JPH07209220A - 金属溶湯の品質管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属溶湯の凝固に伴う温度変化による冷却曲
線を測定し、この冷却曲線の温度変化による非定常的変
曲状態から金属溶湯の凝固組織，鋳造性，機械的性質を
予測する品質管理方法における精度を向上させる。 【構成】 予め得られた互いに対応する冷却曲線の温度
変化と凝固組織に基いて溶湯より採られた試料の冷却曲
線を求めて冷却曲線の温度変化による非定常的変曲状態
から溶湯の凝固組織を予測するに当り、非定常的変曲状
態の顕われる温度範囲または温度および時間範囲を規定
し、温度範囲内において顕われた非定常的変曲状態によ
って上記溶湯の凝固組織または組織変化に伴う諸特性の
変化を予測管理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属溶湯の品質管理方法
に係り、金属溶湯の温度変化による冷却曲線を測定し、
該冷却曲線の温度変化による非定常的変曲状態によって
前記金属溶湯の凝固組織または鋳造性あるいは機械的性
質などの諸特性を予測する品質管理方法における精度を
適切に向上しようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】高純度の金属溶湯を冷却凝固させた場合
は、その冷却曲線は一般的には、液相から固相への相変
化に伴う凝固点における温度変化を除いては自然冷却に
よるなだらかな変化をする定常的曲線を示す。特に凝固
点においては純度、冷却条件等により夫々異なる温度低
下、温度上昇あるいは温度停滞等を伴う複雑な温度変化
を示し、前述の自然冷却に伴うなだらかな安定した温度
変化すなわち定常的曲線状態とは異なる非定常的な変曲
状態を示す。合金溶湯の場合は、更に複雑となり、冷却
過程で複数の晶出物を晶出するので複雑な凝固潜熱の授
受があり、その結果冷却曲線は凝固潜熱の授受に見合っ
た温度変化を示す。凝固開始前、凝固途中、凝固完了後
の各部におけるなだらかな変化を示す定常的曲線状態と
合わせて、複数の晶出物の晶出に伴う非定常的変曲部を
多く持つ曲線を示す。このような曲線は、その曲線の非
定常的変曲状態から凝固潜熱の授受のあったことを読み
取ることができ、その合金溶湯の凝固組成を予測するこ
とが可能である。このような知見に基づいて合金溶湯の
冷却曲線を測定して金属溶湯の品質を管理することが行
われている。すなわち、金属溶湯の品質管理方法として
該金属溶湯の温度変化による冷却曲線を測定し、該冷却
曲線の温度変化による非定常的変曲状態によって上記金
属溶湯の凝固組織、鋳造性または機械的性質などの諸特
性の何れか１つまたは２つ以上を予測管理することにつ
いては種々に採用されている。例えば、Al-Si 合金はそ
れに含有される共晶Siの形態、すなわちその大きさ、形
によって強度、延性等合金の有する物理的機械的諸性質
に大きな影響を受けることは知られており、共晶Siの形
態は溶湯を無処理で鋳造すると板状で大きく発達した粗
い共晶Siを形成し、それ故強度、延性等の物理的性質が
低下する欠点がある。このようなことから、Al-Si 合金
溶湯にNa、Sr等の共晶Si微細化剤を添加処理し、所望の
形態の共晶Siを得ようとすることが行われている。

【０００３】しかし上記したような場合、Na、Sr等は空
気中の酸素と反応し易く、或いはまた溶湯中の不純物と
反応して所期の目標特性を発揮する状態となし難いこと
もある。そこで処理後迅速に分析出来る分光分析によっ
てNa、Sr等の含有量を測定し、その含有量を確かめた後
鋳造する方法がとられているが、迅速に測定できる分光
分析法でさえ２０〜３０分の分析時間を要する。また、
含有元素の相互作用、或いはまた同一量のNa、Srであっ
ても他成分の影響を受け、鋳造組織の異なることがあ
り、強度、延性等の鋳造体の有する機械的、物理的諸性
質に大きく影響する。

【０００４】このようなことから近年溶湯の組成を分析
する代わりに、あるいは分析と同時に予め溶湯の冷却曲
線と鋳造組織の形態との相関性を把握し、これらを元デ
ータとしておき、次いで別途溶製した同組成の溶湯の一
部を採取して試料とし、この試料の冷却曲線を測定し、
この冷却曲線を先に予め測定しておいた冷却曲線と鋳造
組織形態の相関性を把握しておいた元データと対比し、
別途溶製した被測定溶湯が凝固したときの鋳造組織の形
態を予測する方法が開発利用されている。すなわちこれ
は、溶湯の凝固時、鋳造組織の形態によって冷却曲線に
僅かなずれを生じることを利用したものであって、この
ような溶湯の凝固時の熱分析を利用した溶湯の測定装置
がすでに市販されている（クロス社製ＡＥメーター）。

【０００５】上記したような方法による測定結果の１例
は図５に示す如くであって、この図５は共晶Si微細化処
理を施していないＡ３５６合金（Al-7％Si-0.3％Mg）に
おける共晶近傍の冷却曲線と共晶Siの形態を示したもの
であって、この共晶温度は約５７１℃であり、過冷温度
１℃以下である。また共晶Si微細化処理を施していない
ので共晶Siの形態は該図６に併せて示したように大きく
粗い。なお図６は、Sr処理した同上Ａ３５６合金の冷却
曲線と共晶Siの形態を示したものであって、この共晶温
度は５６８℃であり、過冷温度は１℃以上であり、また
共晶Siの形態はこの図５に併せて示したように小さく微
細である。即ち図６によればSr添加処理によって共晶Si
が十分に微細化されていることが判る。この冷却曲線と
共晶Siの形態は、上述のような無処理の合金および共晶
Si微細化処理した合金の冷却曲線とそのときの共晶Siの
形態を繰り返し測定することによって、相関関係のある
ことが知られている。

【０００６】なお前記のような原理を利用した測定につ
いては、コンピュータを使用して冷却曲線の第１の変曲
点を示す温度と、第２の変曲点を示す温度（共晶温度と
いう）との差（過冷却温度という）を計算し、この過冷
却温度と共晶温度で当該合金の共晶Si微細化処理が十分
になされているか否かを識別し測定装置の指示部に指示
することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところでこのような冷
却曲線を利用した被測定溶湯の凝固組織の予測は、冷却
曲線を詳細に分析することによって一層詳細に凝固組織
を判別することができる。すなわち、例えば合金に含有
される元素の種類が多く、その元素の含有量が固溶量以
上であれば凝固組織は種々の晶出物を含有し、その合金
の冷却曲線は凝固組織の形態に則したものとなる。しか
しながら該晶出物の形態によって判読できる冷却曲線の
変化は非常に僅かな場合があり、この場合該曲線の僅か
なずれを上述のコンピュータを使用した測定装置で判読
するためには、連続的に勾配を計算しその勾配の変化の
連続性の有無等を比較して判断し、凝固組織を予測する
こととなる。

【０００８】然し、上述したような手法によって求めら
れる勾配の変化はそのときの測定条件、測定雰囲気の安
定性および電気的ノイズ等により変動することも多い。
例えば僅かな風によりその温度における温度位置で冷却
曲線が変化し、その結果凝固組織とは相関性のない温度
変化を読み取ることになって誤った判断をすることとな
る。また電気的ノイズによって冷却曲線が変化する場合
も同様である。さらに、合金の組成によっては別種の晶
出物が互いに近傍の温度で晶出するようなこともあり、
温度変化だけでは何れの晶出物によるものであるか判読
しにくいことがある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記したような
従来技術における課題を解決することについて検討を重
ね、冷却曲線の変化測定について特殊な手法を採用する
ことにより、精度高く、適切な測定結果を得ることに成
功したものであって、以下の如くである。

【００１０】（１）予め得られた互いに対応する冷却曲
線の温度変化と凝固組織に基いて溶湯より採られた試料
の冷却曲線を求め、該冷却曲線の温度変化による非定常
的変曲状態によって前記溶湯の凝固組織を予測するに当
り、該非定常的変曲状態の顕われる温度範囲を規定し、
該温度範囲内において顕われた非定常的変曲状態によっ
て上記溶湯の凝固組織または組織変化に伴う諸特性の変
化を予測管理することを特徴とした金属溶湯の品質管理
方法。

【００１１】（２）予め得られた互いに対応する冷却曲
線の温度変化と凝固組織に基いて溶湯より採られた試料
の冷却曲線を求め、該冷却曲線の温度変化による非定常
的変曲状態によって前記溶湯の凝固組織を予測するに当
り、該非定常的変曲状態の顕われる温度範囲および時間
範囲を規定し、それらの温度範囲および時間範囲内にお
いて顕われた非定常的変曲状態によって上記溶湯の凝固
組織または組織変化に伴う諸特性の変化を予測管理する
ことを特徴とした金属溶湯の品質管理方法。

【００１２】

【作用】予め得られた互いに対応する冷却曲線の温度変
化と凝固組織に基いて溶湯より採られた試料の冷却曲線
を求め、該冷却曲線の温度変化による非定常的変曲状態
によって前記溶湯の凝固組織を予測するに当り、該非定
常的変曲状態の顕われる温度範囲を規定し、該温度範囲
内において顕われた非定常的変曲状態によって上記溶湯
の凝固組織または組織変化に伴う諸特性の変化を予測管
理することにより測定条件や測定雰囲気および電気的ノ
イズなどによる変動と識別し、目的とする凝固組織によ
る温度変化を的確に読み取らしめて正確な品質管理を行
わしめることとなる。

【００１３】前述したような金属溶湯の凝固組織を予測
するに当り、該非定常的変曲状態の顕われる温度範囲お
よび時間範囲を規定し、それらの温度範囲および時間範
囲内において顕われた非定常的変曲状態によって上記溶
湯の凝固組織または組織変化に伴う諸特性の変化を予測
管理することにより前記測定条件などの変動するような
条件においても上述したような的確性を適切に得しめ、
目的とする精度の高い品質管理を有効に行わせる。

【００１４】

【実施例】本発明によるものを添附図面を適宜に参照し
て説明すると、図１は本発明方法を実施するための冷却
曲線測定装置１０であって、１は鋳型であり、該鋳型に
採取された所定容量の合金溶湯３を保持し、これを試料
とする。然して２は熱電対であって、前記鋳型１内の溶
湯試料３についての温度を測定する。また４は熱電対の
起電力の検知および演算解析装置であって、前記熱電対
２の起電力は該起電力の検知および演算解析装置４で温
度換算される。さらに５は判断制御装置であって、該判
断制御装置に設定値を入力して指定した温度範囲または
指定した温度範囲と時間範囲について時間と共に変わる
温度変化を計算し、その変化を設定値と比較して合格、
不合格を判断し、その結果は合格、不合格を表示する合
否表示器７に送って表示される。

【００１５】なお図１における６は、温度および解析結
果表示器であって、前記した熱電対２の起電力の検知お
よび演算解析装置４で温度換算された値および演算解析
された結果を表示し、また記録する記録計である。鋳型
１はその熱容量を管理し、または加熱しつつ採取した定
量の合金溶湯３における凝固速度を被測定溶湯から製品
となる鋳造体の凝固速度と合わせて得られた測定結果
が、被測定溶湯から製品となる鋳造体の凝固組織を正確
に予測せしめることができる。

【００１６】図２は、上記したような図１の冷却曲線測
定装置を用いてＰを７０PPM 添加処理したAl-15 ％Si-
0.7％Mg合金の冷却曲線である。この場合において前記
判断制御装置５に指定する温度範囲については、予め冷
却曲線が測定され、該冷却曲線の温度変化と凝固組織の
相関性の確認されている温度変化の生じる温度を含む範
囲をいう。このようにすることによって、測定条件、測
定雰囲気の安定性および電気的ノイズ等によって乱され
た結果による凝固組織と相関性のない温度変化を測定す
ることによる誤判断を防ぐことができ、僅かな組織変化
に伴う僅かな冷却曲線上の変化を正しく判断することが
できる。

【００１７】なおこの図２に示したものは温度範囲のみ
の規定で略適切に予測目的を達し得る場合であるが、こ
の図２に示したＰを７０PPM 添加処理したようなAl-15
％Si-0.7％Mg合金の共晶組成物に該共晶温度に近い温度
でMg₂Si の如き化合物を晶出するような合金の場合につ
いてその冷却曲線を測定するならば図２に示したような
共晶曲線１１と共に共晶曲線１２とを生ずることとな
る。即ちこのような場合において温度のみを指定範囲
（ａ）とした場合において、この図２に示したように共
晶曲線１１と共晶曲線１２の温度が共に指定範囲（ａ）
内にあるので検出された変曲状態が何れのものによって
生じた曲線であるか判別できないような場合が生ずる。

【００１８】本発明においてはこのような場合において
は温度範囲（ａ）と共に時間範囲（ｂ）をも規定し、そ
うした温度範囲（ａ）と時間範囲（ｂ）内において顕わ
れた変更状態を検出し、それぞれの温度変化を把握でき
判断を誤らないようになる。温度変化の生じる時間は鋳
型１の熱容量、溶湯サンプルの量、溶湯の温度、サンプ
ル治具の温度、必要に応じて鋳型１の加熱出力等をほぼ
一定にしておくことにより適切に予測できる。

【００１９】本発明によるものの代表的管理測定の実施
例について説明すると、以下の如くである。

【実施例１】８００℃の温度に溶解したＡ３９０合金
（Al-17 ％Si-5％Cu-0.5％Mg）の３０ｇを図１に示した
測定装置１０の鋳型１内に採取し、熱電対２を溶湯３内
に挿入して溶湯３の冷却曲線を測定した結果は図３に示
す如くである。

【００２０】即ち、測定装置１０のコントロール装置５
には前もって経験によって得られた初晶Siの晶出温度６
５０℃に対して±１５℃の温度範囲を指定し、この温度
範囲において冷却曲線勾配の変化割合が変わったことを
読み取るようにしたものであって、このように冷却曲線
の勾配の変化割合が変わったことを読み取る位置を温度
範囲指定したことによって、他のところの同じような温
度勾配の変化割合１３を読み取り誤判断することが回避
でき精度を向上することができた。

【００２１】

【実施例２】８００℃の温度に溶解したＡ３５７合金
（Al-7％Si-0.6％Mg）の３０ｇを図１に示す測定装置１
０の鋳型１内に採取し、熱電対２を溶湯３内に挿入して
溶湯３の冷却曲線を測定した。結果の冷却曲線を図４に
示す如くである。

【００２２】即ち、測定装置１０のコントロール装置５
には前もって経験によって得られた共晶Siの晶出温度５
６０℃、およびMg２Si化合物の晶出温度５４０℃に対し
て５７５℃〜５２５℃の温度範囲を指定すると共に、晶
出Siの晶出開始時刻を溶湯３の溶湯温度７５０℃を開始
時刻として3.5 ±１分、およびMg２Si化合物の晶出開始
時刻を同様に９±１分を指定し、この温度範囲と時間範
囲の複合において冷却曲線の勾配の変化割合が変わった
ことを読み取るようにした。

【００２３】即ち、何れにしても、このように冷却曲線
の勾配の変化割合が変わったことを読み取る位置を範囲
指定したことによって、共晶による冷却曲線の勾配の変
化割合の変化と、Mg２Si化合物の晶出による冷却曲線の
勾配の変化割合の変化とを読み間違えることなく、精度
の向上した測定をなすことができた。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したような本発明によるときは
このような金属溶湯の温度変化による冷却曲線を測定
し、その非定常的変曲状態によって凝固組織や鋳造性ま
たは機械的性質などを求める品質管理方法において、そ
の精度を適切に向上し、有効な品質管理を実施し得るも
のであるから工業的にその効果の大きい発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施する冷却曲線測定装置の説明
図である。

【図２】図１の装置によってＰを７０PPM 添加処理した
Al-15 ％Si-0.7％Mg合金の冷却曲線を求めた結果の図表
である。

【図３】Ａ３９０合金を本発明により温度範囲を規定し
て冷却曲線の非定常的変曲状態を求めた結果の図表であ
る。

【図４】Ａ３５７合金を本発明による温度範囲と時間範
囲とを規定して冷却曲線の非定常的変曲状態を求めた結
果の図表である。

【図５】共晶Si微細化処理を施してないＡ３５６合金の
共晶近傍における冷却曲線とその共晶Siの顕微鏡的形態
を併せて示した図表である。

【図６】Sr処理した上記Ａ３５６合金の冷却曲線と共晶
Siの顕微鏡的形態とを併せて示した図表である。

【符号の説明】

１ 鋳型 ２ 熱電対 ３ 合金溶湯 ４ 起電力の検知および演算解析装置 ５ 判断制御装置 ６ 温度および解析結果表示器 ７ 合格、不合格を表示する合否表示器 １０ 測定装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山脇 慧 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 株式会社日軽技研内 (72)発明者 長沢 一正 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 日軽情報システム株式会社静岡事業所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 予め得られた互いに対応する冷却曲線の
   温度変化と凝固組織に基いて溶湯より採られた試料の冷
   却曲線を求め、該冷却曲線の温度変化による非定常的変
   曲状態によって前記溶湯の凝固組織を予測するに当り、
   該非定常的変曲状態の顕われる温度範囲を規定し、該温
   度範囲内において顕われた非定常的変曲状態によって上
   記溶湯の凝固組織または組織変化に伴う諸特性の変化を
   予測管理することを特徴とした金属溶湯の品質管理方
   法。
2. 【請求項２】 予め得られた互いに対応する冷却曲線の
   温度変化と凝固組織に基いて溶湯より採られた試料の冷
   却曲線を求め、該冷却曲線の温度変化による非定常的変
   曲状態によって前記溶湯の凝固組織を予測するに当り、
   該非定常的変曲状態の顕われる温度範囲および時間範囲
   を規定し、それらの温度範囲および時間範囲内において
   顕われた非定常的変曲状態によって上記溶湯の凝固組織
   または組織変化に伴う諸特性の変化を予測管理すること
   を特徴とした金属溶湯の品質管理方法。