JP2017121635A - アモルファス合金箔帯製造装置及びそれを用いたアモルファス合金箔帯の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファス箔帯の表面凹凸を制御できるアモルファス合金箔帯の製造装置を提供すること、および、その製造装置を用いたアモルファス合金箔帯の製造方法を提供すること。【解決手段】冷却ロール５と、冷却ロール５を回転させる駆動手段と、冷却ロール５の外周面に対して合金溶湯を供給する第一の供給手段３と、合金溶湯に対して圧力を供給する第二の供給手段２を有することを特徴とするアモルファス合金箔帯製造装置。【選択図】図１

Description

本発明は、アモルファス合金箔帯製造装置及びそれを用いたアモルファス合金箔帯の製造方法に関する。

通常、金属は原子が整然と配列された結晶構造を持っているが、高温で溶けた液体のまま急速に冷却されると、液体構造を持った固体になる。この結晶がランダムに詰まった非晶質合金をアモルファス合金という。

アモルファス合金は高強度で磁気損失が少ないなど電気特性などに優れているが、加工には高度な技術が求められる。アモルファス合金の製造方法のうち最も一般的な方法は単ロール液体急冷法である。単ロール液体急冷法は熱伝導性が高い金属又は合金製のロール（ドラム）を高速で回転させながら、溶融金属（以下、合金溶湯という。）をロールの外周面に接触させることにより、合金溶湯を急速に冷却して箔帯状に凝固させる方法である。このような溶融金属から直接的に箔帯を製造する技術では、いかに箔帯の板厚や表面性状を均一にするかが重要な課題である。

近年、トランスやモーターの鉄心に、磁気損失が少ないアモルファス合金を用いることが検討されている。鉄心材料として用いられるアモルファス箔帯は、積層して用いられるので、その一枚一枚の表面性状の優劣がトランスやモーター全体の特性を左右する。

アモルファス箔帯の表面性状品質の低下は以下の原因が考えられる。アモルファス箔帯を形成する方法として、高速回転している冷却ロールの表面に、溶融したアモルファス材を流す方法があるが、この際、冷却ロール上の溶融金属の湯溜り（以下、パドルという。）と該冷却ロール表面との間（境界層）に空気が入り込み、その空気がそのままロール上で凝固しつつある箔帯の内部に閉じ込められ、アモルファス箔帯に表面凹凸が形成される。この表面凹凸を有するアモルファス箔帯を巻きまわして鉄心を作ることにより、鉄心が大型化するおそれがある。

空気がアモルファス箔帯の間に入り込むメカニズムは、パドルが何らかの外力によって加振され、ロール表面とパドルとが形成する表面の濡れ角を変化させ、空気の入込み易い空気巻込部（エア・ポケット）が境界層に周期的にできることである。

その結果、製造された箔帯には、この周期に一致した魚鱗状模様（フィッシュ・スケール）が形成され、箔帯の表面性状の均一性が低下する。また、凝固中にある箔帯の面性状の均一性がよくない場合には、箔帯の熱が効率良くロールに伝導せず、箔帯が急冷されないので、アモルファス化が一層難しくなる。
パドルの振動については、従来から多々研究が行われており、２種類の振動形態があると報告されている。その１つは、空気がパドルに衝突することによってパドルの表面膜が振動するという運動学的原因（キャピラリー・ウェーブ）によるものであり、他の１つは、空気がパドルにぶつかり、溶融金属の表面を不均一に酸化させ、表面張力が不均一になった結果として振動するという化学反応的原因（マランゴニー・エフェクト）によるものである。

一方、これらの原因による箔帯表面性状の均一性低下防止は従来から研究されており、パドルに衝突する空気を希薄にするか、空気の代わりに低密度の不活性ガスもしくは還元性ガスを用いる等の方法が以下の特許文献に多数開示されている。

特開昭５１−１０９２２1号公報 特開昭５９−２０９４５７号公報 特開昭６０−３７２４９号公報 特開平６−２９２９５０号公報 特開昭５１−１０９２２1号公報は、改良合金フィラメントを減圧室内で製造する方法を開示している。しかしながら、この製造方法は、少量の箔帯を製造する場合には有効であるが、大量生産をするには設備費及びランニング・コストが高いという課題がある。

また、特開昭５９−２０９４５７号公報は、上記特開昭５１−１０９２２１号公報に記載された方法の設備的問題を改良し、低密度かつ高温の不活性ガスを用いることを提案している。しかしながら、この方法に有効な低密度のヘリウム、クリプトン、キセノン等の不活性ガスは非常に高価で、やはりランニング・コストの点で課題がある。

さらに、特開昭６０−３７２４９号公報は、発熱性の還元性雰囲気下で箔帯を製造するに際して、安価な一酸化炭素を燃焼させて低密度の還元性ガスとし、上記ランニング・コストの高価であるという課題を解消した。しかしながら、一酸化炭素は、安全上の課題がある。

これらの課題を解決する方法としては、特開平６−２９２９５０記載の箔帯製造装置があり、ＣＯ_２ガスをパドルの近傍に吹き付け、箔帯の表面性状を大幅に改善する方法が提案された。しかしながら、その方法も、１００ｍｍ以上の広幅の箔帯になると、安定して良好な表面粗さが得られないという別の課題がある。

上記の様々な課題に鑑み、本発明は、アモルファス箔帯の表面凹凸を制御できるアモルファス合金箔帯の製造装置を提供すること、および、その製造装置を用いたアモルファス合金箔帯の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るアモルファス合金箔帯製造装置は、冷却ロール５と、冷却ロール５を回転させる駆動手段と、冷却ロール５の外周面に対して合金溶湯を供給する第一の供給手段３と、合金溶湯に対して圧力を供給する第二の供給手段２を有することを特徴とする。

本発明によれば、アモルファス箔帯の表面凹凸を制御することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るアモルファス合金箔帯の製造装置を示す斜視図である。 図１におけるノズル部の拡大図である。 モルファス合金箔帯表面観察プロファイルを３次元で示す図である。 未凝固の流体を含む箔帯の温度の経時変化及びロール表面の温度の経時変化を示した図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。下記はあくまでも実施の例であり、発明の内容を下記具体的態様に限定することを意図するものではない。

図１に示すように、本実施例に係るアモルファス合金箔帯の製造装置１は、アモルファス合金箔帯４を製造するものである。

この製造装置１には水冷ロール５が設けられている。水冷ロール５は、熱伝導性が高い金属又は合金により形成されており、例えば、銅又は銅合金により形成されている。水冷ロール５の一方の端部には、通水管６が設けられ、それを介して内部に冷却水が供給されるようになっている。また、水冷ロール５の他方の端部には、水冷ロール５を回転さるモーターなどが連結されている。冷却水は、水冷ロール５の一方の端部から通水管６を介して水路内に導入され、水路を流通した後、通水管６を介して排出される。排出された冷却水は、図示しない冷却手段により再度冷却されて通水管６に注入される。

なお、本発明では、上述の水冷ロールに限定されず、例えば、ロールにファンを設け、ロール内に冷却された空気を取り込むことでロールの表面温度を冷却する構成を用いることも可能である。

図２に示すように、水冷ロール５の上方には、アモルファス合金箔帯４の材料となる合金溶湯を供給するための供給手段３と、合金溶湯を吐出直後に非金属の液体（たとえば水）又は気体（たとえば空気）を合金溶湯の表面に向けて吐出するための供給手段２が設けられる。
さらに、供給手段３は、合金溶湯を水冷ロール５の外周面に向けて吐出するノズル３ａを有し、供給手段２は、非金属の液体（たとえば水）又は気体（たとえば空気）を合金溶湯の表面に向けて吐出するノズル２ａを有する。ノズル３ａおよびノズル２ａの吐出口は水冷ロール５方向を向いており、水冷ロール５の外周面およびアモルファス合金箔帯４の材料表面との間に僅かな隙間を形成している。

図２に示すノズル３ａおよびノズル２ａは２本のスリットが配列された形状となっているが、３本以上のスリットを有するノズルを使用してもよい。たとえば、ノズル２ａのスリットが複数設けられていてもよい。スリット３ａ及びスリット２ａが延びる方向は、水冷ロール５の軸方向と同一であるのが好ましい。

また、スリット３ａとスリット２ａの間の距離は、スリット３ａから吐出される合金溶湯３が、水冷ロール５に冷却されてガラス遷移温度Ｔｇに至るまでに、スリット２ａから圧力を受けるように設定される。言い換えると、スリット３ａとスリット２ａの間の距離は、スリット３ａから吐出される合金溶湯３が過冷却液体であるニュートン粘性状態から完全金属固体になるまでに、スリット２ａから圧力を受けるように設定される。なお、本実施例では、供給手段２と供給手段３は一体に形成されているが、別々に形成することもできる。

次に、本実施例に係るアモルファス合金箔帯４の製造方法について説明する。

まず、通水管６を介して水冷ロール５内に冷却水を流通させながら、水冷ロール５を高速で回転させる。この状態で、ノズル３ａ内に合金溶湯を注入し、ノズル３ａを介して、合金溶湯を水冷ロール５に向けて吐出し、水冷ロール５の外周面に接触させる。これにより、ノズル３ａと水冷ロール５との間に、パドル（湯溜り）が形成される。

パドルを形成する合金溶湯のうち、水冷ロール５に接触している部分は冷却されて粘度が高くなり、水冷ロール５の回転によってパドルから引き出される。パドルから引き出された合金溶湯は、水冷ロール５の外周面に引きずられて水冷ロール５の回転方向に移動しつつ、水冷ロール５によって冷却されて過冷却液体であるニュートン粘性状態の金属流体となる。次いで粘性状態の金属流体から凝固し、ガラス転移点Ｔｇよりも低温になることでアモルファス合金箔帯４が形成される。

たとえば、ノズル３ａとノズル２ａが１本ずつ形成されている場合、まず、ノズル３ａから吐出されてきた合金溶湯のパドルは、水冷ロール５によって冷却されて過冷却液体であるニュートン粘性状態の金属流体となる。その直後に、ノズル２ａから上述のニュートン粘性状態の金属流体の表面に向けて圧力が供給される。具体的には、非金属の液体（たとえば水）又は気体（たとえば空気）が、過冷却液体であるニュートン粘性状態の金属流体材料の表面に向けて吐出される。これにより、完全固体のアモルファス合金箔帯４を形成する。

合金溶湯のパドルから引き出された高粘度流体が、ガラス転移点Ｔｇに達する前に、ノズル２ａから供給される非金属の液体（たとえば水）又は気体（たとえば空気）が高粘度流体の表面に吐出されることで、高粘土流体の表面性状の凹凸を抑制することができるので、アモルファス箔帯の表面性状の均一性を向上することができる。

従来の製造工程では、図３のアモルファス合金箔帯表面観察プロファイルに示すように、空気層の振動などによりロール表面とパドルとが形成する表面の濡れ角が変化し、空気巻込部（エア・ポケット）が境界層の周期に一致して形成された魚鱗状模様（フィッシュ・スケール）が形成され、アモルファス箔帯の表面性状の均一性が低下していた。

本実施例の手法によって、空気層の振動などからのロール表面とパドルとが形成する表面の濡れ角の変化を抑制することが可能となり、空気巻込部（エア・ポケット）の周期的な境界層の生成を防ぐことができる。これにより、アモルファス箔帯の表面性状の均一性を向上することが可能となる。

一方、合金溶湯３から水冷ロール５に伝達された熱は、水冷ロール５の外周部分を伝わり、水冷ロール５内を流通する冷却水に伝達される。そして、冷却水に伝達された熱は、冷却水と共に水冷ロール５の外部に排出される。すなわち、合金溶湯３の熱は、合金溶湯３から水冷ロール５へ伝わり、さらに冷却水に伝達されて排出される。

非金属の液体又は気体を、過冷却液体であるニュートン粘性状態の金属流体材料の表面に向けて吐出することでアモルファス合金箔帯４の表面の凹凸を制御できる理由を以下に説明する。図４の右軸は未凝固の流体を含むアモルファス合金箔帯の温度の時間変化（パドルから下流方向の距離に対応する）を模式的に示し、図４の左軸は冷却ロール表面の温度変化を模式的に示している。

なお、図４中の曲線は、肉厚の小さいロール（従来法、例えば１０ｍｍ）で薄肉のアモルファス合金箔帯（例えば、２５μｍ）を製造する場合を表している。また、図４に示すロール表面温度の測定位置は、合金溶湯３のパドルの上流側、例えばパドルから２０ｃｍの位置である。

図４に示すように初期のロール表面温度は急上昇し、その後、温度の上昇率は低下するが一定の勾配で直線的に上昇を続ける。また、形成されるアモルファス箔帯の微視的構造は、肉薄冷却ロールの場合、ロール表面温度Ｔ１まではアモルファス（非晶質）であるが、それを超えると結晶化が始まる。

そこで、ロール表面温度Ｔ１に至るまでに、合金溶湯３のパドルから引き出された高粘度流体に対し、非金属の液体（たとえば水）又は気体（たとえば空気）を吐出することで、高粘土流体の表面形状の凹凸を抑制する。

その後、更に、時間が経過すると、ロール表面温度がＴ２のときパドルブレークが発生し、それ以後は箔帯が形成されなくなる。なお、結晶化が始まる冷却ロールの表面温度がＴ１で、パドルブレークが発生するロールの表面温度がＴ２である。

従来のアモルファス合金箔帯を積層したトランスやモーターの鉄心は、各箔帯表面の凹凸の存在により鉄心の大型化につながる課題があった。

これに対して、本発明は、アモルファス合金箔帯を凝固させる過程でアモルファス合金箔帯の表面性状の制御ができるので、アモルファス合金箔帯の表面の凹凸を抑制することが可能となり、鉄心の大型化を防ぐことが可能となる。また、箔帯の表面性状品質の向上はトランスやモーターの一定容積内での占積率を増加させることができるので、トランスやモーターの小型化が図れる。さらに、アモルファス合金箔帯の表面の凹凸を抑制することで、熱伝熱がスムーズに行われ、冷却速度も向上し、電気特性の損失もさらに低減することが可能となる。

１・・・アモルファス合金箔帯製造装置、２・・・供給手段、２ａ・・・ノズル、３・・・供給手段、３ａ・・・ノズル、４・・・アモルファス合金箔帯、５・・・水冷ロール、６・・・通水管

Claims (6)

1. 冷却ロールと、前記冷却ロールを回転させる駆動手段と、前記冷却ロールの外周面に対して合金溶湯を供給する第一の供給手段と、前記金属溶湯に対して圧力を供給する第二の供給手段を有することを特徴とする、アモルファス合金箔帯製造装置。
2. 請求項１において、前記第一の供給手段及び前記第二の供給手段は、前記冷却ロールの回転軸と同軸方向に設けられた開口部を有することを特徴とする、アモルファス合金箔帯製造装置。
3. 請求項１において、前記第二の供給手段は、前記金属溶湯に対して非金属の液体を吐出することを特徴とする、アモルファス合金箔帯製造装置。
4. 請求項１において、前記第二の供給手段は、前記金属溶湯に対して気体を吐出することを特徴とする、アモルファス合金箔帯製造装置。
5. 請求項１において、前記冷却ロールは水冷ロールであって、さらに前記水冷ロールの冷却水を冷却する手段を備えたことを特徴とする、アモルファス合金箔帯製造装置。
6. 請求項１に記載のアモルファス合金箔帯製造装置を用いて、
   前記合金溶湯を前記冷却ロールの外周面で冷却してアモルファス合金層を形成し、
   前記冷却ロールを回転させつつ、前記アモルファス合金層が凝固する前に、前記アモルファス合金層に対し圧力を供給することを特徴とする、
   アモルファス合金箔帯の製造方法。

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