(57)【要約】【課題】所望の減圧雰囲気で金属溶湯を冷却することにより、金属溶湯の冷却速度を一層向上させることができる急冷凝固装置を提供する。【解決手段】金属溶湯を吐出するノズルと、前記ノズルに対向する冷却ロールと、前記冷却ロールの回転軸に連結されている駆動機構と、少なくとも、前記ノズルの先端部及び前記冷却ロールを収納するチャンバと、前記チャンバに連結されている減圧ポンプと、前記チャンバの外部に設置され、かつ前記駆動機構に連結されている電動機と、を備える急冷凝固装置。【選択図】図１
2017140643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属溶湯を吐出するノズルと、
前記ノズルに対向する冷却ロールと、
前記冷却ロールの回転軸に連結されている駆動機構と、
少なくとも、前記ノズルの先端部及び前記冷却ロールを収納するチャンバと、
前記チャンバに連結されている減圧ポンプと、
前記チャンバの外部に設置され、かつ前記駆動機構に連結されている電動機と、
を備える急冷凝固装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属溶湯の急冷凝固装置に関する。本発明は、特に、減圧雰囲気中で金属溶湯を急冷凝固する装置に関する。なお、本発明において、金属は、純金属及び合金の両方を意味する。
【背景技術】
【０００２】
金属溶湯の急冷凝固装置としては、単ロール法を用いた装置と、双ロール法を用いた装置が挙げられる。
【０００３】
これらの急冷凝固装置については、様々な改良が行われている。例えば、特許文献１には、単ロール法を用いた装置の改良が開示されている。すなわち、特許文献１には、冷却ロールの回転軸方向に、冷却ロールを連続して往復運動させる急冷凝固装置が開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示された急冷凝固装置においては、冷却ロールに吐出される金属溶湯の位置が、常に、冷却ロールの回転軸方向に移動するため、冷却ロールの過熱が低減される。その結果、金属溶湯が比較的速い速度で冷却される。しかしながら、金属溶湯の組成によっては、所望の冷却速度が得られない。
【０００５】
例えば、軟磁性用アモルファス合金及びナノ結晶組織合金においては、その磁束密度を高めるため、合金中のＦｅの含有量が増加している。Ｆｅの含有量の多い合金溶湯から、アモルファス合金を得るには、冷却速度を一層向上させる必要がある。
【０００６】
冷却速度を向上させる方法として、単ロール法及び双ロール法のいずれについても、冷却ロールの回転速度を上昇させることが挙げられる。しかし、冷却ロールの回転速度が上昇すると、冷却ロールの円周表面近傍の空気が、冷却ロールの回転方向に流れるようになる。この空気の流れによって、ノズルから吐出された金属溶湯が、冷却ロールの回転方向に流れる。この金属溶湯の流れによって、金属溶湯が冷却ロールに接触している時間が短くなるため、金属溶湯の冷却速度が向上しない。
【０００７】
そこで、減圧雰囲気中で、冷却ロールに金属溶湯を吐出させることが試みられている。例えば、特許文献２には、減圧することができるチャンバを有する急冷凝固装置が開示されている。このチャンバの内部には、溶解炉、タンディッシュ、ノズル、冷却ロール、冷却ロールの駆動機構、及び電動機が設置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−０９４８１０号公報
【特許文献２】特開平１１−２５４１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２に開示された急冷凝固装置においては、電動機がチャンバ内に設置されているため、チャンバの内部を減圧し過ぎると、電動機の内部で真空放電が発生し易くなる。したがって、チャンバの内部の減圧には限界があり、それにより、金属溶湯の冷却速度は向上しない、という課題を本発明者らは見出した。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、所望の減圧雰囲気で金属溶湯を冷却することにより、金属溶湯の冷却速度を一層向上させることができる急冷凝固装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ね、本発明を完成させた。その要旨は、次のとおりである。
〈１〉金属溶湯を吐出するノズルと、
前記ノズルに対向する冷却ロールと、
前記冷却ロールの回転軸に連結されている駆動機構と、
少なくとも、前記ノズルの先端部及び前記冷却ロールを収納するチャンバと、
前記チャンバに連結されている減圧ポンプと、
前記チャンバの外部に設置され、かつ前記駆動機構に連結されている電動機と、
を備える急冷凝固装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、所望の減圧雰囲気で金属溶湯を冷却することにより、金属溶湯の冷却速度を一層向上させることができる急冷凝固装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の急冷凝固装置の一例を示す模式図である。
【図２】従来の急冷凝固装置の一例を示す模式図である。
【図３】冷却ロールの周速と金属溶湯の冷却速度の関係を示すグラフである。
【図４】金属溶湯の吐出経過時間と金属溶湯の冷却速度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る急冷凝固装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１５】
図１は、本発明の急冷凝固装置の一例を示す模式図である。図１に示すように、本発明の急冷凝固装置１００は、ノズル１０、冷却ロール２０、駆動機構３０、チャンバ４０、減圧ポンプ５０、第１電動機６０、及び第２電動機７０を備える。
【００１６】
（ノズル）
ノズル１０は、その先端部１２から金属溶湯１５を吐出することができれば、特に制限はない。単ロール法が適用されている急冷凝固装置のノズルを使用してもよい。
【００１７】
ノズル１０の材質は、金属溶湯１５の組成によって、適宜決定すればよい。ノズル１０が詰まることを回避するため、ノズル１０の材質は、金属溶湯１５と濡れ難い性質を有することが好ましい。
【００１８】
ノズル１０の先端部１２と反対側には、金属溶湯供給手段（図示しない）が連結されている。金属溶湯供給手段は、ノズル１０に金属溶湯１５を供給することができれば、特に制限はなく、例えば、タンディッシュが挙げられる。
【００１９】
（冷却ロール）
冷却ロール２０は、ノズル１０に対向して設置されている。冷却ロール２０は、回転軸２２を備える。
【００２０】
回転中の冷却ロール２０の円周表面２４に対して、ノズル１０の先端部１２から、金属溶湯１５が吐出される。
【００２１】
冷却ロール２０の材質については、回転中の冷却ロール２０の円周表面２４で、金属溶湯１５を急冷凝固することができれば、特に制限はない。銅製の冷却ロール２０が一般的である。
【００２２】
（駆動機構）
冷却ロール２０の回転軸２２には、駆動機構３０が連結される。駆動機構３０により、冷却ロール２０は、回転運動、及び随意に摺動運動をする。
【００２３】
回転運動とは、冷却ロール２０が、その円周方向に回転することをいう。冷却ロール２０の円周表面２４に金属溶湯１５が吐出されて、金属溶湯１５が急冷凝固されたとき、冷却ロール２０の回転運動により、急冷凝固片として、粉末、薄片、又は薄帯が得られる。粉末、薄片、及び薄帯のどの形態になるかは、金属溶湯１５の組成と冷却ロール２０の回転速度との組合せによって、適宜選択可能である。冷却ロール２０の回転速度と金属溶湯１５の冷却速度との関係については、後述する。
【００２４】
摺動運動とは、冷却ロール２０が、その回転軸方向に往復移動することをいう。摺動運動によって、冷却ロール２０に吐出される金属溶湯１５の位置が、常に、冷却ロール２０の回転軸方向に移動するため、冷却ロール２０の過熱が低減できる。その結果、金属溶湯１５の冷却速度は向上し、かつ、急冷凝固片の組織は、急冷凝固片の生成方向と直角の方向で均一になり易い。
【００２５】
駆動機構３０は、回転機構と摺動機構を備える。回転機構によって、冷却ロール２０は回転運動をし、摺動機構によって、冷却ロール２０は摺動運動をする。
【００２６】
回転機構は、回転伝達部材４１及び摺動運動吸収部材４２を備える。回転伝達部材４１の一端は冷却ロール２０の回転軸２２に連結されている。回転伝達部材４１の他端は摺動運動吸収部材４２に連結されている。摺動運動吸収部材４２は、第１電動機６０に連結されている。摺動運動吸収部材４２については、後述する。
【００２７】
摺動機構は、摺動架台４３、支柱４４ａ、４４ｂ、及び運動変換部材４５を備える。支柱４４ａ、４４ｂの一端は、摺動架台４３に取り付けられている。支柱４４ａと支柱４４ｂの間に、冷却ロール２０が存在する。支柱４４ａ、４４ｂの他端によって、冷却ロール２０の回転軸２２を、回転可能に支持する。このように支持するため、支柱４４ａ、４４ｂの他端には、軸受（図示しない）が設置されていることが好ましい。運動変換部材４５は、摺動架台４３と第２電動機７０の第２回転軸７２に連結されている。運動変換部材４５としては、回転運動を並進運動に変換できる機械要素であればよく、例えば、ボールねじが挙げられる。
【００２８】
第１電動機６０が回転すると、摺動運動吸収部材４２、回転伝達部材４１、及び回転軸２２を介して、冷却ロール２０が回転する。一方、第２電動機７０が回転すると、運動変換部材４５によって、第２電動機７０の第２回転軸７２の回転運動が並進運動に変換され、摺動架台４３が摺動運動する。それに伴い、冷却ロール２０の回転軸２２も摺動運動する。このとき、回転伝達部材４１も回転軸２２と同調して摺動運動するように、摺動運動吸収部材４２が作動することによって、回転伝達部材４１と回転軸２２との連結に支障をきたすことを回避する。回転運動している部材（回転軸２２）に、並進運動している部材（回転伝達部材４１）を連結する部材（摺動運動吸収部材４２）としては、例えば、ボールスプライン等が挙げられる。
【００２９】
（チャンバ）
チャンバ４０は、少なくとも、ノズル１０の先端部１２及び冷却ロール２０を収納する。このように収納することで、ノズル１０の先端部１２と冷却ロール２０の円周表面２４との間の空間を、減圧雰囲気にすることができる。図１に示した実施形態のように、チャンバ４０が、ノズル１０の先端部１２及び冷却ロール２０に加えて、ノズル１０の先端部１２以外及び駆動機構３０を収納してもよい。
【００３０】
（減圧ポンプ）
減圧ポンプ５０は、チャンバ４０に連結されている。チャンバ４０の内部を、所望の圧力に減圧することができれば、減圧ポンプ５０の種類に、特に制限はない。減圧ポンプ５０は、チャンバ４０の内部の圧力が、絶対圧で、３０ｋＰａ未満になるまで減圧できることが好ましい。この理由については、後述する。
【００３１】
（電動機）
第１電動機６０及び第２電動機７０は、チャンバ４０の外部に設置されており、かつ、駆動機構３０に連結されている。
【００３２】
第１電動機６０の第１回転軸６２は、第１シール部材６４の内径に挿通されている。第１シール部材６４の外径は、チャンバ４０に接続されている。
【００３３】
第１シール部材６４は、チャンバ４０の気密性が確保できれば、その構造等は、特に限定されない。第１シール部材６４は、例えば、次のような構造（図示しない）を備えていてよい。
【００３４】
第１シール部材６４は、貫通孔を設けたハウジングとパッキンとを備える。ハウジングの貫通孔の直径は、第１回転軸６２の直径よりも大きい。第１回転軸６２は、パッキンを介して、ハウジングの貫通孔に挿通されている。チャンバ４０に設けた貫通孔に、第１シール部材のハウジングを挿通し、ハウジングの外周とチャンバに設けた貫通孔の内周は溶接等で接合されている。
【００３５】
第２電動機７０の第２回転軸７２についても、第１電動機６０の第１回転軸６２と同様である。
【００３６】
（本発明の急冷凝固装置の動作及び作用効果）
本発明の急冷凝固装置の動作及び作用効果を、従来の急冷凝固装置と比較しながら説明する。図２は、従来の急冷凝固装置の一例を示す模式図である。
【００３７】
本発明の急冷凝固装置１００について、第１電動機６０及び第２電動機７０を回転すると、駆動機構３０及び冷却ロール２０の回転軸２２を介して、冷却ロール２０が回転運動及び摺動運動する。そして、減圧ポンプ５０が動作すると、チャンバ４０の内部が減圧される。
【００３８】
一方、従来の急冷凝固装置５００について、第１電動機５６０及び第２電動機５７０を回転すると、駆動機構５３０及び冷却ロール５２０の回転軸５２２を介して、冷却ロール５２０が回転運動及び摺動運動する。そして、減圧ポンプ５５０が動作すると、チャンバ５４０の内部が減圧される。
【００３９】
しかし、チャンバ５４０の内部の圧力が、絶対圧で、３０ｋＰａ未満になると、第１電動機５６０及び／又は第２電動機５７０の内部で、真空放電が発生し始める。したがって、チャンバ５４０の内部の圧力を、絶対圧で、３０ｋＰａ以上にする必要が生じる。
【００４０】
その結果、冷却ロール５２０の回転速度を上昇させても、冷却ロール５２０の円周表面５２４近傍の空気が、冷却ロール５２０の回転方向に流れるようになる。この空気の流れによって、ノズルから吐出された金属溶湯５１５が、冷却ロール５２０の回転方向に流れる。この金属溶湯５１５の流れによって、金属溶湯５１５が冷却ロールに接触している時間が短くなるため、金属溶湯５１５の冷却速度が向上しない。
【００４１】
これに対し、本発明の急冷凝固装置１００は、第１電動機６０及び第２電動機７０がチャンバ４０の外部に設置されているため、チャンバ４０の内部の圧力に関わらず、第１電動機６０及び第２電動機７０の内部で真空放電が発生することはない。その結果、従来の急冷凝固装置５００を使用した場合と比べて、より真空に近い状態で金属溶湯１５を冷却できる。
【００４２】
その結果、冷却ロール２０の回転速度を上昇させても、冷却ロール２０の円周表面２４近傍の空気が、冷却ロールの回転方向に流れることを低減できる。これにより、冷却ロール２０の回転速度を上昇させると、金属溶湯１５の冷却速度を一層向上させることができる。
【００４３】
（本発明の急冷凝固装置の変形）
本発明の急冷凝固装置１００は、特許請求の範囲で特定された範囲内であれば、変形されてもよい。
【００４４】
例えば、冷却ロール２０の摺動運動が不要な場合には、駆動機構３０のうち、摺動機構を省略してもよい。
【００４５】
また、図１に示した実施形態のように、ノズル１０の全体、冷却ロール２０、及び駆動機構３０の全てが、チャンバ４０の内部に収納されている必要はなく、少なくともノズル１０の先端部１２及び冷却ロール２０さえチャンバ４０の内部に収納されていればよい。
【００４６】
例えば、ノズル１０の先端部１２がチャンバ４０の内部に収納されていれば、ノズル１０の先端部１２と反対側は、チャンバ４０の外部にあってもよい。このようにすることで、ノズル１０への金属溶湯１５の供給は容易になる。なお、この際、チャンバ４０に貫通孔を設け、その貫通孔にノズル１０を挿通し、チャンバ４０の貫通孔の内周とノズル１０の外周とを、溶接等で密閉することは、いうまでもない。
【００４７】
また、駆動機構３０の一部は、次のように変形されてもよい。例えば、第１回転軸６２を冷却ロール２０と反対側に延長し、第１回転軸６２の一部と摺動運動吸収部材４２とを、チャンバ４０の外部に設置してもよい。この場合、第１シール部材６４は、摺動運動吸収部材４２よりも冷却ロール２０側に備えられる。そして、摺動運動吸収部材４２よりも冷却ロール２０側の第１回転軸６２は、第１シール部材６４に挿通される。また、回転伝達部材４１は、摺動運動吸収部材４２よりも冷却ロール２０側の第１回転軸６２に連結される。さらに、他の実施態様として、摺動運動吸収部材４２が、チャンバ４０の内部に収納されている部分と、チャンバ４０の外部に突出している部分とを有するように、摺動運動吸収部材４２を設置してもよい。この場合、摺動運動吸収部材４２がチャンバ４０を貫通する。そして、摺動運動吸収部材４２が回転運動及び摺動運動できるように、貫通部はシールされる。そのようにシールする方法として、例えば、摺動運動吸収部材４２と第１シール部材６４を一体化する方法が挙げられる。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明を実施例及び参考例により、さらに具体的に説明する。なお、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００４９】
実施例として、本発明の急冷凝固装置１００を使用して、Ｆｅ−Ｂ系の薄帯を作製した。チャンバ４０の内部の圧力は、絶対圧で、５ｋＰａとした。冷却ロール２０の回転速度は、周速で、２０〜７５ｍ／秒とした。また、金属溶湯１５の吐出経過時間は、１００〜６００秒とした。
【００５０】
参考例として、従来の急冷凝固装置５００を使用して、チャンバ５４０の内部の圧力が、絶対圧で、６５ｋＰａであること以外、実施例と同様に薄帯を作製した。なお、薄帯の作製中、第１電動機５６０及び第２電動機５７０のいずれについても、それらの内部で、真空放電は発生していなかった。
【００５１】
結果を、図３及び図４に示す。図３は、冷却ロールの周速と金属溶湯の冷却速度の関係を示すグラフである。図４は、金属溶湯の吐出経過時間と金属溶湯の冷却速度の関係を示すグラフである。
【００５２】
図３及び図４に示した金属溶湯の冷却速度については、赤外線カメラを用いて、凝固前後の金属溶湯の温度を測定し、その測定結果から、金属溶湯の冷却速度を算出した。
【００５３】
図３における金属溶湯の冷却速度は、従来の急冷凝固装置５００を使用し、冷却ロール５２０の周速を２０ｍ／秒で薄帯を作製した際の金属溶湯５１５の冷却速度を１としたときの割合で示した。
【００５４】
図４における金属溶湯の冷却速度は、従来の急冷凝固装置５００を使用し、吐出経過時間を１００秒として薄帯を作製した際の金属溶湯５１５の冷却速度を１としたときの割合である。
【００５５】
図３から分かるように、従来の急冷凝固装置５００を使用した場合には、冷却ロール５２０の周速が約５０ｍ／秒で、金属溶湯５１５の冷却速度が飽和した。これは、冷却ロール５２０の周速が上昇することによって、冷却ロール５２０の円周表面５２４近傍で空気の流れが発生しているためである。一方、本発明の急冷凝固装置１００を使用した場合には、冷却ロール２０の周速が約５０ｍ／秒を超えても、金属溶湯１５の冷却速度は、さらに向上した。これは、冷却ロール２０の周速が上昇しても、冷却ロール２０の円周表面２４近傍で、空気の流れが発生しないためである。
【００５６】
図４から分かるように、従来の急冷凝固装置５００を使用した場合には、吐出経過時間が長くなると、金属溶湯５１５の冷却速度が低下する。これは、冷却ロール５２０の円周表面５２４近傍の空気の流れによって、冷却ロール５２０と金属溶湯５１５の密着性が良好でなく、金属溶湯５１５の冷却能力に劣るからである。一方、本発明の急冷凝固装置１００を使用した場合には、吐出経過時間が長くなっても、金属溶湯１５の冷却速度は低下しない。これは、冷却ロール２０の円周表面２４近傍の空気の流れが低減されているため、冷却ロール２０と金属溶湯１５の密着性が良好で、金属溶湯１５の冷却能力に優れるためである。
【００５７】
以上の結果から、本発明の効果を確認できた。
【符号の説明】
【００５８】
１０、５１０    ノズル
１２、５１２    先端部
１５、５１５    金属溶湯
２０、５２０    冷却ロール
２２、５２２    回転軸
２４、５２４    円周表面
３０、５３０    駆動機構
４１、５４１    回転伝達部材
４２    摺動運動吸収部材
４３、５４３    摺動架台
４４ａ、４４ｂ、５４４ａ、５４４ｂ    支柱
４５、５４５    運動変換部材
５０、５５０    減圧ポンプ
６０、５６０    第１電動機（電動機）
６２、５６２    第１回転軸
６４    第１シール部材
７０、５７０    第２電動機（電動機）
７２、５７２    第２回転軸
７４    第２シール部材
１００    本発明の急冷凝固装置
５００    従来の急冷凝固装置
【図１】
2017140643.tif 000003
【図２】
2017140643.tif 000004
【図３】
2017140643.tif 000005
【図４】
2017140643.tif 000006