JP6296036B2

JP6296036B2 - 溶湯温度管理方法

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Publication number: JP6296036B2
Application number: JP2015202284A
Authority: JP
Inventors: 大祐佐久間
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: US10393440B2; CN106563779B; CN106563779A; JP2017074596A; EP3156149B1; EP3156149A1; US20170102185A1

Description

本発明は、合金の溶湯温度管理方法に関するものである。

ランタノイド等の希土類元素を用いた希土類磁石は永久磁石とも称され、その用途は、ハードディスクやMRIを構成するモータのほか、ハイブリッド車や電気自動車等の駆動用モータなどに用いられている。

希土類磁石としては、組織を構成する結晶粒（主相）のスケールが3〜5μm程度の一般的な焼結磁石のほか、結晶粒を50nm〜300nm程度のナノスケールに微細化したナノ結晶磁石があるが、中でも、上記する結晶粒の微細化を図りながら高価な重希土類元素の添加量を低減すること（フリー化）のできるナノ結晶磁石が現在注目されている。

希土類磁石の製造方法を概説すると、たとえば希土類磁石材料となる合金の溶湯（Nd-Fe-B系の金属溶湯）を底部にノズルを備えた坩堝内で形成し、当該ノズルから溶湯を下方へ吐出して溶湯急冷用の回転ロールに提供する。回転ロールに提供された合金の溶湯は回転ロールにて急冷凝固されて急冷リボン（急冷薄帯）となり、回転ロールにおいて溶湯が滴下された点の接線方向に噴射される。この急冷リボンを所望の大きさに粉砕して磁石用の粉末とし、この粉末を加圧成形しながら焼結して焼結体を製造する。

ところで、急冷リボンの品質の決定要素として、急冷リボン生成前の溶湯の段階における溶湯の粘性が挙げられる。また、この溶湯の粘性は溶湯の温度によって変化する。

したがって、合金の溶湯の粘性や温度を計測し、この計測結果に基づいて生成される急冷リボンの品質管理をおこなうことが考えられるものの、高温の合金の溶湯の粘性や温度を直接計測するのは難しい。

ここで、特許文献１には、回転する冷却ロールに対して合金の溶湯を接触させることによって合金を急冷し、結晶相を含有する合金を得る急冷合金の製造方法が開示されている。より具体的には、合金を加熱して合金の溶湯を作製する工程と、合金の溶湯を冷却ロールに供給する工程と、合金の溶湯が凝固してゆく過程において、移動しつつある合金が放射する赤外線を検知することによって合金温度を測定する工程と、合金温度に基づいて急冷条件を調節する工程とを有する急冷合金の製造方法が開示されている。

また、特許文献２，３には、スラリーのオンライン粘度測定装置が開示されている。具体的には、ノズルから放出されるスラリーの連続部の長さを測定し、ノズルからのスラリーの噴出圧力を測定し、ノズル径、スラリーの連続部の長さ、およびスラリーの噴出圧力の間の関係式を予め求めておき、この関係式からスラリーの粘度を推定するものである。

特開２００３−３２０４４２号公報特開平１−１５３９３８号公報特開平２−４５７３０号公報

特許文献１に開示の急冷合金の製造方法では、移動しつつある合金が放射する赤外線を検知することによって合金温度を測定するとしている。しかしながら、赤外線放射温度計にて合金が放射する赤外線を検知する方法では、実際の合金温度と計測温度の間の誤差が大きくなるといった課題がある。

一方、特許文献２，３に開示の粘度測定装置では、雰囲気の温度や湿度の影響を受けることなく、如何なる雰囲気においてもスラリーの粘度を高精度に再現性よく測定できるとしている。しかしながら、この技術はスラリーの粘度と温度の関係には着目しておらず、粘度の高精度な測定に留まるものである。すなわち、直接的な測定が困難な溶湯の温度を精度よく特定することはできない。

本発明者等は、合金の溶湯の粘性と温度が密接に関係していること、溶湯の粘性や温度の直接的な計測が困難であること等に鑑み、他の指標から溶湯の温度を特定し、特定された溶湯の温度を適正温度範囲に管理することで間接的に精度よく溶湯の粘性を管理することができ、もって品質に優れた急冷リボンを製造できる技術の発案に至っている。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、合金の溶湯の温度を精度よく特定することができ、もって品質に優れた急冷リボンの製造に資する溶湯温度管理方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による溶湯温度管理方法は、坩堝の有する所定径のノズルから吐出される合金の溶湯が液滴になるまでのノズル先端からの球状化距離と、坩堝内の溶湯の温度と、坩堝内の溶湯に作用する圧力と、の関係において、所定の前記圧力下における前記温度と前記球状化距離の関係を予め求めておくとともに、前記温度の適正温度範囲を設定する第１のステップ、所定の前記圧力下において坩堝から溶湯を吐出して前記球状化距離を測定し、測定された該球状化距離に対応する前記温度を特定する第２のステップ、特定された前記温度と前記適正温度範囲を比較し、該温度が該適正温度範囲を外れている場合に坩堝内の前記温度を調整して適正温度範囲内となるように管理する第３のステップからなるものである。

本発明の溶湯温度管理方法は、坩堝のノズルから吐出される合金の溶湯が液滴になるまでのノズル先端からの球状化距離が溶湯の粘性に関係し、溶湯の粘性が溶湯の温度に関係することから、この球状化距離を測定することで溶湯の温度を精度よく特定するものである。

なお、坩堝のノズル位置に微小孔を設けてここに熱電対等の温度計を配設し、溶湯の温度を直接計測する方法も考えられる。しかしながら、ノズル位置に微小孔を設けて温度計を設置した場合に、坩堝内の溶湯にArガス等による圧力をかけてノズルから溶湯を吐出しようとした際に、このガスが微小孔から漏れてしまい、ガス圧を一定に保持し難くなるといった惧れがある。このような理由から坩堝内の溶湯の温度を直接的に測定することができず、溶湯の温度を球状化距離から特定しようとするものである。

ここで、「球状化距離」とは、一筋の水流が液滴に変化する理由を説明した、プラトー・レイリーの不安定性理論に基づく液滴が形成されるまでの距離のことである。この理論は、垂直に流れ落ちる水の円柱の筋は、その長さの直径のπ倍よりも大きくなると液滴に変わること、このようにしてできた液滴は元の円柱よりも小さな表面積を有すること、円柱が液滴に変わるのは円柱の太さが周期的に変わることとノズルの形状に依拠すること、などを説明するものである。

溶湯の球状化は当該溶湯の粘性に依存し、表面張力によって溶湯が球状化するまでの球状化距離は溶湯の温度によって変化する。

ここで、球状化距離は坩堝内において溶湯に作用する圧力によって変化することから、圧力ごとに、温度−球状化距離の相関（グラフ）が設定される。

また、坩堝のノズルの径によっても温度−球状化距離の相関グラフは変化することから、坩堝のノズルの径に応じた温度−球状化距離の相関グラフが設定される。

また、坩堝内における溶湯温度（およびこの溶湯温度に対応した球状化距離）と、当該温度の溶湯によって生成された急冷リボンの品質を種々の温度で予め検証しておき、所望の品質の急冷リボンが生成される最適な溶湯温度範囲を設定する。

ここで、所望の品質の急冷リボンとは、たとえばナノ結晶磁石用の急冷リボンの場合には、結晶粒径が200nm以下といった所望範囲にある急冷リボンのことを意味している。また、結晶組成の急冷リボンを作成したい場合やアモルファス組成の急冷リボンを作成したい場合など、作成したい組成の急冷リボンなども所望の品質の急冷リボンに包含される。

測定された球状化距離から当該球状化距離に対応した溶湯温度を特定し、特定された温度が予め設定されている溶湯の適正温度範囲内にある場合は坩堝内の溶湯温度を維持し、適正温度範囲外にある場合は坩堝内を加温もしくは冷却して適正温度範囲内となるように調整する。

たとえば、適正温度範囲の上限値を超える温度では、溶湯の冷却が進まず、粗大粒を有する結晶が形成され易くなる。一方、適正温度範囲の下限値を下回る温度では、溶湯の粘性が高くなり過ぎ、溶湯が比較的大きな塊状になり易く、結果として塊の内部では冷却が進まず、粗大粒を有する結晶が形成され易くなる。このような理由から、たとえば粗大粒が形成されない、もしくは形成され難い温度の上限値および下限値を規定し、これらの間の範囲を適正温度範囲に設定することができる。

本発明の溶湯温度管理方法は、直接的な測定が困難な溶湯の粘性や温度を測定することなく、測定が容易な球状化距離を測定することで溶湯の温度を精度よく特定すること、すなわち、間接的な指標にて溶湯の温度とこの温度に対応した粘性を精度よく管理することができ、このことによって品質に優れた急冷リボンの生成に資することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明による溶湯温度管理方法によれば、坩堝のノズルから吐出される合金の溶湯が液滴になるまでのノズル先端からの球状化距離を測定し、球状化距離と溶湯の温度の相関から溶湯の温度を精度よく特定することができる。このように特定された溶湯の温度を予め設定されている溶湯の適正温度範囲内となるように管理することにより、所望の品質の急冷リボンの生成に繋がる。

本発明の溶湯温度管理方法を説明した模式図である。圧力−球状化距離の相関グラフを示した図である。温度−球状化距離の相関グラフを示した図である。温度−球状化距離の相関グラフに基づく溶湯温度管理法を説明した図である。本発明の溶湯温度管理方法を説明したフロー図である。

以下、図面を参照して本発明の溶湯温度管理方法の実施の形態を説明する。

（溶湯温度管理方法の実施の形態）
図１は本発明の溶湯温度管理方法を説明した模式図であり、図２は圧力−球状化距離の相関グラフを示した図であり、図３は温度−球状化距離の相関グラフを示した図であり、図４は温度−球状化距離の相関グラフに基づく溶湯温度管理法を説明した図である。また、図５は本発明の溶湯温度管理方法を説明したフロー図である。

図１で示すように、底部に所定径φのノズル１ａを備えた坩堝１と、坩堝１の周囲に配設された高周波コイル２、ノズル１ａの下方に配設されて吐出されて落下してきた溶湯の液滴を急冷する回転ロール５がチャンバー１０内に配設され、このチャンバー１０内にて希土類磁石用材料となる急冷リボンがメルトスピニング法によって製造される。

坩堝１内において、高周波コイル２の稼働によって希土類磁石材料である急冷リボン形成用の合金を高周波溶解させて溶湯Ｙを生ぜしめる。チャンバー１０内はたとえば50Pa以下に減圧した状態とし、坩堝１内はArガス雰囲気下におき、たとえば100kPa以下の圧力ＰのArガスにて溶湯Ｙを押圧し、ノズル１ａを介して溶湯Ｙを下方に吐出する（Ｘ方向）。

ノズル１ａから下方に吐出された溶湯Ｙは、吐出当初は所定の球状化距離Ｌｃまでは筋状に延び、球状化距離Ｌｃの下方で液滴となり、この液滴が回転する（Ｚ方向）銅製の回転ロール５の頂点に落下し、ここで急冷されて回転ロール５の頂点における接線方向に急冷されてできた急冷リボンが噴射される。なお、球状化距離Ｌｃは、プラトー・レイリーの不安定性理論に基づく液滴が形成されるまでの距離のことである。

ここで、急冷リボンの組成は、RE-Fe-B系の主相（RE:Nd、Prの少なくとも一種）と、該主相の周りにあるRE-X合金（X:金属元素であって重希土類元素を含まない）からなり、たとえばこれがナノ結晶組織の場合には、200nm以下の結晶粒径の主相からなる。

また、粒界相を構成するNd-X合金は、Ndと、Co、Fe、Ga、Cu、Al等のうちの少なくとも１種以上の合金からなり、たとえば、Nd-Co、Nd-Fe、Nd-Ga、Nd-Co-Fe、Nd-Co-Fe-Gaのうちのいずれか一種、もしくはこれらの二種以上が混在したものであって、Ndリッチな状態となっている。

なお、図示を省略するが、チャンバー１０内において、この急冷リボンの噴射方向には流路が配設されており、噴射した急冷リボンが流路を通過して回収ボックスにて回収される。

坩堝１の下方において溶湯Ｙの球状化距離Ｌｃを測定するべく、坩堝１の斜め下方位置にはＣＣＤカメラ等の撮像装置３が配設されており、撮像データがコンピュータ４に有線もしくは無線にて送信されるようになっている。

ここで、球状化距離Ｌｃと坩堝１内において溶湯Ｙに作用する圧力（図１における圧力Ｐ）の間にはリニアな相関があることが本発明者等によって特定されており、溶湯Ｙの温度が1300℃、1400℃、および1500℃の３ケースにおいて、所定のノズル径φの場合における、圧力−球状化距離の相関グラフを図２に示す。なお、この相関グラフの作成に際し、チャンバー１０内の真空度は50Pa以下とし、坩堝１内のArガス圧は0〜100kPaの範囲とし、ノズル径を0.6〜1.0mmとし、合金重量を4kgとして各温度における圧力−球状化距離の相関グラフを求めている。

また、この図２に基づいて作成された、温度−球状化距離の相関グラフを図３に示す。図３で示すように、本発明者等によって特定された温度−球状化距離の相関グラフにおいては、温度の上昇とともに球状化距離が長くなり、1400℃程度で変曲点を迎える曲線グラフとなることが分かる。また、坩堝１内の溶湯Ｙに作用する圧力が低くなるにつれて、球状化距離が長くなることも分かる。

図４は、図３の温度−球状化距離の相関グラフを模式的に示し、本発明の溶湯温度管理方法を説明した図である。

本発明の溶湯温度管理方法は、直接的に測定するのが困難な溶湯の温度や粘性に代わり、溶湯の球状化距離を測定し、図４で示す温度−球状化距離の相関グラフに測定された球状化距離をプロットし、当該球状化距離に対応する温度を特定し、特定された温度が予め設定されている適正温度範囲にあるように管理するものである。

坩堝１内における溶湯Ｙの温度（およびこの溶湯Ｙの温度に対応した球状化距離Ｌｃ）と、当該温度の溶湯Ｙによって生成された急冷リボンの品質を種々の温度で予め検証しておき、所望の品質の急冷リボンが生成される最適な溶湯Ｙの温度範囲を適正温度範囲として設定するものである。

図４において、溶湯Ｙの適正温度範囲の下限値はＴａ℃、上限値はＴｂ℃であり、温度Ｔａに対応する球状化距離はＬａcm、温度Ｔｂに対応する球状化距離はＬｂcmである。

測定された球状化距離Ｌｃに対応した温度Ｔｃが適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂの間にある場合は、所望の品質の急冷リボンが製作できるとして、坩堝１内の溶湯Ｙの温度をそのまま維持するような管理をおこなう。

対して、測定された球状化距離Ｌｃに対応した温度Ｔｃが下限値Ｔａ℃を下回る場合は、高周波コイル２によって坩堝１をさらに加熱し、坩堝１内の溶湯Ｙの温度を上げる管理を実行し、測定される球状化距離Ｌｃに対応した温度Ｔｃが適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂの間に入るような管理を実行する。

また、測定された球状化距離Ｌｃに対応した温度Ｔｃが上限値Ｔｂ℃を上回る場合は、高周波コイル２による坩堝１の加熱を停止し、もしくは加熱停止に加えて坩堝１の冷却をおこない、坩堝１内の溶湯Ｙの温度を下げる管理を実行し、測定される球状化距離Ｌｃに対応した温度Ｔｃが適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂの間に入るような管理を実行する。

図１で示すコンピュータ４内には、種々の圧力に対応した温度−球状化距離の相関グラフが格納されている。撮像装置３で撮像された球状化距離Ｌｃに関するデータがコンピュータ４に送信され、コンピュータ４内の温度−球状化距離の相関グラフに球状化距離Ｌｃがプロットされ、この球状化距離Ｌｃに対応する温度Ｔｃが特定されるようになっており、特定された温度Ｔｃが適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂ内にあるか否かが判定される。

ここで、図５のフロー図を参照して、本発明の溶湯温度管理方法を説明する。

まず、所定径φのノズルを有する坩堝１内において、設定され得る種々の圧力ごとに温度−球状化距離の相関グラフを作成し、各相関グラフ中に溶湯Ｙの適正温度範囲を設定する（ステップＳ１）（以上、溶湯温度管理方法の第１のステップ）。なお、ノズルの径φが変化すれば温度−球状化距離の相関グラフも変化することから、ノズル径の異なる複数の坩堝１がある場合は、坩堝１ごとに、複数の圧力ごとに温度−球状化距離の相関グラフを作成する。

次に、坩堝１内の溶湯Ｙの加熱条件を設定する（ステップＳ２）。この加熱条件の設定では、ノズル１ａから吐出される溶湯Ｙの温度が設定されている適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂに入るように加熱条件を設定するのがよい。なお、後述するように、特定された溶湯Ｙの温度が適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂにない場合には坩堝１内における溶湯Ｙの温度を上げる管理や下げる管理を実行し、適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂに入るような措置を講じることから、最初の加熱条件の設定は適当であってもよい。

加熱条件が設定されたら、高周波コイル２による坩堝１および内部の溶湯Ｙの加熱を開示する（ステップＳ３）。

加熱の開始に先行して、または加熱の開始後、チャンバー１０内を減圧し、坩堝１内をArガス雰囲気下におき、Arガスの圧力、すなわち、溶湯Ｙに作用する圧力Ｐ（吐出圧力）の設定をおこない（ステップＳ４）、ノズル１ａからの溶湯Ｙの吐出を開始する（ステップＳ６）。

この設定された吐出圧力に対し、対応する温度−球状化距離の相関グラフを選定し（ステップＳ５）、この温度−球状化距離の相関グラフにて溶湯温度の管理をおこなう。

溶湯Ｙの吐出開始後、溶湯Ｙの球状化距離Ｌｃを測定し（ステップＳ７）、測定された球状化距離Ｌｃをコンピュータ４に送信し、コンピュータ４内で既に選定されている温度−球状化距離の相関グラフに球状化距離Ｌｃをプロットし、球状化距離Ｌｃに対応する溶湯温度Ｔｃを特定する（ステップＳ８）（以上、溶湯温度管理方法の第２のステップ）。

特定された溶湯温度Ｔｃに関し、適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂ内にあるか否かをコンピュータ４内で検証する（ステップＳ９）。なお、図示を省略するが、コンピュータ４内には判定部やCPU、RAM、ROM、相関グラフ格納部などがバスを介して接続されており、この判定部にて溶湯温度Ｔｃが適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂ内にあるか否かの判定が実行される。

溶湯温度Ｔｃが適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂ内にある場合は、加熱条件やArガスによる圧力条件等の条件の変更はおこなわず（ステップＳ１０）、現状の溶湯Ｙの温度を維持した状態で溶湯Ｙの回転ロール５への吐出を継続する。そして、回転ロール５の表面で急冷されて形成された急冷リボンを希土類磁石用材料として選定する（ステップＳ１１）。

一方、溶湯温度Ｔｃが適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂの下限値Ｔａ未満の場合は（ステップＳ１２）、高周波コイル２によって坩堝１内の溶湯温度を上げ（ステップＳ１３）、溶湯Ｙを吐出させて球状化距離Ｌｃの再測定をおこなう（ステップＳ７）。

再測定された球状化距離Ｌｃに対応する溶湯温度Ｔｃが適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂに入るまで上記ステップを繰り返し、溶湯Ｙの温度が適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂに入った段階でその温度を維持し、溶湯Ｙの回転ロール５への吐出を継続する。

また、溶湯温度Ｔｃが適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂの上限値Ｔｂを超える場合は（ステップＳ１４）、高周波コイル２による加熱を停止させ、坩堝１内の溶湯温度を下げ（ステップＳ１５）、溶湯Ｙを吐出させて球状化距離Ｌｃの再測定をおこなう（ステップＳ７）。

この場合も、再測定された球状化距離Ｌｃに対応する溶湯温度Ｔｃが適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂに入るまで上記ステップを繰り返し、溶湯Ｙの温度が適正温度範囲Ｔａ〜Ｔｂに入った段階でその温度を維持し、溶湯Ｙの回転ロール５への吐出を継続する（以上、溶湯温度管理方法の第３のステップ）。

図示する溶湯温度管理方法によれば、直接的な計測が困難な溶湯の温度を精度よく特定でき、特定された温度が適正温度範囲となるように管理することで所望の品質の急冷リボンを得ることが可能になる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…坩堝、１ａ…ノズル、２…高周波コイル、３…撮像装置、４…コンピュータ、５…回転ロール、１０…チャンバー、Ｙ…溶湯、Ｐ…圧力、Ｌｃ…球状化距離

Claims

坩堝の有する所定径のノズルから吐出される合金の溶湯が液滴になるまでのノズル先端からの球状化距離と、坩堝内の溶湯の温度と、坩堝内の溶湯に作用する圧力と、の関係において、所定の前記圧力下における前記温度と前記球状化距離の関係を予め求めておくとともに、前記温度の適正温度範囲を設定する第１のステップ、
所定の前記圧力下において坩堝から溶湯を吐出して前記球状化距離を測定し、測定された該球状化距離に対応する前記温度を特定する第２のステップ、
特定された前記温度と前記適正温度範囲を比較し、該温度が該適正温度範囲を外れている場合に坩堝内の前記温度を調整して適正温度範囲内となるように管理する第３のステップからなる、溶湯温度管理方法。