JP2017121635A - Amorphous alloy foil strip manufacturing apparatus and amorphous alloy foil strip manufacturing method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アモルファス合金箔帯製造装置及びそれを用いたアモルファス合金箔帯の製造方法に関する。 The present invention relates to an amorphous alloy foil strip manufacturing apparatus and a method for manufacturing an amorphous alloy foil strip using the same.
通常、金属は原子が整然と配列された結晶構造を持っているが、高温で溶けた液体のまま急速に冷却されると、液体構造を持った固体になる。この結晶がランダムに詰まった非晶質合金をアモルファス合金という。 Normally, a metal has a crystal structure in which atoms are arranged in an orderly manner, but when rapidly cooled as a liquid melted at a high temperature, it becomes a solid having a liquid structure. An amorphous alloy in which the crystals are randomly packed is called an amorphous alloy.
アモルファス合金は高強度で磁気損失が少ないなど電気特性などに優れているが、加工には高度な技術が求められる。アモルファス合金の製造方法のうち最も一般的な方法は単ロール液体急冷法である。単ロール液体急冷法は熱伝導性が高い金属又は合金製のロール(ドラム)を高速で回転させながら、溶融金属(以下、合金溶湯という。)をロールの外周面に接触させることにより、合金溶湯を急速に冷却して箔帯状に凝固させる方法である。このような溶融金属から直接的に箔帯を製造する技術では、いかに箔帯の板厚や表面性状を均一にするかが重要な課題である。 Amorphous alloys are excellent in electrical properties such as high strength and low magnetic loss, but advanced technology is required for processing. The most common method for producing amorphous alloys is a single roll liquid quenching method. In the single roll liquid quenching method, molten metal (hereinafter referred to as molten alloy) is brought into contact with the outer peripheral surface of the roll while rotating a metal or alloy roll (drum) having high thermal conductivity at a high speed. Is rapidly cooled to solidify in a foil strip shape. In the technique of manufacturing a foil strip directly from such a molten metal, how to make the thickness and surface properties of the foil strip uniform is an important issue.
近年、トランスやモーターの鉄心に、磁気損失が少ないアモルファス合金を用いることが検討されている。鉄心材料として用いられるアモルファス箔帯は、積層して用いられるので、その一枚一枚の表面性状の優劣がトランスやモーター全体の特性を左右する。 In recent years, it has been studied to use an amorphous alloy with little magnetic loss for the iron core of a transformer or a motor. Since amorphous foil strips used as iron core materials are used by being laminated, the superiority or inferiority of the surface properties of each one affects the characteristics of the transformer and the motor as a whole.
アモルファス箔帯の表面性状品質の低下は以下の原因が考えられる。アモルファス箔帯を形成する方法として、高速回転している冷却ロールの表面に、溶融したアモルファス材を流す方法があるが、この際、冷却ロール上の溶融金属の湯溜り(以下、パドルという。)と該冷却ロール表面との間(境界層)に空気が入り込み、その空気がそのままロール上で凝固しつつある箔帯の内部に閉じ込められ、アモルファス箔帯に表面凹凸が形成される。この表面凹凸を有するアモルファス箔帯を巻きまわして鉄心を作ることにより、鉄心が大型化するおそれがある。 The following causes can be considered for the deterioration of the surface quality of the amorphous foil strip. As a method of forming an amorphous foil strip, there is a method of flowing a molten amorphous material on the surface of a cooling roll rotating at a high speed. At this time, a molten metal pool (hereinafter referred to as paddle) on the cooling roll. And the surface of the cooling roll (boundary layer), air is trapped inside the foil strip solidifying on the roll as it is, and surface irregularities are formed in the amorphous foil strip. By winding an amorphous foil strip having surface irregularities to make an iron core, the iron core may be enlarged.
空気がアモルファス箔帯の間に入り込むメカニズムは、パドルが何らかの外力によって加振され、ロール表面とパドルとが形成する表面の濡れ角を変化させ、空気の入込み易い空気巻込部(エア・ポケット)が境界層に周期的にできることである。 The mechanism of air entering between the amorphous foil strips is that the paddle is vibrated by some external force, changing the wetting angle of the surface formed by the roll surface and paddle, and the air entrainment part (air pocket) where air can easily enter This can be done periodically in the boundary layer.
その結果、製造された箔帯には、この周期に一致した魚鱗状模様(フィッシュ・スケール)が形成され、箔帯の表面性状の均一性が低下する。また、凝固中にある箔帯の面性状の均一性がよくない場合には、箔帯の熱が効率良くロールに伝導せず、箔帯が急冷されないので、アモルファス化が一層難しくなる。
パドルの振動については、従来から多々研究が行われており、2種類の振動形態があると報告されている。その1つは、空気がパドルに衝突することによってパドルの表面膜が振動するという運動学的原因(キャピラリー・ウェーブ)によるものであり、他の1つは、空気がパドルにぶつかり、溶融金属の表面を不均一に酸化させ、表面張力が不均一になった結果として振動するという化学反応的原因(マランゴニー・エフェクト)によるものである。
As a result, a fish scale-like pattern (fish scale) corresponding to this cycle is formed in the manufactured foil strip, and the uniformity of the surface property of the foil strip is lowered. Further, when the uniformity of the surface property of the foil strip being solidified is not good, the heat of the foil strip is not efficiently conducted to the roll, and the foil strip is not rapidly cooled, so that it becomes more difficult to be amorphous.
Many studies have been conducted on paddle vibration, and it has been reported that there are two types of vibration. One is due to the kinematic cause (capillary wave) that the surface film of the paddle vibrates when the air collides with the paddle, and the other is that the air hits the paddle and the molten metal This is due to a chemical reactive cause (Marangoni effect) in which the surface is oxidized non-uniformly and vibrates as a result of non-uniform surface tension.
一方、これらの原因による箔帯表面性状の均一性低下防止は従来から研究されており、パドルに衝突する空気を希薄にするか、空気の代わりに低密度の不活性ガスもしくは還元性ガスを用いる等の方法が以下の特許文献に多数開示されている。 On the other hand, prevention of uniformity of the foil strip surface properties due to these causes has been studied conventionally, and the air impinging on the paddle is diluted or a low-density inert gas or reducing gas is used instead of air. A number of such methods are disclosed in the following patent documents.
また、特開昭59−209457号公報は、上記特開昭51−109221号公報に記載された方法の設備的問題を改良し、低密度かつ高温の不活性ガスを用いることを提案している。しかしながら、この方法に有効な低密度のヘリウム、クリプトン、キセノン等の不活性ガスは非常に高価で、やはりランニング・コストの点で課題がある。 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 59-209457 proposes to improve the facility problem of the method described in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 51-109221 and to use a low-density and high-temperature inert gas. . However, inert gases such as low-density helium, krypton, and xenon that are effective in this method are very expensive and still have problems in terms of running cost.
さらに、特開昭60−37249号公報は、発熱性の還元性雰囲気下で箔帯を製造するに際して、安価な一酸化炭素を燃焼させて低密度の還元性ガスとし、上記ランニング・コストの高価であるという課題を解消した。しかしながら、一酸化炭素は、安全上の課題がある。 Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-37249 discloses that when manufacturing a foil strip in an exothermic reducing atmosphere, inexpensive carbon monoxide is burned into a low density reducing gas, and the running cost is high. The problem of being was solved. However, carbon monoxide has safety issues.
これらの課題を解決する方法としては、特開平6−292950記載の箔帯製造装置があり、CO2ガスをパドルの近傍に吹き付け、箔帯の表面性状を大幅に改善する方法が提案された。しかしながら、その方法も、100mm以上の広幅の箔帯になると、安定して良好な表面粗さが得られないという別の課題がある。 As a method for solving these problems, there is a foil strip manufacturing apparatus described in JP-A-6-292950, and a method has been proposed in which CO 2 gas is sprayed in the vicinity of the paddle to greatly improve the surface properties of the foil strip. However, this method also has another problem that a good surface roughness cannot be stably obtained when the foil strip has a width of 100 mm or more.
上記の様々な課題に鑑み、本発明は、アモルファス箔帯の表面凹凸を制御できるアモルファス合金箔帯の製造装置を提供すること、および、その製造装置を用いたアモルファス合金箔帯の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the various problems described above, the present invention provides an apparatus for manufacturing an amorphous alloy foil strip that can control surface irregularities of the amorphous foil strip, and a method for manufacturing an amorphous alloy foil strip using the manufacturing apparatus. The purpose is to do.
本発明に係るアモルファス合金箔帯製造装置は、冷却ロール5と、冷却ロール5を回転させる駆動手段と、冷却ロール5の外周面に対して合金溶湯を供給する第一の供給手段3と、合金溶湯に対して圧力を供給する第二の供給手段2を有することを特徴とする。
The amorphous alloy foil strip manufacturing apparatus according to the present invention includes a
本発明によれば、アモルファス箔帯の表面凹凸を制御することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to control the surface unevenness of the amorphous foil strip.
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。下記はあくまでも実施の例であり、発明の内容を下記具体的態様に限定することを意図するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The following are merely examples of implementation and are not intended to limit the content of the invention to the following specific embodiments.
図1に示すように、本実施例に係るアモルファス合金箔帯の製造装置1は、アモルファス合金箔帯4を製造するものである。
As shown in FIG. 1, the amorphous alloy foil
この製造装置1には水冷ロール5が設けられている。水冷ロール5は、熱伝導性が高い金属又は合金により形成されており、例えば、銅又は銅合金により形成されている。水冷ロール5の一方の端部には、通水管6が設けられ、それを介して内部に冷却水が供給されるようになっている。また、水冷ロール5の他方の端部には、水冷ロール5を回転さるモーターなどが連結されている。冷却水は、水冷ロール5の一方の端部から通水管6を介して水路内に導入され、水路を流通した後、通水管6を介して排出される。排出された冷却水は、図示しない冷却手段により再度冷却されて通水管6に注入される。
The
なお、本発明では、上述の水冷ロールに限定されず、例えば、ロールにファンを設け、ロール内に冷却された空気を取り込むことでロールの表面温度を冷却する構成を用いることも可能である。 In addition, in this invention, it is not limited to the above-mentioned water-cooled roll, For example, it is also possible to use the structure which cools the surface temperature of a roll by providing a fan in a roll and taking in the air cooled in the roll.
図2に示すように、水冷ロール5の上方には、アモルファス合金箔帯4の材料となる合金溶湯を供給するための供給手段3と、合金溶湯を吐出直後に非金属の液体(たとえば水)又は気体(たとえば空気)を合金溶湯の表面に向けて吐出するための供給手段2が設けられる。
さらに、供給手段3は、合金溶湯を水冷ロール5の外周面に向けて吐出するノズル3aを有し、供給手段2は、非金属の液体(たとえば水)又は気体(たとえば空気)を合金溶湯の表面に向けて吐出するノズル2aを有する。ノズル3aおよびノズル2aの吐出口は水冷ロール5方向を向いており、水冷ロール5の外周面およびアモルファス合金箔帯4の材料表面との間に僅かな隙間を形成している。
As shown in FIG. 2, above the water-cooled
Furthermore, the supply means 3 has a nozzle 3a that discharges the molten alloy toward the outer peripheral surface of the water-cooled
図2に示すノズル3aおよびノズル2aは2本のスリットが配列された形状となっているが、3本以上のスリットを有するノズルを使用してもよい。たとえば、ノズル2aのスリットが複数設けられていてもよい。スリット3a及びスリット2aが延びる方向は、水冷ロール5の軸方向と同一であるのが好ましい。
The nozzle 3a and the nozzle 2a shown in FIG. 2 have a shape in which two slits are arranged, but a nozzle having three or more slits may be used. For example, a plurality of slits of the nozzle 2a may be provided. The direction in which the slit 3 a and the slit 2 a extend is preferably the same as the axial direction of the water-cooled
また、スリット3aとスリット2aの間の距離は、スリット3aから吐出される合金溶湯3が、水冷ロール5に冷却されてガラス遷移温度Tgに至るまでに、スリット2aから圧力を受けるように設定される。言い換えると、スリット3aとスリット2aの間の距離は、スリット3aから吐出される合金溶湯3が過冷却液体であるニュートン粘性状態から完全金属固体になるまでに、スリット2aから圧力を受けるように設定される。なお、本実施例では、供給手段2と供給手段3は一体に形成されているが、別々に形成することもできる。
The distance between the slit 3a and the slit 2a is set so that the
次に、本実施例に係るアモルファス合金箔帯4の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the amorphous alloy foil strip 4 according to the present embodiment will be described.
まず、通水管6を介して水冷ロール5内に冷却水を流通させながら、水冷ロール5を高速で回転させる。この状態で、ノズル3a内に合金溶湯を注入し、ノズル3aを介して、合金溶湯を水冷ロール5に向けて吐出し、水冷ロール5の外周面に接触させる。これにより、ノズル3aと水冷ロール5との間に、パドル(湯溜り)が形成される。
First, the water-cooled
パドルを形成する合金溶湯のうち、水冷ロール5に接触している部分は冷却されて粘度が高くなり、水冷ロール5の回転によってパドルから引き出される。パドルから引き出された合金溶湯は、水冷ロール5の外周面に引きずられて水冷ロール5の回転方向に移動しつつ、水冷ロール5によって冷却されて過冷却液体であるニュートン粘性状態の金属流体となる。次いで粘性状態の金属流体から凝固し、ガラス転移点Tgよりも低温になることでアモルファス合金箔帯4が形成される。
Of the molten alloy forming the paddle, the portion in contact with the water-cooled
たとえば、ノズル3aとノズル2aが1本ずつ形成されている場合、まず、ノズル3aから吐出されてきた合金溶湯のパドルは、水冷ロール5によって冷却されて過冷却液体であるニュートン粘性状態の金属流体となる。その直後に、ノズル2aから上述のニュートン粘性状態の金属流体の表面に向けて圧力が供給される。具体的には、非金属の液体(たとえば水)又は気体(たとえば空気)が、過冷却液体であるニュートン粘性状態の金属流体材料の表面に向けて吐出される。これにより、完全固体のアモルファス合金箔帯4を形成する。
For example, when one nozzle 3a and two nozzles 2a are formed, first, the molten metal paddle discharged from the nozzle 3a is cooled by the water-
合金溶湯のパドルから引き出された高粘度流体が、ガラス転移点Tgに達する前に、ノズル2aから供給される非金属の液体(たとえば水)又は気体(たとえば空気)が高粘度流体の表面に吐出されることで、高粘土流体の表面性状の凹凸を抑制することができるので、アモルファス箔帯の表面性状の均一性を向上することができる。 Before the high-viscosity fluid drawn from the molten alloy paddle reaches the glass transition point Tg, a nonmetallic liquid (for example, water) or gas (for example, air) supplied from the nozzle 2a is discharged onto the surface of the high-viscosity fluid. By doing so, the unevenness of the surface property of the high clay fluid can be suppressed, so that the uniformity of the surface property of the amorphous foil strip can be improved.
従来の製造工程では、図3のアモルファス合金箔帯表面観察プロファイルに示すように、空気層の振動などによりロール表面とパドルとが形成する表面の濡れ角が変化し、空気巻込部(エア・ポケット)が境界層の周期に一致して形成された魚鱗状模様(フィッシュ・スケール)が形成され、アモルファス箔帯の表面性状の均一性が低下していた。 In the conventional manufacturing process, as shown in the surface observation profile of the amorphous alloy foil strip in FIG. 3, the wetting angle of the surface formed by the roll surface and the paddle changes due to the vibration of the air layer, etc. A fish scale-like pattern (fish scale) was formed in which the pocket) coincided with the period of the boundary layer, and the uniformity of the surface property of the amorphous foil strip was lowered.
本実施例の手法によって、空気層の振動などからのロール表面とパドルとが形成する表面の濡れ角の変化を抑制することが可能となり、空気巻込部(エア・ポケット)の周期的な境界層の生成を防ぐことができる。これにより、アモルファス箔帯の表面性状の均一性を向上することが可能となる。 The technique of this embodiment makes it possible to suppress changes in the wetting angle of the surface formed by the roll surface and the paddle due to vibration of the air layer and the like, and the periodic boundary of the air entrainment part (air pocket) Formation of the layer can be prevented. Thereby, the uniformity of the surface property of the amorphous foil strip can be improved.
一方、合金溶湯3から水冷ロール5に伝達された熱は、水冷ロール5の外周部分を伝わり、水冷ロール5内を流通する冷却水に伝達される。そして、冷却水に伝達された熱は、冷却水と共に水冷ロール5の外部に排出される。すなわち、合金溶湯3の熱は、合金溶湯3から水冷ロール5へ伝わり、さらに冷却水に伝達されて排出される。
On the other hand, the heat transmitted from the
非金属の液体又は気体を、過冷却液体であるニュートン粘性状態の金属流体材料の表面に向けて吐出することでアモルファス合金箔帯4の表面の凹凸を制御できる理由を以下に説明する。図4の右軸は未凝固の流体を含むアモルファス合金箔帯の温度の時間変化(パドルから下流方向の距離に対応する)を模式的に示し、図4の左軸は冷却ロール表面の温度変化を模式的に示している。 The reason why unevenness on the surface of the amorphous alloy foil strip 4 can be controlled by discharging a nonmetallic liquid or gas toward the surface of the metal fluid material in a Newtonian viscous state that is a supercooled liquid will be described below. The right axis of FIG. 4 schematically shows the time change of the temperature of the amorphous alloy foil strip containing the unsolidified fluid (corresponding to the distance in the downstream direction from the paddle), and the left axis of FIG. 4 shows the temperature change of the cooling roll surface. Is schematically shown.
なお、図4中の曲線は、肉厚の小さいロール(従来法、例えば10mm)で薄肉のアモルファス合金箔帯(例えば、25μm)を製造する場合を表している。また、図4に示すロール表面温度の測定位置は、合金溶湯3のパドルの上流側、例えばパドルから20cmの位置である。
The curve in FIG. 4 represents the case where a thin amorphous alloy foil strip (for example, 25 μm) is manufactured with a roll having a small thickness (conventional method, for example, 10 mm). Moreover, the measurement position of the roll surface temperature shown in FIG. 4 is an upstream side of the paddle of the
図4に示すように初期のロール表面温度は急上昇し、その後、温度の上昇率は低下するが一定の勾配で直線的に上昇を続ける。また、形成されるアモルファス箔帯の微視的構造は、肉薄冷却ロールの場合、ロール表面温度T1まではアモルファス(非晶質)であるが、それを超えると結晶化が始まる。 As shown in FIG. 4, the initial roll surface temperature rises rapidly, and then the rate of temperature rise decreases but continues to rise linearly with a constant gradient. In addition, in the case of the thin cooling roll, the microscopic structure of the formed amorphous foil strip is amorphous (amorphous) up to the roll surface temperature T1, but when it exceeds that, crystallization starts.
そこで、ロール表面温度T1に至るまでに、合金溶湯3のパドルから引き出された高粘度流体に対し、非金属の液体(たとえば水)又は気体(たとえば空気)を吐出することで、高粘土流体の表面形状の凹凸を抑制する。
Therefore, by discharging non-metallic liquid (for example, water) or gas (for example, air) to the high-viscosity fluid drawn from the paddle of the
その後、更に、時間が経過すると、ロール表面温度がT2のときパドルブレークが発生し、それ以後は箔帯が形成されなくなる。なお、結晶化が始まる冷却ロールの表面温度がT1で、パドルブレークが発生するロールの表面温度がT2である。 Thereafter, when the time further elapses, a paddle break occurs when the roll surface temperature is T2, and the foil strip is not formed thereafter. The surface temperature of the cooling roll where crystallization starts is T1, and the surface temperature of the roll where the paddle break occurs is T2.
従来のアモルファス合金箔帯を積層したトランスやモーターの鉄心は、各箔帯表面の凹凸の存在により鉄心の大型化につながる課題があった。 Conventional iron cores for transformers and motors laminated with amorphous alloy foil strips have the problem of increasing the size of the iron core due to the presence of irregularities on the surface of each foil strip.
これに対して、本発明は、アモルファス合金箔帯を凝固させる過程でアモルファス合金箔帯の表面性状の制御ができるので、アモルファス合金箔帯の表面の凹凸を抑制することが可能となり、鉄心の大型化を防ぐことが可能となる。また、箔帯の表面性状品質の向上はトランスやモーターの一定容積内での占積率を増加させることができるので、トランスやモーターの小型化が図れる。さらに、アモルファス合金箔帯の表面の凹凸を抑制することで、熱伝熱がスムーズに行われ、冷却速度も向上し、電気特性の損失もさらに低減することが可能となる。 On the other hand, since the present invention can control the surface properties of the amorphous alloy foil strip in the process of solidifying the amorphous alloy foil strip, it is possible to suppress irregularities on the surface of the amorphous alloy foil strip. Can be prevented. In addition, the improvement of the surface texture quality of the foil strip can increase the space factor within a certain volume of the transformer and motor, so that the transformer and motor can be miniaturized. Furthermore, by suppressing the irregularities on the surface of the amorphous alloy foil strip, heat transfer is performed smoothly, the cooling rate is improved, and the loss of electrical characteristics can be further reduced.
1・・・アモルファス合金箔帯製造装置、2・・・供給手段、2a・・・ノズル、3・・・供給手段、3a・・・ノズル、4・・・アモルファス合金箔帯、5・・・水冷ロール、6・・・通水管
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記合金溶湯を前記冷却ロールの外周面で冷却してアモルファス合金層を形成し、
前記冷却ロールを回転させつつ、前記アモルファス合金層が凝固する前に、前記アモルファス合金層に対し圧力を供給することを特徴とする、
アモルファス合金箔帯の製造方法。 Using the amorphous alloy foil strip manufacturing apparatus according to claim 1,
Cooling the alloy melt on the outer peripheral surface of the cooling roll to form an amorphous alloy layer;
While rotating the cooling roll, before the amorphous alloy layer solidifies, pressure is supplied to the amorphous alloy layer,
A method for producing an amorphous alloy foil strip.
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