JPH03199957A - 連続冷却変態測定方法及び装置 - 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〕 本発明は、凝固直後の鋳造品の冷却過程における凝固相
変態の挙動を連続的に測定する方法及び装置に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕各種の
鋳造法により製造される圧延ロール、特に複合ロールは
、その鋳造後の冷却時又は熱処理＝　３− 時に筋割れを発生することがあった。特に複合ロールで
は、ロール表面部のいわゆる外層部分と内部の芯材部分
とでその組成が異なるために、それぞれの部分で起こる
変態挙動が異なる。すなわち外層部分と芯材部分の熱膨
張率（又は収縮率）が異なるために、鋳造後の冷却の条
件によっては、ロール内部に過大な応力が発生して、筋
割れを生じるのである。

このような筋割れは、凝固相の変態により望ましくない
相が析出するために起こると考えられており、変態割れ
とも呼ばれている。これを防ぐには、各部分における変
態挙動を正確に把握して、冷却速度や熱処理条件を適切
に設定することが必要である。

ところで、鋳造品の特性は、その組成だけでなく鋳造後
の冷却条件によっても大きく左右されることが知られて
いる。これは、鋳造品中の凝固相の変態点が鋳造後の冷
却速度により変化し、よって鋳造品中の変態相の種類及
び量が変化するためである。したがって、筋割れを防ぐ
目的だけでは４ なく、高強度、高靭性及び均一な組織を有する鋳造品を
得るためにも、鋳造品中の変態相の種類及び量を正確に
把握しておく必要がある。

このような理由から、溶湯を冷却して得られる鋳造品の
凝固相がどのような変態挙動を示すかを知ることが重要
であり、これまでいくつかの方法が試みられている。

たとえば鋳湯を石英管等に入れ、凝固冷却しながらダイ
ヤルゲージ等でその熱収縮を測定して変態挙動を知る方
法がある。しかしながら、この方法では、鋳湯が凝固し
て収縮する際に一部が容器内面に溶着するため、正確な
熱収縮率を得ることがで、きず、そのため変態挙動も正
確に知ることができない。

また示差熱分析により変態を検知する方法もあるが、凝
固相変態間の変態熱が小さく、正確に変態挙動を知るこ
とができない。

一方、鋳造品の凝固相変態を正確に知る手段として、そ
の磁気特性を測定し磁気特性（透磁率）の変化から、そ
れらの組織状態及び変態量を知る５ 方法もある。たとえば強磁性体であるα鉄と、非強磁性
体であるγ鉄との磁気特性の差異を利用して、鋼材中の
オーステナイト（γ鉄）と、フェライト（α鉄）の量を
求める装置（特開昭５６−８２４４３号）や、焼なまし
処理を施した冷間圧延帯の磁気ヒステリシスを測定し、
そのヒステリシス面積より冷間圧延帯の再結晶度を評価
して組織状態を監視する方法（特開昭５６−１６８５４
５号）などがある。

しかしながら、上記した磁気特性の測定方法においては
、いずれも−旦冷却した鋳造品サンプルを再加熱するこ
とにより、凝固相変態を測定している。というのは、溶
湯から凝固直後の鋳鉄は約１３００℃と高温であり、か
かる高温に耐え得る検出装置は実際上存在せず、また強
磁性を示す凝固相（パーライト相等）が析出するのは８
００℃以下であるので、その温度まで再加熱するのであ
れば、検出コイル等が十分耐えられるからである。

ところが、特に鋳鉄等の場合には、凝固直後から連続し
て冷却するときに起こる凝固相の連続冷却変態挙動と、
−旦冷却した鋳鉄を再加熱し、そ６− れを冷却したときに生じる連続冷却変態挙動とでは大き
く異なり、−旦冷却した鋳鉄を試料としてその連続冷却
変態挙動を調べても、実際に鋳鉄を製造する工程で起き
る変態挙動を知ることにはならないということがわかっ
た。そのため、鋳造品の凝固直後から連続して冷却する
ときの凝固相の変態挙動を直接知る方法が望まれる。

したがって、本発明の目的は、鋳造品の凝固直後の高温
の状態から室温までの冷却過程における凝固相の変態挙
動を正確に知る方法及び装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、試料に磁
場をかけながら、一定の冷却速度で試料を冷却してゆき
、試料の周囲に設置した磁気検出コイルに発生する電磁
誘導起電力を連続的に測定すれば、試料の透磁率の変化
を検知することができ、この情報から凝固相変態の挙動
を知ることができること、その際検出コイルを、試料温
度が強磁性を示す相が析出する比較的低温になってはじ
めて、試料の周囲に近接させれば、障害なく磁気測定が
行なえること、さらに、かかる磁気測定を種々の冷却速
度で行えば、凝固相変態と冷却速度との相関図が得られ
ることを発見した。本発明はかかる発見に基づき完成し
たものである。

すなわち、凝固直後の鋳造品を連続的に冷却することに
より凝固相変態を測定する本発明の第一の方法は、試料
の冷却速度を調節するためのヒータと、試料を磁化する
ための磁化コイルと、試料の磁気検出コイルとを有する
装置を用い、前記磁化コイルにより前記試料に一定の磁
場をかけつつ一定の冷却速度で試料を冷却し、前記磁気
検出コイルに発生する電磁誘導起電力の大きさを連続的
に測定することにより、前記試料の透磁率の変化を検知
し、もって冷却速度に対する凝固相変態挙動を知ること
を特徴とする。

また、凝固直後の鋳造品を連続的に冷却することにより
凝固相変”態を測定する本発明の第二の方法は、試料の
冷却速度を調節するためのヒータと、試料を磁化するた
めの磁化コイルと、試料の磁気一 検出コイルとを有する装置を用い、同一組成からなる複
数の試料に対して、それぞれ前記磁化コイルにより一定
の磁場をかけつつ、試料毎に異なる一定の冷却速度で試
料を冷却し、前記磁気検出コイルに発生する電磁誘導起
電力の大きさを連続的に測定することにより、前記各試
料の透磁率の変化を検知し、もって種々の冷却速度に対
する凝固相変態を測定し、鋳造品凝固直後の凝固相変態
と温度との相関を求めることを特徴とする。

さらに、上記した連続冷却変態測定方法を実行すること
のできる本発明の装置は、試料設置部位と、それを取り
囲むように内側から順に同軸的に配置された試料の磁気
検出コイルと、試料の加熱、冷却速度を調節するための
ヒータと、試料を磁化するための磁化コイルとを有し、
前記磁化コイルにより前記試料に一定の磁場をかけなが
ら前記ヒータを調節して前記試料を一定速度で冷却し、
前記磁気検出コイルに発生する電磁誘導起電力の大きさ
を連続的に測定することにより前記試料の透磁率の変化
を検知し、もって冷却速度に対する凝９− 面相変態挙動を測定することを特徴とする。

〔実施例及び作用〕

本発明を、添付図面を参照して詳細に説明する。

第１図は本発明の方法を実施することのできる装置の一
例を示す概略断面図である。装置は試料１を収容する非
磁性体製の容器２と、試料１に磁場をかける磁化コイル
３と、試料１の磁化の強さを検出する磁気検出コイル４
と、試料１の冷却速度を制御するためのヒータ５と、試
料１の温度を測定する熱電対６と、磁気検出コイル４に
発生する電磁誘導起電力を整流増幅する増幅器８と、試
料１の温度及び磁気検出コイル４からの電気信号を記録
するレコーダー７とを有する。

なお、試料１としては凝固直後の鋳造品を用いればよい
が、取り扱い上、溶湯の状態で容器２に入れ、凝固後か
ら測定を開始するようにするのが便利である。

試料用容器２は、装置の中央に位置し、その周囲に石英
管４１を介して磁気検出コイル４が、さらにその外側に
複螺管シリコニット発熱体からなる１０− ヒータ５が、そしてさらにその外側に磁化コイル３が共
に同軸的に配置している。なおヒータ５と磁化コイル３
との間には磁化コイル３の冷却用水冷パイプ９が通って
いる。

磁気検出コイル４の支持体である石英管４１は上下に可
動であり、試料の冷却初期の段階では（試料の温度が１
０００℃を超す高温の時には）、図中４ａ及び４１ａに
示すように上方に引き上げられているが、試料１が凝固
し、Ｔ鉄からα鉄への変態を開始する前に（９００℃程
度）、容器２とヒータ５との間に設置される。このよう
にすることで磁気検出コイルの熱による劣化、損傷を防
止する。

なお、装置の各部分は、磁気検出の測定に誤差、ノイズ
等を招かないように以下のような工夫をする。まずヒー
タは電磁的に無誘導のヒータとする必要があり、そのた
めに前述したように複螺管のシリコニット　（セラミッ
クス）発熱体を用いる。

また炉枠も非磁性体を用いる必要があり、たとえば真鍮
などを用いる。磁化コイルの冷却用パイプも同様に銅製
パイプ等を用いるのが好ましい。さ１１ らに磁化コイルの電源は交流安定電源とし、測定誤差及
びノイズを極力避けるように工夫する。また測定時の試
料１の酸化を防止するために、容器２の蓋２２に設置さ
れた管２１からアルゴンガス等の不活性ガスを通すよう
に工夫するのが良い。

次に上述した装置を用いた本発明の連続冷却変態測定方
法について図面を参照しながら説明する。

まず容器２に対象となる組成の溶湯を入れ、高温に保っ
た装置内に設置する。このとき磁気検出コイル４はまだ
装置上部（第１図の４ａの位置）に引き上げたままであ
る。

ヒータ５の出力を調節して、設定した冷却速度となるよ
うに試料（溶湯）を冷却し凝固させる。

続いて磁化コイル３により試料に一定の交流磁場をかけ
ながらさらに冷却する。

試料の温度が９００℃程度になったら磁気検出コイル４
を容器２とヒータ５間に挿入設置し、磁気検出コイル４
に生じる電磁誘導起電力を連続的にレコーダー７に記録
する。このとき冷却速度は一定に保たれる。

１２ 溶湯が冷却して凝固相を形成すると、まずｒ鉄であるオ
ーステナイトが現れる。オーステナイト（Ｔ鉄）は非磁
性体であるので、磁化コイル３による磁場がかかっても
磁化されない。したがって磁気検出コイル４には電磁誘
導起電力は生じず、電流は流れない。

さらに温度が下がるとγ鉄からα鉄への相転移が起きる
。α鉄は強磁性体であるので磁化コイル３による磁場中
で磁化される。これによって磁気検出コイル４には電磁
誘導起電力が生じ、その結果電流が流れる。なおα鉄と
しては、パーライト、ベイナイト及びマルテンサイトの
三つの変態が順に現われるが、その変態の現れ方は冷却
速度に依存する。従って、γ鉄からまずパーライトに相
転移し、次いでパーライトからベイナイトに、さらにマ
ルテンサイトへの相転移する場合もあるし、パーライト
からマルテンサイトへ直接相転移が生じる場合もある。

γ鉄から直接ベイナイトに相転移する場合には、次にベ
イナイトからマルテンサイトへの相転移が観測される。

また比較的速い冷１３ 却速度とすると、γ鉄から直接マルテンサイトへの相転
移がみられることになる。なおパーライト、ベイナイト
及びマルテンサイトは共にα鉄であるが、それらの磁化
の強さは多少異なるので、本発明の磁気測定方法におい
て、電磁誘導起電力の大きさに差異が現れ、それらの変
態間の相転移をも知ることができる。

第２図（ａ）、（ｂ）は、それぞれある一定の冷却速度
で試料を冷却したときの磁気検出コイル４に生ずる電磁
誘導起電力（試料の磁化量に対応）と、試料の温度との
関係を示す模式的なグラフである。

（ａ）においては、試料が冷却してその温度がＴ１に達
すると磁化Ｎ（電磁誘導起電力（ｍＶ）として測定され
る）が大きくなる。これはたとえばオーステナイト（γ
鉄）からマルテンサイト（α鉄）への相転移が観測され
るときに得られるグラフであり、Ｔ１以上の温度におけ
る相と、ＴＩ以下で安定な相とでは、磁気特性が大きく
異なることを示している。

また（ハ）においては試料が冷却して温度Ｔ２に達した
時と、さらに冷却して温度Ｔ３に達した時にそれぞ１４ れ相転移が生じることを示している。このようなグラフ
は、たとえばオーステナイトからベイナイトへの相転移
が起こり、さらに低温でベイナイトからマルテンサイト
への相転移が起こるような場合に観測されるグラフであ
る。

第２図に示すような連続冷却変態挙動を示す曲線を、種
々の冷却速度において求め、それから得られる変態点と
冷却速度との関係から、第３図に示すような相関図を作
ることができる。ここで領域Ａ、Ｂ及びＣは凝固相客変
態の存在する領域を示しており、縦軸は試料（凝固相）
の温度を示し、横軸はその温度に達するまでの冷却時間
を示している。したがって、冷却速度は図に例示した直
線１〜４等の傾きとなって表わされ、各直線がそれぞれ
１つの冷却速度における磁気測定結果に対応する。例え
ば直線１は、初期の試料温度Ｔ。から（Ｔｏ　　Ｔ＋）
　／ｌａとなる冷却速度で冷却しながら測定した際に、
ｔａ時間後にオーステナイトからマルテンサイトへの相
転移を観測（図中ａ点に対応）したことを示す。なお、
この直線１は、第２図の　１５− （ａ）に示す測定結果と対応する。また直線２は、初期
の試料温度Ｔ。から（Ｔｏ　　Ｔ＋）　／ｌｃとなる冷
却速度で冷却しながら測定した時に、ｔｂ時間後にオー
ステナイトからベイナイトへの相転移を観測しく図中す
点に対応）、さらにｔｃ時間後にベイナイトからマルテ
ンサイトへの相転移を観測（図中Ｃ点に対応）したこと
を示す。なお、直線２は、第２図の（ハ）に示す測定結
果と対応している。

さらに冷却速度を遅くして、直線３又は直線４等に表わ
されるような変態点ｄ−ｊ２等をプロットし、各変態の
変態点についての点を結んでいく。

たとえばパーライトについては点ｈ−ｄ−ｅ−ｉ・・・
と結んで領域Ａを得る。またベイナイトについては点ｃ
−ｂ　−ｆ　−ｊ−に−ｇという具合に結んで領域Ｂを
得る。マルテンサイトについては、点ａ−ｃ−ｇ−１を
結んだ線の下部（領域Ｃ）がその領域となる。

このように数多くの冷却速度における連続冷却変態挙動
を測定すれば、凝固相客変態の冷却時間に対する正確な
相関図を作ることができる。

１６− したがって、この図を参照して冷却速度をコントロール
しながら鋳湯を凝固冷却すれば、鋳造品の任意の熱履歴
に対する凝固相変態を把握することができるだけでなく
、所望の物性（凝固相）を有する鋳造品を得ることもで
きる。以上の方法に従えば、鋳造品中の変態量を任意に
規定することができるので、変態による筋割れを確実に
防止することができる。また同時に強度、靭性等につい
ても容易に望むものとすることができる。

本発明を以下の具体的実施例によりさらに詳細に説明す
る。

実施例１〜３ 以下に示す組成成分を有する溶湯を、第１図に示す装置
の容器２に入れ、ヒータ５の出力を調節して凝固冷却後
、さらに一定の冷却速度で冷却しつつ磁化コイル３によ
り試料に磁場をかけた。

　１７− まず、１３００℃から６００℃までを５時間で冷却し、
その後６００℃から室温までを２０時間（実施例１）、
４０時間（実施例２）及び６０時間（実施例３）かけて
冷却しながら、磁気検出コイル４に生ずる電磁誘導起電
力を測定した。

測定結果を第４図（ａ）（実施例１）、（ハ）（実施例
２）及び（Ｃ）（実施例３）に示す。

第４図（ａ）、（ｂ）及び（Ｃ）かられかるように、同
一の組成の試料であっても、その冷却速度が異なれば凝
固相中に現われる変態の種類及び変態点が異なってくる
。（ａ）においては１７０℃付近でのオーステナイトか
らマルテンサイトへの相転移（Ａ点）のみが観測されて
いる。（６）においては３２０℃付近にオーステナイト
からベイナイトへの相転移（８点）と、１７０℃付近で
のベイナイトからマルテン１８ サイトへの相転移（０点）が観測されている。また（Ｃ
）では３００℃付近にオースティトからベイナイトへの
相転移（Ｅ点）が、また１５０℃付近にベイナイトから
マルテンサイトへの相転移（Ｅ点）が観測された。

このように、所望の組成の溶湯について、その冷却速度
を変えながら第４図に示すような連続冷却変態曲線を多
数得ることにより、第３図に示すような変態相関図を作
製することができる。

〔発明の効果〕

以上に詳述した通り、本発明の方法及び装置によれば溶
湯が凝固し冷却する過程で、非接触法で凝固相中の変態
挙動を連続的に知ることができる。

またその感度も大きく、従来の熱膨張による測定や示差
熱分析による測定に比べてはるかに正確に変態挙動を知
ることができる。

また本発明の方法は、鋳造品の凝固直後から冷却する過
程を観測するので、鋳鉄のよう１乙−旦冷却した物を再
加熱、冷却する時に起こる変態挙動が鋳湯を直接凝固さ
せたときに起こる変態挙動１９ と大きく変わる物質に対しても、確かな連続冷却変態挙
動を知ることができる。

さらに本発明の方法では、測定された連続冷却変態曲線
から冷却時間と変態との関係を示す相関図を作ることが
でき、この相関図を基にして適切な冷却速度を設定すれ
ば、筋割れ（変態割れ）が生じないような凝固後の冷却
条件を見出すこともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による装置を示す概略断面図
であり、 第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の方法により得
られる磁気測定結果の一例を模式的に示すグラフであり
、 第３図は本発明の方法により得られる磁気測定結果から
作成される変態相関図を示す概略図であり、 第４図（ａ）、（ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ実施例１
．２及び３の磁気測定結果を示すグラフである。 ２０− １・・・試料 ２・・・容器 ３・・・磁化コイル ４・・・磁気検出コイル ５・・・ヒータ ６・・・熱電対 ７・・・レコーダー ９・・・冷却水用パイプ 願人　日立金属株式会社 理　　人　　　弁理士　　　高　　石　　　橘　　馬２
１− 第 ２図 （ａ） （ｂ） 度

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）凝固直後の鋳造品を連続的に冷却することにより
   凝固相変態を測定する方法であって、試料の冷却速度を
   調節するためのヒータと、試料を磁化するための磁化コ
   イルと、試料の磁気検出コイルとを有する装置を用い、
   前記磁化コイルにより前記試料に一定の磁場をかけつつ
   一定の冷却速度で試料を冷却し、前記磁気検出コイルに
   発生する電磁誘導起電力の大きさを連続的に測定するこ
   とにより、前記試料の透磁率の変化を検知し、もって前
   記冷却速度に対する凝固相変態挙動を知ることを特徴と
   する連続冷却変態測定方法。
2. （２）凝固直後の鋳造品を連続的に冷却することにより
   凝固相変態を測定する方法であって、試料の冷却速度を
   調節するためのヒータと、試料を磁化するための磁化コ
   イルと、試料の磁気検出コイルとを有する装置を用い、
   同一組成からなる複数の試料に対して、それぞれ前記磁
   化コイルにより一定の磁場をかけつつ、試料毎に異なる
   一定の冷却速度で試料を冷却し、前記磁気検出コイルに
   発生する電磁誘導起電力の大きさを連続的に測定するこ
   とにより、前記各試料の透磁率の変化を検知し、もって
   種々の冷却速度に対する凝固相変態を測定し、鋳造品凝
   固直後の凝固相変態と温度との相関を求めることを特徴
   とする連続冷却変態測定方法。
3. （３）試料設置部位と、それを取り囲むように内側から
   順に同軸的に配置された試料の磁気検出コイルと、試料
   の加熱、冷却速度を調節するためのヒータと、試料を磁
   化するための磁化コイルとを有し、前記磁化コイルによ
   り前記試料に一定の磁場をかけながら前記ヒータを調節
   して前記試料を一定速度で冷却し、前記磁気検出コイル
   に発生する電磁誘導起電力の大きさを連続的に測定する
   ことにより前記試料の透磁率の変化を検知し、もって冷
   却速度に対する凝固相変態挙動を測定することを特徴と
   する装置。
4. （４）請求項３に記載の装置において、前記磁気検出コ
   イルは、前記試料設置部位と前記ヒータとの間隙に着脱
   自在となっており、試料が溶湯状態から凝固直後までの
   高温時には前記試料設置部位と前記ヒータとの間隙から
   離脱しており、前記試料が凝固相転移を起こす程度に冷
   却した時点で前記間隙に挿入されることを特徴とする装
   置。