JPH0620612B2 - 急冷金属の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は回転ロール上に複数本の小径ノズルを用いて溶
融金属を噴射して急冷する凝固材（リボン、テープ、フ
レーク等）の製造方法の改良に関するものである。

（従来技術とその問題点） 溶融金属を急冷凝固し、得られた急冷材を固化成形して
種々の製品を製造する方法は、従来の溶解鋳造法（以下
Ｉ／Ｍ法と略記）に比べ、（１）合金元素の種類及び添
加量を大幅に増大することができ、（２）結晶粒の微細
化及び第二相粒子の微細分散等が促進される。このた
め、従来のＩ／Ｍ法では得ることのできない新合金の開
発が期待できるため、最近特に注目を集めている。

ところで、この種の急冷凝固技術を促進させていくうえ
で特に重要なことは、原料となる急冷凝固材を如何に効
率良く大量に且つ安定して製造するかということであ
り、こうした要請に答えるべく種々の方法及び装置が提
案されている。

現在比較的汎用されているのは、単ロール法、双ロール
法であり、特に単ロール法は設備的にも比較的単純であ
るため、最もよく利用されている。

本法の原理、使用方法の概略を簡単に説明すると、第５
図に示すように、まず、誘導加熱コイルあるいは加熱ヒ
ーター等の加熱装置５を有する密閉型るつぼ４内で溶解
された金属溶湯１は、ガス導入管（通常Ａｒ，Ｎ₂等の
不活性ガスを使用）３により導入された不活性ガスによ
り加圧され、小径のノズル２（通常０．２〜１．０mm
φ）を通って噴射され、金属溶湯ジェット６が形成され
る。金属溶湯ジェット（以下ジェット）６は、ノズル２
の直下に配置された回転ロール７の面上で薄帯状に引き
伸ばされると同時に、ロールからの急激な奪熱効果によ
り急冷凝固されてリボンＲを形成した後、回収容器ある
いは巻取装置等へ送られ回収される（一般に、メルトス
ピニング（Melt Spinning）法と呼ばれている）。

かかる単ロール法においては、メルトスピニング方式を
採用して、均質な連続リボンを製造するためには如何に
安定したジェットを形成させるかが重要因子の一つであ
り、そのためにはノズル／ロール間距離（ｌ）を極力小
さくして操業するのが普通である。

また、生産性を上げるため、第８図に示す如く、ノズル
を複数化して同時に多数のリボンＲを得ることも行なわ
れる。

しかしながら、この種のノズル径は０．２〜１．０mmφ
といった小径のため非常に閉塞し易いものであり、溶湯
中に含有された介在物（酸化物、耐火材、酸化膜等）に
より、比較的頻繁に閉塞してしまう。閉塞の原因として
は、以上以外に、噴射開始前るつぼ内で溶解・保持中に
ノズルを通じて流れ込む大気等によるノズル近傍の溶湯
の酸化等がある。そのため、装置全体を囲むチャンバー
内およびるつぼ内をノズルの閉塞を防止するために不活
性ガス雰囲気としているが、金属を急冷する場合、合金
化のための添加元素の融点の関係で溶湯温度をかなり高
く上げる場合があり、非反応性黒鉛るつぼを使用してい
るにも拘わらず、るつぼとの反応物が生じたり、前記不
活性ガス雰囲気でも酸化物が生じたりする場合が多々あ
り、ノズルの閉塞は避け難い。

こうした原因により１つのノズルに閉塞（ノズルの一部
もしくは全部）が生じた場合、噴射されるジェットは不
安定となり、例えば、流速の変動、流径の縮小、
噴射角度の変動（第６図（ａ））、ジェットが形成さ
れず滴下状態となる（第６図（ｂ））、完全閉塞によ
る噴射不能といった現象が起こる。その結果、〜の
軽微な場合には初期目的と異なる品質のリボンが出来た
り、〜の重度の場合、あるいはの場合にはリボン
が形成されなくなるばかりか、第７図に示す如くロール
面上で不安定ジェット又は滴下溶滴がはじき飛ばされ小
滴となって飛散することになる。このようなジェットの
不安定化あるいは滴下の現象は、ノズル数が１個の場合
でも当然起るが、複数個の場合でもその内の不特定数に
起るものである。従って、第８図の場合のように複数ノ
ズルを採用した時、その内の不特定数のノズルにおいて
ジェットの不安定化が起り、上述の小滴が飛散すると、
これら飛散小滴は隣接の健全なリボンに一部が付着した
り、また一部は回収容器または巻取装置に混入すること
になる。このような飛散小滴はロール面上で急冷凝固し
たものではなく、ロール面上での反射後の飛行中に周囲
の雰囲気ガスにより奪熱凝固するため、冷却速度が非常
に遅いものである（以下徐冷粉という）。徐冷粉が付
着、混入したリボンはその後の固化成形材中で組織的不
均一の原因となるため、特性劣化を引き起こし、良好な
最終製品が得られなくなる。

特に、多穴ノズルで連続リボンを生産する場合、複数個
のノズルの１個でも前述の様な閉塞が起こり、ジェット
が不安定化する（第８図）と、残りの正常なノズルから
製造されるリボンまでも品質が劣化してしまう。そのた
め、これまではそのチャージで得られた製品を全量廃却
するか、または閉塞（もしくはジェットの不安定）が発
見された場合は直ちに操業を停止する等の対策を取って
おり、歩留まりすなわち生産性低下の大きな原因であっ
た。この様な生産性の低下はＡｌ、Ｍｇ等酸化性の著し
い活性金属で特に著しかった。

（発明が解決しようとする課題） そこで、生産性低下を防ぐためには、ジェットの不安定
となった閉塞ノズルを閉じる必要があるが、溶湯ノズル
の開閉にスライドノズルあるいは浸漬式のストッパー等
を適用した場合、前者はノズル／ロール間の小間隙（通
常１０mm以下）に駆動するノズルを取り付けざるを得
ず、技術的に不可能と言えないまでも高度なストッパー
加工技術とその駆動技術が必要となり、設備費の高騰を
招くことになる。特に近年、品質向上の要求からリボン
の酸化を抑えるため、気密性チャンバー内の不活性ガス
雰囲気中でリボンの製造を行う必要が生じており、この
場合、気密性チャンバー内に上記の駆動ストッパーを設
け且つその制御を行うことは益々困難となり、また高価
な設備が必要となることは言うまでもない。また、生産
性をさらに向上させるため、１０穴、２０穴といった多
数のノズルに各々独立して駆動ストッパーを取り付ける
ことも設備の高騰を招くことは明らかである。

後者の場合についても同様、多数の上下駆動式ストッパ
ーを各ノズルに独立して配設することは設備の複雑性、
高価格を招くことになる。

また、前者、後者いずれの場合にも操業終了後ストッパ
ーの交換等、メンテナンス上の煩わしさによる生産性の
低下も否めない。

さらに、両者いずれの方式でも、数十穴といった非常に
多数のノズルで生産性を上げようとした場合、ストッパ
ーを配設する関係上、ノズル間隙を１０mm、２０mmと広
くせざるを得ず、そのためのるつぼ、溶解炉等の大型化
を招くといった不利益も発生する。

本発明は、メルトスピニング法等で、るつぼ内金属溶湯
を複数の小径ノズルから溶湯ジェットとして噴射し、該
ノズル直下に配置された回転ロール上で急冷凝固させて
リボン、テープ、フレーク等の凝固材を製造するにあた
り、複数のノズルの内の不特定数のノズル閉塞から起こ
るジェットの不安定に起因した不良リボンの発生を、極
めて簡単に且つ低価格の設備で防止することにより、生
産性・歩留りに優れた技術を提供することを目的とす
る。

（課題を解決するための手段） 本発明は、るつぼ内金属溶湯を複数の小径ノズルから溶
湯ジェットとして噴射し、該ノズル直下に配置された回
転ロール上で急冷凝固させてリボン、テープ、フレーク
等の凝固材を製造するにあたって、複数のノズルの内の
不特定数のノズルにおいて発生する金属溶湯ジェットの
不安定化または液滴化という不具合を検出し、各ノズル
に対応して設けられた複数本のガス噴射管を選択的に作
動させて上記ノズルと回転ロール間に凝固材飛行方向と
反対方向にガスを噴射して、上記ノズルより噴射される
不安定溶湯ジェットあるいは溶滴を急冷凝固材の飛行方
向とは反対方向に吹き飛ばして除外し、正常な凝固材と
別々になるようにすると、ノズル閉塞から起こるジェッ
トの不安定に起因した徐冷粉の付着，混入した不良リボ
ンの発生を、極めて簡単に且つ低価格の設備で防止する
ことができることを見出し、完成したものである。

以下、本発明を添付図面に示す具体例に基づき、詳細に
説明する。

（実施例） 第１図，第２図は本発明を実施するための装置の概略立
面図であり、第５図に示す従来の単ロール法と同様、加
熱装置５を有する密閉型るつぼ４内で溶解された金属溶
湯１は、ガス導入管（通常Ａｒ，Ｎ₂等の不活性ガスを
使用）３により導入された不活性ガスにより加圧され、
複数の小径ノズル２（通常０．２〜１．０mmφ）を通っ
て噴射され、図示は省略されているが、第５図と同様に
して形成される金属溶湯ジェット（以下ジェット）は、
ノズル２の直下に配置された回転ロール７の面上で薄帯
状に引き伸ばされると同時に、ロールからの急激な奪熱
効果により急冷凝固された後、回収容器（図示略）ある
いは巻取装置（図示略）へ送られ回収されるようになっ
ている。但し、第１図は複数ノズル採用の場合の例であ
るが、視野の関係上、ノズル２は１個しか見えない。

本発明においては、第１図および第２図に示すように、
上記各ノズル２，…と回転ロール７間に、第１図に図示
されたリボン飛行方向に平行に、即ちロール回転軸方向
に垂直に、且つ噴射口がリボン飛行方向と反対方向とな
るように小径のガス噴射管８，…を配置する一方、該ガ
ス噴射管８に対向して吹き飛ばされた飛沫を受け、収納
する容器９を設ける。

上記噴射管８の管径は、操業時に設定するノズル／ロー
ル間距離ｌより小さくすることはもちろんであるが、対
象とするノズルから正常にリボンが形成されている間
は、リボンの飛行を妨げない範囲でその管径を選べば良
い。

また、その取付位置に関しては、上記リボンの飛行の障
害とならぬ様、極力ノズル２側に取付けるのがよく、要
は障害とならぬ範囲でノズル／ロール間に配設すれば良
い。更に、噴射管８の先端位置、噴射圧について説明す
ると、まず、先端位置は不安定ジェット又は滴下溶滴を
効率良く、且つ確実に吹き飛ばすために、極力ノズル２
に近接させる方が好ましいが、管径、装置の構造、取付
方法、操業のためのノズルの監視等の制約から一定の距
離を確保する必要が生じた場合には、該噴射管からの噴
射ガスが、隣接ノズルのジェットに作用してジェットの
安定性を乱さない範囲まで後退させれば良い。また、噴
射管８に導入するガスの圧力は、不安定ジェット又は滴
下溶滴を確実にリボン飛行方向と反対側に吹き飛ばすた
めには大きくする方が有利であるが、大きくし過ぎると
導入ガスの浪費、隣接ジェットへの悪影響、チャンバー
内での無用なガス対流による吹き飛ばされた微粉のリボ
ンへの混入等が起こるため、収納容器９に確実に送り込
める程度の圧力を選定すれば良い。しかし、圧力過小の
場合は、吹き飛ばしが不十分となり、ジェット又は滴下
溶滴の一部又は全部がロール面上に落下し、前述の不具
合を発生するので、注意を要する。

他方、金属溶湯ジェットが不安定化（第６図（ａ）に示
す、噴射角度の変動）または液滴化（第６図（ｂ））と
なった状態を検出するために、ガス噴射管８側に光電ス
イッチ用投光器１０を配置する一方、収納容器９側には
光電スイッチ用受光器１２を対向配置する。金属溶湯ジ
ェットが液滴となると、かかる状態は光量変化となって
検出され、制御機器１３を介してガス噴射管８に設けら
れた電磁バルブ１４を解放してガス噴射管８から不活性
ガスを噴射し、液滴を容器９内に吹きとばして収納する
ようになっている。図面では、投光器および受光器の冷
却および飛沫粉の付着を避けるため、投光器１０はガス
噴射管内に内蔵され、受光器１２前面には不活性ガスを
供給する配管１５が施されている。なお、１１は投光用
電源である。

上記光電検出に代え、第３図（ａ）および（ｂ）に示す
ように、赤外線撮像装置２０を使用してもよい。この場
合は、カメラ部をロール前上方に配置し、複数本のリボ
ン温度を常時測定するようにすると、液滴発生時（第３
図（ｂ））にはロール表面温度（通常、水冷効果により
２００〜２５０℃に低下）が測定される結果、飛行リボ
ンの表面温度（通常３００〜５００℃）を測定する場合
（第３図（ａ））に比し低温となるので、画像解析によ
り液滴発生時を検出することができる。

なお、装置構造は金属の種類、操業条件（ノズル径、ノ
ズル／ロール間距離、隣接ノズル間距離等）に応じて適
宜決定すれば良い。

以上は単ロール法の場合について本発明を説明したもの
であるが、双ロール法においても、ノズルをロール上面
より上側に配置して実施する場合、第４図に示すように
して適用可能である。同一部材には同一番号を付し、説
明を省略する。

（製造例） Ａｌ−８％Ｆｅ−８％（Ｌａ、Ｃｅ）合金を使用し、本
発明方法でリボンを製造する一方、本発明を適用しない
場合とで、リボンの製造状況、リボンの品質を比較調査
した結果は、以下に示す表の通りであった。

尚、本調査実施に当たって主要条件は以下の通りであ
る。

（ａ）リボン製造条件：溶解量＝３kg ノズル径＝０．５mmφ ノズル数、ノズル間隔＝前記表 ロール径＝３００mmφ ロール回転数＝2500rpm ノズル／ロール間距離＝７mm （ｂ）本発明実施条件：ガス噴射径＝３mm ガス噴射管先端部位置＝ノズル中心より２mm 噴射圧＝２．０kg/mm² 噴射ガス＝Ａｒ （発明の作用効果） 以上の説明で明らかなように、本発明によれば、ノズル
閉塞から起こる不安定ジェットあるいは滴下溶滴をリボ
ン飛行方向と反対方向に吹き飛ばし、良質リボン中への
劣質リボンあるいは徐冷粉の混入を極めて簡単な設備で
防止できる様にしたので、従来全量廃却あるいは操業中
止をせざるを得なかった場合でも、そのまま操業を継続
でき、且つ良質のリボンのみを回収できるようにしたの
で、急冷凝固リボンの品質ならびに生産性を著しく高め
得ることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための装置の概略を示す
立面図、第２図は第１図のII−II線方向矢印方向にみた
立面図、第３図は赤外線撮像装置にて液滴発生状態を検
出する場合の作動説明図、第４図は双ロール法に本発明
を適用した場合の装置の概要を示す立面図、第５図は従
来の単ロール法の装置構成を示す立面図、第６図（ａ）
及び（ｂ）はそれぞれ金属溶湯ジェットの噴射角変動状
態および液滴下現象を示す各説明図、第７図は液滴化に
よる飛沫形成状態を示す説明図、第８図は飛沫（徐冷
粉）形成によって隣接リボンが劣化される現象を示す説
明図である。 １……金属溶湯、２……小径ノズル、 ４……密閉るつぼ、６……金属溶湯ジェット、 ７……回転ロール、８……ガス噴射管、 １０……投光器、１２……受光器、 ２０……赤外線撮像装置、 Ｒ……リボン、Ｌ……飛沫。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川端 邦男 兵庫県神戸市垂水区神陵台３丁目２番２− 406 (72)発明者 安堂 優一 兵庫県西宮市枝川町14番87−502

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】るつぼ内金属溶湯を複数本の小径ノズルか
   ら溶湯ジェットとして噴射し、該ノズル直下に配置され
   た回転ロール上で急冷凝固させてリボン、テープ、フレ
   ーク等の凝固材を製造するにあたり、 上記複数本のノズルより噴射される金属溶湯ジェットの
   いずれかが不安定化または液滴化した場合、これを検出
   し、各ノズルに対応して設けられた複数本のガス噴射管
   のうち上記ジェットが不安定化または液滴化したノズル
   に対応するガス噴射管により上記ノズルと回転ロール間
   に凝固材飛行方向と反対方向にガスを噴射し、正常凝固
   材を製造しつつ上記ノズルより噴射される不安定溶湯ジ
   ェットあるいは溶滴を上記正常凝固材の飛行方向とは反
   対方向に吹き飛ばして除外することを特徴とする急冷金
   属の製造方法。