JP3977868B2 - 均質な急冷支持体 - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は溶融合金を急冷するための装置および方法に関する。より詳細には、本発明は金属ストリップの連続鋳造に用いる鋳造ホイールの急冷面の特性に関する。
２．先行技術の記述
合金ストリップの連続鋳造は、溶融合金を回転中の鋳造ホイール上に堆積させる（ｄｅｐｏｓｉｔ）ことにより行われる。溶融合金流がホイールの移動急冷面によって細長くなり、そして凝固するのにともなって、ストリップが形成される。連続鋳造のためには、この急冷面は鋳造中の熱周期による周期的応力により生じる機械的損傷に耐える必要がある。急冷面の性能を改良しうる手段には、高い熱伝導率および高い機械的強度をもつ合金の使用が含まれる。その例には、各種の銅合金、鋼などが含まれる。あるいは欧州特許第ＥＰ００２４５０６号に述べられるように、鋳造ホイールの性能を改良するために、その急冷面に種々の面をめっきすることができる。好適な鋳造法の詳細は米国特許第４，１４２，５７１号に開示される。その特許明細書の開示事項が本明細書に参考として含まれるものとする。
先行技術の鋳造ホイール急冷面には一般に２つの形態がある。すなわち一体式（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）または構成部品式（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）である。前者の場合、合金の中実塊に冷却溝を付与するか、または付与せずに、それを鋳造ホイールの形態に加工する。後者は米国特許第４，５３７，２３９号に開示されるように、組み立てると鋳造ホイールを構成する２片以上からなる。そこに開示される鋳造ホイール急冷面の改良法は、あらゆる種類の鋳造ホイールに適用できる。
先行技術の鋳造ホイール急冷面は一般に合金から作成され、これを鋳造し、それからホイール／急冷面に二次加工する前に、何らかの方法で機械加工する。硬度、引張り強さおよび降伏強さ、ならびに伸び率などの特定の機械的特性が、ときには熱伝導率と合わせて考慮された。これはその合金につき可能な機械的強度と熱伝導性の最良の組合わせを得るようになされた。その理由は、基本的には２つある：１）目的とする鋳造ストリップのミクロ組織を得るのに十分なほど高い急冷速度を得る；２）ストリップの輪郭（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）が破損し、これにより鋳造製品が使用不能になるような、急冷面の機械的損傷を受けない。
合金ストリップ鋳造法は複雑であり、優れた性能特性をもつ急冷面を開発するには動的または周期的な機械的特性を慎重に考慮する必要がある。急冷面として用いる原料合金を調製する方法が、その後のストリップ鋳造性能にいちじるしい影響を与える可能性がある。これは、機械加工相およびその後の熱処理後に生じる強化相の量によると思われる。それは、ある種の機械加工処理の方向性または不連続性（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｎａｔｕｒｅ）に起因する可能性もある。たとえばリング鍛造（ｒｉｎｇ ｆｏｒｇｉｎｇ）および押出しはいずれも加工片に機械的特性の異方性を付与する。残念ながら、その結果得られるこの配向の方向は、一般に急冷面内の最も有用な方向に並列ではない。合金を再結晶させ、結晶粒を生長させ、かつ合金マトリックスを含む強化相を析出させるための熱処理は、機械加工処理工程で誘導される欠陥を改善するには不十分な場合が多い。その結果、結晶の粒度、形状および分布が不均一なミクロ組織をもつ急冷面が得られる。
上記のような急冷面結晶粒組織をもつ結果として、その構成部品は合金ストリップの連続鋳造に使用している間に早期破損しやすくなる。前記のように結晶粒度が最初から不均一である場合、それを用いた構成部品の疲れ寿命が大幅に制限される。
発明の概要
本発明は合金ストリップの連続鋳造装置を提供する。一般にこの装置は、連続合金ストリップの急速凝固に際して堆積した溶融合金層を冷却する急冷支持体（ａ ｑｕｅｎｃｈ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を提供する鋳造ホイールを備えている。急冷支持体は結晶質組織または非晶質組織をもつ。それは熱伝導性合金からなり、実質的に均質な結晶粒度をもつ。
本発明の鋳造ホイールは所望により、その上に堆積して急冷される合金の下に
急冷面が進入するのにともなって急冷面を一定の温度に維持するための手段を備えている。溶融合金を排出するためのノズルを、急冷支持体と間隔をおいた関係で取り付ける。溶融合金はノズルにより急冷支持体領域へ向けられ、そこに堆積する。溶融合金を保持してノズルへ供給するための溜めが、そのノズルと連絡している。
好ましくは急冷支持体は、１μｍを越え５０μｍ未満の粒度をもつ結晶粒が約８０％、残りは５０μｍを越え３００μｍ未満であることを特色とする、構成結晶粒度の均質性をもつ。
熱伝導性であり、かつ実質的に均質な、結晶質組織または非晶質組織をもつ急冷支持体の使用により、急冷支持体の有効寿命が有利に延長される。支持体上で急速に凝固するリボンの収率がいちじるしく向上する。支持体の保守に伴う停止時間が最小限に抑えられ、プロセスの信頼性が高まる。
図面の簡単な記述
以下の詳細な記述および添付の図面を参照すると、本発明はより十分に理解され、他の利点が明らかになるであろう。
図１は、金属ストリップの連続鋳造装置の透視図である。
図２ａは、約１７．０ｃｍ（６．７インチ）幅の非晶質合金ストリップの連続鋳造時間に伴う急冷支持体の性能低下（“ピッピング（ｐｉｐｐｉｎｇ）”）を示すグラフである。
図２ｂは、約２１．３ｃｍ（８．４インチ）幅の非晶質合金ストリップの連続鋳造時間に伴う急冷支持体の性能低下を示すグラフである。
図３ａは、先行技術の急冷支持体の顕微鏡写真であり、典型的な結晶粒度とその分布を示す。
図３ｂは、本発明の急冷支持体の顕微鏡写真であり、典型的な結晶粒度とその分布を示す。
発明の詳細な記述
本明細書で用いる“非晶質”という用語は、いかなる広範囲秩序も実質的に欠如し、液体または無機酸化物ガラスに見られるものと質的に類似するＸ線回折強度最大を特色とする合金を意味する。
本明細書で用いる微晶質合金という用語は、結晶粒度１０μｍ（０．００４インチ）未満をもつ合金を意味する。好ましくはそのような合金は約１００ｎｍ（０．０００００４インチ）から１０μｍ（０．００４インチ）まで、最も好ましくは約１μｍ（０．００００４インチ）から５μｍ（０．０００２インチ）までの結晶粒度をもつ。
本明細書で用いる“ストリップ”という用語は、その横方向の寸法がその長さよりはるかに小さな細い物体を意味する。たとえばストリップには、あらゆる規則的または不規則な断面をもつワイヤ、、リボンおよびシートが含まれる。
本明細書および請求の範囲全体をとおして用いる“急速凝固”という用語は、少なくとも約１０⁴〜１０⁶℃／秒の速度での溶融物の冷却を意味する。本発明の範囲に含まれるストリップの加工には多様な急速凝固法、たとえば冷却した支持体上への噴霧堆積、ジェット鋳造、平面流鋳造などを使用できる。
本明細書で用いる“ホイール”という用語は、その直径より小さな幅（軸方向に）をもつ、実質的に円形の断面の物体を意味する。これに対しローラーは一般に直径より大きな幅をもつと解される。
本明細書中で実質的に均質という用語は、急冷面があらゆる方向に実質的に均一な結晶粒度のものであることを意味する。実質的に均質な急冷支持体は、好ましくは１μｍを越え５０μｍ未満の粒度をもつ結晶粒が約８０％、残りは５０μｍを越え３００μｍ未満であることを特徴とする、構成結晶粒均質性を備えている。
本明細書で用いる“熱伝導性”という用語は、急冷支持体が４０Ｗ／ｍＫより大きく約４００Ｗ／ｍＫ未満、より好ましくは６０Ｗ／ｍＫより大きく約４００Ｗ／ｍＫ未満、最も好ましくは８０Ｗ／ｍＫより大きく４００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率値をもつことを意味する。
本明細書および請求の範囲において、装置はホイール周辺に位置する、急冷支持体として作動する鋳造ホイールセクションにつき記載される。本発明の原理は、ホイールのものと異なる形状および構造をもつベルトなどの急冷支持体構成、または急冷支持体として作動するセクションがホイールの前面もしくはホイール周辺以外のホイール部分に位置する鋳造ホイール構成にも適用できることは自明であろう。
本発明は、溶融金属の急冷のために急冷支持体を用いた装置および方法を提供する。本発明装置の好ましい態様において、軸方向に測定した鋳造ホイールの最大幅に対する鋳造ホイールの直径の比は少なくとも約１である。急冷支持体付近にある軸方向導管を通して冷媒流を供給することにより、金属ストリップの急速かつ均一な冷却が達成される。鋳造中にホイールが回転するのにともなって急冷支持体上に溶融合金が周期的に堆積するので、大きな周期的熱応力も生じる。その結果、支持体表面付近に大きな半径方向の熱勾配が生じる。そのままではこの大きな熱勾配と熱疲れ周期により急冷支持体の機械的破壊が起こるので、これを阻止するために支持体は微細な均一粒度の構成結晶粒からなる。回転軸内に設けた間隔をおいた２個の軸方向キャビティーを通して冷媒を鋳造ホイールへ送入し、ここから排出することができる。冷媒の入口と出口が、ホイールのキャビティーと２個のチャンバーの間を連絡する。これらのチャンバーは、回転軸から冷却面へ伸びた壁で隔離されている。
本発明の装置および方法は、アルミニウム、スズ、銅、鉄、鋼、ステンレス鋼などの多結晶質ストリップの成形に適している。溶融物からの急冷に際して固体非晶質組織を形成する合金が好ましい。これらは当業者に周知である。それらの合金の例は、米国特許第３，４２７，１５４および３，９８１，７２２号に開示されている。
図１については、一般に金属ストリップの連続鋳造装置を１０に示す。装置１０は、その縦軸上に回転可能な状態で取り付けた環状の鋳造ホイール１、溶融合金を保持するための溜め２、および誘導加熱コイル３を備えている。溜め２はスロット付きノズル４と連絡し、ノズルは環状ホイール１の急冷支持体５に近接して取り付けられる。溜め２はさらに、そこに収容した溶融金属を加圧してそれをノズル４から押し出す手段（図示されていない）を備えている。操作に際しては、加圧下で溜め２に保持された溶融金属をノズル４から急速に移動している鋳造支持体５上へ押し出すと、金属がここで凝固してストリップ６を形成する。ストリップ６は凝固したのち鋳造ホイールから剥離し、そこから跳ね飛ばされて巻取り機または他の好適な採集装置（図示されていない）に採集される。
鋳造ホイール急冷支持体５を構成する材料は、銅または比較的高い熱伝導率をもつ他の金属もしくは合金であってもよい。この要件は、非晶質または準安定ストリップを製造したい場合に特に適用できる。支持体５の構築に好ましい金属には、微細かつ均質な結晶粒度の析出硬化銅合金、たとえばクロム銅またはベリリウム銅、分散硬化合金、および無酸素銅が含まれる。平滑な表面特性を備えたストリップを得るためには、所望により支持体５は高度に研摩されるか、またはクロムめっきなどが施されていてもよい。浸食、腐食または熱疲れに対する保護をさらに得るためには、鋳造ホイールの表面を常法により、好適な抵抗性または高融点の被膜で被覆してもよい。一般に、冷却面で鋳造される溶融金属または合金の湿潤性が適切であれば、セラミック被膜または耐食性高融点金属の被膜も付与できる。
前記のように、溶融金属または合金をストリップに連続鋳造する急冷面の結晶粒度および結晶分布がともに、それぞれ微細かつ均一であることが重要である。ストリップ鋳造性能に関する異なる２つの急冷面製造方法の比較を図２に示す。一般に本発明の範囲外の急冷面ミクロ組織を与える方法では、急冷面の熱−機械的加工に際してリング鍛造法を採用する。この金属加工法では、高い強度を発現させるために環状急冷面に不連続なハンマー打撃を与えて、その後の熱処理用に調整する。この種の機械加工法の主な限界は、その不連続な漸増性である。すなわち必ずしも急冷面のすべての体積要素が均等に加工されるわけではなく、二モード結晶粒度分布がその後起こり、微細結晶粒のマトリックス中に若干の大きな結晶粒が散在する可能性がある。この種の二モード結晶粒度分布は、金属または合金ストリップの連続鋳造に際して急冷面の性能にとって有害であることが認められた。このような状況で急冷支持体の劣化が起こる具体的な様式は、その表面にごく小さな亀裂が生じることによる。続いて堆積した溶融金属または合金が次いでこれらの小さな亀裂に進入し、その中で凝固し、操作中に鋳造ストリップが急冷支持体から剥離するのにともなって、隣接する急冷支持体材料といっしょに抜き取られる。この劣化過程は退行性であり、鋳造時間とともに次第に悪化する。急冷支持体上の亀裂斑または抜取り斑は“ピット（ｐｉｔ）”と呼ばれ、一方これにともなって鋳造ストリップの下面に付着する複写された突起は“ピップ（ｐｉｐ）”と呼ばれる。
本発明の急冷支持体は、急冷支持体合金の必要成分を溶融し、この金属を型に注入し、これによりインゴットを形成することによって作成される。この鋳造したままのインゴットにハンマー衝撃を繰り返し与えて（鍛造）、インゴットの鋳込み結晶粒組織を破壊し、これによりビレットを形成する。このビレットをマンドレルで孔抜きして、その後の加工に用いる円筒形物体を得る。この円筒形物体を最終的な急冷面の形状にさらに近づいた一定長さの円筒（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ）に切断する。微細結晶粒の成核および生長（再結晶）を促進するために、この切断円筒に多数の機械的変形処理を施す。これらの処理には以下のものが含まれる：（１）リング鍛造、この方法では切断円筒をアンビル（サドル）で支え、切断円筒をアンビルの周りに徐々に回転させながらハンマーで繰り返し打撃を与え、これにより切断円筒の全周を不連続な衝撃打により処理する；（２）リング圧延、この方法はリング鍛造に類似するが、ただしハンマーでなく一組のローラーを用いることにより、切断円筒の機械加工がはるかに均一に達成される；および（３）フロー成形、この方法では急冷面の内径を定めるためにマンドレルを用い、一組の加工具が切断円筒の円周に作用し、同時に円筒長さに沿って平行移動して、これによって広範な機械的変形を施しながら切断円筒を薄くし、同時に伸長する。
前記の機械的変形プロセスのほかに、機械的変形の間または途中で行う各種の熱処理工程を採用して、加工を促進し、および／または急冷面の結晶粒を再結晶させ、かつ急冷面の合金に硬化相を生成させることができる。
急冷面にミクロ組織を生じると思われる機械加工法の例には、リング圧延が含まれる。この方法では環状急冷面の体積要素全体に連続した機械的変形を施す。そのような機械加工法の他の例はフロー成形であり、この方法では金属をきわめて広範に均一に変形させる。これらの種類の連続変形法によれば、本発明の範囲に含まれるきわめて微細かつ均一な結晶粒度が、有利に急冷支持体に得られる。図２のデータは、最終特性を発現させるために熱処理する前に熱機械加工、たとえばリング圧延または押出し処理を施した急冷支持体が呈する、改良されたピッティング抵抗性を示す。
本発明の範囲内および範囲外の急冷面の比較ミクロ組織を図３ａと３ｂに示す。先行技術の急冷面（図３ａ）は平均粒度約１，５００μｍの結晶粒約５０％を示し、残り５０％が結晶粒度５０μｍ未満である。本発明の急冷面（図３ｂ）は平均結晶粒度５０μｍ未満の結晶粒をほぼ１００％含む。本発明の急冷面には、きわめて微細かつ均一な結晶粒度および分布が示される。
本発明をより完全に理解するために以下の実施例を提示する。本発明の原理と実際を説明するために提示した具体的な技術、条件、材料、割合および報告したデータは例示であり、本発明の範囲を限定するものと解すべきではない。
実施例１
冷却したホイールアセンブリーに取り付けたベリリウム銅合金２５の急冷面構成部品を用いて、約１７．０ｃｍ（６．７インチ）および約２１．３ｃｍ（８．４インチ）幅の鉄基非晶質合金を製造した。本発明の範囲外の急冷支持体を用いて８００以上の一連の鉄基非晶質合金鋳造リボン、および本発明の範囲内の急冷支持体を用いて７０以上の一連の鉄基非晶質合金鋳造リボンを得た。２つの異なる急冷支持体の結晶粒度分布は、それらが製造された加工法と関係がある。一方の急冷支持体加工法では実質的に均一かつ均質な構成結晶の粒度および分布が得られるが、他方では得られない。急冷面の機械的劣化およびそれに伴う鋳造ストリップ製品の品質低下が、ストリップ鋳造中に急冷面の受ける苛酷な熱周期により生じる表面亀裂およびピットの形で現れる。ストリップ鋳造中に、急冷面のこれらの欠陥の複写が連続的に起こる。したがって急冷面の経時的な機械的劣化は、鋳造リボンの下面の“ピップ”の大きさで示される。ピップは急冷面の亀裂やピットの複写によりストリップの下面に生じた小さな突起である。図２のデータ曲線は、両方の急冷面加工法および両方の鋳造ストリップ幅につき、鋳造ストリップの下面のピップの大きさが鋳造時間にともなって拡大する様子を示す。本発明の範囲内および範囲外の急冷面の顕微鏡写真を図３ａと３ｂに示す。
以上に本発明をかなり詳細に記載したが、このような詳細事項に固執する必要はなく、当業者には多様な変更および修正が自明であろう。これらはすべて、請求の範囲に定めた本発明の範囲に含まれる。

Claims (6)

1. 溶融合金を急速凝固させてストリップにするための、微晶質組織または非晶質組織を有する急冷支持体であって、その急冷支持体が４０Ｗ／ｍＫと４００Ｗ／ｍＫ未満の間の熱伝導率を有する合金からなり、均質であり、かつ１μｍと３００μｍの間の粒度を有する結晶粒からなる急冷面を有する急冷支持体。
2. 熱伝導性合金が銅を基礎とする請求項１記載の急冷支持体。
3. 熱伝導性合金が析出硬化銅合金である請求項２記載の急冷支持体。
4. 熱伝導性合金が分散硬化銅合金である請求項２記載の急冷支持体。
5. 熱伝導性合金がベリリウム銅合金である請求項３記載の急冷支持体。
6. 合金が、１μｍを越え５０μｍ未満の粒度をもつ結晶粒が約８０％、残りは５０μｍを越え３００μｍ未満である構成結晶粒均質性を有する請求項１記載の急冷支持体。

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