JP5168211B2 - 急冷凝固薄帯鋳造用ノズル - Google Patents

Description

本発明は、電力トランス、高周波トランス等に用いる非晶質合金薄帯の鋳造に好適な急冷凝固薄帯鋳造用ノズルに関する。

従来、非晶質合金薄帯（以下、薄帯ということがある）を鋳造する方法としては、回転する冷却ロール表面に、近接させたノズルから溶融合金を噴出させることにより、溶融合金を急冷凝固させ連続的に非晶質合金薄帯を得る単ロール法が一般的に用いられている。工業的規模で製造する際には、通常この急冷凝固された非晶質薄帯を巻取装置にて巻取って回収する。この単ロール法において製造される非晶質薄帯で重要なことは、板厚の均一性と共に表面性状である。この表面性状は、単板での非晶質合金薄帯の磁気特性だけでなく、電力トランス等にはコアのように積層して使用されるため、コア特性をも左右する。薄帯性状を支配する重要な製造因子は、ノズル形状、ノズルと冷却ロール表面との間の距離（以下、ギャップ）、溶融合金のノズルからの噴出圧、及び冷却ロール表面の移動速度であり、なかでも安定した鋳造を実現するために、ノズル形状についてはこれまで種々の提案がされている。

例えば、特許文献１に記載の技術では、前リップにおけるロール表面の進行方向の幅と、ノズルのスリット幅との関係を規定している。また、特許文献２に記載の技術では、ノズルのスリット幅と、前リップ及び後リップにおける底面の厚みとを規定している。

さらに、特許文献３に記載の技術では、ノズルの幅方向の両側にあるノズル壁をノズル内部側に傾斜させ、溶融合金が噴出されている溜まり部分（以下、パドル）を直接観測できるようにしている。そして、観測結果に基づいて、ノズルと冷却ロール表面とのギャップや溶融合金の射出圧を調整している。

特開昭６１−１５９２４６号公報 特開平３−７７７５１号公報 特開平１０−２６３７６１号公報

単ロール法では、表面性状の良好な非晶質薄帯を得るためには、前述のギャップを小さくする必要がある。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載のノズルの形状では、小さなギャップで非晶質合金薄帯を製造する際に、薄帯にキズが生じることを十分には防止できない。

また、特許文献３に記載の技術では、パドルに異常が発生した場合、パドルの異常は急激に進行するため、観測した後にギャップや射出圧を調整しても間に合わないことがある。さらには、ギャップや射出圧を変更すると、鋳造される薄帯において表面形状などの特性が変化することがあり、薄帯を安定して鋳造することができない。

本発明は前述の問題点に鑑み、単ロール法において、電力トランス、高周波用トランス等に用いられる磁気特性の良好な非晶質合金薄帯を安定して鋳造することができる急冷凝固薄帯鋳造用ノズルを提供することを目的としている。

本発明は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、以下の構成を要旨とする。
（１）冷却ロールの回転方向の前方に位置する前リップと、前記冷却ロールの回転方向の後方に位置し、前記前リップとの間に溶融合金が通流するスリットを形成する後リップと、を有し、前記スリットが延びる方向に垂直な平面であって前記スリットの前記溶融合金の排出口を通る基準面に対し、少なくとも前記前リップの前記溶融合金の排出側の端面は、前記前リップと前記スリットとの境界から、前記冷却ロールから離間する方向に傾斜しており、前記端面と前記基準面とがなす角度は、５°〜４５°であることを特徴とする急冷凝固薄帯鋳造用ノズル。
（２）前記前リップ、及び後リップの厚さが少なくとも０．２ｍｍであることを特徴とする（１）に記載の急冷凝固薄帯鋳造用ノズル。
（３）前記スリットの厚みが０．３ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の急冷凝固薄帯鋳造用ノズル。
（４）（１）〜（３）の何れかに記載の急冷凝固薄帯鋳造用ノズルから溶融合金を回転している冷却ロールに噴射する工程と、前記冷却ロールの表面において前記溶融合金を凝固させる工程と、を有することを特徴とする非晶質薄帯の製造方法。

本発明によれば、薄帯破断を発生させることなく安定的に長時間の連続鋳造が可能となり、また表面性状も良好な非晶質合金薄帯の製造が可能となる。

非晶質合金薄帯を鋳造する単ロール法の概要を説明する図である。 本発明の実施形態に係るノズルの詳細な構造の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るノズルにおける前リップ及び後リップの構造例を示す図である。 本発明の実施形態に係るノズルにおける前リップ及び後リップの他の構造例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、非晶質合金薄帯を鋳造する単ロール法の概要を説明する図である。
図１に示すように、高速回転している冷却ロール５の円周面に、ノズル４の開口面を接近させている。タンディッシュ１内のストッパー３を上げると、溶融合金２は、冷却ロール５の円周面に噴出される。噴出された溶融合金２は冷却ロール表面上で急冷凝固し、非晶質合金薄帯６が得られる。非晶質合金薄帯６は、冷却ロール５に近接して設けた巻取ロール７に巻き取られる。

図２は、本実施形態に係るノズル４の詳細な構造の一例を示す図である。
図２に示すように、ノズル４には、溶融合金２が通流するスリット４３が形成されている。そして、スリット４３よりも冷却ロール５の回転方向（進行方向）の前方に位置する部分である前リップ４１の溶融合金２の排出側の端面４４が傾斜面となっている。つまり、スリット４３が延びる方向（溶融合金２が通流する方向）に垂直な平面であってスリット４３の排出口４６を通る基準面４５が、冷却ロール５の溶融合金２が噴射される部分の表面とほぼ平行になるが、端面４４は基準面４５から角度θ（θ＞０°）だけ冷却ロール５から離間する方向に傾斜している。一方、スリット４３よりも冷却ロール５の回転方向（進行方向）の後方に位置する部分である後リップ４２の溶融合金２の排出側の端面は基準面４５とほぼ平行になっている。

ここで、前リップに傾斜を付けた理由について説明する。本発明者らは、鋳造時のノズル部分の詳細な観察を行い、薄帯破断の発生原因を調査した。その結果、薄帯の製造開始時には、ノズルから噴射された溶融合金の一部が飛散して前リップ底面に付着する現象が観察された。また、付着物は製造時のパドルの乱れによっても形成され、これらの付着物は薄帯の製造の進行に伴い成長していた。

付着物が発生しても、それだけでは薄帯に影響が及ぶことはないが、付着物が成長して薄帯に接触すると、薄帯にキズが生じ、このキズが部分的なものであっても、キズを起点として薄帯破断が発生していた。

また、付着物が大きい場合は冷却ロールに接触し、薄帯にキズが生じるだけでなくノズルの破壊も生じた。

従来のノズルを用いる場合、付着物が接触しないようにギャップを大きく保持しない限りは、これらの現象を回避することはできない。しかし、ギャップを大きくした分、溶融金属に空気を巻き込みやすくなり、薄帯の表面性状が劣化し、薄帯の特性が劣化してしまう。

そこで、溶融合金の噴出圧を増加することも考えられるが、板厚が厚くなり部分的に結晶化し、脆くなるばかりでなく磁気特性も劣化する。

このような理由から、本実施形態では、前リップに傾斜を付けている。すなわち、本実施形態においては、前リップ４１の端面４４が基準面４５から角度θだけ傾斜している。そして、このような傾斜が設けられているため、付着物２１が発生しても、付着物２１が非晶質合金薄帯６に接触しにくい。これにより、ギャップを小さくして空気を巻き込まないようにしながら、安定して表面性状および磁気特性の良好な非晶質合金薄帯を鋳造することができる。

なお、端面４４を傾斜面とせずに、前リップ４１のギャップを後リップ４２のギャップよりも大きくしただけでは、前リップ４１側に溶融合金２が溢れやすくなり、パドルが不安定となってしまう。そのため、薄帯を安定して鋳造することができない。

ここで、角度θは、５°〜４５°であることが望ましい。角度θが５°未満であると、ギャップを小さくした場合に、付着物が薄帯と接触することがある。一方、４５°を超えると、前リップ４１の先端部分に対する熱衝撃の負荷が大きくなり、前リップ４１が欠損することがある。さらには後リップ４２との位置合わせの精度を確保しにくくなることもある。したがって、角度θは５°〜４５°であることが望ましい。また、破断をより確実に防止するためには、角度θは７°〜４５°であることがさらに望ましく、さらに望ましい角度θは１０°〜４５°である。

また、前リップ４１及び後リップ４２の厚さＷ₁、Ｗ₂は、０．２ｍｍ以上であることが望ましい。前リップ４１及び後リップ４２の厚さＷ₁、Ｗ₂が０．２ｍｍ未満であると、各リップを精度良く加工することが困難になることがある。さらに、特に先端部分においては、熱衝撃の負荷が大きくなり、前リップ４１及び後リップ４２が欠損することがある。なお、前リップ４１及び後リップ４２の厚さが大きいとコストが多くかかるため、実用的な観点から、前リップ４１及び後リップ４２の厚さＷ₁、Ｗ₂は、０．２ｍｍ〜２０ｍｍであることがさらに望ましい。

なお、図３に示すように、後リップ４２の先端部が突起状になっていてもよい。このような構成によれば、材料のコストを低減することができる。この場合、先端部の厚さＷ₄は０．２ｍｍ以上であることが望ましい。また、図４に示すように、前リップ４１及び後リップ４２の先端部が突起状になっていてもよい。この場合も先端部の厚さＷ₃、Ｗ₄は０．２ｍｍ以上であることが望ましい。

また、溶融合金２を冷却ロール５に噴射し、パドルの形状を安定させるために、スリット厚さＷは、０．３ｍｍ〜２ｍｍであることが望ましい。スリット厚さＷが０．３ｍｍ未満であると、スリット４３内を溶融合金２が通流しにくくなり、安定して薄帯を鋳造することが困難になることがある。また、スリット厚さＷが２ｍｍを超えると、ギャップを小さくしてもパドルの形状が不安定なものとなって、安定した表面性状を維持することが困難になることがある。なお、より安定して薄帯を鋳造するためには、スリット厚さＷは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍであることがさらに望ましい。

なお、端面４４は平面である必要はなく、端面４４と基準面４５との間隔がスリット４３から離間するほど大きくなっていればよい。つまり、端面４４が曲面であってもよい。ただし、ノズル４をセラミックス製とする場合は、加工効率上、平面とすることが望ましい。また、後リップの端面も傾斜を付けることが考えられるが、加工が多くなるだけであり、傾斜を付加しても、しなくても構わない。

以下、本発明の実施例について説明する。
図１に示した装置において、ノズル４として窒化珪素製であり端面の傾斜の角度が６°の前リップを備えたもの（サンプルNo.1）を用いた。このとき、前リップ及び後リップの厚さは、１０ｍｍであり、スリット厚さを０．８５ｍｍとした。そして、組成が原子％でＦｅ：８０．５％、Ｓｉ：６．５％、Ｂ：１２．０％、Ｃ：１．０％の溶融合金２をタンディッシュ１に供給し、ストッパー３を引き上げて、直径１１９８ｍｍ、ロール幅２５０ｍｍの冷却ロール５に向けてスリット厚さ０．８５ｍｍ、スリット幅１７０ｍｍの矩形スリット状のノズル４の排出口４６から溶融合金２を噴射した。なお、噴射する際に、冷却ロール５の周速は２１ｍ／ｓとし、ギャップを２００μｍとした。

以上のような条件により、板幅が１７０ｍｍ、板厚が約３０μｍの非晶質合金薄帯を鋳造し、破断発生率を調査した。また、同じ窒化珪素製であり端面の傾斜角度θが１２°、２６°、４５°の前リップを備えたもの（サンプルNo.2〜4）についても同様に実験を行い、それぞれの条件で鋳造された非晶質合金薄帯の破断発生率も調査した。なお、破断発生率は、鋳造回数に対して、破断が発生した鋳造回数の割合である。

また、比較例として、同じ窒化珪素製であり端面の傾斜角度θが０°のもの（サンプルNo.5）についても同様に実験を行い、破断発生率を調査した。それぞれの測定結果を以下の表１に示す。

表１に示すように、傾斜角度θが０°のノズルを用いた場合は、ギャップを２００μｍに設定すると、ほぼ１００％破断が生じた。これに対して、傾斜角度θが１２°、２６°、４５°のノズルを用いた場合は、破断が全く発生しなかった。また、傾斜角度θが６°のノズルを用いた場合は、破断発生率が１０％となり、破断が少なかった。

また、何れのサンプルにおいても表面性状および磁気特性については良好な結果が得られた。

以上のように本実施例によれば、２００μｍのギャップにより非晶質合金薄帯を鋳造した場合においても、薄帯破断がほとんど発生せず、表面性状の優れた非晶質合金薄帯を安定して鋳造することができるといえる。これにより、磁気特性の良好な非晶質合金薄帯を安定して鋳造することができるといえる。

１ タンディッシュ
２ 溶融合金
３ ストッパー
４ ノズル
５ 冷却ロール
６ 非晶質合金薄帯
７ 巻取ロール
２１ 付着物
４１ 前リップ
４２ 後リップ
４３ スリット
４４ 端面
４５ 基準面
４６ 排出口

Claims (4)

1. 冷却ロールの回転方向の前方に位置する前リップと、
   前記冷却ロールの回転方向の後方に位置し、前記前リップとの間に溶融合金が通流するスリットを形成する後リップと、
   を有し、
   前記スリットが延びる方向に垂直な平面であって前記スリットの前記溶融合金の排出口を通る基準面に対し、少なくとも前記前リップの前記溶融合金の排出側の端面は、前記前リップと前記スリットとの境界から、前記冷却ロールから離間する方向に傾斜しており、
   前記端面と前記基準面とがなす角度は、５°〜４５°であることを特徴とする急冷凝固薄帯鋳造用ノズル。
2. 前記前リップ、及び後リップの厚さが少なくとも０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の急冷凝固薄帯鋳造用ノズル。
3. 前記スリットの厚みが０．３ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の急冷凝固薄帯鋳造用ノズル。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の急冷凝固薄帯鋳造用ノズルから溶融合金を回転している冷却ロールに噴射する工程と、
   前記冷却ロールの表面において前記溶融合金を凝固させる工程と、
   を有することを特徴とする非晶質薄帯の製造方法。

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