JPS60159162A - 金属の噴霧沈着法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、溶融金属噴霧粒子を沈着させることによって
金属体（ｍｅｔａｌ　ｂｏｄｙ　）を製造する方法に関
する。

従来の技術 および 発明が解決しようとする間頓点 英国特許明細１第１２６２４７１号には、ガス噴霧溶融
金属粒子流を移動性サブストレート上に注いでデポジッ
トを形成させ、次いで該デポジットを熱間加工処理に付
して所望の製品を得る方法が開示されている。最近、噴
霧沈着工程−中に影響を及ぼしてデポジットに異なった
構造をもたらす種々のメカニズムが明らかにされ、解析
された〔メタルズ・テクノロジー（Ｍｅｔａｌｓ　Ｔｅ
ｃｂｎｏｌｏｇｙ）、第６１頁〜第６８頁（１９８３年
２月）参照］。

溶融金属もしくは合金の噴霧沈着にとって適当な条件を
選択しないと、十分な熱間加工処理に付して十分に濃化
（ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）させた後でも機械的特
性が不十分になることが判明した。このような場合には
、アニソトロピーをもたらしゃすい熱変形処理をさらに
おこない（できる限り中間に焼きなましもしくは焼結処
理をおこなう）、良好な機械的特性を得る必要がある。

このような付加的な処理を伴う方法は不経済であり、魅
力のないものである。従って、以下のように、噴霧沈着
条件が適切になるように材料を配置させることが重要で
ある。

前記の「メタルズ・テクノロジー」に記載されているよ
うに、噴霧密度を小さくし、冷却速度を大きくする場合
には、平均的な（ａｖｅｒａｇｅ）溶融噴霧小滴は先行
するスプラッ）　（５ｐｌａｔ）が十分に固化した後で
該スプラット上に到達するので、各層が各スプラット厚
を有する層状デポジットが形成される。噴霧密度をより
大きくするか、もしくは冷却速度をより小さくすると、
先行するスプラットの上部表面が固化する前に平均的な
溶融噴霧小滴は該スプラット上に到達するので、２種の
液体が混合し、デポジットはほとんど層状を示さない。

空気中から混入する少量の酸素は、その後の熱間加工処
理中のデポジットの挙動および製品の機械的特性に不均
等な効果を及ぼす。工業的な操作工程から空気を完全に
除去することは困難であり、費用がかかる。ＣＯもしく
はＩＩ２に富んだ保護雰囲気は炭素鋼のような多くの鋼
類や鉄に対する酸素の影響を少なくするが、酸素に対す
る親和性が非常に大きな金属や合金（例えばＡ　ｌ　＋
　Ｔ　Ｉおよびクロム鋼）に対する酸素の影響は緩和で
きない。

従って、金属酸化物の形成は実際上は避けられないので
、これらの悪影響を最小限にしなければならない。

例えば、噴霧密度を小さくし、サブストレートの冷却速
度を大きくしてアルミニウムデポジットを形成させる場
合には、空気を排除するために普通の工業的な予防措置
を講ずればよく、各噴霧小滴は典型的には非常に薄い（
例えば１０−８ｍ）ＡＩ！２０３スキン層を伴って被覆
され、該スキン層は非常に強く、不溶性で、脆いが強靭
で、穏当な温度ではいずれのガスによっても還元されな
い。

さらに、先行する固化スプラットも同様の酸化物スキン
層によって被覆される。

各溶融小滴が先行するスプラットに到達するとその酸化
物スキン層を破壊させ、即座に未酸化金属を露出させる
。小滴から形成される新しいスプラットの表面積は典型
的には小滴の表面積の２〜２０倍の大きさである。その
脆い酸化物スキン層は破砕され、その後の過程では重要
な役割は果たさない。しかしながら、完全に固化した先
行するスプラット上の酸化物スキン層はそのまま存在し
、新しいスプラットと先行スプラットとの間に連続的境
界部を形成する。その後のデポジットの構造は層状であ
り、酸化物フィルムが介在するために密着結合性に欠け
、機械的特性も不十分である。

デポジットをその後で熱間加工処理に付すことによって
脆い酸化物スキン層は徐々に解体されるか、良好な機械
的特性を得るためには例えば６０〜９０５Ｄの応力変形
もしくは高温での長時間の焼結処理が必要であり、この
ような処理はコストの点で不利なたりてなく技術的にも
望ましくない。

先に述べたように、酸素による汚染は工業的には避けら
れないので、操作条件はその最も有毒な影響、即ち」二
連の薄い未破砕酸化物スキン層の影響が回避されるよう
に選定されなければならない。

これは例えば噴霧密度を大きくするか、または冷却速度
を小さくし、従って平均的な各小滴を先行するスプラッ
トの上部表面が完全に固化する前【こ該スプラット上に
到達させることによっておこなうことができる。小滴お
よびスプラットの溶融上部表面は両方とも非常に薄い酸
化物スキン層によって被覆されるが、両方の液体表面の
接触によって生ずる撹乱流が両方のスキン層、を破砕し
てフラグメントを分散させる。両方の液体が混合後に固
化し、非常に小さな酸化物フラグメントは連続的なスキ
ン層としては存在せず、不連続な分散フラグメントとし
て存在するので適度な延性と密着結合性を有する非層状
構造が得られる。

このような処理操作はｋｌに対して有用なだけでな（、
Ｍｎ、ＭＱおよびＷ（これらの酸化物スキン層はより容
易に分散されて比較的無害なものとなる）、並びに鉄や
炭素鋼（この場合には、不活性雰囲気よりも還元性雰囲
気が必要である）、さらに銅のような他のいずれの金属
に対しても利用することができる。この点については、
元の溶融金属中への酸化物の固体溶解度が関係する。こ
の溶解度が適度に大きけれは、分散された酸化物フィル
ムは表面張力の効果によってより容易に球状化（ｂａｉ
ｌｅｄ−ｕＰ）する。これに関してはＴ１が顕著である
（もつともその酸化物が多量に存在すると有害である）
。鉄酸化物のＦｅ中への固体溶解度は制限されるが、い
ずれの酸化物フィルムをも不連続な粒子として再凝集さ
せて比較的無害なものにするには十分である。

間頓点を解決するための手段 本発明によれば、溶融金属源を噴霧させ、噴霧された溶
融金属粒子をスプレーとして冷却サブストレート上に向
けて注ぎ、溶融金属粒子を該サブストレート上に散布し
てデポジットを形成させ５該デポジツトを所望により＋
ブヌトレートから取り外し、さらに所望、により熱間加
工処理に付すことを含む金属体（例えばストリップもし
くはシート）の製造方法において、デポジット表面の全
体もしくは大部分がプロセスを通じて溶融されるように
、例えばデポジット表面外観のモニタリングに対するレ
スポンディングもしくはプログラミングによって噴霧条
件を制御することを特徴とする金属体の製造方法が提供
される。

この目的は、先行するスプラットの少なくとも上部面が
溶融状態の間に平均的な各溶融粒子を確実に該スプラッ
ト上に到達させることである。

好ましくは、サブストレートの所望の領域のすべての点
において漸増キャスティング条件が維持されるように、
即ち、サブストレート上の先行する小滴の少なくとも上
部表面が溶融状態の間に平均的な小滴が該先行小滴上に
到達しかつ溶融金属の厚さが該溶融金属の粘度と表面張
力によって抑制可能な値を越えて増加しないようｌこス
プレーを注いで該所望領域にわたって有向流を走査させ
る。

これをおこなうブロク−ラムによって、金属小滴の各点
への到達速度を該点からの熱抽出速度に釣合せるように
維持し、すでに厚く被覆されて熱がゆっくりと失われる
場所にはより少量の金属を到達させ、未被覆状態で熱が
急速に失われる場所にはより多量の金属を到達させる。

このプログラムは閉ループもしくは発見的フィードバッ
クから生じさせ、制御手段を介して種々の方法によって
条件を変化させてもよく、例えば特定の点へ到達する次
のサイクルｔこおいて走査速度もしくは走査線あたりの
アドバンス（ａｄｖａｎｃｅ）を変化させてもよい。

好ましくは、小滴流を角度を成してサブストレートに衝
突させる。

好ましくはこのプログラムによって、所定のいずれの点
におけるデポジットの厚さを、デポジットの前縁から該
点までの距離の平方根に比例するように調整する。

本発明はまた、溶融金属源から有向小滴流を形成させ、
前記のプログラムによって該小滴流の方向を制御するこ
とによって金属をサブストレート」二に沈着させる方法
も提供する。

平均的な粒子の挙動は明確に規定することができるが、
噴霧溶融粒子の沈着はランダムプロセスであり、個々の
溶融粒子の正確な挙動は知得もしくは予測することはで
きない。従って、最善の注意をはらって制御しても、溶
融粒子のわずかな部分が偶然に、完全１こ固化したスプ
ラット上に達するかもしれない。さらに、噴霧自体がラ
ンダムプロセスであり、溶融スプレー中の少量の粒子は
先行スプラット上に到達するまでの間に固化するかもし
れない。本明細書では粒子もしくはスプラットの全体と
しての挙動、即ち、平均的な粒子もしくはスプラットの
挙動を取り扱う。−御所たな小滴が到達する瞬間のデポ
ジットの表面を溶融状態に保つためには、噴霧条件、例
えばサブストレートの冷却速度および（主要な）スピー
ド、・噴霧ガスの流量、圧力および温度、溶融金属供給
速度、噴霧走査速度および温度等の１またはそれ以上の
条件を制御しなければならない。これらの条件のうち、
サブストレートの冷却速度、噴霧ガスの温度および溶融
金属の温度は調節可能であるが、これらを使用してプロ
セス中の短時間の変動を容易に補正して制御することは
できない。

さらに、噴霧ガスの流量および圧力は通常は固定された
ノズルの寸法と関係している。本発明方法−によって制
御される好ましい噴霧条件は、ザブストレートのスピー
ド、走査速度、金属の流速およびガスの圧力であり、そ
の他の条件は通常はプロセス中は一定にする。サブスト
レートのスピードの増加、ガス圧の増加および金属の流
速の増加によって凝固がより迅速におこなわれ、デポジ
ット表面上の流体の深さは減少する（逆も同様である）
。

噴霧条件を制御する１つの好ましい態様においては、デ
ポジット表面の外観をモニターしてその溶融状態をチェ
ックし、これに応じて噴霧条件を制御する。デポジット
表面のモニタリングは沈着がおこなわれる表面の直接観
察によっておこなってもよく、視覚的に直接または色ガ
ラスもしくはいぶしガラスを通しておこなってもよい。

この観察はビデオを用いておこなってもよく、この場合
、一定時間にわたって（例えば１秒間）一度に画像凍結
（ｐｉｃｔｕｒｅ　ｆｒｅｅｚｅ）を得ることができる
利点がある。この観察は放射高温測定法、または予めセ
ットされた角度での表面の反射率測定法によっておこな
ってもよい。

視覚的な観察もしくはビデオを利用すれば、先行スプラ
ット表面の大部分が溶融状態にあるときは明確に認識さ
れ、これによれば常に５０％以上、一般的には８０％以
上が有意である。溶融表面の状態は光沢かなくて不動の
固化スプラット表面に比べて溶融スプラット表面が衝突
するガスや振動を う事実によって示される。肉眼による場合には、変化が
非常に早くおこるので全般的な効果しかみられないが、
これは全く示唆的である。ビデオを用いて短い間隔で画
像を「凍結さぜる」ことによって画像はより明瞭になり
、情況のより正確な評価をおこなうことができる。

噴霧沈着のランダムな性質のために、表面のある領域は
短時間に固化するかもしれないので、スプラットの全体
の表面を沈着プロセス中は溶融状態にするのが好ましい
。しかしながら、溶融スプラット層はあまり厚くならな
いようにすべきで、そうでなければ条件は常套の竹ステ
ィング条件に戻ってしまい、スプレー形成の利点、例え
ば小さな粒径や偏析の回避等が失なわれる。完全な溶融
層は典型的には１ａｍのような厚さにすべきではないが
、越えないのか好ましＧ＼正確な厚さは各々の場合の粘
度と表面張力に依存する。厚さが過度かどうかは次のこ
とを観察することによって識別することができる。即ち
、塊状リシル（ｒｉｐｐｌｅ）、もしくは１つのスプラ
ットよりもはるかに大きな面積をおおう流れが、表面上
にガスか吹きつけられる結果によって発生するかどうか
、もしくはサブストレートが水平状態以外の状態で噴霧
されているかどうか、または咀力下で溶融金属デポジッ
トが流れ出すかどうかを観察することによって識別でき
る。好ましくは、表面の外観のモニタリングによって過
度に厚い溶融層を識別して噴杯条件を制御する。

典型的な制御条件下では、サブストレートのスピード、
噴霧ガスの圧力およびノズルからの溶融金属の流速は、
被沈着表面の大部分もしくは全体か溶融層で被覆される
ようになるまで変化させる。

これらのパラメーターはさらに、溶融層が厚くなり過ぎ
ないように制御されるのが好ましい。

モニタリングには放射高温測定法が使用できる。

この場合、十分な放射率と吸収率の条件下において、モ
ニターされる表面温度は流体の平均の深さを示す。沈着
された表面の平均温度が同相線もしくはそれ以下の場合
には、流体の平均の深さは小さすぎる。沈着された表面
の平均温度が液相線以上の場合には、流体の平均深さは
大きすぎるようになりやすい。純粋な金属の場合、表面
の温度は融点にできるだけ近い温度に維持すべきである
。

このようにして噴霧条件は制御される。

ストリップもしくはシートを製造するには、スプレーを
走査させる。即ち典型的にはストリップの長さおよび移
動方向を横切ってス）　ＩＪツブの幅にわたってスプレ
ーを往復移動させる。この走査は、いずれかの特定の位
置における平向的な先行スプラットの上部面が固化する
前にスプレーが該位置へ復帰するのに十分速くおこなう
べきである（一般的には、１０トラバ一ス／秒以下にな
らないようにする）。このようにしなければ、得られる
構造体は、スブレーキャスト帯（先行する溶融スプラッ
ト表面）とスプレー沈着金属（固化した先行スプラット
表面）とが交互薄層を成した層状構造となり、これは不
均質性をもたらすので望ましくない。走査速度を十分に
速くすることによって、視覚的観察法または放射高温測
定法は有効なモニターとなり、プロセスの必要な制御を
可能にする。しかしながら５走査方法の代りに別の制御
方式、即ち既述のように、いずれかの所定点での漸増的
キャスティングを確実におこなうプログラミング方式を
利用してもよい。

プロセスを工業的な規模で操作する場合には、デポジッ
トは沈着鎖酸に到達後は非常に早く同相線以下の温度で
常に完全に固体となる。これによって製品をインライン
（ｉｎ　１ｉｎｅ）で熱間圧延することか可能となり、
この場合、デポジットが固相線より一■二のときの塑性
変形によって引き起こされるような「高温割れ」または
「高温脆性」の危険は全くない。

以下、添付図に基つき、本発明を実施例によって説明す
る。

実　施　例 第１図は噴霧沈着されるスラブを模式的に示すものであ
る（明瞭にするために一部拡大して示す）、スプレーヘ
ッド（１）からは冷却サブストレート（２）に向げて注
かれる狭い円錐状の溶融金属スプレーが噴霧される。ザ
ブストレート上に形成された金属コーティングは熱間圧
延されるか、またはサブさ ストレートから剥剛％る。スプレーヘッド（１）からは
厚い金属スラブ（例えば厚さ５σ）が沈着される。スプ
レーヘッドはＺ軸に対して平行に前後に移動する。サブ
ストレートはｘ−ｙ面内に位置し、Ｘ方向へ比較的ゆっ
くりと移動する。スプレーはＸ方向に対して４５°の角
度でｘ−ｙ面へ向けられる。

沈着層エツジのプロフィール（３）は理論的には放物線
の形状にてきるだけ近つけるようにすべきである。この
ことは、スプレーを完全にＸ方向に噴霧すると不可能で
あるので、図示されるように、実際のプロフィールは放
物線から外れるが、スプレーは実質上Ｘ成分と共に噴霧
される。

放物線形状が合理的であることは直観的に認められる。

何故ならば、前縁においては、溶融小滴がサブストレー
トの最も冷い表面に衝突し、急激にかなりの厚さになら
ない限り、漸進的固化よりも早く凝固し、一方、沈着ヒ
ルの上部面により近接したところでは、熱はより遅く奪
われ、はんのわずかの厚さのみが漸進的固化として許容
される溶融厚さを越える前に加わるだけだからである。

沈着ゾーンは、平方根側による近似計算（即ち、放物線
形状）がプログラムされる限り、拡張させてより厚いデ
ポジットを形成させることができるが、沈着速度が小さ
くなって実用的ではなくなる。

しかしながら、ガスの対流と放射による熱移動はデポジ
ットの厚さの実用的な］１限を越える。低融点金属の場
合、放射による熱損失は屯・要でないが、ガス対流は厚
さがより大きくなると支配的になる。

実際の漸進的同化条件は、沈着速度か理想的な値からか
なりはずれたとしても、デポジットの厚さに実質ト比例
して維持することかでき、流速プロフィールと流体１の
厚さは実用上許容される。

制御はスプレーヘッド（１）とサブストレート（２）と
の間の距離を変化させることによっておこなうことがで
きる。スプレーヘッド（１）からのスプレーの立体角も
変化させることができる。１回のパスにおける厚さは走
査速度およびサブストレート（１）の移動速度によって
も制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を例示的に説明する噴霧沈着される
スラブの模式的な斜視図である。 （１）はスプレーヘッド、（２）はサブストレート、（
３）は沈着層エツジのプロフィールを示す。 特訂出願人　ナショナル・リサーチ・ディベロップメン
ト・コーポレイション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶融金属源を噴霧させ、噴霧された溶融金属粒子を
   スプレーとして冷却サブストレート上に向けて注ぎ、溶
   融金属粒子を該サブストレート上に沈着させてデポジッ
   トを形成させることを含む金属体の製造方法において、
   デポジット表面の全体もしくは大部分がプロセスを通じ
   て溶融されるように噴霧条件を制御することを特徴とす
   る金属体の製造方法。 ２、製造される金属体がストリップシートである第１項
   記載の方法。 ３、　デポジットを次いでサブストレートから取り外す
   第１項または第２項記載の方法。 ４、デポジットを熱間加工する第１項から第３項いずれ
   かに記載の方法。 ５、有向流をサブストレートの所望の領域にわたって走
   査するプログラムによって、該領域のすべての点におい
   て、サブストレート上の先行する小滴上に平均的な小滴
   が到達し、該小滴の少な（とも上部表面が溶融状態にあ
   り、溶融金属の厚さが該溶融金属の粘度と表面張力によ
   って抑制可能な値を越えて増加しないように噴霧条件を
   制御する第１項から第４項いずれかに記載の方法。 ６、デポジットの所定点での厚さをプログラムによって
   デポジットの前縁から該所定点までの距離の平方根にほ
   ぼ比例するような値に維持する第５項記載の方法。 ７、小滴流を、デポジットの前縁を含まない平・面内で
   測定する角度でサブストレートに衝突させる第５項また
   は第６項記載の方法。 ８、デポジットの表面外観をモニターし、該モニタリン
   グに応答して噴霧条件を制御することによってデポジッ
   ト表面の全体もしくは大部分がプロセスを通じて溶融さ
   れるようにする第１項から第４項いずれかに記載の方法
   。 ９、サブストレートの所定の領域のすべての点において
   、サブストレート上の先行する小滴上に平向的な小滴が
   到達し、該小滴の少なくとも上部表面が溶融状態にあり
   、溶融金属の厚さが該溶融金属の粘度と表面張力によっ
   て抑制可能な値を越えて増加しないように、該所定領域
   にわたって有向流を走査させる第８項記載の方法。