JP4549424B1 - アルミニウム合金溶湯中の水素分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法により、高い精度でアルミニウム溶湯中の水素量を評価することができる水素分析方法を提供する。
【解決手段】分析対象であるアルミニウム合金溶湯を、予め定められた凝固条件で凝固させることにより分析用の鋳造素材を作成し、作成された鋳造素材の所定位置に超音波探傷器の探傷子２を接触させ、鋳造素材１０の探傷子接触面１０ａと反対側の面１０ｂからの反射エコーの強さを求め、予め定められた凝固条件によって特定される反射エコーの強さとアルミニウム合金溶湯の水素含有量との関係と、求められた反射エコーとに基づいて、アルミニウム合金溶湯の水素含有流量を定量することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は，アルミニウム合金溶湯中に含有されている水素の量を簡便かつ迅速に評価する水素分析方法に関するものである。

従来より、高品質のアルミニウム合金鋳造品を得るために、アルミニウム合金溶湯中の水素量が一定値以下、例えば０．２５ｃｃ／１００ｇＡｌ以下となるように管理されている。水素は溶湯の湯面より空気中の水分との反応により侵入したり、あるいは溶解する材料に付着する水分、油分より発生する。水素量が多いと低圧鋳造法、重力鋳造法においては凝固過程において原子状水素が分子状水素となり、ピンホール(微小空孔)が発生し、鋳造製品の品質を低下させる。また水素の発生過程において、水分、油分とアルミニウム溶湯との反応により酸化物も発生する。これらは、脱ガス処理が不十分であれば、溶湯中に残存し、重力鋳造法、低圧鋳造法はもとより、５０ＭＰａ以上の加圧を行なう高圧鋳造法といえどもその悪影響を避けることはできない。このために、水素の分析法が種々提案され実用化されており、その特徴は以下のとおりである。

代表的な現場で行なえる工業的な迅速水素分析法としては、イニシャルバルブ法が知られており、下記特許文献1に記載されている。この分析方法の要領は以下のとおりである。採取された溶湯をチャンバーの中に収容し、チャンバーを減圧することで、湯面より気泡を発生させる。この気泡を測定者が観察して直ちに真空引きを中止する。このときの圧力と湯温が自動的に計測・計算されて水素量が表示される仕組みになっている。この方法によれば、分析時間は５分程度と極めて短い。

下記特許文献２には固体電解質をセンター素子として使用し、溶融金属中の濃度を直接かつ連続的に測定する水素濃淡電池法が開示されている。

また、現在最も分析精度が高い方法として、真空溶融抽出法が下記特許文献２に記載されている。この方法は、急速凝固できる銅の金型にアルミニウム合金溶湯を鋳込み、得られた鋳造試料の表面を加工した後、真空中で加熱して、試料から溶解して発生する水素ガスの量を熱伝導式検出器、ガスクロマトグラフまたは質量分析器等で分析し、その分析結果及び溶融金属の温度から溶融金属中の水素濃度を求めるものである。

特開平１−１５８３５２号公報 特開平８−３５９４７号公報

しかしながら、例えば特許文献1に引用文献として開示されているイニシャルバブル法は、採取した湯面から発生する気泡サイズが０．５ｍｍ以下と小さいために、最初の気泡を確認するのが難しく、個人差がでやすい。また、特に水素量が０．３ｃｃ／１００ｇＡｌより高くなると発泡時間も短くなり、分析精度が悪くなる。

また、特許文献２に記載されている水素濃淡電池法は、分析精度において真空抽出法には劣るものの従来法に比較して高い精度があり、しかも個人差が出ないという長所がある。しかし、工場において使用するためには溶湯に浸漬する測定部の消耗が避けられないため、結果として価格が高くなり工業的分析法としては問題点がある。

また、特許文献２に引用文献として開示されている真空溶融抽出法は、分析精度は極めて良好であるが、分析時間が1時間以上と長く、また分析装置そのものが高価で工業的に利用できるものではない。

また、鋳造材内部に凝固時に発生する水素ガスによるポロシティ欠陥の体積率が、水素量の増加するに従い、あるいは凝固時の冷却速度が遅くなる従い、多くなることが純アルミについて広く知られている。この現象を利用して、実際にアルミニウム鋳物合金の密度を測定すると、鋳造試料の密度と水素量の間に高い精度の直線関係が求められる。このことから、密度測定により水素量を測定する方法が考えられる。しかし、この方法は、測定準備に時間がかかり、鋳造現場で迅速に測定するには不向きである。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、簡便な方法により、高い精度でアルミニウム溶湯中の水素量を評価することができる水素分析方法を提供することを目的とする。

本発明は、分析対象であるアルミニウム合金溶湯を、予め定められた凝固条件で凝固させることにより分析用の鋳造素材を作成し、作成された鋳造素材の所定位置に超音波探傷器の探傷子を接触させ、鋳造素材の探傷子接触面と反対側の面からの反射エコーの強さを求め、前記予め定められた凝固条件によって特定される前記反射エコーの強さと前記アルミニウム合金溶湯の水素含有量との関係と、前記求められた反射エコーとに基づいて、前記アルミニウム合金溶湯の水素含有流量を定量することを特徴とする。

好適な実施形態において、予め定められた凝固条件は、アルミニウム合金溶湯の初晶の晶出開始温度から共晶開始温度までの凝固区間冷却速度、あるいは初晶晶出開始温度から固相線温度までの凝固区間冷却速度が、３℃／ｓ〜５０℃／ｓであることを特徴とする。

また、他の実施形態において、前記鋳造素材は、底面から上面にかけて超音波探傷器の探傷子を接触させるための平滑な探傷面とこれに対向する反射面を外周面に設けた円柱形状であることを特徴とする。

本発明によれば、簡便な方法により、高い精度でアルミ溶湯中の水素量を評価することができる。

本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金溶湯中の水素分析方法を実施するための分析装置の模式図である。 同分析装置における超音波探傷器により求められた探傷図形の模式図である。 エコー高さと水素量との関係を示すグラフである。 鋳造材切断面に観察された水素ガス欠陥の分布図である。 エコー高さに及ぼす水素量と鋳造材の凝固速度との関係を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明のアルミニウム合金溶湯中の水素分析方法の好適な実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るアルミニウム合金溶湯中の水素分析方法を実施するための分析装置を示す概略図である。この分析装置は、超音波探傷器を使用してアルミニウム合金鋳造素材の反射エコーを測定するものである。

本実施形態に係るアルミニウム合金溶湯中の水素分析方法に用いられる超音波探傷器は、図１に示すように、探傷子２と、超音波送受制御回路４と、演算処理部６と、表示部８とを備えている。

探傷子２は、超音波送受波制御回路４の信号に基づいて、後述するアルミニウム合金鋳造素材１０の探傷面１０ａからアルミニウム合金鋳造素材１０内に超音波を送波し、後述するアルミニウム合金鋳造素材１０の反射面１０ｂ及び内部欠陥からの反射エコーを受波する。超音波送受波制御回路４は、探傷子２を制御して超音波を送受波させると共に、探傷子２で受波した反射エコーを処理し、処理後の反射エコーを演算処理部６に出力する。この超音波送受波制御回路４は、例えば超音波探傷器の全体の動作を制御する制御回路と、送波のためのパルス電圧を発生し探傷子２に印加する送波器と、探傷子２が受波し電気信号に変換した超音波を増幅する増幅器と、増幅器で増幅した信号を検波する検波器と、検波器の出力信号を増幅するための増幅器とを備えている。演算処理部６は、超音波送受波制御回路４の出力信号をデジタル信号に変換した後、所定の情報処理を行って反射エコーの表示データを生成し、この表示データを表示部4に出力する。表示部８は、演算処理部６から出力される表示データに基づいて、画面上に後述するアルミニウム合金鋳造素材１０の反射エコーを表示する。

アルミニウム合金鋳造素材１０は、底面１０ｄから上面１０ｃにかけて長手方向に沿った平滑な探傷面１０ａ及び探傷面１０ａと平行な反射面１０ｂが外周面上の対向位置に設けられた円柱形状に形成されている。また、アルミニウム合金鋳造素材１０の直径は、例えば４０ｍｍΦであり、高さは、５０mmである。さらに、アルミニウム合金鋳造素材１０の上面１０ｃには、アルミニウム合金鋳造素材１０が凝固する際に生じる凝縮巣１１が形成されている。
本実施形態に係るアルミニウム合金溶湯中の水素分析方法において、アルミニウム鋳造素材１０を、少なくとも1箇所以上アルミニウム鋳造素材１０の底面１０ｄから上面１０ｃの方向に向けて超音波探傷器の探傷子２を接触させるための平滑な面を設けた円柱形状とすることにより、アルミニウム鋳造素材１０中の欠陥が均一分散し、かつ超音波探傷器の探傷子２とアルミニウム鋳造素材１０の表面の接触が確実に行なうことができるため、反射エコーが安定して高い精度が得られる。

次に、このアルミニウム合金鋳造素材１０の作成条件、より詳細には凝固条件について説明する。
鋳造材の水素ガス欠陥発生挙動と水素量の関係に基づき、非破壊検査法の一つである超音波探傷器（２０ｋＨ以上の超音波を用いる）を使用することで、水素量を推測しようとした場合、水素量が異なる前記鋳造素材の超音波探傷器を用いてエコー高さを測定しても、エコー高さと水素量の間に明瞭な関係が認められないことがある。その理由としては、水素ガス欠陥量に及ぼす鋳造素材の凝固速度および水素量の影響、その水素ガス欠陥の鋳造材中における分布状況・欠陥サイズ、及び鋳造材の凝固時に生成される収縮欠陥の発生挙動との区別する方法など、超音波探傷用鋳造材としての最適条件がまったく判っていない状況であったことによる。

本発明者等は、分析対象となるアルミニウム合金溶湯中の水素含有量と、アルミニウム鋳造素材１０の底面１０ｄからの反射エコーの強さとの間の関係が、アルミニウム合金鋳造素材１０の凝固条件によって変わることに着目し、更に、特定の凝固条件においては、上述の関係が強く現れることを見出した。

ここで使用されるアルミニウム合金鋳造素材１０の凝固区間冷却速度は、水素ガスの量に連動して鋳造材内部に水素ガス欠陥を発生させて底面反射エコーが変化するように設定されたものあるが、鋳込み温度、鋳型温度、鋳型厚みなどの条件を適宜選択して、アルミニウム合金溶湯の初晶の晶出開始温度から共晶開始温度までの凝固区間冷却速度、あるいは初晶晶出開始温度から固相線温度までの凝固区間冷却速度を３℃／ｓ〜５０℃／ｓとする。凝固区間冷却速度が３℃／ｓ未満であれば、鋳造材内部に多量の水素分子として水素ガス欠陥が発生し、しかも収縮欠陥も多量に発生して水素量と反射エコーとの関係を求めることはできない。一方、凝固区間冷却速度が５０℃／ｓを超えると、水素量が、たとえば０．３５ｃｃ／１００ｇＡｌ以上のように、多くなっても、水素はアルミ原子間に水素原子として固溶するために、水素量の大小に関係なく、無欠陥のときに示す反射エコーの値１００％付近を示すことから、反射エコーから水素を求めることができない。このために、アルミニウム合金溶湯の凝固区間冷却速度は、３℃／ｓ〜５０℃／ｓとする。管理したい水素量の範囲によって、冷却速度は任意に求めることができるが、好ましくは、３℃／ｓ〜３０℃／ｓ、さらに好ましくは、３℃／ｓ〜１０℃／ｓとすることで、水素量が０．２ｌ〜０．５ｃｃ／１００ｇＡｌの範囲で超音波探傷器を用いて得られる底面反射エコーの値を１００％から５０％程度まで段階的に低下させることができる。

次に、アルミニウム合金鋳造素材１０の水素量と高さエコーとの関係指標を作成する工程について図２乃至図５に基づいて説明する。ここで、図３に示す関係指標は、アルミニウム合金鋳造素材１０の底面１０ｄから１５ｍｍの位置における円柱の中心の凝固速度が、約３℃／ｓとなる条件下で凝固させたアルミニウム合金鋳造素材１０に関するものである。まず、異なる水素量を有するアルミニウム合金溶湯を準備するために、水素濃淡電池法でおおよその水素量を確認しながら、水素発生物質としてじゃがいもを所定量だけアルミニウム合金溶湯に投入し、そのアルミニウム合金溶湯を金型及び銅型に所定の温度から鋳込む。銅型に鋳込まれたアルミニウム合金溶湯を加工して上述したアルミニウム合金鋳造素材１０を採取した後、正確な水素量を真空溶融抽出法によって分析する。

次に、この工程によって採取されたアルミニウム合金鋳造素材１０の底面１０ｄから１５ｍｍの高さの位置における探傷面１０ａに、図１に示すように、超音波探傷器の探傷子２の超音波送波面を垂直に接触させて、アルミニウム合金鋳造素材１０内に超音波を送波する。すると、図２に模式的に示すように、探傷子２から送波された超音波は、アルミニウム合金鋳造素材１０の反射面１０ｂに衝突及び反射し、反射エコーとして探傷子２に受波される。また、アルミニウム合金鋳造素材１０内の水素ガス欠陥１２に衝突した超音波は、水素ガス欠陥１２の位置で反射され、反射エコーとして探傷子２に受波される。この反射エコーは、超音波送受波制御回路４及び演算処理部６によりデジタル信号に変換され、表示部８に表示される。ここで、図２中のＡは、アルミニウム合金鋳造素材１０の反射面１０ｂで反射した底面エコーのエコー高さを示し、図２中のＢは、アルミニウム合金鋳造素材１０内の水素ガス欠陥１２で反射した欠陥エコーのエコー高さを示す。また、エコー高さとは、水素ガス欠陥１２又はアルミニウム合金鋳造素材１０の反射面１０ｂ等に衝突及び反射して探傷子２に戻ってきた超音波の強さをいうものとし、図２のグラフにおいて、横軸は、探傷子２から反射源までの距離を示し、縦軸は、エコー高さを示しているものとする。

上記工程によって得られたアルミニウム合金鋳造素材１０の水素量とエコー高さの二つの値に基づいて、図３に示すような、アルミニウム合金鋳造素材１０の水素量と高さエコーとの関係指標あるいは関係式を作成する。

図４に、図３おいて使用したアルミニウム合金鋳造素材１０の切断面に認められる［赤色浸透試験法を用いて得られた水素ガス欠陥］の状況を示す。図４（ａ）乃至（ｅ）において、水素量とともに、アルミニウム合金鋳造素材１０の下面部(鋳造材の約１／２の高さのところ)に微細な欠陥が増加しており、アルミニウム合金鋳造素材１０内の水素量がエコー高さの変化に対応しているのが判る。

図５に超音波探傷器を用いて得られたエコー高さに及ぼすアルミニウム合金鋳造素材１０の水素量と凝固速度との影響を示す。ここで、図５中に示す実施例１乃至実施例４は、アルミニウム合金鋳造素材１０の底面１０ｄから１５ｍｍの位置における円柱の中心の凝固速度が、それぞれ約３℃／ｓ、約１０℃／ｓ、約３０℃／ｓ、約５０℃／ｓとなる条件下で凝固させたアルミニウム合金鋳造素材１０に関するものであり、比較例１及び比較例２は、アルミニウム合金鋳造素材１０の底面１０ｄから１５ｍｍの位置における円柱の中心の凝固速度が、約２℃／ｓ及び約７０℃／ｓとなる条件下で凝固させたアルミニウム合金鋳造素材１０に関するものである。比較例１の凝固速度が遅い２℃／ｓでは、水素量に関係なく低い値を示す。また、比較例２の凝固速度が速い７０℃／ｓでは、水素量に関係なく高い値を示す。一方、実施例１乃至実施例４の凝固速度がそれぞれ約３℃／ｓ、約１０℃／ｓ、約３０℃／ｓ、約５０℃／ｓでは、水素量と超音波値との間に関係が認められる。

以上のように、上述した本発明の一実施の形態によれば、図５に示すようにアルミニウム合金溶湯の初晶の晶出開始温度から共晶開始温度までの凝固区間冷却速度、あるいは初晶晶出開始温度から固相線温度までの凝固区間冷却速度を３℃／ｓ〜５０℃／ｓに管理することで得られたアルミニウム合金鋳造素材１０の探傷面１０ａの所定位置に、図１に示すように超音波探傷器の探傷子を接触させることにより、図２示すような反射面１０ｂから得られる底面反射エコーの高さを求め、同反射エコーとアルミニウム合金鋳造素材１０の水素含有量との関係を示すあらかじめ同一金型、同一凝固速度の条件のもとで求められた［水素量とエコー高さの関係式あるいは関係図］（図３参照）を用いて、アルミニウム合金鋳造素材１０の水素量を反射エコーの高さから求めることにより、アルミニウム合金溶湯中の水素を定量する。これにより、図４に示すような鋳造材内部の欠陥発生状況を、鋳造を切断することなく把握することができ、アルミニウム合金溶湯の水素量を簡便に求めることができる。

２ 探傷子、４ 超音波送受制御回路、６ 演算処理部、８ 表示部、１０ アルミニウム合金鋳造素材、１１ 凝縮巣、１２ 水素ガス欠陥

Claims (2)

1. 分析対象であるアルミニウム合金溶湯から作成された検査用の鋳造素材を用いて、分析対象であるアルミニウム合金溶湯の水素含有量を定量するアルミニウム合金溶湯中の水素分析方法であって、
   前記分析対象であるアルミニウム合金溶湯を、アルミニウム合金溶湯の初晶の晶出開始温度から共晶開始温度までの凝固区間冷却速度、あるいは初晶晶出開始温度から固相線温度までの凝固区間冷却速度が３℃／ｓ〜５０℃／ｓとなる凝固条件で凝固させることにより前記検査用の鋳造素材を作成し、
   作成された前記検査用の鋳造素材の所定位置に超音波探傷器の探傷子を接触させ、前記検査用の鋳造素材の探傷子接触面に対して反対側の面からの反射エコーの強さを求め、
   予め前記検査用の鋳造素材と同一の凝固条件のもとでそれぞれ水素含有量の異なる複数の関係指標作成用の鋳造素材を作成し、前記検査用の鋳造素材の所定位置に対応する位置における前記関係指標作成用の鋳造素材の探傷子接触面に対して反対側の面からの反射エコーの強さを求めることにより、反射エコーの強さとアルミニウム合金溶湯の水素含有量との関係を特定し、
   前記関係と、前記求められた検査用の鋳造素材の反射エコーの強さとに基づいて、前記分析対象であるアルミニウム合金溶湯の水素含有量を定量する
   ことを特徴とするアルミニウム合金溶湯中の水素分析方法。
2. 前記検査用の鋳造素材は、底面から上面にかけて超音波探傷器の探傷子を接触させるための平滑な探傷面とこれに対向する反射面を外周面に設けた円柱形状であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金溶湯中の水素分析方法。