JPH10512957A - 熱分析のためのサンプリング装置および容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 凝固する金属の熱分析に用いられるサンプリング装置であって、分析の間液体金属のサンプル量（３０）が入れられる少なくともひとつの容器（２０）と、熱分析のための少なくともひとつのセンサ（４０、２２０、２４０）とからなり、前記センサは分析の間中、凝固する金属のサンプル量に少なくとも部分的に浸されるサンプリング装置において、容器は、分析の間サンプル量と対面する内側表面（６０）と外側表面（７０）とを有する内壁（５０）と、大気と対面する外側表面（１００）と内側表面（９０）とを有する外壁（８０）とから構成され、前記壁同士は、容器の開口部において接合され、これにより、内壁（５０）の外側表面（７０）と外壁（８０）の内側表面（９０）とが本質的に閉塞された空間（１１０）を画定する。

Description

【発明の詳細な説明】 熱分析のためのサンプリング装置および容器 序文 本発明は、凝固する金属の熱分析に用いられるサンプリング装置に関する。サ ンプリング装置は、分析の間液状金属のサンプル量が入れられる容器と、熱分析 のための少なくともひとつのセンサとからなり、センサは、凝固するサンプル金 属内に分析の間浸される。また本発明は、前記サンプリング装置のサンプル容器 に関する。前記装置および容器は、主として、鋳鉄の製造に関する熱分析、特に はＣＶ黒鉛鋳鉄（以下ＣＧＩと略記する）の製造に関する熱分析に用いられるこ とを目的とする。技術分野 熱分析は、ある溶融物質が凝固するまでの間の温度変化における変化を監視し 、凝固した物質のミクロ組織、したがってその固体状態における特性を決定する 技術である。これは基本的に、溶融物から試料（サンプル）を採取し、試料容器 に移し、温度応答手段たとえば、熱電対や温度計または当業者に既知のその他の 手段によって、凝固する間の試料中の経時的温度変化を記録し、評価することに より達成できる。 たとえば鋳鉄、ＣＧＩやアルミニウム合金などの溶解した物質の凝固プロセス をコントロールするために熱分析を用いる場合、最も重要な問題は、迅速に試験 容器と試料とをできるだけ熱平衡状態に近づけること、また、再現可能なコント ロールされた均等な率で試料から熱を奪うことである。これは、核形成および一 次および二次凝固相の成長の間に発生した過冷および潜熱などの相変化における 温度変化の測定を可能とするためであり、このことは凝固プロセスをコントロー ルするために必須の知識である。背景技術 熱平衡を確立し、コントロールされた熱除去率を成し遂げる技術のひとつは、 スエーデン特許公報第３５０，６０６号に教示されているもので、分析される金 属の溶融浴槽内にサンプリング容器を浸し、または何らかの別の方法で容器を加 熱し、熱分析の冷却プロセスを開始する前に晶析温度より高い温度においてサン プリング容器とその内容物との間に熱平衡を確立する。この技術に適したサンプ リング容器もまた開示されている。前記容器は、アルミニウム溶融物に使用しよ うとする場合は黒鉛から作られ、溶融鋳鉄に使用しようとする場合はセラミック 材料から作られる。 アルミニウム合金のためのみのものであるが、熱分析のための他のサンプリン グ容器がデンマーク特許公報第１５０，９９６号に開示されている。この容器は 、中子砂（core sand）などの断熱材のプラグを底に備えた鋼板製の小さなるつ ぼである。 上述の容器とは別に、当該技術に類似する種類のサンプリング容器は種々ある 。これらの容器に共通する欠点は、黒鉛、フラン砂（furan sand）、中子砂また は耐火セメントなどの材料からすべて、または主要な部分が作られていることに ある。これらの材料はすべて加工しずらいことで知られている。可能な製造技術 は、旧態依然であり、その材料の特質により重要な品質の問題がある。異なった 金属および合金の熱分析に適用したサンプリング容器を製造するために、種々の 異なった熱除去特性を得るさまざまな容器特性を提供することが望まれているが 、そのような容器を製造するための限られた材料の選択は、これらの特性からの 選択幅をかなり限定してしまうためにこれまでのところ不可能であった。同様に 、得られる特性の限られた選択のために、熱分析の必要条件を満たすために十分 に正確で繰り返し可能な冷却率を提供するサンプリング容器を提供することは難 しい。 液浸タイプのサンプリング容器、つまりサンプリングの際に多量の溶融金属に 浸されるものについては、特にセラミック材料で容器が作られた場合に、熱衝撃 によるき裂の恐れがあることが特有の欠点である。 従来の技術にしたがって製造されたサンプリング容器は当然、溶融金属サンプ ルを汚染する危険をも被る。発明の開示 本発明の目的は、前述した欠点を克服できる、序文で記述した種類のサンプリ ング装置を提供し、特にそのような装置の容器を提供する。 この目的は、添付の請求の範囲第１項に開示された特徴を有するサンプリング 装置によって成し遂げられる。 サンプリング装置の容器は、デュワー瓶と類似しており、いくつかの実施例に おいては、デュワー瓶そのものである。デュワー瓶とはすなわち、極めて低い熱 伝導率を有する、壁に挟まれた真空空間を有する二重壁の容器である。しかし一 般的には、容器の内壁と外壁間の空間は、真空ではなく、断熱媒体好ましくは気 体さらに好ましくは空気で満たされる。 容器の内壁は好ましくは比較的薄く、且つ／または比熱（specific thermal c apacity）の低い材料からなる。これは、内壁に所望の低い総合熱容量を付与す るためである。加えて、内壁は、非常に短時間に壁と容器に注がれるサンプル量 の溶融金属との熱平衡を確立するために高い総合伝熱係数を有するのが好ましい 。内壁の熱容量が低いので、サンプル量と壁との温度を均等にするために必要な サンプル量から壁に伝えられる熱の所要量も低く、総合伝熱係数が高いので、前 記量の熱を移送するために必要な時間は短くなる。 内壁は、前述したような熱的特性を有する一方、サンプリングされる溶融金属 において熱的および化学的に安定した材料であれば、どの材料によって製造され ても良い。特定の材料の選択は、行われる熱分析の種類によって決まる。通常、 金属または合金が用いられる。安価で加工しやすい材料、特に鋼が好ましい。 しかしながら、内壁による利点は、外壁の存在なくしては成り立たない。コン トロールされた均等な再現可能な熱除去率を得ることを困難にするので、内壁の 外側表面から発する熱がすぐに外気に流れるようなことはあってはならない。よ って、外壁の目的は、内壁とともに、低い総合伝熱係数を有する壁と壁の間の空 間（すなわちその空間の熱伝導率は低い）を画定することである。 適切な封入剤を選択し、その封入剤で空間を完全にまたは部分的に満たし、且 つ／または空間の厚みを変化させることにより、サンプリング装置の熱除去率を 熱分析の種々の形式によって求められる値に適合させることが可能である。前記 封入剤は、たとえば砂、ひる石、マイカ、マグネシア、緑泥石（chlorite）、種 々のセラミックスまたはこれらの組み合わせなどの既知の適切な断熱材料でよく 、好ましくは気体でよく、多量に使用でき、コストがかからない点で空気が最も 好ましい。 サンプリング容器の内壁から外壁へ伝達される熱の多くは、放射によるもので ある。したがって、内壁の表面積に対してかなり大きい表面積を有する外壁を有 する容器を設計することにより、内壁から外壁へ除去された熱の率を調節するこ とが可能となる。内壁と外壁との距離はこの状況では重要なパラメータである。 もしくは、色および／または表面仕上げを変更して放射作用を加減しても良い。 試料からの熱伝達をコントロールする二重カップ方法を用いる場合、２つのカ ップ間の隙間が決定的な役割を果たす。この隙間が真空状態にされている、また は空気のような透明な流体（liquid）で満たされている場合、放射は熱伝達の重 要なメカニズムとなる。中に入れられた試料の温度が上昇すると、絶対温度の４ 乗に比例して放射の効果は高まるため放射の重要度は高まる。 放射熱伝達もまた、放射率とよばれる表面特性により制限される。完全な表面 エミッタを黒体と呼び、放射率１を有する。実際の表面は、より少ないエネルギ ーを放出し、０から１の放射率となっている。 表面処理を変更したり、または表面をコーティングすることにより、表面から 伝達された全体の熱量をかなり変更することができる。磨かれた金属の表面は、 非常に低い放射率を有し、最小量の熱を放射する。他の考えられる表面処理は、 ブラッシング、エッチング、サンドブラストおよび薬品処理である。 コーティングされた表面は、ほとんどの部分においてコーティングの放射特性 をとる。この目的に使用可能な高温コーティングは、アルミナ、マグネシア、ジ ルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭素、窒化ホウ素、またはシリカの焼結お よびプラズマ溶射セラミックスを含む。放射制御（contron）コーティングを首 尾よく機能させる窒化ホウ素、ジルコニアおよび炭素をベースとした商業的に可 能な鋳物（foundry）コーティングもある。 本発明のさらに別の重要な利点、つまり深絞りやその他の当該技術分野で既知 の同様の技法により本発明の容器に特定の寸法および／または形状を与える容易 さを強調して、熱除去率もまた、サンプリング容器の寸法および／または形状を ある熱分析の必要条件に適合させるようにすることによりコントロールすること ができる。好ましくは、容器は、全方向に均一の熱損失を確保できるように形態 が幾何学的に少なくとも部分的に球状で底が半球形状のカップの形状を有する。 加えて、試料は、スタンドによって支持されるのではなく、自由にぶら下がって るべきである。なぜならスタンドによって熱損失の均一性が妨げられる恐れがあ るからである。 容器の内壁の内側表面は、高温の液状金属サンプルと接触したときに溶解しな いように壁を保護するために保護コーティングが施されているのが好ましい。容 器がサンプリングの際に高温液状金属に浸されるタイプの場合は特に、このよう な保護コーティングは外壁の外側表面にも施されてもよい。保護コーティングは たとえば、アルミナなどの耐火性酸化物である。基本的実施例では、本発明のサ ンプリング装置は前述の二重壁タイプの容器と単一の温度分析センサとのみから なるが、それ以外に一般的に、分析の間少なくともその一部の期間センサを所定 位置に保持するためのセンサ支持部材を含んでも良い。支持部材は、分析の間サ ンプリング容器の開口部をカバーし、外部からの妨害からセンサ−サンプリング システムを保護するようフード型でもよい。またそのフードは、溶融金属サンプ ルの表面を外気から保護しなければならない場合、選択的に加熱される不活性ガ スを供給する装置を備えていてもよい。 熱分析に用いられるセンサは、通常熱電対であるが、本発明はこれに限定され ず、凝固する金属の熱分析に適したものであれば、いかなるセンサであっても本 発明で用いることができる。 サンプリング装置は、好ましくは米国特許公報第４，６６７，７２５号（ベッ ケルト）に開示された方法にしたがってＣＧＩ製造の使用に適応する。この実施 例では、装置は、２つの温度応答手段もしくはセンサからなる。そのひとつはサ ンプル量の中央に配され、もう一方は容器の内壁の内側表面に近づいた位置に溶 融材料内に配される。本実施例において、保護コーティングがあれば、ＷＯ９２ ／０６８０９に見られる種類のコーティングが望ましい。すなわち、容器の壁の 付近に存在する溶融物内の溶解した元素マグネシウム（elementary magnesium） の濃度を少なくとも０．００３％低くする。後述した種類のコーティングは、た とえばケイ素、マンガンまたは鉄の酸化物を少なくとも１０重量パーセント、ま たはカリウムおよびナトリウムの酸化物を少なくとも０．５重量パーセント含ん でもよい。 ＣＧＩ製造用に設計された特に好ましい実施例では、装置は、分析の間凝固し てゆく金属に浸される端部が閉塞された保護チューブと、分析の間前記チューブ の閉塞端に接近して設けられ、保護チューブ内に取り外し可能に挿入されうる第 １の熱電対ゲージと、保護チューブ内に取り外し可能に挿入されうる第２の熱電 対とを有する。熱電対は、分析の間、熱電対同士の熱交換を最小限にするために 十分に離間している。この実施例は、熱電対がたったひとつの分析操作で使い尽 くされるのではなく、数多くの測定で再利用できるという点で特に有利である。 好ましくは、容器は、基本的に縦軸を中心として対称であり、端部が閉塞された チューブがその縦軸と同軸に設けられている。サンプルが凝固し、容積変化を受 ける際に内壁に最も近い熱電対にみられるサイドフォースによる衝撃に関する問 題は、減少される。図面の簡単な説明 本発明は、次の添付の図面を参照してさらに詳細に説明される。 図１は、本発明の基本的実施例に係るサンプリング装置の概略断面図である。 図２は、ＣＧＩ製造用に設計された本発明の実施例に係るサンプリング装置の 部分断面図である。 図３もまた断面図であり、ＣＧＩ製造用に設計され、熱電対用の端部が閉塞さ れた保護管を備えた本発明の特に好ましい実施例を示す。 図１は、サンプリング装置１０を示す。サンプリング装置１０は、凝固中の溶 融金属のサンプル量３０が満たされたボール型サンプリング容器２０と熱分析用 の温度応答センサ４０とからなる。センサ４０（本例の場合、熱電対）のゲージ 部４５は、サンプル量３０に浸される。容器２０は、薄い鋼板から作られる内壁 ５０および外壁８０と、これらの壁間で内壁５０の外側表面７０と外壁８０の内 側表面９０とにより画定された空間１１０とから構成される。溶接部１３０は、 容器２０の開口部において壁同士を接合する。溶接部１３０は、連続シーム、ス ポット溶接の何れでもよい。また選択的に、壁は、溶接の代わり、または溶接の 補助として折り曲げ加工により接合されてもよい。空間１１０には、空気が満た されている。図示した実施例では、高温液体金属と接触した際に溶解しないよう 薄い鋼板製の壁を保護するために、ＷＯ９２／０６８０９による保護コーティン グが、内壁５０の内側表面６０と外壁８０の外側表面１００とに施されている。 センサ４０は、熱分析評価装置（図示せず）とケーブル１２０により接続されて いる。このケーブル１２０を介して、ゲージ部４５からの測定信号が分析のため の前記装置に送られる。 ＣＧＩ製造に用いられるサンプリング装置２００は、図２に部分的に示され、 図１に示された装置と同種の容器を有する。しかしながら、装置２００は、上述 した米国特許公報第４，６６７，７２５号の開示にしたがって基本的に配置され た２つのセンサを備える。第１の温度応答センサ２２０のゲージ部２１０は、サ ンプル量３０の中央に配置され、第２のセンサ２４０のゲージ部２３０は内壁５ ０の内側表面６０に接近した位置に配置される。センサ支持部材２５０は、分析 の間、それらセンサ２２０、２４０を所定位置に保持するために設けられる。セ ンサ支持部材２５０は、脚部２５５を介して容器と接続されている。浸漬の際は 脚部２５５の間で液体金属が容器内に流入する。 図３は、本発明の特に有用な実施例にしたがったサンプリング装置３００が部 分的に示されている。図２に示された装置と同様に、装置３００もＣＧＩ製造用 であるが、２つの別々なセンサの代わりに、この装置は、基本的に米国特許Ａ公 報第４，６６７，７２５号の開示にしたがって配置された２つの熱電対ゲージ３ ２０、３３０を有する単一のセンサ３１０を備える。センサ３１０は、鋼、セラ ミックス、ガラスやその他の適切な材料から作られる保護チューブ３４０に取り 外し可能に挿入される。支持部材３５０は、熱分析の間、保護チューブ３４０を 所定位置に保持するために設けられる。前述の場合と同様に、支持部材３５０は 、脚部３５５によって容器２０に接続されている。 上述したサンプリング装置において適切な修正は、当業者の専門的知識内で且 つ本発明の範囲内で行え、また前記装置は、ＣＧＩの製造または他の種類の鋳鉄 の製造用に限られず、他の種々の金属の製造に用いられても良いことは理解され るであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ソーレン ミカエル カール ヨハン スエーデン国 ダジュールスホルム エス −182 64 ノレバーゲン 26 (72)発明者 ポペラー パトリック スエーデン国 カトリーヌホルム エス− 641 30 プリンスガータン 13ビー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．凝固する金属の熱分析に用いられるサンプリング装置であって、分析の間液 体金属のサンプル量（３０）が入れられる少なくともひとつの容器（２０）と、 熱分析のための少なくともひとつのセンサ（４０、２２０、２４０）とからなり 、前記センサは分析の間中、凝固する金属のサンプル量に少なくとも部分的に浸 されるサンプリング装置において、容器は、分析の間サンプル量と対面する内側 表面（６０）と外側表面（７０）とを有する内壁（５０）と、大気と対面する外 側表面（１００）と内側表面（９０）とを有する外壁（８０）とから構成され、 前記壁同士は、容器の開口部において接合され、これにより、内壁（５０）の外 側表面（７０）と外壁（８０）の内側表面（９０）とが本質的に閉塞された空間 （１１０）を画定することを特徴とするサンプリング装置。 ２．センサ（４０、２２０、２４０）を分析の間所定位置に保持するためのセン サ支持部材（２５０、３５０）をさらに有することを特徴とする請求の範囲第１ 項に記載のサンプリング装置。 ３．閉塞された空間（１１０）は、断熱材（媒体）を含むことを特徴とする請求 の範囲第１項または第２項に記載のサンプリング装置。 ４．断熱媒体は、気体または混合気であることを特徴とする請求の範囲第３項に 記載のサンプリング装置。 ５．凝固する金属の熱分析に用いられるサンプリング装置（１０）のための容器 であって、分析の間凝固する金属のサンプル量（３０）が入れられるためのもの であり、分析の間サンプル量と対面する内側表面（６０）と外側表面（７０）と を有する内壁（５０）と、大気と対面する外側表面（１００）と内側表面（９０ ）とを有する外壁（８０）とから構成され、前記壁同士は、容器の開口部におい て接合され、これにより、内壁（５０）の外側表面（７０）と外壁（８０）の内 側表面（９０）とが閉塞された空間（１１０）を画定することを特徴とする容器 。 ６．容器の一部は、球状を呈していることを特徴とする請求の範囲第５項に記載 の容器。 ７．内側表面および／またはそれ以外の表面は、ブラッシング、エッチング、サ ンドブラストまたは薬品処理が施されることを特徴とする請求の範囲第５項に記 載の容器。 ８．内側表面および／またはそれ以外の表面は、アルミナ、マグネシア、ジルコ ニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭素、窒化ホウ素、またはシリカの焼結セラミ ックス（sintering applied ceramics）により処理が施されることを特徴とする 請求の範囲第５項に記載の容器。 ９．内側表面および／またはそれ以外の表面は、アルミナ、マグネシア、ジルコ ニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭素、窒化ホウ素、またはシリカのプラズマ溶 射セラミックスにより処理が施されることを特徴とする請求の範囲第５項に記載 の容器。