JPS6254577B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は移動する冷却基板の表面に溶融金属を
噴射衝突させ、急冷凝固することによつて金属薄
帯および線を直接製造する方法に関するものであ
る。

（従来技術） 金属（合金）を溶融状態から急冷して連続的に
薄帯または線をつくる方法として基本的なものに
遠心急冷法、単ロール法で代表される片面冷却法
がある。この方法は回転する金属製ドラムの内周
面又は外周面に溶融金属のジエツトを噴出して急
冷凝固させ、一気に金属の薄帯や細線を作るもの
である。この方法によれば冷却速度がきわめて早
いので、合金組成を適正に選ぶならば非晶質金属
が得られる。

従来の片面冷却法のおいて、鋳造中に制御すべ
き主たるパラメータは１溶湯を噴出する圧力、２
冷却基板（ロール、ドラム、ベルトなど）の移動
速度、３ノズルと基板の間隔、の３つであること
は周知である。

非晶質金属を作製する場合、用いるノズル開口
部の形状（スロツト状の場合、移動方向の長さ）
と製品板厚の目標値に応じて経験的に適当なパラ
メータ値が選ばれるのが常であつた。

例えば、スロツト巾0.6mmのノズルを用いて組
成Fe₈₀.₅Si₆.₅B₁₂C₁（at％）の板厚約30μｍの薄
板をつくる場合、１噴出圧0.22Kg／cm²、２移動速
度24ｍ／sec、３ノズル−基板間隔0.15mmが条件
として選ばれ、通常所定の板厚の薄帯が得られ
た。

しかしながら、合金の種類によつては上記パラ
メータをいかに変化させても、期待される形状寸
法はおろか、連続した薄帯あるいは線すら得られ
ない場合があることが分つた。その後、このよう
な例は作ろうとする薄帯あるいは線が非晶質、結
晶質を問わず特殊な事例ではないことも明らかと
なつた。

例えば、けい素鋼の急冷薄帯を単ロール法によ
つてつくる際、非晶質合金の場合と同じように製
造パラメータを設定してもよい形状、表面性状の
薄帯は得られない。製品の形状は波を打ち、たて
に裂け目ができたり、表面が酸化して変色してい
ることが多かつた。ステンレス鋼および炭素鋼の
場合にも同様の現象が認められた。

また、非晶質合金に対しても上記３つの製品パ
ラメータの選定だけでは材質のよい薄帯がつくれ
ない場合があつた。そのような傾向はFe基合金
の場合、Feの組成の低い合金に強く、製品は一
般に脆く表面の粗いものとなつた。

このように従来の片面冷却法において、製造パ
ラメータと考えられている上記３つのパラメータ
およびノズル開口部の寸法の適正化だけでは望む
形状、材質の金属薄帯または線を作ることができ
ない事例が数多くあることが分つてきた。

（発明が解決しようとする問題点） 単ロール法など片面冷却法を用いて、従来採ら
れてきた製造条件だけでは形状および材質のよい
薄帯や線が得られない金属に対して、良好な形状
および材質の薄帯または線を製造する条件および
具体的方法を提供する。

（問題を解決するための手段・作用） 本発明の方法は、金属の溶湯を、移動する冷却
基板例えば回転するCu、Cu合金、Fe合金あるい
はNiやFe，CrなどのメツキしたCu、Cu合金など
で作られた単一ロールあるいはベルト外周面もし
くは円筒ドラムの内周面の上に噴出し、急冷凝固
させることにより金属の薄帯を製造するものであ
る。

このとき用いる溶湯噴出用のノズルは冷却基板
に対向する底面に開口部を有するもので、所望の
製品形状によつて開口部の形は第２図に示すよう
にいろいろなタイプのものから選ばれる。幅広の
薄帯を製造する場合には一般に矩形状（スロツ
ト）を用い、幅広で厚い板厚が欲しいときはスロ
ツトを基板移動方向に複数個並べたものを使う。
断面が偏平な線が欲しいときは、丸孔ノズルを用
い、１度に多量に作りたいときは、それを移動方
向と直角方向に多数並べたものを用いる。断面が
丸い線をつくるときは丸孔ノズルを基板移動方向
に並べたものを用いる。

以上説明した合金薄帯または線の製造方法にお
いて、本発明の最大の特徴とするところは、基板
の表面を瞬間加熱が可能なエネルギ密度の高い方
法で加熱しながら鋳造することである。

鋳造に際し基板の表面を加熱すること自体は公
知に属する。例えば特開昭55−5111号公報には、
基板（ロール）を回転しながら、予熱器を用いて
予熱する方法が開示されており、また特開昭59−
35860号公報にはロール上に溶湯を噴出させる前
に別の溶融体をロールの表面に噴出させて冷却ロ
ール表面温度を適正にしておくことが示されてい
る。また特開昭57−121860号公報にはロール内面
を水冷することによつてロール表面温度を115℃
以上に保持することが示されている。

本発明はこれら公知の方法と同様に基板温度を
適正範囲に保持するために加熱しながら鋳造する
ものであるが、例えばレーザ、赤外線等高エネル
ギ密度の熱源を用い、しかも加熱する位置は噴出
された溶湯が基板上で形成する湯溜り（パドルと
呼ぶ）の後方、すなわち薄帯又は線の出側と反対
方向で、パドルになるべく近い位置が好ましい。

このような高密度のエネルギの照射によつて基
板表面の温度は上昇し、鋳造される金属の種類に
応じた適切な温度に高められる。適切な基板温度
とは例えば特開昭58−358号公報に開示される温
度で、溶湯と基板のぬれ性を良くし、熱の伝達を
高めることにより冷却速度が最も大きくなる温度
のことである。

本発明において基板温度を高めるためにレーザ
光などの高密度エネルギを用いる理由は、基板の
表面層のみの加熱が可能だからである。低密度エ
ネルギによる加熱では高速で移動する冷却基板の
表面温度を高める効果が小さい。低密度エネルギ
を用いる場合、所定の温度に高めるためには熱接
触の面積を広くとらなければない。しかし基板は
一般に熱伝導のよい物質で作られているから熱は
内部に拡散し、表面温度は上らない。もし無理に
温度を上げようとすると、表面だけでなく内部の
温度も上がり、基板はほとんど冷却機能を果さな
くなる。

なお、レーザ光および赤外線はエネルギの空気
中での伝搬が可能である。したがつて、照射エネ
ルギを高速で移動する冷却基板に非接触で供給で
き、ノズルに近接した所要の位置に向けることが
できる。なお、この場合レーザ光をデフオーカス
ビームとし、さらに、シリンドリカルレンズを用
いて、矩形状にすることが好ましい。

本発明のもう一つの要件は、高密度エネルギ照
射位置をパドルの後方、直ぐ近くとすることであ
る。照射位置がパドルから離れるほど熱は内部に
拡散し、表面層の温度を高める効率を低下させる
と同時に基板の冷却効果も低下させることにな
る。適切な照射位置は一般に入射エネルギの密度
および照射面積と要求される表面温度によつて決
められるが、その他に基板の反射率などにも依存
する。反射率は基板の表面性状によつて大きく変
化するので、鋳造毎に、使われる基板の種類、研
磨後の表面粗さなどを考慮して照射条件を設定す
る。鋳造中の反射率の変化は基板の別の位置でオ
ンライン計測が可能であり、それをフイードバツ
クして照射条件を制御することもできる。

一般に、冷却基板の表面は滑らかに仕上げられ
ている。したがつて、照射エネルギとして波長の
長いCO₂レーザ（波長は10.6μｍ）または赤外線
（波長は約１〜1000μｍ）を用いた場合、冷却基
板表面で鏡面反射し、エネルギの吸収効率は低
い。そこで、この発明では高い反射率をもつた凹
面鏡または平面鏡を冷却基板に近接して配置し、
鏡面と冷却基板表面との間の多重反射を利用して
実効吸収率を高めるようにしている。

本発明の高密度エネルギの照射は冷却速度の向
上をもたらしたが、同時に製造される薄帯の表面
性状に対しても著しい効果を示すことが見い出さ
れた。すなわち、薄帯の表面は基板側の面および
自由面とも著しく滑らかになつた。これは単に基
板面の温度上昇による効果だけでなく、パドルの
直ぐ近くにおける照射により基板面の清浄化がな
され、再び汚染される間がなく溶湯と接触するた
めと、ロール表面に張りついた空気の層を加熱膨
張させることにより巻き込み空気によるエアポケ
ツトの形成を低く抑えるためと推定される。

（実施例） 第１図はこの発明の方法を実施する装置の一例
を示す装置概略図である。

ロール１はCu合金製で直径1000mmφ、幅200mm
であり、駆動軸２により回転駆動される。

ロール１の直上にるつぼ３が配置されており、
るつぼ３の底部にノズル５が設けられている。ノ
ズル５の開口部６を第２図に示す。第２図ａは幅
広の薄帯、第２図ｂは幅広で厚い板厚、第２図ｃ
は断面が偏平な線、および第２図ｄは断面が丸い
線の製造にそれぞれ用いられるノズル開口部６を
示している。

るつぼ３の後方（上流側）に隣接してレーザ装
置９が配置されており、レーザ光は集光レンズ１
０によりロール１表面にレーザ光が集光される。

るつぼ３の下流には冷却水噴射装置１３および
水切りロール１５が配置されており、更に下流に
ブロワー１７が配置されている。

上記のような装置において、組成
Fe₈₀.₅Si₆.₅B₁₂C₁（at％）の溶融金属を３重のス
ロツト状の開口部（幅d0.4mm、長さl25mm、間隔
a1mm）から噴出して薄帯に鋳造した。製造条件は
噴出圧0.35Kg／cm²、ロール周速25ｍ／sec、ロー
ル１とノズル５面との間隔0.2mmで行なつた。

噴射された溶融金属Ｍはロール１表面に接して
急冷され、剥離され薄帯Ｓとなる。薄帯Ｓが剥離
さえたロール１は冷却水噴射装置１３からの冷却
水により冷却され、水切りロール１５およびブロ
ワー１７により水切り、乾燥される。そして、る
つぼ３の直前においてレーザー光により所要の温
度まで高められる。この結果鋳造の開始時から適
正ロール温度で鋳造できるので薄帯の性状、特性
のすぐれて安定した材料を得ることができる。ま
た冷却能の向上にともない非晶質化できる限界板
厚の拡大につながる。

第３図は冷却基板表面の実質吸収率を高める方
法を説明するものである。同図に示すようにレー
ザ照射装置は集光レンズ１０を内部に取り付けた
筒状のケーシング２１を備えている。ケーシング
２１の底面は金めつきされた凹面鏡２３となつて
いる。レーザ光は凹面鏡２３の中央の穴２４より
ロール１表面に導かれる。レーザビームは穴２４
上で集光し、集光後のレーザビームがロールに照
射される。この穴はビーム径よりは大きくなけら
ばならないが、可能な限り小さくすることが望ま
しい。凹面鏡２３の背後は空洞２５となつてお
り、ここに冷却水が通される。また、ケーシング
２１には窒素ガスなどの補助ガス導入穴２６が設
けられており、補助ガスはロール１の表面と凹面
鏡２３との間に導かれ、ロール１表面の加熱によ
る酸化を防止する。

上記のように構成された装置において、ロール
１表面に照射されたレーザ光はロール１表面と凹
面鏡２３との間で多重反射される。この結果、ロ
ール１表面は凹面鏡２３下を通過する間、レーザ
光が照射されることになり、照射されたレーザ光
のほとんどがロール１表面に吸収されることにな
る。

第４図は冷却基板表面の実質吸収率を高める他
の方法を説明するものである。この例ではレーザ
照射装置は箱型の鏡本体３１を備えており、鏡本
体３１の底面は金めつきされた平面鏡３３で反射
率が１に近くなつている。鏡本体３１の内部は空
洞３５となつており、ここに冷却水が通される。

鏡３１の先端はノズル５に近接しており、ロー
ル１表面との隙間ｇが0.1mm以下となるように配
置されている。そして、ビーム径が３〜５のレー
ザ光が鏡面に対し入射角２〜６度で照射される。
照射されたレーザ光はロール１表面と平面鏡３３
との間で多重反射し、ほとんどがロール１表面に
吸収される。

ここで、ロール表面の実質吸収率について説明
する。

レーザの投入エネルギをE₀、ロール表面に吸
収されるエネルギをE₁、吸収率をαとすると、
実質吸収率α_eはα_e＝E₁／E₀×100（％）とな
る。

ところで、レーザ光は平面鏡内面あるいは鏡本
体の表面とロール表面との間で多重反射するので
実質吸収率α_eは α_e＝α＋（１−α）α＋（１−α）^２α＋…≒
１ となる。

第５図は平面鏡３３のとロールとによつて形成
されるＶスロートの頂点からロール１表面に沿い
後方に向かつて測つた距離ｘと吸収率との関係の
一例を示している。

なお、第３図および第４図に示した方法は、赤
外線を照射する場合にも適用される。

（発明の効果） この発明では、鋳造中の基板温度を適正範囲に
保持するために、ノズルの後方の基板面に高密度
エネルギを照射して表面層のみを急速加熱するよ
うにしている。したがつて、溶湯と基板のぬれ性
が良くなり、熱の伝達が高くなることにより冷却
速度が大きくなる。この結果、良好な形状および
材質の薄帯または線を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法を実施する装置の一例
を示す装置概略図、第２図はノズル開口部の形状
を示す図面、第３図および第４図はレーザ光の実
効吸収率を高める方法を説明する図面、ならびに
第５図はロール表面の位置と吸収率との関係の一
例を示すグラフである。 １……ロール、３……るつぼ、５……ノズル、
６……ノズル開口部、９……レーザー装置、２３
……凹面鏡、３３……平面鏡、Ｍ……溶融金属、
Ｓ……薄帯。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属（合金）の溶湯を移動する冷却基板の表
   面に噴出し、急冷凝固させることにより金属（合
   金）の薄帯および線を鋳造する方法において、鋳
   造中、ノズルから流出する溶湯が接触する位置に
   おける基板面の温度を適正範囲に保持するため
   に、ノズルの後方の基板面に微小なレーザ導入穴
   を備えた凹面鏡又は平面鏡を用いてレーザ又は赤
   外線を多重反射させる方法によりレーザ又は赤外
   線のエネルギ吸収効率を高めた高密度エネルギを
   照射して表面層のみを急速加熱することを特徴と
   する金属（合金）薄帯および線の製造方法。