JPH07128327A - アルミニウム中の非金属介在物の評価方法および評価装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 最終製品におけるアルミニウム中の非金属介
在物を、その大きなものから微細なものに至るまで、極
めて容易に定性的に把握することができ、かつ概略の分
布状態までをも知ることができるアルミニウム中の非金
属介在物の評価方法およびこれに用いられる評価装置を
得る。 【構成】 アルミニウムからなる被検査物に、塩素イオ
ンを含む酸性の電解溶液中において交流電流による電気
化学的エッチングを施した後に、上記被検査物を１０℃
／分以上の加熱速度で４００℃以上に加熱して、その内
部に生成された穴状欠陥の量を観察することにより、上
記被検査物中における非金属介在物の含有量を評価す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種アルミニウム材料
における非金属介在物の含有量を評価するために用いら
れる、アルミニウム中の非金属介在物の評価方法および
その評価装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム中に存在する非金属介在物
は、当該アルミニウムによって製造される材料にとって
はミクロ的な欠陥であることから、その大きさの程度あ
るいは含有されている量や分散状態等により、材料の疲
れ限度が低下したり、腐食性や溶解性が高まったりする
など、その機械的性質あるいは化学的性質に大きな影響
を与えることが広く知られている。このため、例えば構
造用材料や装飾用材料などのように、機械的性質が問題
になるアルミニウム材料や表面処理や熱処理が行われる
アルミニウム材料等、広く一般に使用される各種のアル
ミニウム材料にあっては、その中に存在する非金属介在
物ができるだけ少なくなるように管理し、かつ存在する
非金属介在物の量を把握しておく必要がある。

【０００３】従来のこのようなアルミニウム中における
非金属介在物の評価方法としては、上記アルミニウムの
溶湯中における非金属介在物を評価する方法と、アルミ
ニウム製品中における非金属介在物を評価する方法とが
知られている。このうち、アルミニウム溶湯中の介在物
の評価方法としては、振動減圧凝固法や凝固体を超音波
探傷する方法などがある。ここで、上記振動減圧凝固法
とは、数百μｍ程度のメッシュを有するアルミナ製の標
準フィルターが組込まれた評価装置にアルミニウム溶湯
を通し、この溶湯が通過した後の上記フィルターを切断
してその切断面における非金属介在物の有無を顕微鏡で
調べる方法である。

【０００４】他方、製品中における非金属介在物を評価
する方法としては、製品の破断面を観察したり、あるい
は破断面を研摩した後に顕微鏡で観察したりする方法が
ある。また、上記製品におけるマクロ的な外観検査法と
しては、化成処理及び着色処理による方法などがあり、
それらの組合せで評価する方法が採られている。更に最
近では、電子線マイクロアナライザーによる微小領域で
の酸化物の確認、あるいは、酸素分析（放射化分析、臭
素メタノール法、酸化物分解法）なども行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た溶湯中の非金属介在物を調べる振動減圧凝固法にあっ
ては、先ずこれに用いる装置自体が極めて高価であると
いう問題点があった。しかも、溶湯を通すことからフィ
ルタのメッシュを数百μｍ以下にすることが難しく、よ
ってこれ以下の大きさの非金属介在物の存在は判別する
ことができないため、アルミニウム溶湯中に総量でどの
程度の非金属介在物が含まれているか評価することがで
きないという欠点があった。加えて、フィルタに残った
非金属介在物のみを観察するものであるために、アルミ
ニウム溶湯中での形状、ましてやその分布状態に到って
は、全く判別することができないという問題点があっ
た。さらに、上記評価方法は、素材である溶湯中におけ
る非金属介在物を評価するものであるために、その後の
工程において混入した非金属介在物については評価する
ことができず、よって最終製品における非金属介在物の
含有量については、全く評価することができないという
問題点もあった。

【０００６】他方、製品中における非金属介在物の上記
評価方法についても、殆どが１００μｍ以上の介在物の
検査方法であり、１μｍ前後の介在物に到っては、前述
の電子線マイクロアナライザーでも検出は非常に困難な
状態である。

【０００７】このように、上記従来の評価方法にあって
は、アルミニウム材料中の非金属介在物を検出する方法
は種々あるものの、いずれも１μｍ前後の微細な介在物
を検出することが困難であるという問題点があった。本
発明は、このような従来の評価方法が有する課題を解決
すべくなされたものであり、最終製品におけるアルミニ
ウム中の非金属介在物を、その大きなものから微細なも
のに至るまで、極めて容易に定性的に把握することがで
き、かつある程度の分布状態までをも知ることができる
アルミニウム中の非金属介在物の評価方法およびこれに
用いられる評価装置を提供することを、その目的とする
ものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアルミニウ
ム中の非金属介在物の評価方法は、好ましくは薄板状に
形成されたアルミニウムからなる被検査物に、例えば塩
酸等のような塩素イオンを含む酸性の電解溶液中におい
て交流電流による電気化学的エッチングを施した後に、
上記被検査物を１０℃／分以上の加熱速度で４００℃以
上に加熱して、その内部に生成された穴状欠陥の量を観
察することにより、上記被検査物中における非金属介在
物の含有量を評価することを特徴とするものである。

【０００９】また、本発明に係るアルミニウム中の非金
属介在物の評価装置は、エッチング装置と加熱炉とを備
えてなり、エッチング装置は、塩酸等の塩素イオンを含
む酸性の電解溶液を収容する容器と、この容器の電解液
中に浸漬された被検査物と電解液との間に交流電流を与
える回路とを有し、かつ加熱炉は、エッチング装置によ
る電気化学的エッチングが施された被検査物を収納する
加熱容器と、この加熱容器内の上記被検査物を加熱する
ヒータと、このヒータを予め設定された加熱速度と加熱
温度に制御する制御手段とを有してなるものである。

【００１０】

【作用】本発明の評価装置を用いた非金属介在物の評価
方法によれば、板状のアルミニウムからなる被検査物に
塩酸などの酸性溶液中で交流にて電気化学的エッチング
を施すと、アルミニウム中に多量の水素がチャージさ
れ、この水素が非金属介在物と反応して当該介在物に固
着する。この際に、被検査物中の非金属介在物の量が多
いと、内部で固着された水素量は多くなる。

【００１１】そこで、次に上記被検査物を、１０℃／分
以上の加熱速度にて、４００℃以上の温度まで加熱す
る。すると、この固着された水素原子は、結晶粒界（以
下、粒界と略称する。）に拡散する。この時に、加熱速
度が上述した１０℃／分よりも速い速度であると、非金
属介在物に固着していない大部分のＨ⁺イオンは、粒界
を通って自由表面へ拡散してしまうのに対して、非金属
介在物に固着されていたＨ⁺イオンは、拡散が遅れて粒
界に至り、Ｈ₂（ガス化）になって膨張することによ
り、穴状の欠陥を形成する。したがって、上記加熱後
に、被検査物の表面を研摩し、内部を顕微鏡により観察
して上記穴状欠陥の大きさおよびその個数を調べること
により、容易に被検査物中における様々な大きさの非金
属介在物の総量を評価することができるのである。

【００１２】すなわち、本発明は、塩素イオンを含む酸
性の電解溶液中における交流での電気化学的エッチング
により水素が非金属介在物と固着する現象を新たに見出
し、かつ所定の加熱条件により、非金属介在物と固着し
た上記水素から穴状欠陥を形成せしめてこれらを観察す
ることにより、アルミニウム中に含まれる非金属介在物
の量を上記穴状欠陥の量と対応させて評価するものであ
る。したがって、本発明によれば、微細な非金属介在物
であっても、水素ガスを媒体にした穴状欠陥として拡大
して顕在化させることができるため、顕微鏡でも容易に
検出することが可能になったのである。

【００１３】ここで、上記エッチングの電源として交流
に限定した理由を説明すると、一般に水素チャージの方
法としては、直流を用いたカソードチャージを行う方法
が採られている。しかしこの場合には、チャージされた
水素は酸化物などの非金属介在物との固着力が小さく、
この結果粒界での穴状欠陥の生成が得られなかったので
ある。これに対して、電気化学エッチングに交流を用い
た場合に、チャージされた水素が酸化物等の非金属介在
物と固着する理由の１つとしては、以下のことが考えら
れる。すなわち、先ず上記電気化学的エッチングにおい
て、カソード時に一端アルミニウム中に取込まれたＨ⁺
イオンが、アノード時に形成された酸化皮膜などにより
上記アルミニウム中から放出し難くなるためと考えられ
る。これを換言すれば、一端取込まれた上記Ｈ⁺イオン
がアルミニウム材料中に残留する時間が長くなり、よっ
て上記Ｈ⁺イオンが非金属介在物に固着される可能性が
高くなるためと考えることもできる。以上のことから、
上記電気化学的エッチングを交流の下で行うことに限定
した。

【００１４】また、エッチング液に塩酸のような塩素イ
オンを含む酸性の電解液に限定した理由は、塩素イオン
が無い場合は、交流エッチングによる腐食が促進され
ず、よってアルミニウム中に所望の水素チャージが行わ
れなかったためである。

【００１５】さらに、加熱速度を１０℃／分以上とした
理由について説明すると、先ずアルミニウム材料中にチ
ャージされた水素は、原子状またはイオン状でアルミニ
ウムの母地、結晶粒界あるいは非金属介在物や金属間化
合物などに存在する。次いでこの状態で加熱されると、
水素は拡散を始めるが、アルミニウム母地に存在してい
た水素ガスは、最も速く拡散して粒界から自由表面へ放
出されるが、非金属介在物に固着していた水素は拡散が
遅れ、粒界に達したところで、Ｈ₂（ガス化）になって
膨張することにより、穴状の欠陥を形成するか、あるい
は大きな非金属介在物に固着していた水素はその周囲の
特定場所で同様にガス化して穴状欠陥になる。

【００１６】したがって、本発明に係る評価方法によれ
ば、穴状欠陥が粒界に発生した場合に、即非金属介在物
が粒界に存在していたとは断じ得ないが、粒内に発生し
た場合は、非金属介在物の存在した場所またはその近傍
と考えることができる。そして、粒界あるいは粒内のい
ずれに穴状欠陥が発生しても、それらの総量はアルミニ
ウム中に含まれている酸化物などの非金属介在物の量に
対応するものと考えられる。

【００１７】また、上記加熱温度を４００℃以上とした
理由は、当該加熱温度が４００℃に満たないと、穴状欠
陥の形成が充分に促進されないうえ、非金属介在物に固
着していない水素の拡散が遅れて正確な評価が出来ず、
不適当だからである。なお、上記被検査物の形状を、薄
板状に形成しておけば、加熱速度が一層速くかつ板面に
対して均一になるために、より正確な評価を行うことが
できる。

【００１８】

【実施例１】図１は、本発明の評価装置の一実施例を示
すものである。図１において、この評価装置は、エッチ
ング装置１と加熱炉２とから概略構成されたものであ
る。上記エッチング装置１は、塩酸等の塩素イオンを含
む酸性の電解溶液を収容する容器３と、この容器３の電
解液中に頭部を突出させて浸漬された被検査物Ｗと、頭
部を電解液から突出させた対極Ｃと、これら被検査物Ｗ
と対極Ｃの電解液から突出した頭部間に接続されて電解
液中のこれらの間に交流電流を与える回路４とから構成
されたものである。また、上記加熱炉２は、エッチング
装置１による電気化学的エッチングが施された被検査物
Ｗを収納する加熱容器５と、この加熱容器５を囲繞する
断熱壁６と、この断熱壁６の内周部に配設されたヒータ
７とを備えており、上記ヒータ７は、図示されない制御
手段によって、加熱容器５内に設けられた温度検出器か
らの検出信号により、予め設定された４００℃以上の加
熱温度に至るまで、１０℃／分以上の加熱速度で上記加
熱容器５内の被検査物Ｗを加熱制御するようになってい
る。

【００１９】

【実施例２】次に、このような評価装置を用いた本発明
の評価方法に基づく実験例について説明する。先ず、非
金属介在物を殆ど含まないアルミニウム材料として、ア
ルミニウム純度９９．９８％の地金２Ｋｇを溶解し、フ
ラックスを添加した後に、攪拌を行って減圧・保持した
後に、４０×１００×２００mmのブックモールドに鋳込
んだ。そして次に、これを面削した後、５５０℃に加熱
して熱間圧延および冷間圧延を行い、最終的に厚さが
０．１mmになるまで圧延して被検査物Ｗ₁を得た。次い
で、得られた箔状の上記被検査物Ｗ₁に３２０℃で真空
焼鈍を行った。他方、酸化アルミニウムが一部混入した
アルミニウム材料として、上記と同じ純度のアルミニウ
ム溶湯（２Ｋｇ）に高純度アルミナ（平均粒径１μｍ）
を１０ｇｒ添加した後に、強制攪拌を行った。これによ
り、アルミナの大部分は表面にドロスとして除去され
た。次いで、減圧保持した後に、上述したものと同サイ
ズのブックモールドに鋳込み、これを厚さが０．１ｍｍ
になるまでまで圧延して箔状の被検査物Ｗ₂を得て、こ
れに３２０℃で真空焼鈍を行った。

【００２０】次に、これらの被検査物Ｗ₁およびＷ₂に対
して、下記の条件にて交流によるエッチングを行った。 電解液 ： ３％ＨＣｌ溶液 温度 ： ３０℃ 電流密度： ０．１Ａｍｐ／ｃｍ² 周波数 ： １０Ｈｚ 時間 ： ３００秒間

【００２１】次に、上記エッチングの終了した被検査物
Ｗ₁およびＷ₂を、加熱炉内において４００℃まで２０℃
／分で昇温した後に、さらに４００℃で１０分間加熱保
持した。次いで、被検査物Ｗ₁およびＷ₂を加熱炉から取
り出し、エッチング部分を研摩して削除した後に、それ
ぞれ内部を光学顕微鏡により観察した。図２および図３
は、それぞれ被検査物Ｗ₁およびＷ₂における結果を示す
ものである。この結果から、被検査物Ｗ₁と比較して、
強制的に酸化アルミ（１μｍφ）を混入した被検査物Ｗ
₂においては、明らかに粒界での穴状欠陥が多いことが
判る。したがって、上記穴状欠陥の個数を数えることに
より、アルミニウム中に含有されている非金属介在物の
相対的な評価が行えることが判る。

【００２２】

【実施例３】次に、非金属介在物を殆ど含まないアルミ
ニウム材料として、アルミニウム純度９９．９８％の地
金１０Ｋｇを溶解し、塩化カリ系フラックスを添加攪拌
を行い、セラミックフォームフィルターを通過させた後
に、その溶湯を４０×１００×２００（mm）のブックモ
ールドに鋳込んだ。次いで、これを面削した後、５３０
℃に加熱し、熱間圧延後、冷間圧延を行って厚さが０．
１mmである被検査物Ｗ 3を得た。この薄板（箔）状の被
検査物Ｗ₃を３２０℃で真空焼鈍した。他方、非金属介
在物を多く含むアルミニウム材料として、上記と同じ純
度の地金と薄板のスクラップとを用い、スクラップ混合
率（５０％）で１０Ｋｇ溶解した。そして、フラックス
処理は行わず、そのまま４０×１００×２００（mm）の
ブックモールドに鋳込んだ。次いで、上記被検査物Ｗ₃
と同様に圧延工程を行い、厚さが０．１mmの被検査物Ｗ
₄を得た。そして、この被検査物Ｗ₄に対しても、同様の
３２０℃で真空焼鈍を行った。

【００２３】次いで、これら被検査物Ｗ₃およびＷ₄につ
いて、実施例２と同様の条件で交流によるエッチングを
行った後に、予め５５０℃に上昇してある加熱炉に投入
して１０分間加熱保持した。この際の加熱速度は１００
℃／分であった。その後、実施例２と同様の組織観察を
行った。図３および図４は、それぞれ被検査物Ｗ₃およ
びＷ₄の結果を示すものである。上記結果からスクラッ
プ混合率５０％の被検査物Ｗ₄は、かなり多量の非金属
介在物を含んでいることがはっきりと検出されている。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る評価
装置を用いた非金属介在物の評価方法によれば、アルミ
ニウムからなる被検査物に塩酸などの酸性溶液中で交流
にて電気化学的にエッチングを施すと、アルミニウム中
に多量の水素がチャージされて非金属介在物に固着し、
次いで上記被検査物を１０℃／分以上の加熱速度にて４
００℃以上の温度まで上昇させると、非金属介在物に固
着していない大部分のＨ +イオンは、粒界を通って自由
表面へ拡散してしまうのに対して、非金属介在物に固着
されていたＨ⁺イオンは、拡散が遅れ粒界に至り、Ｈ
₂（ガス化）になって膨張することにより穴状欠陥を形
成するため、上記加熱後に、被検査物の表面を研摩し、
内部を顕微鏡により観察して上記穴状欠陥の大きさおよ
びその個数を調べることにより、最終製品におけるアル
ミニウム中の非金属介在物を、その大きなものから微細
なものに至るまで、極めて容易に定性的に把握すること
ができ、かつその概略の分布状態までをも知ることがで
きるといった顕著な効果が得られる。この際に、上記被
検査物の形状を、薄板状に形成しておけば、加熱速度が
一層速くなり、かつ板面に対して均一になるために、よ
り正確な評価を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の評価装置の一実施例を示す概略構成図
である。

【図２】実施例２における被検査物Ｗ₁の実験結果を光
学電子顕微鏡により観察した状態を示す組織図である。

【図３】同、被検査物Ｗ₂の実験結果を光学電子顕微鏡
により観察した状態を示す組織図である。

【図４】実施例３における被検査物Ｗ₃の実験結果を光
学電子顕微鏡により観察した状態を示す組織図である。

【図５】同、被検査物Ｗ₄の実験結果を光学電子顕微鏡
により観察した状態を示す組織図である。

【符号の説明】

１ エッチング装置 ２ 加熱炉 ３ 容器 ４ 交流回路 ５ 加熱容器 ７ ヒータ Ｗ 被検査物

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウムからなる被検査物に、塩素
   イオンを含む酸性の電解溶液中において交流電流による
   電気化学的エッチングを施した後に、上記被検査物を１
   ０℃／分以上の加熱速度で４００℃以上に加熱して、そ
   の内部に生成された穴状欠陥の量を観察することによ
   り、上記被検査物中における非金属介在物の含有量を評
   価することを特徴とするアルミニウム中の非金属介在物
   の評価方法。
2. 【請求項２】 アルミニウムからなる被検査物に、塩酸
   溶液中において交流電流による電気化学的エッチングを
   施した後に、上記被検査物を１０℃／分以上の加熱速度
   で４００℃以上に加熱し、次いで上記被検査物のエッチ
   ング部分を削除して、顕微鏡により内部に生成された穴
   状欠陥の量を観察することにより、上記被検査物中にお
   ける非金属介在物の含有量を評価することを特徴とする
   アルミニウム中の非金属介在物の評価方法。
3. 【請求項３】 上記被検査物は、薄板状に形成されたア
   ルミニウムの鋳造物または圧延材であることを特徴とす
   る請求項１または２に記載のアルミニウム中の非金属介
   在物の評価方法。
4. 【請求項４】 エッチング装置と加熱炉とを備えてな
   り、 上記エッチング装置は、塩酸等の塩素イオンを含む酸性
   の電解溶液を収容する容器と、この容器の電解液中に浸
   漬された被検査物と電解液との間に交流電流を与える回
   路とを有し、 かつ上記加熱炉は、上記エッチング装置により電気化学
   的エッチングが施された被検査物を収納する加熱容器
   と、この加熱容器内の上記被検査物を加熱するヒータ
   と、このヒータを予め設定された加熱速度と加熱温度に
   制御する制御手段とを有してなることを特徴とするアル
   ミニウム中の非金属介在物の評価装置。