JP2009068101A

JP2009068101A - 大型バルク金属ガラスおよび大型バルク金属ガラスの製造方法

Info

Publication number: JP2009068101A
Application number: JP2007241118A
Authority: JP
Inventors: Akihisa Inoue; 明久井上; Yoshihiko Yokoyama; 嘉彦横山
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】非結晶組織が維持されている臨界径を、従来にない大きさにすることができる大型バルク金属ガラスおよび大型バルク金属ガラスの製造方法（ＣＡＰ鋳造法）を提供する。
【解決手段】上面が開放された溶解炉にて合金材料を溶解し、成型用のキャビティーを有する強制冷却金型内に、合金材料の溶湯を再溶解させながら傾動させて注入する傾角鋳造を行うと同時に、強制冷却金型のキャビティー内湯面の上面をほぼ覆う大きさの冷却促進を兼ねた上パンチにて、加圧冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐食性や機械強度に優れる金属ガラスを、効率的に大型のバルク材とする大型バルク金属ガラスの製造方法および得られた大型バルク金属ガラスに関するものである。

金属ガラスとするためには、溶融状態から成分に応じた冷却速度で急冷する必要がある。急冷を必要とするため、急冷しやすい形状である薄帯状、フィラメント状、粉粒体状の他、バルク材形状では、径の小さい形状に限定されていた。金属ガラスは、優れた特性を示すものの、形状に制限があるため用途が制限されてきた。

金属ガラスの組成を最適にすることで、鋳造条件を緩和して大型のバルク材を得る方法が開発されてきているが、金属ガラスの特性は、その組成により決まってくるため、組成によらず大型バルク材を得る方法として、得られる大型バルク材が全て完全な非晶質となる方法が望まれていた。

金属ガラスの組成によらず大型バルク材とする方法として、溶湯冷却工程において、雰囲気の圧力を上げる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、実施例では、完全非晶質化状態で、直径は１０ｍｍである。また、鋳造中に雰囲気の圧力を上げるため、装置が複雑になり、作業性も含めて、効率的な方法とは言えない。

非晶質合金成形品の製造方法として、溶湯を加圧する方法も開示されている（例えば、特許文献２または３参照）が、その目的は、強制冷却鋳型の形状を再現させる目的であり、大型バルク金属ガラスを製造するための示唆はされていない。

図５に示すように、材料成分をアークで溶解後、成型用キャビティーを持つ強制冷却金型内に鋳造する、通常の金属モールド鋳造法では、溶解炉上で結晶が生じやすいため、非晶質の金属ガラスを得るためには、バルク径に制限があった。

これを解決したのが、図６に模式図で示した傾角鋳造法で、溶解炉上で生じた結晶を成型用キャビティーを持つ強制冷却金型内へ鋳造中再溶解させることで、完全に溶解した状態で鋳造が可能となるため、鋳造後のバルク径を大きくすることが可能となった（例えば、特許文献４参照）。しかし、この傾角鋳造法でも、バルク径に限界があった。

Zｒ-TM-Al（TM：Ni，Cu，Pd，Nb，Tiの１種または２種以上）のZr基金属ガラスは、高い強度と高い疲労強度とを有し、マイクロギアドモーターや圧力センサー等に採用されているが、通常の金属モールド鋳造法での臨界径は１６ｍｍ、傾斜鋳造法での臨界径は２０ｍｍが最大であった。

特開２００６−６８７５６号公報特開平１０−２９６４２４号公報特許第３７８４５７８号公報特開２００３−２９０９０９号公報

本発明は、上述した問題点を解決し、Zｒ-TM-Al（TM：Ni，Cu，Pd，Nb，Tiの１種または２種以上）のZr系金属ガラスにおいて、非結晶組織が維持されている臨界径を、鋳造法を最適化することにより、従来にない大きさにすることができる大型バルク金属ガラスおよび大型バルク金属ガラスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、バルク径を大きくするために、傾斜鋳造法で鋳造後、キャビティー内湯面の上面をほぼ覆う冷却促進を兼ねた上パンチにて、即座に加圧し、溶湯をキャビティー内面に密着させること（以下、「ＣＡＰ鋳造法」と表現する）で、非晶質金属ガラスとするための鋳造時の温度勾配および冷却速度の最適条件が得られ易くなることを見出し、本発明に至った。

ＣＡＰ鋳造法での加圧方法は、強制冷却金型のキャビティーの内面の上部をほぼ全面覆う大きさの上パンチ（以下、「ＣＡＰ」と表現する）を用いると、効率良く加圧できる。キャビティー形状に合わせたＣＡＰを使用し、プレス機で加圧することで、種々の形状のバルク材を得ることができる。ＣＡＰとキャビティーとの間隔は、圧力が伝わるよう最適化すれば良く、溶湯の一部が隙間から極微量はみ出る程度の隙間が、バルク材の上部まで非結晶化するのに適している。

本発明に係る大型バルク金属ガラスは、組成式：Zｒ_100-X-Y-TM_X-Al_Y［ただし、TM：Ni，Cu，Co，Agの１種または２種以上］で表され、Xが１０〜６０、Yが０〜１５であり、ガラス成形性（Ｔｘ−Ｔｇ）／（Ｔｌ−Ｔｘ）［ただし、Ｔｘは結晶化温度、Ｔｇはガラス転移温度、Ｔｌは液相線温度］が０．２７以上を有し、バルク材の最大寸法が２０ｍｍを超え、完全非晶質であることを、特徴とする。

本発明に係る大型バルク金属ガラスの製造方法は、上面が開放された溶解炉にて合金材料を溶解し、成型用のキャビティーを有する強制冷却金型内に、前記合金材料の溶湯を再溶解させながら傾動させて注入する傾角鋳造を行うと同時に、前記強制冷却金型の前記キャビティー内湯面の上面をほぼ覆う大きさの冷却促進を兼ねた上パンチにて、加圧冷却することを、特徴とする。

本発明によれば、非結晶組織が維持されている臨界径を、従来にない大きさにすることができる大型バルク金属ガラスおよび大型バルク金属ガラスの製造方法（ＣＡＰ鋳造法）を提供することができる。特に、Ｚｒ基金属ガラスは、高いガラス形成能と、その優れた機械的性質から機能性材料として、大きな期待が寄せられているが、傾斜鋳造法でバルク材の臨界径は最大２０ｍｍであったものが、ＣＡＰ鋳造法によりこの限界を超し、臨界径を大きくすることができる。これにより、バルク材の大きさから制限されていた用途への拡大が、可能となる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図４は、本発明の実施の形態の大型バルク金属ガラスおよび大型バルク金属ガラスの製造方法（ＣＡＰ鋳造法）を示している。
図１に示すように、本発明の実施の形態の大型バルク金属ガラスの製造方法（ＣＡＰ鋳造法）では、バルク径を大きくするために、傾斜鋳造法で鋳造後、キャビティー内湯面の上面をほぼ覆う冷却促進を兼ねた上パンチにて、即座に加圧冷却する。これにより、材料組成により決まるガラス形成能を最大限、活かすことを可能とすることが出来、大きなバルク径が得られた。

図２に、傾角鋳造法で鋳造した金属バルク材の評価結果を示す。図２（ａ）に示すように、１６ｍｍの径のバルク材で、Ｚｒ_５０Ｃｕ_４０Ａｌ_１０の組成では、結晶化が見られる。鋳造上面では、断面全面に、下部に向かって断面の中央部に結晶化が見られる。熱の影響を受ける上部から、結晶の晶出が始まる。結晶は、主にτ_３相である。一方、図２（ｂ）に示すように、Ｚｒ_５０Ｃｕ_３０Ｎｉ_１０Ａｌ_１０の組成では、１６ｍｍの径のバルク材全面が、非晶質であった。なお、バルク材の径が、２０ｍｍを超えるとＺｒ_５５Ｃｕ_３５Ｎｉ_１０Ａｌ_１０の組成でも結晶化が見られるようになる。

図３に傾角鋳造法、図４にＣＡＰ鋳造法で鋳造した金属バルク材の評価結果を示す。傾斜鋳造後、ＣＡＰを被せた後、１ｋＮで加圧した。Ｚｒ_５５Ｃｕ_３０Ｎｉ_５Ａｌ_１０の組成では、傾角鋳造法で、２０ｍｍの径の非晶質バルク材とすることができるが、ＣＡＰ鋳造法では、３０ｍｍの径のバルク材全面が非晶質であった。バルク径が２０ｍｍを越しても、ＣＡＰ鋳造法により、安定した非結晶の金属ガラスを始めて得ることができた。

傾角鋳造法およびＣＡＰ鋳造法により鋳造された、様々な組成の金属バルク材のガラス成形性および臨界径を、表１に示す。表１に示すように、ＣＡＰ鋳造により、臨界径を５０％大きくすることができることが確認された。なお、ガラス成形性（Ｔｘ−Ｔｇ）／（Ｔｌ−Ｔｘ）［ただし、Ｔｘは結晶化温度、Ｔｇはガラス転移温度、Ｔｌは液相線温度］が、０．２７以上の場合に、ＣＡＰ鋳造法により、臨界径が２０ｍｍを超えるようにすることができる。

本発明の実施の形態の大型バルク金属ガラスの製造方法（ＣＡＰ鋳造法）の原理を示す模式図である。傾角鋳造法で鋳造した（ａ）Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀の組成を有する金属バルク材の断面図、（ｂ）Zr₅₀Cu₃₀Ni₁₀Al₁₀の組成を有する金属バルク材の断面図である。傾角鋳造法で鋳造したZr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀の組成を有する金属バルク材の（ａ）側面図、（ｂ）断面図、（ｃ）Ｘ線回折結果を示すグラフである。図１に示す大型バルク金属ガラスの製造方法（ＣＡＰ鋳造法）で鋳造したZr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀の組成を有する金属バルク材の（ａ）斜視図、（ｂ）断面図、（ｃ）Ｘ線回折結果を示すグラフである。従来のアーク溶解法による母合金の作成方法を示す模式図である。従来の傾角鋳造法を示す模式図である。

Claims

組成式：Zｒ_100-X-Y-TM_X-Al_Y［ただし、TM：Ni，Cu，Co，Agの１種または２種以上］で表され、Xが１０〜６０、Yが０〜１５であり、ガラス成形性（Ｔｘ−Ｔｇ）／（Ｔｌ−Ｔｘ）［ただし、Ｔｘは結晶化温度、Ｔｇはガラス転移温度、Ｔｌは液相線温度］が０．２７以上を有し、バルク材の最大寸法が２０ｍｍを超え、完全非晶質であることを、特徴とする大型バルク金属ガラス。
上面が開放された溶解炉にて合金材料を溶解し、成型用のキャビティーを有する強制冷却金型内に、前記合金材料の溶湯を再溶解させながら傾動させて注入する傾角鋳造を行うと同時に、前記強制冷却金型の前記キャビティー内湯面の上面をほぼ覆う大きさの冷却促進を兼ねた上パンチにて、加圧冷却することを、特徴とする大型バルク金属ガラスの製造方法。