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ホームクラッド材の作製用双ロールキャスター
SDGsの分類
研究テーマ
ものづくり・製造技術
学科の分類
工学部機械工学科

クラッド材の作製用双ロールキャスター 従来クラッド材の作製が困難であった材料の接合も1工程で可能にする

工学部

機械工学科

材料加工

羽賀俊雄 教授

クラッド双ロールキャスター

世界に先駆けて開発したクラッド材作製用の2種類の双ロールキャスターを開発しました.一つは,複数の縦型高速双ロールキャスターを利用する縦型タンデム双ロールキャスターです.他は,スクレイパーを縦型双ロールキャスターまたは異形双ロール装着する方式です.スクレイパーを使用する方式は,Al-Mg合金やMg合金などの熱間圧延ではクラッド材の作製が容易ではない,または不可能な合金のクラッド材の作製も可能です.

1.縦型タンデム双ロールキャスター

 クラッド材作製用の縦型タンデム双ロールキャスターを図1から図3に,鋳造したクラッド材の断面を図4から図6にそれぞれ示す.図1は3層のクラッド材接合用のキャスターである.上段のキャスターにより心材を鋳造し,下段のキャスターで表材を鋳造するとともに芯材と接合する.表材のキャスターの荷重は,0.1kN/mmと大変小さく,熱間圧延で接合していない.芯材の1μm程度の厚さが溶融するか半凝固状態になることで芯材と表材が接合する.ロール周速は,30m/minと大変高速である.従来のアルミニウム合金用双ロールキャスターと比較すると15倍以上の速度である.図2はキャスターを3段重ねることにより5層のクラッド材の作製が可能である.図1と図2のキャスターでは,芯材の融点が表材の融点より高い,つまり外側の板になるに従い融点が低い材料を使用する必要がある.図3に示すキャスターは,芯材の融点が表材より低い場合でも,芯材が溶融すること無く,クラッド材を作製することが可能である.図1のキャスターで鋳造したクラッド材の断面を図4に示す.接合界面が明瞭に存在し.線分析の結果より表材に含まれるSiが母材に拡散していないことが明らかである.図2のキャスターで鋳造した5層クラッド材の断面を図5に示す.5層になっていることが確認できる,2段と3段のキャスターにおいて左右で異なるアルミニウム合金を注湯することも可能である.図3に示すキャスターで鋳造したクラッド材の断面を図6に示す.4045を芯材,4045より融点が高い3003が表材である.芯材の4045は溶融せず,接合界面は明瞭に存在していた.

 

図 1
図 2
図 3
図 4
図 5
図 6

2. スクレイパーを装着したクラッド材用双ロールキャスター

スクレイパーを装着した双ロールキャスターの概要を図7に示す.スクレイパーは縦型双高速ロールキャスターにも装着することも可能である.しかし,図7のように異形双ロールキャスターの方がスクレイパーの装着が容易である.下ロールで凝固する板を母材,上ロールで凝固する板を表材とする.母材が上ロールを通過した後の表材の溶湯を注湯する.ロール荷重は,縦型タンデム双ロールキャスターと同様に小さい.したがって,脆い材料や硬い材料など熱間圧延でクラッド材の作製が不可能な材料にも適用できる.図8にスクレイパーの周辺の模式図を示す.スクレイパーは回転可能な支点で支持されていて,板の厚さに沿って動く.スクレイパー荷重は,0.2N/mm程度である.スクレイパーは,板になる凝固層上の半凝固層を成形するとともに,母材と表材の溶湯が混合することを防ぐ.図9はクラッド材の鋳造の様子である.板の前方は単板,後半はクラッド材である.クラッド部の先端の非定常の部分の長さは100mm程度と短い.図10クラッド材(鋳造まま材)の引張せん断試験後の状態を示す.接合界面では,剥離しておらず,強固に接合している価値がわかる.図11はマグネシウム合金のクラッド材である.マグネシウム合金は酸化し易く熱間圧延でのクラッド化は,接合面が参加するのでクラッド化は困難とされている.しかし,図7では,大気と接合面が接触することはなく,酸化を回避できるため接合が可能であった.また,Mg-12%Al-1%Znは大変硬く脆く,塑性加工を介する接合には不向きである.しかし,スクレイパーを装着した双ロールキャスターでは,ロール荷重が大変小さいため,クラッド材を作製することが可能である.図12は,図11のクラッド材を熱間圧延したものであるが,剥離せず強固に接合していることがわかる.

図 7
図 8
図 9
図 10
図 11
図12

論文

「Twin Roll Caster for Clad Strip」(2021)HagaToshio『metals』11(5)p.776.

「Effect of Si and Mn Addition on Fluidity, Mechanical Property and Casting Crack in Die Casting Casting of Clad Strip Consisting of Al-Sn Alloy and Pure Aluminum」(0220)HagaToshio『Materia Science Fotrum 』1007p.23-28.

「600 mm-Wide Strip Casting Using Single Roll Caster Equipped with Scraper」(2019)HagaToshio『Key Engineering Materials』805p.43-49.

特許

特願2010-078647特許第5408730号特開2011-206835「金属板製造装置及び金属板製造方法」

特願2012-079209特許第5846991号特開2013-208629「薄板状クラッド材の製造方法および製造装置ならびにブレージングシートおよびその製造方法」

特願2017-107962特許第6886678号特開2018-202433「クラッド材製造方法、クラッド材製造装置、およびクラッド材」

研究者INFO: 工学部 機械工学科 材料加工 羽賀俊雄 教授

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