JPS61212449A - 板厚が大きく機械的性質のすぐれた非晶質合金薄帯の製造方法 - 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〕 本発明は移動する冷却基板の表面で溶融状態にある金属
（合金）を急冷凝固する方法によってつくられる板厚が
大きく、かつ靭性のすぐれた非晶質合金薄帯の製造方法
に関するものである。

〔従来の技術〕

金属（合金）を溶融状態から急冷して連続的に薄帯をつ
くる方法として基本的なものに遠心急冷法、単ロール法
で代表される溶融紡糸法がある。

この方法は回転する金属製「ラムの内周面又は外周面に
溶融金属のジェットを噴出して急冷凝固させ、−気に金
属の薄帯や線をつくるものである。

この方法によれば冷却速度がきわめてはやいので、合金
組成を適正に選ぶならば液体金属に類似した構造をもつ
非晶質金属（合金）を得ることができる・ 非晶質金属（合金）は特異な性質によって実用的に注目
されている金属材料であるが、冷却速度に関する制約か
ら一般に薄い板厚の材料しか製造できない点が応用範囲
を制限していた。

一般に非晶質合金の限界板厚は合金組成に依存すること
が知られており、Ｈａｇｌｖａｒａらの報告（８ｅ１．
Ｒ＊ｐ、Ｒ＊ｓ、　Ｉｎｍｔ、Ｔｏｈｏｋｕ　Ｕｎｉｖ
、Ａ−２９（１９８１）ｐ３５１）によれば、片面冷却
法の一つである単ロール法を用いてＦ・−８ｌ−Ｂ　合
金を非晶質化する場合板厚は”７５”　１０Ｂ１５が２
５０μｍでもつとも厚く、この成分から遠ざかるに従い
板厚は小さくなることが示されている。

しかしながら、実用的な幅（２０■）以上を有する薄帯
についてはこのように大きな板厚は得られないことは経
験的に知られている。その理由の１つは薄帯の幅が広く
なるに従い、冷却速度が低下するためである。すなわち
板幅が大きくなるに従い、冷却基板の熱負荷は大きくな
シ、基板温度が上昇し、結果として冷却速度が低下する
。冷却速度の低下は当然の事ながら、同一合金組成に対
して非晶質状態で得られる板厚を小さくする。

Ｈａｇｉｗａｒａらの結果が大きな限界板厚を示した理
由は彼らの実験が冷却速度のはやい狭幅１７　、％−ン
（１■巾）で行われたためと思われる。

冷却条件の悪い幅広材料の板厚限界は、Ｈａｇｉｗａｒ
ａらの結果に比べてかなり小さく、２５＠１幅の場合４
５μｍ程度でありた。これよシ板厚を大きくする九めに
、製造条件を変えても良い材料は得られない、すなわち
、従来の片面冷却法において板厚を変える製造ノダラメ
ータはｌ）ノズル開口部の幅（基板移動方向の長さ）、
ｉｉ）溶湯噴出圧力、１ｉｉ）ノズルと冷却基板の間隔
、ｉｖ）冷却基板の移動速度の４つと考えられてきたが
、これらのパラメータを変えるだけでは４５μｍを越え
る板厚を得ることはできなかりた。ノ９ラメータの適正
範囲を越えて無理に厚い板厚をつくろうとすると、でき
た薄帯の形状や表面性状、特性（ｌａ性、機械的性質）
が劣化した。

このように幅広で板厚の大きな実用性の高い材料をつく
ることは技術的にきわめて困難な状況にあったが、最近
２５．４ｗ幅の薄帯において８０μｍ厚の薄帯の製造が
可能になったことが報告されている（　Ｊｏｕｒｎａｌ
　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙａｉｅｓ　ｖｏｌ、５
５ｓムロ（１９８４年）ｐ、１７８７）。それによると
、Ｆ・８０Ｂ１４．５Ｓｉ５．５Ｃ２合金において急冷
ままの薄帯の曲げ応力による破壊歪（εｆ）は板厚の増
加とともに低下し、４０μｍ厚以上では０．０１以下の
小さな値になることが示されている（第１図参照）。こ
こで破壊歪は通常６Ｅｆ＝　ｔ／　（２ｒ　−ｔ　）で
表わされる。ここでｔは薄帯の板厚、ｒは曲げ半径であ
る。

板厚６０μｍの場合破壊歪が０．０１以下であるという
ことは、材料を直径６ｍ以下のシリンダーに巻くことが
出来ないことを意味する。これは材料利用上の欠点とな
る。例えば巻き鉄心においてコーナ一部のｒに制約を与
えることになるほか、脆さが巻き加工中の材料破断の頻
度を多くする。

このような材料利用上の要求から板厚が厚いだけでなく
、機械的性質のよい非晶質材料の出現が望まれていた。

このような要求にある程度応える靭性のすぐれた厚手の
非晶質合金薄帯を製造する方法を本発明者らはすでに見
い出している。それは第２図に示すような複数個のスロ
ット状開口部３，３・・・をもつノズル２を用い、この
ノズルを通して合金の溶湯を移動する冷却基板上に流出
させ薄帯とするものである、従来用いられている単一ス
ロットのノズルでは板厚が５０μｍ以上で形状のよい薄
帯は得られなかった。その理由はたとえスロットの幅（
基板の移動方向に測った長さ）を広げてノ９ドル（ノズ
ルから流出した溶湯が基板上で形成する湯溜り）は不安
定となシ、即ち溶湯の供給と薄帯の形成のマスバランス
（物質収支）が平衡しないため、均一な形状および材質
の薄帯はつくれないからである。またノ９ドルが不安定
であると合金と基板との熱接触が低下して冷却速度が落
ち、作製された薄帯は結晶化したシ、脆くなったシした
。

上記多重スロットのノズルを用いてつくられる板厚の大
きな非晶質薄帯はそれ以外の方法でつくられたもの（前
記引用文献Ｊｏｎｒｎａｌ　ｏｆ　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈ
ｙｓｉｃｓ　ｖｏｌ、　５５　、４６　（１９８４年）
　Ｐ、　１７８７　）に比べて曲げ応力による破壊型ε
ｆが大きいすなわち靭性がすぐれていることが確認され
ている。

（第１図参照、・印） しかしながら上記の改良された従来方法によりてつくら
れた非晶質薄帯についても、用途によりては靭性、ある
いは延性が不充分であることが指摘されてきた。破壊型
εｆは一般に板厚の増加とともに減少するため板厚の大
きな材料で特に実用上の問題が多く生じた。改善された
従来法によってつくられた板厚８５μｍの”８０．５”
”６．５Ｂ１２ＣＩ（原子チ）のεｆは０．０１５〜０
．０２であシ、同等の組成（Ｆ・８０Ｂｌａ、５”３．
８Ｃ２）でほぼ同じ板厚８２μｍの上記引用文献に示さ
れる従来材のεｆＯ，００６に比べて３倍程度靭性がす
ぐれているが、数値そのものが小さく実用に際して問題
が解消したわけではなかった。

このような厚手非晶質合金に付随する脆い欠点を最小限
に抑え、靭性および延性のすぐれた厚手非晶質合金薄帯
の出現が待望されていた・〔発明が解決しようとする問
題点〕 本発明は、厚く、広幅で、かつ機械的性質のよい、特に
曲げ破壊型の大きい早Ｆ基非晶質合金薄帯の製造方法を
提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の方法でつくられる宇Ｆ蓄非晶質合金は、溶湯を
移動する冷却基板の上に噴出し、急冷してつくられるも
ので、板厚が少なくと４０μｍである。

本発明の方法によって作製された非晶質合金の破壊型の
大きさを材料の板厚に対して示したのが第１図である。

従来材および改良された従来材に比べて本発明の薄帯は
さらに破壊型が大きく、靭性が改善されていることが分
る。同等の組成をもつＦ・基合金に対して、同じ板厚で
６ｆの大きさを比較してみると、板厚７０μｍのとき、
従来材の０．００７、改良された従来材の０．０２〜０
．０３に対して本発明材は０．０４〜０．０６の高い値
を有する。これは従来材が１０ｍφ、改良された従来材
が２．７鱈φのシリンダーに巻き付けられるとき、しば
高い靭性を示すことを意味する。

本発明の靭性がすぐれた厚い非晶質合金薄帯は先に説明
したように第２図に示すような複数のスロット状開口部
をもつノズルを用い、それを通して合金の溶湯を移動す
る冷却基板上に流出させることによってつくられる。冷
却基板は熱伝導のよい材質でつくられたロール、シリン
ダーベルトなどが用いられる。多重ノズルを用いること
によって大きな・やドルが安定に保持され、しかも、上
流側で形成された凝固部が下流側に位置する開口部から
噴出される溶湯流の圧力によって再度基板に押し付けら
れるため、長い時間にわたり基板との高い熱接触状態が
実現される。このため移動方向に長く形成される・ｔド
ル（パドルは条件により、合体して一体になる場合と、
複数個に分れる場合があり得る）と高められた冷却速度
、したがりて大きな凝固速度によって、厚い非晶質薄帯
の製造が可能となる。

本発明方法により製造された厚手非晶質薄帯の高靭性は
前述の多重スロットノズルを用いる方法を採用するとと
もに、溶湯が凝固した後、とくに合金のガラス遷移温度
以下の冷却速度を高める手段によって達成される。温度
範囲は合金のガラス遷移温度から３００℃以下の温度ま
での冷却速度がとくに重要で、本発明の高靭性の厚手非
晶質薄帯はこの温度域を１０００℃／秒よシはやい平均
冷却速度で冷やすことによって得られる。ここで冷却速
度は薄帯の自由面（冷却基板に接触する面と反対の面、
すなわち雰囲気側の面）の冷却速度をいう。冷却速度を
求めるために、必要な鋳造中の薄帯の温度は例えば特開
昭５９−６４１４４号公報に開示される接触式の温度計
によって測定できる。

靭性を高めるために冷却速度を制御すべき温度域の上限
はガラス遷移温度とすべきであるが、これは合金によっ
て異なるだけでなく非晶質合金では正確な値を求めるこ
とが困難なことが多い。このため制御温度域の上限は５
００℃とした。

実際に冷却速度を制御するためには少なくとも鋳造中の
薄帯の自由面上、異なる２点で測温する必要がある。本
発明では温度の計測は例えば第３図のような方法で行う
。第３図は鋳造中の薄帯６がロールｌの表面に張シ付い
ている個所の温度を測る方法を示すもので、高温側のＡ
点と低温側のＢ点又は０点（薄帯の幅中央）に接触式温
度計４゜５の端子を接触させる。なお２はノズルである
。

Ａ点およびＢ点又は０点で計測された温度を外挿（又は
内挿）すれば他の位置の温度を概算できる。

したがって、５００℃から３００℃の間の平均冷却速度
を計算できる。

先に述べた５００℃から３００℃の間の平均冷却速度１
０００℃／秒は５０μｍ以上の板厚をもつ従来のＦ・基
非晶質合金の曲げ破壊蓋を大巾に向上させるための臨界
冷却速度である。

次に臨界冷却速度を越えるはやい冷却速度で薄帯を冷却
するための具体的手段について説明する。

５００℃から３００′Ｃまでの冷却速度に影響を及ぼす
因子は板厚が一定の場合、溶湯温度、ロール周速、ロー
ル温度および薄帯と熱伝達媒体との熱的接触状態などが
考えられるが、本発明者らはこのうち薄帯の熱的接触状
態が最も支配的であることを実験的に見出した。単ロー
ル法で非晶質金属。

の薄帯を作製する場合、溶湯の湯溜シからロールにより
【引き出された薄帯は、引き出された後も短時間ロール
と熱的に接触した状態にある。例えば、直径６００　ｙ
ｍ　、幅７０−の調合金製の単ロールを用いて、２５１
幅の非晶質合金薄帯をつくるとき、薄帯の板厚が８０μ
ｍ以下ならば、ロールと接触状態にある薄帯Ｏ冷却速度
は１０００℃／秒以上でありた０通常の製造条件の範囲
で、溶湯温度、ロール周速、ロール温度を変えても冷却
速度は大幅に変わらなかった。しかし、薄帯がロールを
離れ、大気中に放たれると冷却速度は一気に１０２程度
も低下した。

したがって、５００〜３００℃の間の冷却速度を１００
０℃／秒以上に高める方策とし【は薄帯がその自由面温
度が少なくとも３００℃に低下するまでロールとよい熱
的接触状態を保持することが一つの方法である。板厚が
４０１１ｍ以下の薄い薄帯の場合、ガス圧力やナイフェ
ツジあるいは巻き取シなどＫよりて強制的に剥離しない
限シ、薄帯はロールに張り付いているので、剥離位置を
適切に定めるだけでよいが、板厚が厚くなるほど剥離は
早くなるので、薄帯をロールに押し付ける手段を講する
必要がでてくる。このために薄帯自由面にガスの吹き付
け、押し付はロールによる押し付けなど公知の方法が採
用できる。またロール径を大きくすることも、接触時間
を長くするために有効である。

薄帯とロールの接触時間を長くする方法は約８０１１ｍ
厚以下の薄帯に有効でありたが、それを越えると、冷却
速度は不充分となり、しばしば１０００℃／秒を下回る
ことがめる。このような場合、さらに補助冷却手段を講
じる必要がある。

補助冷却手段としては第４図に示すような補助冷却ロー
ル７．７・・・やベルト、ドライアイス、水などを薄帯
の自由面に接触させて薄帯を両面から冷却する方法、お
よび／又は剥離後直ちに２次冷却を行なう方法がある。

なお８は巻取装置、９は巻取位置における薄帯の温度を
測定する接触式温度計である。

本発明の方法が適用できる合金の成分はＦ・。

Ｃｏ　＃　Ｎｊなどの遷移金属に加えてＢ、ＳＩ、Ｃ。

Ｐなどの半金属の１種又は２程以上から成る、いわゆる
金属千生金属系の合金である。Ｆ・、Ｃｏ。

Ｎｉの一部をＭｏ　ｇ　Ｃｒ　＊　Ｎｂ　＠　Ｔａ　＃
　’ｒｔ　＠　Ａｔ＊Ｃｕ　、　Ｚｒ　、　ａｎ　、　
Ｍｎ　　などで置換した合金にも本発明の方法を適用で
きる。金属と半金属の比率は原子数比で通常（７０〜９
０）：　（３０〜１０）の範囲にある。

〔実施例〕

次に実施例をあげて説明する。

実施例Ｉ Ｃｕ合金製のロールの外周面で合金の溶湯を急冷し、ア
モルファスの薄帯をつくる方法において薄帯のロールか
らの剥離位置が薄帯の機械的性質におよぼす影響を調べ
る実験を行なった。

用いたロールは直径が６００ｍ、幅７０■で溶湯を噴出
するノズルは第２図（ｂ）のタイプの３重スロットノズ
ル（幅ｄＯ０４■、長さＬ　２５１１１　＃間隔ａ　ｌ
　ｔｍ　）であった。化学組成がＦ・８０．５別６．５
”　１２Ｃ１（ａｉ％）の合金を第１表に示す２つの条
件で鋳造し、それぞれについて異なる位置（第３図のＢ
点；０点）で薄帯をロールから剥離した。鋳造中、薄帯
の冷却速度を算出するために、Ａ点（ノズルよ＃）１０
ａｎ）および剥離直前のＢ点（ノズルよシ２３　ｃｍ　
）又は０点（同９２ａｎ）において薄帯自由面の温度を
計測した。

各点における温度、それよシ計算されるＡ−Ｂ間又はＡ
−０間の平均冷却速度、さらに５００〜３００℃間の平
均冷却速度の概算値を薄帯の板厚、曲げ破壊歪（ｅｆ）
とともに第１表に示した。

薄帯とロールの接触時間を長くとシ、剥離時の自由面温
度を３００℃以下；５００〜３００℃間の平均冷却速度
を１０００℃／　８６６以上の条件で冷却された本発明
の方法でつくられたアモルファス薄帯は、剥離温度の高
い比較例に比べて、同一板厚に対する曲げ破壊歪（ｅｆ
　）が大きく、すぐれた機械的性質を有することが分る
。

以下余白 実施例２ 第４図に示す補助冷却手段を講じた単ロール装置によっ
てアそルファス薄帯を作製し、その効果を調べる実験を
行なった。ただし補助冷却用の付属装置を除き主要部は
実施例１に用い九ものと同一であシ、薄帯の自由面の温
度の測定はＡ、Ｂ。

Ｄの各点で行った。また溶湯を噴出するノズルは第２図
（９のタイプの４重スロットノズルで（ｄＯ，４ｍｍ、
　２２５ｍ、ａ　１ｍ）、鋳造条件は噴出圧０．２ゆ／
傭２．ロール回転数４０Ｏｒｐｍであった。

合金”８０．５”　６．５Ｂ１２Ｃ１に対してつくられ
た薄帯の板厚破壊歪；鋳造中の各部の温度、冷却速度な
どは第２表に示した。

補助冷却手段によって薄帯とロールの熱的接触を高める
本発明方法によって作製された厚手薄帯は比軟例（補助
冷却なし）Ｋ比べて、曲げ破壊歪が大きくすぐれた機械
的性質を有することが分る。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明方法を適用することによシ機
械的性質のすぐれた厚いアモルファス合金が得られるよ
うになった結果、例えば鉄心材料として鉄心成形加工時
の材料の破断や割れが少なくなシ、材料歩留シや作業能
率が向上したほか、アモルファス材料の小型構造部材と
しての適用を可能にした。

【図面の簡単な説明】

第４図は本発明の厚手アモルファス合金の曲げ破壊歪を
従来材と比較する図、 第２図（ａ）（ｂＸｃ）は本発明の厚手アモルファス合
金をつくるために用いられるノズルの例を示す下面図、 Ｍ３図（、）（ｂ）は単ロール法において薄帯の剥離位
置、薄帯温度計測位置を説明する図、 第４図は補助冷却機構を付与した単ロール装置の構造お
よび薄帯温度計測位置を説明する図である。 ｌ：ロール、２：ノズル、３ニスロット状開口部、４，
５：接触式温度計、６：薄帯、７：補助冷却ロール、８
：巻取装置、９：接触式温度計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、板厚が４０μｍ以上の厚手非晶質合金薄帯を急冷凝
   固法によってつくる際に、凝固後の薄帯が、室温まで冷
   却される過程の途中、５００℃から３００℃の温度区間
   を薄帯の自由面の冷却速度が少なくとも１０００℃／秒
   で冷却されることを特徴とする板厚が大きく靭性のすぐ
   れた非晶質合金薄帯の製造方法。 ２、板厚が４０μｍ以上の厚手非晶質合金薄帯を急冷凝
   固法によってつくる際に、凝固後の薄帯が冷却基板から
   剥離する時点の温度を３００℃以下とすることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の板厚が大きく靭性のす
   ぐれた非晶質合金薄帯の製造方法。 ３、凝固後の薄帯の自由面温度を計測・監視・制御しな
   がら鋳造することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の板厚が大きく靭性のすぐれた非晶質合金薄帯の製造
   方法。 ４、薄帯の温度を計測する手段が接触式温度計によるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の板厚が大き
   く靭性のすぐれた非晶質合金薄帯の製造方法。