(57)【要約】【課題】坩堝のノズルから吐出される溶湯の温度低下を抑制することのできる金属溶融装置を提供する。【解決手段】底にノズル１ａを備えた坩堝１と、坩堝１の周囲に配設されたコイル２と、から構成され、コイル２に印加した際の誘導加熱によって坩堝１内の金属を溶融させて溶湯を生成し、溶湯をノズル１ａから吐出させる金属溶融装置１０であって、ノズル１ａの周囲に、誘導加熱によって加熱する多孔質断熱材３が配設されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底にノズルを備えた坩堝と、坩堝の周囲に配設されたコイルと、から構成され、コイルに印加した際の誘導加熱によって坩堝内の金属を溶融させて溶湯を生成し、溶湯をノズルから吐出させる金属溶融装置であって、
前記ノズルの周囲に、前記誘導加熱によって加熱する多孔質断熱材が配設されている金属溶融装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、収容した金属を誘導加熱によって溶融させる金属溶融装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ランタノイド等の希土類元素を用いた希土類磁石は永久磁石とも称され、その用途は、ハードディスクやMRIを構成するモータのほか、ハイブリッド車や電気自動車等の駆動用モータなどに用いられている。
【０００３】
この希土類磁石としては、組織を構成する結晶粒（主相）のスケールが3〜5μm程度の一般的な焼結磁石のほか、結晶粒を50nm〜300nm程度のナノスケールに微細化したナノ結晶磁石があるが、中でも、上記する結晶粒の微細化を図りながら高価な重希土類元素の添加量を低減すること（フリー化）のできるナノ結晶磁石が現在注目されている。
【０００４】
希土類磁石の製造方法を概説すると、たとえば希土類磁石材料となる合金を坩堝内に収容し、坩堝の周囲に配設された高周波コイルに高周波電圧を印加して合金を溶融させて溶湯（Nd-Fe-B系の金属溶湯）を形成する。次に坩堝から溶湯を急冷する回転ロールに提供し、急冷凝固して急冷リボン（急冷薄帯）を製造し、急冷リボンを所望の大きさに裁断して磁石用の粉末とする。この粉末を加圧成形しながら焼結して焼結体を製造するが、ナノ結晶磁石の場合には、この焼結体にさらに磁気的異方性を付与するための熱間塑性加工を施して希土類磁石（配向磁石）を製造することができる。
【０００５】
上記する急冷リボン製作用の坩堝を備えた金属溶解装置が特許文献１に開示されている。
【０００６】
この金属溶解装置は、坩堝とその底部のノズルの双方に個別の高周波誘導加熱コイルを配設し、坩堝内に収容される金属と同素材の金属栓をノズル内に嵌入させたものである。この装置によれば、坩堝内の金属を溶解させた後、ノズル内の金属栓を溶解させることで坩堝内の溶湯をノズルから外部へ吐出することが可能になる。
【０００７】
しかしながら、この装置では、坩堝とノズルが固有の高周波誘導加熱コイルを具備する必要があることと、双方のコイルを個別に印加制御する必要があることから、装置製作コストが嵩むとともに制御に手間がかかることより、より簡易な構成で制御手間のかからない装置が望まれる。
【０００８】
ところで、坩堝内で形成された溶湯は、ノズルを介して吐出される過程でその温度を次第に低下させる。また、溶湯が進行して坩堝内の溶湯量が少なくなった際にも溶湯温度は次第に低下する。
【０００９】
このように溶湯温度が低下すると溶湯の粘性が増加し、ノズル先端からの溶湯の吐出量が設計吐出量から変化してしまう（低下する）ことになる。そして、溶湯の吐出量が低下すると、回転ロールにて急冷されてできた急冷リボンの厚みも低下し、厚みの低下によって急冷リボンの急冷度合が増加して非晶質が介在する急冷リボンが混在することになり、急冷リボンの品質にばらつきが生じてしまう。
【００１０】
そこで、坩堝内における溶湯の初期温度を高めるといった方策が考えられるが、今度は、初期の溶湯の粘性が低くなり過ぎて回転ロール表面における溶湯の跳ねに繋がってしまい、連続的に溶湯を吐出し続けることが困難になるといった別の課題が生じる。また、単に溶湯温度を高めることは、溶湯中の希土類元素の蒸発の原因にもなり、初期の組成と乖離した組成の急冷リボンが生成されかねない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭６３−２０７９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、坩堝のノズルから吐出される溶湯の温度低下を抑制することのできる金属溶融装置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】
【００１３】
前記目的を達成すべく、本発明による金属溶融装置は、底にノズルを備えた坩堝と、坩堝の周囲に配設されたコイルと、から構成され、コイルに印加した際の誘導加熱によって坩堝内の金属を溶融させて溶湯を生成し、溶湯をノズルから吐出させる金属溶融装置であって、前記ノズルの周囲に、前記誘導加熱によって加熱する多孔質断熱材が配設されているものである。
【００１４】
本発明の金属溶融装置は、溶湯が吐出されるノズルの周囲に坩堝内の金属を溶融させる際の誘導加熱によって加熱される多孔質断熱材が配設されていることにより、坩堝内における溶湯の形成とノズルからの吐出の過程でノズルの周囲が常時保温されることとなり、ノズルを通過する溶湯の温度が低下するのを効果的に抑制することができるものである。このようにノズルの温度低下が抑制されることは、坩堝内とノズル内における温度差が少ないことを意味しているが、このことにより、ノズルから吐出される溶湯の温度を設計温度に維持することが可能となり、所望温度に制御された溶湯を連続的に吐出することで急冷リボンの連続的な製作が可能となる。
【００１５】
また、本発明の金属溶融装置は、坩堝内の金属を溶融させる際の誘導加熱によって多孔質断熱材も同時に加熱されることから、坩堝と多孔質断熱材のそれぞれに個別の高周波コイル等を設ける必要はなく、装置構成も比較的シンプルで装置製作コストも高価なものとはならない。
【００１６】
ここで、誘導加熱によって加熱する「多孔質断熱材」としては、多孔質カーボン等を挙げることができる。断熱材が「多孔質」であることで断熱材の軽量化と変形性能の向上を図ることができる。
【００１７】
また、緻密な構造のものや空孔率の低いものは誘導加熱にて過剰加熱される可能性があり、さらにはノズル内の溶湯に高周波磁界が届かない可能性があるが、たとえば空孔率50%以上の多孔質断熱材ではこの過剰加熱の懸念がないことから望ましい。ここで、「空孔率」とは、見かけの密度を真密度で除した値である。
【００１８】
また、多孔質断熱材としては、たとえば筒状（で下方がすり鉢状）の坩堝の下方外側に嵌まり込む筒状の多孔質断熱材を適用することができる。この際に、多孔質断熱材の内部形状と坩堝の下方部分の形状を相補的な形状とすることで、双方が密着し、坩堝下方のノズルの保温性を高めることができる。また、多孔質断熱材の変形性能が高いことから、筒状の多孔質断熱材に対して坩堝を圧入等するのみで双方を容易に嵌合させ、双方の密着姿勢を形成することができる。
【００１９】
坩堝の少なくとも一部が多孔質断熱材にて包囲されていることによってその断熱性が高められ、このことによって坩堝の加熱効率が高まり、合金の溶融時間の短縮に繋がる。
【００２０】
また、多孔質断熱材にスリットが設けてある形態が好ましい。
【００２１】
たとえば筒状の坩堝の底から縮径したノズルが配設されている形態において、ノズルの保温性の観点から、筒状の多孔質断熱材に形成されるスリットはノズルよりも上方位置に形成しておくのがよい。
【００２２】
多孔質断熱材にスリットを形成しておくことで、この多孔質断熱材が誘導加熱された際に誘導電流の妨げとなり、このことによって渦電流の発生を抑制でき、高周波電圧が印加された際の過剰加熱の抑制に繋がる。
【００２３】
上記する金属溶融装置は、希土類磁石材料となる急冷リボンの製造（高周波溶解を利用した液体急冷法）に好適である。すなわち、溶湯中の希土類元素の組成を変化させることなく、連続的に溶湯を回転ロールに提供することができるため、品質にばらつきのない急冷リボンを効率的に製造することが可能になる。
【発明の効果】
【００２４】
以上の説明から理解できるように、本発明による金属溶融装置によれば、溶湯が吐出されるノズルの周囲に坩堝内の金属を溶融させる際の誘導加熱によって加熱される多孔質断熱材が配設されていることにより、坩堝内における溶湯の形成とノズルからの吐出の過程でノズルの周囲を常時保温することができ、ノズルを通過する溶湯の温度が低下するのを効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の金属溶融装置の分解斜視図である。
【図２】本発明の金属溶融装置の側面図である。
【図３】金属溶融装置を使用して急冷リボンを製造している状況を説明した模式図である。
【図４】実施例の金属溶融装置を使用した際の溶湯の吐出時間と溶湯温度の関係を特定する実験結果を示した図である。
【図５】比較例1の金属溶融装置を使用した際の溶湯の吐出時間と溶湯温度の関係を特定する実験結果を示した図である。
【図６】比較例2の金属溶融装置を使用した際の溶湯の吐出時間と溶湯温度の関係を特定する実験結果を示した図である。
【図７】多孔質断熱材の空孔率の最適範囲を検証する実験結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の金属溶融装置の実施の形態を説明する。なお、図示例において、装置内で溶融される金属は希土類磁石材料となる急冷リボン製作用の金属であるが、適用される金属がこれに限定されるものでないことは勿論のことである。
【００２７】
（金属溶融装置の実施の形態）
図１は本発明の金属溶融装置の分解斜視図であり、図２は本発明の金属溶融装置の側面図である。
【００２８】
筒状で下方がすり鉢状を呈し、縮径して延びるノズル１ａを底に備えた坩堝１を坩堝１の下方の形状と相補的形状の内周面３ａを備えた筒状の多孔質断熱材３に嵌め込み（図１のＸ１方向）、それらの周囲に高周波コイル２を配設することにより（図１のＸ１方向）、図２で示す金属溶融装置１０が構成される。
【００２９】
多孔質断熱材３は多孔質カーボンから形成され、空孔率が50%以上である。多孔質カーボンから形成されていることで多孔質断熱材３は高周波コイル２が稼働した際の誘導加熱によって間接的に加熱される。
【００３０】
すなわち、坩堝１内に金属を収容し、高周波コイル２の稼働によって金属を高周波溶解させてノズル１ａから下方に吐出する際に、多孔質断熱材３も高周波加熱されることとなり、坩堝１内における溶湯の形成とノズル１ａからの吐出の過程でノズル１ａの周囲を常時保温することができる。そのため、ノズル１ａを通過する溶湯の温度が低下するのを効果的に抑制することが可能となる。
【００３１】
また、断熱材が多孔質ゆえに軽量でハンドリング性が良好であり、変形性能も高いことから、図１で示す坩堝１と多孔質断熱材３の組み付けの際に多孔質断熱材３が変形して容易に双方の嵌合を図ることができる。
【００３２】
また、多孔質断熱材３の側面の一部にはスリット３ｂが設けてあり、このスリット３ｂは内周面３ａまで延びている。
【００３３】
そして、図２で示すように、スリット３ｂの高さはtであり、その位置は、ノズル１ａよりも上方に位置している。
【００３４】
このように多孔質断熱材３にスリット３ｂを形成しておくことにより、この多孔質断熱材３が誘導加熱された際に誘導電流の妨げとなり、このことによって渦電流の発生を抑制でき、高周波電圧が印加された際の過剰加熱の抑制に繋がる。
【００３５】
次に、図３を参照して、金属溶融装置１０を使用して急冷リボンを製作する方法を概説する。
【００３６】
金属溶融装置１０内はたとえば50kPa以下に減圧したArガス雰囲気に制御自在となっており、メルトスピニング法による製造に供されるものであり、合金インゴットを高周波コイル２の稼働によって高周波溶解させることにより、希土類磁石材料からなる溶湯が生成される。
【００３７】
金属溶融装置１０の下方位置には銅製の回転ロール２が配設されており、回転ロール４の頂点に溶湯が滴下される（Ｘ２方向）。
【００３８】
回転ロール４の頂点に滴下された溶湯は、回転姿勢（Ｚ方向）の回転ロール４に接して急冷され、急冷リボンＲが形成されるとともに回転ロール４の頂点の接線方向に噴射される（Ｘ３方向）。噴射された急冷リボンＲは不図示の回収ボックスにて回収されることになる。
【００３９】
ここで、急冷リボンの組成は、RE-Fe-B系の主相（RE:Nd、Prの少なくとも一種）と、該主相の周りにあるRE-X合金（X:金属元素であって重希土類元素を含まない）からなり、たとえばこれがナノ結晶組織の場合には、50nm〜200nm程度の結晶粒径の主相からなる。
【００４０】
また、粒界相を構成するNd-X合金は、Ndと、Co、Fe、Ga、Cu、Al等のうちの少なくとも１種以上の合金からなり、たとえば、Nd-Co、Nd-Fe、Nd-Ga、Nd-Co-Fe、Nd-Co-Fe-Gaのうちのいずれか一種、もしくはこれらの二種以上が混在したものであって、Ndリッチな状態となっている。
【００４１】
なお、製造された希土類磁石用の急冷リボンは、たとえば不図示の成形型（ダイスとパンチから構成される）内に充填されて加圧成形されて焼結体が製造される。そして、これがナノ結晶磁石の場合には、この焼結体に対して熱間塑性加工（強加工）によって磁気的異方性が付与されてナノ結晶組織の希土類磁石が製造される。
【００４２】
（溶湯の吐出時間と溶湯温度の関係を特定する実験とその結果）
本発明者等は、以下で示す実施例、比較例1、2にかかる金属溶融装置を使用して急冷リボンを製作し、この製作過程における溶湯の吐出時間と溶湯温度の関係を特定する実験をおこなった。さらに、製作された急冷リボンの製品歩留りについても検証をおこなった。
【００４３】
＜実施例＞
カーボンフェルト材を坩堝の外径に適合するように加工し、スリットを入れて多孔質断熱材を製作し、坩堝に装着して金属溶融装置とした。なお、装置仕様に関し、ノズルの径は0.6mm、クリアランスは5mm、噴射差圧は20kPa、回転ロールの速度は20m/秒、溶解温度は1450℃である。
【００４４】
＜比較例1＞
多孔質断熱材がなく、坩堝のみからなる金属溶融装置とした。
【００４５】
＜比較例2＞
誘導加熱されない多孔質アルミナを坩堝の外径に適合するように加工して多孔質断熱材を製作し、坩堝に装着して金属溶融装置とした。
【００４６】
＜評価方法＞
坩堝内の溶湯温度と、ノズルから吐出した溶湯温度を放射温度計にて測温した。また、製品歩留りの評価に関しては、粗大粒や非晶質の存在しない急冷リボンを良品とした際に、製作された全急冷リボン中の良品の割合を製品歩留りとした。なお、急冷リボンの組成はICP（誘導結合プラズマ）にて測定した。
【００４７】
＜結果＞
実施例、比較例1、2の各結果をそれぞれ図４〜６に示す。各図において、T1は坩堝内の溶湯温度であり、T2はノズルから吐出した溶湯の温度である。
【００４８】
比較例1では、T1、T2は時間とともに温度が低下し、吐出後半では溶湯の吐出量が低下した。また、Nd量に関し、0.2%の欠損が確認された。
【００４９】
比較例2では、安定して吐出ができたものの、T1、T2の間で乖離が生じた。また、急冷リボンの組成を検証した結果、Nd量に関し、0.3%の欠損が確認された。
【００５０】
比較例1、2に対し、実施例では、T1、T2の変動が少なく、双方の間の乖離も少ない結果となった。また、T1が低いために組成の欠損も確認されなかった。
【００５１】
さらに、製品歩留りに関しては、比較例1が76%、比較例2、実施例がともに100%であった。
【００５２】
（多孔質断熱材の空孔率の最適範囲を検証する実験とその結果）
本発明者等はさらに、カーボン素材の多孔質断熱材の空孔率の最適範囲を検証する実験をおこなった。以下、表１に種々の空孔率の多孔質断熱材の仕様および過剰加熱の有無に関する結果を示し、図７にも実験結果を示している。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
表１および図７より、空孔率が50%未満の範囲では過剰加熱が認められ、空孔率が100%では断熱性能が悪いことより、多孔質断熱材の空孔率の最適範囲として、50%以上で99%以下の範囲を規定することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１…坩堝、１ａ…ノズル、２…コイル（高周波コイル）、３…多孔質断熱材、３ａ…背面、３ｂ…スリット、４…回転ロール、１０…金属溶融装置、Ｒ…急冷リボン
【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】
2015135209.tif 000008
【図６】
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【図７】
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