JP2014077669A

JP2014077669A - 発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法及び該方法で製造された発光分光分析用アルミニウム合金標準試料

Info

Publication number: JP2014077669A
Application number: JP2012224455A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Miyajiri; 聡宮尻; Naoto Oshiro; 直人大城; Kiyobumi Kawai; 清文川井
Original assignee: Daiki Aluminium Industry Co Ltd
Current assignee: Daiki Aluminium Industry Co Ltd
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2014-05-01

Abstract

【課題】アルミニウム２次合金の製造或いは鋳造プロセス等の管理に好適な標準試料であって、正確な検量線の作成や正確な分析値のチェックを行なうことができ、１つの標準試料で分析できる点数を大幅に増大させた発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法を提供する。
【解決手段】目標とする標準試料の合金成分に調製したアルミニウム合金溶湯(ｍ)を準備し、上記アルミニウム合金の液相線温度以上に予熱した有底円筒状の金型(１０)に、上記アルミニウム合金溶湯(ｍ)を注湯し、然る後、直ちに、常温の冷却水(ｗ)が満たされた水槽(１２)であって、該水槽(１２)の底部から上部に向けて渦巻状に水流が形成され、且つその水流がオーバーフローする水槽(１２)に、上記の金型(１０)を浸漬して上記アルミニウム合金溶湯(ｍ)を急冷凝固させ、急冷凝固して得られた円柱状の金属体を所定の長さに切断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属成分が均一で品質の安定した発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法とその方法で製造された発光分光分析用アルミニウム合金標準試料に関する。

アルミニウム精錬業界やその需要家において、アルミニウム合金材料の金属成分の管理には、通常、発光分光分析法が用いられている。この発光分光分析法は、試料に外部エネルギーを与えることにより発光させ、放射された光を回折格子によって元素特有のスペクトル線に分離し、定性・定量を行う分析法であり、具体的には、前もって作成しておいた標準試料に基づいて引かれた検量線に分析対象試料のスペクトル強度比を内装してその分析対象試料の元素含有量を検量する。

ここで、この発光分光分析法を用いてアルミニウム合金材料の金属成分の管理を行なう場合、同一の試料についての測定強度が種々の原因で経時的に変化(ドリフト)するのを補正する、いわゆるドリフト補正を定期的に行なう必要がある。そして、このドリフト補正後、補正が正しく実施されているか確認するため、化学分析によって元素組成が既知となっている分析値チェック用の標準試料を用い、分析器の分析値確認を行なう。なお、この分析値チェック用の標準試料は、上記ドリフト補正実施の有無にかかわらず、日常管理における分析値チェック用試料としても使用される。

ところで、一般にこのような発光分光分析法における検量線作成や分析値チェック用に使用される標準試料としては、目標とする合金成分に調製したアルミニウム合金溶湯を金型に鋳込んで鋳造した４０〜６０ｍｍ径×１０ｍｍ厚さのディスク状の分析面を有するいわゆるキノコ型標準試料(ＪＩＳＺ２６１１に例示)が従来より使用されている。発光分光分析に当っては、このような標準試料の分析面を面削して平滑な平面とした後、該平面内の所定の位置を発光させて発生したスペクトル強度比から検量線を引き、或いは分析値の確認を行なっている。

しかしながら、上記のキノコ型標準試料には次のような問題点があった。すなわち、アルミニウム合金材料の金属成分の管理に発光分光分析法を用いる場合、上述のように定期的にドリフト補正後の分析値チェックや日常管理としての分析値チェックを行なう必要があるが、キノコ型標準試料は分析面の厚さが１０ｍｍ(そのうち分析有効厚さは凡そ６ｍｍ程度)しかないため、例えば日常管理にこの標準試料を使用した場合、１ヶ月程度で１つの標準試料を使い切ってしまうことになる。つまり、標準試料を頻繁に交換をしなければならず、アルミニウム合金材料の成分管理を経済的に行なうのが困難にあるという問題があった。

そこで、かかる問題点を解決し得る技術として、例えば、特許文献１には、微細な金属体の混合成形体を丸棒状に押出加工(塑性加工)することによって、元素含有量(すなわち金属成分)が均一で、しかも分析面の厚さを厚くした円柱型標準試料を提供する技術が開示されている。かかる技術によれば、１つの標準試料から分析できる点数を大幅に増やすことができ、標準試料の交換頻度を低減させることができる。それゆえ、発光分光分析にかかるランニングコストを低減することができる。

特開平３−１２８４３６号公報

しかしながら、微細な金属体の混合成形体を丸棒状に押出加工して製造した円柱型標準試料（すなわち急冷凝固粉末材）は、ドリフト補正には何ら制限なく使用できる一方、例えば、特にアルミニウム２次合金の製造或いは鋳造プロセス等の管理に用いる検量線の作成や日常管理における分析値チェック用には適さないという課題があった。
なぜなら、アルミニウム合金の発光分光分析方法について規定するＪＩＳＨ１３０５では、主として検量線の作成に使用する標準試料は、均質で、分析試料と冶金履歴(どのような履歴で製造されたか)及び化学組成が近似していることが求められており、塑性加工によって製造される上記従来の円柱型標準試料(急冷凝固粉末材)は、これを用いてアルミニウム２次合金の製造或いは鋳造プロセス等の管理を行った場合、冶金履歴の近似性といった要件を満たさなくなるからである。

それゆえに、この発明の主たる課題は、とりわけアルミニウム２次合金の製造或いは鋳造プロセス等の管理に好適な標準試料であって、正確な検量線の作成や正確な分析値のチェックを行なうことができる均質性を有するのに加え、１つの標準試料で分析できる点数を大幅に増大させた発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法と、該方法で製造された発光分光分析用アルミニウム合金標準試料とを提供することである。

本発明における第１の発明は、
（１）目標とする標準試料の合金成分に調製したアルミニウム合金溶湯ｍを準備し、
（２）上記アルミニウム合金の液相線温度以上に予熱した有底円筒状の金型１０に、上記アルミニウム合金溶湯ｍを注湯し、
（３）然る後、直ちに、常温の冷却水ｗが満たされた水槽１２であって、該水槽１２の底部から上部に向けて渦巻状に水流が形成され、且つその水流がオーバーフローする水槽１２に、上記の金型１０を浸漬して上記アルミニウム合金溶湯ｍを急冷凝固させ、
（４）急冷凝固して得られた円柱状の金属体を所定の長さに切断する、
ことを特徴とする発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法である。

この発明では、アルミニウム合金溶湯ｍが注湯された金型１０を急冷させる際に、常温の冷却水ｗが満たされた水槽１２であって、該水槽１２の底部から上部に向けて渦巻状に水流が形成され、且つその水流がオーバーフローする水槽１２を用いているので、金型の表面全体を略均一な冷却速度で急冷することができる。このため、金型１０に注湯したアルミニウム合金溶湯ｍが凝固する際の偏析を当該溶湯ｍ全体で極小化することができ、金型１０を用いて円柱状の標準試料を鋳造しているにもかかわらず、得られる標準試料は全体が三次元的に非常に均質なものとなる。
したがって、かかる方法で製造された短円筒状の発光分光分析用アルミニウム合金標準試料は、同じ鋳造材である上記従来のキノコ型標準試料に比べて、分析面の厚さが著しく厚いことから、１つの標準試料で分析できる点数を大幅に増大させることはできる。

本発明によれば、アルミニウム２次合金の製造或いは鋳造プロセス等の管理に好適な標準試料であって、正確な検量線の作成や正確な分析値のチェックを行なうことができる均質性を有するのに加え、１つの標準試料で分析できる点数を大幅に増大させた発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法と、該方法で製造された発光分光分析用アルミニウム合金標準試料とを提供することができる。

本発明の発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法における金型への溶湯注湯工程の概略を示す図である。本発明の発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法における急冷工程の概略を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について具体例を示しながら詳述する。図１は、発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法における金型への溶湯注湯工程の概略を示す図であり、図２は同製造方法における急冷工程の概略を示す図である。これらの図が示すように、本発明の発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法は、大略、金型１０と水槽１２とからなる製造装置を用いて実行される。

金型１０は、アルミニウム合金の融点よりも高い温度に耐え得る耐熱性の材料で構成された中空円筒(パイプ)状の本体１０ａを具備しており、この本体１０ａの底は底板１０ｂで密閉されている。ここで、図１に示す実施形態の場合、上記底板１０ｂが本体１０ａの側周面よりも張出すように形成されており、金型１０を自立させた際に安定して自立できるようになっている。
上記の本体１０ａは、アルミニウム合金溶湯ｍに偏析を生じさせることなく３次元的に均一に冷却させるといった観点から、内径４０〜６０ｍｍ×高さ４００〜５００ｍｍのサイズで構成されている。また、本体１０ａの上部内面は、上端開口に向けてその内径が拡径するテーパー状に構成されており、本体１０ａ内部で鋳造した円柱状の標準試料が取り出し易いようになっている。更に、本体１０ａの上部外面には、左右一対のアーム１０ｃが突設されており、このアーム１０ｃを介して金型搬送手段(鋳造機；図示せず)などにセットされるようになっている。

なお、この金型１０は、上述のように、アルミニウム合金の融点よりも高い温度に耐える耐熱性の材料で構成されるが、例えば、ＳＵＳ３０４に代表されるステンレス鋼のような錆が生じ難い材料で構成するのが好ましい。

水槽１２は、金型１０に注湯したアルミニウム合金溶湯ｍを常温の冷却水で急冷(水冷)させるための装置で、天面が開放された有底円筒状の外缶１２ａと、この外缶１２ａの内部にて同心円状に配設され、同じく天面が開放された有底円筒状の内缶１２ｂとで構成された二重缶構造の容器を備える。
この二重缶構造の容器を構成する内缶１２ｂの下端部には、複数(図２の例の場合２つ)に分枝した冷却水供給ラインＬの先端が挿入される。この冷却水ラインＬの先端は、内缶１２ｂの周壁を貫通し、該内缶１２ｂ内周面の周方向に開口している。これにより、冷却水供給ラインＬより供給された冷却水ｗは、内缶１２ｂの底部から上部に向けて渦巻状に水流が形成され、且つその水流が内缶１２ｂ上端の開口から外缶１２ａ内に向けてオーバーフローするようになる。そして、内缶１２ｂから外缶１２ａへとオーバーフローした冷却水ｗは、外缶１２ａの下端部に設けられた排水口１２ｃから水槽１２外へと排出される。
なお、排水口１２ｃから排出された冷却水ｗは、チラーなどの冷却手段で常温に戻された後、冷却水ラインＬに戻すようにしてもよい。

次に本発明の発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法について説明する。本発明の発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法は、「アルミニウム合金溶湯調製工程」→「金型への溶湯注湯工程」→「急冷工程」→「切断仕上げ工程」がこの順に実行される。

「アルミニウム合金溶湯調製工程」は、目標とする標準試料の合金成分に調製したアルミニウム合金溶湯ｍを準備する工程である。この工程で準備されたアルミニウム合金溶湯ｍは、液相線温度よりも１５０℃以上高い温度で保持しておくのが好ましく、より好ましくは２００℃以上である。アルミニウム合金溶湯ｍをこのような高温で保持しておくことにより、続く「金型への溶湯注湯工程」での作業に多少手間取って時間が掛かり、アルミニウム合金溶湯ｍが不所望に空冷されたとしても、該溶湯ｍ中に偏析が生じるのを防止できるからである。
また、この「アルミニウム合金溶湯調製工程」では、必要に応じてフラックスによる脱滓やＡｒ(アルゴン)処理による脱ガス処理を行なう。

「金型への溶湯注湯工程」は、上記アルミニウム合金の液相線温度以上に予熱した有底円筒状の金型１０を図示しない金型搬送手段(鋳造機)にセットし、この金型１０に上記アルミニウム合金溶湯ｍを柄杓１４などで汲み取って注湯する工程である(図１参照)。
ここで、金型１０をアルミニウム合金の液相線温度以上に予熱する理由は、上記「アルミニウム合金溶湯調製工程」でアルミニウム合金溶湯ｍを液相線温度よりも１５０℃以上高い温度で保持する理由と同じで、本工程での作業に多少手間取って時間が掛かり、アルミニウム合金溶湯ｍが不所望に空冷されたとしても、該溶湯ｍ中に偏析が生じるのを防止するためである。なお、金型１０の予熱温度は、アルミニウム合金の液相線温度よりも１００℃以上高い温度にする方がより好ましい。また、この金型１０を予熱する前に、必要に応じて、該金型１０の内面に離型剤を塗布するようにしてもよい。
そして、金型１０へのアルミニウム合金溶湯ｍの注湯が完了したら、金型搬送手段によって金型１０が水槽１２まで搬送され、直ちに次の「急冷工程」が実行される。

「急冷工程」は、上述した水槽１２を用いて金型１０に注湯したアルミニウム合金溶湯ｍを偏析が生じないように急冷・凝固(固化)させる工程である（図２参照）。
この「急冷工程」では、冷却水ｗとして、上述したように常温のものを用いる。このように常温の冷却水ｗを用いることにより、「急冷工程」のランニングコストを抑えることができ、標準試料の製造を経済的に行なうことができるようになる。
また、水槽１２に投入する冷却水ｗの圧力や流量といった冷却水条件は、金型１０や水槽１２のサイズなどによって適宜設計されるものであるが、例えば内径５９ｍｍ×高さ４００ｍｍの金型１０に、３５０ｍｍの高さまで注湯したアルミニウム合金溶湯ｍを、内径２１５ｍｍ(２００ＡのＪＩＳ規格配管に相当)×高さ４１０ｍｍの内缶１２ｂを有する水槽１２で冷却させる本実施形態では、冷却水条件が圧力０．１５ＭＰａ、流量２０リットル／分に設定される。このような冷却水条件の水槽１２に金型１０を３分間浸漬することにより、偏析を極小化した状態でアルミニウム合金溶湯ｍの凝固が完了し、標準試料の基になる地金が完成する。
そして、完成した地金の温度が作業員のハンドリングできる温度にまで低下すると、最後の「切断仕上げ工程」が実行される。

「切断仕上げ工程」は、上記の「急冷工程」で完成した地金を所定のサイズに切り分けて製品として完成させる工程である。本実施形態では、金型１０から取り出した地金の先端(金型の底面側)から１５ｍｍの部分を切り出して地金の長手方向における均質性チェック用のサンプルとし、その後、地金を長手方向に５０ｍｍずつ切断して４個の短円柱状の発光分光分析用アルミニウム合金標準試料を得る。

次に、以上のような方法で製造した発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の均質性の検討結果について説明する。
表１は、上述の方法で製造した発光分光分析用Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金標準試料について同一分析面の別の箇所を連続８点(実施例１〜８)分析した結果である。

一方、表２は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金で構成された市販のキノコ型標準試料を購入し、同一分析面の別の箇所を連続８点(比較例１〜８)分析した結果である。

これらの表が示すように、特にＣＶ値(変動係数)同士を比較した場合、市販のキノコ型標準試料よりも本実施形態の短円柱状の発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の方が優れた均質性を有することが窺える。
なお、この結果は、同一の分析面における均質性を示すのもであるが、本実施形態の短円柱状の発光分光分析用アルミニウム合金標準試料は、厚さ方向における測定結果でもＣＶ値が１．５以下と、標準試料として必要十分な均質性を有している。

なお、上述の実施形態では、水槽１２として外缶１２ａと内缶１２ｂとで構成された二重缶構造のものを示したが、この水槽１２は、上記の二重缶構造のものに限定されるものではなく、常温の冷却水ｗが満たされた水槽１２であって、該水槽１２の底部から上部に向けて渦巻状に水流が形成され、且つその水流がオーバーフローするものであれば如何なる態様であってもよい。

１０…金型
１２…水槽
１２ａ…外缶
１２ｂ…内缶
ｍ…アルミニウム合金溶湯

Claims

目標とする標準試料の合金成分に調製したアルミニウム合金溶湯(ｍ)を準備し、
上記アルミニウム合金の液相線温度以上に予熱した有底円筒状の金型(１０)に、上記アルミニウム合金溶湯(ｍ)を注湯し、
然る後、直ちに、常温の冷却水(ｗ)が満たされた水槽(１２)であって、該水槽(１２)の底部から上部に向けて渦巻状に水流が形成され、且つその水流がオーバーフローする水槽(１２)に、上記の金型(１０)を浸漬して上記アルミニウム合金溶湯(ｍ)を急冷凝固させ、
急冷凝固して得られた円柱状の金属体を所定の長さに切断する、
ことを特徴とする発光分光分析用アルミニウム合金標準試料の製造方法。
請求項１に記載の方法で製造された短円柱状の発光分光分析用アルミニウム合金標準試料。