Vol. 68, 11, 2017 バレルめっきとめっき装置 587 バレルめっき方式の選定長所短所水平回転バレルころがり混合が最も良く生産性が高い側壁の孔径や蓋への挟まり回転に伴う変形が起こりやすい側壁の開孔がなくても液流通ができるころがり混合はやや劣る振動バレル傾斜バレル回

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ぜんまあかさか
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1 586 表面技術小特集 : 様々な表面処理ラインの技術と装置バレルめっきとめっき装置星野芳明 a 星野技術士事務所 ( 埼玉県さいたま市浦和区上木崎 ) Barrel Plating and Plating Equipment Yoshiaki HOSHINO a a Hoshino Consulting Engineer Office (1-9-15, Kamikizaki, Urawa-ku, Saitama-shi, Saitama ) Keywords : Precise Fine Parts, Small Parts, Barrel Processing, Barrel Electroplating Solution, Plating Equipment, Covering Power, Throwing Power a 1. はじめに 2. バレルめっきの特徴バレルめっきとは, バレル (barrel) と呼ばれる容器の中にバレルめっき方式を細分化すると, 図 1に示すように水平被めっき物を入れて回転させ, ランダムに転がり混合させな回転方式, 傾斜回転方式および垂直振動方式 ( あみ付け方式がら電気めっきあるいは無電解めっきする方法である特にも含む ) に分類することができるその中で水平回転方式が小物部品や精密微細部品への電気めっき加工においてなくて最も多く使われているところから一般的にこの方式をバレはならないめっき方式であるバレルめっき方式は, ひっかルめっき (Barrel Plating) と呼んでいるが, 水平回転の場合け治具方式と異なり, バレルめっき独特の特徴を持っているでも回転のさせ方を工夫することによって, 一定方向連続回その特徴を十分理解して管理しないと従来ガラめっきと転 ( 通常のバレル ), 定期的正逆回転切換え方式 ( 正逆反転バ言われた品質ばらつきの大きいめっき方式になってしまうレル ), 揺動方式 ( 揺動バレル ) および図 2のように水平回転逆にその特徴を十分理解して管理すれば, 品質ばらつきの小しながら左右に揺れる方式 ( 偏芯バレル ) などに分けられるさいめっき方式となり Q( 品質 )C( コスト )D( 納期 ) に対すバレル方式による電気めっき加工を成功させるためには, る大きなメリットを得ることができるまずこの方式の原理原則ともいうべき次の特徴を理解する必湿式めっき技術を高度化させるには, 次に示す 2 つの制御要がある技術である管理力 ( ソフト面 ) と現場力 ( ハード面 ) を調和させ [ 特徴 1] る必要がある水平回転方式, 傾斜回転方式および垂直振動方式 ( あみ付 1 管理力 ( ソフト面 ) け含む ), いずれの場合も被めっき物同士が図 3に示すよう各種処理液と被めっき物界面での各種電気化学反応のに重なり合って堆積し,1 つの塊になっているしかもめっ把握 ( 例えば, 電解時, 無電解時の酸化還元反応など ) とき液によって異なる浮力と自重とのバランスで接触しているその制御技術各種材質, 大小を含む形状, 加工歴を持そのため被めっき物の材質, 形状, 板厚などによって接触状つ被めっき物界面に適した各種処理液の CTTM( 濃度, 態や接触抵抗が異なっているさらに陰極給電部と被めっき温度, 時間と電流密度, 計測 ) を把握し, 維持管理する物との接触状態もバレルめっき方式の場合は移動しながら点 2 現場力 ( ハード面 ) 接触または線接触あるいは面接触などを繰り返し, しかもそ物理的要素 ( 例えば, 治具や付帯設備など ) の必要性のの割合は通常被めっき物同士の接触に比べて極めてわずかで把握と工夫およびその制御技術大小を含む形状, 品質ある例えば, 被めっき物が小さい球状体で比較的比重の大要求と許容ばらつきに適した安定生産用の付帯設備を工きい金属素材の場合, バレル内では被めっき物同士が密に堆夫し構築すると共に維持管理する MAIC 技能 ( 計測, 積し, 隙間もほとんどない状態になるため, 近似的には一つ解析, 改善, 維持 ) をレベルアップするの変形し得る大きな塊となり, 図 4に示すように表面層に現そこで, 本稿ではバレル方式による電気めっきを成功させれた部分だけに優先的にめっきが施され, 内部にいるものはる重要な 5 つのポイントについて解説し, それに適したバレ電子電導体の役割をしているだけになるそれに対して, リルめっき装置の工夫と維持管理並びにバレルめっきに適したング状をした被めっき物の場合は堆積しても隙間が多くめっめっき浴組成を構築し維持管理するために必要な電着試験装き液も内部に十分侵入しているため, 表面層に多くめっきさ置について考察するれるが内部にある被めっき物にも電子電導体の役割とともにめっき液との界面において被覆力のよいめっき液の場合, わずかながらもめっきされる可能性が生まれる 12

Vol. 68, 11, 2017 バレルめっきとめっき装置 587 バレルめっき方式の選定長所短所水平回転バレルころがり混合が最も良く生産性が高い側壁の孔径や蓋への挟まり回転に伴う変形が起こりやすい側壁の開孔がなくても液流通ができるころがり混合はやや劣る振動バレル傾斜バレル回転に伴う変形が少ない液流通は最も良い処理に伴う変形は極めて少ない生産性も水平回転バレルより劣る

電流密度ほぼゼロの領域にいるこれを繰り返しながらめっき皮膜が積層されていく従って, 混合周期が品質特性やめっき膜厚のばらつきに大きな影響を与えるここで常に頭に置いておかなければならないことは, 各種バレルめっきに共通することであるがめっき開始時に各位置に分布している個々の被めっき物は通電の場に置かれた場合異なった電流密度領域から析出が開始されることである

2 Vol. 68, 11, 2017 バレルめっきとめっき装置 587 バレルめっき方式の選定長所短所水平回転バレルころがり混合が最も良く生産性が高い側壁の孔径や蓋への挟まり回転に伴う変形が起こりやすい側壁の開孔がなくても液流通ができるころがり混合はやや劣る振動バレル傾斜バレル回転に伴う変形が少ない液流通は最も良い処理に伴う変形は極めて少ない生産性も水平回転バレルより劣るころがり混合が極めて悪い生産性が悪い垂直回転流動バレルころがり混合が改善陰極接点改善生産性が悪い設備コスト高い図 1 バレルめっき方式の種類と特徴陽極陰極液面バレル回転イオン流束イオン流束図 2 小型偏芯バレルの例表面層付近の被めっき物にはめっき析出内部の被めっき物は電子電導体の役目被めっき物挿入時回転時図 4 バレル内の被めっき物の集合体状態電流密度ほぼゼロの領域にいるこれを繰り返しながらめっき皮膜が積層されていく従って, 混合周期が品質特性やめっき膜厚のばらつきに大きな影響を与えるここで常に頭に置いておかなければならないことは, 各種バレルめっきに共通することであるがめっき開始時に各位置に分布している個々の被めっき物は通電の場に置かれた場合異なった電流密度領域から析出が開始されることである表面層に位置していた被めっき物は高電流密度領域から析図 3 バレルに挿入された被めっき物の分布状態出が開始され, また内部に位置していた被めっき物は極低電流密度領域から析出が開始され, バレル側壁部分に位置して [ 特徴 2] いた被めっき物は中程度の電流密度領域から析出が開始され各種バレルに投入された被めっき物は, 図 3に示すようにるさらに, ある時間経過してめっき終了時の取り出す前の表面層, 内部, バレル側壁部分 ( ただしバレル側壁に開孔部状態もころがり混合の均一化によってすべての被めっき物の分がある場合 ) とに分布し, 各種バレルの回転や振動などにめっき膜厚が例え同じであったとしても最終的に高電流密度よってその位置を繰り返し移動する表面層にある被めっき領域で終わったもの, 中および極低電流密度領域で終わった物が再度表面層に現れるまでの時間 ( 秒 ) を混合周期 (mixing ものなどというように初期析出特性も最終的な表面の析出特 cycle time) と呼ぶその状態の模式図を図 5に示す性も異なった被めっき物が混在していることを考慮しておか図 5に示すように表面層にある被めっき物には瞬時最大電なければならない流密度でめっき析出が起こり, 内部にある被めっき物は瞬時このように各位置によって被めっき物が瞬時に受ける電流 13

3 588 解説表面技術 J (A) の状態は1バレル当りの電流値が小さい場合の変動 (B) の状態は1バレル当りの電流値が大きい場合の変動混合周期 0 バレル回転 ( 回転数時間 ) めっきされない時間陰極給電部素材バレルめっきでは混合周期に応じてめっき皮膜が層状に積層されていくという特徴をもった析出状態になる図 5 バレルの回転に伴う被めっき物の位置と局部電流密度密度を瞬時電流密度と呼ぶ表面層にある被めっき物は微細な形状の被めっき物を電気めっき加工することができる瞬時最大電流密度でめっきされるのでその時限界電流密度領ことであるしかし, 図 6に示すように, 被めっき物の挿入域に達すればこげややけという異常析出を伴い, ま量が少ないこと, およびころがり混合があまりよくないことた臨界電流密度領域に達すれば外観的異常は観られないが水が欠点で, 特に表面層に現れた被めっき物でバレル入り口付素脆化による脆い析出を伴う恐れがあるまた, めっき近にいるものは, なかなか内部にもぐりこんでくれないため, 開始時から終了までに付加される平均的な電流密度を平均めっき厚のばらつきが大きく, 変動率 ( サンプル標準偏差 s 電流密度と呼び, 求めるめっき膜厚は平均電流密度とめっ / 膜厚平均値 ) で比較してみると, 水平回転バレル方式の通き時間から算出され, 瞬時最大電流密度領域と最低電流密度常変動率である 10 ~ 12% に対して 30% 以上という極めて領域からの析出状態が品質特性に影響を与えるということを大きな品質ばらつきになり, その結果, こげや膜厚過多理解しておく必要があるなど異常析出品の混入が多くなる従って, バレルめっきでは初期析出特性も最終表面析出特そこで, 傾斜バレル方式の工夫と改善について, 参考まで性も共に特性ばらつきとして要求品質を裏切らない範囲内でに次の改善策を示すの電流密度変動であるかどうかを後述する被覆力 ( 付きまわ図 6(b) に示すような市販のミニ傾斜バレルは, 微細部品り性 ) や均一電着性などの状態把握と改善に向けためっき浴の電気めっき用に多く用いられているめっきばらつきからの管理が重要で, 動的計測技術である電着試験方法とそれにみた水平回転バレル方式のよい点はフラットな底面に被めっ適した電着試験装置を用いたバレルめっき用浴組成の維持やき物が堆積してころがり混合していることであり, 横方向に改善は, 前述した管理力 ( ソフト面 ) として極めて重要である広がり表面層が大きくなりやすいことであるそこで, 図 6 [ 特徴 3] (a) に示すような傾斜バレルを設計してみるとよいその場合, 図 4に示したような一般的に使用されている水平回転バレ被めっき物が回転に伴ってこぼれないように, また挿入量をル方式で陽極が外部に位置している場合, バレル内の陰極部増加させられることも考慮するとよいにはバレル側壁の多数の孔を通して外部にある陽極との間でイオン流束 ( 単位は mol/cm sec) が生じているバレル内の陰極リード線めっき液組成はめっき析出速度と外部からの金属イオンを含むイオン流束とのバランスによって, バレル内のめっき液組成の変動に影響してくる通常は金属析出や水素ガス発生に伴って外部からバレル内に金属イオンや水素イオンなど各種イオンや化学物質が対 8cm 陽極流拡散泳動によりイオン流束としてバレル内に外部から (b) (a) 供給され濃度保持がなされているが, 例えばバレル側壁の多数ある孔を被めっき物の形状や大きさとの関係で極めて小さ陽極液面陰極い孔にしたり, バレル側壁の板厚を厚くすると流通を妨げてめっき液その結果, 電圧降下が生じたり, 陰極析出効率の低下が生じたりするので析出状態および品質特性への影響を考慮したバ極間 20cm レルめっき装置の選定と維持管理が重要になるまた, 最近使用頻度が多くなった傾斜バレル方式の特徴は, 図 6 市販ミニ傾斜バレルと槽内配置の概略図 14

Vol. 68, 11, 2017 バレルめっきとめっき装置 589 以上, バレルめっき特有の 3 つの特徴を十分理解した上で, めっき膜厚ばらつきを少なくしバレルめっきを成功させるための重要な 5 つのポイントを次に示し, それらについて解説する 1ころがり混合のランダム化と均一化を図る対策 [ 現場力 ( ハード面 )] 2 陰極給電部と被めっき物の通電を継続させる対策 [ 現場力 (

4 Vol. 68, 11, 2017 バレルめっきとめっき装置 589 以上, バレルめっき特有の 3 つの特徴を十分理解した上で, めっき膜厚ばらつきを少なくしバレルめっきを成功させるための重要な 5 つのポイントを次に示し, それらについて解説する 1ころがり混合のランダム化と均一化を図る対策 [ 現場力 ( ハード面 )] 2 陰極給電部と被めっき物の通電を継続させる対策 [ 現場力 ( ハード面 )] 3 1 バレル当りの適正な電流値を決める対策 [ 管理力 ( ソフト面 )] 4バレル内めっき液の濃度保持と安定化を図る対策 [ 現場力 ( ハード面 )] 5バレルめっきに適した浴組成にする対策 [ 管理力 ( ソフト面 )] 3. バレルめっきを成功させるための重要な 5 つのポイント 3.1 ころがり混合のランダム化と均一化を図る対策ころがり混合の均一化を優先に考え過ぎてバレルの回転速度を大きくした場合, 接触していた被めっき物同士が離れて浮遊し始め, 通電断続が発生してくるまた, 微小部品の中には極めて軽い部品や部分的に金属が露出しているチップ部品などのような形状的に相互間の通電を継続させることが難しい場合がある従って, ころがり混合のランダム化と均一化を図る場合には, 重要な 5 つのポイントで示した2の陰極給電部と被めっき物との通電を常に継続させる工夫と連動させて行なうことが現場力として必要になる一般的に, リード線タイプの水平回転バレルの場合, バレル容量に対する被めっき物の挿入量は,30 ~ 40% が最適と考えられるセンターバータイプの陰極給電部を持つバレルの場合は, 陰極給電部との接点を考えて 60% 程度の被めっき物を挿入しなければならないその場合は特殊で通電量を下げ, 長時間めっきになる条件で被めっき物のころがり混合状態を観察しなければならないまた, センターバータイプの場合は被めっき物の挿入量が約 60% くらい ( これ以上多くなるところがり混合しにくくなる ) なので, 陰極給電部分が露出しやすいそのため, 電流値が大きかったり, 陰極給電部が固定していて常に陰極給電部の上面部分が露出していると, その部分に粗雑なめっきが析出して障害のもとになるので, 求めた電流値より小さめに調整するか, あるいはセンターバーをバレルとともに回転させることができるように設備設計するとよいアクリル製の透明バレルでころがり状態を観察すると, リード線がかくはんの役割を果たし, ころがり混合効果を高めていることがわかるころがり混合はできるだけランダムに混ざり合い均等な混合周期で被めっき物が移動しながら通電されることが理想であるそのためにバレルの形状や回転方法を図 1や図 2に示すように被めっき物の形状や挿入量に応じて工夫していくことが現場力として必要になる以上のことを加味して, 水平回転バレルの場合, 適切な回転数を求める目安として, 次の式が経験的に当てはまるので, 参考に活用してもらいたいバレルの回転数 (rpm)= k/ D(m) k には, めっきの場合,4 ~ 8 位の数字を当てはめ, 回転数を求める k = 8 を代入した場合が最大の回転数になる D(m) はバレルの直径で, D で考え直径が大きくなると回転数が下げる方向にする例えば, 一般的な水平回転バレルで直径 D = 25 cm の場合で被めっき物が形状的に変形する可能性のある場合には,k = 4 として, 次のように式に当てはめ, 回転数の目安を求めるバレルの回転数 (rpm)= 4 / 0.25( m)= 4 /0.5=8 つまり適正な回転数の目安は 8 回転 / 分となる 3.2 陰極給電部と被めっき物の通電を継続させる対策バレルめっきにおける陰極給電部は, 堆積して流動している被めっき物に確実でしかも十分に給電していけるだけの陰極接点容量を持っている必要がある給電方式と給電部サイズの選択の良し悪しは, 作業能率や品質ばらつきの少ないめっき加工を行う上において重要なポイントになるエレクトロニクス分野の微小部品では, 通常給電方式として一般的なリード線タイプおよびその変形である図 7に示すような櫛型タイプが考案され実用化されているしかし, リード線タイプでは被めっき物の挿入量が少なすぎると堆積している部分から遊離してしまったり, 逆に挿入量が多すぎた状態でバレル回転させた場合にリード線の陰極部が持ち上げられてやはり遊離してしまったり, あるいはリード線のコーリード線タイプ品物の投入量 30% バレル陰極給電部表面層部分センターバータイプくし型接点タイプ品物の投入量 60% 図 7 陰極給電方式の例 15

5 590 解説表面技術ティング部分が破れて銅束線が露出し, 被めっき物にスパーク痕が発生するなどの不良品混入の障害を引き起こすことがある従ってバレルめっき作業において被めっき物の出し入れ時に陰極給電部の析出外観や析出状態の目視チェックによる異常有無の観察と適時交換が必須になる 3.3 バレル当りの適正な電流値を決める対策バレルに被めっき物を挿入してから,1 バレル当りに流す電流をどのように決めているかこのことは初めてトライする被めっき物の場合やバレルへの挿入量が変わった場合にいつも悩むことではないだろうかバレルめっきの場合はめっきされる被めっき物がバレル内に堆積しており, しかも被めっき物の形状により堆積の状態が変化する被めっき物の大きさが小さくなれば緻密に詰まっていき, 被めっき物同士の隙間はだんだんなくなり内部にめっき液がほとんど入り込まない状態となるその場合は特に表面層に露出した被めっき物しかめっきされないはずである逆に, 被めっき物の形状により隙間が多くなればめっき液も内部に入り込み, 表面に露出したものから内部に向ってめっきされるようになるしかし当然, 内部になるほど表面層に比べて単位時間内でのめっき膜厚は極めて薄くなるはずであるこのようにみてくると, ひっかけ治具方式の場合のように被めっき物全表面積にそのめっき液に適した適正電流密度を掛けて全電流値を決めることは, バレルめっきの場合には問題が生じることになるリード線タイプの陰極給電部とセンターバータイプの陰極給電部の場合を想定すると, 前述したように挿入量は約 2 倍位の違いになるこの場合, 被めっき物全表面積に対して電流値を決めるとセンターバータイプでは約 2 倍の電流を流さなければならないしかし,1 つの塊と判断すると, その表面層の部分は約 2 倍入れた場合でも差ほど大きくならないことは容易に想像できるであろう従って, 挿入した被めっき物全表面積に対応してひっかけ治具方式と同様に電流を設定してしまうと, 電流過大になって, コゲやヤケといった異常析出を招いてしまうことになるそこで,1 バレル当りの適正な電流値を決める対策として, いろいろデータ取りした結果, 現場的に考えて次の方法を紹介する 1 被めっき物をバレルに挿入した時にできる近似的な表面層の面積を図 8に示すように使用するバレルの各長さから算出するなお, バレルが回転した場合はこれより大きくなるが静止している時の近似的表面積でよいまた, バレル側壁の孔の開孔率も 100% でよいが, より精密に設定するならば開孔率を求めて調整する方がよい 2この近似的表面層の面積と各めっき液のひっかけ治具方式での適正電流密度から 1 バレル当りの電流値を次のように計算する 1バレル当りの電流値 I(A) = 近似的表面層の面積 (dm ) 適正電流密度 (A/dm ) ただし, リード線タイプの場合は被めっき物の挿入量が 20 ~ 40% であれば陰極給電部は通常露出せず潜り込んでいるため, この式で求めた電流値で問題ないが, センターバータイプの場合は品物の挿入量が約 50% 位 ( これ以上多くなるところがり混合しにくくなる ) なので陰極給電部が露出しやすいそのため, 電流値が過大だったり, 陰極給電部が固定していて常に陰極給電部の上面部分が露出していると, その部分に粗雑なめっきが析出して障害のもとになるので, この式で求めた電流値より小さめに調整するか, あるいはセンターバーをバレルと共に回転させることができるように設備設計するとよい 3 必要なめっき膜厚を得るためには挿入した品物全表面積でこの電流値を割り平均電流密度を求め, その値での析出効率を考慮してめっき時間を調節する 3.4 バレル内めっき液の濃度保持と安定化を図る対策一般的に用いられている陽極外部型の水平回転バレルめっき装置の場合, バレル側壁の孔やスリットを通して陰極と陽極間にイオン流束が生じているバレル内のめっき液も孔やスリットを通して外部のめっき 6.35cm 4.67cm 一般的なハルセル 10.3cm 電着試験で観察できること 1 電流密度分布と光沢範囲 2 電流密度分布と異常析出範囲 3 電流密度分布と析出粗さ 4 電流密度分布と均一電着性 5 電流密度分布と被覆力 6 電流密度分布と合金比率 7 電流密度分布と陰極電流効率 6.35cm 陽極板 4.67cm ロングハルセル 20.0cm 電着試験で特に観察できること 1 低電流密度領域の光沢範囲 2 低電流密度領域の平滑性 3 低電流密度領域の析出粗さ 4 低電流密度領域の被覆力 5 低電流密度領域の合金比率陽極板山本鍍金試験器製図 8 役に立つハルセルの種類と主な電着試験観察項目 16

6 Vol. 68, 11, 2017 バレルめっきとめっき装置 591 液と交流しているため, めっき析出速度と外部からの金属イオンの供給速度とのバランスによって, バレル内のめっき液組成特に金属イオン濃度の変動や水素イオン濃度の変動が問題になる場合がでてくる通常, バレル内での電析の方が, 外部からバレル内に金属イオンが対流拡散泳動に伴い供給されるより勝ってしまい, めっき時間と共にバレル内めっき液の金属イオン濃度が低下していく傾向にあると考えられている従って, それに伴う陰極電流効率の低下, 水素イオン濃度の変動 (ph の変動 ) など, 析出状態および品質特性への影響を考慮しなければならないバレルの孔径と間隔バレルに多くの孔をあけ, バレル側壁全体の表面積に対する開孔部の占める面積 ( 開孔率という ) を大きくするほど, めっき液の通りがよくなり, より低い電圧で, より大きな電流を得ることができるわけで, 電気めっきの場合たいへん重要なポイントになるつまり電圧降下を極力小さくすることを考える必要がある孔の形状としては, 通常, 丸孔が一般的であるが特殊なものとして, 楕円状, スリット状, 斜形状など, いろいろ工夫されている開孔率には単位面積当りの孔径と数が関係するが, めっき液の表面張力および回転運動中のバレルにおける内と外とのめっき液交流難易度 ( ガス抜け, 液の出入りなど ), さらに, バレル製作加工性およびバレル強度という点から, 孔径と数にはある限界があるプラスチック板に丸孔を加工する場合についてみてみると, 上記のことを考慮して, 最小孔径を 0.5 ~0.8 mm 位から, 被めっき物が孔から落下したり, 孔に刺さって固定されることのない最大限の孔径までが選択され使用されるそれより小さい孔径が必要な場合はサランメッシュ張りのバレルにして開孔率の最適化をはかることが望ましい孔径および孔の間隔は, 整列させて孔をあけるか, ちどり状に孔をあけるかで多少単位面積当りの開孔率が異なるが, 製作加工性を考慮して整列させて孔をあけた場合について考えてみるバレル強度および製作加工の面から孔径に対する孔の間隔は, 孔径 (mm) 間隔 (mm) の関係になると考えるこの関係から開孔率を求めると, 次のようなことがわかる 1 孔径 = 孔間隔の関係で孔をあけるのが最適であるから, 最大開孔率は 19.63% である 2 孔径が小さくなると, 孔の間隔がわずか広がっても開孔率の大きな低下につながってしまう傾向にある実際に使われているバレルの孔径と孔の間隔から開孔率を調査してみた結果, 使用されているバレルの開孔率がかなり低い状態であることがわかる特に孔径が 1 mmφ 以下になると, 小型バレルの場合でもバレル側壁部の実開孔率が 8 ~ 14%, 蓋部の実開孔率が 4 ~ 6% 位のバレルが使用されている比較として, スリット状の孔にした小型バレルでは, バレル側壁部の実開孔率が 20 ~ 22%, 蓋部の実開孔率が約 5 ~ 7% になっている以上のことを参考に, 孔径と孔の間隔には注意を払い出来るだけ効果的な開孔率の得られたバレルめっき装置にしたいものであるサランメッシュ張りのバレルの場合は既成のサランメッシュを使用するわけであるが, メッシュにこだわり過ぎてバレルで重要な開孔率を忘れてしまうことがある開孔率を考慮する場合はサランの線径とメッシュを選定しなければならないメッシュは,1 インチ (25.4 mm) の長さの中に何本の線が入り, 縦横が交差するかで表される例えば,120 メッシュの場合, 開孔径は 25.4 mm 120=0.2 mm に対して線径分を引かなければならない従って, もし線径 0.2 mmφ のサランを用いた 120 メッシュシートであれば, 開孔率 0% のサランメッシュ張りのバレルになってしまうそれに対して同じ 120 メッシュのサランでも線径 0.1 mmφ であれば開孔率 23% のサランメッシュ張りのバレルになるこれは重要なことであり, サランメッシュ張りのバレルを使用するバレルめっき装置の勘どころの一つであるバレル側壁板の板厚バレル側壁板の板厚は, バレルの大きさ, 容積に見合った被めっき物の挿入量に耐えられる強度を考えて経験的に求められたものであるが, これはバレル側壁板の材質に左右されるものであり, 出来るだけ板厚が薄く耐久性のあるものを求める方がよいその理由は, 電圧降下への影響およびめっき液の流通に対する影響で, 板厚が厚いほどめっき液の流通が悪くなり, またその電圧降下は, 同一のめっき液の場合バレル側壁の開孔率とバレル側壁板の板厚との間で, 次の関係があるとされている電圧降下板厚 (mm)/ 開孔率 (%) バレル内外でのめっき液の流通は, 孔径が小さくなるとバレル側壁板の板厚が大きく影響し, 回転速度に伴う遮断妨害作用と板厚に伴うトンネル妨害作用が重なって悪影響が拡大されるバレル内に強制的にめっき液を送り込むめっき装置微小部品のバレルめっきに際して, めっき処理中にバレル内のめっき液の金属イオン濃度低下や液温低下を防止する目的で考案され, 特許出願 ( 特開平 ) されているバレルめっき装置がある本発明は, 特に極めて微小な部品を扱うバレルめっき装置に関するもので, 従来の水平回転バレルめっき装置では,1 回のめっき処理をバレル内に入れためっき液の金属分だけを消費して完結させる状況が起こり得るそのため, バレル内のめっき液の金属イオン濃度が次第に低下すると共に陰極電流効率が低下し, めっき析出異常を起こす恐れがでてくるそれを防止するため, 外部に取り付けためっき液循環ポンプで強制的にバレル内に連続的に外部のめっき液を送り込む装置を取り付けたものであるその他に実施されている方法として, バレルを液面から一部露出させた状態で水平回転させると共にゆっくりと上下移動させてポンピング効果を高め, バレル内のめっき液の交換を促進させるめっき装置や図 2に示した偏芯バレルの場合のようにバレルの一部が液面から露出したり全没したりを繰り返し, ポンピング効果を持たせた装置もあるそれに対して 17

592 解説表面技術全没した状態で上下あるいは左右に移動させるバレルめっき 1 化学分析では求めにくい成分による電着外観への影響度装置の場合は, バレルの孔径が大きめで開孔率がよい場合に合いはめっき液の出入りが可能であるが, 孔径が小さい場合はバ 2 微量含まれても電着に影響を与える成分による電着外観レル内外のめっき液の移動が皆無に等しくなり, あまり効果への影響度合い

7 592 解説表面技術全没した状態で上下あるいは左右に移動させるバレルめっき 1 化学分析では求めにくい成分による電着外観への影響度装置の場合は, バレルの孔径が大きめで開孔率がよい場合に合いはめっき液の出入りが可能であるが, 孔径が小さい場合はバ 2 微量含まれても電着に影響を与える成分による電着外観レル内外のめっき液の移動が皆無に等しくなり, あまり効果への影響度合いは期待できない 3めっき液組成のバランスと電着外観への影響度合い 3.5 バレルめっきに適した浴組成にする対策 4 光沢剤や有機添加剤の電着外観への影響度合い最後に, バレルめっき装置に直接関係するものではないが, 5めっき液の被覆力 ( 付きまわり性,Covering power) 状態重要なポイントなので考察する特にバレルめっき用に適しとその変化た液組成にするための要点をあげると次のようになるこれらの影響度合いについて, 影響を与える特定因子の濃 1 浴電圧, 浴温度の上昇を防ぐため, 電気伝導性のよい液度水準を少なくとも 3 水準程度変化させてロングハルセルににするよる電着試験で比較観察することが重要な手法になる 2 低電流密度側でのつきまわり, つまり, 被覆力のよい液また, 電気めっき加工では, 陰極電流密度の高い部分にはにする膜厚の厚いめっき皮膜が析出し, 陰極電流密度の低い部分に 3 高電流密度側でコゲなど異常析出の起こりにくい, つまは, 薄い膜厚のめっき皮膜が析出することはファラディの法り, 均一電着性のよい液にする則からも理解できるしかし, 実際には各電流密度における 4バレルの回転に伴い, 被めっき物が内部に潜り込み電流陰極電流効率の変化や一次電流密度分布支配から二次電流密密度がほとんどゼロになる領域に入っても素地やめっき度分布支配への変換などの影響を受けて析出状態が変化する皮膜を侵食しないような液にする広い電流密度範囲でめっき膜厚にあまり差のない均一な以上のポイントを考慮しながら, バレルめっきに適した液めっきができれば, 被めっき物の形状による影響が緩和でき, 組成,pH, 液粘性, 液温等を含むバレルめっき用の液組成かつ, 耐食性など品質ばらつきの少ないめっき加工ができるや管理条件を作り上げることは, バレルめっき装置をより効はずであるこのようなめっき液の能力を均一電着性果的に活用でき, さらにバレルめっき技術をレベルアップす (Throwing Power) が良いめっき液と表現するる上で根幹を成すものである均一電着性は, めっき液の組成, 添加剤, 温度, かくはんバレルめっき用に適した液組成を求めるために役立つ電着などによって影響を受けるめっき液の重要な能力 ( 特性 ) の 1 試験装置としては, 極低電流密度領域での被覆力 ( 付きまわつであるこの均一電着性を評価する測定方法には, ハルセり性 )(Covering Power) の状態を把握でき, めっき液組成のルを応用したり, 屈曲パネルを応用したりといろいろな方法改善や添加剤の見直しによる被覆力の改善や維持管理のためが考えられるが, 最も適しているのは, 図 9に示すような市に電着試験を行うロングハルセル試験装置の活用が必須にな販の改良型ハーリングセル電着試験装置を用いる方法であるるさらに, バレルめっきにおける,1 バレルを 1 ロットと均一電着性に二次電流密度分布および陰極電流効率 ( 陰極するロット内膜厚ばらつきの改善および個々の被めっき物の析出効率 ) がどの程度関与しているかをめっき皮膜物性の面形状に対するめっき膜厚の均一化改善など, 主成分や添加剤から知りたいが従来のハーリングセル市販装置のままでは観の 2 次電流分布効果を把握できるようなめっき液組成の改善察できないそこで, 図 10 に示すように, 抵抗負荷の無視に伴う均一電着性 (Throwing Power) を評価できる改良されたできる電流計があれば両配線側にセットして電流配分比を計ハーリングセル電着試験装置の活用は効果的な改善に役立つ測できるようにすると二次電流密度分布の観測ができ, また電着試験で使用するハルセルは, 図 8に示す世界的に共通両陰極側の析出量からそれぞれの二次電流密度における陰極する通常のハルセルとロングハルセルと呼ばれるものが現在析出効率が把握できるという観測は意味がある市販されている 1 枚のハルセル板に連続して変化する広い以上述べた電着試験装置は, バレルめっきに適しためっき範囲での電流密度による析出状態を実現し, それぞれのハル液組成の開発や改良に役立つ試験装置として今後の要求品質セルによって図 8に示すような観察が可能になるの高度化に対する実用電着試験装置として不可欠であり, そバレルめっきに使用している各種めっき液を用いて実際にの役割は大きい電着試験を行なうと陰極側のハルセル板表面に分極現象が生じて電流分布が乱れ新たな二次電流密度分布ができる二次電流密度分布を決定させる電気化学的な特性は, 陰極における分極とめっき液の電気伝導度により決まり, めっき液の種類, 添加成分の種類と量,pH などにより二次電流密度分布は変化するさらに陰極電流効率が電流密度により変化するときは, ロングハルセル板からめっき析出の膜厚分布を調べる場合は, 二次電流密度分布を陰極電流効率で補正してあげなければならない現実的にはかなり厄介な作業になるそこで, ロングハルセルによる電着試験では膜厚分布よりも析出外観の状態観察から次に示す影響の程度を観察する方がより適切にその役割を果たすものと考える図 9 改良型ハーリングセルによる均一電着性試験装置 18

8 Vol. 68, 11, 2017 バレルめっきとめっき装置 593 整流器 ( 定電流方式 ) バレル電圧計全電流計電源 - A 側の精密電流計 B 側の精密電流計バレル - 電流 i A 陰極陽極電流 i B 陰極電源イオンイオン流束 A 流束 B 析出重量 ;A 析出重量 ;B a b 距離距離図 11 1 電源方式の直列多連バレルめっき装置の例図 10 改良型ハーリングセルによる均一電着性試験装置模式図 4. バレルめっきに適しためっき装置バレル電源電源電源電源バレル方式による電気めっき加工を行うための主設備の形態は, 手動, 半自動, 全自動で行なう設備というように各種考えられるが, 最も考慮すべきことはバレルめっき特有の通電断続や通電ばらつきの発生をいかに発見しやすくしコントロールしやすくするかで高度な品質要求に適合させられるかが最も重要な選択肢になるバレルめっきではバレル内の被めっき物にどのような状態でめっきが施されているかの経過観察を行うことがバレルの外からでは困難であるため, バレルごとにどのような通電状況にあるのかを適時把握できるようにしなければならないそのためにはどのようなめっき装置にすべきかを考える必要がある通常, めっき装置を考案するとき設備コストの面から図 11 に示すように,1 台の整流器を用いて複数のバレルを配置した, いわゆる直列多連のバレルラインを多く見かけるこの場合, 通電状態にあるめっき槽の中で 1 バレルだけ通電断続が起こったとするそのときバレルの中では被めっき物全体が一つの塊状態となり陽極に近い部分が陰極化し, 反対側の部分が陽極化するいわゆるバイポーラ現象が発生するその双極部分がバレル回転移動に伴って変化するため, 結局全体が一様に陽極化と陰極化を繰り返し, もし再度通電復帰した場合めっき外観からの良否判定がしにくいそれを回避するためには直列多連のバレルめっき装置ではなく, 図 12 に示すような 1 電源 1 バレル方式の並列多連のバレルめっき装置にする方がよいこれによってバレルごとに通電状態をコントロールすることができ, 無通電源電源電源電源バレル図 12 1 電源 1 バレル方式の並列多連バレルめっき装置の例電状態を早期発見できるばかりでなく, 品質ばらつきの制御ができ, かつ要求品質のレベル向上に追随することができる 5. まとめ本稿では, バレルめっきの特徴からバレルめっきを成功させるための重要な 5 つのポイントを取り上げ, バレル本体の形状, 孔径と孔間隔, 陰極給電部, バレル回転方法など設備面の設計およびバレルめっき用液組成の管理や見直しのための電着試験装置についてまとめてみたまた, 電源を含む実量産ラインのバレルめっき装置における注意点についてもまとめてみた今後のバレルめっき加工生産およびバレルめっき装置導入において参考になれば幸いである ( Received August 16, 2017) 19

無電解析出

無電解析出無電解めっきの析出機構無電解めっきは広い意味では外部電源を用いずに金属めっき膜を成膜する技術と定義される大別すると 1 素地金属の溶解に伴って遊離する電子によって溶液中の金属イオンが還元されて電極上に析出する置換めっき 2 不均化反応に基づく金属析出 3 溶液中に含まれる還元剤が電極上で酸化される際に遊離する電子によって溶液中の金属イオンが金属皮膜として析出する自己触媒的な無電解めっきがある