メルトスピニング

メルトスピニングは、特定の原子構造を持つ金属または合金の薄いリボンを形成するために一般的に使用される金属成形技術です。 ^[1]

メルトスパン金属の重要な商業用途としては、高効率変圧器（アモルファス金属変圧器）、センサデバイス、通信機器、パワーエレクトロニクスなどがある。^[2]

典型的なメルトスピニング法では、溶融金属を回転するホイールまたはドラムに噴射して鋳造します。回転するホイールまたはドラムは、通常、水または液体窒素によって内部冷却されます。溶融材料は、ドラムの大きな冷たい表面積に接触すると急速に凝固します。ドラムの回転により、凝固した製品が絶えず除去され、新しい表面積が溶融金属の流れにさらされるため、連続生産が可能になります。結果として得られたリボンは、生産ラインに沿って送られ、パッケージ化されるか、機械加工されてさらに製品になります。^{[3] [4]}

^{メルトスピニング法で達成可能な冷却速度は、10 4 ～} 10 ⁶ ケルビン/秒（K/s）程度である。そのため、メルトスピニング法は、金属ガラスなど、形成するために非常に高い冷却速度を必要とする材料の開発に使用されている。急速な冷却により、これらの製品は高度に無秩序な原子構造を持ち、独特の磁気特性と物理的特性を与える（アモルファス金属を参照）。^{[3] [5] [6]}

溶融紡糸プロセスにはいくつかのバリエーションがあり、それぞれに固有の利点があります。これらのプロセスには、平面流鋳造、双ロール溶融紡糸、自動排出溶融紡糸などがあります。

メルトスピナーの現在のコンセプトは、ロバート・ポンドが1958年から1961年にかけて取得した一連の関連特許（米国特許番号2825108、2910744、2976590）に端を発し、1969年にポンドとマディンによって概説されました。当初、液体はドラムの内面で急冷されていました。リーバーマンとグラハムは、1976年までにこのプロセスを連続鋳造技術としてさらに発展させ、今度はドラムの外面で鋳造しました。^[7]このプロセスでは、薄いリボン状の材料を連続的に製造することができ、幅数インチのシートが市販されています。^[8]

メルトスピニングでは、合金または金属は、最初にるつぼの中で溶かされます。次に、不活性ガス（通常はアルゴン）を使用して、るつぼの下側にあるノズルから溶融材料を噴射します。結果として生じる液体の流れは、内部で冷却されている回転ホイールまたはドラムの外周面に向けられます。ドラムの外面はノズルに非常に近い位置にありますが、ノズルに触れません。一般に、ドラムの表面の速度は、小球（液滴）の形成やリボンの破損を回避するために、それぞれ 10 m/s から 60 m/s の間にする必要があります。液体の流れがドラムの表面に接触すると、小さな溶融物（溶融材料）の水たまりが形成されます。溶融物の粘度が低いため、溶融物の下にあるドラムの表面の相対的な動きによって生成されるせん断力は、水たまりに数ミクロンしか入りません。言い換えると、水たまりのごく一部だけがドラムの回転による摩擦の影響を受けます。その結果、ドラムが回転すると、溶融池の大部分は表面張力によってノズルとドラムの間に保持されたままになります。しかし、ドラムと直接接触している池の一番下の溶融池は急速に薄いリボン状に固まります。固まったリボンは、ドラムの回転による遠心力によって排出されるまで、最大10°回転してノズルの下からドラムの表面上に運ばれます。 ^{[1] [4] [9]}

このプロセスは継続的に行われるため、溶融物の水たまりの下から固化した材料が除去されるにつれて、ノズルからさらに液体材料が水たまりに追加されます。

基本的な溶融紡糸プロセスでも、多くの要因が関係しています。製品の品質と寸法は、機械の操作方法と構成によって決まります。そのため、溶融紡糸機の構成の変化が特定の合金に与える影響を調査する研究が数多く行われています。たとえば、Fe-B 合金と Fe-Si-B 合金の溶融紡糸に効果的であることがわかった特定の条件についての記事があります。

一般的に、メルトスピナーは、目的の製品に応じて、以下の変数に多少の変化を加えて稼働します。

• ノズルギャップ: ノズルと冷却ドラム間の距離。主にリボンの厚さに影響します。
• ノズルの形状: 溶融材料をドラムに噴射するノズルの形状。ドラムの表面に溶融液の溜まりを大きくできるノズルでは、リボンの幅が広くなります。
• 流量: ドラムへの溶融物の流量。流量は通常、ドラムの回転速度と密接に関係しています。主にリボンの幅と厚さに影響します。
• 回転速度: ドラムが回転する速度。一般的に、ドラムの回転速度が速いほどリボンは薄くなります。
• ドラム温度: ドラムが動作する温度。主に、生成されるリボンの原子構造に影響します。さまざまな合金が特定の温度で最もよく形成されます。

材料によって作用が異なるため、これらの変数とリボンの正確な因果関係は通常、実験的に決定されます。あまり一般的ではない他の変数も存在しますが、最終的なリボンの寸法と構造への影響はすべて文書化されていません。^{[1] [10] [11]}

溶融紡糸を中心に、工業用途や製品の一貫性に利点をもたらすさまざまなプロセスと技術が開発されてきました。

平面流鋳造（PFC）は、幅広い金属ガラスシートの工業的製造に一般的に使用される溶融紡糸プロセスです。このプロセスの主な変更点は、るつぼから溶融物を排出するために、はるかに広いノズルが使用されることです。その結果、溶融物の溜まりがドラムのより広い領域を覆い、リボンのより大きな領域が形成されます。^[9] PFCは、溶融材料の酸化を避けるために真空中で鋳造されるのが一般的です。酸化は、最終的な製品の品質に影響を及ぼします。最大200 mm幅のリボンは、PFCを使用して工業的に実現されています。^[12]

ツインロールメルトスピニングでは、1 つではなく 2 つのローラーまたはドラムが使用されます。ローラーは並んで配置され、左側のローラーが時計回りに回転し、右側のローラーが反時計回りに回転するように回転します。この構成により、ローラー間を通過する材料が引き下げられます。溶融物はローラー間に噴射され、そこで冷却されてリボンとして排出されます。ツインロールメルトスピニングの利点は、結果として得られるリボンの厚さを高度に制御できることです。単一のローラーでは、リボンの厚さを制御することは複雑で、溶融物の流量、ホイールの回転速度、および溶融物の温度を厳密に制御する必要があります。ツインローラー設定では、ローラー間の距離を変更するだけで、特定の一貫した厚さを実現できます。

現在まで、ツインロールメルトスピニングは、ほとんど実験室規模に限られている。^{[13] [14]}

自動排出溶融紡糸（AEMS）は、溶融物が液化するとすぐに排出が行われるタイプの溶融紡糸であり、技術者が溶融物の流量、温度、放出タイミングを手動で制御する必要がありません。^[1]

この変更により、実行間のリボンの一貫性が大幅に向上し、プロセスの自動化レベルが向上します。

メルトスピニングは、アモルファスまたは非結晶に近い薄い金属シートまたはリボンの製造に使用されます。メルトスピニングされた金属の独特な電気的および磁気的特性は、この構造とリボンの形成に使用された合金または金属の組成の結果です。

通常、金属材料が冷却されると、個々の原子が強い繰り返しパターンで凝固し、結晶固体を形成します。しかし、メルトスピニングでは、溶融物が急速に急冷（冷却）されるため、原子は完全に凝固する前にこれらの整列した構造を形成する時間がありません。代わりに、原子は液体状態に似た位置で凝固します。この物理的構造により、アモルファス金属の磁気的および電気的特性が生じます。^[6]

メルトスピニング法で製造されるアモルファス材料は、軟質磁石とみなされます。つまり、その自然保磁力は 1000 Am-1 未満であり、これは金属の磁性が外部の影響に対してより敏感であり、その結果、簡単にオン/オフを切り替えることができることを意味します。このため、アモルファス金属は、機能するために材料の繰り返しの磁化と消磁を必要とする用途で特に役立ちます。特定のアモルファス合金は、電流によって生成される磁束を増強または誘導する機能も備えているため、磁気シールドや絶縁に役立ちます。

各合金の正確な磁気特性は、主に材料の原子組成に依存します。たとえば、ニッケル含有量の少ないニッケル鉄合金は電気抵抗が高く、ニッケル含有量の多い合金は透磁率が高くなります。^{[15] [2]}

• スプラット焼入れ
• アモルファス金属

• メルトスピニングプロセスの YouTube ビデオ。
• メルトスピナーの例 http://www.arcastinc.com/meltspin.htm 。