JP4102353B2 - 強磁性体金属材料の表層溶融処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料の表層を溶融再凝固することにより表面の粗さを改善する技術、あるいは溶融中に他の溶質成分を添加することにより金属材料表層を改質し、表層を異種の材料にする技術に関するもので、特に、強磁性体金属材料の表層溶融処理に有効な方法に係る。

一般に、金属材料の表層を溶融させて処理する技術として、例えば、鋼の連続鋳造鋳片の表層を、プラズマ加熱および誘導加熱のいずれか一方又は双方により溶融させ、この溶融した表層部分に他の溶質成分を添加することにより表層を改質し、安価に複合鋼材を得る技術が（特許文献１）に開示されている。また、金属材料をプラズマにより溶融処理する場合に、該プラズマに電磁力を作用させて移動処理方向に直交する方向に扁平な往復運動させて、熱処理や表面溶融を行う技術が（特許文献２）に開示されている。
特開２００４―１９５５１２号公報 特開昭５４―１４２１５２号公報

上記（特許文献１）によれば、表層部を改質した鋳片或いは表層部が異なる材質の複合材料を安価に製造することができるとともに、（特許文献２）によっても所望の広幅でかつ扁平なプラズマアークを得ることができたが、溶融対象の金属材料の磁性特性については全く言及していない。
本発明は、溶融処理の対象となる材料が普通鋼のような強磁性体金属材料の場合において特に効果的であり、安定した直流プラズマの振動を行わせることができる表層溶融処理方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明の強磁性体金属材料の表層溶融処理方法は、交流磁場により振動させた直流プラズマを用いて金属材料の表層を溶融処理する方法において、材料を非磁性化温度以上に予熱後、処理することを特徴とする。材料を非磁性化温度以上に予熱することにより、直流プラズマに作用させる交流磁場の分布を常に安定させることができ、広幅で確実な往復運動を行う扁平プラズマを形成することが可能となる。

本発明の強磁性体金属材料の表層溶融処理方法によれば、金属材料を非磁性化温度以上に予熱することにより、広幅でかつ安定した往復運動を行う扁平プラズマを形成することが可能となり、表層部の表面粗さの改善、溶質元素添加による表層部の改質を実現し、更には所望の複合材料を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、直流プラズマを振動させる手段及びその原理を図１及び図２によって説明する。図１に示す如く、プラズマトーチ１から金属材料１１に向って噴射されるプラズマに近接して２個のプラズマ振動用コイル２を対向して配置し、該プラズマ振動用コイル２によりプラズマの振動を行う。それぞれ交流電源９に接続する２個のプラズマ振動用コイル２は、プラズマを挟んで対向するように金属材料１１の幅方向に設置され、コイル電流は金属材料幅方向に流れる。プラズマはトーチ１が陰極、金属材料１１が陽極となっており、図２に示すように、トーチから電子流１３が放出され、電流１２は金属材料１１からトーチ１に流れる。この電流に２個のプラズマ振動用コイル２に通電することによって交流磁場１４を作用させると、フレミングの左手の法則により図１の正面図では紙面に垂直の方向に、図１の側面図では左右の方向にローレンツ力が発生し、プラズマを矢印１０方向に振動させる。図２の１５がプラズマを振動させる電磁力であり、これによって図１の右側に示す如く、金属材料側に広がった扇形の扁平プラズマ６が形成される。このプラズマの振動及び金属材料の一定速度の移動（移動方向５で示す）により、金属材料１１はこのプラズマ振幅にそった幅で長手方向に連続的に溶融され、溶融部３を生成する。４は溶融部３が再凝固した部分を示す。

図１のようにプラズマを往復運動させる際に交流磁場を使用するが、金属材料が例えば常温の普通鋼鋼材のような強磁性体の場合、図３の左側（正面）に示すように、交流磁場の一部（矢印１４ａで示す）が金属材料１１に吸収される形となり、空間の交流磁場１４の分布が乱される。この場合には図３の右側（側面）に示すように、金属材料１１寄りのプラズマ振動方向では逆向きの電磁力１６が生じ、これによってプラズマ６の往復運動が阻害され、その振幅が小さくなり、結果としてプラズマによる溶融処理幅が狭くなると同時に、高温部では非磁性になるなど部分的に特性が変わる結果、安定した溶融処理ができなかった。
このような現象は、溶融処理対象の金属材料が強磁性材料であることに起因することであるため、金属材料を非磁性体にすれば解決される。すなわち、金属材料が元々非磁性体であれば問題はないが、普通鋼の如き強磁性体を使用せざるを得ない場合には、この強磁性金属材料を非磁性化温度、いわゆるキュリー点（鋼の場合、およそ７７０℃）以上にすれば、このような問題は起こらない。従って、本発明においては、金属材料全体のプラズマ処理前の温度をキュリー点以上に予熱することにより、この問題を解決した。

以上のことから本発明においては、金属材料を非磁性化温度以上に予熱した後に、金属材料表層部の溶融処理を行うこととした。なお、予熱温度の上限は特に規定しないが、固相線温度以下とすることが好ましく、より好適な具体的な上限温度としては、金属材料の種類によって、１３００℃、１１００℃、９００℃とすることもできる。この場合、固相線温度とは、改質のため溶融部に添加する他の溶質成分を含む金属が溶融し始める温度を言う。
金属材料の非磁性化温度以上への予熱法としては、図４に示すような金属材料１１を巻回するように配置した誘導加熱コイル１７による誘導加熱手段、あるいは、ガスバーナーを有する通常鋼の製造で利用する加熱炉等が挙げられる。例えば実際の操業においては、金属材料が鋼の連続鋳造鋳片である場合、鋳造凝固後の所定寸法に切断された鋳片を、予熱部（加熱炉）及び溶融処理部を連続して配置したライン上に載せ、予熱する金属材料に応じて設定した加熱温度に予熱部で加熱した後、直ちに次の図１のような溶融処理部に送り、非磁性化温度未満に下がらないうちに所定の溶融処理を施すことが必要である。

本発明に係る表層溶融処理方法は、金属材料の表層部を一旦溶融し再凝固させることで表面粗さの改善を図る手段として、また、金属材料の表層部を溶融して該溶融部に、炭素、シリコン、マンガン、リン、硫黄、ニッケル、クロム、モリブデン、銅、銀、アルミニウム、マグネシウム、希土類元素等の単独もしくはこれら成分の複数個の合金の形で適宜の元素を添加して溶融部を改質する手段として、或いは金属材料の任意の部分を改質することによってその部分が母材とは別の性質を有するような複合材料を製作する手段として、適用し得るものである。

直流プラズマを５０Ｈｚ、２ｍＴの交流磁場で振動させる装置（プラズマ振動用コイル）を使用し、まず非磁性体である水冷銅材料を陽極、トーチを陰極として直流プラズマの電流を２００，２５０，３００Ａの条件でプラズマが振幅８０ｍｍの扁平化された状態が得られることを確認した。即ち、直流プラズマ電流を変えてもほぼ振幅は同一であることを確認した。次に、低炭アルミキルド鋼材を陽極とし、予熱なし、予熱温度６００，７００，８００，９００，１０００℃の条件で処理した。なお、予熱を行った場合には、溶融のためのプラズマエネルギーが少なくて済むので、同一の入熱となるよう調整した。溶融処理は５ｍｍ深さとし、溶融幅を各場合に比較した。この結果、予熱なし、及び予熱温度７００℃以下と、８００℃以上の条件で溶融幅を比較すると、予熱なし、予熱温度７００℃以下の場合には溶融幅は２０〜３０ｍｍとなり、しかも処理部の表面は凹凸など乱れた状態にあった。一方、予熱温度８００℃以上の場合には平滑で８０ｍｍ幅の溶融処理が可能であった。

本発明を適用した場合のプラズマによる金属材料の溶融処理状態を説明するための図であり、正面図とその側面図を示している。 図１における直流プラズマの振動原理を説明するための図である。 金属材料が強磁性体の場合における磁場の乱れを説明するための図である。 本発明において採用する強磁性体金属材料の余熱手段の一例を示す概略図である。

符号の説明

１ プラズマトーチ ２ プラズマ振動用交流電磁コイル
３ 溶融部 ４ 再凝固部
５ 材料移動 ６ 交流磁場により振動し扁平化したプラズマ
７ ガス ８ 直流電源
９ 交流電源 １０ 電磁力による振動
１１ 材料 １２ 電流
１３ 電子流 １４ 交流磁場
１５ 電磁力 １６ 逆向きの電磁力
１７ 誘導加熱コイル

Claims (1)

1. 交流磁場により振動させた直流プラズマを用いて金属材料の表層を溶融処理する方法において、金属材料を非磁性化温度以上に予熱後、処理することを特徴とする強磁性体金属材料の表層溶融処理方法。

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