JP2002505417A - 溶融金属の熱分析装置および方法 - Google Patents
溶融金属の熱分析装置および方法Info
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
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-
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Abstract
(57)【要約】
２つの熱電対を含む溶融金属の熱分析装置が記載される。この装置は、一方の熱電対（３）が中央部を延在するように配置された球形キャビティ（２）と、キャビティ（２）に通じる円筒ダクト（５）と、キャビティ（２）の下部に通じる円筒部分（７）とを含み、キャビティ（２）および円筒部分（７）の間の遷移部分に他方の熱電対（６）が配置されている。この装置によって溶融金属を熱分析する方法も記載される。中央に配置した熱電対および周辺に配置した下方の熱電対に関する温度／時間曲線において、中央に配置した熱電対（３）で測定した温度が凝固温度に達したときの温度差（１１）を熱伝導率の測定値として使用される。
Description
【０００１】 本発明は一般に溶融金属の熱分析に係わり、特に溶融金属を熱分析する装置お
よび方法に関するものである。
よび方法に関するものである。
【０００２】 工業的に使用される合金は、実際のところ、常に１以上の元素と合金化された
基金属で成る。液体状態では、ほとんどの場合、合金添加剤は基金属に溶解可能
である。通常、合金組成に典型的な凝固範囲内で凝固が行われる。凝固によって
異なる固相が溶融金属から分離され、潜熱が解放される。凝固の温度および継続
時間を追跡することで、合金組成およびその凝固の仕方に関する基準を間接的に
得ることが可能である。
基金属で成る。液体状態では、ほとんどの場合、合金添加剤は基金属に溶解可能
である。通常、合金組成に典型的な凝固範囲内で凝固が行われる。凝固によって
異なる固相が溶融金属から分離され、潜熱が解放される。凝固の温度および継続
時間を追跡することで、合金組成およびその凝固の仕方に関する基準を間接的に
得ることが可能である。
【０００３】 この方法は、一体化した消耗品の熱電対を備えた耐火材製の試験カップまたは
坩堝を使用することで標準化されている。熱分析と呼ばれるこの方法は、鉄合金
およびアルミニウム合金に広く使用されている。工業的に使用される試験カップ
のキャビティ即ち空洞は四角形または円形の横断面を有し、また試験カップは熱
電対を中央に配置して備えている。典型的な寸法は３７×３７ｍｍで、高さは４
０ｍｍである。カップはシェル−モールド砂で作られ、約５ｍｍの壁厚を有する
。キャビティは上方へ向かって完全に開放されており、試験時に金属が注入され
る。試験によって、例えば鋳造時の溶融金属およびその作用に関する多量の情報
を得ることができる。重要な点は、試験の高い再現性を与えることである。従来
技術では、再現性はとりわけ試験カップの充填程度、および上面からの輻射およ
び対流による熱放散の相違によって変化する。
坩堝を使用することで標準化されている。熱分析と呼ばれるこの方法は、鉄合金
およびアルミニウム合金に広く使用されている。工業的に使用される試験カップ
のキャビティ即ち空洞は四角形または円形の横断面を有し、また試験カップは熱
電対を中央に配置して備えている。典型的な寸法は３７×３７ｍｍで、高さは４
０ｍｍである。カップはシェル−モールド砂で作られ、約５ｍｍの壁厚を有する
。キャビティは上方へ向かって完全に開放されており、試験時に金属が注入され
る。試験によって、例えば鋳造時の溶融金属およびその作用に関する多量の情報
を得ることができる。重要な点は、試験の高い再現性を与えることである。従来
技術では、再現性はとりわけ試験カップの充填程度、および上面からの輻射およ
び対流による熱放散の相違によって変化する。
【０００４】 １つの問題点は、溶融金属が実際に長い時間液体に保たれる箇所であるカップ
中央の温度状態を、中央に配置された熱電対が測定するだけということである。
中央の温度状態を、中央に配置された熱電対が測定するだけということである。
【０００５】 試験カップ表面の温度を追跡すると同時に、試験カップの中央および表面にお
ける処理を比較することで、試験片のより詳細な分析を遂行できることが望まし
い。
ける処理を比較することで、試験片のより詳細な分析を遂行できることが望まし
い。
【０００６】 一方の熱電対を中央部に、他方の熱電対を表面に備えた試験カップは既に周知
である。例えばスイス国特許明細書題６２６４５０号は、溶融金属を受入れる坩
堝であって、１つの熱電対が溶融金属の中に、また他方の熱電対が坩堝の壁内ま
たは壁面に配置された坩堝を開示している。他の周知例では、円筒形または立方
形の試験カップが使用され、表面の熱電対は壁面から１〜３ｍｍの距離に配置さ
れている。１つの問題点は、周辺熱電対を配置する場合、小さな誤差が測定結果
を不確実なものとすることである。
である。例えばスイス国特許明細書題６２６４５０号は、溶融金属を受入れる坩
堝であって、１つの熱電対が溶融金属の中に、また他方の熱電対が坩堝の壁内ま
たは壁面に配置された坩堝を開示している。他の周知例では、円筒形または立方
形の試験カップが使用され、表面の熱電対は壁面から１〜３ｍｍの距離に配置さ
れている。１つの問題点は、周辺熱電対を配置する場合、小さな誤差が測定結果
を不確実なものとすることである。
【０００７】 本発明の目的は、これらの問題点を解決し、高い再現性および高い分解能を与
えることのできる溶融金属の熱分析装置および方法を提供することである。した
がって、この装置および方法はそれぞれ請求項１および請求項４に記載された特
徴を有する。
えることのできる溶融金属の熱分析装置および方法を提供することである。した
がって、この装置および方法はそれぞれ請求項１および請求項４に記載された特
徴を有する。
【０００８】 本発明による装置では、球形キャビティ即ち球形の空洞はその頂部に連結され
た円筒ダクトと底部に連結された円筒部分とを有する。
た円筒ダクトと底部に連結された円筒部分とを有する。
【０００９】 キャビティが球形であるので凝固は同心状に進み、これにより周知の円筒形ま
たは立方形の構造の場合よりも一層明白に、凝固による衝撃が中央配置の熱電対
に対して加えられる。球形キャビティよりも溶融金属の凝固時間が短い円筒充填
ダクトを配置することで、輻射による放散の相違による上面からの熱放散の変動
の影響は解消される。さらに、充填程度が異なるための相違は、試験片の鋳造後
にダクトは一定して充填されると考えられるので解消される。
たは立方形の構造の場合よりも一層明白に、凝固による衝撃が中央配置の熱電対
に対して加えられる。球形キャビティよりも溶融金属の凝固時間が短い円筒充填
ダクトを配置することで、輻射による放散の相違による上面からの熱放散の変動
の影響は解消される。さらに、充填程度が異なるための相違は、試験片の鋳造後
にダクトは一定して充填されると考えられるので解消される。
【００１０】 球形キャビティと下方の円筒部分との間の遷移部分に下方の熱電対を配置する
ことによって、その位置は再現性を損なうことなく僅かながら変化できる。下方
の円筒部分の意図するところは、その内部の溶融金属が比較的急速に、球形キャ
ビティ内部の溶融金属よりも早期に凝固することにある。したがって、球形キャ
ビティ内部で凝固が進展する時間の大部分において、該下方の部分を通して固相
状態での熱伝導が生じることになる。それ故に、下方の熱電対は半固相〜固相状
態での合金の熱伝導率を間接的に測定することができる。
ことによって、その位置は再現性を損なうことなく僅かながら変化できる。下方
の円筒部分の意図するところは、その内部の溶融金属が比較的急速に、球形キャ
ビティ内部の溶融金属よりも早期に凝固することにある。したがって、球形キャ
ビティ内部で凝固が進展する時間の大部分において、該下方の部分を通して固相
状態での熱伝導が生じることになる。それ故に、下方の熱電対は半固相〜固相状
態での合金の熱伝導率を間接的に測定することができる。
【００１１】 これは、凝固時に高い熱伝導率を有する黒鉛として炭素が析出する鋳造鉄合金
の試験に特に有用である。黒鉛は、合金の鋳造性および物理的特性に影響するさ
まざまな形態で析出する。黒鉛が球塊として析出するならば、合金はノジュラー
鉄と呼ばれる。黒鉛がその薄片の塊状体として析出するならば、合金はネズミ鋳
鉄（ｇｒｅｙ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ）または片状黒鉛鋳鉄（ｆｌａｋｅｇｒａｐ
ｈｉｔｅ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ）と呼ばれる。片状黒鉛鋳鉄の熱伝導率は、球塊
の形態で黒鉛が析出した場合よりも２５％まで高くすることができる。中間形態
は稠密黒鉛鉄（ｄｅｎｓｅ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｒｏｎ）と呼ばれ、黒鉛が「
太い（ｐｌｕｍｐ）」棒状形として析出することで識別される。したがって、熱
伝導率は黒鉛の形態を分析することに使用できる。
の試験に特に有用である。黒鉛は、合金の鋳造性および物理的特性に影響するさ
まざまな形態で析出する。黒鉛が球塊として析出するならば、合金はノジュラー
鉄と呼ばれる。黒鉛がその薄片の塊状体として析出するならば、合金はネズミ鋳
鉄（ｇｒｅｙ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ）または片状黒鉛鋳鉄（ｆｌａｋｅｇｒａｐ
ｈｉｔｅ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ）と呼ばれる。片状黒鉛鋳鉄の熱伝導率は、球塊
の形態で黒鉛が析出した場合よりも２５％まで高くすることができる。中間形態
は稠密黒鉛鉄（ｄｅｎｓｅ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｒｏｎ）と呼ばれ、黒鉛が「
太い（ｐｌｕｍｐ）」棒状形として析出することで識別される。したがって、熱
伝導率は黒鉛の形態を分析することに使用できる。
【００１２】 本発明によれば、球形キャビティの中央に配置した熱電対と、球形キャビティ
の周辺でその球形キャビティおよび円筒部分の間の遷移部分に配置した熱電対と
の温度差を測定することにより、熱伝導率の間接的な測定が達成される。本発明
の好ましい実施例によれば、中央に配置した熱電対が合金の固相温度に達したと
きにこの温度差が測定される。
の周辺でその球形キャビティおよび円筒部分の間の遷移部分に配置した熱電対と
の温度差を測定することにより、熱伝導率の間接的な測定が達成される。本発明
の好ましい実施例によれば、中央に配置した熱電対が合金の固相温度に達したと
きにこの温度差が測定される。
【００１３】 本発明は添付図面を参照して以下にさらに詳細に説明される。
【００１４】 図１および図２を参照すれば、耐火材で形成された２つの部分で成るモールド
即ち鋳型１を含む装置が示されている。モールドのこれらの部分は、試験片の鋳
造時にホルダー即ち保持器（図示せず）で互いに対して適当に保持される。さら
に、この装置は球形キャビティ２を含み、このキャビティ内部の中央に熱電対３
が配置されている。したがって、この熱電対はキャビティに中央部分を延在する
。溶融金属を注入する注入カップ４が配置され、この注入カップは円筒ダクト５
に通じており、円筒ダクトは球形キャビティ２に通じている。円筒部分７はキャ
ビティの下部に連結され、第２熱電対６がキャビティ２と円筒部分７との間の遷
移部分に配置されている。図示した好ましい実施例によれば、熱電対の冷接点８
は試験カップの長手方向軸線に沿って位置決めされ、一方の熱電対は上述したよ
うに球形キャビティ２の中央部を延在し、他方の熱電対６はキャビティ２と円筒
部分７との境界面より僅か上方の位置で試験カップの長手方向軸線と交差してい
る。この距離は一般に０〜２ｍｍの範囲内である。
即ち鋳型１を含む装置が示されている。モールドのこれらの部分は、試験片の鋳
造時にホルダー即ち保持器（図示せず）で互いに対して適当に保持される。さら
に、この装置は球形キャビティ２を含み、このキャビティ内部の中央に熱電対３
が配置されている。したがって、この熱電対はキャビティに中央部分を延在する
。溶融金属を注入する注入カップ４が配置され、この注入カップは円筒ダクト５
に通じており、円筒ダクトは球形キャビティ２に通じている。円筒部分７はキャ
ビティの下部に連結され、第２熱電対６がキャビティ２と円筒部分７との間の遷
移部分に配置されている。図示した好ましい実施例によれば、熱電対の冷接点８
は試験カップの長手方向軸線に沿って位置決めされ、一方の熱電対は上述したよ
うに球形キャビティ２の中央部を延在し、他方の熱電対６はキャビティ２と円筒
部分７との境界面より僅か上方の位置で試験カップの長手方向軸線と交差してい
る。この距離は一般に０〜２ｍｍの範囲内である。
【００１５】 以下の寸法は非制限例として言及される。モールドの外形寸法は高さ１１０ｍ
ｍ、幅６０ｍｍであり、各モールド部分は厚さ４０ｍｍである。注入カップ４は
４０ｍｍの上端直径と２０ｍｍの高さとを有する。連結ダクト５は２０ｍｍの直
径と２５ｍｍの高さとを有する。球形キャビティは４０ｍｍの直径を有し、下側
の円筒部分は１６ｍｍの直径と１５ｍｍの高さとを有する。熱電対３，６は従来
技術によって「クロメル−アルメル」で作られ、高純度の石英チューブに封入さ
れている。これらの熱電対は周知のように補償回路を経てＡ／Ｄコンバータに接
続される。溶融金属を分析するとき、鋳造トリベによって溶融金属が装置に充填
される。鋳鉄合金の鋳造温度は１２４０〜１３５０゜の範囲内でなければならな
い。この温度は１秒毎に測定される。約２５０秒後、溶融金属は凝固する。時間
／温度のデータがコンピュータ・プログラムによって分析される。
ｍ、幅６０ｍｍであり、各モールド部分は厚さ４０ｍｍである。注入カップ４は
４０ｍｍの上端直径と２０ｍｍの高さとを有する。連結ダクト５は２０ｍｍの直
径と２５ｍｍの高さとを有する。球形キャビティは４０ｍｍの直径を有し、下側
の円筒部分は１６ｍｍの直径と１５ｍｍの高さとを有する。熱電対３，６は従来
技術によって「クロメル−アルメル」で作られ、高純度の石英チューブに封入さ
れている。これらの熱電対は周知のように補償回路を経てＡ／Ｄコンバータに接
続される。溶融金属を分析するとき、鋳造トリベによって溶融金属が装置に充填
される。鋳鉄合金の鋳造温度は１２４０〜１３５０゜の範囲内でなければならな
い。この温度は１秒毎に測定される。約２５０秒後、溶融金属は凝固する。時間
／温度のデータがコンピュータ・プログラムによって分析される。
【００１６】 典型的な冷却曲線が図３に示されている。曲線９は周辺熱電対の温度変化を示
し、曲線１０は中央熱電対の温度変化を示す。中央に配置した熱電対３が凝固温
度となった時間位置は、この目的のために時間／温度曲線の一次導関数が最小の
位置として定義される。この時間位置を選んだ理由は、凝固の後になってはじめ
て熱伝導率の差が明確となるからである。鋳造特性などを予測できるようにする
ために、最高可能温度で熱伝導率の測定値を得ることが重要である。この時間位
置において、熱電対の間の温度差１１が計算される。溶融ネズミ鋳鉄に関する温
度差は通常約９０゜Ｃであり、これより小さい熱伝導率を有するノジュラー鉄合
金では約１２０゜Ｃである。温度差は、鋳造鉄の形式を分類するだけでなく、例
えばノジュラー鉄合金の球状化や、稠密黒鉛合金におけるバーミキュラ黒鉛（ｖ
ｅｒｍｉｃｕｌａｒ ｇｒａｐｈｉｔｅ）の断片に関する情報も与えるために十
分なものとなる。
し、曲線１０は中央熱電対の温度変化を示す。中央に配置した熱電対３が凝固温
度となった時間位置は、この目的のために時間／温度曲線の一次導関数が最小の
位置として定義される。この時間位置を選んだ理由は、凝固の後になってはじめ
て熱伝導率の差が明確となるからである。鋳造特性などを予測できるようにする
ために、最高可能温度で熱伝導率の測定値を得ることが重要である。この時間位
置において、熱電対の間の温度差１１が計算される。溶融ネズミ鋳鉄に関する温
度差は通常約９０゜Ｃであり、これより小さい熱伝導率を有するノジュラー鉄合
金では約１２０゜Ｃである。温度差は、鋳造鉄の形式を分類するだけでなく、例
えばノジュラー鉄合金の球状化や、稠密黒鉛合金におけるバーミキュラ黒鉛（ｖ
ｅｒｍｉｃｕｌａｒ ｇｒａｐｈｉｔｅ）の断片に関する情報も与えるために十
分なものとなる。
【図１】 本発明による装置の好ましい実施例の前面図である。
【図２】 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。
【図３】 周辺熱電対および中央熱電対の温度曲線を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2G040 AB09 BA08 CA03 CA05 CB03 DA03 FA01 ZA05 2G055 AA21 BA15 DA24
Claims (4)
- 【請求項１】 ２つの熱電対を含み、一方の熱電対（３）が中央部を延在す
るように配置された球形キャビティ（２）と、キャビティ（２）に通じる円筒ダ
クト（５）と、キャビティ（２）の下部に通じる円筒部分（７）とを含み、キャ
ビティ（２）および円筒部分（７）の間の遷移部分に他方の熱電対（６）が配置
されていることを特徴とする溶融金属の熱分析装置。 - 【請求項２】 ダクト（５）の直径が球形キャビティ（２）の直径の３０〜
５０％で、その長さが球形キャビティの直径の少なくとも５０％であることを特
徴とする請求項１に記載された装置。 - 【請求項３】 円筒部分（７）が球形キャビティの直径の３０〜５０％の直
径を有し、その長さがその直径の少なくとも５０％であることを特徴とする請求
項１に記載された装置。 - 【請求項４】 請求項１にしたがって構成された装置によって溶融金属を熱
分析する方法であって、中央に配置した熱電対と周辺に配置した下方の熱電対に
関する温度／時間曲線において、中央に配置した熱電対（３）で測定した温度が
凝固温度に達したときの温度差（１１）を熱伝導率の測定値として使用すること
を特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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