JP4548715B2 - 金属材料の表層溶融処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料の表層溶融処理方法に関し、特に、金属材料の表面を溶融再凝固することにより金属材料の表面粗さを改善する技術、あるいは溶融中に他の溶質成分を添加することにより金属材料表層を改質する技術、あるいは複層金属材料を製造する技術に関するものである。

一般に、金属材料の表層を溶融させて処理する技術およびそれに関連する技術としては、下記のようなものが知られている。
例えば、鋼の連続鋳造鋳片の表層を、プラズマ加熱および誘導加熱のいずれか一方又は双方により溶融させ、この溶融した表層部分に他の溶質成分を添加することにより表層を改質し、安価に複合鋼材を得る技術が（特許文献１）に開示されている。また、（特許文献２）には、鋼鋳片を周回するように誘導加熱コイルを配置し、前記コイルの内側に導電性セグメント容器を設置し、適宜の位置に元素添加装置を設けた鋼鋳片の表層改質装置により、ピンチ力により溶融部湯面を安定的に保持しながら表層を改質する技術が提案されている。
上記のうち本発明にも関連する（特許文献１）について図面を用いて説明すると、図６（ａ）は水平矢印方向１５に移動する鋳片Ｓを誘導加熱とプラズマ加熱を併用して溶融処理を行う場合を示す。すなわち、鋳片Ｓを周回するように誘導コイル９を設けると共に、該誘導加熱コイル間にプラズマトーチＴを配置し、鋳片の所定箇所をコイルによるジュール熱およびプラズマによる気体熱により加熱溶融し、鋳片表層部を改質する。プラズマトーチＴからのプラズマ１０には、溶融表層部１４に添加する溶質成分（例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｌ、ＲＥＭ等もしくはそれらの合金）が供給され、該溶融表層部１４が凝固した後は添加成分が富化された層１２が鋳片表層部に形成される。１１は磁束、１３はジュール加熱部である。
また、図６（ｂ）は鋳片Ｓが垂直方向に移動する場合に誘導加熱とプラズマ加熱を併用して溶融処理を行う例を示す。鋳片Ｓを周回するように誘導コイル９を設けると共に、該誘導加熱コイル間にプラズマトーチＴを配置すること、および必要に応じてプラズマトーチＴからのプラズマ１０に、溶融表層部１４に添加する適宜の溶質成分を供給することは、前記の水平移動の場合と同様である。なお、この例では溶融表層部１４を電磁力が保持する形となるが、垂直移動では溶融表層部１４の下部側が重力の作用により滴下しやすいため、誘導コイル９の下部側コイルを上部側より鋳片に近接させて溶融表層部１４の下部側に対しより強い電磁力が作用するようにしている。

更に、（非特許文献１）には、溶接部に垂直に磁場を印加する技術が示されているが、磁場と電流の干渉により発生する電磁力を溶融プールの攪拌のために用いており、そこには溶融部の表面性状を改善する意図は全く見られない。図７はこの技術の概要を示し、サンプル１９に対し鉛直に配置したプラズマトーチ１８にて溶融プールを形成し、該プールに対しヘルムホルツコイル２０にて磁場を垂直方向に印加している。２１はヘルムホルツコイル用電源、２２はプラズマトーチ用電源である。
特開２００４―１９５５１２号公報 特開２００４―１９５５１４号公報 M.Malirowski.Brodnicka, G.den Ouden and W.J.P.Vink, Welding Research Supplement, Feb.,(1990), 52.

上述のように従来特許文献では、溶融中に他の溶質成分を添加することにより金属材料表層を改質する技術、あるいは複層金属材料を製造する技術や溶融部表面を保持する技術に関して、種々の提案がなされているが、特に、溶融プール面の波立ち抑制により金属材料の表面粗さを改善することに関しては具体的な提案がなされていない。また、（非特許文献１）にしても、電磁場を印加するのは溶融部の攪拌が目的であり、波立ち抑制については全く触れるところは無い。
本発明者らは、連続鋳造鋳片の如き材料表面の溶融処理に関して多くの実験検討を重ねた結果、この溶融処理に当たっては温度分布を起因とする表面張力差による対流、熱対流、電磁力誘起流れ、プラズマガス流などにより溶融プール内に発生する流動を起因として自由表面が表面張力波や重力波を発生し乱れることから、溶融プール表面の波立ち現象を避けることができず、かつ溶融した表層部の形状、特に、表面粗さはこの凝固前の溶融プールの波立ち現象に影響を受け、この波立ちを効果的に抑制することにより表面粗さを改善し得ることを知見し、本発明を完成したものである。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、金属材料の表面溶融プールの浅い深さの表層部分の波立ちを抑制するための最適条件を見出すことで、金属材料の表面粗さを改善し、併せて金属材料の表層の改質と高品質の複層金属材料を得ることができる表層溶融処理方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明に係る表層溶融処理方法は、金属材料表層を溶融処理して溶融プールを形成するに際し、該溶融プールの表面と平行な成分を有する交流電磁場を下式を満たす条件で該溶融プールに印加することにより溶融プールの波立ちを抑制することを特徴とする。
ｄ／δ≧１ 但し、δ＝１／√（πμσｆ）
但し、ｄ；溶融プール深さ［ｍ］、ｆ；電磁場の周波数［Ｈｚ］、π；円周率、
μ；４π×１０^−７、σ；金属材料の溶融処理温度における電気伝導度［１／Ωｍ］
δ；スキンデプス［ｍ］
上記の溶融処理方法においては、金属材料表層を溶融処理する際に、プラズマ状態にある気体の熱、交流電磁場のジュール熱のいずれか一方または双方を使用することが好ましい。

本発明に係る金属材料の表層溶融処理方法によって、溶融プールの浅い表層部の波立ち現象が効果的に抑制されることにより、金属材料表面粗さが改善されると共に、表層部の改質が達成され、高品質の複層金属材料を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を説明するが、その前に本発明の原理を図面に基づいて説明する。
図１に示す波立ちを生じている溶融金属１は、溶融部分のみを取出し模式的に表現している。この溶融金属１の溶融プール表面５に平行な水平成分を有する交流磁場２を印加すると、溶融プール内に磁場と直角方向の誘導電流３が誘起される。所望の交流磁場２を印加するために、溶融プール上方に適宜の誘導コイルを設置しておく。この誘導電流３と磁場２の相互作用により垂直下方に電磁力４が発生する。溶融プール表面５に図示のような波立ちが存在する場合には、凸部で電磁力が強く作用し、凹部で電磁力は弱くなる関係から、溶融プール表面５の波立ちを抑制する作用を発現する。溶融金属プール中への電磁場の浸透度合いは、磁気表皮深さ（本発明ではスキンデプスと表記する）と呼ばれるパラメータに支配されている。これは下式で表される。
δ＝√｛２／（μσω）｝
ここで、δはスキンデプスであり、磁場あるいは誘導電流の絶対値が金属表面の値と比較し金属内で１／ｅ（ｅは自然対数の底で、２．７１８２８…）に減衰するが、その深さを示す。μは溶融金属内では真空とほぼ同じ値となり、４π×１０^−７であり、透磁率と呼ばれる。σは電気伝導度であり、金属の種類で決まる。鋼の場合０．７×１０^６［Ｓ／ｍ］である。また溶融ニッケルは、１．２×１０^６［Ｓ／ｍ］である。ωは角周波数で、電磁場の周波数をｆとすると、ω＝２πｆで表されるから、上記の式は
δ＝１／√（πμσｆ）
となり、周波数が大きければ大きいほど、スキンデプスδは小さくなることが分かる。

発明者らは、このスキンデプスδと溶融プール深さｄの関係を、図２に示す液体ガリウムを使用した実験設備で実験を行なって、溶融プールの深さと波立ちの減衰挙動を調査し、周波数が高いほど波立ちの抑制効果が大きく、特にスキンデプスが溶融プール深さ以下となったときに、抑制効果が顕著となることを見出した。図２においては、深さｄの非磁性ステンレス容器８に溶融金属１（この場合液体ガリウム）を充満し、溶融プール表面５に機械的な振動子６で波を発生させると共に、交流磁場２を印加したときの波立ちの減衰をレーザー変位計７にて計測している。図３の横軸はプール深さ／スキンデプス（ｄ／δ）、縦軸は磁場をかけないときの減衰時間を基準として規格化した溶融プール表面波の減衰時間であり、値が低いほど表面の波立ち抑制効果が大きいことを表している。
図３に示す如く、磁場の溶融金属中への浸透深さを示すスキンデプスが溶融金属のプール深さの２倍（ｄ／δ＝０．５）程度になると、表面の波立ちの抑制効果が１／２程度となり、スキンデプスと深さが同じ（ｄ／δ＝１）程度になると抑制効果が１／１０程度と顕著となる。これは定性的には、スキンデプスが深いとプール内の電磁力が全ての場所で同程度となり、波立ちの凸部と凹部で電磁力が同程度となってしまうことと理解される。逆に、周波数を上げてスキンデプスを小さくしていくと、電磁力は溶融金属の表面付近に集中し、磁場を与えている電磁コイルと凸部間との距離と、電磁コイルと凹部間との距離の差が、電磁力の作用に影響する様になり、凸部で強く押し、凹部で弱く押すこととなり表面の波立ちの抑制効果が強くなるものと理解される。

以上のことから本発明においては、磁場が作用する範囲を溶融金属の表層部だけにしぼり、表面のみを電磁場で押すことで波立ち現象を効果的に抑制し、表面形状を改善しようとするものであり、そのために上述した如く、ｄ／δ≧１（但し、δ＝１／√（πμσｆ））という条件を満たすように電磁場を印加することが必要である。
なお、波の方向と磁場の方向の関係については、図１のように平行でも、あるいは直交の関係でも、磁場が溶融プールの表面に平行な成分を有していれば任意方向で同様の効果を発現する。

以上の如く本発明においては、溶融金属プールの深さｄが浅い場合の波立ちの抑制を狙いとしているが、この浅いプール深さとは表面波の影響を受ける範囲内の深さを言い、具体的には溶融金属プールの縦および横の小さい方のサイズ以下の深さであるということができる。
なお、金属の溶融プールの幅もしくは長さと比較して深いプールの表面の波立ち抑制に関しては、例えば、技術文献（M.Garnier R.Moreau:J.Fluid mech.(1983),127,pp365-377）に示す如く、多くの研究があるが、いずれもスキンデプスと溶融プールの深さの同程度での波立ち現象抑制技術ではない。

本発明において金属材料表層を溶融する場合、前記図６に示す誘導加熱及びプラズマ加熱の併用形式を用いることができるが、勿論、誘導加熱単独形式を採用することも、あるいは溶融プールの態様によってはプラズマ加熱単独でも可能である。また、金属材料表層の全面の溶融処理に限らず、金属材料の表層の部分的な溶融処理に対しても本発明は適用可能である。例えば、プラズマ加熱で溶融処理する場合に、プラズマに交流磁場を印加してプラズマを金属材料の移動（長手）方向と交差する方向に振動させて一定幅の溶融プールを形成させることができる。一方、誘導加熱単独の場合には、例えば誘導加熱コイルを金属材料に対面する様に設置し、これによって金属材料にジュール熱を発生させて、所定の溶融処理を行うと共に、該誘導加熱コイルの周波数を調整することによって、スキンデプスを適正に制御することが可能である。金属材料が連続鋳造鋳片の場合、鋳片が連続鋳造機端或いは連続鋳造機内のいずれかに位置するかで、鋳片は水平状態或いは垂直状態となるため、誘導コイルは水平の金属材料では材料の上方に、垂直の金属材料では材料の側方に配置されることになる。

なお、本発明では金属材料表面に溶融金属プールを形成する手段としては、プラズマ加熱、誘導加熱のいずれか一方または双方に限ることなく、場合によってはレーザー加熱もしくはバーナ加熱を採用することもできるが、前記に説明した如く、効率的でかつ操業的にも有利なプラズマ状態にある気体の熱、交流電磁場のジュール熱のいずれか一方または双方を使用することが望ましい。
更に、本発明では特に溶融プールの波立ち抑制により金属材料の表面粗さの改善を図る例を説明したが、本発明はこれに限ることなく、波立ち抑制のための電磁場の印加により、他の溶質成分を溶融プールに添加する場合においても、溶質成分の安定した供給と均一な溶融が期待でき、表層部の良好な改質が達成され、ひいてはこれが高品質の複層材料の製造を可能とする。

３００Ａ及び４００Ａの直流プラズマを５０Ｈｚ、２０×１０^−４Ｔの交流磁場を発生する振動用コイルで振動させ、１００ｍｍ幅の扁平化プラズマとなるようにセットし、幅１５０ｍｍ、厚さ５０ｍｍの低炭アルミキルド鋼連続鋳造鋳片から切り出した水平状態のサンプルを長手方向に０．３ｍ／ｍｉｎの速度で鋳片の上面を溶融処理した。溶融プールの深さは３００Ａ及び４００Ａで各々約３ｍｍ及び約４ｍｍとなることを予め処理後の断面の調査により確認した。プラズマにより溶融された部位に、鋳片に対面する上方位置に設置した高周波誘導コイルを用いて５，１０，２０，５０ｋＨｚの４条件で交流磁場を印加し、鋳片表面の処理後の粗さを測定した。その結果を図４に示すが、図４から粗度（Ｒａ）が１／１０になる条件として、３ｍｍ及び４ｍｍ深さ共に、プール深さ／スキンデプスが１以上で十分に粗さが改善されることが判った。

幅１５０ｍｍ、厚さ５０ｍｍの水平状態のニッケル板サンプルの上方に誘導コイルを設置し、長手方向に０．５ｍ／ｍｉｎの速度でサンプル上面を溶融処理した。溶融プールの深さは５ｍｍとなるように、後述の周波数毎に、コイルに流す電流を調整した。コイル電流の周波数は１，５，１０，２０，５０ｋＨｚの５条件で溶融処理し、表面の処理後の粗さを測定した。その結果を図５に示すが、実施例１のプラズマ溶融の場合と同様に、粗度（Ｒａ）が１／１０になる条件として、プール深さ／スキンデプスが１以上で十分に粗さが改善されることが判った。

本発明方法の原理を説明するための模式図である。 スキンデプスと溶融プール深さの関係を求めるための実験装置の概要を示す説明図である。 図２の実験装置により得られたスキンデプス／溶融プール深さと溶融プール表面波の減衰時間との関係を示す図である。 本発明の実施例１の結果を示す図である。 本発明の実施例２の結果を示す図である。 （ａ）は水平に移動する鋳片の溶融処理の具体例を、（ｂ）は垂直に移動する鋳片の溶融処理の具体例をそれぞれ示す断面模式図である。 従来の溶融処理の一例を示す説明図である。

符号の説明

Ｓ 鋳片 Ｔ プラズマトーチ
１ 溶融金属 ２ 交流磁場
３ 誘導電流 ４ 電磁力
５ 溶融プールの表面 ６ 機械振動子
７ レーザー変位計 ８ 非磁性ステンレス鋼容器
９ 誘導コイル １０ プラズマ
１１ 磁束 １２ 溶質成分富化層
１３ ジュール加熱部 １４ 溶融表層部
１５ 鋳片移動 １６ 電磁力
１７ 重力 １８ プラズマトーチ
１９ サンプル ２０ ヘルムホルツコイル
２１ ヘルムホルツコイル用電源 ２２ プラズマトーチ用電源

Claims (2)

1. 金属材料表層を溶融処理して溶融プールを形成するに際し、該溶融プールの表面と平行な成分を有する交流電磁場を下式を満たす条件で該溶融プールに印加することにより溶融プールの波立ちを抑制することを特徴とする金属材料の表層溶融処理方法。
   ｄ／δ≧１ 但し、δ＝１／√（πμσｆ）
   但し、ｄ；溶融プール深さ［ｍ］、ｆ；電磁場の周波数［Ｈｚ］、π；円周率、
   μ；４π×１０^−７、σ；金属材料の溶融処理温度における電気伝導度［１／Ωｍ］
   δ；スキンデプス［ｍ］
2. 金属材料表層を溶融処理する際に、プラズマ状態にある気体の熱、交流電磁場のジュール熱のいずれか一方または双方を使用することを特徴とする請求項１記載の金属材料の表層溶融処理方法。

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