れたりして損傷しないよう、特に注意が必要です。
2.6 パッシベーションと乾燥
異なる機能ユニットで構成される銅ストリップの洗浄装置は、完成品の銅ストリップの表面洗浄要件を満たすだけでなく、中間工程の銅ストリップの表面洗浄にも使用でき、さらには粗圧延ブランクの表面欠陥の研削除去にも利用できます。銅ストリップの表面品質に対する顧客の要求が継続的に向上するにつれて、銅ストリップの表面処理技術および設備の開発は、銅生産工場や設備メーカーの関心をますます集めており、銅ストリップの生産技術および設備の重要な一部となり、その重要性を一層示しています。
