JPH0475764A - 静磁場を用いた複層金属材料の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、組成が二層以上にわたって層状に変化する金
属材料を製造するだめの方法に関する。

従来の技術 組成が層状に分布する複層金属材料の製造は、成分の異
なる板を溶接や１８着により接合する方法、肉盛りや溶
射による方法等で行われている、これらの方法は工程が
複雑であるｔ−め生産性が悪く、製造コストが高いのが
欠点である。また、これらの方法では、接合面ば現れる
内部欠陥を木質的になくすことが困難である。さらにこ
れらの方法では、多層にわたり成分の異なる鋳片の製造
も困難である。

発明が解決しようとするｆｆ１題 上記の従来技術の問題を解決するため、目的とする成分
を溶融状態で鋳型内に分布させ、静磁場を印加する事に
より、その分布状態を保ったまま凝固させることが本発
明である。

ただし、溶融金属は動粘性が低い流体であるため、僅か
の温度差が内部に生ずるだけで対流が起こりその対流は
乱流となる。

従って、鋳型へ添加物を注入することにより複層鋳片の
製造を試みても、添加した物質は凝固する前に乱流拡散
によりあらゆる方向に輸送され、当初の目的を達成でき
ない。

高精度の湿度制御を行うことにより３溶液中の温度勾配
を微小に保てば乱流は抑制されるが、この状態では輸送
は分子拡散のみとなるため、添加物は挿入した場所から
輸送されず、鋳片中に成分の異なる層を形成できない。

注入する添加物を指定された方向にのみ分散させること
が、複層鋳片を製造する場合の課題となる。

課題を解決するための手段 溶融金属は、電黛伝導性を持つ流体であるため、磁場中
で運動すると内部に誘導電流を生じ、この電流と印加さ
れている磁場によりローレンツ力を受ける。この力は流
動を抑制するように働く、シかし、磁場の効果は強い方
向性奢もっため、その抑制効果は方向により著しい差が
でる。

発明者は、磁場を印加の下で熱対流を起こしている溶融
金属中の物質輸送１１：調べたところ、磁場の印加力向
および強度により流体内部での物質輸送を制御すること
が可能であることをつきとめ、本発明に至った。

すなわち、本発明は、レイリー数Ｒａが１０４以上の熱
対流を起こしている溶融金属に、ハートマン数ＭがＭ２
ンＲａどなるように静磁場を印加Ｌ７た状態で成分の異
なる、純金属、合金、半導体またはセラミックス等の粉
末や融液を添加物として注入し、磁場効果によりその添
加物が磁場と直交する面内のみに輸送されることを利用
した、磁場と平行面内に組成が二層以上にわたって異な
る鋳片を製造することを特徴とする複層金属鋳片の製造
法である。

ここで溶融金属とは、溶融状態で電気伝導度がｌＸｌ０
’　　（１／Ωｍ）からｌＸＩＯ３（１／Ωｍ）の範囲
にある物質で、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体等の融液も含
める。

作用 本発明は次の原理に基づく。

１　磁場方向に対流する流れは完全に抑制され、注入さ
れた物質は磁場方向には流れにより輸送されない。

２　磁場方向と直交する流れは抑制されず、注入された
物質は磁場と直交する方向には、対流により効率よ〈輸
送される。

以上の原理により、添加物注入により複層鋳片を製造す
る場合の課題であった、注入する添加物を指定する方向
にのみ分散させることが、鋳型外部からな静磁場を印加
することにより可能となる。

上記の効果を起こすには、以下に示す条件を満たす必要
がある。

１　磁場の方向 磁場は静磁場で、電磁石、永久磁石等により発生させ、
添加物を分散させる方向と直交する方向にかける。

２　対流の強さと磁場強度の関係 母材となる溶融金属を満たす容器の大きさ、印加する磁
場の強さ、鋳型内に生ずる温度勾配、母材となる溶融金
属の凝固開始時点での物性値、すなわち温度伝導度、体
積膨張係数、電気伝導度、動粘性係数、を考慮した上で
、以下に示される範囲である必要がある。

１０’　＜　Ｒａ　＜Ｍ２（１） ここで、Ｍはハートマン数、Ｒａはレーリー数で以下の
ように定義される。

Ｒａ＝　　　αｇＬ’、ｈｔ　　　　（３）Ｋν Δｔ　溶融金属の凝固点と融液中の温度差ｇｔ力加速度 α　　溶融金属の体積膨張率 ρ　　溶融金属の密度 ν　　溶融金属の動粘性係数 σ　　溶融金属の電気伝導度 Ｋ　　溶融金属の温度伝導度 Ｌ　　容器の深さ Ｂ　　印加する磁場強度 ３　　添加物の条件 本発明の原理は、流れによる分散と分子拡散の効率の差
を利用するものである。従って、添加物として粒子を母
材中に混合させる場合は添加物の種類に制限はない、一
方１元元素性を母材中に分散させるためには、添加物の
分子拡散による輸送が流れによる輸送に比べ十分小さい
必要があり、次の制限がある、 Ｄ＜ＵｄＸＩＯ−２（４） ｄ　生成する層の厚さ Ｄ　添加物の拡散係数 Ｕ　　熱対流の速度、これは次の式で見積もられる。

Ｕ　り〉ン５−コ＞Ｋ／Ｌ　　　　　　　　　　　　　
（５）実施例１ 第１図に、本発明による例どして、アルミニウム中にＳ
ｉＣ粒子を分散させた三つの層を含む金属複合鋳片の製
造装置の断面図を示す。

同図に於て、　　１１よ、耐火物でできた凝固容器であ
る、容器の内径は深さＲｏｃｍ、高さＲｏｅ贈、輻１０
ｃｍである。５は誘導加熱コイルで、溶融金属の温度を
制御する。６は冷却装置で、容器の底部にかも素材溶液
を冷却するよう冷却水が内部を循環する。

この容器１内には母材となるアルミニウムが満たされる
＃容器」二面にはノズル３が３カ所に設置され、これよ
りＳｉＣ粉末が投入される。容器全体は、極を対抗ざぜ
て配ｔＬ７た磁石４、によって作られる強度０．２テス
ラの水Ｖ磁場内に、設置される。

鋳造の手順は次のように行う。

１　鋳型１内に角材とｌＪ：、るアルミニウムを汗湯す
る。

アルミニウムは誘導加熱コイル５により保温され、凝固
温度との温度差が式（１）を満たすように保たれる。

２３カ所のノズル３よりＳｉＣを分散さぜた層を生成す
るため、ＳｉＣ粉末をメタルブール内に注入する。

３　注入後、誘導加熱を終了し、凝固を開始Ｉ７、凝固
完了までそのまま放置する。

１から３の間、磁場は強さを保ったまま印加１．続ける
。

得られる鋳Ｊ４でのＳｉＣ粒子の分布は、第２図に示す
ように印加した磁場と直交した層状になるや 発明の効果 未発明の製造方法により、従来の方法で得ることが困難
であった二層以上にわたり組成の異なる金属材料を、接
合面における欠陥なく効率よく作製できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を示す模式図である。 第２図は、本発明によって製造された鋳片を示す説明図
である、 １・・・鋳型、２・・・溶融金属、３・・・ノズル、４
・−一磁石、５　ｔｔ　ａ　＠誘導コイル、６φ・・冷
却装置、１１・・・母材部層、１２・・・添加物が分散
した層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レイリー数Ｒａが１０＾４以上の熱対流を起こしている
   溶融金属に、ハートマン数ＭがＭ＾２＞Ｒａとなるよう
   に静磁場を印加した状態で成分の異なる添加物を注入し
   、磁場効果によりその添加物が磁場と直交する面内のみ
   に輸送されることを利用した、磁場と平行面内に組成が
   二層以上にわたって異なる鋳片を製造することを特徴と
   する複層金属鋳片の製造法。