JPH07229892A - 過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の発光分光分析用試料の採取方法及び凝固装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の合金元素含有量を高
精度で且つ迅速に測定できる発光分光分析用試料を得
る。 【構成】 Ｐ／Ｃａ重量比が０．６〜６の条件下でＰ含
有量及びＣａ含有量をそれぞれ４０〜１３０ｐｐｍ及び
６〜１２０ｐｐｍに調整した過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯
を断熱性鋳型に注入し、一方向凝固で鋳塊とする。この
鋳塊から発光分光分析用試料を採取する。鋳塊の端面に
冷却水を直接噴射させて冷却する際、冷却水の断熱性鋳
型への滲み込みを遮断するツバ状突起が鋳塊の下部に形
成される鋳塊形状が好ましい。 【効果】 初晶Ｓｉが微細で均一に分散した組織を分析
面とするため、偏析に起因した誤差要因が取り込まれる
ことなく、信頼性の高い分析値が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高精度で過共晶Ａｌ−
Ｓｉ合金を分析することに適した発光分光分析用試料の
採取方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】合金組成を迅速に分析するため、被分析
試料に含まれている各元素のスペクトル強度比からその
含有量を求める発光分光分析が各種元素の分析に使用さ
れている。発光分光分析では、標準試料に含まれている
各元素の含有量とその元素のスペクトル強度比との関係
を予め求めた検量線を作成しておき、その検量線に被分
析試料のスペクトル強度比を内挿する。そして、このス
ペクトル強度比に対応する元素の含有量を割り出す。発
光分光分析の精度は、予め作成していた検量線の正確さ
に大きく影響される。そのため、高精度の分析結果を得
る上では、元素含有量がすでに知られており且つ均一な
組成をもつ標準試料が必要となる。発光分光分析に使用
される標準試料は、合金溶湯を金型に鋳込んで得られた
鋳物や、水冷式半連続鋳造法で得られた小径の鋳造棒か
ら、たとえば直径４０〜６０ｍｍ及び厚み２０〜５０ｍ
ｍのディスクに切り出される。この試料を化学分析して
標準値を求め、標準値とする。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】標準試料は、分析しよ
うとする各種合金ごとに用意される。しかし、偏析傾向
が大きな過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金では、正確な検量線を作
成するために必要な標準試料の採取が困難である。たと
えば、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を小径の鋳造棒に鋳込んだ
ものでは、共晶量以上のＳｉを含んでいることから、初
晶Ｓｉが偏析し易く、晶出物のサイズも不揃いになって
いる。そのため、切り出された試料ごとでＳｉ含有量に
大きなバラツキが生じ、検量線の正確さが低下する。そ
の結果、化学分析で得られる実際のＳｉ分析値と発光分
光分析値との間にバラツキが大きくなり、操業時に組成
をコントロールすることが困難になっていた。本発明者
等は、偏析による影響を抑制するため、急冷凝固した粉
末を成形することによって作製された標準試料を特願平
１−１２８４３６号で提案した。急冷凝固した粉末から
作製された成形体は、偏析が非常に少なく、正確な検量
線を得る上で好適な標準試料となる。そのため、分析装
置によって生じる日々のドリフト強度の変動等の外乱要
因を取り込んだ補正も正確に行うことができる。

【０００４】しかし、急冷凝固した粉末から得られた標
準試料を使用した検量線であっても、被分析試料が現場
において従来通り金型で鋳造されることから、被分析試
料中の著しい偏析が防止できない。そのため、より高精
度の分析結果を得る場合、依然として偏析に起因した問
題が残っている。しかし、迅速な分析が要求される鋳造
現場では、金型に鋳造する以外に適当な方法がない。そ
のため、高精度の分析が要求される場合、高価で且つ時
間のかかる化学分析に頼らざるを得ない現状である。本
発明は、このような問題を解消すべく案出されたもので
あり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯のＰ含有量，Ｃａ含有
量及びＰ／Ｃａ重量比を規制すると共に、鋳型内部にお
ける冷却・凝固条件を制御することにより、初晶Ｓｉの
偏析に起因した影響を極めて低く抑えた過共晶Ａｌ−Ｓ
ｉ合金の発光分光分析用試料を得ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の発光分光分析用
試料採取方法は、その目的を達成するため、合金組成計
算値でＰ／Ｃａ重量比が０．６〜６の条件下でＰ含有量
及びＣａ含有量をそれぞれ４０〜１３０ｐｐｍ及び６〜
１２０ｐｐｍに調整した過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を断
熱性鋳型に注入し、前記合金溶湯を一方向凝固させて鋳
塊とし、該鋳塊から発光分光分析用試料を採取すること
を特徴とする。過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯は、断熱性鋳
型に注入される直前で必要に応じＰ及び／又はＣａを添
加し、合金組成計算値でＰ／Ｃａ重量比：０．６〜６，
Ｐ含有量：４０〜１３０ｐｐｍ及びＣａ含有量：６〜１
２０ｐｐｍに調整される。断熱性鋳型に注入された過共
晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯は、鋳型下部から供給される冷却
水で冷却することによって一方向凝固させる。なお、合
金組成計算値とは、溶解原料やルツボで添加される母合
金の組成から計算される値をいう。

【０００６】分析用試料が採取される鋳塊を鋳造する一
方向凝固装置は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯がＰ含有
量，Ｃａ含有量及びＰ／Ｃａ重量比に関する条件を満足
する場合には、溶解炉から断熱性鋳型に合金溶湯を直接
注入する。他方、Ｐ含有量，Ｃａ含有量及びＰ／Ｃａ重
量比に関する条件を満足しない合金溶湯では、一旦ルツ
ボに取り、ルツボ内でＰ及び／又はＣａの添加によって
Ｐ含有量，Ｃａ含有量及びＰ／Ｃａ重量比に関する条件
を満足させる。この一方向凝固装置は、過共晶Ａｌ−Ｓ
ｉ合金溶湯を必要に応じて保持するルツボと、該ルツボ
から流下した前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯が注入され
る断熱性鋳型と、該断熱性鋳型の下部外周に装着された
金属体と、ベースプレートを介し前記金属体に対向して
離脱可能に配置されるチル板と、該チル板の下面に冷却
水が直接噴射されるように配置したノズルとを備え、鋳
型キャビティの一部としてツバ状空間部が前記金属体と
前記ベースプレートとの間に形成されるように、前記ベ
ースプレートに対向する前記金属体の面に凹部が形成さ
れている。

【０００７】

【作用】過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金から金型鋳造で分析用試
料を作製するとき、Ｓｉ濃度にもよるが３０〜６０μｍ
の巨大な初晶Ｓｉが晶出する。また、金型と鋳塊との間
に形成されるエアギャップによって、冷却速度が鋳型内
の部分によって不均一になり、著しい偏析が生じる。そ
の結果、金型鋳造で得られた鋳塊から採取された試料を
発光分光分析すると、分析値が大きくばらつくことにな
る。鋳塊に直接冷却水を噴射させて冷却速度を上昇させ
るＤＣ鋳造によるとき、不均一なエアギャップの生成を
抑制できる。そのため、ＤＣ鋳造は、初晶Ｓｉのサイズ
を小さくし、偏析を軽減する上で有効な鋳造法である。
しかし、発光分光分析用試料を採取するためにＤＣ鋳造
機を用意することは、スペース面や経済面等から考える
とき実用的な解決策ではない。

【０００８】ところで、本発明者等は、過共晶Ａｌ−Ｓ
ｉ合金溶湯にＰ／Ｃａ重量比＝０．６〜６の条件下で４
０〜１３０ｐｐｍのＰ及び６〜１２０ｐｐｍのＣａを含
有させたとき、初晶Ｓｉが微細で均一に晶出した鋳塊が
得られることを見い出し、特願平４−２４４２５９号と
して出願した。本発明は、このＰ及びＣａが初晶Ｓｉに
与える影響に着目し、Ｐ及びＣａの含有量規制と一方向
凝固法とを組み合わせたものであり、正確なＳｉの分析
値が得られる発光分光分析用試料が手軽に作製される。
一方向凝固法は、コンパクト且つ安価な設備でＤＣ鋳造
と同様に鋳塊に直接冷却水を噴射させることができ、エ
アギャップの形成がなく、ＤＣ鋳造に近い冷却速度が得
られる。鋳塊は、より微細で均質に初晶Ｓｉが分散した
組織となる。本発明で規定する範囲でＰ及びＣａを含有
する過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を一方向凝固させると、
初晶Ｓｉの粒径が２０μｍ以下になる。そのため、発光
分光分析による分析値は、バラツキが少なく、化学分析
値に近い値になる。

【０００９】そこで、溶解炉で溶製された過共晶Ａｌ−
Ｓｉ合金溶湯の合金組成計算値がＰ含有量：４０〜１３
０ｐｐｍ，Ｃａ含有量：６〜１２０ｐｐｍ及びＰ／Ｃａ
重量比：０．６〜６であるとき、溶湯をそのまま柄杓で
汲み出し、断熱性鋳型に流し込んで一方向凝固させ、発
光分光分析用試料となる鋳塊を得る。他方、溶解炉で溶
製された過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯が合金組成計算値と
してＰ含有量，Ｃａ含有量及び／又はＰ／Ｃａ重量比に
関する条件を満足していないとき、溶解炉からルツボに
溶湯を一旦移し取る。そして、ルツボ内の溶湯にＰ及び
／又はＣａを添加し、合金組成計算値としてＰ含有量：
４０〜１３０ｐｐｍ，Ｃａ含有量：６〜１２０ｐｐｍ及
びＰ／Ｃａ重量比：０．６〜６に調整した後、断熱性鋳
型に注入し一方向凝固させる。ここで、Ｃａ，Ｐ等が規
定量より多い場合、たとえばルツボ内の溶湯を塩素ガス
で処理し、Ｃａ，Ｐ等を飛ばして規制値に入れる。塩素
ガス処理時間とＣａ，Ｐ等の含有量を予め把握しておく
と、処理時間の選定により必要なＣａ含有量，Ｐ含有量
及びＰ／Ｃａ重量比が得られる。

【００１０】Ｃａの添加 一方向凝固装置のルツボ内で過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金にＣ
ａを添加する場合、合金組成目標の計算値で添加する。
Ｃａは、Ｃａを含有するＡｌ−Ｃａ系等の母合金，化合
物，混合物等として塊状，棒状，線状，粉末状，顆粒
状，溶融状等の形態で添加される。Ｐの添加 一方向凝固装置のルツボ内で過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金にＰ
を添加する場合、合金組成目標の計算値で添加する。Ｐ
は、Ｐ含有母合金，化合物，混合物等を塊状，棒状，線
状，粉末状，顆粒状，溶融状等の形態で添加される。Ｐ／Ｃａ重量比 Ｐ／Ｃａ重量比は、微細化効果に大きな影響をもつ因子
である。Ｐ／Ｃａを重量比で０．６〜６の範囲に維持す
ることにより、初晶Ｓｉの微細化に有効なＣａ−Ｐ化合
物が生成されるものと推察される。すなわち、生成した
Ｃａ−Ｐ化合物が微細な核として合金中に均一分散し、
この核を起点として初晶Ｓｉが晶出する。その結果、微
細な鋳造組織が得られる。Ｐ／Ｃａ重量比が０．６未満
では、初晶Ｓｉの結晶核として働く作用をもたないＣａ
濃度の高いＣａ−Ｐが形成され、長時間溶湯保持等によ
ってＣａ−Ｐ化合物中のＣａが減少すると好ましい状態
になり、結晶核としての作用を呈するものと考えられ
る。逆に、Ｐ／Ｃａ重量比が６を超えると、Ｃａが不足
し、形成されるＣａ−Ｐ化合物の個数が不足する。この
Ｐ／Ｃａ重量比も、合金組成目標の計算値でコントロー
ルされる。

【００１１】Ｓｉ含有量 初晶Ｓｉは、Ｓｉ含有量が１３重量％以上の過共晶Ａｌ
−Ｓｉ合金において晶出する。したがって、Ｃａ及びＰ
により初晶Ｓｉが微細化する現象は、Ｓｉ含有量が１３
以上の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金にみられ、Ｓｉ含有量が１
３重量％未満の組成ではＰ及びＣａによる微細化作用は
発揮されない。また、Ｓｉ含有量が２１重量％を超える
と、適正量のＰ及びＣａが含有されていても、初晶Ｓｉ
が十分に微細化されない。そのため、一方向凝固で得ら
れる発光分光分析用試料としては、１３〜２１重量％の
Ｓｉを含むものが好適である。鋳造温度 溶湯を断熱性鋳型に注入する鋳造温度は、高い冷却速度
による微細化効果が得られる範囲で、可能な限り高くす
ることが好ましい。具体的には、Ｓｉ含有量等の過共晶
Ａｌ−Ｓｉ合金の成分及び含有量にもよるが、少なくと
もＡｌ−Ｓｉ二元系状態図の液相線＋（７０〜１７０）
℃の温度範囲に鋳造温度を設定する。Ｃａ及びＰの微細
化作用を有効に発揮させる上で、Ｓｉが十分に溶解する
ように過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を液相線＋７０℃以上
の温度で鋳造することが好ましい。溶湯温度が液相線＋
７０℃より低いと、初晶Ｓｉを微細化させるＰ及びＣａ
の作用が低下する。したがって、溶製された合金溶湯の
温度が液相線＋７０℃より低い場合、均一な一方向凝固
を行わせる上から、採取した合金溶湯を加熱する必要が
ある。

【００１２】使用する鋳造装置 本発明に従った鋳造装置は、たとえば図１に示すよう
に、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を収容するルツボ１０の
下方に一方向凝固装置２０を配置し、下方から鋳型キャ
ビティ４０に注湯された溶湯を冷却する冷却機構３０を
備えている。ルツボ１０は、ストッパー１１で閉塞可能
な給湯口１２が底部に設けられ、電気炉１５内に配置さ
れる。ルツボ１０に収容される過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶
湯は、ルツボ１０を取り囲んだヒータ１３で所定温度に
加熱保持され、注湯直前に適量のＰ及び／又はＣａが必
要に応じて添加される。また、場合によってはＰ含有量
及びＣａ含有量を低減するため、塩素処理される。給湯
口１２は、電気炉１５の開口部１４に臨んでいる。図示
した一方向凝固装置２０は、断熱性鋳型２１の下部外周
に金属体２２を装着している。断熱性鋳型２１は、ケイ
酸カルシウム系等の耐火断熱材で作製され、たとえば内
径及び高さが３０〜６０ｍｍで肉厚６〜２０ｍｍの円筒
形状に成形される。円筒形状に代え、正方形，多角形等
の断面形状をもつ断熱性鋳型を使用することも可能であ
る。金属体２２の下端内面に、凹部２３が形成されてい
る。凹部２３は、金属体２２の下端面をベースプレート
２４に接触させたとき、鋳型キャビティ４０の一部とな
るツバ状空間部４１を形成する。

【００１３】凹部２３は、図示するように外側に向かっ
て薄くなる傾斜断面形状の他に、等厚で断熱性鋳型２１
と同心円状に広がったものでもよい。凹部２３のサイズ
は、断熱性鋳型２１の外径より大きい限り半径方向に沿
った長さに関する制約はなく、一方向凝固時にツバ状空
間部４１に入った鋳塊に厚み５ｍｍ以下のツバ状突起が
形成されるように定めることが好ましい。ツバ状突起の
厚みが５ｍｍを超えると、凹部２３に送り込まれた合金
溶湯の保有熱による影響が大きく現れ、鋳型キャビティ
４０内にある溶湯の一方向凝固・冷却が乱される。金属
体２２に接触するベースプレート２４は、板厚が１０ｍ
ｍ程度の金属平板の中央に開口部２５が形成されてい
る。開口部２５は、断熱性鋳型２１の内径とほぼ同じ３
０〜６０ｍｍの直径を持つ。これによって、直径３０〜
６０ｍｍの円筒状鋳塊の途中に、凹部２３に対応したツ
バ状突起をもった発光分光分析用試料となる鋳塊が形成
される。

【００１４】鋳型キャビティ４０は、内径３０〜６０ｍ
ｍ及び高さ３０〜６０ｍｍの高さを持つことが好まし
い。内径が３０ｍｍより小さいと、横方向からの冷却の
影響を強く受け、分析位置に応じて分析結果にバラツキ
を生じさせる原因になり易い。高さが３０ｍｍより小さ
いキャビティでは、上部からの冷却の影響を強く受け、
分析位置に応じて分析結果にバラツキを生じさせる原因
になり易い。逆に６０ｍｍを超える内径又は高さは、装
置が大きくなることから好ましくない。ベースプレート
２４の下面にチル板３１をセットすると、開口部２５が
閉塞される。チル板３１は、ベースプレート２４に対し
矢印方向にスライドでき、水源（図示せず）に接続され
たノズル３２から冷却水３３が噴射される。

【００１５】冷却条件 鋳型キャビティ４０に注入された過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金
溶湯は、チル板３１に接触している側から冷却・凝固す
る。チル板３１での冷却により合金溶湯にシェルが形成
された後、チル板３１をベースプレート２４に沿って移
動させて開口部２５を解放し、シェルに冷却水３３を直
接噴射させる。これにより、合金溶湯は、上方に向かっ
てシェル部から一方向凝固を開始する。鋳型キャビティ
４０にある合金溶湯が完全に凝固した後、断熱性鋳型２
１及び金属体２２と共に鋳塊をベースプレート２４から
外し、次いで鋳塊から断熱性鋳型２１及び金属体２２を
外す。シェルに直接吹き付ける冷却水３３の噴射量は、
一方向凝固を促進させる上で多いほど好ましく、たとえ
ば５リットル／分以上の流量が採用される。

【００１６】鋳型キャビティ４０への注湯からチル板３
１を引き抜くまでの時間は、通常０．５〜１．５分に設
定される。この時間が０．５分より短いと、十分なシェ
ルが成長せず、冷却水３３を直接噴射したときに湯漏れ
の原因となる。逆に１．５分を超える時間では、シェル
が過度に厚く成長し、不均一凝固の原因であるエアギャ
ップがシェルとチル板３１との間に生じる。シェルに直
接噴射された冷却水３３は、凝固時にツバ状突起で遮ら
れ、ツバ状突起より上方の断熱性鋳型２１の外周面に達
することはない。そのため、チル板３１を取り外した後
の冷却過程でも、外周面から溶湯が冷却されることな
く、下面側からの一方向凝固が継続する。このようにし
て過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を一方向凝固・冷却させる
ため、得られた鋳塊は、初晶Ｓｉが微細に且つ均一に分
布した組織を持っている。鋳塊から採取される発光分光
分析用試料は、作製の容易性を考慮すると円形断面を持
つものが好適であるが、正方形，多角形等の断面を持つ
試料を作製することも可能である。

【００１７】溶解炉で溶製される溶湯のＰ含有量，Ｃａ
含有量及びＰ／Ｃａ重量比共に所定の合金組成計算値を
満足するとき、溶解炉から鋳型キャビティ４０に溶湯を
柄杓等で直接注湯し、一方向凝固させる。Ｐ含有量，Ｃ
ａ含有量又はＰ／Ｃａ重量比が所定の合金組成計算値を
満足していない溶湯は、一旦ルツボ１０に移し取り、ル
ツボ１０内で合金組成計算値でＰ含有量，Ｃａ含有量及
びＰ／Ｃａ重量比を調整する。調整後の溶湯は、ストッ
パー１１を外すことによりルツボ１０から鋳型キャビテ
ィ４０に注湯される。断熱性鋳型２１は、一方向凝固装
置２０にセットした後、適宜の予熱装置（図示せず）に
より周面からの加熱で予熱しても良い。ここで使用され
る予熱装置は、注湯時には断熱性鋳型２１から取り外さ
れる。

【００１８】分析位置 分析面４２は、チル板３１の表面と平行に、チル板３１
の表面から２〜１０ｍｍの距離に設定することが好まし
い。この位置では、成分が均質で且つ初晶Ｓｉが微細に
晶出した組織であることから、発光分光分析用試料とし
て安定した分析値を示す。チル板３１の表面からの距離
が２ｍｍ未満の分析面４２では、チル板３１で凝固した
シェルの不均質部分を含む分析結果が得られ、分析精度
を低下させる。逆に１０ｍｍより離れた位置を分析面４
２とすると、初晶Ｓｉが粗く不均一に分布した組織が分
析対象とされるので、偏析による影響を受け易く分析精
度が低下する。分析面４２は、機械的な面削によって作
成される。得られた分析用試料を用いて発光分光分析す
ると、Ｓｉ含有量が正確に測定される。また、Ｓｉ以外
の他の合金元素についても、金型鋳造による鋳塊やＰ，
Ｃａ含有量を適正に含まない合金溶湯から作成された試
料に比較して、分析値のバラツキ（標準偏差）が小さい
傾向を示す。この点から、本発明に従って採取された過
共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の分析用試料は、Ｓｉ以外の元素を
分析する上でも有効である。

【００１９】

【実施例】

実施例１：次に掲げるように、種々に調製したＳｉ：１
７重量％，Ｃｕ：４．５重量％及びＭｇ：０．５重量％
のＡ３９０合金を異なる鋳造条件で鋳造し、分析用試料
を採取した。Ｐを７０ｐｐｍ含有するＡ３９０合金を溶
解炉で溶解し、柄杓で汲み出した後、鋳造温度７８０℃
で直径５５ｍｍ及び高さ１０ｍｍの鋳鉄製金型に鋳造し
た。また、Ｃａ濃度２５ｐｐｍを目標としてＡｌ−５％
Ｃａ母合金を残りの溶湯に添加し、同じ金型に鋳造し
た。Ｐを１００ｐｐｍ含むＡ３９０合金５０ｋｇを７８
０℃で保持炉に溶解し、保持炉から採取した溶湯の一部
を同じサイズの鋳鉄製金型に鋳造した。同じ溶湯の一部
を、一方向凝固装置２０（図１）の断熱性鋳型２１に直
接注湯し、３０秒後にチル板３１を引き抜き、直径５０
ｍｍ及び高さ５０ｍｍの鋳塊を得た。

【００２０】また、保持炉から２ｋｇの溶湯をルツボ１
０に採取し、Ｃａを５０ｐｐｍ目標でルツボ１０に添加
した後、電気炉１５のヒータ１３で加熱した。溶湯温度
が７８０℃に達した時点でストッパー１１を外し、同じ
条件下で断熱性鋳型２０に注湯し、直径５０ｍｍ及び高
さ５０ｍｍの鋳塊を得た。各鋳塊の底部を３ｍｍ面削し
た後、面削面を発光分光分析した。一部の鋳塊につい
て、底面から２０ｍｍ面削した試料を作製した。発光分
光分析に際しては、粉末材の標準試料で求めた検量線を
用い、且つドリフト強度補正用にも粉末材の標準試料を
使用した。表１には、合金組成計算値として合金溶湯の
Ｐ及びＣａ含有量，Ｐ／Ｃａ重量比，鋳造方法及び分析
位置を示す。表２には、発光分光分析で求められたＳｉ
の分析結果を示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】金型鋳造した試験番号１〜３では、適正量
のＰ及びＣａが含まれているか否かに拘らず、表２に示
すように標準偏差ｓが大きくなった。すなわち、繰返し
測定ごとにバラツキが大きく、測定結果の信頼性が低い
ことが示されている。Ｐのみが含まれている試験番号
４，５では、一方向凝固によっても分析結果にバラツキ
（標準偏差）が大きくなっている。適正量のＰ及びＣａ
が含まれている合金溶湯を一方向凝固させた試験番号
６，７では、分析値のバラツキ（標準偏差）が小さく、
信頼性の高い分析結果が得られていることが判る。同じ
合金溶湯を一方向凝固させた場合でも、鋳塊の底部から
２０ｍｍの位置を分析した試験番号８，９では、バラツ
キ（標準偏差）が若干大きくなっている。

【００２４】発光分光分析した部分の組織を光学顕微鏡
で観察すると、金型鋳造した試験番号１〜３では初晶Ｓ
ｉが約２０μｍと比較的粗く、分布も不均一であった。
これに対し、Ｐ／Ｃａ重量比が制御されていない合金溶
湯を一方向凝固で直接水冷した試験番号４，５では、初
晶Ｓｉが１０μｍ程度まで微細になっているものの、そ
の分布が不均一であった。Ｐ及びＣａが適正に含まれて
いる合金溶湯を一方向凝固した試験番号６，７では、初
晶Ｓｉが１０μｍ以下と更に微細になると共に、分布も
非常に均一であった。しかし、同じ一方向凝固した鋳塊
であっても、鋳塊の底面から２０ｍｍの位置で分析した
試験番号８，９では、初晶Ｓｉが約２５μｍと粗くなっ
ており、且つ分布も不均一になっていた。

【００２５】鋳塊の高さ方向に関して初晶Ｓｉの粒径を
調査したところ、初晶Ｓｉは、底面から１０ｍｍを超え
たところで急激に粗くなり、分布も不均一化した。ま
た、底面から２ｍｍまではチル板３１で冷却されたシェ
ル層が生成しており、この部分での初晶Ｓｉは不均一に
分布していた。したがって、この部分を面削除去し、分
析面４２を出すことが必要である。以上のことから、Ｐ
及びＣａを適正に含有させた過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯
を一方向凝固させ、得られた鋳塊の底面から２〜１０ｍ
ｍまでの高さに分析位置をとるとき、極めて信頼性の高
い発光分光分析結果が得られることが判った。

【００２６】実施例２：Ｓｉ：１９重量％，Ｃｕ：１．
７重量％及びＭｇ：１．５重量％を含むＡＣ９Ｂ合金
を、次のように調製すると共に、異なる条件下で鋳造し
た。Ｐを７０ｐｐｍ含有させたＡＣ９Ｂ合金溶湯をルツ
ボ１０に用意し、その一部を８００℃で直径５５ｍｍ及
び高さ１０ｍｍの鋳鉄製金型に鋳造した。Ｃａ濃度４０
ｐｐｍを目標としてＡｌ−５％Ｃａ母合金を残りの溶湯
に添加し、同じ鋳鉄製金型に鋳造した。Ｐを含有しない
ＡＣ９Ｂ合金５０ｋｇを保持炉で７８０℃に溶解し、保
持炉から電気炉１５内にセットしたルツボ１０に採取し
た。合金溶湯を８００℃まで加熱した後、一部を直径５
５ｍｍ及び高さ１０ｍｍの鋳鉄製金型に鋳造した。ま
た、一部を一方向凝固装置２０（図１）の断熱性鋳型２
１に注湯し、３０秒後にチル板３１を引き抜き、直径５
０ｍｍ及び高さ５０ｍｍの鋳塊を得た。

【００２７】別に保持炉から２ｋｇの合金溶湯を断熱性
鋳型２１の直上に設置した電気炉内のルツボ１０に採取
し、８００℃に加熱した後、Ｃａ濃度５０ｐｐｍ及びＰ
濃度５０ｐｐｍを目標としてＡｌ−５％Ｃａ母合金及び
Ａｌ−１９％Ｃｕ−１．４％Ｐ母合金を添加した。次い
で、同じ条件下で一方向凝固装置２０の断熱性鋳型２１
に注湯し、直径５０ｍｍ及び高さ５０ｍｍの鋳塊を得
た。各鋳塊の底部を３ｍｍ面削した後、面削面を発光分
光分析した。一部の鋳塊については、底部から２０ｍｍ
面削して、発光分光分析に供した。表３には、ＡＣ９Ｂ
合金溶湯の合金組成計算値としてのＰ及びＣａ含有量，
Ｐ／Ｃａ重量比，鋳造方法及び分析位置を示す。表４に
は、発光分光分析で求められたＳｉの分析結果を示す。

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】金型鋳造した試験番号１０〜１２では、Ｃ
ａ及びＰが適正に含まれているか否かに拘らず、標準偏
差ｓが大きくなっていた。すなわち、繰返し測定ごとに
バラツキ（標準偏差）が大きく、測定結果に信頼性が低
い。Ｐのみを適正量で含む合金溶湯を一方向凝固させた
試験番号１３，１４では、標準偏差ｓが大きくなってい
た。適性量のＰ及びＣａを含む合金溶湯を一方向凝固さ
せた試験番号１５，１６では、標準偏差ｓが小さく、高
信頼性の分析結果が得られた。しかし、適性量のＰ及び
Ｃａを含む合金溶湯を一方向凝固させた場合でも、鋳塊
底部から２０ｍｍの位置を分析した試験番号１７，１８
では、標準偏差が若干大きくなっており、分析結果の信
頼性が低下していた。

【００３１】発光分光分析した部分の組織を光学顕微鏡
で観察すると、金型鋳造した試験番号１０〜１２では初
晶Ｓｉが約３０μｍと比較的粗く、分布も不均一であっ
た。これに対し、Ｐ／Ｃａ重量比が制御されていない合
金溶湯を一方向凝固で直接水冷した試験番号１３，１４
では、初晶Ｓｉが３０μｍ程度まで微細になっているも
のの、その分布が不均一であった。Ｐ及びＣａが適正に
含まれている合金溶湯を一方向凝固した試験番号１５，
１６では、初晶Ｓｉが１５μｍ以下と非常に微細化され
ていると共に、その分布も非常に均一であった。しか
し、同じ一方向凝固した鋳塊であっても、鋳塊の底面か
ら２０ｍｍの位置で分析した試験番号１７，１８では、
初晶Ｓｉが約２７μｍと粗くなっており、且つ分布も不
均一になっていた。また、底面から２ｍｍまではチル板
３１で冷却されたシェル層が生成しており、この部分で
の初晶Ｓｉは不均一に分布していた。したがって、この
部分を面削除去し、分析面４２を出すことが必要であ
る。

【００３２】実施例３：試験番号３，４，６（Ａ３９０
合金）と試験番号１２，１３，１５（ＡＣ９Ｂ合金）に
ついて、他の合金元素Ｆｅ，Ｍｇ及びＣｕを分析した。
適性量のＰ及びＣａを含む合金溶湯を一方向凝固させた
鋳塊から採取された試料６，１５を分析したときの分析
結果は、金型鋳造による鋳塊やＰ及びＣａの含有量が適
正でない合金溶湯を一方向凝固させた鋳塊から得られた
試料３，４，１２，１３を分析した場合に比較して、表
５に示すようにバラツキの少ない分析値を示した。この
ことから、本発明に従って採取された試料は、Ｓｉ以外
の合金元素の分析にも有効であることが判る。

【００３３】

【表５】

【００３４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、Ｐ含有量，Ｃａ含有量及びＰ／Ｃａ重量比の調整し
た過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を一方向凝固させることに
より、微細な初晶Ｓｉが均一に分散した組織をもつ鋳塊
が得られる。この鋳塊から採取された試料は、分光分析
結果の誤差要因となる偏析がないため、信頼性の高い発
光分光分析用試料として合金元素の含有量測定に使用さ
れる。また、分析時間が短時間であることから、操業条
件の制御もオンタイムで行うことができる。しかも、こ
の系の合金の組成測定では、従来では化学分析に頼らざ
るを得なかったものが、発光分光分析が可能になったこ
とからコストの大幅な削減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従った発光分光分析用試料となる鋳
塊を製造する装置

【符号の説明】

１０：ルツボ １５：電気炉 ２０：一
方向凝固装置 ２１：断熱性鋳型 ２２：金属体 ２３：凹
部 ２４：ベースプレート ３０：冷却機構 ３１：チ
ル板 ３２：ノズル ３３：冷却水 ４０：鋳
型キャビティ ４１：ツバ状空間部 ４２：分析面

フロントページの続き (72)発明者 瀬尾 伸城 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 堀川 宏 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

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶解炉で合金組成計算値としてＰ／Ｃａ
   重量比が０．６〜６の条件下でＰ含有量及びＣａ含有量
   をそれぞれ４０〜１３０ｐｐｍ及び６〜１２０ｐｐｍに
   調整された過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を断熱性鋳型に注
   入し、前記合金溶湯を一方向凝固させて鋳塊とし、該鋳
   塊から発光分光分析用試料を採取する過共晶Ａｌ−Ｓｉ
   合金の発光分光分析用試料の採取方法。
2. 【請求項２】 溶解炉で溶製された過共晶Ａｌ−Ｓｉ合
   金溶湯をルツボに移し、ルツボ中の溶湯にＰ及び／又は
   Ｃａを添加し、合金組成計算値としてＰ／Ｃａ重量比：
   ０．６〜６，Ｐ含有量：４０〜１３０ｐｐｍ及びＣａ含
   有量：６〜１２０ｐｐｍに調整した後、断熱性鋳型に注
   入し、前記合金溶湯を一方向凝固させて鋳塊とし、該鋳
   塊から発光分光分析用試料を採取する過共晶Ａｌ−Ｓｉ
   合金の発光分光分析用試料の採取方法。
3. 【請求項３】 断熱性鋳型に注入された過共晶Ａｌ−Ｓ
   ｉ合金溶湯を、鋳型下部から供給される冷却水で直接冷
   却し、一方向凝固させる請求項１又は２記載の発光分光
   分析用試料の採取方法。
4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れかに記載の鋳塊を面
   削し、冷却側端面から２〜１０ｍｍの位置を分析面とす
   る発光分光分析用試料の採取方法。
5. 【請求項５】 溶解炉から溶湯が注入される断熱性鋳型
   と、該断熱性鋳型の下部外周に装着された金属体と、ベ
   ースプレートを介し前記金属体に対向して離脱可能に配
   置されるチル板と、該チル板の下面に冷却水を直接噴射
   させるように配置したノズルとを備え、鋳型キャビティ
   の一部としてツバ状空間部が前記金属体と前記ベースプ
   レートとの間に形成されるように、前記ベースプレート
   に対向する前記金属体の表面に凹部が形成されている発
   光分光分析用試料採取一方向凝固装置。
6. 【請求項６】 溶解炉から採取された過共晶Ａｌ−Ｓｉ
   合金を保持し、Ｐ及び／又はＣａを添加するルツボと、
   該ルツボを加熱する電気炉とを備え、前記ルツボの底部
   から前記過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯が断熱性鋳型に注入
   されるように、前記ルツボの下方に断熱性鋳型を配置し
   た請求項５記載の一方向凝固装置。