JPH0736942B2 - 一方向樹枝状組織を有する高靭性及び高柔軟性の金属繊維 - Google Patents

一方向樹枝状組織を有する高靭性及び高柔軟性の金属繊維

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は新規な金属組織を有する高靭性及び高柔軟性の
金属繊維に関し、詳細には樹枝状組織の一次アームが繊
維軸方向に沿って成長した特殊な金属組織を有し、靭性
が極めて良好であって複合材料等の構造材料として有用
であり、更には構造異方性を生かして磁性材料として活
用することのできる金属繊維に関するものである。
[従来の技術] 金属繊維については新素材の研究あるいは用途開発を含
めて多くの研究、提案がなされており、応用分野はます
ます拡大していく傾向が見られる。
金属繊維を製造する方法としては、次に示す様な色々の
方法が知られている。
棒状の金属材料を、超硬合金やダイヤモンド製のダイ
スによって線引きする方法。
この方法では、細径繊維を得るのに多段の伸処理を行な
わなければならず、また伸線工程で生じる内部歪を除去
するのに焼なまし工程を要する等、工程数が多くて煩落
であり生産性にも問題がある。
固形の金属材料を切削して細線状物を切り出す方法。
この方法は、上記の方法に比べると簡便で工程数も少
なくて済む。しかしながら繊維の断面形状が不均一であ
るばかりでなく表面に切欠き欠陥等ができ易く、繊維の
均質性などに問題がある。
溶融金属を細径のノズルから押出して冷却凝固させる
溶融紡糸法。
この方法にはガラス被覆紡糸法、水流中紡糸法、回転液
中紡糸法等が含まれ、これらの方法によって様々の金属
あるいは合金よりなる結晶質繊維や非晶質(アモルファ
ス)繊維が製造されており、現在のところ金属繊維の性
能、生産性の何れからしても前記、の方法よりも有
な方法とされている。
こうした状況の下で本発明者らもかねてより溶融紡糸
法、殊に回転液中紡糸法を利用した金属繊維の製法につ
いて研究を行なっており、かかる研究の一環として先に
特開昭62−56393号公報に記載の発明を開発した。この
発明は、溶融紡糸における凝固条件等を制御することに
よって、色々な長さからなる単結晶が粒界を境にして竹
状に連続的に連なった構造を有する特殊な組織の金属繊
維を得るものであり、様々の分野への用途開発が進めら
れている。
[発明が解決しようとする問題点] 本発明者らはその後も回転液中紡糸法を主体とする金属
繊維の製法及び物性改善について研究を進めているが、
前述の様な状況の下で本発明は、溶融紡糸条件等を色々
工夫することによって、従来の金属繊維とは異質の結晶
組織を有し、その利用分野を更に拡大していくことので
きる様な金属繊維を提供しようとするものである。
[問題点を解決するための手段] 本発明に係る金属繊維の構成は、一次アームが金属繊維
軸に対して20度以内の角度で成長した樹枝状晶群の集合
組織を呈するものであるところに要旨を有するものであ
る。
[作用] 周知の通り回転液中紡糸法とは、回転する円筒状中空ド
ラムの内周面側に遠心力によって冷却液体層を形成して
おき、該冷却液体層内へ細径のノズルから溶融金属を細
線状に噴出させて急冷凝固させ、そのまま中空ドラムの
内周面側へ又は他の適当な装置に巻取っていく方法であ
り、種々の金属材料を細い繊維状とすることができる。
ところで、合金の種類によっては上記回転液中紡糸法に
よって得られる金属繊維の靭性が繊維径によってばらつ
き、特に太径のものは非常に脆く、約90度以上に曲げる
と簡単に折れてしまうため取扱いが困難であり汎用性に
欠ける場合もある。そしてこの様な靭性の乏しい従来の
金属繊維の内部構造を見ると、繊維軸に対して直交する
横断面内には常に(どの断面を見ても)2個以上の結晶
粒が存在しており、いわゆる多結晶質構造を有するもの
であることが確認されている。これに対したとえば直径
130μm程度の細径金属繊維では、特開昭62−56393号公
報に記載した様に「竹の節の間」状の単結晶質部分が繊
維軸方向に0.1〜5mm程度の不規則な間隔で継がった構造
となり、該単結晶構造を有する部分の靭性は非常に良好
で、180度に密着曲げした場合でも折断することのない
柔軟なものとなる。
ところがこの金属繊維でも、結晶粒界に相当する「竹の
節」の部分の靭性は悪く、該「竹の節」の部分で180度
曲げを行なった場合は折断する恐れがある。
しかしながらその後更に研究を行なった結果、回転液中
紡糸用紡出ノズルの直径を100μm以下に設定し、溶融
金属が凝固するときの冷却速度を更に大きくすると、繊
維軸方向に樹枝状晶(基本単位模式図を第3図(a)に
示す)群が並んだ集合組織のものとなり、該紡出ノズル
径を小さくして繊維径を小さくするほど、当該樹枝状晶
の一次アームと繊維軸とのなす角度は小さくなる。そし
てこの角度が小さくなればなるほど、即ち一次アームが
繊維軸と平行に近いものほど金属繊維の柔軟性は優れた
ものとなること、が明らかとなった。そして該樹枝状晶
の一次アームと繊維軸とのなす角度が20度以下である金
属繊維(第3図(b),(c)は、前記公開公報に記載
された「竹の節」状の金属繊維に比べても更に優れた靭
性を示すものとなることが確認された。
回転液中紡糸法によって金属繊維を製造する場合、繊維
径(紡出ノズル径にほぼ対応する)を100μm以下とす
ることによって何故「竹の節」状の結晶粒界が無くな
り、上記の様な結晶組織が生成するのか、その理論的解
明はなされておらないが、紡糸時における金属溶湯流の
太さの違いによって冷却液体層中での冷却速度が変わ
り、結晶の生成及び成長状況に変化が生じたためと考え
られる。何れにしてもこの様な一方向樹枝状組織を有す
る金属フィラメントは非常に柔軟性の富んだものとな
り、密着曲げが可能であるほか引張試験においても伸び
が著しく大きくなり、工業的に見て非常に取扱い易い材
料である。しかもこの金属繊維は、応力集中部位となる
「竹の節」部分を有していないので、更に高次の加工
(伸線加工や圧延等)を行なうこともできる。
本発明で使用される金属としては種々のものが考えられ
るが、中でも本発明の特徴を最も有効に発揮するのはFe
−Si系合金、Fe−Al系合金、Fe−Si−Al系合金であり、
これら鉄合金中に適量の希土類金属を1種又は2種以上
含有せしめたものも好ましいものとして挙げられる。尚
希土類金属として特に好ましいのは原子番号が57〜71の
ランタン系列から選択されるものであって、具体的には
La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luであ
り、これらは単独で含有させてもあるいは2種以上を複
合して含有させることもできる。上記希土類金属の中で
も特に好ましいのはCeである。更に本発明を実施するに
当たっては、金属繊維の用途や要求特性に応じて更に他
の合金成分を配合することも可能である。
次に本発明に係る金属繊維の製法について説明する。こ
の方法の基本的構成は特開昭55−64948号や前記特開昭6
2−56393号として開示した回転液中紡糸法に従う。たと
えば第1、2図はその方法を例示する概略正面図及び一
部波断側面図であり、回転ドラム6を高速回転させるこ
とによってその内周面側に冷却液体層8を形成する。そ
して該冷却液体層8の液面9又は液中に向けてるつぼ1
下面の噴出ノズル2から金属溶湯を噴出させ、金属を繊
維4状にして急冷凝固させながら回転ドラム6の内周壁
に巻回していく。図中3は金属を溶融させるためのヒー
ター、5は溶融金属噴出用の不活性ガス、7はモータ、
10はベルトを夫々示す。そして冷却液体層の周速度を、
噴出ノズル2からの溶融金属噴出速度と実質的に同一か
またはそれよりやや早くしておけば、断面の寸法及び形
状が均一な金属繊維が得られ易い。またここで使用され
る冷却液体は純粋な液体、溶液、エマルジョン等いずれ
であってもよいが、コスト及び冷却効率を総合すると最
も好ましいは水である。回転ドラムは横向きでも縦向き
でもよいが、該ドラム内における冷却液体層の表面速度
は300〜800m/min程度、金属溶湯の冷却液体層への進入
角度は40〜80゜、噴出ノズル2と液面9との距離は0.5
〜4mm程度が夫々好適である。
この回転液中紡糸法を採用する場合特に注意しなければ
ならないのは、噴出ノズル2の口径を100μm以下と
し、紡糸される金属繊維の直径が100μm以下となる様
にしなければならない点である。即ち噴出ノズル2の口
径が100μmを超える大径のもであると、紡糸される金
属繊維の直径が100μmを超えるもとなって、冷却速度
を十分に高めることができなくなり、樹枝状組織の一次
アームと繊維軸とのなす角度が20度を超え、満足のいく
靭性及び柔軟性のものが得られない。これに対し100μ
m以下の小径の噴出ノズルを使用すれば、直径が100μ
m以下で樹枝状組織の一次アームが繊維軸方向に対して
20度以下の角度を有する組織となり、靭性及び柔軟性の
優れた金属繊維が得られる。
[実施例] 実施例1 第1、2図に示した様な回転液中紡糸法を採用し、Fe−
6.5wt%Siを原料とし、直径の異なる種々の紡出ノズル
を用いて色々な直径の鉄系金属繊維を作製した。冷却液
体としては水(15℃)を使用した。尚紡出ノズルの直径
が変わると紡糸条件も変化するが、基本的には回転ドラ
ム中の水層の表面速度が溶融金属のジェット流速と同等
もしくは若干速くなる様に、ドラムの回転速度と金属溶
湯の噴出速度をコントロールすることにより、直径200
μm,160μm,70μmの3種の金属繊維を得た。
このうち、直径200μmの繊維は、樹枝状組織が観察さ
れたものの、その一次アームと繊維軸とのなす角度が一
様でなく、その結果多結晶構造を示し、全長に亘って柔
軟性の乏しいものであった。これに対し直径160μmの
金属繊維では、部分的に樹枝状組織の一次アームが繊維
軸に対して約20度の角度で成長している部分が見られ、
この部分は柔軟で密着曲げが可能であったが、それ以外
の部分の柔軟性は不十分であり、また直径70μmの繊維
は樹枝状組織の一次アームと繊維軸とのなす角度が5度
以下の一様に揃った組織を有しており、繊維の全長に亘
って密着曲げが可能であった。
また、直径70μmの金属繊維は、直流磁化測定において
飽和磁束密度は2.0ステラ、保磁力は0.4エルテッド、比
透磁率は31,000、角形比は0.8と、優れた軟磁気特性を
有するものであった。
実施例2 実施例1と同様にして溶融Fe−25wt%Alから直径の異な
る2種の鉄系金属繊維(直径210μm及び70μm)を紡
糸した。直径210μmの金属繊維はすべてが多結晶構造
であって全長に亘り非常に脆弱であるのに対し、直径70
μmの金属繊維は全長に亘り、一方向樹枝状晶の集合組
織を有しており、その一次アームと繊維軸となす角度は
約4度で、どの位置でも密着曲げが可能であった。
実施例3 Fe−5.2wt%Al−2.7wt%Siの鉄系金属を使用し、実施例
1と同様にして直径220μmび65μmの鉄系金属繊維を
作製した。
直径220μmの金属繊維はすべてが多結晶構造であって
全長に亘り非常に脆弱であるのに対し、直径65μmの金
属繊維は全長に亘り一方向樹枝状組織を有しており、そ
の一次アームと繊維軸とのなす角度は約3度で、密着曲
げ可能な極めて柔軟性のすぐれたものであった。
[発明の効果] 本発明は以上の様に構成されており、金属繊維本来の優
れた特性を保持しつつ、脆弱さを改質して極めて柔軟で
曲げ易い特性を与えることができ、その取扱い性を著し
く改善することができた。しかも樹枝状晶の成長方向が
一方向に指向しており磁気特性にも優れたものであるの
で、たとえば磁気センサーや磁心などへの適用も容易と
なり、応用分野の大幅な拡大が期待される。
【図面の簡単な説明】
第1、2図は回転液中紡糸法を説明するための図であ
り、第1図は概略正面図、第2図は一部断面側面図であ
る。また第3図(a)は樹枝状晶の基本単位の模式図
を、(b)および(c)は、一次アームと繊維軸とのな
す角度が20度以下である一方向樹枝状組織を示す模式図
である。 1:るつぼ、2:噴出ノズル 3:ヒータ、4:繊維 5:不活性ガス、6:回転ドラム 7:モータ、8:冷却液体層 9:冷却液面、10:ベルト

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一次アームが金属繊維軸に対して20度以内
    の角度で成長した樹枝状晶群の集合組織を呈し、直径が
    100μm以下のものであることを特徴とする一方向樹枝
    状組織を有する高靭性及び高柔軟性の金属繊維。
  2. 【請求項2】円形断面を有するものである特許請求の範
    囲第1項に記載の金属繊維。
  3. 【請求項3】金属が、Fe−Si系合金、Fe−Al系合金、Fe
    −Si−Al系合金よりなる群から選択されたものである特
    許請求の範囲第1項又は第2項に記載の金属繊維。
  4. 【請求項4】金属がFe−Si−希土類金属系合金、Fe−Al
    −希土類金属系合金、Fe−Si−Al−希土類金属系合金よ
    りなる群から選択されるものである特許請求の範囲第1
    項又は第2項に記載の金属繊維。
  5. 【請求項5】希土類金属が原子番号57〜71のランタン系
    列から選択される1種又は2種以上の金属である特許請
    求の範囲第4項に記載の金属繊維。
  6. 【請求項6】希土類金属がCeである特許請求の範囲第5
    項に記載の金属繊維。
JP62310259A 1987-12-08 1987-12-08 一方向樹枝状組織を有する高靭性及び高柔軟性の金属繊維 Expired - Lifetime JPH0736942B2 (ja)

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