JPH0689381B2 - 厚板状非晶質体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、緻密な厚板状非晶質体を得る厚板状非晶質体
の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

ブロック状非晶質体の製造方法としては、従来、非晶質
粉末を爆薬等による瞬間的な巨大エネルギーにより圧縮
固化する方法及び非晶質特有の塑性流動を利用しホット
プレス及び熱間シース圧延をおこなうことによりバルク
化させる方法とか、ロール法により作成した薄帯を積層
し超音波により接合し厚板状非晶質体を作成する方法等
が知られている。

現状では、いずれの方法においても一長一短があるが、
寸法形状の制限が少なく、量産性および従来の技術が有
効に利用出来るという観点から、前者の粉末圧縮成形法
が設備投資の主な対象に成っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、粉末圧縮成形法による非晶質の大型材を得るに
は、大別して、適正な非晶質粉末の作製及びその成形固
化という、ふたつの複雑な工程が必要となる。前者の粉
末の特性としては成形性、流動性、表面清浄性および非
晶質性が優れていることが要求されるが、それを充分に
満たすような粉末の製造法は未だ確立されていない。一
方、粉末を成形する為には、巨大な運動エネルギーおよ
び熱エネルギーが必要となり、同時にそのエネルギーに
耐えうる金型等も必要となり、経済的な方法とは云えな
い。まして、連続的もしくは広い面積を有する厚板状非
晶質体を作製することは、従来の粉末成形技術では難し
く、なおかつ熱的に不安定な非晶質状態を維持した状態
での製造には一層の困難をともなうという問題があっ
た。

本発明の技術的課題は、超急冷粉末を製造すると同時
に、その半分溶融状態で堆積固化して非晶質化した緻密
な厚板を、容易にかつ安価にて同一工程で製造する厚板
非晶質体の製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記のような厚板状非晶質体を作製する際の
種々の問題点を解決し、容易かつ安価に製造する方法を
確立すべく鋭意研究を行った結果完成されたものであ
る。本発明によれば、ノズルより射出され金属又は合金
の溶湯にガスを衝突せしめて、実質的に半溶融状態で金
属又は合金の微粉末を形成し、この金属又は合金の微粉
末を２次冷却媒体上に連続的に堆積固化し非晶質板体を
単一工程内で形成することを特徴とする緻密な厚板状非
晶質体の製造方法が得られる。

即ち、本発明の最大の特徴とするところは、ガスアトマ
イズ装置噴霧口の直下に、粉末を堆積固化させる為の２
次冷却媒体を配置することにより、半溶融状態の粉末の
作成およびその粉末の固化という二つの複雑な工程を、
単純な一工程で可能ならしめた所にある。

尚、本発明では、具体的には、溶湯金属を噴霧化させる
為には、ガスアトマイズ装置が適し、粉末を微細化、換
言すれば、粉末形成時の冷却速度を向上させて非晶質化
を容易にする高圧ガスアトマイズ方式が用いられる。そ
の噴霧圧力は5MPa−20MPa程度が望ましい。

又、ガスには、粉末酸化防止の観点から、一般に、Arガ
スを用いるが、非晶質形成能が劣る合金系においては、
ヘリウムガスおよび水素ガスが、冷却効果を高める上で
有効である。なお、斯るガスアトマイズ装置等によって
得られる粉末は、材質により多少異なるが、通常、真球
状を呈し、粒径は数μｍから150μｍに渡って随時変え
ることができる。ただし、この粉末をふるいにより分級
し、それぞれの大きさの粉末をＸ線回折法により構造の
回折を行うと、たとえば、Fe−Ｐ−Ｃ合金のように非晶
質形成能に優れた材質においても、粒径約50μｍが非晶
質形成の限界であり、それ以上の粒径では非晶質と結晶
質の混在もしくは結晶質単相の状態となることから、ガ
スアトマイズ方式は溶湯金属の噴霧化にのみ適合するも
のであり、非晶質形成能には適していることが分かる。

一方、微細化した半溶融状態の粉末を２次冷却媒体であ
る回転冷却体に堆積固化することにより得られるフレー
ク状粉末は、本発明者らがおこなった結果によれば、回
収された粉末のすべての粒径にわたって非晶質化が行な
われており、これは、半溶融状態（過冷却状態）の球状
液滴が回転冷却体に高速度で衝突することにより、フレ
ーク状に偏平化し、急激に抜熱されて、顕著に非晶質化
の促進が行なわれることが確認されている。

さらに、他の技術として、アトマイズ粉末から直接大形
材体を得る方法として知られているオスプレー法と呼ば
れる堆積凝固法によれば、アトマイズの噴霧条件、粉末
を堆積させる為のコレクターの運動条件および飛散距離
等を正確に制御することにより、粉体同士が強力に密着
しあい、粒子間の境界がなく、ボア等の欠陥が少ない高
密度な厚板の作製が可能である。このため、半溶融粉末
の非晶質化を促進する効果を有する回転冷却体とオスプ
レー法に代表される半溶融粉末の加熱媒体へ噴射する堆
積凝固法とを組み合わせ、さらに独自に任意形状および
厚さに調整出来る駆動機構を付加して、緻密な厚板状非
晶質体の形成が可能であることも、種々の検討を重ねた
結果、本発明者らは見い出している。尚、本発明におい
て、２次冷却媒体として、回転ロール体および水平移動
体を用いた理由は、前者の回転ロール体は連続厚板状非
晶質体の製造に適しており又周速度の調整により容易に
厚さを制御できる点にある。

一方、後者の水平移動冷却体は、水平面（Ｘ−Ｙ方向）
に任意な速度で移動が可能な機構を取り付け駆動させる
ことにより、所望の面積を有する非晶質体の製造が可能
となる点にある。

尚、２次冷却媒体の運動条件は、母合金の材質及び温
度、ガスアトマイズ装置の噴霧能力、２次冷却媒体の形
状、材質、熱容量及び冷却状態、噴霧ノズルと二次冷却
媒体との距離等より決定されるべきであるが、冷却ロー
ル型では、通常、単ロール、１対のロール間、エンドレ
スベルト上等に噴射する場合においても、周速0.1から5
0m/秒程度の範囲が厚板作製可能な条件となる。

又、水平移動体のＸ軸、Ｙ軸の運動速度もこれと同一の
範囲となる。

尚、本発明において、金属又は合金材料としては、Fe₇₇
P₁₃C₁₀，Fe₇₅Si₁₅B₁₀等の鉄合金又はCo₇₅Si₁₅B₁₀，Co₇₅
Fe₅Si₁₅B₁₀，Fe₅₀Ni₂₅Si₁₅B₁₀等の鉄合金のFeをCoもし
くはNiで置換したものが使用できるが、これらに限定さ
れるものではない。

〔作用〕

本発明の作用を述べる。

本発明においては、ガスアトマイズ装置及び２次冷却媒
体を組合せ、高圧ガスにて噴出した金属又は合金の溶湯
を別の高圧ガスに接触させ、実質的に半溶融状態の粉末
を形成し、移動可能な２次冷却媒体に吹付けて、堆積固
化して非晶質厚板を形成する。これらの一連の製造工程
を不活性ガス雰囲気中での一つの系内で行う。

従って、酸素等の不純物の汚染を最小限に抑えることが
できるために、容易に健全な成形体が得られる。また、
２次冷却媒体による優れた抜熱効果により極めて非晶質
の高い厚板が得られる。

〔実施例〕

本発明の実施例について図面を参照して説明する。

実施例１ 本発明の実施例１に係わる厚板状非晶質体の製造方法に
ついて説明する。

第１図は本発明の実施に用いられる装置の構成の一例を
示す図である。この図において、中央のルツボ１は、そ
の底部に溶湯吹出用のガスノズル1aを有し、ルツボ１内
には、溶湯流出を制御するストッパ２、ルツボ１の周囲
には母合金の加熱用の高周波誘導用コイル３、ストッパ
２内には、温度測定用の熱電対４が夫々設けらている。
以上は、加圧ガス導入弁12を有する溶解チェンバー11内
に収容されており、これらとルツボ１の底部のノズル先
端に設けられた溶湯を粉化させる噴霧用のガスノズルと
により溶湯形成部20を構成する。

一方、過冷却状態の溶湯を吹付ける２次冷却媒体とし
て、回転冷却ユニット６と、ユニット６上に形成された
非晶質厚板を分離するスクレーパー８が、噴霧用チャン
バー10内に配置されており、これらにより厚板形状部30
を構成する。

また、両チャンバー９及び10は、隔壁11により分離され
る。

次に、上記装置を用いて厚板状非晶質体を製造する工程
を示す。予めストッパー２によってノズル入口を閉ざさ
れているルツボ１に、既に所定の組成に調整された母合
金を挿入し、一端チャンバー10内を真空排気後アルゴン
ガスを大気圧になるまで導入する。次に、加熱コイル３
により母合金の溶解を行い、融点よりも約200度高い温
度まで加熱し、保持温度に達したことを熱電対４で確認
する。次に、隔壁11により分離された溶解チャンバー９
内に加圧ガス導入弁12よりアルゴンガスを導入して内圧
を高め、ストッパー２を開放すると同時にあらかじめ所
定の圧力に設定された高圧ガス溶湯の流れに、周囲から
集束するようにガスを導入し、噴霧チャンバー10内に設
置されたガスノズル５より噴射し、半溶融粉末を作製す
る。一方、２次冷却媒体６は、予め定められた厚さと形
状になるような運動条件に設定されており、噴出粉末の
堆積により緻密な厚板状非晶質体が作製される。

第１表は上記の方法に沿って厚板状非晶質体を作製する
為に用いるFe−Ｐ−Ｃ系合金母の組成比を示したもので
ある。又、第２表は２次冷却媒体に単ロール装置を採用
した際の厚板の作製条件をしめす。

この条件により作製された厚板の形状は、幅約50mm、厚
さ約1mmであり、長さ50から500mm程度の複数本の厚板が
得られた。得られた厚板をSEMにより破断面組織を観察
した。この結果粒子間の境界が明確には存在せず、粉末
同士が強力に密着しあった高密度の厚板であることが認
められた。一方、第２図（ａ）は厚板のロールとの接触
面および第２図（ｂ）は粉末堆積面に対してＸ線回折を
行った際のプロファイルを示すが、両面共に２θ＝45度
付近（Cuのｋα線）にブロードのピークを有する非晶質
体であることがわかる。

第３図は２次冷却媒体である冷却ロールの周速度と得ら
れた厚板の板厚との関係を示した結果であり、これよ
り、厚板の厚さは周速度に対し反比例の相関があること
が分る。次に、上記の方法で板厚を変化させて作製した
厚板の結晶化に伴う発熱量を示差熱量計を用いて測定し
た結果を第４図に示す。参考の為に、単ロール装置によ
って作製した板厚20μｍの非晶質性の優れた薄帯の発熱
量を併図したが、厚板の厚さが約150μｍ迄は薄帯と同
一の値を示し、非晶質性が極めて高い製法であることを
証明している。又、1500μｍ以上の厚さでは発熱量が徐
々に低下し、結晶相が含まれてくる結果となった。第３
表は得られた非晶質体の汚染度を調べる目的で材料の酸
素濃度を測定した結果を示しているが、噴霧化前の母合
金時からの濃度の上昇は極僅かであり、健全な非晶質体
であることが確認された。

実施例２ 実施例１と同様な製法によりFe₁₅Si₁₅B₁₀，Co₇₅Si
₁₅B₁₀，Co₇₀Fe₅Si₁₅B₁₀，Fe₅₀Ni₂₅Si₁₅B₁₀からなる軟磁
性非晶質材料を用いて作製した結果、非晶質臨界厚さが
500μｍから1200μｍの厚板が得られた。

実施例３ 本発明の実施例３に係る厚板状非晶質体の製造方法につ
いて説明する。

第５図は本発明の実施に用いられる装置の構成の他の例
を示す図である。この図において、溶湯形成部20′は、
実施例１の装置の溶湯形成部20と同一の構成を示す。厚
板形成部40は、過冷却状態の溶湯を吹付ける２次冷却媒
体として、一端がシリンダ11a,7bに収容されたロッドの
他端に固定された水平移動の可能な冷却板７を設けてい
る点で実施例１の装置と異なる。

次に、上記装置を用いて、予め定められた厚さと形状と
なるような運動条件に設定されている冷却板７に、溶湯
から形成された噴霧を、噴射して、噴出半溶融状態の粉
末の堆積により緻密な厚板状非晶質体を作製した。

第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）は２次冷却媒体として水
平移動冷却板を用いた際の冷却板の運動パターンを模式
的に示しており、プログラム可能な復動型シリンダーを
用いてＸ軸、Ｙ軸を交互に駆動させている。尚、冷却板
の大きさは縦200mm、横200mmであり、純銅製である。第
４表はその作製条件を示すが、実施例１の単ロール法で
の周速度の10倍の速度である5m/秒でX,Y軸のシリンダー
を駆動させ、噴霧開始度10サイクルの堆積を行った。そ
の結果、得られた厚板の厚さは平均で1mmであった。

次に実施例１と同一の方法で非晶質性を確認した結果を
第７（ａ），（ｂ）から８図に示す。第９図（ａ）は冷
却ロール接触面、第９図（ｂ）は実施例３に係るガスア
トマイズ粉末堆積面の測定結果を各々示す。この図のよ
うに二次冷却媒体として回転ロールを使用した際の結果
と同一の傾向を示した。第９図は示差熱量計による発熱
量測定結果を示し、これにより非晶質の臨界厚さは1700
μｍであり、形成能に優れた方法であることが確認され
た。一方、冷却板上への粉末堆積開始面と終了面が接合
する部分の強度を確認する上で接合部を含むテストピー
スの曲げ試験を行ったところ、接合部分以外での破断が
生じたことにより、強度的には面全体で均一であること
が確認された。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によれば、ガスアトマイズ装
置により噴霧化した半溶融液滴を２次冷却媒体に衝突さ
せ連続的に堆積固化することにより汚染が少なく緻密で
かつ非晶質性が高い厚板が得れる。また、単純な単一工
程内で製造し得ることからより安価で、量産性の優れた
手法である。更に、従来の粉末固化法では難しい連続体
即ち広面積を有する厚板の製造が容易にできるというよ
うな多くの利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための装置の一例を示す概略
図、第２図（ａ）は第１図の装置を用いて得られた厚板
の冷却ロール接触面のＸ線回折パターンを示す図、第２
図（ｂ）は第１図の装置を用いて得られた厚板のアトマ
イズ粉末堆積面のＸ回折パターンを示す図、第３図は冷
却ロールと周速度の関係を示す図、第４図は第１図の装
置を用いて得られた厚板の結晶化発熱量との板厚の関係
を示す図、第５図は本発明を実施するための装置の他の
例を示す概略図、第６図は二次冷却媒体に用いられる水
平移動板の運動パターンを示す図、第７図（ａ）は第５
図の装置を用いて得られた厚板の冷却板接触面のＸ線回
折パターンを示す図、第７図（ｂ）は第５図の装置を用
いて得られた厚板のアトマイズ粉末堆積面のＸ線回折パ
ターンを示す図、第８図は第５図の装置を用いて得られ
た厚板の結晶化発熱量と運動パターンの関係、第９図は
第５図の装置を用いて得られた厚板の結晶化発熱量と板
厚の関係を示す図である。 図中１及び１′はルツボ、２及び２′はストッパー、３
及び３′は高周波誘導用コイル、４及び４′は熱電対、
５及び５′はガスノズル、６は冷却ロールの２次冷却媒
体、７は冷却板の２次冷却媒体、８はスクレーパ、９及
び９′は溶解チャンバー、10及び10′は噴霧チャンバ
ー、11及び11′は隔壁、12及び12′は導入弁、13及び1
3′は微粉末、14及び14′は非晶質厚板、20及び20′は
溶湯形成部、30及び40は厚板形成部である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 才田 淳治 大阪府堺市石津西町５番地 日新製鋼株式 会社阪神研究所内 (72)発明者 立谷 雄一 宮城県仙台市郡山６丁目７番１号 東北金 属工業株式会社内 (56)参考文献 米国特許4298382（ＵＳ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ノズルから射出された金属又は合金の溶湯
   にガスを衝突せしめ，実質的に半溶融状態で金属又は合
   金の微粉末を形成し，該金属又は合金の微粉末を２次冷
   却媒体上に連続的に堆積固化し非晶質板体を単一工程内
   で形成することを特徴とする緻密な厚板状非晶質体の製
   造方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の厚板状非晶質体の製造方法
   において，上記２次冷却媒体は，単ロール，双ロール，
   エンドレスベルトの内で少なくとも一種よりなる回転体
   であることを特徴とする厚板状非晶質体の製造方法。
3. 【請求項３】請求項１記載の厚板状非晶質体の製造方法
   において，上記２次冷却媒体は水平方向に移動可能か冷
   却板であることを特徴とする厚板状非晶質体の製造方
   法。