JP3915093B2

JP3915093B2 - 磁場印加による溶融めっきの金属被膜の結晶方位制御方法及び装置

Info

Publication number: JP3915093B2
Application number: JP2002149808A
Authority: JP
Inventors: 滋生浅井; 健介佐々; 翼杉山; 正浩田橋
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: JP2003342100A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属、セラミックスあるいは有機材料の結晶方位制御に関し、特に結晶磁気異方性を有するこれらの材料を、磁場中で、（ａ）固液共存温度に加熱するか、または（ｂ）溶融状態から凝固させる際に固液共存温度領域で攪拌することにより、材料を構成する結晶の磁化容易軸を印加磁場方向に揃えるようにした結晶方位制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料の諸性質はその結晶方位に強く依存しており、結晶方位を制御することで材料の特性を大きく改善することが可能である。
従来、磁場を用いた結晶方位制御方法として、例えば特開平８−３２３１４１号公報に記載されているように、一方向性電磁鋼板を磁場中で再加熱処理を行って、結晶配向性の高い組織を得る方法が提案されている。しかし、この方法は、再加熱温度が固液共存温度以下であり、固相反応を用いるものであるため、長時間の処理が必要である。
【０００３】
また、磁場を用いた配向方法としては、（１）雑誌「金属」ＶＯＬ．７１（２００１）に記載されている「双極子相互作用による鉄鋼材料の組織制御」にあるように、鉄鋼材料の相変態時に磁場を印加して、配向組織を得る方法が提案されているが、この方法は、前処理として急冷または圧延を行わなければならず、磁場印加による凝固組織の配向は得られているが、結晶配向は得られていない。
【０００４】
また、（２）日本学術振興会製鋼第１９委員会、凝固プロセス研究会提出資料：１９委１１８７６−凝固プロセス７５（２０００）に報告されている「凝固現象を利用した磁場配向組織形成プロセスの検討」という研究報告では、二元系金属を磁場中で固液共存温度に再加熱して金属間化合物の結晶方位を揃えることが提案されているが、この方法は前処理として急冷を行わなければならず、また処理対象材料の磁性が強磁性に限定されており、常磁性または反磁性を示す材料は対象とされていない。
【０００５】
さらに、（３）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，５２（１９８１）に記載されている「ＣｏｎｔｒｏｌｏｆＣｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｅｓｂｙＭｅａｎｓｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄ」の研究報告では、二元系合金に磁場を印加して配向組織を得る方法が提案されているが、昇温する温度は固液共存温度以上でなければならず、また凝固組織の配向を指向していて結晶配向を目的としておらず、さらに組織配向の定量的評価方法が記載されていないなど不明な点が多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記従来技術における問題点を克服した、磁場印加による溶融めっきの金属被膜の結晶方位制御方法及び装置を提供し、材料特性を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、磁場中で、結晶磁気異方性を有する溶融めっきの金属被膜を固液共存温度に再加熱することにより、溶融めっきの金属被膜の結晶を磁化容易軸に揃える結晶方位の制御方法を提供するものである。
【０００８】
結晶磁気異方性を有する溶融めっきの金属被膜に磁場を印加すると、印加磁場方向にその磁化容易軸を揃えようとする磁化力が働く。しかし、溶融めっきの金属被膜が完全に固相状態にあると回転は不可能である。そこで、溶融めっきの金属被膜を固液共存温度に再加熱することにより、溶融めっきの金属被膜の各結晶が融液中で自由に回転できる状況を作り出すことで、磁化力による溶融めっきの金属被膜の結晶方位制御が可能となる。
【０００９】
また、本発明においては溶融めっきの金属被膜を用いるので、上記従来の技術（１）、（２）にあるような急冷または圧延等の前処理を必要としない。
さらに、材料の磁性が強磁性のみならず常磁性または反磁性の材料にも適用できることが大きな特徴である。
【００１０】
さらに、溶融めっきの金属被膜は、単元および多元系金属の両者のいずれにおいても適用可能である。この金属被膜は、好ましくは亜鉛、又はビスマスとＳｎとからなる。
【００１１】
本発明による溶融めっきの金属被膜の結晶方位の制御装置は、超伝導磁石と、この超伝導磁石内に配設された加熱炉とを少なくとも含み、請求項１〜６のいずれかに記載の方法を実施することを特徴とする。
材料特性は結晶方位に依存するため、本発明による溶融めっきの金属被膜の結晶方位の制御方法及び装置を用いれば、材料特性の向上につながる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、本発明の原理について説明する。
磁場中に物質を置くと物質は磁化される。磁化された物質はその物質固有の値である磁化率に比例した磁化エネルギーを持つ。物質が結晶磁気異方性を有する場合、結晶方位によって磁化エネルギーが異なる。物質が磁場中に置かれたとき、エネルギー的に安定な結晶方位である磁化容易軸が存在する。金属である亜鉛とビスマスを例に説明する。
【００１３】
図１は、亜鉛とビスマスの磁化率の結晶方位依存性、及び本発明の方法による結晶配向を示す図であり、図１（ａ）は亜鉛、同（ｂ）はビスマスの場合を示している。
磁化率がマイナスであることは、両物質が反磁性体であることを示している。なお、以下において、χに添え字ａ，ｂ及びｃを付し、それぞれａ，ｂ及びｃ結晶軸方向の磁化率を示す。印加磁場方向（Ｂ）は図において下から上向きである。図１（ａ）に示すように、亜鉛の場合には、χ_a,bがχ_cに対してより小さいために、ｃ軸が印加磁場方向を向くことによって、磁化エネルギーが最小となる。図１（ｂ）に示すように、ビスマスの場合には、χ_cがχ_a,bに対してより小さいために、ａまたはｂ軸が印加磁場方向（Ｂ）を向くことによって、磁化エネルギーが最小となる。この時、材料を固液共存温度に再加熱することにより、または、凝固過程において固液共存温度領域で撹拌することにより結晶粒の分断を図り、個々の結晶粒が融液に浮遊して自由に回転できる状態を生み出せば、結晶粒は磁化エネルギーが最小となる方向に回転し、図１（ａ），（ｂ）に示すように印加磁場方向（Ｂ）に特定の面が配向した材料を形成することができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【００１４】
実施例１
本実施例で用いた実験装置の概要図を図２に示す。この装置は、円筒形の超伝導磁石１（最大で１２Ｔの磁束密度を発生する）内に円筒形のウォータージャケット６を介して配設された加熱炉２から基本的に構成されている。加熱炉２は、アルミナ製坩堝２ａに抵抗発熱線２ｂを巻いて作った電気炉であり、抵抗発熱線２ｂには直流電源７が接続されている。この加熱炉２を超伝導磁石１の内部に固定する。なお、ウォータージャケット６には水入口６ａと水出口６ｂが設けられている。
【００１５】
試料Ｓ１としてあらかじめ鉄基板（１０×３０ｍｍ）上に単元系金属である亜鉛のめっきを施したものを試料ホルダー３に取り付け、加熱炉２内に配置した。なお、試料Ｓ１の亜鉛被膜の温度を検出するために熱電対４を用いた。加熱炉２を用いて試料Ｓ１を亜鉛被膜の固液共存温度の４１９℃に昇温し、超伝導磁石１を用いて静磁場１２Ｔを印加した。なお、この時、試料Ｓ１の酸化を防止するために、加熱炉２内にはアルゴンガスが供給される。その後ただちに炉冷した。
【００１６】
図３及び図４は、得られた試料のＸ線回折による基板面に垂直方向の結晶配向を測定した結果を示す図であり、図３は試料Ｓ１の鉄基板を印加磁場方向に対し垂直に設置した場合、図４は平行に設置した場合の結果をそれぞれ示している。なお、これらの図中における下側の測定結果は、比較のために測定した磁場無印加の場合を示している。
【００１７】
これらのグラフから明らかなように、試料Ｓ１の鉄基板を印加磁場方向に対し垂直に設置した場合は、図１（ａ）に示したように、亜鉛が磁場印加方向にｃ軸配向したことを示す（００２）面の回折ピークが増加しており、平行に設置した場合は磁場印加方向にｃ軸配向し、従って基板面に垂直な方向にはａ軸、またはｂ軸配向したことを示す（１００）面の回折ピークが増加している。すなわち、これらの結果から、磁場印加によって亜鉛の結晶方位が制御されていることが分かる。
【００１８】
実施例２
本実施例で用いた実験装置の概要図を図５に示す。図２の装置の構成要素と同じ要素は同一符号を付してその説明は省略する。試料Ｓ２として多元系金属であるＢｉ５ｍａｓｓ％−Ｓｎを用い、試料Ｓ２を充填した坩堝５を加熱炉２内に設置した。なお、試料Ｓ２の温度を検出するために熱電対４を用いた。
【００１９】
加熱炉２を用いて試料Ｓ２を室温から３００℃まで昇温したのち、固液共存領域である２６０℃から２５５℃にわたって試料Ｓ２の融液を撹拌し、その後、炉冷により室温まで冷却した。なお、溶融状態から凝固終了まで静磁場１２Ｔを印加した。
【００２０】
得られた試料Ｓ２を印加磁場方向に対して垂直に切断し、その表面を研磨した後、Ｘ線回折により表面に垂直方向の結晶配向を測定した。得られた試料のＸ線回折の結果を図６に示す。
【００２１】
この結果から明らかなように、図１（ｂ）に示したように、Ｂｉ５ｍａｓｓ％−Ｓｎが磁場印加方向にａ，ｂ軸配向したことを示す（１１０）面、（２２０）面の回折ピークが増加していることがわかる。それに伴いｃ面である（００３）面、（００６）面、（００９）面の回折ピークは減少していることがわかる。すなわち、磁場印加によってＢｉ５ｍａｓｓ％−Ｓｎの結晶方位が制御されているのが分かる。
【００２２】
なお、上記説明では、非磁性体についての実施例を説明したが、ほとんど全ての物質は非磁性特性を有しており、従って、金属、セラミック、あるいは有機物であっても、本発明の方法、装置によって結晶方位を制御した材料に変換することができるのは明らかである。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明は結晶磁気異方性を有する材料を磁場中で固液共存温度に再加熱することにより、または、融解状態から凝固させる際に磁場を印加しながら固液共存温度領域で撹拌することによって、印加磁場方向に磁化容易軸を揃えることができる。本発明では、急冷、圧延等の前処理を必要とせず、また、強磁性体に限らず、反磁性体、常磁性体の金属、セラミックス、有機物にも適用することができる。これにより、様々な異方性材料の作製が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】亜鉛とビスマスの磁化率の結晶方位依存性、及び本発明の方法による結晶配向を示す図であり、（ａ）は亜鉛を、また（ｂ）はビスマスの場合を示している。
【図２】実施例１における実験装置の概要図である。
【図３】得られた試料のＸ線回折による基板面に垂直方向の結晶配向を測定した結果を示す図であり、試料Ｓ１の鉄基板を印加磁場方向に対し垂直に設置した場合を示すものである。
【図４】得られた試料のＸ線回折による基板面に垂直方向の結晶配向を測定した結果を示す図であり、試料Ｓ１の鉄基板を印加磁場方向に対し平行に設置した場合を示すものである。
【図５】実施例２における実験装置の概要図である。
【図６】得られた試料を印加磁場方向に対して垂直に切断し、その表面を研磨した後、Ｘ線回折により表面に垂直方向の結晶配向を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１超伝導磁石
２加熱炉
２ａアルミナ製坩堝
２ｂ抵抗発熱線
３試料ホルダー
４熱伝対
５坩堝
６ウォータージャケット
７直流電源

Claims

結晶磁気異方性を有する溶融めっきの金属被膜を磁場中で固液共存温度に再加熱することにより、該溶融めっきの金属被膜の結晶方位を制御することを特徴とする、磁場印加による溶融めっきの金属被膜の結晶方位制御方法。
前記溶融めっきの金属被膜の急冷または圧延等の前処理を必要としないことを特徴とする、請求項１に記載の溶融めっきの金属被膜の結晶方位制御方法。
前記溶融めっきの金属被膜が単元系または多元系金属であることを特徴とする、請求項１に記載の溶融めっきの金属被膜の結晶方位制御方法。
前記溶融めっきの金属被膜の磁性が強磁性、常磁性または反磁性のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の溶融めっきの金属被膜の結晶方位制御方法。
前記金属被膜が亜鉛からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の溶融めっきの金属被膜の結晶方位制御方法。
前記金属被膜がビスマスとＳｎとからなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の溶融めっきの金属被膜の結晶方位制御方法。
超伝導磁石と、該超伝導磁石内に配設された加熱炉とを少なくとも含み、請求項１〜６のいずれかに記載の方法を実施することを特徴とする、溶融めっきの金属被膜の結晶方位を制御する装置。