JP2003503205A - 遠心鋳造法により製造した鋳型ディスク - Google Patents

遠心鋳造法により製造した鋳型ディスク

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グローテ、エヴァルト
ヘルツァー、ギゼルハー
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バクームシュメルツェ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
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Abstract

(57)【要約】 無定形や微結晶の金属テープを製造するための、遠心鋳造法で作成した急速凝固法用の鋳型ディスクを提供する。このディスクは非等軸晶組織を有する合金から成り、その結晶粒子が長く延びており、それらの長手軸がほぼ鋳型ディスク表面に対し垂直に配向されており、粒子がそれらの長い構造によりしっかりと鋳型ディスク表面に固定されている。従って結晶粒子が鋳型ディスク表面から脱落するのを阻止し、鋳型ディスクの長寿命化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 無定形及び/又は微結晶材料をテープ、針金又は箔の形に製造するのに、工業
上最も多用される方法は、融解スピン法により金属融解物を急速凝固するもので
ある。この製造方法では、金属融解物を、ノズルを通して30m/秒迄の速度で
回転する鋳込ローラ、鋳込枠又は鋳込ドラム内に注入噴射する。その際、この融
解物は104〜106K/秒の冷却速度で冷却され、鋳型ディスク表面上で連続し
たテープに凝固し、鋳込ローラから剥離される。米国特許第4142571号明
細書は、金属製の薄いテープを製造するためのこの種の装置が開示している。
【0002】 金属テープ又は金属箔の上記の製造方法では、鋳型ディスク材料に対し以下に
記載する問題もしくは要求が生じる。 a)鋳型ディスク材料は、融解物を凝固し又は凝固したテープ、針金又は繊維
を更に冷却する際に流出する熱を導出すべく、十分に高い熱伝導率を有さねばな
らない。さもないと、例えば次に挙げる問題、即ち火花が飛び、製造しようとす
る金属箔の目標とする微細組織、従って目標とする特性が得られず、例えば無定
形箔の部分的結晶化による粗悪な磁気特性及び/又は製造したテープの脆化、従
って機械的にそれ以上加工できない等の問題が生じることになる。 b)鋳型ディスク表面が融解物や凝固するテープとの相互作用より著しい摩耗
を受けるので、鋳型ディスク材料は熱的・機械的に強固でなければならない。こ
の摩耗現象は製造したテープに、例えば穴、粗い表面その他のような粗悪な品質
の形で現れる。これら機械的欠陥は製造したテープの機械的及び磁気的特性に著
しい悪影響を及ぼす。更に鋳型ディスクの摩耗は、鋳型ディスクとテープとの熱
的接触を低下させ、場合により鋳型ディスクへの金属融解物のぬれを悪化させる
ことになる。そのためテープの冷却速度が低下し、これが既にa)で記載した問
題を招く。今記載したこの鋳型ディスクの摩耗の問題は、特に比較的長い鋳込み
時間の場合に起こり、鋳造時間が長引くにつれて正常なテープの形成を不可能に
するほど品質を低下させる。
【0003】 従って本発明の課題は、無定形又は微結晶で、高品質の金属合金を特に大量に
工業的分量で問題なく製造し、これを鋳型ディスク材料として使用できる、上述
した問題点を十分に低減する材料を見出すことにある。
【0004】 鋳造工程中の周期的な熱負荷により決定的に左右される鋳型ディスクの摩耗を
低減するため、これら鋳型ディスクは十分な機械的硬度と強度並びに疲労強度を
有さねばならない。無定形な微細構造を有する材料の製造に必要な高度の冷却速
度を達成するため、更に鋳型ディスクの一様な高い熱伝導率が必要である。
【0005】 その際、高い熱伝導率と鋳型ディスク材料の高い耐久性は、互に無関係に調整
できるものではない。通常鋳型ディスクの摩耗挙動に確実に効果が現れるほど硬
度を高めると、熱伝導率が低下する。これは、敏感な無定形合金の鋳造に当然問
題をもたらす。
【0006】 その際高い熱伝導率は、熱伝導率の高い鋼、銅又は銅合金の使用により達成さ
れる。その際、無酸素銅の他に、硬化性及び分散硬化性の銅合金並びにベリリウ
ム青銅(Cu−Be青銅)が使用される。
【0007】 材料の選択及び材料特性の最適化の他に、鋳造工程中の摩耗挙動を改善するた
め、鋳型ディスクに適当な被覆を設けることもできる(欧州特許第002450
6号明細書参照)。
【0008】 高い熱伝導率と共に高い機械的強度を得るのに、鋳型ディスク材料の細粒状の
組織が有効(図1参照)であり、これは鋳造特性、特に鋳型ディスクの摩耗及び
寿命に対し好ましい影響を及ぼす。この種組織は、通常変形プロセス(熱間鍛造
又は冷間鍛造やリングの圧延)により熱処理と共に実現可能である。
【0009】 従って急速凝固のための鋳型ディスクは、通常まず鋳込まれたブロックから切
り出され、種々の鍛造(自由成形鍛造、型鍛造)又は他の変形法(例えばリング
圧延)により変形される。この種の鋳型ディスク材料用の鍛造及び熱処理法に対
して既に種々の方法特許が存在する。
【0010】 特開昭62−097748号公報では、例えば鋳造されたCu−Cr−Zr鋳
型ディスクに、粗い粒子の生成を阻止する一定の熱処理により、1000μm以
下の粒径をもつ組織を形成する。
【0011】 国際特許出願公開第96/33828号明細書には、高い熱伝導率と共に十分
な硬度と耐摩耗性を達成するため、1000μm以下の均一な粒径に調整できる
鋳造圧延のためのテクスチュア並びに鍛造工程及び白熱工程が記載されている。
【0012】 国際特許出願公開第98/07535号明細書では、鋳型ディスクに対する要
求(高い耐久性、耐摩耗性、高熱伝導率)に適合させるため、変種の鍛造法によ
り等軸の粒子の形状と共に500μm以下の粒径に調整している。この粒子の形
状により、鋳型ディスクの摩耗及び寿命を更に改善することができる。合金の析
出硬化に寄与する他に、この粒子の微細性によりHall‐Petch関係に対する耐久
性が高められる(例えばグレーフェン(Graefen H.)によるVDI百科全書、材
料技術VDI出版、デュッセルドルフ、1993年参照)。
【0013】 これら種々の努力にも拘わらず、従来技術で製造した鋳型ディスクは、冒頭に
記載したテープを製造する際の問題点を満足いくようには解決できていない。
【0014】 これらの鍛造され、熱処理された鋳型ディスクは、なお種々の問題点を含む。
【0015】 好ましい、均一で、微細な粒状組織を製造するのは、実際上通常困難なことが
判明した。従って、鍛造プロセス中の不均一な成形により、鋳型ディスク中に小
さな粒子の他に極めて粗い粒子が混在する不均一な組織構造が生じる可能性があ
る。これは使用中に鋳型ディスク表面を著しく不均一に摩耗させる。特にこれら
の不均一性のため、鋳造工程中に表面に亀裂を生じ又は基板材料から完全に整っ
ている粒子が部分的に脱落することになる。従って鋳型ディスクは、比較的短期
間の運転後に表面の欠陥を除くべく手を加えねばならない。即ち鋳造工程は再加
工のために中断される。その際鋳型ディスクの再加工(再加工のための回転)中
に、粒状組織が不均一化し及び/又は粗くなるといる問題が起こり、そのため摩
耗挙動が悪化する。この問題は結局再生可能な組織構造を単に表面に保証できる
に過ぎない、従来のディスクの製造技術に関連するものである。
【0016】 更に鍛造された鋳型ディスクの円周上の、部分的に不均一な組織構造により、
異なる熱伝導率を持った範囲が鋳型ディスク表面上に生じる。これは極めて敏感
な鋳造挙動を示す無定形合金(例えばFe73.5Cu1Nb3Si13.59)の場合
、融解物の冷却の局部的な遅延により、不所望な脆化現象を引起す。その結果、
これら無定形の薄いテープはそれ以上加工するのに不適当なものとなる。
【0017】 鋳造プロセス中のこれら問題の他に、この種の鍛造された鋳型ディスクの製造
中に他の問題も起こる。
【0018】 鋳型ディスクが1.2m迄の直径を持ち、熱間鍛造用の大形部品の加熱時に、
材料中に応力亀裂が生じ、そのため鋳型リングが完全に破壊される。加えて大き
な構造部材では、均等な加熱及びそれと共に均等な成形を達成するため、長い加
熱時間が必要になる。高い熱伝導率の合金リングを鋼又はアルミニウムのボス上
に焼きばめした鋳型ディスクのある構成備品の場合、焼きばめ工程中不均一な組
織構造又は他の鍛造欠陥により、亀裂や材料の分離が生じ、そのためこの鋳型デ
ィスクも同様に使用不能となる。
【0019】 従来技術による鍛造形の鋳型ディスクの製造は、上述の難点の故に極めて出費
が多く、また装置に関しても出費を要するものである。これら製造上の問題の故
に、急速凝固に必要な要求を持つこのような鋳型ディスクを製造し、もしくはこ
れらの鋳型ディスクの変わることのない品質を保証できるのはごく少数のメーカ
に過ぎない。従ってその供給は困難かつ高価のものにつく。
【0020】 冒頭に記載した課題は、等軸ではなく、長く延びた結晶粒をもち、その長手軸
が鋳型ディスクの遠心方向に配向されている鋳造圧延材料を使用することで極め
て有利に解決できることが判明した。この結晶の集合組織は、粒子がそれらの長
い構造によりしっかりと鋳型ディスク表面に固定されるので、全粒子が鋳型ディ
スク表面から脱落するのを阻止できる。
【0021】 更に縦長の粒子構造は、鋳型ディスク表面の熱の搬出を促進する。更にこのよ
うにテクスチュア化された組織構造は、一様な粒状組織の形成を遠心方向にも、
円周方向にも促進する。従って局部的にテープの品質に悪影響を及ぼす局部的な
摩耗部を円周上に生じない。更にこの一様に微細な組織構造は、鋳型ディスクの
再加工(再加工のための回転)後にもその儘である。
【0022】 この種の組織構造を持つ鋳型ディスクは遠心鋳造法で実現可能である。この製
造方法の場合、融解物は極めて高い遠心加速度(重力加速度の120倍迄)の作
用下に凝固する。生じる圧力により著しい融解物の脱ガスが生じ、その結果液状
の融解物のあらゆる汚染は阻止される。この凝固特性は極めて純粋な、高度に圧
縮された組織を生じる。遠心鋳造された構造部材は、鋳込んだ状態で既に極めて
有利な機械的特性を有し、加えて極めて均一、かつ微細に組織化され、封入物、
気泡及び空洞のない鋳造組織ででも優れている。特に表面の極めて均一なこの鋳
造組織は、付加的に摩耗現象を低減し、従って本発明の他の特徴となる。
【0023】 孔開けのための鋳型壁面の一様で、一定方向への凝固により、長く延びた粒子
が遠心方向に配向された、鋳造プロセスにとって有利な一定方向の粒子組織を生
じる。この極めて均一な組織構造は、鋳型ディスクの全円周上に一様で僅かな摩
耗を生じさせ、その結果急速凝固のプロセスを確実なものとする。更にこの組織
構造により、粒子は強固に鋳型ディスク表面内に固定され、鍛造形の鋳型ディス
クで生ずる、完全に揃った粒子の脱落は、もはやこの種組織には起こらない。
【0024】 この極めて一様な組織構造により、鋳型ディスク円周上の熱伝導率の不所望な
変動は起こらず、より高度なプロセスの確実性と改善された品質(延性)とを有
し、敏感な無定形合金を鋳造できる。更に粒子の形状及び遠心方向の粒子の配向
による鋳型ディスク表面からの加速された熱の排除は、金属融解物の急速凝固に
とり大きな利点を当然もたらす。
【0025】 これら組織構造上の利点の他に、遠心鋳造時の完成形に近い造形により、費用
のかかる変形・鍛造工程を省略し、回転対称な鋳造部分を6000mm迄の直径
で作成でき、仕上げ費用が著しく低減し、その結果製造コスト上も有利である。
【0026】 更に段落0002に記載した仕上げ及び処理可能性の困難性を排除できる。
【0027】 本発明を、実施例及び3枚の切断した図面に基づき以下に詳述する。
【0028】 図1から判るように、遠心鋳造された鋳型ディスクの組織は、Cu−Cr−Z
r合金を使用した場合、深さ約15mm迄の表面近くに粒径100〜2000μ
mの細粒帯域が、またそれに隣接して粒径約1000〜6000μmの半径方向に
配向されている粒子を有する柱状晶帯域がある。
【0029】 これら粒子は表面に近い細粒帯域内にも、またそれに隣接する所謂樹枝状結晶
を有する柱状晶帯域内にも混在しており、これを図2内に示す。これは、それ以
上変形されない鋳造組織を特徴とする。これら樹枝状結晶は、鋳造組織を機械的
に強化させる。この鋳造組織の機械的強化により、最初に述べた、本発明により
遠心鋳造された鋳型ディスクの極めて良好な鋳造特性が確実に達成される。
【0030】 図3は、もう一度Cu−Cr−Zrの鋳型ディスク材料から成る鋳造組織の切
断面を示している。ここでも遠心方向に配向された、長く延びた形状を持つ粒子
を再び明瞭に認識できる。
【0031】 図1、2及び3に示したCu−Cr−Zrの鋳型ディスク材料の断面写真は、
個々の鋳型ディスク材料を分かり易くするものである。Cu−Ni−Siの鋳型
ディスク材料並びにベリリウム青銅から成る鋳型ディスク材料の切断面図及び冶
金学上の写真は、同様に典型的な樹枝状結晶を示す類似の鋳造組織を示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による鋳型ディスクの切断面図。
【図2】 図1の細粒帯域と柱状晶帯域の粒子が混在していることを示す拡大写真図。
【図3】 Cu−Cr−Zr鋳型ディスク材料から成る鋳造組織を示す切断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルツァー、ギゼルハー ドイツ連邦共和国 デー‐63486 ブルッ フケーベル レントゲンシュトラーセ 11 Fターム(参考) 4E004 DB15 DB16 QA03 QA06

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 無定形及び/又は微結晶の金属テープを急速凝固により製造
    するための、非等軸晶組織を有する合金から成る回転対称の鋳型ディスクにおい
    て、粒子が長く延びており、それらの長手軸がほぼ鋳型ディスク表面に対し垂直
    に配向されていることを特徴とする遠心鋳造法により製造した鋳型ディスク。
  2. 【請求項2】 遠心鋳造法により製造したことを特徴とする鋳型ディスク。
  3. 【請求項3】 鋳型ディスク表面の垂直な個々の粒子の寸法が、それら鋳型
    ディスク表面内の粒子寸法の少なくとも2倍の大きさであることを特徴とする請
    求項1記載の鋳型ディスク。
  4. 【請求項4】 鋳型ディスクの円周上の粒子構造が均一であることを特徴と
    する請求項1記載の鋳型ディスク。
  5. 【請求項5】 鋳型ディスク表面の粒径が500μm以下であることを特徴
    とする請求項1記載の鋳型ディスク。
  6. 【請求項6】 鋳型ディスク表面の粒径が200μm以下であることを特徴
    とする請求項5記載の鋳型ディスク。
  7. 【請求項7】 鋳型ディスク表面の粒径が100μm以下であることを特徴
    とする請求項6記載の鋳型ディスク。
  8. 【請求項8】 高い熱伝導率を持つことを特徴とする請求項1記載の鋳型デ
    ィスク。
  9. 【請求項9】 Cu−Cr−Zr合金から成ることを特徴とする請求項1記
    載の鋳型ディスク。
  10. 【請求項10】 Cu−Ni−Si合金から成ることを特徴とする請求項1
    記載の鋳型ディスク。
  11. 【請求項11】 ベリリウム青銅から成ることを特徴とする請求項1記載の
    鋳型ディスク。
  12. 【請求項12】 少なくとも300mmの直径を持つこと特徴とする請求項
    1記載の鋳型ディスク。
  13. 【請求項13】 リングの形にボス上に焼きばめされたことを特徴とする請
    求項1記載の鋳型ディスク。
  14. 【請求項14】 液体が流れる冷却孔を備えることを特徴とする請求項1記
    載の鋳型ディスク。
JP2001506051A 1999-06-23 2000-06-21 遠心鋳造法により製造した鋳型ディスク Pending JP2003503205A (ja)

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