JP2008207193A - 鋳型及び鋳型内観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線を照射して、鋳造時、溶湯内の微小な欠陥の挙動を観察することのできる鋳型及び鋳型内観察方法を提供する。
【解決手段】本鋳型５ａは、Ｘ線が照射される部位９の、鋳型５ａの対向する壁部６、６のそれぞれに、Ｘ線透過に優れたＸ線透過材７ａ、７ａを配設しているので、Ｘ線を鋳型５ａのＸ線透過材７ａ、７ａが配置された部位９に照射すると、溶湯内の引け巣等の微小な欠陥の挙動を観察することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、鋳造時、Ｘ線を照射して、溶湯の挙動を観察すべく構成された鋳型及び鋳型内観察方法に関するもので、特に、Ｘ線の照射により、鋳造時、溶湯内の引け巣等の微小な欠陥の挙動を可視化できる鋳型及び鋳型内観察方法に関するものである。

一般に、対象物の内部状況を非破壊で観察する方法として、Ｘ線を対象物に照射し、対象物を透過したＸ線の強度差により画像を作成して、その画像により対象物の内部状況を観察する方法が多くの分野で採用されている。

そこで、鋳造時、鋳型内の溶湯の挙動を観察する際にも、Ｘ線を鋳型に照射して観察する方法が採用されており、その際には、図７に示すように、Ｘ線が照射される鋳型５０の各壁部６に薄壁部６ａを形成することでＸ線透過性を向上させて、鋳型５０内の溶湯の挙動を観察していた。
しかしながら、従来の鋳型５０では、鋳型５０の各壁部６を構成する材料が鉄鋼材料のＳＫＤ材が採用されておりＸ線透過性が良好ではないため、溶湯の充填完了後に鋳造圧を付加した際、溶湯内の引け巣等の微小な欠陥の挙動まで観察することができなかった。
そのために、図７に示す鋳型５０の各壁部６を極力薄肉化して、鋳造圧を付加した際、溶湯内の引け巣等の微小な欠陥の挙動まで観察しようとすると、該鋳型５０が、付加される鋳造圧に耐えることができず、鋳型５０の変形や溶湯の飛散等が発生する虞があり、従来の鋳型５０では、溶湯内の微小な欠陥の挙動まで観察するための可視能力に限界があった。

そこで、Ｘ線を照射して、対象物の内部欠陥を検出する従来技術として特許文献１には、Ｘ線を鋳造製品に照射し、該鋳造製品を透過した透過Ｘ線を検出し、該検出された透過Ｘ線に基いて前記鋳造製品が、無欠陥である場合の透過Ｘ線を算出し、前記検出された透過Ｘ線と算出されたＸ線とを比較して鋳造製品の内部欠陥を検出するＸ線検査方法が開示されている。
特開２００６−１０５７９４号公報

しかしながら、上述した特許文献１のＸ線検査方法は、単に、鋳造製品にＸ線を照射し、その内部欠陥を検知するものであり、鋳造時、溶湯内の引け巣等の微小な欠陥の挙動を経時的に観察するべく鋳型の構造を工夫しているものではない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、Ｘ線を照射して、鋳造時、溶湯内の微小な欠陥の挙動を観察することのできる鋳型及び鋳型内観察方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、第１に、本発明の鋳型は、Ｘ線が照射される、鋳型の対向する壁部のそれぞれに、Ｘ線透過に優れたＸ線透過材を配設して構成されることを特徴としている。
また、第２に、本発明の鋳型内観察方法は、Ｘ線が照射される、鋳型の対向する壁部のそれぞれに、Ｘ線透過に優れたＸ線透過材を配設して、Ｘ線を前記鋳型内に透過させて溶湯の挙動を観察することを特徴としている。
これにより、鋳型のＸ線透過材が配設された部位では、Ｘ線による鋳型内部の可視化能力が向上して、鋳造時、溶湯内の引け巣等の微小な欠陥の挙動を観察することができる。
なお、本発明の鋳型及び鋳型内観察方法の各種態様およびそれらの作用については、以下の（発明の態様）の項において詳しく説明する。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。なお、各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付して、必要に応じて他の項を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載、実施の形態等に参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要件を付加した態様も、また、各項の態様から構成要件を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項乃至（３）項の各々が、請求項１乃至３の各々に相当し、（５）項乃至（８）項の各々が、請求項４乃至７の各々に相当する。

（１）鋳造時、Ｘ線を照射して溶湯の挙動を観察すべく構成した鋳型であって、該鋳型は、Ｘ線が照射される、該鋳型の対向する壁部のそれぞれに、Ｘ線透過に優れたＸ線透過材を配設して構成されることを特徴とする鋳型。
従って、（１）項の鋳型では、Ｘ線透過材が配設された部位において、Ｘ線による鋳型内部の可視化能力が向上して、鋳造時、溶湯内の引け巣等の微小な欠陥の挙動を観察することができる。
なお、Ｘ線透過材は、耐圧性及び耐熱性を考慮しながらＸ線透過性に優れた、例えば、Ｃ／Ｃコンポジット（炭素繊維強化炭素複合材），ＣＦＲＰ（炭素繊維／樹脂複合材），ＦＭＣ（炭素繊維／アルミ複合材），エンジニアリングプラスチック（高機能樹脂）等が適宜採用される。

（２）前記Ｘ線透過材は、板状で前記壁部よりも薄肉に形成され、前記鋳型の各壁部の内壁面には、前記Ｘ線透過材が固着される凹部が設けられると共に、前記各壁部には、その外壁面から前記凹部の底面に向かって該底面と直交するように貫通された観察孔がそれぞれ形成されることを特徴とする（１）項に記載の鋳型。
従って、（２）項の鋳型では、Ｘ線透過材が配設された部位において、Ｘ線による鋳型内部の可視化能力が向上して、且つ十分な耐圧性を有するようになる。

（３）前記観察孔は、各壁部に複数形成されることを特徴とする（２）項に記載の鋳型。
従って、（３）項の鋳型では、各壁部に観察孔が複数形成されることから、鋳造圧が鋳型に付加された際、Ｘ線透過材の各観察孔部分に作用する応力を低減させることができる。

（４）前記各Ｘ線透過材は、前記各壁部の凹部に接着固定されることを特徴とする（２）項または（３）項に記載の鋳型。
従って、（４）項の鋳型では、Ｘ線透過材を壁部の凹部にボルト固定される形態に比べて、鋳型に鋳造圧が付加された際、応力が集中せず、応力を接着面全体に分散させることができる。

（５）前記Ｘ線透過材は、有底筒部と、該有底筒部の端部に設けた取付部とから形成され、一方、前記鋳型の対向する壁部にはそれぞれ開口部が形成されて、各開口部に前記各Ｘ線透過材の有底筒部がそれぞれ各底壁部が対向するように挿入されて、前記各Ｘ線透過材の取付部が前記鋳型の各壁部に取り付けられることを特徴とする（１）項に記載の鋳型。
従って、（５）項の鋳型では、鋳型の可視化能力が向上される部位を最大限広げることができる。

（６）前記Ｘ線透過材は、炭素繊維強化炭素複合材料で形成されることを特徴とする（１）項〜（５）項のいずれかに記載の鋳型。
（７）前記炭素繊維強化炭素複合材料からなるＸ線透過材は、Ｘ線が照射される前記鋳型の各壁部に配置された際、その板厚の合計が１０ｍｍ〜２０ｍｍの所定値に設定されることを特徴とする（６）項に記載の鋳型。
従って、（６）項及び（７）項の鋳型では、Ｘ線による鋳型内部の可視化能力が向上して、且つ十分な耐圧性を有するようになる。

（８）鋳造時、Ｘ線を照射して鋳型内の溶湯の挙動を観察する鋳型内観察方法であって、Ｘ線が照射される、前記鋳型の対向する壁部のそれぞれに、Ｘ線透過に優れたＸ線透過材を配設して、Ｘ線を前記鋳型内に透過させて溶湯の挙動を観察することを特徴とする鋳型内観察方法。
従って、（８）項の鋳型内観察方法では、Ｘ線による鋳型内部の可視化能力が向上して、鋳造時、溶湯内の引け巣等の微小な欠陥の挙動を観察することができる。

本発明によれば、Ｘ線を照射して、鋳造時、溶湯内の微小な欠陥の挙動を観察することのできる鋳型及び鋳型内観察方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１〜図６に基いて詳細に説明する。
鋳造時、Ｘ線を照射して鋳型内の溶湯の挙動を観察する鋳型内観察装置１は、図１に示すように、Ｘ線をパルス状に鋳型５、５ａに向かって照射するＸ線照射装置２と、鋳型５、５ａを透過したＸ線の強度を可視光の強度に変換して透過画像を結像する撮像管３と、該撮像管３が結像した透過画像を撮像する高速度カメラ４と、を備えている。
そして、図２及び図５に示すように、本発明の第１及び第２の実施の形態に係る鋳型５、５ａは、Ｘ線照射装置２からＸ線が照射される部位９の、鋳型５、５ａの対向する壁部６、６のそれぞれに、Ｘ線透過に優れたＸ線透過材７、７ａを配設して構成されている。
なお、鋳型５、５ａを構成する各壁部６は、Ｘ線透過材７、７ａが配置される部位９を除いて鉄鋼材料のＳＫＤ材で形成されている。また、鋳型５、５ａでＸ線透過材７、７ａが配置される部位９は、溶湯内の引け巣等の微小な欠陥ができ易い特定の箇所に限られている。

Ｘ線照射装置２は、タングステン等からなるターゲットを具備するＸ線管に、パルス状の直流電流を供給して、Ｘ線をパルス状に照射するものである。
撮像管３は、Ｘ線の強度を可視光の強度に変換して透過画像を結像するものであり、詳細な図示は省略するが、入口側（図１で右側）から出口側（図１で左側）に拡径された筒状の胴体と、該胴体の入口側に設けられ、イメージインテンシファイアと呼ばれる蛍光体が表面に塗布されたレンズと、胴体の入口側に設けられた二次蛍光面と、を具備している。そして、鋳型５、５ａを透過したＸ線が撮像管３のレンズに塗布された蛍光体に照射されると、該蛍光体はＸ線の強度に応じて電子を放出し、当該電子が二次蛍光面に衝突して二次蛍光面が可視光を発することにより透過画像が結像される。

高速度カメラ４は、撮像管３が結像した透過画像を撮像するもので、Ｘ線照射装置２から照射されるパルス状のＸ線に同期して開閉するシャッター（図示略）、すなわち、Ｘ線照射装置がＸ線を照射しているときに開き、Ｘ線を照射していないときに閉じるシャッターを具備しており、撮像管３が結像した透過画像を撮像できるものである。

Ｘ線透過材７、７ａは、本実施の形態では、Ｘ線透過に優れ、耐圧性及び耐熱性の観点からＣ／Ｃコンポジット（炭素繊維強化炭素複合材）が採用されており、該Ｘ線透過材７、７ａは、Ｘ線が照射される、鋳型５、５ａの各壁部６にそれぞれ配置された際、板厚の合計が１０ｍｍ〜２０ｍｍの所定値に設定される。
なお、Ｘ線透過材７、７ａは、Ｃ／Ｃコンポジットの他，Ｘ線透過に優れている、ＣＦＲＰ（炭素繊維／樹脂複合材），ＦＭＣ（炭素繊維／アルミ複合材），エンジニアリングプラスチック（高機能樹脂）等が採用可能となり、耐圧性及び耐熱性等を考慮しその使用環境に基いて適宜採用される。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る鋳型５を図２に基いて説明する。
Ｘ線透過材７は、有底筒部１１と、該有底筒部１１の端部に周設した環状取付部１２とから構成されており、有底筒部１１の底壁部１３の板厚は５ｍｍに設定されている。
一方、Ｘ線が照射される部位９の、鋳型５の対向する壁部６には、Ｘ線透過材７が固着される開口部１５がそれぞれ貫通されており、各開口部１５の外側端部には、段差部１６を形成するように拡径された取付開口部１７が形成されている。
そして、各Ｘ線透過材７のそれぞれを、有底筒部１１側から各壁部６の開口部１５に挿入すると共に、各Ｘ線透過材７の環状取付部１２を、各壁部６の開口部１５に設けた取付開口部１７に合致させて、各Ｘ線透過材７の環状取付部１２と、各開口部１５の段差部１６とを各取付ボルト２０で固着している。

そこで、上述した第１の実施の形態に係る鋳型５（図２参照）と、従来の、薄壁部６ａを有する鋳型５０（図７参照）とにおいて、Ｘ線透過性、すなわち、Ｘ線の照射による鋳型５、５０内の可視能力を比較検証した結果を以下に示す。
テストピース２１は、図３に示すように、板状でその厚みが８ｍｍに設定され、片面に穴径及び穴深さの相違した穴２２、２２が、縦横５列×５列で形成されている。
テストピース２１の穴径及び穴深さを詳述すると、図３の図視方向で左から順に第１縦列が穴径φ１ｍｍ，第２縦列が穴径φ１．５ｍｍ，第３縦列が穴径φ２ｍｍ，第４縦列が穴径φ２．５ｍｍ，第５縦列が穴径φ３ｍｍに形成され、また、上から順に第１横列が穴深さ１ｍｍ，第２横列が穴深さ２ｍｍ，第３横列が穴深さ３ｍｍ，第４横列が穴深さ４ｍｍ，第５横列が穴深さ５ｍｍに形成されている。

次に、従来の鋳型５０（図７参照）の各薄壁部６ａ間に、上述したテストピース２１を、各穴２２、２２の形成されている面がＸ線照射装置２側になるように挿入する。なお、鋳型５０の各薄壁部６ａ間の距離は８ｍｍに設定されており、テストピース２１の両側面と、各薄壁部６ａの内壁面との間に隙間は生じない。
同様に、第１の実施の形態に係る鋳型５の各Ｘ線透過材７の有底筒部１１の底壁部１３間に、テストピース２１を、各穴２２、２２の形成されている面がＸ線照射装置２側になるように挿入する。なお、各Ｘ線透過材７の有底筒部１１の各底壁部１３間の距離は８ｍｍに設定されており、テストピース２１の両側面と、各有底筒部１１の底壁部１３と間に隙間は生じない。
なお、従来の鋳型５０では、各薄壁部６ａの板厚の合計は４ｍｍに設定され、第１の実施の形態に係る鋳型５では、各Ｘ線透過材７の有底筒部１１の底壁部１３の板厚の合計が１０ｍｍに設定されており、これらの設定値は、付加される鋳造圧に耐え得る板厚に設定されている。

そして、Ｘ線照射装置２から所定強度のＸ線をパルス状に照射して、第１の実施の形態に係る鋳型５及び従来の鋳型５０それぞれの可視化能力を比較検証した。
その結果、図４（Ｂ）に示すように、従来の鋳型５０では、点線で囲まれる範囲、すなわち、穴径φ２ｍｍ及びφ２．５ｍｍでは穴深さ４ｍｍ〜５ｍｍが可視化でき、また、穴径φ３ｍｍでは穴深さ３ｍｍ〜５ｍｍが可視化することができ、点線で囲まれる範囲以外は、可視化することができなかった。
一方、図４（Ａ）に示すように、第１の実施の形態に係る鋳型５では、実線で囲まれる範囲、すなわち、穴径φ１ｍｍ、φ１．５ｍｍ及びφ２ｍｍでは穴深さ３ｍｍ〜５ｍｍが可視化でき，穴径φ２．５ｍｍ以上になると穴深さ１ｍｍ〜５ｍｍが可視化することができ、実線で囲まれる範囲以外は、可視化することができなかった。
この結果の通り、従来の鋳型５０よりも第１の実施の形態に係る鋳型５の方がはるかに鋳型内部の微小な形状を可視化できることが解る。
そこで、この試験品では、各有底筒部１１の底壁部１３の板厚の合計が１０ｍｍに設定されているが、実機では、各有底筒部１１の底壁部１３の板厚の合計が１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で適宜設定される。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る鋳型５ａを図５に基いて説明する。
Ｘ線透過材７ａは、一辺の長さが５０ｍｍの正方形状で厚みが５ｍｍの板状に形成されている。
一方、Ｘ線が照射される部位９の、鋳型５ａの各壁部６の内壁面には、このＸ線透過材７ａに対応した一辺が５０ｍｍで深さが５ｍｍの凹部８が形成されている。また、各壁部６には、その外壁面から凹部８の底面に向かって該底面と直交するように貫通された観察孔１０がそれぞれ複数形成される。各壁部６に形成される観察孔１０の大きさ及び数量は、鋳造圧の付加によりＸ線透過材７ａに作用するせん断応力の大きさにより適宜決定される。
そして、図５に示すように、Ｘ線透過材７ａを、鋳型５ａの各壁部６に設けた凹部８にそれぞれ挿入して接着剤により固着して、鋳型５ａ内の各Ｘ線透過材７ａ、７ａ間の空間がキャビティとして形成される。その結果、各Ｘ線透過材７ａは、その内壁面全域が鋳型５ａのキャビティ側に露出されると共に、その外壁面が各観察孔１０を介して鋳型５ａの外部に露出される。

なお、第２の実施の形態に係る鋳型５ａのように、各Ｘ線透過材７ａは、鋳型５ａの各壁部６の凹部８に接着剤で固着される方が好ましい。なぜなら、各Ｘ線透過材７ａをボルト固定にすると、鋳造圧が鋳型５ａに付加された際に、Ｘ線透過材７ａのボルト固定部分に応力が集中しその部位から破損し易くなるため、Ｘ線透過材７ａを接着固定することによりその応力を接着面全体で分散させることができる。

また、図６は、観察孔１０の大きさ及び数量が相違された鋳型５ａの各形態において、鋳型５ａに鋳造圧２０ＭＰａが付加された際のＸ線透過材７ａへ作用するせん断応力を比較した図である。
なお、図５に示すように、観察孔１０は略正方形状で開口され、該観察孔１０が複数形成される場合には、隣接する観察孔１０、１０は、互いに隙間を開けて格子状に配列される。
そして、図６から解るように、観察孔１０が、□４０ｍｍの穴１個に設定された場合は、せん断応力１１５ＭＰａであり、また、□２０ｍｍの穴１個に設定された場合は、せん断応力４８ＭＰａであり、いずれも限界値１１ＭＰａを超えており採用することはできない。また、観察孔１０が、□１５ｍｍで穴４個，□１０ｍｍで穴４個，□１０ｍｍで穴９個，□８ｍｍで穴９個のそれぞれで設定された場合は、せん断応力が限界値１１ＭＰａより低い値を示しており採用することが可能となる。
この結果の通り、第２の実施の形態に係る鋳型５ａの各壁部６に設ける観察孔１０は、仮に、観察部位（Ｘ線の照射部位）が略□５０ｍｍ（Ｘ線透過材７ａの形状）の範囲である場合には、観察孔１０の一辺の長さを１５ｍｍ以下として、観察孔１０の数量を４個以上に設定することが好ましい。

なお、本発明の第１及び第２の実施の形態に係る鋳型５、５ａは、鋳造圧がそれほど影響しないという前提で、可視化できる範囲を最大限大きくしたい場合には第１の実施の形態に係る鋳型５（図２参照）が採用され、鋳造圧の影響が大の場合には、可視化できる範囲が第１の実施の形態に係る鋳型５よりも若干縮小されるものの第２の実施の形態に係る鋳型５ａ（図５参照）が採用される。なお、溶湯の鋳型５ａ内への充填完了後、鋳造圧が付加されるダイカスト鋳造等では、第２の実施の形態に係る鋳型５ａが採用される。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、鋳型５、５ａのＸ線が照射される部位９の各壁部６にＸ線透過材７、７ａを配設したので、Ｘ線の照射により、従来の鋳型５０では可視化することができなかった、溶湯内の引け巣等の微小な欠陥の挙動を可視化することができる。
また、本発明の第２の実施の形態に係る鋳型５ａ（図５参照）は、Ｘ線透過材７ａが板状に形成されており、該Ｘ線透過材７ａは、鋳型５ａの各壁部６の内壁面に設けた凹部８に接着され、各壁部６には、外壁面から凹部８の底面に向かって該底面と直交するように貫通された観察孔１０がそれぞれ複数形成される。
これにより、鋳造時、鋳型５ａに鋳造圧が付加されても、鋳型５ａの変形や破損等の不具合が発生せずに鋳型５ａとしての機能を果すと共に、各観察孔１０から鋳型５ａ内で溶湯内の引け巣等の微小な欠陥の挙動まで可視化することができる。
なお、本発明の第２の実施の形態に係る鋳型５ａでは、各観察孔１０は略正方形状で開口されているが、円形状や楕円形状で開口されても良い。

図１は、Ｘ線を照射して鋳型内の溶湯の挙動を観察する鋳型内観察装置の模式図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る鋳型を示した断面図である。 図３は、テストピースの平面図である。 図４は、第１の実施の形態に係る鋳型と従来の鋳型とにおいて、テストピースに設けた各穴の可視能力を比較した図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態に係る鋳型を示した断面図である。 図６は、観察孔の大きさ及び数量が相違された鋳型の各形態に対して、鋳造圧が鋳型に付与された際のＸ線透過材へ作用するせん断応力を比較した図である。 図７は、従来の鋳型を示す図である。

符号の説明

１ 鋳型内観察装置，２ Ｘ線照射装置，３ 撮像管，４ 高速度カメラ，５、５ａ 鋳型，７、７ａ Ｘ線透過材，６ 壁部，８ 凹部，１０ 観察孔，１１ 有底筒部，１２ 環状取付部，１３ 底壁部，１５ 開口部

Claims (7)

1. 鋳造時、Ｘ線を照射して溶湯の挙動を観察すべく構成した鋳型であって、
   該鋳型は、Ｘ線が照射される、該鋳型の対向する壁部のそれぞれに、Ｘ線透過に優れたＸ線透過材を配設して構成されることを特徴とする鋳型。
2. 前記Ｘ線透過材は、板状で前記壁部よりも薄肉に形成され、前記鋳型の各壁部の内壁面には、前記Ｘ線透過材が固着される凹部が設けられると共に、前記各壁部には、その外壁面から前記凹部の底面に向かって該底面と直交するように貫通された観察孔がそれぞれ形成されることを特徴とする請求項１に記載の鋳型。
3. 前記観察孔は、各壁部に複数形成されることを特徴とする請求項２に記載の鋳型。
4. 前記Ｘ線透過材は、有底筒部と、該有底筒部の端部に設けた取付部とから形成され、一方、前記鋳型の対向する壁部にはそれぞれ開口部が形成されて、各開口部に前記各Ｘ線透過材の有底筒部がそれぞれ各底壁部が対向するように挿入されて、前記各Ｘ線透過材の取付部が前記鋳型の各壁部に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の鋳型。
5. 前記Ｘ線透過材は、炭素繊維強化炭素複合材料で形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鋳型。
6. 前記炭素繊維強化炭素複合材料からなるＸ線透過材は、Ｘ線が照射される前記鋳型の各壁部に配置された際、その板厚の合計が１０ｍｍ〜２０ｍｍの所定値に設定されることを特徴とする請求項５に記載の鋳型。
7. 鋳造時、Ｘ線を照射して鋳型内の溶湯の挙動を観察する鋳型内観察方法であって、
   Ｘ線が照射される、前記鋳型の対向する壁部のそれぞれに、Ｘ線透過に優れたＸ線透過材を配設して、Ｘ線を前記鋳型内に透過させて溶湯の挙動を観察することを特徴とする鋳型内観察方法。
   

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