JPS5926685B2 - 金属またはセラミツクのフイラメントおよびその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属のフィラメントの高速固化による製造方
法及び装置に関する。

ダイス引抜きによる金属線状物の製造は、少なくとも西
暦紀元１０００年ころから行なわれてきた古い技術であ
る。

金属のフィラメントは、現在でも、主に大きい直径の棒
を一連の先細のダイスを経て引抜くことによって製造さ
れており、この場合一連の各ダイスは順次前のものより
小さくなっている。

現代において、ダイス引抜き法は機械化、連続化、自動
化がなされたが、この方法自体は本質的には変わってお
らず、多くの関連する問題や制約が依然残っている。

最近の研究は、ダイス引抜き法の制約を避けるフィラメ
ントの形成法の開発に向けられてきた。

その研究の１つは、自由鋳造法もしくは直接溶融紡糸法
であり、溶融流体の自由ジェット流を形成させ、このジ
ェット流を固体状態へ変換させることに関するものであ
る。

この操作は重合体物質およびガラス類、すなわち液体状
態で非常に高い粘度と低い表面張力をもつ物質のフィラ
メントを形成するのに使用できる。

しかしながら、これと対照的に、金属は高い表面自由エ
ネルギーをもつ比較的非粘性の溶融物である。

このような物質のシリンダ状ジェット流は固有の不安定
性を示す。

ジェット流がノズルから出る時、その表面はその乱れが
徐々に増大して、最後にはジェット流はある距離で滴状
に破壊する。

したがって、金属の連続フィラメントを製造しようとす
るなら、ジェット流の固化と破壊の機械的エネルギーの
間に適切なバランスを与えな（てはならない。

要求されるバランスを達成するため溶融物のジェット流
の安定化を達成すべく金属繊維を溶融紡糸するいくつか
の方法が提案されたが、いずれの方法も十分には成功し
なかった。

１つの方法では、ジェット流をジェット流の１種以上の
成分と化学反応をしうるガス状雰囲気中に押出す。

液状ジェット流上に固体のさやもしくはスキンが形成し
、これにより安定化が実現する。

また、他の方法によれば、静電気の電荷をジェット流の
安定化に利用している。

マタ、ジェット流の固化を速めるために、いくつかの方
法が提案された。

たとえば、ポンド（Ｐｏｎｄ）の米国特許第３６０２２
９１号は、ガス中に分散した蒸気化液体のミストで溶融
ジェット流を冷却することを記載している。

シャイル（Ｓｃｈｉ１ｅＸ米国特許第３５４３８３１号
）は、ガス−固体分散体による冷却を採用している。

エンゲルケ（Ｅｎｇｅｌｋｅ ）ら（米国特許第３３４
７９５９号）は、溶融物よりやや低い温度に維持した［
液状成形流Ｊ （１ｉｑｕｉｄ ｍｏｌｄｓｔｒｅａｍ
） 中にノズルをおき、そのノズルから溶融ジェット流
を噴入させることを開示している。

しかしながら、これらの方法のいずれにおいても固化速
度はかなり遅く、ジェット流の化学的または静電気的安
定化は依然として必要となっている。

さらに、ノズルを冷却媒体中にお（とき、著しい実際上
の困難性、たとえば不適当な急冷および腐食の問題が存
在する。

溶融ジェット流の化学的安定化の必要性から紡糸法の下
記のいくつかの困難性が生じた。

■、純粋な金属または金属合金に反応性元素を加えると
、その機械的、電気的または他の物理的性質に悪影響を
及ぼす。

２、付随する化学反応により一方では紡糸オリフィスの
詰まりを、他方ではジェット流の不適当な安定化を起こ
さないようにするために、溶融物および／または雰囲気
の組成を正確に制御することが必要となる。

３、腐食および化学的侵食に対して満足な抵抗性をもつ
るつぼおよびオリフィス材料を採用する必要性から、同
材料の選択が制限される。

４、反応性のガス雰囲気は有害、可燃性、爆発性、腐食
性または高価であることがある。

又静電気的なジェット流の安定化を実現するため必要な
高電圧を用いる作業には、多くの欠点があることがよく
知られている。

本発明の目的は、鋭い溶融性と広い溶融範囲を示す物質
、すなわち純粋な金属、合金に適用することができる、
それらの物質の溶融物からフィラメントを製造する方法
および装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、ジェット流の安定化に特別の方法
に頼ることを必要としない、前記溶融物からフィラメン
トを製造する方法および装置を提供することである。

本発明の他の目的は、準安定合金、たとえば非晶質金属
およびふつうの手段によってはねずみ鋳鉄のようなフィ
ラメントに容易に形成できない非延性合金のフィラメン
トを製造する方法および装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、新規な配向の微粒状構造を
もつフィラメントの製造にある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載および図面
から明らかとなるであろう。

本発明の溶融紡糸法は、ガス状または真空環境下で溶融
物質の自由ジェット流を形成すること、この自由ジェッ
ト流を界面を通って流体媒体中に噴入させること、この
流体媒体はジェット流と並流しかつジェット流と本質的
に同じ速度で流れること、そしてフィラメント状となっ
たジェット流を急速に固化させることを包含する。

ここで自由ジェット流とは固体の境界により閉じこめら
れない流体の流れと定義する。

流体媒体は純粋な液体、溶液、エマルジョン、または固
液分散体であることができる。

流体媒体及び媒体の温度は、ジェット流の表面における
膜沸騰状況（ｒｅｇｉｍｅ ）の生起を抑え、かつ高熱
量状況の生成を高めるように、すなわち核表面沸騰状況
または熱伝達係数が少なくとも０．４カロリー／ｃｒｒ
ｔ・℃・秒であるような強制対流熱伝熱状況の生成を高
めるように、選ぶ。

［膜沸騰（ｆｉｌｍ ｂｏｉｌｉｎｇ ） Ｊおよび「
核沸騰（ｎｕｃｌｅａｔｅ ｂｏｉｌｉｎｇ ）Ｊとい
う用語は、当分野でよく知られている。

［状況（ｒｅｇｉｍｅ ） Ｊという用語は、この方法
において特定点または特定段階で生ずる通常動的な状態
または類型を意味する。

在来条件下での液体中における金属の急冷に関しては、
たとえばホロモン（Ｈｏｌｌｏｍｏｎ ）およびジャ７
７エ（Ｊ ａｆｆｅ ）、” Ｆ ｅｒｒｏｕｓ Ｍｅ
ｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＤｅｓｉｇｎ”、６２〜６５ペ
ージ、ニューヨーク、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ
５ｏｎｓ社１９４７年出版に開示されている。

通常、金属をまず媒体中に浸漬するとき、接する液体は
急速に沸点まで加熱され蒸気に変わる。

蒸気フィルムが金属のまわりに形成し、熱がさらに移動
するのを遅らせる。

すなわち膜沸騰の状況が存在するといわれる。

表面温度が低下するにつれて、蒸気障壁はその一体性を
失ない、液体は金属と直接に接触するようになる。

蒸気のあわが金属表面に活性な核状に生成し、急速に離
れる。

伝熱はこの核沸騰状況において非常に急速であり、この
伝熱係数は膜沸騰に比しほぼ３０倍大きい。

最後に、界面における液体の温度が沸点より低くなると
、沸騰は止み、金属は対流により急速に冷却しつづける
。

これに対し、本発明の条件下では、液状媒体中に入る溶
融物質のジェット流は核表面沸騰伝熱状況または強制対
流伝熱状況を示し、臨界的入口区域に沿つ膜沸騰は完全
に抑圧される。

その結果、ジェット流の冷却と固化は非常に促進される
。

この結果、流体媒体内における溶融ジェット流の予期さ
れない安定性と相俟って、ジェット流は破壊する前の短
期間内に固体のフィラメントに変化する。

伝熱が非常に速いということにより、非晶質金属の実質
的に改良された連続した丸いフィラメントを製造でき、
かつまた微粒子の等軸の（ｅｑｕｉａｘｅｄ ）または
配向された構造をもつ新規な結晶性フィラメントを製造
できる。

本方法および実験室の紡糸装置は、添付第１〜４図に示
されている。

溶融紡糸すべき金属物質を容器２１に入れる。

この容器２１は特定の加工すべき金属に対する適当な耐
熱性物質、たとえばジルコニアのフェルト２２で絶縁し
た石英又はジルコニア製のたとえば絶縁セラミックるつ
ぼである。

このるつぼは１個以上の底部開口部もしくは紡糸オリフ
ィスを備えている。

その１つが２３で示されており、その直径はフィラメン
トの所望直径の大きさ、たとえば０．００２〜０．０６
０ｍとする。

るつぼ２１は石英シリンダ２４、頂部に設けた絶縁銅板
２５、および底部に設けた、たとえば窒化ホウ素のセラ
ミック板２６によって区画された室内に置く。

この室一式は、たとえば外側に設けたタイロッド２７に
よって一体として適切に保持される。

頂部カバープレートに石英窓２８を設け、この窓を通し
てたとえば適当な読み出し部２９ａをもつ光学高温計２
９により供給物の温度を測定できる。

不活性加圧ガス、たとえばヘリウム源を頂部のカバープ
レート２５へ接続する。

るつぼ２１と底部プレート２６との間に適当な市販のセ
ラミック鋳造化合物によって耐圧シールを形成する。

たとえば石英るつぼと窒化ホウ素のプレートの場合、ア
レムコ・プロダクツ社（Ａｒｅｍｃｏ Ｐｒｏｄｕｃｔ
ｓＩｎｃ、）から入手できる市販の化合物セラマカスト
（Ｃｅｒａｉｎａｃａｓｔ ） −５０５が密封を可能
とする。

金属供給物を溶融するためのエネルギーは、溶融室２４
のまわりに同心的に巻、いたコイル３１にたとえば４５
０ＫＨ２の誘導動力を供給する動力源を接続することに
よって、供給する。

たとえば、融点が約１３００℃より低い金属の場合、少
なくとも１ｍｒｒｔの壁厚さの石英るつぼが使用可能で
ある。

紡糸オリフィス２３はダイヤモンド工具またはレーザー
法によりるつぼの底壁に開孔して設けることができるが
、他のオリフィス装置またはダイスを使用することもで
きる。

先細ノズルはジェット流の安定性を高めるので、穴は先
細にすることが好ましい。

たとえば、融点が１３００〜１７００°Ｃである紡糸金
属の場合は、壁厚０．６４Ｃ：ｒｒＬ（１／４インチ）
のシルコニするつぼが好適である。

るつぼ２１は、ジルコニア製の場合、紡糸オリフィスを
含む別に製作したジルコニア紡糸口金（図示せず）を収
容できるように穿孔し、その口を広げる。

紡糸口金の紡糸るつぼへのはめ込みは、たとえばアルメ
コ・プロダクツ社から入手できるウルトラテムプ（Ｕｌ
ｔｒａｔｅｍｐ ） ５１６のようなジルコニアを基材
とするセラミックセメントを利用することによって行な
う。

他の溶融室の材料および形状も可能である。

たとえば、亜鉛とアルミニウムを紡糸するとき、フラン
ジ付きグラファイト加圧容器を使用でき、ベリリウノ・
を紡糸するときベリリウム酸化物を使用することができ
る。

再び第１図について説明すると、溶融室２４を流体急冷
媒体４０を入れた槽４７の直接上部に吊す。

流体媒体４００レベルは溶融室２４の底部プレート２６
と接触しないようにしかしできるだけ密接するように制
御する。

一般に、この距離は約０．２ｃｒｆＬ程度とする。

壁３８によって区画されたジェット流形成室内の、紡糸
ノズルと流体急冷媒体の表面との間の空間４１は、真空
とするか、不活性ガス又は溶融フィラメントジェット流
上に安定化スキンが形成するのを促進する空気のような
ガスで満たすことができる。

この不活性ガスもしくはガスを満たした空間４１は溶融
およびジェット流形成区域を急冷区域から分離し、室２
４と流体４０が接触している場合には実現できないよう
な大きい温度差を可能とする。

このため、石英シリンダ３８を、その一端を溶融室底部
２６に固着し、他端を流体急冷藻体中に浸めるように配
置して室４１を設けることができる。

この室４１には源４５ａから不活性ガス状雰囲気がライ
ン４５を経て導入される。

あるいは、空間４１は空気を抜いてもよい。

流体槽４７内では、紡糸オリフィス、２３の垂直方向直
下に垂直のスタンドパイプ状の急冷室３３を配置する。

流体急冷媒体４０は槽４７へその一端４８からはいり、
鎮静化スクリーン３４を水平に通過し、急冷室３３内を
垂直に流下して受槽３５中へはいり、最後にポンプ３９
によって熱交換器、コノ場合冷凍装置３７を通過し、ラ
イン４′６を経て槽４７へもどる。

急冷流体４４の微細ジェット流はスパージャ−リング（
環状散布器）３０から急冷室３３０口部に散布される。

ジェット流界面に沿って膜沸騰状況が生ずるのを抑える
ように、急冷媒体４０およびその温度を制御することが
重要である。

好ましくは、急冷媒体とその温度は、ジェット流が急冷
媒体中へはいる区域に沿って核表面沸騰状況が生ずるよ
うに選択する。

急冷媒体およびその温度の選択は、溶融ジェット流の熱
容量に関係して行なわなくてはならない。

ジェット流の熱容量は、その温度、比熱、融解潜熱およ
びその断面積に正比例して増加する。

溶融ジェット流が急冷媒体に入るとき、急冷液体の境界
層がジェット流をかこむ。

前述のとおり、金属ジェット流はその温度、比熱、融解
潜熱およびその断面積によって決定される熱容量をもち
、一方急冷流体境界層はその温度、比熱、密度、蒸発熱
及び熱伝導率によって決まる冷却能力をもつ。

従って急冷流体の温度を沸点まで上昇させたとき、急冷
流体境界層の熱容量が溶融ジェット流の熱容量を枯渇（
ｄｅｐｌｅｔｅ ）させるのに十分であるならば、膜沸
騰が抑制され、核沸騰が促進されることとなる。

この溶融ジェット流の熱容量と急冷流体の熱容量との間
の関係により膜沸騰が抑圧されるのである。

したがって、溶融ジェット流の熱容量が太き（なればな
るほど、急冷流体をより冷たくおよび／またはその比熱
、密度、蒸発熱および熱伝導率をより高くしなくてはな
らない。

流体急冷媒体の他の望ましい性質は、溶融ジェット流の
破壊を最小にする低粘度、非燃性、非毒性、光学的透明
度および低価格である。

本発明によれば、融点が約７００℃より低い物質、たと
えばアルミニウム、亜鉛、鉛、スズ、ビスマス、カドミ
ウムなどを紡糸するためには、水が満足すべき媒体であ
ることがわかった。

融点が７００℃から約１０００℃までの物質に対しては
、冷凍された（−２０℃）２３重量％の塩化ナトリウム
水溶液が満足すべきものである。

融点が１０００〜１５００℃または１５００〜１７００
℃である物質を紡糸するためには、それぞれ−３３℃の
２１．６重量％の塩化マグネシウム水溶液または一６２
°Ｃの５１重量％の塩化亜鉛水溶液の流体の媒体が好ま
しい。

前述の急冷流体は本発明の実施において使用できる典型
的な流体を単に表わすものであること、そして特定のジ
ェット流の組成とその温度と適合する多（の他の急冷流
体を使用できることが理解されなげればならない。

溶融ジェット流を噴入する急冷流体は、ジェット流と並
流するように配置し、主要冷却期間、すなわち溶融ジェ
ット流が固相に変化する問いずれの場所でもジェット流
と同じ速度である。

図示された本発明の装置において溶融ジェット流と急冷
流体はスタンドパイプ状急冷室中を実質的に同じ速度で
いっしょに流れる。

急冷室の上で、急冷流体の動きはジェット流と同じ方向
であるが、流体速度は空気−流体界面におけるゼロから
急冷室内の最大まで加速される。

急冷室の頂部は、急冷流体の表面にできるだけ近づけて
位置し、典型的には流体表面の２ＣＩ′ｒＬ以内に存在
することができる。

急冷室の上部と内部のうすの形成は、急冷室付近にうず
障壁を置くことによって実質的に最小となる。

第２図に簡単な非対称うず障壁が示されており、これは
急冷室の一方の側に対して位置し、流体４０の表面へ延
びる長方形の断面をもつ棒５０からなる。

第３図において、うず障壁はスタンドパイプ状急冷室３
３の上に位置し、流体４００表面へ延びる環状のスパー
ジャ−リング３０かもなり、これはうすの形成を最小に
し、矢印５２で示される流の急冷室内の流体の速度を制
御することが示されている。

急冷流体の微細な噴射はスパージャ−・リング３０から
スタンドパイプ状急冷室３３０口部の内ヘスプレーされ
る。

急冷室中の流体媒体の速度はスタンドパイプの直径、急
冷室の上の流体表面の高さ、ならびにスパージャ−・リ
ング３０から急冷室ヘスプレーされる、ライン５２で供
給される（第１図にも示されている。

）流れの速度および体積によって決定される。

たとえば、長さ４０ｃｒｒＬ、内径１．４ｃｒＩＬのス
タンドパイプ、１． Ｏｃｐｓの粘度および１．０＠／
ｃｃの密度の急冷水性媒体、流体レベルが急冷室上２ｃ
ＩｒＬ、およびゼロのスプレー速度の場合の典型的な流
体速度は２００ＣｒｒＬ／秒である。

第４図に示されているように、１本以上の回転シリンダ
（第４図には２本が示されている）からなる他のうず障
壁を急冷室の口部に位置させることができる。

シリンダ５２および５３の存在と回転により、うすの形
成は実質的に縮小され、急冷室上の流体速度の均一性が
増加する。

第５図に示すような本発明の他の態様において、溶融ジ
ェット流５８と並流する急冷流体の動きは、せき５６か
ら傾斜面へのオーバーフローによって誘導される。

点線で示される溶融室５５は傾斜面５７の直上に設置さ
れる。

固化したジェット流５９は適当な受槽６０内に集められ
る。

この受槽６０は冷却流体を含み、この流体は６１におい
て循環し、ポンプ６２およびライン６３を経て槽６４へ
もどる。

受槽６０内へはいるフィラメントを連続的に巻き取る適
当な装置を設けることができることは明らかであろう。

溶融紡糸法の操作はなめらかで直接的である。

第１図に示されているように、槽４７中の急冷流体４０
の水準面の高さおよび急冷室３３内の流体速度は所望の
レベルに調節される。

金属を溶融容器２１へ入れ、この容器を供給物が好まし
くは不活性雰囲気中で実質的に大気圧において溶融する
ように実質的に密閉または隔離する。

金属温度が融点よりほぼ５０〜１００℃高い時、溶融室
内の不活性ガス圧を、０．７０３〜１．４０６ ｋｇ／
ｃｍ（１０〜２０ ｐｓｉ ）ゲージにまたは溶融ジェ
ット流が紡糸オリフィスから所望速度で出るまで、上げ
る。

溶融ジェット流は、空間４１へ噴出し、ついで急冷室３
３へはいるときに急冷媒体４０と接し、この急冷室３３
内を媒体とともに並進するときに固化する。

紡糸条件を変える場合、第６〜１１図に示すように異な
る形態のものが得られる。

波状のフィラメントを形成するときはジェット流速度が
急冷室中の流体速度を越えたことのしるしである。

先細端部を有する不連続のフィラメントが形成するとき
は、ジェット流速度が急冷室中の流体速度より実質的に
遅いことのしるしである。

フィラメントが軸に対称の節（ｎｏｄｅ ）を示す場合
は、溶融物の温度を低下させることによりなめらかな連
続フィラメントを生成させることができる。

さらに、温度と圧力を調節して他の所望の表面組織と長
さをもつフィラメントを製造することができる。

溶融物温度と溶融ジェット流および急冷媒体の相対速度
を調節して生成できるいくつかのフィラメントの組織お
よび／または形状を第６〜１１図に示す。

ここで第６図は本発明のなめらかなフィラメントである
。

第７−１１図は参考図であり、第７図は波形構造、第８
図は断続する球形の形状、第９図は、のこぎり歯状、第
１０図はよじれた形状および第１１図はらせＬ犬もしく
はコルク栓抜きの様な形状をそれぞれ示す。

所望の形状を得るための方法あるいは望ましくない形の
形成を防ぐ方法の制御に関する因子のいくつかを以下に
述べる。

たとえば、本発明の第６図の滑らかなフィラメントは、
上述のように急冷室中の流体速度を溶融ジェット流の速
度と一致させることによって製造する。

以下の参考図に示すように、第７図の波状に縮まったフ
ィラメントは、急冷室中の流体速度が遅いとき、すなわ
ちジェット流の速度より約１０％遅いとき、生ずる。

第８図の「真珠のネックレス」の外観をもつフィラメン
トは、溶融ジェット流が過熱されたとき、たとえばその
融点より約２５０℃高いときに得られ、一方策９図のの
こぎり歯状のフィラメントは滑らかなフィラメントを生
ずる条件下で、急冷室内にうすが生ずるようにすること
によって得られる。

これは急冷室内のジェット流の速度と平均線速度とがよ
く一致しているときでさえ起こることがある。

第１０図のよじれたフィラメントは、急冷室内の流体速
度がジェット流の速度より実質的に低い、すなわち約４
０％低いときに生ずる。

第１１図のコルク栓抜き様のフィラメントは、急冷室３
３内にうすを形成する以外は第１０図のよじれたフィラ
メントと同じ条件下で生成する。

本発明を以下の実施例によりさらに説明する。

参考例及び実施例１は、本発明のフィラメント形成法が
高い熱流動冷却（ｈｉｇｈ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ｃｏ
ｏｌｉｎｇを達成することに基づくものであり、そして
それがジェット流の安定化、たとえば酸化物フィルム形
成のような特別の技術に依存するものではないことを対
比して明らかにするものである。

参考例 先端を直径０Ｏ２５ｃｒＩ′Ｌの微細なチップ状に細く
伸ばした８ｍｍの石英管に、９９．９９９％純度の銀を
入れた。

石英管を誘導加熱コイル内に置き、ヘリウム源に接続し
た。

銀をヘリウム雰囲気下に溶融し、１００ ｏ’Ｃ，０，
７０３ｋｇ−／Ｃ４（１０ｐｓｉ ）ゲージにおいて石
英管から実験室大気内に吐出する。

ジェット流の直径と一定時間間隔で集められた金属の重
量から測定した銀ジェット流の速度は、はぼ２５０ｃｒ
ｒＬ／秒であった。

８マイクロ秒のゼネラル・レデイオ（Ｇ ｅｎｅｒａｌ
Ｒａｄｉｏ）のフラッシュ源を用いて、溶融ジェット流
の写真を撮った。

この写真はジェット流がノズルから０，５ｃｒｒＬの距
離でまたは２ミリ秒の時間経過で破壊することを示した
。

銀は酸素、窒素、水蒸気や大気の他のふつうの構成成分
と非反応性であり、これらの物質と安定化スキンを形成
することができないので、ジェット流が滴へ急速に破壊
することは予想された通りであった。

実施例 １ 参考例の石英管に９９，９９９％純度の銀を同様に入れ
た。

この石英管を第１図に示した溶融室に代えて急冷流体は
槽上の同じ位置に取付けた。

石英管の先端は、−２０°Ｃに保持された２３％の塩化
ナトリウム急冷流体表面上０２ｃＩｒＬの位置にあった
。

急冷室の頂部は急冷流体の表面よす２６ＩｒＬ下にあっ
た。

スタンドパイプ内の流体速度は２１０ｃｒＩ′Ｌ／秒で
あった。

銀はヘリウム雰囲気内で溶融し、この溶融物を１０００
℃、０．７０３ｋｇ／Ｃ４（１０ｐｓｉ ）ゲージにお
いて石英管から押出した。

ジェット流の速度はほぼ２５０ｃＩｒＬ／秒であった。

溶融銀のジェット流は空気をみたしたすき間（第１図の
オリフィス２３と急冷媒体４００表面との間の空間４１
をさす）を横切り、急冷流体にはいり、００２５ＣｒＩ
Ｌの平均直径のフィラメントの形に固化した。

急冷浴へはいる銀ジェット流の高速マクロ写真は、核表
面沸騰および強制対流冷却を示したが、ジェット流に沿
った膜沸騰を示さなかった。

ジェット流と急冷流体との間の熱伝達係数に対する低い
方の限界は、ジェット流の表面が２マイクロ秒経過する
前に固化するという条件から計算できる。

このように計算した熱伝達係数は、少なくとも０，４１
カロリー／Ｃａ・℃・秒である。

ジエット流の平均温度に対応する急冷速度は少なくとも
２Ｘ１０’°Ｃ／秒である。

熱伝達係数と急冷速度の両方は、ガス冷却の場合に比し
て少なくとも１桁太きい。

実施例２〜４は、本発明に特有の急速固化の結果として
、得られる新規な連続フィラメントの構造について説明
する。

実施例 ２ 第１図に示した装置に、３．４重量％の炭素、２．２重
量％のケイ素、０．６重量％のマンガン、０．２重量％
のリンおよび０６０１％のイオウを含有するねずみ鉄の
棒を入れた。

この合金をヘリウム雰囲気内で１２００℃に加熱し、０
．０２５ｃｒＩ′Ｌの直径のオリフィスを通して２１５
ｃｒｒＬ／秒で押出した。

この溶融ジェット流を冷凍した２３重量％の塩化ナトリ
ウムブライン中で一２０°Ｃで急冷した。

急冷室内のブラインの速度は２１５ｃｆｒＬ／秒であっ
た。

これにより０．０３０（１１７７１の直径のフィラメン
トが製造された。

第１２図はもとのねずみ鋳鉄棒をみがいてエツチングし
た部分の１７６倍の倍率の写真である。

第１３図は、前述のように製造し、同じ倍率で示した、
溶融紡糸したフィラメントの軸方向断面である。

受は入れた状態の棒は、ねずみ鋳鉄に典型的な大きい白
点とグラファイトの粒子を示す０しかしながら、上のよ
うにして溶融紡糸したフィラメントは、ねずみ鋳鉄に対
して新規である微粒状の等軸樹枝状（デンドライト）構
造を有した。

樹枝状結晶の間隔は１〜２ミクロンであった。

金属のいろいろな機械的および化学的性質、たとえば強
度、延性および腐食性薬品に対する抵抗性は、内部構造
または樹枝状結晶の度合によってかなり変化する。

樹枝状結晶間の間隔は最小であることが望ましい。

典型的な大規模鋳造において、樹枝状結晶の間隔は１０
０〜１０００ミクロンである。

ダン（Ｄｕｎｎ ）らの米国特許第３６５８９７９号は
連続金属フィラメント中の５〜２５ミクロンの樹枝状結
晶間隔を開示しているが、本発明で得られた樹枝状結晶
間隔は１〜２ミクロンであり、著しい改良を示している
。

第１３図の溶融紡糸フィラメントを、ＭｏＫｃｔ輻射を
用いるＸ線回折により分析した。

この溶融紡糸線状物中に存在する相は、準安定γ−鉄（
オーステナイト）およびＦｅ５Ｃ（セメンタイト）であ
った。

平衡α−鉄（フェライト）およびグラファイト相は検出
されなかった。

本発明により誘導されるような準安定γ−鉄のフィラメ
ントは、かなリノ量のマンガン、クロム、ニッケル、コ
バルトまたは銅を含有しない合金から製造することはこ
れまでできなかった。

実施例 ３ 第１図に示した装置に、３８重量％の鉄、３９重量％の
ニッケル、１４重量％のリン、６重量％のホウ素および
３重量％のアルミニウムからなる合金のインゴットを入
れた。

この合金をヘリウム雰囲気内で１０５０℃で溶融し、０
．０２０（１１７７１（ｏ、ｏｏｓインチ）の直径のオ
リフィスを通してはホ２００ｃｒｒＬ／秒で押出した。

この溶融ジェット流を冷凍した２１．６％の塩化マグネ
シウムブライン中で一３０℃で急冷した。

急冷室中のブラインの速度は１９５ｃＩｒＬ／秒であっ
た。

それによって０．０１５ｃｒｒＬ（０，００６インチ）
の直径の連続フィラメントが製造された。

このフィラメントを、ＭｏＫｃｔ輻射を用いるＸ線回折
によって、結晶性について検査した。

非晶質状態の特徴ある広い回折ピークのみが観察された
。

示差走査熱量測定は、４２４℃の結晶化温度を示した。

この紡糸したフィラメントは非結質であった。

実施例 ４ フランジ付き炭素るつぼに９９．９９％純度の電解亜鉛
を入れ、これを第１図の溶融室に代えて急冷流体容器上
の同じ位置に設置した。

この亜鉛をヘリウム雰囲気内で溶融し、４３０°Ｃおよ
び０．２８１ｋｇ／ｃ４（４ｐｓｉ ）ゲージにおいて
０．０２５ｃｆｒＬのオリフィスから押出した。

１１℃の水を急冷媒体として使用した。

急冷室中の水速度は１５１ＣｒｒＬ／秒であった。

この溶融紡糸した９９．９９％亜鉛の線状物と市販の同
じ純度のダイ引抜した亜鉛の線状物の軸方向の断面を第
１４および第１５図に示す。

これらの材料の引張り性質は次のとおりであった。

本発明によって製造された溶融紡糸線状物は、引抜き材
料より４８％高い引張り強さを示した。

これは新規な線状物の組織の結果であると考えられる。

この溶融紡糸した亜鉛線状物において、柱状結晶は線状
物の軸に対して７９℃傾いていた。

又、Ｘ線で決定した結晶軸は（００１）であった１（Ｃ
，Ｓ、 Ｂａｒｒｅｔｔｌ” ５ｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏ
ｆ Ｍｅｔａｌｓ”、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ Ｂｏｏ
ｋ Ｃｏｍｐａｎｙ、−＝”−ヨーク、９−１１（１９
４３）に記載される記号による。

）亜鉛はその結晶構造が六方最密光てんである金属の一
例である。

六方最密光てん金属の他の例は、ベリリウム、カドミウ
ム、カルシウム、セリウム、クロム、コバルト、エルビ
ウム、ハフニウム、ホルミウム、ランタン、マグネシウ
ム、ネオジム、ニッケル、オスミウム、プラセオジム、
レニウム、ルテニウム、スカンジウム、クリラムチタン
およびイツトリウムである。

六方最密光てん金属の（００１）面は、この結果系の主
要すべり面である。

したがって、溶融紡糸した亜鉛中の結晶配向は、線状物
に沿った引張り応力が（ｏｏｌ）すべり面に沿ってほと
んど最小のせん断応力を生ずるようなものであった。

これと対照的に、市販のダイ引抜き材料中の結晶大きさ
はより犬であり、この引抜き材料中の（００１）すべり
面は引抜き過程によって４５℃の最大応力面とよく一致
するようにされていた。

＜００１＞軸がフィラメント軸に対して６０゜より大き
い角度で優先的に方向づけられている六方最密光てん金
属および合金のフィラメントは、新規である。

この達成された結晶方位は、本発明において達成された
高い冷却速度（１０４℃／秒より犬）と六方最密光てん
金属の＜１１０＞方向への優先的成長との結果である。

より低い冷却速度は、（００１＞軸のフィラメント軸に
対する傾斜はより小さくなるであろう。

本発明による好ましい六方最密光てん金属は、ベリリウ
ム、カドミウム：コバルト、マグネシウム、チタン、ジ
ルコニウムおよび亜鉛である。

実施例 ５ 第１図の装置に一連の純粋な金属および合金をいれ、こ
れらからフィラメントを溶融紡糸した。

合金および紡糸条件を表■に掲載する。

参考例及び実施例１〜４にすでに記載した合金はこの表
■に含まれていない。

以下の実施例は、液体媒体中の溶融ジェット流の化学的
安定化を説明する。

実施例 ６（参考例） 先端を直径０．０１５ｃＩｒＬの微細なチップ状に細く
伸ばした８ｍｍの石英管に、表■に掲載したのと同じ９
９．９５％純度の銅金属を入れた。

この石英管を、第１図に示した溶融室に代えて急冷流体
槽上の同じ位置に取付けた。

この石英管の先端は、−２０°Ｃに保持された２３．３
重量％の塩化ナトリウム急冷流体の表面上０．２Ｃｒｒ
Ｌの位置にあった。

急冷室の頂部は、急冷流体の表面下２ｃｒｒＬにあった
。

急冷室中の流体速度は、２２０ｃＩｒＬ／秒であった。

この銅をヘリウム雰囲気内で溶融し、溶融物は１１００
℃、２２０ＣｒｒＬ／秒で石英管から押出した。

溶融した銅は空気のすき間を横切って、急冷流体中には
いった。

溶融ジェット流は急冷流体中で破壊し、明確な球状粒子
に固化した。

−３３℃の塩化マグネシウムブラインを使用する表■に
おける結果と対照的に、−２０°Ｃの塩化ナトリウムブ
ラインでは急冷速度が遅いため、銅フィラメントは得ら
れなかった。

実施例 ７ 実施例６０石英管に、９９．９５％純度の銅を再び供給
した。

この銅をヘリウム雰囲気内で溶融し、溶融物を１１００
℃、２２０ｃｆｒＬ／秒で押出した。

この石英管の先端は、２３．３重量％の塩化ナトリウム
と１０重量％のＮａ２Ｓ・９Ｈ２０とからなる一２０℃
に保持された急冷流体の表面上０．２ｃＩｒＬのところ
にあった。

急冷室の位置と流体は実施例７のとおりであった。

この溶融鋼は空気のすき間を横切って、急冷流体へはい
り、直径０．０１５ｃｒｒＬのフィラメント形で固化し
た。

フィラメントの表面は硫化銅と同定された黒い沈積物で
カバーされていた。

この急冷流体内の溶融ジェット流表面上の硫化銅フィル
ムの形成により、フィラメント状の固化が実現するまで
ジェット流の安定性が増加した。

本発明の実施態様は、次のとおりである。

１、溶融フィラメントが導入される点における該急冷媒
体の液体の流速が急冷媒体中へはいるフィラメントの動
きの速度と実質的に等しい特許請求の範囲１の方法。

２、該急冷媒体が該溶融ジェット流と実質的に同じ速度
で流れる特許請求の範囲１の方法。

３、該急冷媒体が該溶融ジェット流に該界面に沿って存
在する少なくとも０４カロリー／ｃ４・°Ｃ・秒の高熱
の流動状況を与える液体からなる特許請求の範囲１の方
法。

４、溶融金属の自由ジェット流の温度が約７００°Ｃよ
り低（、そして流体の急冷媒体が約Ｏ〜２０°Ｃの水で
ある特許請求の範囲１の方法。

５、溶融金属の自由ジェット流の温度が約１０００℃よ
り低く、そして流体媒体が０°Ｃより低い温度の塩化ナ
トリウム水溶液である特許請求の範囲１の方法。

６、溶融金属の自由ジェット流の温度が約１５００℃よ
り低く、そして流体媒体が一２０℃より低い温度の塩化
マグネシウム水溶液である特許請求の範囲１の方法。

７、溶融金属の自由ジェット流の温度が約２０００°Ｃ
より低（、そして流体媒体が一３０℃より低い温度の塩
化亜鉛の水溶液である特許請求の範囲１の方法。

８ 溶融金属が金属または金属合金である特許請求の範
囲１の方法。

９、急冷媒体がジェット流上に安定化フィルムを形成す
るに十分な溶融ジェット流との化学反応性を有する特許
請求の範囲１の方法。

１０、急冷媒体が硫化物イオンを含有する水溶液からな
り、そして溶融金属が少なくとも５０重量％の銅を含有
する合金である上記９の方法。

１１、流体の急冷媒体の本質的に垂直方向の動きが、流
体の急冷媒体の表面下に沈められた垂直の急冷室により
、促進される特許請求の範囲２の装置。

１２、つすの形成を防ぐ手段が、区域ｄの溶融フィラメ
ントが該急冷媒体中にはいる点に隣接して位置する特許
請求の範囲２の装置。

１３ 急冷媒体のジェット流が該急冷室の上端に注入
されて該急冷媒体のうすの形成を防ぐ上記１１の装置。

１４、溶融フィラメントが該急冷媒体中にはいる該点に
隣接して回転シリンダが位置し、該シリンダは回転して
該フィラメントの動きと並行する方向に該急冷媒体を動
かすように配置されている上記１２の装置。

１５、急冷媒体の本質的に垂直方向の動きが、容器内の
せきを経る液体の急冷媒体のオーバーフロ−によって誘
導される特許請求の範囲２の装置。

１６．４重量％より少ない炭素、６重量％より少ないケ
イ素および残部の鉄から本質的になる合金中に室温で共
存するｒ−鉄およびＦｅ５Ｃの準安定相のフィラメント
からなる製作物品。

１７、六方最密光てんされた金属およびその合金のフィ
ラメントから本質的になり、その＜００１）軸が該フィ
ラメントの軸に対して６０°より大きい角度で配向して
いる組成物。

１８、六方最密光てんされた金属がべＩＪ ＩＪウム、
カドミウム、コバルト、マグネシウム、チタン、ジルコ
ニウムおよび亜鉛からなる群よりえらばれる上記２１の
フィラメント。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のフィラメントをつくるのに使用でき
る装置である。 第２図は、そらせ板を使用してうすの形成を抑制する急
冷装置の一態様の詳細図である。 第３および３ａ図は、急冷中うずの形成を防ぐ他の態様
の詳細図である。 第４図は、急冷工程中うずの形成を避けるためのさらに
他の装置を示す。 第５図は、押出されたジェット流の別の急冷およびフィ
ラメント支持装置を示す側視図である。 第６図は、本発明によって製造され、滑らかな表面によ
って特徴づけられる溶融紡糸フィラメントの写真（倍率
６倍）である。 第７図は、参考図であり、波状に縮まった表面構成によ
って特徴づけられる溶融紡糸フィラメントの写真（倍率
１２倍）である。 第８図は、同じく参考図であり、「真珠のネックレス」
様の表面構成、すなわち交互する線状および回転長円体
のセグメントをもつ表面構成を有する溶融紡糸したフィ
ラメントの写真（倍率６倍）である。 第９図は、のこぎり歯状の構造によって特徴づけられる
溶融紡糸フィラメントの写真（倍率１２倍）を示す参考
図である。 第１０図は、よじれた構成をもつ溶融紡糸フィラメント
の写真（倍率１２倍）を示す参考図である。 第１１図は、コルク栓抜き様の形状をもつ溶融紡糸フィ
ラメントの写真（倍率１２倍）を示す参考図である。 第１２図は、鋳造した市販のねずみ鋳鉄棒の断面の写真
（倍率１７６倍）である。 第１３図は、第１２図に示す組成物から本発明によって
溶融紡糸されたフィラメントの断面の写真（倍率１７６
倍）である。 第１４図は、本発明によって製造された亜鉛の溶融紡糸
線状物の断面の写真（倍率１４５倍）である。 第１５図は、従来技術の線引き法によってつくった亜鉛
の線状物の比較写真（倍率３８０倍）である。 ２１・・・・・・容器、２３・・・・・・紡糸オリフィ
ス、２４・・・・・・溶融室、３３・・・・・・急冷室
（スタンドパイプ）、３８・・・・・・ジェット流形成
室、４０・・・・・・急冷媒体、５５・・・・・・溶融
室、５８・・・・・・溶融物、５９．、、、、、固化し
たジェット流（フィラメント）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記の諸工程すなわち： （ａ） 固体金属を溶融する工程； （ｂ） 制御された環境を与えられたジェット形成室
   内で、溶融金属の自由ジェット流を形成させる工程； （ｃ）前記自由ジェット流に、前記ジェット形成室を通
   過させた後、該自由ジェット流を、溶融金属の自由ジェ
   ット流と同一方向に実質上同一速度で流れる流体急冷媒
   体を含む急冷室に導入し、この液体急冷媒体は純粋な液
   体、溶液、エマルジョン、又は固液分散体から成り、該
   液体急冷媒体は、ジェット流をかこむ急冷液体境界層の
   温度を沸点まで上昇させたとき該ジェット流の熱容量を
   枯渇させるのに十分な温度、比熱、密度、蒸発熱及び熱
   伝導率をもち、これにより膜沸騰を抑制することができ
   るものであり、該液体急冷媒体によって溶融金属の自由
   ジェット流を急冷して高速固化金属フィラメントを形成
   させる工程；および （ｄ） 前記高速固化金属フィラメントを前記急冷室
   から回収する工程： からなる、固体金属から高速固化金属フィラメントを製
   造する方法。 ２（ａ）底部を有し、固体金属を受は入れるのに適する
   ようにつくられ、かつ前記金属を溶融する手段と、内部
   の環境を制御するための手段とを含む溶融室； （ｂ） 前記溶融室の底部に設けられ、溶融金属の自
   由ジェット流形成に適した押出しオリフィス；（ｃ）前
   記自由ジェット流が通過するのに適するようにつくられ
   た、前記オリフィスの下部に設けられ、室の内部に真空
   空間または制御された気体雰囲気をつくるための手段を
   含むジェット流形成室：および （ｄ） 前記ジェット流形成室の下方に配置されて、
   ジェット流形成室からの自由ジェット流を受は入れるよ
   うにつくられており、室内に導入された自由ジェット流
   と同じ方向に移動するのに適した液体急冷媒体を有して
   おり、この液体急冷媒体は純粋な液体、溶液、エマルジ
   ョン、又は固液分散体から成り、かつ、ジェット流をか
   こむ急冷液体境界層の温度を沸点ｊで上昇させたとき該
   ジェット流の熱容量を枯渇させるのに十分な温度、比熱
   、密度、蒸留熱及び熱伝導率をもち、これにより膜沸騰
   を抑制することができるものである、急冷室； からなる、固体金属から高速固化金属フィラメントを製
   造するための装置。