JP2012006037A

JP2012006037A - スプレイフォーミング堆積方法

Info

Publication number: JP2012006037A
Application number: JP2010143591A
Authority: JP
Inventors: Takanori Imashiro; 貴徳今城; Takeshi Oda; 剛織田; Masaya Tokuhira; 雅也得平
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Research Institute Inc
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Research Institute Inc
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-01-12

Abstract

【課題】予備成形体を形成するスプレイフォーミング堆積方法において、前記予備成形体の温度斑に起因する空孔部分や熱応力による割れの発生を防止して、歩留まりの向上を図り得るスプレイフォーミング堆積方法を提供する。
【解決手段】流下する溶融金属Ｍに気体を噴射して金属液滴７のスプレイとなし、この金属液滴７を移動するコレクタ５上に堆積して予備成形体８を形成するスプレイフォーミング堆積方法において、前記コレクタ５内部または近傍に加熱手段６を配設し、この加熱手段６によって前記コレクタ５を予熱しながら、前記金属液滴７をコレクタ５上に順次堆積させるスプレイフォーミング堆積方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、坩堝内で溶解した液体金属を、前記坩堝の下部に設けた細孔から流出させ、流出した液体金属にスプレイによって気体を噴射して微細な液滴とし、その液滴が冷却されて固化するまでに、下方に準備したコレクタ上に堆積させて予備成形体（プリフォーム）を形成するスプレイフォーミング堆積方法に関する。

そこで先ず、スプレイフォーミング堆積方法の従来例について、以下図５〜７を参照しながら説明する。図５は従来技術１に係る金属等の微粒化装置を示し、図（ａ）はその好適装置の斜視図、図（ｂ）は帯の製作に適用された時の本従来技術１の斜視図、図６は従来技術２に係る噴霧成形法に使用される噴霧成形装置の実施例を示す説明図、図７は従来技術３に係るスプレイ・デポジット法による長尺のチューブ状プリフォームの製造方法の実施例を示す模式図である。

従来技術１に係る金属等の微粒化装置１２は、ほぼ環状型を有しており、溶融金属などの流体流１１はこの微粒化装置１２を経て、噴霧１４として微粒化される。この微粒化装置１２は、直径方向に突出する支持体１３により支持され、この支持体１３の軸線まわりで傾斜可能とされている。前記微粒化装置１２を傾斜させる制御装置は、偏心カム１５と、支持体１３に結合されたカム従動体１６とからなる。

そして、微粒化装置１２の角度を、前記偏心カム１５を用いた機構により振動させることにより、収集体１８上に所定厚さを有する帯または板１７を得るものである（特許文献１参照）。しかしながら、本特許文献１には、次に述べる成形体の温度斑に起因する空孔部分の発生問題についての記載は全くない。

一方、タンディシュ２１から供給された金属溶湯流２６に、不活性ガスのジェット流２５を吹付けることにより噴霧化し、コレクター２７上の基板２８に堆積させて予備成形体２９を得る図６に示す噴霧成形法において、予備成形体２９の側面部と中心部の間に大きな温度差が生じるため、側面部近傍では金属粒子が、堆積後粒子形状を保持したままで素早く固化し、粒子同士間に隙間を生じて空孔を形成し易く、この空孔部分が前記成形体２９の歩留まり低下の要因となっていた。

そこで、従来技術２に係る噴霧成形法では、前記予備成形体２９をプラズマトーチ２０で加熱し、その表面温度分布を均一化させながら噴霧堆積を行なうものである（特許文献２参照）。しかしながら、本従来技術２に係る噴霧成形法によれば、前記予備成形体２９の定常時における空孔部分の形成は解消し得るが、前記基板２８への堆積初期における空孔部分の発生を避けることは難しい。

また、従来技術３は、チューブ用コレクター３１の移動方向上流側に、誘導加熱装置等のプリヒータ３９と溶融金属３８を入れた予熱用の容器３５を設け、予熱した前記コレクター３１に、予熱用の容器３５から熔融金属３８を低圧スプレイ流３０として前記コレクター３１に薄い金属膜３３を形成した後、下流側の溶融金属３８を入れたスプレイ・デポジット用の容器３６からスプレイ流３２を堆積させてチューブ状プリフォーム３４を形成することにより、上記従来技術２と同様な成形体の温度斑に起因する空孔部分の発生を防止するものである（特許文献３参照）。

但し、本従来技術３によれば、予熱用のプリヒータ９による予熱と、予熱用の容器３５の溶融金属３８による予備の低圧スプレイ流３０の２段の予備工程を必要とすることから、前記チューブ状プリフォーム３４の製造コストは高価なものとなってくる。また、予備の低圧スプレイ流３０とスプレイ・デポジット用の容器３６からのスプレイ流３２との間には、ある程度の時間的な隔たりがあるため、夫々のスプレイ流３０，３２によって形成された金属膜３３とチューブ状プリフォーム３４が、連続的に同質な堆積部分になるとは考え難い。

特公平８−２３０４３号公報特開平５−１６１９５６号公報特開平５−２９３６３０号公報

従って、本発明の目的は、予備成形体を形成するスプレイフォーミング堆積方法において、前記予備成形体の温度斑に起因する空孔部分や熱応力による割れの発生を防止して、歩留まりの向上を図り得るスプレイフォーミング堆積方法を提供することにある。

即ち、上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るスプレイフォーミング堆積方法が採用した手段は、流下する溶融金属に気体を噴射して金属液滴のスプレイとなし、この金属液滴を移動するコレクタ上に堆積して予備成形体を形成するスプレイフォーミング堆積方法において、前記コレクタ内部または近傍に加熱手段を配設し、この加熱手段によって前記コレクタを予熱しながら、前記金属液滴をコレクタ上に順次堆積させることを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係るスプレイフォーミング堆積方法が採用した手段は、請求項１に記載のスプレイフォーミング堆積方法において、前記加熱手段を独立制御可能な複数のヒータから構成すると共に、前記コレクタの各部位を前記ヒータ夫々により独立制御し、一定温度になる様に予熱しつつ予備成形体を形成することを特徴とするものである。

本発明の請求項３に係るスプレイフォーミング堆積方法が採用した手段は、請求項２に記載のスプレイフォーミング堆積方法において、前記予備成形体の冷却過程において、前記加熱手段の温度を制御して前記予備成形体を徐冷することを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係るスプレイフォーミング堆積方法によれば、流下する溶融金属に気体を噴射して金属液滴のスプレイとなし、この金属液滴を移動するコレクタ上に堆積して予備成形体を形成するスプレイフォーミング堆積方法において、前記コレクタ内部または近傍に加熱手段を配設し、この加熱手段によって前記コレクタを予熱しながら、前記金属液滴をコレクタ上に順次堆積させるので、堆積時の金属液滴とコレクタ間の熱交換量が少なくなり、予備成形体に空孔が生成され難くなる。

本発明の請求項２に係るスプレイフォーミング堆積方法が採用した手段は、前記加熱手段を独立制御可能な複数のヒータから構成すると共に、前記コレクタの各部位を前記ヒータ夫々により独立制御し、一定温度になる様に予熱しつつ予備成形体を形成するので、前記コレクタの部位や時間による予備成形体の温度斑が極小化され、均質な予備成形体が得られると共に、熱による残留応力を軽減できる。

本発明の請求項３に係るスプレイフォーミング堆積方法が採用した手段は、前記予備成形体の冷却過程において、前記加熱手段の温度を制御して前記予備成形体を徐冷するので、冷却時の予備成形体における温度斑に起因する割れを防止可能となる。その結果、前記予備成形体の温度斑に起因する空孔部分や熱応力による割れの発生を防止して、歩留まりの向上を図り得る

本発明の実施の形態１に係るスプレイフォーミング堆積方法を説明するための予備成形体製造装置の模式的立断面図である。本発明の実施の形態２に係り、図１に示す予備成形体製造装置におけるＡ部相当図である。本発明の実施の形態３に係り、図１に示す予備成形体製造装置におけるＡ部相当図である。本発明の実施の形態４に係り、図１に示す予備成形体製造装置におけるＡ部相当図である。従来技術１に係る金属等の微粒化装置を示し、図（ａ）はその好適装置の斜視図、図（ｂ）は帯の製作に適用された時の本従来技術１の斜視図である。従来技術２に係る噴霧成形法に使用される噴霧成形装置の実施例を示す説明図である。従来技術３に係るスプレイ・デポジット法による長尺のチューブ状プリフォームの製造方法の実施例を示す模式図である。

次に、本発明の実施の形態１に係るスプレイフォーミング堆積方法を、以下添付図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るスプレイフォーミング堆積方法を説明するための予備成形体製造装置の模式的立断面図である。

本発明の実施の形態１に係る予備成形体製造装置は、金属を溶解するための高周波溶解機（誘導加熱機）１、溶融された溶湯（溶解金属）Ｍを収容するための坩堝１、前記溶湯Ｍを流出させるための溶湯ノズル３、流出した溶湯Ｍに不活性気体を噴射させて微粒化するための微粒化装置４、微粒化された金属液滴７を堆積させるための長尺平板状のコレクタ５、及びこの長尺平板状のコレクタ５内部に収納され、このコレクタ５を加熱するための複数のヒータ（加熱手段）６を備えている。前記微粒化装置４には、その軸心が前記平板状のコレクタ５の矢印で示す進行方向に直交して揺動し、前記コレクタ５の幅方向に均一に金属液滴７を堆積可能な揺動手段（図示省略）が設けられている。

本発明の実施の形態１に係るスプレイフォーミング堆積方法は、先ず、高周波溶解機１の誘導コイルに高周波を負荷することによって坩堝２に誘導電流を発生させ、この誘導電流による自己発熱によって坩堝２内が加熱され、坩堝２内に収納された固体金属を溶融して溶湯Ｍとなす。次いで、溶融した前記溶湯Ｍを溶湯ノズル３から流出させて、微粒化装置４内に導入し、この微粒化装置４内で噴射された窒素等の不活性気体によって微粒化されて、金属液滴７のスプレイを形成する。

更に、前記微粒化装置４は、前記揺動手段によって平板状のコレクタ５の進行方向に直交して揺動されるに伴い、前記金属液滴７のスプレイも同方向に揺動されつつ移動中のコレクタ５上に順次堆積して、帯状の予備成形体８を形成する。この帯状の予備成形体８の成形厚さは、コレクタ５の進行速度を速くすれば薄く形成され、逆にコレクタ５の進行速度を遅くすれば厚く形成される。

しかしながら、操業開始時に高温の金属液滴７が常温のコレクタ５上に落下した場合には、前記金属液滴７とコレクタ５との間に激しい熱交換が生じ、堆積した予備成形体８のコレクタ５上面近傍には空孔が発生して低密度となることが知られている。これは、コレクタ５上に堆積した予備成形体８が急激に熱を奪われることによって、熱収縮を起こすことに起因すると考えられているが、詳しくは不明である。前記金属液滴７を予備成形体８の上方に向かって堆積させる形式の製造方法であれば、前記コレクタ５との接触面積が少なく温度差による影響も小さいと考えられるが、図１に示す様に帯状の予備成形体８を形成するにはコレクタ５との接触面積が広く、その影響は大きい。

そこで、本発明の実施の形態１に係るスプレイフォーミング堆積方法は、前記平板状のコレクタ５の内部に独立した複数のヒータ（加熱手段）６を埋設し、これらのヒータ６によって前記コレクタ５を予熱し矢印方向に進行させつつ、微粒化した金属液滴７をこの予熱したコレクタ５上に順次堆積させて、板状の予備成形体８を形成するのである。予熱の温度は、溶湯Ｍの凝固点より低く、かつ十分に高温に設定することが肝要である。これにより、前記金属液滴７と平板状のコレクタ５との熱交換を低減することができ、空孔の発生を防止可能となる。

また、スプレイフォーミングにおける微粒化装置４は、不活性気体の気流により溶湯Ｍを微粒化し、金属液滴７のスプレイとする気体微粒化方式によるものが一般的で、未堆積部分のコレクタ５がこの気流により激しく冷却される場合が多々ある。そのため、コレクタ５の予熱は、他の加熱手段で予め予熱した後、前記微粒化装置４の直下に移送して来るのではなく、コレクタ５に直接ヒータ６を設置することが必要である。一方、予備成形体８が形成された堆積部分のコレクタ５ではこの様な激しい熱交換は起こらないため、前記コレクタ５の各部位で状況に応じて入力熱量を加減する必要がある。

そこで、前記加熱手段を複数のヒータ６から構成すると共に、各ヒータ６を独立制御可能な構成とする。そして、前記予備成形体８の各部位を前記ヒータ６夫々により独立制御し、一定温度になる様に予熱しつつ予備成形体８を形成する。この様な構成によって、予備成形体８の堆積有無や微粒化装置４の気流による冷却状況等の環境に左右されず、部位や時間にも無関係にコレクタ５を一定温度に予熱できる。

また、前記コレクタ５の予備成形体８が堆積した部位においても、予熱温度を一定に保つことにより、予備成形体８を保温することができる。その結果、製造中の予備成形体８の温度斑が極小化されて、熱応力が低減され均質な予備成形体８が得られると共に、金属液滴７とコレクタ５の堆積面との温度差を小さくして熱による残留応力を軽減できる。

一方、金属液滴７がコレクタ５上に堆積すると、予備成形体８は放冷により冷却されるが、その冷却過程において割れを生じることがある。これは、冷却時に生じる温度差によって予備成形体８の内部に熱応力が発生するためであり、これを防止する手段としては、予備成形体８周囲に断熱材を配設して徐冷することが考えられる。

しかし、前記金属液滴７のスプレイは、通常不活性雰囲気に保持された室内で行なわれるため、コレクタ５上に堆積されつつある予備成形体８の周囲に断熱材を配設するには、前記室内を大気置換した上で人が立ち入る必要があり、その間に予備成形体８に割れが生じる可能性が高い。前記平板状コレクタ５の内部に埋設したヒータ６を利用して、このコレクタ５を加熱しつつ温度を徐々に低下すれば、前記室内に立ち入らずとも予備成形体８の除冷が可能となる。

以上、本発明の実施の形態１に係るスプレイフォーミング堆積方法によれば、堆積時の金属液滴７と平板状のコレクタ５間の熱交換量が少なくなり、予備成形体８に空孔が生成され難くなる。また、熱応力が低減され均質な予備成形体８が得られると共に、金属液滴７と堆積面との温度差を小さくして熱による残留応力を軽減できる。また、前記コレクタ５を加熱しつつ温度を徐々に低下して、前記予備成形体８を除冷することにより、冷却過程における割れを防止可能となる。

次に、本発明の実施の形態２に係るスプレイフォーミング堆積方法を、以下添付図２を参照しながら説明する。図２は本発明の実施の形態２に係り、図１に示す予備成形体製造装置におけるＡ部相当図である。

尚、本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、コレクタとこのコレクタを加熱するための加熱手段の構成に相違があり、その他は全く同構成であるから、前記コレクタとこのコレクタを加熱するための加熱手段の構成についての説明に止めるものとする。

即ち、本発明の形態１に係るスプレイフォーミング堆積方法においては、長尺平板状のコレクタ５の内部に複数のヒータ６を埋設し、これら複数のヒータ６によって前記コレクタ５を予熱し矢印方向に進行させつつ、微粒化した金属液滴７をこの予熱したコレクタ５上に順次堆積させて、板状の予備成形体８を形成していた。

それに対し、本発明の実施の形態２に係るスプレイフォーミング堆積方法においては、矢印方向に進行する無端ベルトからなるコレクタ５下面に、加熱手段として複数本のローラヒータ６を接触させ、これらのローラヒータ６によって前記コレクタ５を予熱し矢印方向に進行させつつ、微粒化した金属液滴７をこの予熱したコレクタ５上に順次堆積させて、板状の予備成形体８を形成する。ローラヒータ６と無端ベルトのコレクタ５との接触伝熱による予熱であるので、上記実施の形態２より加熱効率は悪いが、無端ベルト装置の周囲を保温すれば十分予熱可能である。

次に、本発明の実施の形態３に係るスプレイフォーミング堆積方法を、以下添付図３を参照しながら説明する。図３は本発明の実施の形態３に係り、図１に示す予備成形体製造装置におけるＡ部相当図である。

尚、本発明の実施の形態３が上記実施の形態１と相違するところは、コレクタ、加熱手段、微粒化装置及び予備成形体の構成に相違があり、その他は全く同構成であるから、前記コレクタ、加熱手段、微粒化装置及び予備成形体の構成についての説明に止めるものとする。

それに対し、本発明の実施の形態３に係るスプレイフォーミング堆積方法においては、円盤状のコレクタ５の内部に複数のヒータ６を埋設し、これら複数のヒータ６によって前記コレクタ５を予熱し回転させつつ、微粒化した金属液滴７をこの予熱したコレクタ５上に順次堆積させて、頂部切断円錐形状を有する予備成形体８を形成する。この場合、この予備成形体８は、前記コレクタ５の中心部から半径方向に周辺に向かって、もしくは前記コレクタ５の周辺から半径方向に中心部に向かって微粒化装置４を揺動させつつ、金属液滴７のスプレイをコレクタ５上に順次堆積させて形成する。

そして、この予備成形体８の高さが順次高くなるに従って、前記コレクタ５を下方に後退して、スプレイ４上の予備成形体８の上面とコレクタ５ｃ間を一定距離に保持することが肝要である。前記ヒータ６は、円周方向には分割されず、半径方向に複数個分割して構成されると共に、夫々独立制御可能なものが好ましい。この様な構成により、コレクタ５内の温度を部位や時間に関係なく均一化可能となる。

次に、本発明の実施の形態４に係るスプレイフォーミング堆積方法を、以下添付図４を参照しながら説明する。図４は本発明の実施の形態４に係り、図１に示す予備成形体製造装置におけるＡ部相当図である。

尚、本発明の実施の形態４が上記実施の形態１と相違するところは、コレクタ、加熱手段、微粒化装置及び予備成形体の構成に相違があり、その他は全く同構成であるから、前記コレクタ、加熱手段、微粒化装置及び予備成形体の構成についての説明に止めるものとする。

即ち、本発明の実施の形態１に係るスプレイフォーミング堆積方法においては、長尺平板状のコレクタ５の内部に複数のヒータ６を埋設し、これら複数のヒータ６によって前記コレクタ５を予熱し矢印方向に進行させつつ、微粒化した金属液滴７をこの予熱したコレクタ５ａ上に順次堆積させて、板状の予備成形体８を形成していた。

それに対し、本発明の実施の形態４に係るスプレイフォーミング堆積方法においては、長尺棒状のコレクタ５の内部に複数のヒータ６を埋設し、これら複数のヒータ６によって前記コレクタ５を予熱し回転させながら、微粒化した金属液滴７をこの予熱したコレクタ５周囲に順次堆積させて、円筒形状を有する予備成形体８を形成する。そして、この予備成形体８の外径が順次大きくなるに従って、前記コレクタ５を矢印方向に移動して、スプレイ４と予備成形体８の上面との距離を一定距離に保持することが肝要である。この場合の微粒化装置４は、前記コレクタ５を回転させながら金属液滴７をスプレイするので、必ずしもコレクタ５の移動方向に直交して揺動させる必要はない。

尚、上記本発明の実施の形態２〜４に係る夫々のヒータ６は、本発明の形態１と同様、何れも複数に分割され夫々独立制御可能な構成とする。そして、前記予備成形体８の各部位を前記ヒータ６夫々により独立制御し、一定温度になる様に予熱しつつ各予備成形体８を形成する。

これによって、各予備成形体８の堆積有無や微粒化装置４の気流による冷却状況等の環境に左右されず、部位や時間によらず夫々のコレクタ５を一定温度に予熱できる。また、各予備成形体８の堆積部位においても、予熱温度を一定に保つことにより、製造中の各予備成形体８の温度斑が極小化されて、熱応力が低減され均質な予備成形体８が得られると共に、金属液滴と堆積面との温度差を小さくして熱による残留応力を軽減できる。

以上説明した通り、本発明に係るスプレイフォーミング堆積方法によれば、コレクタ内部または近傍に加熱手段を配設し、この加熱手段によって前記コレクタを予熱しながら、金属液滴をコレクタ上に順次堆積させるので、堆積時の金属液滴とコレクタ間の熱交換量が少なくなり、予備成形体に空孔が生成され難くなり、前記コレクタの各部位を前記複数のヒータ夫々により独立制御し、一定温度になる様に予熱しつつ予備成形体を形成するので、前記コレクタの部位や時間による予備成形体の温度斑が極小化され、均質な予備成形体が得られると共に、熱による残留応力を軽減できる。

そして更には、前記予備成形体の冷却過程において、前記加熱手段の温度を制御して前記予備成形体を徐冷するので、冷却時の予備成形体における温度斑に起因する割れを防止可能となる。その結果、前記予備成形体の温度斑に起因する空孔部分や熱応力による割れの発生を防止して、歩留まりの向上を図ることができる。

Ｍ：溶湯，
１：高周波溶解機（誘導加熱機），
２：坩堝，
３：溶湯ノズル，
４：微粒化装置，
５：コレクタ，
６：ヒータ（加熱手段），
７：金属液滴，
８：予備成形体

Claims

流下する溶融金属に気体を噴射して金属液滴のスプレイとなし、この金属液滴を移動するコレクタ上に堆積して予備成形体を形成するスプレイフォーミング堆積方法において、前記コレクタ内部または近傍に加熱手段を配設し、この加熱手段によって前記コレクタを予熱しながら、前記金属液滴をコレクタ上に順次堆積させることを特徴とするスプレイフォーミング堆積方法。
前記加熱手段を独立制御可能な複数のヒータから構成すると共に、前記コレクタの各部位を前記ヒータ夫々により独立制御し、一定温度になる様に予熱しつつ予備成形体を形成することを特徴とする請求項１に記載のスプレイフォーミング堆積方法。
前記予備成形体の冷却過程において、前記加熱手段の温度を制御して前記予備成形体を徐冷することを特徴とする請求項１または２に記載のスプレイフォーミング堆積方法。