JPH03102250A - 固・液共存金属の固相率測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 金属を半凝固または半溶融状態で加工することにより、
金属材料の品質の向上、工程の省略によるコストダウン
、及び新素材の創製の可能性などについては、総合鋳物
’？９．１１．に、レオキャスティング技術の現状と題
して提案されている。

このような加工方法においては、該金属をその加工に適
した流動性を有する状態とし、適当な熱的状態（顕熱潜
熱とも）及び組織的状態に制御することか必要となる。

このためには該半凝固又は半熔融の状態における金属の
固相率を把握する必要がある。

そこでこのような制御の基本となる固・液共存金属の固
相率測定方法を、提供することにある。

（従来の技術） 金属の固・液共存状態での固相率を求める方法としては
、一般に、平衡状態図を基に、温度の関数として求める
、Ｓｃｈｅｉｌの式が知られている。すなわち次式（第
６図参照）により固相率が求められる。

Ｆｓ　＝　１　−　　（（Ｔｍ　−　ＴＩ）　　／（Ｔ
ｍ　−　Ｔ））””−ｌ′）−（１）Ｆｓ：固相率 Ｔｍ　：純金属の凝固温度 Ｔｌ：合金（威分濃度（Ｃ））の液相線温度Ｔ　：温度
計測値 ｋ　：平衡分配係数＝　Ｃｓ／Ｃｌ 式（１）により固相率を求めるには、 １）平衡状態図が明らかなこと、 ２）正確に温度計測値（Ｔ）の測定が可能なこと、が前
提となる。

然るに、一般に実用合金では、次に示す一つまたはそれ
以上の理由により、この方法で固相率を求めることは、
一部の限られた合金にしか適用できない。

■多元系合金では平衡状態図が得られていない場合が多
い。

■平衡状態図が明らかな場合でも、不純物が存在し、ま
たばらつく為に正確さに欠ける。

■或分濃度（Ｃ）を知るには分析に待たなければならず
、プロセス制御等迅速な対応が困難である。

■高融点材料では、温度計測値（Ｔ）の高精度の測定が
困難である。

■固・液共存域の温度範囲が狭い合金では、微少な温度
変化で固相率が大きく変わり、高精度で固相率を知るこ
とが困難である（例えば０．０８％炭素鋼の場合固相線
と液相線の温度範囲は２０゜Ｃしかなく、固相率０．２
〜０．４で約１゜Ｃの温度幅となる．）。

■実際のプロセス中では、ほとんどの金属は平衡状態に
なく、温度から平衡状態図により求めた固相率が、実際
の固相率と合わない場合がある（例えばＣｕ−　８％Ｓ
ｎ合金の場合、凝固速度により固相率が平衡状態図と大
きくずれる事が知られている。

鋳物　第５８巻　（１９８６）　　第８号　Ｃｕ−８％
Ｓｎ合金の凝固時の固・液界面状態と固相率増加）。

またこれとは別に、半凝固又は半溶融の状態における金
属を急冷凝固させて該試料の顕微鏡組織観察から、固相
率を測定する方法もある。しかし、この方法に於いては
次のような欠点がある。

■組織固定のため極めて高い冷却速度が必要であるが、
精度の高い試験は一般に困難である。

■検鏡組織の定量化が難しい。

■目的とするデータを得るまで大変手間がかかる。

■組織が明確に出ない金属には適用できない。

上述のような問題点を回避しようとして最近、半凝固又
は半溶融状態における金属がその固相率により見かけ粘
性が変わることに着目し、該金属を撹拌したときの撹拌
トルクにまり固相率を制御する方法が提案（Ｓｏｌｉｄ
ｉｆｉｃａｔｊｏｎ　ａｎｄ　Ｃａｓｔｉｎｇ　ｏｆＭ
ｅｔａｌｓ，　（１９７７）＋　５１０＋　Ｔｈｅ　Ｍ
ｅｔａｌｓ　Ｓｏｃｊｅｔｙ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　
ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｔｈｉｘｏｃａ
ｓｔ　ｓｔｅｅｌｓ）されている。

しかし、この方法は次に示す理由により、プロセス制御
等への適用には不適当である。

■半凝固又は半溶融状態における金属の見かけ粘性は、
その固相の結晶粒径や粒形状などによっても異なり、同
一固相率でも測定トルク値が一定とはならない。

■固液共存のスラリー状金属は、流動特性が非ニュート
ン性で、チクソトロビーを示し、このため該金属の撹拌
状態によって、見かけ粘性は異なり、やはり同一固相率
で一義的にトルクが定まらない（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
　Ｍｅｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ１１　（１９７６）　Ｔ
ｈｅ　ｒｈｅｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ａ　ｐａｒｔｉａｌｌ
ｙｓｏｌｉｄ　ａｌｌｏｙ参照）。

■金属の種類により見かけ粘性は異なり、測定しようと
する金属の種々の固相率で、事前に見かけ粘性データを
把握して置かなければならない。

（発明が解決しようとする課題） この発明は、平衡状態図が得られていていない金属はも
ちろん、成分・不純物が正確に把握されていない金属や
、更に高融点で温度の測定が困難な金属、或いは凝固範
囲の温度幅が狭い合金、そして非平衡状態にあって、温
度測定により固相率を推定できない金属について、その
半凝固或いは半溶融状態における金属の固相率を、比較
的高精度で推定する方法を、提供することを目的とする
。

（課題を解決するための手段） この発明は、前述の温度測定・結晶組織観察・見かけ粘
性（トルク）の測定の如き手法による以外の方法で固相
率を知る手段を提供するものである。

この発明は溶融した金属を冷却して凝固させる際、又は
凝固した金属を加熱して溶解させる際において、液体金
属と固体金属が共存した状態の半凝固金属又は、半溶融
金属の比抵抗の変化を利用することにより固・液共存金
属の固相率を測定する方法である。

第１図（ａ），　（ｂ）においてｌａ，　ｌｂおよび１
ｃは液体金属と固体金属が共存した状態の半凝固金属又
は半溶融金属の比抵抗の測定に供する電極、２は半凝固
金属又は半溶融金属、３は容器、そして４はヒータであ
り、また５はホイートストンブリッジ、６は測定電源、
７はアンプ、８はレコーダ、９，ｌＯは比較抵抗であり
、また第２図（ａ），　（ｂ）において１１ａ，　ｌｌ
ｂ，　ｌｌｃ及びｌｉｄは電極、６′は定電流電源であ
る。

（作　用） 発明者は、電気抵抗の原因となる散乱機構が、幾つか共
存するときの全抵抗は、個々の機構が単独に存在すると
きの抵抗の和となるという、マーティセンの法則に着目
した。すなわち、において、（Ａ）は温度に依存せず一
定となり、（Ｂ）だけが温度に依存することが経験的に
知られている。

同一金属でも、固体状態と液体状態では、（Ａ）が大き
く異なる。

半凝固または半溶融状態では、固液界面に於ける格子欠
陥或いは、液相内の格子欠陥が液相或分の増加と共に多
くなり、従って比抵抗は液相の増加と共に急激に大きく
なる。

例えば純金属の場合は第２図（ａ）．　（ｂ）にＦｅ，
　ＡＩとＣｕの場合を例として示すように、融点の前後
で電気抵抗は大きく変化する事が知られているとおりで
ある。

この性質を利用し、半凝固または半溶融状態における金
属の固相率の変化による、比抵抗の変化を第１図、第２
図のようにして利用することにより、該金属の固相率を
推定する事が次のように可能となるわけである。

すなわち第１図（ａ）のように電極１８〜ｌｂ間及び電
極１ｂ〜１０間に電流を流して各々の電極間の電圧を同
図（ｂ）のようにして測定する。この場合、電極の熱起
電力や、電極の温度変化による抵抗変化の、測定電圧に
与える影響を防ぐために電極１　ａ　＝　１　ｂ間並び
にｌｂ−１ｃ間の電圧の差を求める電極としては溶融金
属と反応しにくい材質を選定するとよい。

ｆ列えば、鋼・ステンレス鋼にはＺｒＢ２、ｉ同・アノ
レミ合金には黒鉛が適当である。

ヒーター４の投入熱量を変えて、容器３内の半凝固また
は半溶融状態における金属２の固相率を変えると、この
固相率により一義的に電圧が求められる。

上記構戒で、固体から液体までの範囲で連続的に電圧を
測定すると、固・液共存範囲で電圧の大きな変化が認め
られ、−ｉに第４図の関係が得られる。第４図に於いて
、液相線温度・固相線温度にそれぞれ相当するＡ−Ｂ点
は、通常遷移点として求められるが、遷移点が明瞭でな
い金属に付いては、平行して温度測定し熱分析を行うと
良い。

（実施例） 実際にＰｂ−１９．２％Ｓｎ合金について、この発明の
方法により出力電圧を測定した値を第５図（ａ）に示し
、平衡状態図を基に槓杆関係から求めた出力電圧と固相
率との関係は第５図（′ｂ）に示す。

必要Ｇこよっては、第５図（Ｃ）のように電圧を無次元
化して現すことも可能である。

（発明の効果） 以上のように、温度測定、粘性測定、或は結晶組織観察
の手段によらずに、この発明に従い半凝固または半溶融
状態の固・液共存金属の電気抵抗を利用して、固相率を
推定する方法は、次の利点が著しい。

■応答性が極めて高い。

■成分の分析の必要がない。

■連続的に測定が可能である。

■平衡状態図が得られていない金属にも適用できる。

■凝固途中や溶解途中の、非平衡の状態での測定が可能
である。

■高融点金属や凝固温度幅の小さい金属にも適用できる
。

この発明の応用は例えば、半凝固加工プロセスで、加工
装置に供給する金属の、固相率を制御する場合の加熱装
置や冷却装置への、制御信号として用いられる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（６）並びに第２図（ａ），　（ｂ）は
この発明の方法に従う固・液共存金属の固相率測定要領
を示す説明図であり、 第３図（ａ），　（ｂ）は純金属（Ｐｅ，　ＡＩ及びＣ
ｕ）の融点前後における電気抵抗の変化のありさまを示
すグラフ、 第４図は固・液共存範囲での温度に対する電圧変化の影
響を示すグラフであり、 第５図（ａ）．　（ｂ）およひ（Ｃ）はＰｂ−１９．２
％Ｓｎ合金について出力電圧変化、この出力電圧と固相
率及び無次元化した電圧と固相率の対応をそれぞれ示す
グラフ、 第６図は平衡状態図である。 ｌ・・・電極　　　　　　　３・・・容器７・・・アン
プ　　　　　　　８・・・レコーダ第２図 （ａ） （１）） 第ｌ図 （ａ） （ｂ） 第３図 （ａ） 温膚（“Ｃ） 第３図 （ｂ） 温！ｌ（’Ｃ） 第４図 温度

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、溶融した金属を冷却して凝固させる際、又は凝固し
   た金属を加熱して溶解させる際において、液体金属と固
   体金属が共存した状態の半凝固金属又は、半溶融金属の
   比抵抗の変化を利用することにより固・液共存金属の固
   相率を測定する方法。