KR102070271B1 - 금속 박대의 제조 장치 및 그것을 이용한 금속 박대의 제조 방법 - Google Patents

금속 박대의 제조 장치 및 그것을 이용한 금속 박대의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

미세한 결정립을 함유하는 금속 박대를 효율적으로 제조 가능한 금속 박대의 제조 장치를 제공한다. 본 실시형태에 의한 제조 장치(1)는, 단롤의 스트립 캐스팅법에 의한 금속 박대(6)의 제조 장치이다. 제조 장치(1)는, 냉각 롤(2)과, 턴디쉬(4)와, 용융 금속 리무버(5)를 구비한다. 냉각 롤(2)은, 외주면을 갖고, 회전하면서 외주면 상의 용융 금속(3)을 냉각하여 응고시킨다. 턴디쉬(4)는, 용융 금속(3)을 수납 가능하며, 냉각 롤(2)의 외주면 상에 용융 금속(3)을 공급한다. 용융 금속 리무버(5)는, 턴디쉬(4)보다 냉각 롤(2)의 회전 방향 하류에, 냉각 롤(2)의 외주면 과의 사이에 간극(A)을 두고 배치되고, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속의 표면 부분을 제거하여, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3)의 두께를, 간극(A)의 폭으론 규제한다.

Description

금속 박대의 제조 장치 및 그것을 이용한 금속 박대의 제조 방법
본 발명은, 금속 박대의 제조 장치 및 그것을 이용한 금속 박대의 제조 방법에 관한 것이다.
급랭 응고법에 의해, 금속 재료에 다양한 성질을 부여할 수 있다고 알려져 있다. 급랭 응고법이란, 일정 이상의 냉각 속도로 용융 금속을 응고시키는 방법을 말한다. 급랭 응고법에 의해 예를 들어, 금속 재료의 결정 조직의 미세화, 용질 분포의 균질화, 고용한의 확대 및 비정질층(아몰퍼스)의 생성이 가능해진다. 급랭 응고법에 의한 주편의 제조 방법은 구체적으로는, 스트립 캐스팅법, 멜트 스피닝법, 아토마이즈법 및 용융 방사법 등이 알려져 있다.
예를 들어, 국제 공개 제2012/099056호(특허 문헌 1)에는, 아토마이즈법에 의해 Si 합금을 제조하는 것에 대한 기재가 있다. 그 밖에, 일본국 특허 공개 2013-161785호 공보(특허 문헌 2)에는, 멜트 스피닝법에 의해 Si 합금을 제조하는 것에 대한 기재가 있다.
급랭 응고법에서는, 용융 금속의 냉각 속도가 빠를수록, 결정립이 미세화된다. 급랭 응고법 중에서도, 냉각 속도가 특히 빠른 제조 방법은 예를 들어, 멜트 스피닝법이다. 멜트 스피닝법은, 용융 금속을, 고속 회전하는 롤 상에 분사하여 급랭시키고, 리본 형상의 금속 박대를 날리면서 제조하는 방법이다. 멜트 스피닝법에서는, 소량의 용융 금속을 분사하여 롤 상에 공급한다. 그 때문에, 냉각 속도가 빠르다.
멜트 스피닝법에 의해, 미세한 결정립을 함유하는 금속 박대를 제조할 수 있다. 그러나, 멜트 스피닝법은, 롤상으로의 용융 금속의 공급량이 적다. 그 때문에, 생산 능력에 한계가 있어, 금속 박대의 대량 생산이 어렵다.
한편, 급랭 응고법에 있어서, 금속 박대의 대량 생산이 가능한 방법은 예를 들어, 단롤의 스트립 캐스팅법이다. 단롤의 스트립 캐스팅법은, 용융 금속을 회전하는 롤 상에 연속적으로 공급하여 급랭하고, 금속 박대를 제조하는 방법이다. 스트립 캐스팅법을 이용한 주편의 제조 방법은 예를 들면, 일본국 특허 공개 2011-206835호 공보(특허 문헌 3) 및 일본국 특허 공개 2001-291514호 공보(특허 문헌 4)에 기재되어 있다.
일본국 특허 공개 2011-206835호 공보(특허 문헌 3)에 기재되어 있는 제조 장치는, 알루미늄 클래드판의 제조 장치이다. 이 제조 장치는, 냉각능을 갖는 제1 롤과, 제1 금속 용탕을 모아두기 위한 제1 풀을 구비한다. 제1 풀은, 제1 롤의 표면과, 제1 전방 플레이트와, 후방 부재와, 양사이드 부재로 둘러싸여 있다. 제1 전방 플레이트는, 제1 롤의 회전 방향 전방에 위치한다. 후방 부재는, 제1 롤의 회전 방향 후방에 위치한다. 제1 전방 플레이트는, 선단부를 갖고, 선단부와 제1 롤의 표면 사이의 거리가 바뀔 수 있도록, 움직임 가능하게 설치되어 있다. 제1 롤은, 제1 풀 내의 제1 금속 용탕을 냉각하여 제1 롤의 표면에 반응고 상태 내지 응고 상태의 제1 금속층을 형성하면서 제1 금속층을 수반하여 회전한다. 제1 전방 플레이트는, 제1 롤의 회전에 수반해 이동하는 제1 금속층의 반응고 상태 표면에, 제1 전방 플레이트의 선단부가 일정한 힘으로 면적(面的)으로 상시 접촉하도록 탄성 가압되어 있다.
일본국 특허 공개 2001-291514호 공보(특허 문헌 4)에 기재되어 있는 제조 방법은, 비수 전해질 이차 전지용 음극 재료의 제조 방법이다. 이 제조 방법은, 응고되면, Si상, 및 Si와 다른 금속 원소의 금속간 화합물의 상이 정출하도록 선정한 조성을 갖는 합금 원료를 용융한 후, 스트립 캐스팅법 또는 원심 주조법을 이용하여 응고시켜 주상정 조직을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
스트립 캐스팅법에서는, 롤 상에 공급되는 용융 금속의 양이, 멜트 스피닝법에 비해 많다. 그 때문에, 스트립 캐스팅법에 의해, 금속 박대의 대량 생산이 가능하다. 그러나, 스트립 캐스팅법은, 멜트 스피닝법에 비해, 용융 금속의 냉각 속도가 늦다. 그 때문에, 결정립이 미세화되기 어렵다. 따라서, 스트립 캐스팅법에서는 결정립의 새로운 미세화가 요구되고 있다.
국제 공개 제2012/099056호 일본국 특허 공개 2013-161785호 공보 일본국 특허 공개 2011-206835호 공보 일본국 특허 공개 2001-291514호 공보
상술한 특허 문헌에 개시된 제조 방법에서는, 미세한 결정립을 함유하는 금속 박대를 효율적으로 제조할 수 없는 경우가 있다.
본 발명의 목적은, 미세한 결정립을 함유하는 금속 박대를 효율적으로 제조 가능한 금속 박대의 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 실시형태에 의한 제조 장치는, 단롤의 스트립 캐스팅법에 의한 금속 박대의 제조 장치이다. 제조 장치는, 냉각 롤과, 턴디쉬와, 용융 금속 리무버를 구비한다. 냉각 롤은, 외주면을 갖고, 회전하면서 외주면 상의 용융 금속을 냉각하여 응고시킨다. 턴디쉬는, 용융 금속을 수납 가능하며, 냉각 롤의 외주면 상에 용융 금속을 공급한다. 용융 금속 리무버는, 턴디쉬보다 냉각 롤의 회전 방향 하류에, 냉각 롤의 외주면 사이에 간극을 두고 배치된다. 용융 금속 리무버는, 냉각 롤의 외주면 상의, 용융 금속의, 상술한 간극의 폭을 넘는 두께에 상당하는 부분을 제거한다. 이에 의해, 냉각 롤의 외주면 상의 용융 금속의 두께를, 냉각 롤의 외주면과 용융 금속 리무버 사이의 간극의 폭으로 규제한다.
본 실시형태에 의한 금속 박대의 제조 방법은, 상술한 제조 장치를 이용한 단롤의 스트립 캐스팅법에 의한 금속 박대의 제조 방법이다. 제조 방법은, 공급 공정과, 급랭 공정과, 두께 조정 공정을 구비한다. 공급 공정에서는, 턴디쉬 내의 용융 금속을 냉각 롤의 외주면 상에 공급한다. 급랭 공정에서는, 외주면 상의 용융 금속을 냉각 롤에 의해 급랭하여 금속 박대를 형성한다. 두께 조정 공정에서는, 용융 금속 리무버에 의해, 외주면 상의 용융 금속의 상술한 간극의 폭을 넘는 두께에 상당하는 부분을 제거한다. 이에 의해, 외주면 상의 용융 금속의 두께를, 냉각 롤의 외주면과 용융 금속 리무버 사이의 간극의 폭으로 규제한다.
본 실시형태에 의한 금속 박대의 제조 장치를 이용하면, 미세한 결정립을 함유하는 금속 박대를 효율적으로 제조할 수 있다.
도 1은, 본 실시형태에 의한 금속 박대의 제조 장치의 단면도이다.
도 2는, 제조 장치의 용융 금속 리무버의 선단 근방을 확대한 단면도이다.
도 3은, 용융 금속 리무버의 부착 각도를 나타내는 도면이다.
도 4는, 도 1~도 3과는 상이한, 다른 실시형태에 의한 제조 장치의 단면도이다.
도 5는, 도 1~도 4와는 상이한, 다른 실시형태에 의한 제조 장치의 단면도이다.
도 6은, 용융 금속 리무버의 단면 형상을 나타내는 도면이다.
도 7은, 도 6과는 상이한, 다른 용융 금속 리무버의 단면 형상을 나타내는 도면이다.
도 8은, 도 6 및 도 7과는 상이한, 다른 용융 금속 리무버의 단면 형상을 나타내는 도면이다.
도 9는, 본 실시형태에 의한 제조 방법으로 제조한 금속 박대의 단면의 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 10은, 용융 금속 리무버를 이용하지 않고 제조한 금속 박대의 단면의 전자현미경(SEM) 사진이다.
본 실시형태에 의한 제조 장치는, 단롤의 스트립 캐스팅법에 의한 금속 박대의 제조 장치이다. 제조 장치는, 냉각 롤과, 턴디쉬와, 용융 금속 리무버를 구비한다. 냉각 롤은, 외주면을 갖고, 회전하면서 외주면 상의 용융 금속을 냉각하여 응고시킨다. 턴디쉬는, 용융 금속을 수납 가능하며, 냉각 롤의 외주면 상에 용융 금속을 공급한다. 용융 금속 리무버는, 턴디쉬보다 냉각 롤의 회전 방향 하류에, 냉각 롤의 외주면 사이에 간극을 두고 배치된다. 용융 금속 리무버는, 용융 금속의 상술한 간극의 폭을 넘는 두께에 상당하는 부분(이하, 표면 부분이라고도 함)을 제거한다. 이에 의해, 냉각 롤의 외주면 상의 용융 금속의 두께를, 냉각 롤의 외주면과 용융 금속 리무버 사이의 간극의 폭으로 규제한다.
본 실시형태에 의한 제조 장치는, 용융 금속 리무버를 구비한다. 용융 금속 리무버는, 용융 금속의 자유 표면(용융 금속이 냉각 롤과 접촉하고 있지 않는 쪽의 표면)이 액상 또는 반응고 상태일 때에 용융 금속과 접촉한다. 용융 금속 리무버는, 외주면 상의 용융 금속의 표면 부분을 제거한다. 이에 의해, 냉각 롤의 외주면 상의 용융 금속의 두께를, 냉각 롤의 외주면과 용융 금속 리무버 사이의 간극의 폭으로 규제한다. 그 때문에, 냉각 롤 외주면 상의 용융 금속이 얇아진다. 용융 금속이 얇아지면, 용융 금속의 냉각 속도가 높아진다. 그 결과, 금속 박대의 결정립이 작아진다. 즉, 스트립 캐스팅을 이용하여, 미세한 결정립을 함유하는 금속 박대를 효율적으로 제조할 수 있다.
바람직하게는, 냉각 롤의 외주면과 용융 금속 리무버 사이의 간극의 폭은, 용융 금속 리무버보다 냉각 롤의 회전 방향 상류측에서의 냉각 롤의 외주면 상의 용융 금속의 두께보다 좁다.
이 경우, 냉각 롤의 외주면 상의 용융 금속이 보다 얇아진다. 그로 인해, 용융 금속의 냉각 속도가 보다 높아진다. 그 결과, 금속 박대의 결정립이 보다 미세화된다.
바람직하게는, 턴디쉬는, 냉각 롤의 외주면 근방에 배치되고, 냉각 롤의 외주면 상으로 용융 금속을 이끄는 공급단을 포함한다. 용융 금속 리무버는 또한, 턴디쉬의 공급단보다 상방에 배치된다.
이 경우, 용융 금속이 냉각 롤에 감아올려지면서 냉각된다. 그 때문에, 용융 금속이 냉각 롤의 외주면에 접촉하고 있는 시간이 길고, 용융 금속의 냉각 시간이 길다. 그 결과, 금속 박대의 결정립이 보다 미세화된다.
바람직하게는, 용융 금속 리무버는, 냉각 롤의 외주면과 대향하여 배치되며, 냉각 롤의 외주면과 용융 금속 리무버의 간극을 통과하는 용융 금속과 접촉하는 발열(拔熱)면을 갖는다.
이 경우, 용융 금속은 냉각 롤과 접촉하고 있는 면(이하, 응고부라고도 함)에 추가해, 용융 금속 리무버와 접촉하고 있는 면으로부터도 발열된다. 그로 인해, 용융 금속의 냉각 속도가 높아진다. 그 결과, 금속 박대의 결정립이 보다 미세화된다.
본 실시형태에 의한 금속 박대의 제조 방법은, 상술한 제조 장치를 이용한 단롤의 스트립 캐스팅법에 의한 금속 박대의 제조 방법이다. 제조 방법은, 공급 공정과, 급랭 공정과, 두께 조정 공정을 구비한다. 공급 공정에서는, 턴디쉬 내의 용융 금속을 냉각 롤의 외주면 상에 공급한다. 급랭 공정에서는, 외주면 상의 용융 금속을 냉각 롤에 의해 급랭하여 금속 박대를 형성한다. 두께 조정 공정에서는, 용융 금속 리무버에 의해, 외주면 상의 용융 금속의 표면 부분을 제거한다. 이에 의해, 외주면 상의 용융 금속의 두께를, 냉각 롤의 외주면과 용융 금속 리무버 사이의 간극의 폭으로 규제한다.
본 실시형태에 의한 제조 방법은, 두께 조정 공정을 구비한다. 이에 의해, 냉각 롤 외주면 상의 용융 금속이 얇아진다. 그로 인해, 용융 금속의 냉각 속도가 높아진다. 그 결과, 금속 박대의 결정립이 미세화된다. 즉, 스트립 캐스팅법을 이용하여, 미세한 결정립을 함유하는 금속 박대를 효율적으로 제조할 수 있다.
이하, 도면을 참조해, 본 실시형태를 자세하게 설명한다. 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여해 그 설명은 반복하지 않는다.
[제조 장치]
도 1은, 본 실시형태에 의한 금속 박대의 제조 장치의 일례의 단면도이다. 제조 장치(1)는, 냉각 롤(2)과, 턴디쉬(4)와, 용융 금속 리무버(5)를 구비한다.
[냉각 롤]
냉각 롤(2)은, 외주면을 갖고, 회전하면서 외주면 상의 용융 금속(3)을 냉각하여 응고시킨다. 냉각 롤(2)은 원기둥형상의 몸체부와, 도시하지 않은 축부를 구비한다. 몸체부는 상기 외주면을 갖는다. 축부는 몸체부의 중심축 위치에 배치되고, 도시하지 않은 구동원에 부착되어 있다. 냉각 롤(2)은, 구동원에 의해 냉각 롤(2)의 중심축(9) 둘레로 회전한다.
냉각 롤(2)의 소재는, 경도 및 열전도율이 높은 재료인 것이 바람직하다. 냉각 롤(2)의 소재는 예를 들어, 구리 및 구리 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종이다. 바람직하게는, 냉각 롤(2)의 소재는 구리이다. 냉각 롤(2)은, 표면에 또한 피막을 가져도 된다. 이에 의해, 냉각 롤(2)의 경도가 높아진다. 피막은 예를 들어, 도금 피막 및 서멧 피막으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종이다. 도금 피막은 예를 들어, 크롬 도금 및 니켈 도금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종이다. 서멧 피막은 예를 들어, 텅스텐(W), 코발트(Co), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 보론(B), 및, 이들 원소의 탄화물, 질화물 및 탄질화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유한다. 바람직하게는, 냉각 롤(2)의 표층은 구리이며, 냉각 롤(2)은 표면에 또한 크롬 도금 피막을 갖는다.
도 1에 나타낸 X는, 냉각 롤(2)의 회전 방향이다. 금속 박대(6)를 제조할 때, 냉각 롤(2)은 일정 방향(X)으로 회전한다. 이에 의해, 도 1에서는, 냉각 롤(2)과 접촉한 용융 금속(3)이 냉각 롤(2)의 외주면 상에서 일부 응고되어, 냉각 롤(2)의 회전에 수반해 이동한다.
냉각 롤(2)은, 후술하는 턴디쉬(4)보다 냉각 롤(2)의 회전 방향 하류이며, 후술하는 용융 금속 리무버(5) 도달 전까지, 냉각 존을 갖는다. 냉각 존에서는, 냉각 롤(2)의 외주면 상에 공급된 용융 금속(3)은, 자유 표면을 갖는다. 그로 인해, 급속 냉각이 가능하다. 용융 금속(3)이 자유 표면을 갖지 않는 경우, 즉, 용융 금속(3)의 응고부 상에 용융 금속(3)이 더 존재하는 경우, 응고부를 충분히 발열시킬 수 없다. 이것은, 응고부에 대해, 응고부 상에 존재하는 용융 금속(3)으로부터 열이 계속 가해지기 때문이다. 냉각 존에 있어서, 용융 금속(3)은, 냉각 롤(2)의 외주면 상에 공급됨으로써 자유 표면을 갖는다. 그 때문에, 응고부를 충분히 발열시킬 수 있어, 급속 냉각이 가능해진다. 그 결과, 보다 미세화된 결정립을 갖는 금속 박대(6)를 얻을 수 있다.
냉각 롤(2)의 롤 주속은, 용융 금속(3)의 냉각 속도 및 제조 효율을 고려하여 적절히 설정된다. 롤 주속이 빠르면, 냉각 롤(2) 외주면으로부터, 금속 박대(6)가 박리되기 쉽다. 따라서, 롤 주속의 하한은, 바람직하게는 50m/분, 보다 바람직하게는 80m/분, 더욱 바람직하게는 120m/분이다. 롤 주속의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 설비 능력을 고려하여 예를 들어 500m/분이다. 롤 주속은, 롤의 직경과 회전수로부터 구할 수 있다.
냉각 롤(2)의 내부에는, 발열용 용매가 충전되어도 된다. 이에 의해, 효율적으로 용융 금속(3)을 발열시킬 수 있다. 용매는 예를 들어, 물, 유기용매 및 기름으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상이다. 용매는, 냉각 롤(2) 내부에 체류해도 되고, 외부와 순환되어도 된다.
[턴디쉬]
턴디쉬(4)는, 용융 금속(3)을 수납 가능하며, 냉각 롤(2)의 외주면 상에 용융 금속(3)을 공급한다.
본 실시형태에 있어서, 턴디쉬(4)는 항상 가열되어 있어도 된다. 이 경우, 고융점의 용융 금속(3)의 용융 상태를 유지할 수 있다. 그로 인해, 용융 금속(3)을, 용융 상태인 채로, 후술하는 용융 금속 리무버(5)를 이용하여 제거할 수 있다. 가열 온도는, 원료의 액상선 온도 이상이면 특별히 한정되지 않는다. Si 합금을 제조하는 경우, 가열 온도는 예를 들어 1200℃ 이상이며, 더욱 바람직한 가열 온도는, 1500℃ 이상이다. 자석용 합금 재료를 제조하는 경우, 가열 온도는 예를 들어 1000℃ 이상이다.
[용융 금속 리무버]
용융 금속 리무버(5)는, 냉각 롤(2)의 축방향을 따라서 연장되는 부재이다. 용융 금속 리무버(5)의 일례는, 도 1에 나타낸 바와 같은, 냉각 롤(2)의 축방향과 평행으로 배치되는 판상의 부재이다. 용융 금속 리무버(5)는, 턴디쉬(4)보다 냉각 롤(2)의 회전 방향 하류에, 냉각 롤(2)의 외주면과의 사이에 간극을 두고 배치된다. 용융 금속 리무버(5)는, 본체부(51)와, 냉각 롤(2)의 외주면과 대향하여 배치되는 선단부(50)로 이루어진다. 선단부(50)의 형상은 특별히 한정되지 않는다.
도 2는, 제조 장치(1)의 용융 금속 리무버(5)의 선단부(50) 근방(도 1 중, 파선으로 둘러싼 범위)을 확대한 단면도이다. 도 2를 참조하여, 용융 금속 리무버(5)는, 냉각 롤(2)의 외주면과의 사이에 간극(A)을 두고 배치된다. 용융 금속 리무버(5)는, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3)의 두께를, 냉각 롤(2)의 외주면과 용융 금속 리무버(5) 사이의 간극(A)의 폭으로 규제한다. 구체적으로는, 용융 금속 리무버(5)보다 냉각 롤(2)의 회전 방향 상류에서의 용융 금속(3)이, 간극(A)의 폭에 비해 두꺼운 경우가 있다. 이 경우, 간극(A)의 폭을 넘는 두께에 상당하는 분의 용융 금속(3)이, 용융 금속 리무버(5)에 의해서 제거된다. 이에 의해, 용융 금속(3)의 두께는 간극(A)의 폭까지 얇아진다. 용융 금속(3)의 두께가 얇아짐으로써, 용탕 금속(3)의 냉각 속도가 높아진다. 이로 인해, 금속 박대(6)의 결정립이 미세화된다.
간극(A)의 폭은, 용융 금속 리무버(5)보다 냉각 롤(2)의 회전 방향 상류측에서의 외주면 상의 용융 금속(3)의 두께(B)보다 좁은 것이 바람직하다. 이 경우, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3)이 보다 얇아진다. 그 때문에, 용융 금속(3)의 냉각 속도가 보다 높아진다. 그 결과, 금속 박대(6)의 결정립이 보다 미세화된다.
냉각 롤(2)의 외주면과 용융 금속 리무버(5) 사이의 간극(A)의 폭은, 용융 금속 리무버(5)와 냉각 롤(2)의 외주면의 최단의 거리이다. 간극(A)의 폭은, 목적으로 하는 냉각 속도 및 제조 효율에 따라서 적절히 설정된다. 간극(A)의 폭이 좁을수록, 두께 조정 후의 용융 금속(3)이 얇아진다. 이 때문에, 용융 금속(3)의 냉각 속도가 보다 높아진다. 그 결과, 금속 박대(6)의 결정립을 보다 미세화하기 쉽다. 따라서, 간극(A)의 상한은 바람직하게는 400μm, 보다 바람직하게는 250μm, 더욱 바람직하게는 100μm, 더욱 바람직하게는 50μm, 더욱 바람직하게는 30μm이다. 냉각 롤(2)이 표면에 크롬 도금 및 니켈 도금을 갖는 경우, 냉각 롤(2)의 표면이 구리인 경우에 비해, 냉각 속도가 늦다. 따라서, 이 경우, 간극(A)을 좁게 하는 것이 바람직하다. 간극(A)의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 10μm이다.
냉각 롤(2)의 외주면 중, 용융 금속(3)이 턴디쉬(4)로부터 공급되는 지점과, 용융 금속 리무버(5)가 배치되는 지점 사이의 거리는 적절히 설정된다. 용융 금속 리무버(5)는, 용융 금속(3)의 자유 표면(용융 금속(3)이 냉각 롤(2)과 접촉하고 있지 않는 쪽의 표면)이 액상 또는 반응고 상태로 용융 금속 리무버(5)와 접촉하는 범위 내에서 배치되면 된다.
도 3은 용융 금속 리무버(5)의 부착 각도를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하여, 예를 들어, 용융 금속 리무버(5)는, 냉각 롤(2)의 중심축(9)과 공급단(7)을 포함하는 면(PL1)과, 냉각 롤(2)의 중심축(9)과 용융 금속 리무버(5)의 선단부(50)를 포함하는 면(PL2)이 이루는 각도 θ가 일정해지도록 배치된다(이하, 이 각도 θ를 부착 각도 θ라 칭함.). 부착 각도 θ는 적절히 설정할 수 있다. 부착 각도 θ의 상한은 예를 들어 45°이다. 부착 각도 θ의 상한은 바람직하게는 30°이다. 부착 각도 θ의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 용융 금속 리무버(5)가 턴디쉬(4) 상의 용융 금속(3)과 직접 접촉하지 않는 범위인 것이 바람직하다.
도 1~도 3을 참조하여, 바람직하게는, 용융 금속 리무버(5)는 발열면(8)을 갖는다. 발열면(8)은, 냉각 롤(2)의 외주면과 대향하여 배치된다. 발열면(8)은, 냉각 롤(2)의 외주면과 용융 금속 리무버(5) 사이의 간극을 통과하는 용융 금속(3)과 접촉한다.
용융 금속 리무버(5)의 소재는 내화물인 것이 바람직하다. 용융 금속 리무버(5)는 예를 들어, 산화알루미늄(Al2O3), 일산화규소(SiO), 이산화규소(SiO2), 산화크롬(Cr2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화티탄(TiO2), 티탄산알루미늄(Al2TiO5) 및 산화 지르코늄(ZrO2)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유한다. 바람직하게는, 용융 금속 리무버(5)는, 산화알루미늄(Al2O3), 이산화규소(SiO2), 티탄산알루미늄(Al2TiO5) 및 산화마그네슘(MgO)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유한다.
이상으로 설명한 제조 장치(1)는, 용융 금속 리무버(5)에 의해서, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3)의 표면 부분을 제거한다. 용융 금속(3)의 표면 부분이란, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3)에 있어서, 냉각 롤(2)의 외주면과 용융 금속 리무버(5) 사이의 간극(A)의 폭을 넘는 두께에 상당하는 부분을 의미한다. 이에 의해, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3)의 두께를 규제한다. 그로 인해, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3)이 얇아진다. 용융 금속(3)이 얇아짐으로써, 용융 금속(3)의 냉각 속도가 높아진다. 그로 인해, 제조 장치(1)를 이용하여 금속 박대를 제조하면, 보다 미세화된 결정립을 갖는 금속 박대(6)가 얻어진다.
본 실시형태의 금속 박대의 제조 장치는, 상술한 제조 장치(1)로 한정되지 않는다.
도 1에 나타낸 제조 장치(1)에서는, 용융 금속(3)을 냉각 롤(2)의 측방으로부터 공급한다. 한편, 용융 금속(3)은, 냉각 롤(2) 위에서부터 공급할 수도 있다.
도 4는, 도 1~도 3과는 상이한, 다른 실시형태에 의한 제조 장치(10)의 단면도이다. 도 4를 참조하여, 턴디쉬(4) 및 공급단(7)은, 냉각 롤(2)보다 위에 배치된다. 용융 금속 리무버(5)는, 공급단(7)보다 아래에 배치된다. 제조 장치(10)의 그 외의 구성은, 제조 장치(1)와 동일하다. 제조 장치(10)에서는, 용융 금속(3)을 냉각 롤(2)의 위에서부터 냉각 롤(2)의 외주면 상에 공급한다. 냉각 롤(2)의 외주면 상에 공급된 용융 금속(3)은, 제조 장치(1)와 마찬가지로, 용융 금속 리무버(5)에 의해서 두께가 규제된다. 그 결과, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3)의 두께는, 냉각 롤(2)의 외주면과 용융 금속 리무버(5) 사이의 간극(A)의 폭까지 얇아진다.
제조 장치(10)에서는, 용융 금속(3)은, 냉각 롤(2)의 정점에서 냉각 롤(2)의 외주면 상을 타고 내려와 냉각된다. 한편, 도 1에 나타낸 제조 장치(1)에서는, 용융 금속(3)은, 냉각 롤(2)의 측방으로부터 냉각 롤(2)의 회전 방향과 동일한 방향으로 공급된다. 또한, 용융 금속(3)은 냉각 롤(2)에 의해서 감아올려지면서 냉각 롤(2)의 정점에 도달하고, 그 후 냉각 롤(2)의 외주면 상을 타고 내려와 냉각된다. 따라서, 제조 장치(10)에 비해, 제조 장치(1)를 이용한 경우, 용융 금속(3)이 냉각 롤(2)의 외주면에 접촉하고 있는 시간이 길다. 그 때문에, 용융 금속(3)의 냉각 시간이 길다. 이 경우, 금속 박대(6)의 결정립이 보다 미세화된다. 따라서, 도 1에 나타낸 제조 장치(1), 즉, 용융 금속 리무버(5)가 턴디쉬(4)의 공급단(7)보다 상방에 배치되는 것이 바람직하다.
용융 금속 리무버(5)는, 도 1~도 4에 나타낸 바와 같이 1장 배치되어도 되고, 냉각 롤(2)의 회전 방향에 대해 연속적으로 복수장 배치되어도 된다. 용융 금속 리무버(5)를 복수장 배치하는 경우에는, 냉각 롤(2)의 회전 방향 상류측에 배치하는 용융 금속 리무버(5)보다, 냉각 롤(2)의 회전 방향 하류측에 배치하는 용융 금속 리무버(5)를 냉각 롤(2)에 접근시켜 배치한다. 그리고, 냉각 롤(2)의 회전 방향에 있어서, 가장 하류에 위치하는 용융 금속 리무버(5)와 냉각 롤(2)의 외주면 사이의 간극(A)이, 가장 작아지도록 배치한다. 용융 금속 리무버(5)를 복수장 배치함으로써, 용융 금속(3)을 단계적으로 제거할 수 있다. 이 경우, 1장의 용융 금속 리무버(5)에 걸리는 부담이 작아진다. 이 경우 또한, 용융 금속(3)의 두께의 정밀한 제어가 보다 용이해진다.
용융 금속 리무버(5)는, 도 1~도 4에 나타낸 바와 같이, 냉각 롤(2)의 법선을 따른 방향으로 배치되어도 되고, 도 5에 나타낸 바와 같이, 냉각 롤(2)의 법선과는 상이한 방향으로 배치되어도 된다. 도 5에서는, 용융 금속 리무버(5)는, 냉각 롤(2)의 법선 방향보다, 냉각 롤(2)의 회전 방향을 향해 기울어 배치되어 있다. 이 경우, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3) 중, 간극(A)의 폭보다 상방의 부분을 제거하기 쉽다. 즉, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3)의 두께를 규제하기 쉽다. 도 5에서는 또한, 용융 금속 리무버(5)의 단면 형상을, 후술하는 바와 같이 도 1~도 4와는 상이한 형태로 하고 있다. 이 경우, 용융 금속(3)을 더욱 효율적으로 제거할 수 있다. 용융 금속 리무버(5)의 방향은, 용융 금속(3)의 두께를 규제하기 쉽도록 적절히 설정된다.
용융 금속 리무버(5)의 선단부(50)(용융 금속(3)과 접촉하는 단부)의 롤의 축에 수직인 단면의 단면 형상은, 도 1~도 4에 나타내는 바와 같은 직사각형이어도 되고, 다른 형상이어도 된다. 다른 형상은 예를 들어, 도 6에 나타낸 바와 같은 삼각형이어도 된다. 혹은, 도 5 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 용융 금속 리무버(5)의 용융 금속(3)의 입구측의 선단부(50)와 냉각 롤(2)의 외주면 사이의 간극의 폭과, 용융 금속 리무버(5)의 용융 금속(3)의 출구측의 선단부(50)와 냉각 롤(2)의 외주면 사이의 간극의 폭이 상이한 형상이어도 된다. 용융 금속 리무버(5)의 선단부(50)의 단면 형상은, 용융 금속(3)의 두께를 규제하기 쉽도록 적절히 설정된다.
[제조 방법]
본 실시형태에 의한 금속 박대(6)의 제조 방법은, 상술한 제조 장치(1 또는 10)를 이용한 제조 방법이다. 제조 방법은, 공급 공정과, 급랭 공정과, 두께 조정 공정을 구비한다.
처음에, 용융 금속(3)을 준비한다. 용융 금속(3)의 조성은, 목적으로 하는 금속 박대(6)의 조성에 따라서 적절히 설정된다. 예를 들어, Si 합금을 제조하는 경우, 용융 금속(3)은 예를 들어, 실리콘(Si)과, 티탄(Ti), 크롬(Cr), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부는 불순물로 이루어진다. 혹은, 네오디뮴 자석용 합금 재료를 제조하는 경우, 용융 금속(3)은 예를 들어, 네오디뮴(Nd), 보론(B) 및 철(Fe)을 함유하고, 잔부는 불순물로 이루어진다. 용융 금속(3)은, 상술한 화학 조성을 갖는 원료를, 융점 이상으로 가열함으로써 제조된다.
상술한 화학 조성을 갖는 원료를, 도가니에 넣어 가열함으로써 용융 금속(3)을 제조한다. 가열 방법은 예를 들어, 고주파 유도 가열, 아크 가열, 플라즈마 아크 가열, 저항 가열 및 전자빔 충격 가열이다. 가열 온도는, 원료의 액상선 온도 이상이면 특별히 한정되지 않는다. Si 합금을 제조하는 경우, 가열 온도는 예를 들어 1200℃ 이상이며, 더욱 바람직하게는, 1500℃ 이상이다. 자석용 합금 재료를 제조하는 경우, 가열 온도는 예를 들어 1000℃ 이상이다.
[공급 공정]
공급 공정에서는, 턴디쉬(4) 내의 용융 금속(3)을 냉각 롤(2)의 외주면 상에 공급한다. 처음에, 도가니로부터 턴디쉬(4)에 용융 금속(3)을 공급한다. 도가니로부터 턴디쉬(4)로의 용융 금속(3)의 공급은, 도가니를 기울여 용융 금속(3)을 직접 부어도 된다. 혹은, 노즐 등을 사용하여 도가니로부터 턴디쉬(4)에 용융 금속(3)을 공급해도 된다. 계속해서, 턴디쉬(4)의 공급단(7)으로부터 용융 금속(3)을 냉각 롤(2) 외주면 상에 공급한다. 냉각 롤(2)은, 상술한 바와 같이 일정한 속도로 냉각 롤(2)의 중심축(9) 둘레로 회전하고 있다. 턴디쉬(4)로부터 공급된 용융 금속(3)과 냉각 롤(2)의 외주면이 접촉하면, 용융 금속(3)이 일부 응고되어 냉각 롤(2)에 이착된다. 용융 금속(3)은, 냉각 롤(2)의 회전에 수반해 이동한다. 이 때, 용융 금속(3)의 냉각 롤(2)의 외주면과 접촉하고 있지 않는 쪽의 표면(자유 표면)은 액상 또는 반응고 상태이다.
공급 공정에 있어서, 턴디쉬(4)는 항상 가열되어 있어도 된다. 이 경우, 고융점의 용융 금속(3)의 용융 상태를 유지할 수 있다. 그 때문에, 용융 금속(3)을, 용융 상태인 채로, 용융 금속 리무버(5)를 이용하여 제거할 수 있다. 가열 온도는, 원료의 액상선 온도 이상이면 특별히 한정되지 않는다. Si 합금을 제조하는 경우, 가열 온도는 예를 들어 1200℃ 이상이며, 더욱 바람직한 가열 온도는, 1500℃ 이상이다. 자석용 합금 재료를 제조하는 경우, 가열 온도는 예를 들어 1000℃ 이상이다.
[급랭 공정]
급랭 공정에서는, 외주면 상의 용융 금속(3)을 냉각 롤(2)에 의해 급랭하여 금속 박대(6)를 형성한다. 상술한 공급 공정에서 용융 금속(3)이 냉각 롤(2)의 외주면 상에 공급되었을 때부터, 급랭 공정은 개시한다. 급랭 공정에서는, 용융 금속(3)을 응고부로부터 냉각한다.
급랭 공정에서는, 냉각 롤(2)은, 턴디쉬(4)보다 냉각 롤(2)의 회전 방향 하류이며, 용융 금속 리무버(5) 도달 전까지, 냉각 존을 갖는다. 냉각 존에서는, 냉각 롤(2)의 외주면 상에 공급된 용융 금속(3)은, 자유 표면을 갖는다. 그로 인해, 급속 냉각이 가능하다. 용융 금속(3)이 자유 표면을 갖지 않는 경우, 즉, 응고부 상에 용융 금속(3)이 더 존재하는 경우, 응고부를 충분히 발열시킬 수 없다. 이것은, 응고부에 대해, 응고부 상에 존재하는 용융 금속(3)으로부터 열이 계속 가해지기 때문이다. 냉각 존에 있어서, 용융 금속(3)은, 냉각 롤(2)의 외주면 상에 공급됨으로써 자유 표면을 갖는다. 그로 인해, 응고부를 충분히 발열시킬 수 있어, 급속 냉각이 가능해진다. 그 결과, 보다 미세화한 결정립을 갖는 금속 박대(6)를 제조할 수 있다.
[두께 조정 공정]
두께 조정 공정에서는, 급랭 공정 도중에, 냉각 롤(2)의 외주면 상의 용융 금속(3)의 두께를, 용융 금속 리무버(5)에 의해, 냉각 롤(2)의 외주면과 용융 금속 리무버(5) 사이의 간극(A)의 폭으로 규제한다. 용융 금속(3)은, 냉각 롤(2)의 외주면 상에 공급된 후 금방은 전체가 응고되지 않고, 응고부로부터 서서히 응고된다. 용융 금속(3)의 자유 표면은, 액상 또는 반응고형상으로 용융 금속 리무버(5)와 접촉한다. 액상 또는 반응고형상의 용융 금속(3)의 경도는 낮다. 그 때문에, 용융 금속(3)의 두께가, 간극(A)의 폭보다 두꺼우면, 액상 또는 반응고 상태인 용융 금속(3)의 자유 표면이 막아지거나, 혹은, 제거된다. 이에 의해, 용융 금속(3)이 얇아진다. 용융 금속(3)이 얇으면, 용융 금속(3)의 냉각 속도가 빨라진다. 그 결과, 보다 미세화한 결정립을 갖는 금속 박대(6)를 제조할 수 있다.
발열면(8)을 배치함으로써, 용융 금속(3)은, 응고부에 추가해, 발열면(8)으로부터도 발열된다. 이 경우, 용융 금속(3)의 냉각 속도가 높아진다. 발열면(8)의 면적 및 형상은, 적절히 설정된다. 예를 들어, 도 8에 나타낸 바와 같이, 용융 금속 리무버(5)의 선단부(50)을 L자로 함으로써, 발열면(8)의 면적을 크게 할 수 있다. 이 경우, 용융 금속(3)의 냉각 속도를 더욱 높일 수 있다.
두께 조정 공정으로 얇아진 용융 금속(3)은, 계속해서 냉각 롤(2) 상에서 냉각된다. 이 때의 용융 금속(3)은 얇다. 그 때문에, 냉각 속도는 현저하게 빠르다. 그 결과, 금속 박대(6)의 결정립이 미세해진다. 용융 금속(3) 전체가 응고되면, 금속 박대(6)가 된다. 금속 박대(6)는 냉각 롤(2) 외주면으로부터 이격하여 회수된다. 이상의 공정에 의해, 본 실시형태의 금속 박대(6)를 제조할 수 있다.
[실시예]
하기의 실시예 1~실시예 3에 기재된 제조 장치를 이용하여, Si 합금의 금속 박대를 제조했다. 원료는, 니켈(Ni), 티탄(Ti) 및 실리콘(Si)을 함유했다. 원료의 조성은, 질량비로 Ni:Ti:Si=25:17:58이었다. 혼합한 원료 1kg를 1450℃로 가열하고, 용융 금속을 제조했다. 용융 금속을, 턴디쉬로부터 냉각 롤 상에 공급했다. 냉각 롤은, 외주면을 구리로 피복하고, 내부를 물로 냉각한 냉각 롤이었다. 냉각 롤의 직경은 20cm, 폭은 18cm였다. 롤의 주속은, 120m/분이었다. 실시예 1~실시예 3에서 얻어진 Si 합금의 금속 박대를 절단하고, 단면을 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰했다.
[실시예 1]
실시예 1에서는, 본 실시형태의 제조 장치를 이용하여, Si 합금의 금속 박대를 제조했다. 즉, 용융 금속 리무버를 사용해 Si 합금의 금속 박대를 제조했다. 용융 금속 리무버는, 두께 3mm의 평판의 알루미나판이었다. 용융 금속 리무버와 냉각 롤의 외주면의 간극의 폭은 80μm였다.
[실시예 2]
실시예 2에서는, 본 실시형태의 제조 장치로부터, 용융 금속 리무버를 떼어내고 Si 합금의 금속 박대를 제조했다. 즉, 용융 금속 리무버를 사용하지 않고 Si 합금의 금속 박대를 제조했다.
[실시예 3]
실시예 3에서는, 냉각 롤 상에 있어서, 턴디쉬에서 용융 금속 리무버까지의 사이에 냉각 존을 갖지 않는 제조 장치를 이용해, 그 외에는 실시예 1과 동일한 조건으로, Si 합금의 금속 박대를 제조했다. 즉, 용융 금속은 자유 표면을 갖지 않는 상태로, 용융 금속 리무버에 공급되었다.
[평가 결과]
[실시예 1]
도 9는, 본 실시형태에 의한 제조 방법(용융 금속 리무버 있음)으로 제조한 금속 박대의 단면의 전자현미경(SEM) 사진이다. 본 실시형태에 의한 방법으로 제조한 금속 박대의 평균 막두께는 80μm였다. 또한, 본 실시형태에 의한 방법으로 제조한 금속 박대의 Si상의 결정립의 크기(도 9의 회색 부분의 폭에 상당)는, 2μm 이하였다.
[실시예 2]
도 10은, 종래 방법(용융 금속 리무버 없음)으로 제조한 금속 박대의 단면의 전자현미경(SEM) 사진이다. 종래 방법으로 제조한 금속 박대의 평균 막두께는 440μm였다. 또한, 종래 방법으로 제조한 금속 박대의 Si상의 결정립의 크기(도 10의 회색 부분의 폭에 상당)는, 20~30μm였다.
[실시예 3]
자유 표면을 갖지 않는 용융 금속을, 용융 금속 리무버로 제거해 제조한 실시예 3에서는, 금속 박대의 Si상의 결정립의 크기는, 10~15μm였다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
1, 10:제조 장치
2:냉각 롤
3:용융 금속
4:턴디쉬
5:용융 금속 리무버
6:금속 박대
7:공급단
8:발열면

Claims (9)

  1. 단롤의 스트립 캐스팅법에 의한 금속 박대의 제조 장치로서,
    외주면을 갖고, 회전하면서 상기 외주면 상의 용융 금속을 냉각하여 응고시키는 냉각 롤과,
    상기 용융 금속을 수납 가능하며, 상기 외주면 상에 상기 용융 금속을 공급하는 턴디쉬와,
    상기 턴디쉬보다 상기 냉각 롤의 회전 방향 하류에, 상기 외주면과의 사이에 간극을 두고 배치되고, 상기 외주면 상의 상기 용융 금속의, 상기 간극의 폭을 넘는 두께에 상당하는 부분을 제거하여, 상기 용융 금속의 두께를 상기 간극의 폭으로 규제하는 용융 금속 리무버를 구비하고,
    상기 용융 금속 리무버는, 상기 턴디쉬 상의 상기 용융 금속과 직접 접촉하지 않는, 금속 박대의 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 간극의 폭은, 상기 용융 금속 리무버보다 상기 회전 방향 상류측에서의 상기 외주면 상의 상기 용융 금속의 두께보다 좁은, 금속 박대의 제조 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 턴디쉬는, 상기 외주면 상으로 상기 용융 금속을 이끄는 공급단을 포함하고,
    상기 용융 금속 리무버는, 상기 공급단보다 상방에 배치되는, 금속 박대의 제조 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 턴디쉬는, 상기 외주면 상으로 상기 용융 금속을 이끄는 공급단을 포함하고,
    상기 용융 금속 리무버는, 상기 공급단보다 상방에 배치되는, 금속 박대의 제조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융 금속 리무버는, 상기 외주면과 대향하여 배치되며, 상기 간극을 통과하는 상기 용융 금속과 접촉하는 발열(拔熱)면을 갖는, 금속 박대의 제조 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 용융 금속 리무버는, 상기 외주면과 대향하여 배치되며, 상기 간극을 통과하는 상기 용융 금속과 접촉하는 발열면을 갖는, 금속 박대의 제조 장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 용융 금속 리무버는, 상기 외주면과 대향하여 배치되며, 상기 간극을 통과하는 상기 용융 금속과 접촉하는 발열면을 갖는, 금속 박대의 제조 장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 용융 금속 리무버는, 상기 외주면과 대향하여 배치되며, 상기 간극을 통과하는 상기 용융 금속과 접촉하는 발열면을 갖는, 금속 박대의 제조 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 금속 박대의 제조 장치를 이용한 단롤의 스트립 캐스팅법에 의한 금속 박대의 제조 방법으로서,
    상기 턴디쉬 내의 상기 용융 금속을 상기 냉각 롤의 외주면 상에 공급하는 공정과,
    상기 외주면 상의 상기 용융 금속을 상기 냉각 롤에 의해 급랭하여 금속 박대를 형성하는 공정과,
    상기 용융 금속 리무버에 의해 상기 외주면 상의 상기 용융 금속의 상기 간극의 폭을 넘는 두께에 상당하는 부분을 제거하여, 상기 외주면 상의 상기 용융 금속의 두께를, 상기 간극의 폭으로 규제하는 공정을 구비하는, 금속 박대의 제조 방법.
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