(57)【要約】  【課題】  巣が発生せず、中実度が非常に高く且つ一面開口或いは貫通形の中空形状を始め各種異形形状の非晶質成形品を簡単に製造するようにすることにある。  【解決手段】  非晶質合金(1)を浮遊溶解する溶解工程と、前記非晶質合金(1)の溶湯(1b)の下方に位置する下鋳造型(2)に該溶湯(1b)を出湯する出湯工程と、下鋳造型(2)に上鋳造型(3)を押圧して下鋳造型(2)内の溶湯(1b)をプレスする加圧急冷工程とを含むことを特徴とするもので、これにより溶湯の急冷と加圧による溶湯内に吸蔵されているガスの排出がなされ、巣のないしかも形状の自由で健全な非晶質金属部材を形成する事が出来る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質合金を浮遊溶解する溶解工程と、前記非晶質合金の溶湯の下方に位置する下鋳造型に該溶湯を出湯する出湯工程と、下鋳造型に上鋳造型を押圧して下鋳造型内の溶湯をプレスする加圧急冷工程とを含むことを特徴とする非晶質合金の成形方法。
【請求項２】
非晶質合金を浮遊溶解する高周波誘導加熱コイルと、高周波誘導加熱コイルの下方に配置され、前記高周波誘導加熱コイルによって溶解された非晶質合金溶湯を受容する下鋳造型と、下鋳造型に押圧して下鋳造型内の溶湯をプレスにて加圧急冷する上鋳造型とで構成されていることを特徴とする非晶質合金の成形装置。
【請求項３】
高周波誘導加熱コイルが、複数ターンで構成された上部の安定化コイルと複数ターンで構成された下部の浮揚加熱コイルとで構成されており、コイル径がそれぞれ鋳造型側に行く程に次第に小となっていることを特徴とする請求項２に記載の非晶質合金の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、品質に優れ、しかも自由な造形が可能な非晶質合金の成形方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非晶質合金は、超急冷を要するため薄いリボンや細い線材などしか製作できなかったが近年の研究の成果により、例えばゴルフクラブヘッドのフェース部をはじめとする厚肉板状のもの或いはバルク状（塊状）のものなど様々な非晶質合金（アモルファス合金）が次第に実用化されるようになってきた。
【０００３】
一般的に、非晶質合金は高強度、高硬度といった機械的強度を維持しつつ低ヤング率(撓みやすさ)を有するという、これまでの金属にない特異な機械的性質を有するため、板材としては例えばボールの飛距離増大のために高反発特性を必要とするクラブフェース部、線材としてはやしなやかさを必要とする医療用ガイドワイヤなどに適用されようとしている。
【０００４】
しかしながら、板材又はバルク材の場合、非晶質合金(50)の成形方法は、水冷鋳型に溶湯を鋳込んで製造していたため、(a)成形材料中に微細な巣(51)が発生し、衝撃或いは繰り返し曲げにより破損するという問題や、(b)中実ブロック或いは板のような単純な形状の物しか成形できないという問題があった。
【０００５】
上記成形方法の１つとして、空中浮遊溶解法(特開2002−224249)があるが、以下、これについて簡単に説明する。特開2002−224249に記載の方法は「高周波誘導加熱コイルによる浮遊溶解法により非晶質合金部材の合金材料を溶解してその溶湯を得る溶解工程と、前記溶湯の下方に位置する水冷鋳造型に該溶湯を鋳込む出湯・鋳造工程と、この鋳込みにより水冷鋳造型にて溶湯を急冷する急冷工程とで構成されている」ものである。
【０００６】
前記鋳造型への鋳込みは単なる溶湯の流し込みだけであるから、周囲雰囲気ガスを巻き込みやすく、且つ、急冷するため前記巻き込みガスや溶解時に周囲雰囲気ガスを吸蔵した吸蔵ガスの放出が行われる前に凝固してしまい、これらが非晶質合金内に閉じ込められ、微細な巣から大きな巣まで実に様々な巣(51)が発生するという問題があった。この巣(51)は当然非晶質合金(50)内の欠陥として働き、非晶質合金(50)の成形品の機械的強度を大幅に減じることになる。
【０００７】
また、前述のような鋳込みの場合、当然、鋳型の形状に制限を受け、中空成形品を始め、複雑な形状のものの成形は困難であった。その他、厚板のような場合、冷却速度が不十分であり、薄いものしか非晶質化が出来なかった。
【特許文献１】特開２００２−２２４２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、巣が発生せず、中実度が非常に高く且つ一面開口或いは貫通形の中空形状を始め各種異形形状の非晶質成形品を簡単に製造するようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
「請求項１」は本発明に係る非晶質合金の成形方法に関し「非晶質合金(1)を浮遊溶解する溶解工程と、前記非晶質合金(1)の溶湯(1b)の下方に位置する下鋳造型(2)に該溶湯(1b)を出湯する出湯工程と、下鋳造型(2)に上鋳造型(3)を押圧して下鋳造型(2)内の溶湯(1b)をプレスする加圧急冷工程とを含む」ことを特徴とする。
【００１０】
「請求項２」は前記方法が適用される非晶質合金(1)の成形装置(A)に関し「非晶質合金(1)を浮遊溶解する高周波誘導加熱コイル(4)と、高周波誘導加熱コイル(4)の下方に配置され、前記高周波誘導加熱コイル(4)によって溶解された非晶質合金溶湯(1b)を受容する下鋳造型(2)と、下鋳造型(2)に押圧して下鋳造型(2)内の溶湯(1b)をプレスにて加圧急冷する上鋳造型(3)とで構成されている」ことを特徴とする。
【００１１】
「請求項３」は前記装置(A)に用いられる高周波誘導加熱コイル(4)に関し「高周波誘導加熱コイル(4)が、複数ターンで構成された上部の安定化コイル(4b)と複数ターンで構成された下部の浮揚加熱コイル(4a)とで構成されており、コイル径(R1)(R2)…がそれぞれ鋳造型(2)(3)側に行く程に次第に小となっている」ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明方法では下鋳造型(2)に上鋳造型(3)を押圧して下鋳造型(2)内の溶湯(1b)をプレスして加圧急冷するので、巣(51)の原因となる溶湯(1)内のガスが強制的に押し出され、内部に巣(51)のない健全な成形品(1c)の成形が可能となった。また、プレスして加圧急冷するので、冷却速度が従来方法に比べて加速され、より厚肉の部材を成形できるようになった。加えてプレス成形するので、上・下鋳造型(2)(3)の形状を適当に形成することで、歯車、１面開口又は貫通孔形の中空部材、試験片その他異形の部材を簡単に成形することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を図示実施例に従って説明する。本装置(A)の基本構造は、非晶質合金(1)を浮遊溶解する高周波誘導加熱コイル(4)と、高周波誘導加熱コイル(4)の下方に配置され、前記高周波誘導加熱コイル(4)によって溶解された非晶質合金溶湯(1b)を受容する下鋳造型(2)と、下鋳造型(2)に押圧して下鋳造型(2)内の溶湯(1b)をプレスにて加圧急冷する上鋳造型(3)並びに非晶質合金材料(1a)を高周波誘導加熱コイル(4)の中央に供給する原料供給アーム(5)とで構成されている。
【００１４】
高周波誘導加熱コイル(4)は、水冷のため金属パイプ(一般的には、銅パイプが使用される。)を螺旋に巻回されたものが使用される。図１は上部の安定化コイル(4b)が２重、下部の浮揚加熱コイル(4a)が逆向きにて２重、合計４重に巻いたものが示されているが、巻き数は特に限定されない。図２以下では便宜的に上下１重巻きのものを示している。前記巻回された高周波誘導加熱コイル(4)は、上下でその巻き方向が反対になっており、下部のコイルを浮揚加熱コイル(4a)、上部のコイルを安定化コイル(4b)とする。浮揚加熱コイル(4a)、安定化コイル(4b)がそれぞれ複数巻きの場合、図１に示すように本実施例の場合、コイル径(R1)(R2)…がそれぞれ鋳造型(2)(3)側に行く程に次第に小となっている。
【００１５】
下鋳造型(2)は高周波誘導加熱コイル(4)の中心線に一致してその下方に配置されており、図示しないシリンダのような昇降機構で浮揚加熱コイル(4a)に向かって近接・離間するようになっている。図２〜６の実施例の場合、下鋳造型(2)は上面開口の凹所(21)が凹設された有底円筒状のもので、内部に水冷用の通水孔が形成されている金属製(一般的には熱伝導性に優れた銅製)のものである。勿論、前記形状を有する単なる金属製のブロックでもよい。また、下鋳造型(2)は図１のように上面中央に溶湯(1b)を収納するための凹部(23)が凹設された平板状の押圧部(22)のようなものとしてもよく、成形品(1c)の形状によって最適の形状が採用される。
【００１６】
一方、上鋳造型(3)も高周波誘導加熱コイル(4)の中心線に一致してその上方に配置されており、最上停止位置から図示しないシリンダのような昇降機構で高周波誘導加熱コイル(4)の中心を通って下鋳造型(2)は上面に押圧されるようになっており、図２〜６の実施例の場合、上鋳造型(3)の下面に前記開口の凹所(21)に挿入される突起(31)が突設されている。勿論、前述同様、図１のように下鋳造型(2)の押圧部(22)の凹部(23)に嵌り込んで凹部(23)内の溶湯(1b)を押圧するようにしてもよく、下鋳造型(2)に合わせて成形品(1c)の形状に対する最適形状が採用される。上鋳造型(3)も内部に水冷用の通水孔(図示せず)が形成されている金属製(一般的には熱伝導性に優れた銅製)のものである。勿論、前記形状を有する単なる金属製(例えば、銅製)の中実ブロックでもよい。
【００１７】
原料供給アーム(5)は高周波誘導加熱コイル(4)の傍に配置されており、非晶質合金材料(1a)を載せた状態で高周波誘導加熱コイル(4)の中心線に一致する所まで水平移動し、続いて上昇して非晶質合金材料(1a)を高周波誘導加熱コイル(4)の中心に移動させるものである。材質は非晶質合金材料(1a)より融点の高いセラミックのような耐火材が一般的である。復路は往路の逆を辿ることになる。原料供給アーム(5)は、シリンダ(図示せず)を利用した公知の水平方向移動機構と昇降機構の組み合わせ機構である。なお、本装置(A)全体は図示しない容器中に収納されており、作業中は窒素又はAr充填による不活性雰囲気内で行われる。勿論、格納容器なしで、高周波誘導加熱コイル(4)や下鋳造型(2)の主要部分の周囲に前記不活性ガスを吹き付けて不活性雰囲気を形成し、この不活性雰囲気内で作業するようにしてもよい。
【００１８】
本発明で使用される非晶質合金材料(1a)は特段限定されるものではないが、過冷却液体域を有し、非晶質相（アモルファス相）を形成しうる組成の合金であればよい。本実施例では「Cu-Zr-Al系」「Cu-Zr-Ti系」「Ni-Nb-Ti-Zr- Co-Cu系」「Ti-Zr-Cu-Sn-Al系」「Zr-Cu-Ni-Al系」非晶質合金が挙げられる。
【００１９】
以上のように構成された本装置(A)の作用について説明する。先ず、前記原料供給アーム(5)に塊状の非晶質合金材料(1a)を載置し、これを浮遊溶解法を用いて溶解する(溶解工程)。前記非晶質合金材料(1a)は、本例では予め合金原材料の母材をアーク溶解炉で１次溶解しガス抜きを行なうとともに、このアーク溶解炉内で添加材料を混入して一塊りとし、これを原料供給アーム(5)に供給する非晶質合金材料(1a)とする。
【００２０】
そして前述のように原料供給アーム(5)に載置して、これを水平・上昇移動させ、高周波誘導加熱コイル(4)の中心まで塊状の非晶質合金材料(1a)を移動させ、この状態で高周波誘導加熱コイル(4)に高周波交番円電流(I1)を流す。そうすると、図３に示すように下側の浮揚加熱コイル(4a)には上向きの磁力線(実線で示す)が発生し、下側の浮揚加熱コイル(4a)の上に位置する導体球である塊状の非晶質合金材料(1a)中に反対方向の渦電流(I2)が誘導され、電流(I1)と渦電流(I2)が互いに反発して導体球である塊状の非晶質合金材料(1a)に浮揚力が働き、原料供給アーム(5)から浮き上がり、重力と浮揚力とがバランスしたところで静止する。この時点で原料供給アーム(5)は復路を通ってホームポジションに戻る。上側の安定化コイル(4b)には下向きの磁力線(実線で示す)が発生して非晶質合金材料(1a)の静止位置を安定化させる。
【００２１】
塊状の非晶質合金材料(1a)には前述のように渦電流(I2)が誘導され、前記渦電流(I2)により浮遊状態で溶融し表面張力により球状となる。非晶質合金材料(1a)の溶解量や高周波誘導加熱コイル(4)へ供給する電流量やその印加電圧、供給電流の周波数などを適切に制御することにより、浮上を維持しつつ溶解が可能となる。
【００２２】
溶解がなされた後、本実施例では下鋳造型(2)が浮揚加熱コイル(4a)の直下まで上昇し、出湯を待つ。この状態で、高周波誘導加熱コイル(4)に供給される電力(例えば、供給電流をI3に低減する。)を抑えることで溶湯(1b)に対する浮揚加熱コイル(4a)のローレンツ力が低下し、図４に示すように重力により溶湯(1b)が下方へと移動すると共に流下し、直下で待機している下鋳造型(2)内に流れ込む。この直後に電流供給を遮断し、続いて上鋳造型(3)を作動させて突起(31)を凹所(21)内に挿入し、凹所(21)内の溶湯(1b)を圧縮すると同時に急冷する。この加圧により溶湯(1b)内の溶存ガスは溶湯(1b)外に放出される。同時に溶湯(1b)は急冷され、表面から非晶質化される。そして、これらの動作は短時間で行われる事になる。
【００２３】
肉厚に対して冷却速度が十分速ければ、全体が非晶質化される。下表１は同じ冷却条件における従来の鋳造法と浮遊溶解プレス法の金属ガラス生成能の比較表である。本発明方法の方が金属ガラス生成能が高いことが明らかである。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
鋳造型(2)での冷却が完了すると、前記鋳造型(2)から非晶質合金成形品(1c)を取り出す。非晶質合金成形品(1c)は前記下鋳造型(2)と上鋳造型(3)で形成されるキャビティの形状に従って冷固化されており、脱型後、余剰部分の切断、バリ取りなどの処理を経て、また必要により洗浄、研磨、塗装などの処理を得て完成品となる。
【００２６】
なお、このような浮遊溶解法を用いた溶解工程では、非晶質合金材料(1a)へ坩堝からの不純物が混入しないため、純度ないし精度の高い溶融ができ、きわめて高品質の合金を製造することができる。また溶融した非晶質合金材料(1a)は、従来のように、坩堝から熱を奪われないため、溶湯を非常に高温まで加熱でき、ジルコニウムなどの高融点金属の溶け残りを確実に防止できる。また電磁力の強い撹拌作用により均質な組性を有する合金を製造するのに役立つ。さらに加熱に酸素、水素、炭素等を必要としないため、炉気の選択が自由であり、真空の加熱又は減圧加熱などによって内部にブローホールのない鋳塊等を成型するのにも役立つ。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は従来方法によって成形された非晶質合金成形品の持つ欠点、即ち、(1)巣が発生しやすい、(2)厚肉製品への対応が困難であり、非晶質化領域が狭い、(3)一面開口又は貫通孔を有する中空体を含む自由な形状を成形できなかった(換言すれば、成形性に乏しい。)、というような欠点が解消され、その特有の機械的性質のため、従来の金属では対応できなかった分野へも進出が可能になり、金属の持つ可能性を更に拡大させた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明装置の原理図
【図２】本発明装置の溶解前の相略説明図
【図３】本発明装置の溶解時の相略説明図
【図４】本発明装置の出湯時の相略説明図
【図５】本発明装置の加圧・冷却時の相略説明図
【図６】図６の鋳型部分の拡大断面図
【図７】本発明方法で作成された歯車の斜視図
【図８】本発明方法で作成された試験片の斜視図
【図９】本発明方法で作成された板の斜視図
【図１０】本発明方法で作成された段付き棒の斜視図
【図１１】本発明方法で作成された棒材の斜視図
【図１２】本発明方法で作成された一面開口の中空部材の断面図
【図１３】本発明方法で作成された貫通孔を有する段付きブロックの断面図
【図１４】本発明方法で作成された異形部材の平面図
【図１５】従来方法の鋳造時の断面図
【符号の説明】
【００２９】
(1)  非晶質合金
(1b)  非晶質合金の溶湯
(2)  下鋳造型
(3)  上鋳造型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１５】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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