JPS60245733A - 一方向凝固組織を有する金属条の製造法 - 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】 本発明は一方向凝固組織からなる線、棒、板の如き任意
の断面形状を有する金属条の製造法忙関する。より詳し
くは、鋳造または塑性加工によってあらかじめ成形され
た線、棒、板の如く、径や厚さに比して長さの大なこと
を特徴とする金属の条材を、溶解帯を有する加熱型を通
過せしめることによって、一方向凝固組織からなる金属
条を連続的に製造する方法に関するものである。

最近電子工業の急速な発展に伴い、使用される機器が小
型化精密化の一途をたどるようになり、それにつれて用
いられる金属材料もより薄く、より細くなり、品質に対
しても過酷な要求がなされろようになった。すなわち、
内部に巣や気泡のないもの、不純物の集積しやすい結晶
粒界のない一方向凝固組織を有する素材からつくられた
より細い線やより薄い板や箔が要求されるようになりな
一般に金属条に、圧延または引抜きの如き冷間加工をあ
たえるときは、加工硬化を起こし、やがて、凝固時に形
成されたいわゆる一次の結晶粒界から破壊しやすいこと
が知られている。したがって、極細線や極薄肉の板や箔
の素材としての金属条の組織はこのような加工による亀
裂発生の起源となりやすい一次の結晶粒界のないもので
あることがきわめて望筐しい。

本発明は、金属条を単に溶解帯を有する加熱型内を通過
させるという、きわめて単純な処理によつて、その内部
組織を圧延や引抜き加工のしやすい一方向凝固組織にか
え、しかも、鋳塊の鋳造時に形成され、履歴として金属
条中にもたらされた、巣や気泡の如き内部欠陥を除くこ
とのできろ方法を提供するものである。

従来、一方向凝固組織鋳塊の得られる方法としては金属
の純度を高める方法として開発された、帯溶融法が存在
した。すなわち、水平の溝形断面を有する細長い耐火物
製のボートと呼ばれる容器の中に金属の棒状鋳塊を入れ
、ボートの外から、抵抗発熱体、ガスバーナーによる加
熱、または高周波コイルを用いた誘導加熱などによって
、鋳塊を局部的に溶解し、溶解帯を形成せしめ、この溶
解帯を一方向に移動せしめる方法である。この方法を用
いることによって、鋳塊は純度を高めるとともに、一方
向凝固組織鋳塊をうろことが出来る。

しかしこの方法では、得られる鋳塊の長さは容器による
制限をうけ、一方向凝固組織を有する任意の断面形状を
有する長尺の鋳塊を連続的に製造することは出来ない。

１だ、鋳造磁石の如く一方向凝固組織からなる棒状鋳塊
をうるためには、しばしば金属棒を垂直におき、これに
直接接触することのない抵抗発熱体を有する帯溶融炉、
捷たは高周波コイルによる誘導加熱によって、金属棒を
局部的に溶解し、溶解帯を形成せしめ、この溶解帯を上
方捷たは下方に移動せしめる方法が行われてきた。しか
ｌ〜この方法によっては、成形のための型が存在せず、
溶解帯の表面は溶融金属の表面張力によって、形状を維
持するもので、凝固後の金属表面は不規則な凹凸状を呈
し、元の金属棒の平滑な表面形状を到底維持することは
できないために、得られた金属棒をさらに製品にするに
は表面の研削加工が必要であった。

本発明は、このような従来の帯溶融法とをま１つたく異
なり、溶解帯を有する加熱型を用い、金属条を加熱型の
内壁面に接触せしめつつ単にその中を通過せしめること
によって、表面形状を何ら変化させることなく、内部組
織のみを加工性や磁気特性のよい一方向凝固組織に変化
せしめることのできる方法を提供するものである。

すなわち、溶解帯を有する加熱型の一端から金属条を連
続曲尾供給し、加熱型の溶解帯から出口に向かう内壁面
で結晶の新らたな核生成が起こらないように、型内壁面
をそれに接する金属条の温度以上に加熱した加熱型内で
凝固せしめ、出口端から引き出すときは容易に一方向凝
固組織からなる金属条を連続的にうろことができる。な
お、ここＫいう加熱型の出口端とは、型の外端部にかぎ
らず、加熱型の内壁面と凝固してできた金属条が離れる
場所をも含むものである。

このさい溶解帯から加熱型出口に至る型の内壁と新らた
に凝固した金属条との摩擦がないことが望寸しい。

型内壁との摩擦による引っ掻ききすを才ったく生じさせ
ない方法は、型出口の内壁面を条金属の凝固温度以上に
保持し、条表面に薄い金属の液膜な形成せしめ、この液
膜が型の出口直外で凝固するように型の加熱を行う方法
である。この方法によるときは、一方向凝固組織からな
る鏡面の条を容易にうろことができる。

捷だ、溶解帯を型出口に存在せしめ、型の出口内壁が条
金属の凝固温度直上になるように加熱型を加熱保持しつ
つ、金属条を加熱型の出口の外で強制冷却することＫよ
って、金属条の凝固先端の形状を凸状にすることができ
る。すなわち、加熱型出口端、すなわち金属条表面が型
内壁から離れる位置においては、条金属の凝固温度直上
に加熱された加熱型内の内壁面上で溶融金属は凝固でき
ず中心部が優先的に凝固するため、不純物やガスは、条
の中心に捕捉されることなく、また凝固した金属条はき
わめて薄い金属の液膜で覆われた捷ま、加熱型の直外で
凝固を完了するために加熱型の出口内壁面とはまったく
摩擦することなく、表面の平滑美麗な金属条を連続的に
製造することがきわめて容易にできる。

本発明は鋳造や塑性加工などによってあらかじめ成形さ
れた一定の方向性を有しない多結晶体からなる金属条を
、用い、単に溶解帯を有する加熱型を通過せしめるのみ
で、一方向凝固組織からなる条を連続曲尾製造する方法
を提供するものである。

つぎに本発明の方法を第１図を用いて説明する。

第１図は、未処理の金属条を加熱型を通過せしめること
によって一方向凝固組織を有する金属条を連続的にうる
ための装置の縦断面正面図の例である。

第１図において■は黒鉛捷たは耐火物からなる加熱型で
、その外周には電気抵抗発熱体または高周波誘導コイル
■を有している。■は断熱材である。■は未処理の単一
、または長さ方向に連結された複数の金属の条で図に示
す如くその組織は無秩序にならんだ多数の結晶からなる
。■及び■は金属条移動用のビンチロール、■は黒鉛ま
たは耐火物からなる振動防止用のガイド型、■は金属条
冷却用の冷却材スプレーで水、霧、空気、またはガスの
如き冷却材が噴出できるようになっている。

■及び［相］は加熱型の温度測定用の熱電対である。

１ず、ビンチロール■の間隔を金属条■の膨張を阻止し
ないように調整し、加熱型■の外周の発熱体■に電流を
送り、加熱型内の未処理の金属条を加熱し、第２図■の
如き金属の溶解帯を形成せしめたのち■■のビンチロー
ルを金属条■に接触回転せしめ、金属条を矢印方向に移
動せしめる。

加熱型出口内壁の温度を条を構成する金属の凝固温度直
上になるように加熱すると、加熱型■の中で溶解した金
属は出口において凝固し新しく一方向凝固組織からなる
金属条＠となって、矢印で示す方向に引き出されろ。加
熱型出口内壁が条を構成する金属の凝固温度直上に加熱
保持されるために、新らたに凝固によって形成される金
属条の表層の凝固は遅れ、条の断面が小さいときは凝固
先端は加熱型の中に向かって凸状になり、金属条の中心
への溶質の偏析やガスの捕捉を防ぐことができろ。そし
て金属条を、その表層が液膜０で被覆されたｉｔの状態
で加熱型から出し、加熱型の直外で凝固させることによ
って、表面が平滑できわめて美麗な一方向凝固組織から
なる金属条をうろことができる。

本発明の方法は加熱型を水平に設は金属条を水平方向に
移動せしめることはもちろん、加熱型を垂直き゛たは任
意の角度に傾斜させ、その中を金属条を通過せしめるこ
とができる。特に溶解帯内で溶質カー比重差によって上
方または下方に偏析しやすい合金にあっては、加熱型を
垂直にセットし、金属条を上方または下方に通過せしめ
偏析の少ない金属条をうろことができる。

本発明の方法によって、金属条を溶解帯を有し、しかも
溶解帯から加熱型出口に至る内壁の温度をそれに接する
金属条の温度以上に保持した加熱型を通過せしめると、
加熱型内壁上で新らたな結晶の核生成が完全に阻止され
るために、新らたに凝固によって形成されろ金属条を構
成する結晶の数しま金属条の引出しにつれ、結晶の成長
競争によって減少し、ついには単結晶になる傾向を有す
る。

したがって本発明は単に一方向凝固組織を有する金属条
を得るに適した方法を提供するのみでなく、単結晶から
なる金属条を容易に製造することのできろ方法を提供す
るものである。

特定の結晶方位を有する単結晶の金属条を得たいときは
、第３図に示す如く、未処理金属条と先端に単結晶の種
結晶■をとりつけた金属条ダミー［相］を加熱型の出口
で接触せしめたのちに型を加熱し未処理の金属条の溶解
凝固を開始し、金属条を矢印の示す右方向に移動せしめ
ることによって特定の結晶方位を有する単結晶の金属条
を容易に連続的に製造することができる。

本発明の実施に当っては、加熱型の内壁面と金属条との
間隙から溶湯が型外に流出すことを防ぐためには、金属
条は加熱型内壁面に密着するように型内を通過させれば
よい。

本発明の方法を実施するために用いる加熱型の材料は、
錫や、鉛合金の如き低融点の金属の条に対しては、黒鉛
、またはステンレス鋼の如き耐熱金属で、溶湯と反応し
ない材料を選択して使用できる。１だアルミニウム、銅
、鉄合金の如き融点の高い金属条のためには、シリコン
カーバイド、シリコンナイトライド、ボロンナイトライ
ド、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、の如き耐火物
のなかから、金属条を構成する金属の溶融酸化物と反応
しない耐火物を選んで使用すればよい。

また融点の高い金属の条の製造のためには、金属条の溶
解にさいしての酸化を防止するために必要に応じて加熱
型をアルゴンまたは窒素の如き不活性ガスまたは水素、
−酸化炭素の如き還元性ガスの雰囲気で保護すればよい
。

さらに１だ加熱型に供給される金属条の表面に酸化膜が
存在すると、加熱型の溶解帯において加熱型内壁を侵食
するおそれがあるので、必要に応じて加熱型に入る直前
に、加熱型直外において、還元ガス釦よって還元するか
、研削ダイスで表面酸化膜を除去するようにすればよい
。

１だ、特に酸化されやすい金属の条にあっては加熱型の
熱によって金属条があらかじめ型外で酸化しないように
、加熱型の供給側において、金属条を酸化されない温度
に常にあるように冷却しておくか、不活性ガスまたは還
元性ガス雰囲気内にあるようにしてもよい。

加熱型の加熱のためには、錫、亜鉛、鉛の如き低融点金
属やアルミニウムの条に対してしまニクロム線、シリコ
ンカーバイドの如き抵抗発熱体を用いることができるが
融点の高い金属のためには、タンタル、タングステン、
モリブデン、白金、シリコンカーバイドの如き抵抗発熱
体を使用することができる。寸だ加熱手段としては高周
波誘導加熱コイルを用いることもできる。

本発明の方法によって加熱型を通過する金属条は、未処
理の金属条と１つたく同一断面形状で組織のみの異なる
金属条をうろことができるが、また溶解帯を型の出口近
くに位置せしめ出口端の断面形状を未処理の金属条のそ
れと異なる形状にし、加熱型に入る金属条と型から出る
金属条の体積が常に同一になるように金属条の加熱型の
入口側と出口側での移動速度を設定することによって、
任意の断面形状を有する金属条を連続的にうろことがで
きる。

１だ、本発明の方法によって、得られる一方向凝固組織
からなる金属条の凝固先端は、型の内壁温度を金属の凝
固温度以上に保つことによって、型の内壁に沿う凝固が
阻止される結果、凸状を呈し、加熱型に供給される未処
理の金属条の内部に存在した、微細な巣、ガス泡、マク
ロ的な溶質偏析のない高品質の金属条をうろことができ
る。

本発明は、磁性材料の如く一方向凝固組織を必要とする
材料の製造法として、画期的と考えられる。すなわち、
まず、従来法で鋳塊をつくり、塑性加工によって、条を
つ（す、それを、単に溶解帯を有する型内を通過させる
のみで、結晶組織を改良することができるのみならず、
金属の極線線や極薄肉の箔の製造のための素材としての
金属条の前処理法としてきわめて効果的なすぐれた方法
□ である。すなわち、従来、このような線や箔をっくるに
は、１ず鋳塊をつくり、それに多くの焼きな寸し処理と
塑性加工を繰り返しあたえて大きなエネルギー消費と複
雑な工程を経てつくられた。

しかしながら、鋳塊から得た条をまず、本発明によって
、一方向凝固組織からなる、加工性のすぐれた組織に変
えろことによって、熱処理工程を太幅に省略することが
できる。本発明者は本発明の方法で得た厚さ６朋巾１．
０ｍｍの錫の条を途中の熱処理なしに８μｍの厚さ玄で
加工することが可能であった。また、径２Ｑｒｔｔｍの
Ａｌ−１％Ｓｉ合金の条を用い３０μｍの細線まで熱処
理なしに加工することができた。

つぎに本発明による実施例について述べる。

実施例　１゜ 本実施例は、水平式中空加熱型を用い、９９．９％Ｓｎ
の直径５　ｆｆｆｆの一方向凝固組織からなる円形断面
の錫の棒状の条を本発明にもとすき製造した場合につい
て示したものである。

加熱型には、内径６　ｙｎｙｔｔ外径１２問長さ１００
間の黒鉛管を用い、その外周にニッケルクローム線コイ
ルを設け、加熱用の発熱体とした。加熱型の出口端近傍
、および溶解帯にそれぞれアルメルクロメル熱電対を設
置して、加熱型内壁近傍の温度を測定した。

まず、中空加熱型にあらかじめ塑性加工によって得た多
結晶体の直径６間の錫の条をピンチロールを用いて貫通
させ、加熱型出口から２０間の位置にある冷却スプレー
によって錫条表面に水を毎分１０　Ｑ　ｃｃの割合で吹
きつけつつ、加熱型を加熱し加熱型出口端近傍が２４０
°Ｃ溶解帯内壁近傍が２６０°Ｃになるように、加熱の
ための電流をコントロールしつつ、ピンチロールを回転
させ、錫条を毎分１００間の速度で加熱型内を通過移動
せしめた。その結果、一方向凝固組織からなり、しかも
外形は加熱型通過前と同じで表面だけが鏡面に変わった
きわめて美しい錫条な連続的にうろことができた。

そして、未処理の条には多数の方向性を有しない結晶が
みとめられたが、さらに５００ｍπの位置では単結晶の
みの組織を有する条になった。

実施例　２ 本実施は、垂直下向き式中空加熱型を用い、Ｐｂ−５％
Ｓｎ合金の直径６龍の一方向凝固組織からなる円形断面
の棒状の条を本発明にもとすき製造した場合について示
したものである。

加熱型には、内径６問外径１２間長さｒｏｏｍｍの黒鉛
管を用い、その外周にニッケルクローム線コイルを設け
、加熱用の発熱体とした。加熱型の出口端近傍、および
溶解帯にそれぞれアルメルクロメル熱電対を設置して、
加熱型内壁近傍の温度を測定した。

１ず、中空加熱型にあらかじめ塑性加工によって得た多
結晶体の直径５　ｍｍのＰｂ−５％Ｓｎ合金の条をピン
チロールを用いて貫通させ、加熱型出口から下へ約２０
　ｙｔｒｍの位置にある冷却スプレーによって条表面に
水を毎分１００ＣＣの割合で吹きつけつつ、加熱型を加
熱し加熱型出口端近傍が３２０°Ｃ溶解帯内壁近傍が３
５０°Ｃになるように、加熱のための電流をコントロー
ルしつつ、ピンチロールを回転させ、Ｐ　ｌ）　−５％
Ｓｎ合金の条を毎分工ｏ　ｏ　ｍｙの速度で加熱型内を
下方に向かって通過移動せしめた。その結果、一方向凝
固組織からなり、しかも外形は加熱型通過前と同じで表
面だけが鏡面に変わったきわめて美しいｐｂ−５％Ｓｎ
合金条を連続的にうろことができた。

そして、未処理の条には多数の方向性を有しない結晶が
みとめられたが、凝固開始端から２００朋の位置でしま
引出方向尾伸びた８個の結晶になり、さらに７００Ｍの
位置では単結晶のみの組織を有する条となった。

実施例　３゜ 本実施例は、水平式中空加熱型を用い、９９，９％７．
ｎの厚さ４闘巾２０闘の一方向凝固組織からなる板状の
条を本発明にもとすき製造した場合について示したもの
である。

加熱型には、内側寸法、高さ４間中２０間長さ１００　
ｍｍ、の中空部を有する肉厚３朋の黒鉛中空型を用い、
その外周にニッケルクローム線コイルを設け、加熱用の
発熱体とした。加熱型の出口端近傍、および溶解帯にそ
れぞれアルメルクロメル熱電対を設置して、加熱型内壁
近傍の温度を測定した。

寸ず、中空加熱型にあらかじぬ塑性加工によって得た多
結晶体の厚さ４間中２Ｑｙｍの亜鉛の条をピンチロール
を用いて貫通させ、加熱型出口から４０間の位置にある
冷却スプレーによって亜鉛条表面に水を毎分６０ＣＣの
割合で吹きつけつつ、加熱型を加熱し加熱型出口端近傍
が４２５°Ｃ溶解帯内壁近傍が４５０″Ｃになるように
、加熱のための電流をコントロールしつつ、ピンチロー
ルを回転させ、亜鉛条を毎分１００朋の速度で加熱型内
を通過移動せしめた。その結果、一方向凝固組織からな
り、しかも外形は加熱型通過前と同じで表面だけが鏡面
に変わったきわめて美“しい亜鉛の板状の条を連続的に
うろことができた。

そして、未処理の条【は多数の方向性を有しない結晶が
みとめられたが、凝固開始端から２００闘の位置では引
出方向に伸びた１５個の結晶になり、さらに１０００　
ｍｔｔｔの位置では単結晶のみの組織を一有する条とな
った。

実施例　４ 本実施例は、水平式中空加熱型を用い、直径８間の一方
向凝固組織からなる円形断面のＡβ−］１％Ｓｎ金の棒
状の条を本発明にもとすき製造した場合について示した
ものである。

加熱型忙ば、内径８問外径１２ｍｍ長さ２００朋のシリ
コンカーバイド管を用い、その外周にニッケルクローム
線コイルを設け、加熱用の発熱体とした。加熱型の出口
端近傍、および溶解帯にそれぞれアルメルクロメル熱電
対を設置して、加熱型内壁近傍の温度を測定した。

１ず、中空加熱型にあらかじめ塑性加工によって得た多
結晶体の直径８囮のＡｌ−１％Ｓｉ合金の条をピンチロ
ールを用いて貫通させ、加熱型出口から４０朋の位置に
ある冷却スプレーによってＡｌ−１％Ｓ１合金条表面に
水を毎分５００　ＣＣの割合で吹きつけつつ、加熱型を
加熱し加熱型出口つ、ピンチロールを回転させ、Ａｌ−
１％Ｓｉ合金の条を毎分１００朋の速度で加熱型内を通
過せしめた。その結果、一方向凝固組織からなり、しか
も外形は加熱型通過前と同じで表面だけが鏡面に変わっ
たきわめて美しいＡｊ？−１％Ｓｉ合金条を連続的にう
ることができた。

そして、未処理の条には多数の方向性を有しない結晶が
みとめられたが、凝固開始端から３００πｍの位置では
引出方向に伸びた１５個の結晶になり、さらに１０００
　ｒｐｔｍの位置では単結晶のみの組織を有する条とな
った。

実施例　５゜ 本実施例は、水平式中空加熱型を用い、直径６朋の一方
向凝固組織からなる円形断面の銅の条を本発明にもとす
き製造した場合について示したものである。

加熱型には、内径６順外径１２麿長さ２００朋の黒鉛管
を用い、その外周にニッケルクローム線コイルを設け、
加熱用の発熱体とした。加熱型の出口端近値、および溶
解帯にそれぞれアルメルクロメル熱電対を設置して、加
熱型内壁近傍の温度を測定した。

捷ず、窒素ガスの雰囲気中で保護した中空加熱型にあら
かじめ塑性加工によって得た多結晶体の直径６　ｍｍの
銅の条をピンチロールを用いて貫通させ、加熱型出口か
ら５０ａｍの位置にある冷却スプレーによって銅条表面
に水を毎分１００　ＣＣの割合で吹きつけつつ、加熱型
を加熱し加熱型出口端近傍が１１００°Ｃ溶解帯内壁近
傍が１１８０°Ｃになるように、加熱のための電流をコ
ントロールシラつ、ピンチロールを回転させ、銅条を毎
分１００闘の速度で加熱型内を通過せしめた。その結果
、一方向凝固組織からなり、しかも外形は加熱型通過前
と同じで表面だけが鏡面に変わったきわめて美しい銅条
を連続的にうろことができた。

そして、未処理の条には多数の方向性を有しない結晶が
みとめられたが、凝固開始端から約１゜Ｑ　ｍｍの位置
では引出方向に伸びた１０個の結晶に１なり、さらに５
００朋の位置では単結晶のみの組織を有する条となった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は一方向凝固組織からなる金属条の製造に用いる
装置の縦断面正面図、第２図は同上装置におけろ本発明
の方法の実施の説明図（矢印は金属条の移動方向を示す
）。第３図は単結晶からなる金属条の製造法の概略説明
図である。 １、・・・加熱型　２・・・発熱体　３・・・断熱材４
、・・・未処理の金属条　５６川ピンチロール７、・・
・ガイド型　８・・・冷却スプレィ９．１０・・・熱電
対　１１・・・金属の溶解帯１２、・・・一方向凝固組
織からなる金属条　１３．・・・液膜１４、・・・単結
晶からなる種結晶　１５・・・金属条ダミー−＋Ｘｔｎ 自発手続補正書 昭和５９年ｉ月７日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、　事件の表示 昭和５９年特許願第１００６７４号 ２、発明の名称 ３　補正をする者 事件との関係　特許出願人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属の条を、溶解帯を有しかつ出口の内壁面の温
   度がその金属の凝固温度以上に保持された、加熱型を通
   過せしめることを特徴とする、一方向凝固組織からなる
   金属条の製造法
2. （２）金属の条を加熱型を通過せしめることによって、
   単結晶からなる条をうろことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の一方向凝固組織からなる金属条の製造法