JPS6157851A - 溶融金属中の包含物の超音波による検出装置及び方法 - 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〕 本発明は溶融金属中の包含物の超音波検出装置及びその
使用方法に関する。

〔従来技術、および発明が解決しようとする問題点〕溶
融金属中の微粒子状包含物はしばしば金属の品質に有害
な影響を及はすから、近年そのような包含物を検出する
ための装置及び方法の開発に相当の努力がなされてきた
。溶融金属中の微粒子状包含物を検出するための、いく
つかの先行技術に係る装置がヤングほか（Ｙｏｕｎｇ　
ａｔ　ａｌ　）の米国特許第３，４４４，７２６号及び
マンスフイールド（Ｍａｎａｆｌａｌｄ　）の米国特許
第４，２６１，１９７号及び第４，２８７，１５５号に
記載されている。しかしながら、これらの従来装置の各
々はその意図する目的の完全な達成には至らないことに
なる一つまたは幾つかの重要な制約を受けている。

例えば、チタニウム金属製の探知装置（ゾｏ　−プ）を
備えた装置は、それが溶融アル、（＝ラム中の包含物の
検出に使用される場合には、チタニウムがアルミニウム
に溶解するため、寿命が短い。

更ニ、金属チタニウム及びその他の固体金属製プループ
は通常、粒界構造、気泡、包含物及びその他の不純物を
含有しておシ、とれらは超音波を減衰させるおそれがあ
る。

従来装置の他の問題点は、プ四−プの表面が溶融金属に
濡れるようにするため、プローブに表面コーティングを
施す必要があるということである。

そのような表面コーティングは超音波信号の減衰の原因
となシ、ひいては微粒子の解析に支障を来たす。

更に従来装置には、反射面上に焦点を合わせる必要があ
るという問題点がある。製造条件によっては超音波ビー
ムを焦点に集めること及び反射面をビームから一定の距
離に維持することが困難である。

本発明の主目的は先行技術における上述した各各の問題
点を解決することにある。

〔発明の効果〕

本発明によるプローブは、従来装置よりもよシ小さな有
効粒子径を有する溶融アルミニウム中の微粒子を検出す
るのに適している。

本発明による製置及び方法は、超音波のビームを焦点に
集めて使用しても、或いは焦点に集めずに使用して°も
どちらでもよい。それに加えて、反射面を必要としない
。

本発明による好適なプローブの付加的な利点は該プロー
ブが溶融アルミニウムに濡れる非晶質シリカ製の窓を包
含することである。

本発明のその他の利点は以下の記述及び図面から当業者
には自明となるであろう。

”　　　　　　〔問題点を解決するための手段〕本発明
によれば、電気・機械変換器と溶融金属又は溶融合金か
ら成る本体との間に超音波を伝達する装置が設けられて
いる。該装置は不活性耐熱性セルを具備するプローブと
、前記セルによって支持され、結合媒体及び前記本体間
に超音波を伝達するための窓と、前記セル内に収容され
、前記変換器及び前記態量に超音波を伝達するだめの結
合媒体とを備える。

前記窓は前記結合媒体に接触する内面部と、前記本体に
濡れる外面部とを備える。前記変換器及び前記結合媒体
間、該結合媒体及び前記内面部間、該内面部及び前記外
面部間、並びに該外面部及び前記本体間の超音波につい
ての音響減衰率は各々所定の値以下である。この所定の
値は大きくとも３デシベルであシ、よシ好適には約２デ
シベル以下であυ、更に好適には約１デシベル以下であ
シ、そして可能な限シ小さいことが最適である。前記窓
は好適に非晶質シリカから成る。

アルミニウム又はアルミニウム合金の解析に使用される
好適なプローブにおいて、前記結合媒体は液体ガリウム
から成る。該結合媒体は、前記液体ガリウムに溶解し、
該結合媒体、前記変換器及び前記窓の内面部間の音響イ
ンピーダンスにおける差異を減少させる少量の金属溶質
を好適に含有する。前記結合媒体が約４．８重量／９−
セントの銀が溶解している液体ガリウムから成ると共に
、窓が非晶質シリカであるところの特に好適なプローブ
では、該結合媒体の音響インピーダンスは前記内面部の
音響インピーダンスにほぼ等しいと共に、前記変換器の
音響インピーダンスにほぼ等しい。

前記液体ガリウムは酸化物、固体包含物及び溶解ガスを
除去するために好適に処理される。このような処理は結
合媒体内での音響波の反射を最小にするために望ましい
。液体ガリウムを収容するプローブは、固体金属プロー
ブに見られる粒界、気泡、包含物及びその他の不純物を
含まないという利点を有する。

好適な装置は約８から２５　ＭＨｃｍの周波数を有する
超音波を発生し得る圧電変換器を具備する。

該圧電変換器の効果的な運転を維持するため、該圧電変
換器は前記窓から、好ましくは少なくとも１０ｃｒｎの
距離をもって、隔てられて設けられている。更に、好適
な装置は前記圧電変換器及びこれに隣接する前記液体ガ
リウムを約１４９℃以下の温度に保持するための冷却手
段を具備する。不活性耐熱性セルを有するプロー１は溶
融アルミニウムの腐食作用に耐え得ると共に、溶融アル
ミニウムに使用されることによって受ける熱ストレスに
十分抵抗し得る。

〔実施例〕

第１図におけるプローブ１０は溶融金属又は溶融合金か
ら成る本体１２中の微粒子状包含物を検出するために使
用される。同、本実施例で述べられる具体的な装置及び
方法は溶融アルミニウム及び溶融アルミニウム合金中の
微粒子状包含物の検出に向けられているが、勿論本発明
はアルミニウムのみに限定されるものではなく、又微粒
子状包含物のみの検出に限定されるものでもない０本発
明に係る装置及び方法は、融点が約１，０００℃以下の
他の金属及び合金、例えばビスマス、ガリウ。

ム、インジウム、鉛、リチウム、マグネシウム、水銀、
カリウム、ナトリウム、スズ、亜鉛及びこれらの合金等
の超音波試験にも又適用できるであろう。好適な変更を
加えられた本発明は、コバルト、＠、金、鉄、マンガン
、ニッケル、銀及びこれらの合金のようなかなり高い融
点を有する金属の超音波試験にも又応用できる可能性が
ある。

次に第２図を参照して説明する。プローブ１０は液体金
属結合媒体１６を収容する中空筒状耐熱性セル１４即ち
エンペローフ°を具備している。該セル１４は上方に延
在する立ち管１８を備えている。該立ち管１８は温度変
化に起因する結合媒体１６の膨張及び収縮に対処するた
めのものである。

セル１４は昇温時の本体１２及び結合媒体１６の双方に
対して化学的に不活性でなければならない。好適なセル
１４は主としてアルξす耐熱性材料で作られる。この材
料は少なくとも８００℃迄の昇温では本体１２のアルミ
ニウム合金及び結合媒体１６中の液体ガリウムに対して
不活性である。

セル１４は又シリカ、シリコンカーバイド及びムライト
のような他の不活性耐熱材からも作られ得るであろう。

プローブ１０の上端部に隣接する圧電変換器２０は結合
媒体１６を介して該変換器２０の下方に位置する窓２２
に超音波を送出する。既に述べたように、好適な変換器
２０は圧電変換器である。

この変換器は電気刺激に応じて約８−２５　ＭＩＸの周
波数を有する超音波を発生する。特に好ましい運転周波
数は約１５ＭＨｚである。

変換器２０はセル１４の非晶質シリカ製の上部壁２３（
第１図）即ち上部窓に隣接して設けられている。変換器
２０け高温接着材によって上部壁２３に固定されている
。

変換器２０は高温の影響を受けるので、プローブ１０は
変換器２０及び隣接する結合媒体１６を約１４９ｃ以下
の温度に保つための冷却手段２４（第１図）即ち冷却ジ
ャケットを備えている。好適なプローブ１０は冷却手段
２４の冷却材として水を使用する。もし装置がビスマス
、リチウム又はこれらの合金のように低い融点を有する
金属中の包含物の検出に使用されるならば、或いは、も
し窓２２と変換器２２との間に十分に長い距＃６が確保
されていて、変換器２０が、通常かなシ高温の本体１２
から熱的に絶縁されているならば、冷却手段はプローブ
１０から完全に除去され得るであろう。溶融アルミニウ
ム合金の本体１２中の包含物の検出に使用され且つ液体
ガリウムの結合媒体１６を有する好適な７’ｏ−プ１０
においては、変換器２０及び窓２２は少なくとも１０ｙ
＋＋の距離だけ隔てられなければ彦らない。この距離を
、受容する熱勾配と矛盾しない範囲で、可能な限シ小さ
く保つことは望ましいことである一方、変換器２０の損
傷を避けるために、場合によってはその距離を増大しな
ければならない。本実施例で述べられる特に好適なプロ
ーブ１０では、変換器２０及び窓２２は約１５譚の距離
をもって隔てられている。

窓２２は結合媒体１６と接触する内面部２２ｍ及び本体
１２に濡れる外面部２２ｂｔ−備えている。

内面部２２ｍ及び外面部２２ｂの複合構造は本発明の範
囲内であるが、将来的にはそれらは一般に牟−構造を具
備するであろうと考えられている。

内面部２２ｍと外面部２２ｂとの間の音響減衰を最小に
するためには単一構造が好ましい。

特に好適な窓２２は非晶質シリカで作られており、その
形状は筒状又は円盤状である。シリカは溶融アルミニウ
ム及びその合金に容易に濡れるという利点を有している
。

変換器２０及び結合媒体１６間、結合媒体１６及び窓２
２間、並びに窓２２及び本体１２間の音響減衰を減少さ
せるように選択された材料から結合媒体１６及び窓２２
が各々作られる。本明細書中で使用される用語「音響減
衰率」は次式によって定義される。

ここに、Ｓはデシベルで表示される音響強度レベル、そ
して■はＷ／ｒｎ２で表示される音波の音響強度である
。

変換器２０及び結合媒体１６間、結合媒体１６及び窓２
２間、並びに窓２２及び本体１２間の超音波についての
音響減衰率は各々所定値以下でなければならない。この
所定値は大きくとも３デシベルであυ、より好適には２
デシベル、更に好適にはｌ−ｒジベルである。

変換器２０及び結合媒体１６間、並びに結合媒体１６及
び窓２２間の音響減衰を最小にするために、少量の金網
溶質が液体ガリウム中に溶解している。結合媒体１６は
液体ガリウム中に溶解している約２．５から５重量パー
セントの銀を好適に含有する。結合媒体１６中に溶解し
た銀の濃度は、音波の伝播を妨害するおそれのある沈殿
を避けるために、通常約５重量パーセント以下に保たれ
る必要がある。

音波が変換器２０と窓２２との間を効率良く伝播するよ
うに、ガリウムは酸化物、固体包含物及び溶解ガス全除
去するための処理１−施でれる必要がある。

＝ ガリウム中に溶解している約４．８重量パーセントの銀
を含有する好適な結合媒体は、窓の音響インピーダンス
にほぼ等しいと共に、変換器２０の音響インピーダンス
にほぼ等しい音響インピーダンスを有する。従って、変
換器２０と結合媒体１６との界面及び結合媒体１６と内
面部２２ｍとの界面における音響減衰は本質的に零であ
る。更に、窓２２が非晶質シリカで作られている時には
。

外面部２２ｂと溶融アルミニウムの本体１２との間の音
響減衰は計算では１デフベル以下である。

従って、本発明に係るプローブは変換器２０の熱損傷を
防止しつつ、変換器２０と本体１２との間を高効率で超
音波を伝播させる。

結合媒体１６は、本体１２の温度にあっても、低い蒸気
圧を好適に有する。有意の蒸気圧を有する液体は、結合
媒体を通過する超音波列の伝播を妨害する可能性のある
泡を昇温時に発生するおそれがある。液体ガリウムの有
利な点は沸点が２４０３℃である点である。従って、主
として液体ガリウムから成る結合媒体はアルミニウム合
金が通常保持される最高温度の約７３２℃（１３５０下
）においてさえ低い蒸気圧を有する。

第２図に示すように、装置は更に、電圧・９ルス発振器
３０、超音波周波数の交流電圧を発生する高周波発振器
３２、並びに前記電圧／ｆルス発振器３０及び前記高周
波発振器３２からの電気パルスを受信する変調器３４全
具備する。変調器３４は、それが電圧パルス発振器３０
からのパルスを受信している期間のみ、約３００ボルト
の電圧を有する直流電圧列全超音波周波数の通過電圧に
よシ発生する。乙の直流電圧列は変換器２０を作動させ
る。

図示の好適な装置において、変換器２０は又、窓２２及
び結合媒体１６ｉ介した本体１２からの受信波列に対す
る受信変換器として作動する。この時、受信変換器２０
は本体１２から受信した波列に応じて電圧列を発生する
。そのようにして発生した電圧列は増幅器４０、整流器
４２及びオシロスコーｆ４４に送出される。電圧パルス
発振器３０に同期する線形掃引回路４６がオシロスコー
グ４４に接続されている。オシロスコーｆ４４は一つの
光点を有し、該光点は掃引回路４６によって一方向に偏
向されると共に、受信変換器２０からの電圧出力によっ
て異なった方向に偏向式れる。

オシロスコーグの表示はレコーダ５０によって永続的に
配性される。第１図では、電圧パルス発振器３０．高周
波発振器３２及び変調器３４ｔ−まとめて「パルス発生
器」と称している。同様に、増幅器４０、整流器４２、
オシロスコープ４４及び掃引回路４６を「受信器」と称
している。

変換器２０へのパルスの送信及び変換器２０からのパル
スの受信に関する記述であって、本発明と同様装置の運
転の記述が７丁イアストン（ＦＩｒ＊ａｔｏｎｓ　）の
米国特許第２，２８０，２２６号に掲載されズおシ、該
特許は本発明と矛盾しない範囲で参照されている。

第２図に示されるように、変換器２０によって発生され
る超音波は結合媒体１６及び窓２２を介して溶融アル（
＝ラムの本体１２に伝播する。これらの超音波が浮遊す
る微粒子６０即ち微粒子状包含物と衝突すると、臨時の
振動波列が変換器２０に送シ返されると共に、そのよう
な超音波列に応じて電圧列が発生する。そして、仁の電
圧列はオシロスコープ４４に表示される。

本明細書で述べられたプローブ１０の利点は、超音波列
の伝達効率が大変良いので、本発明に係る装置が先行技
術に係る装置よシもよシ小さい微粒子を検出できるとい
うことにある。プローブ１０は約４００ミクロン以下の
有効径を有する個体の微粒子状包含物を堅実に検出し、
そして約５０ミクロン相当の小さ々微粒子が溶融アルミ
ニウム中で検出されている。プローブ１０は径が約１−
・１０ミクロンの範囲にある微粒子の検出が理論的に可
能である。

本発明は好適な実施例に関して記述されたが、本発明の
特許請求の範囲の精神から離れることなく、本発明の範
囲内で修飾及び適合がなされ得ることは当業者にとシ明
瞭なことであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による溶融金属中の包含物の超音波によ
る検出装置を示す概略図、第２図は本発明による装置及
び方法を説明するための線図である。 １０・・・プローブ、１２・・・本体、１４・・・セル
、１６・・・結合媒体、２０・・・変換器、２２・・・
窓、２４・・・冷却手段、３０・・・電圧パルス発振器
、３２・・・高周波発振器、３４・・・変調器、４０・
・・増幅器、４２・・・整流器、４４・・・オシロスコ
ープ、４６・・・線形掃引回路、５０・・・レコーダ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電気・機械変換器と溶融金属又は溶融合金から成る
   本体との間に超音波を伝達するプローブを有する溶融金
   属中の包含物の超音波による検出装置であって、前記プ
   ローブは （ａ）前記溶融金属又は溶融合金に対して不活性である
   耐熱性セル、 （ｂ）前記変換器と該変換器から隔てられて設けられて
   いる窓との間に超音波を伝達し、前記セル内に収容され
   る液体金属から成り、前記変換器との間の超音波につい
   ての音響減衰率が所定の値以下である結合媒体、及び （ｃ）前記セルに前記変換器から隔てられて支持され、
   前記結合媒体と前記本体との間に超音波を伝達する窓、 を具備し、該窓は （１）前記結合媒体に接触し、該結合媒体との間の超音
   波についての音響減衰率が所定の値以下である内面部、
   及び （２）前記本体に濡れ、前記内面部との間及び該本体と
   の間の超音波についての音響減衰率が各々所定の値以下
   である外面部、 を具備することを特徴とする溶融金属中の包含物の超音
   波による検出装置。 ２、前記本体が溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム
   合金から成ると共に、前記結合媒体が液体ガリウムから
   成る特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、前記超音波についての音響減衰率の所定の値は大き
   くとも３デシベルである特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ４、前記結合媒体が更に前記液体ガリウムに溶解する少
   量の金属溶質を含有する特許請求の範囲第２項記載の装
   置。 ５、前記結合媒体の音響インピーダンスが前記内外面部
   の音響インピーダンスにほぼ等しく、且つ前記変換器の
   音響インピーダンスにほぼ等しい特許請求の範囲第４項
   記載の装置。 ６、前記液体ガリウムに溶解する金属溶質が銀を含有す
   る特許請求の範囲第４項記載の装置。 ７、前記液体ガリウム中に約２．５から５重量パーセン
   トの銀が溶解している特許請求の範囲第６項記載の装置
   。 ８、前記変換器及び前記結合媒体間、該結合媒体及び前
   記内面部間、該内面部及び前記外面部間、並びに該外面
   部及び前記本体間の超音波についての音響減衰率が各々
   約２デシベル以下である特許請求の範囲第２項記載の装
   置。 ９、前記変換器及び前記結合媒体間、該結合媒体及び前
   記内面部間、該内面部及び前記外面部間、並びに該外面
   部及び前記本体間の超音波についての音響減衰率が各々
   約１デシベル以下である特許請求の範囲第２項記載の装
   置。 １０、前記窓が非晶質シリカから成る特許請求の範囲第
   ２項記載の装置。 １１、変換器と溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム
   合金から成る本体との間に超音波を伝達するプローブを
   備え、該本体中の固体包含物の有無を決定するために、
   該本体に超音波を伝達すると共に、該本体内で反射した
   波を受信する溶融金属中の包含物の超音波による検出装
   置であって、前記プローブは （ａ）前記溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金
   に対して不活性である耐熱性セル、 （ｂ）変換器と該変換器から隔てられて設けられている
   窓との間に超音波を伝達し、前記セル内に収容され、前
   記変換器との間の超音波についての音響減衰率が所定の
   値以下である液体ガリウム、及び （ｃ）前記セルに前記変換器から隔てられて支持され、
   前記液体ガリウムと前記本体との間に超音波を伝達する
   窓、 を具備し、該窓は （１）前記液体ガリウムに接触し、該液体ガリウムとの
   間の超音波についての音響減衰率が所定の値以下である
   内面部、及び （２）前記本体に濡れ、前記内面部との間及び該本体と
   の間の超音波についての音響減衰率が各々所定の値以下
   である外面部、 を具備し、前記変換器が （ｄ）前記液体ガリウムに隣接して設けられる圧電変換
   器、 であることを特徴とする溶融金属中の包含物の超音波に
   よる検出装置。 １２、前記圧電変換器が前記窓から少なくとも１０ｃｍ
   の距離を隔てて設けられている特許請求の範囲第１１項
   記載の装置。 １３、（ｅ）前記圧電変換器及び該圧電変換器に隣接す
   る前記液体ガリウムを約１４９℃以下の 温度に保持する冷却手段、 を具備する特許請求の範囲第１１項記載の装置。 １４、前記超音波についての音響減衰率の所定の値は大
   きくとも３デシベルである特許請求の範囲第１１項記載
   の装置。 １５、（ｆ）電圧パルス発振器、 （ｇ）超音波周波数の交流電圧を発生する高周波発振器
   、 （ｈ）前記電圧パルス発振器及び前記高周波発振器から
   の電気衝撃を受信する変調器であって、該変調器は前記
   電圧パルス発振器からのパルスを受信している期間のみ
   前記超音波周波数の交流電圧を導入して前記圧電変換器
   を作動させる電圧列を発生するもの、 （ｉ）前記本体から受信した振動波列によって駆動され
   ると共に、該振動波列に応じて電圧列を発生する受信変
   換器、 （ｊ）前記電圧パルス発振器に同期する掃引回路、及び （ｋ）該掃引回路により一方向に偏向されると共に、前
   記受信変換器からの電圧出力により異なつた方向に偏向
   される光点を有するオシロスコープ、 を具備する特許請求の範囲第１３項記載の装置。 １６、溶融金属又は溶融合金から成る本体を超音波で検
   査する溶融金属中の包含物の超音波による検出方法であ
   って、 （ａ）圧電変換器で超音波を発生し、 （ｂ）前記圧電変換器から、該圧電変換器に隔てられて
   設けられている窓へ、該圧電変換器との間の超音波につ
   いての音響減衰率が所定の値以下である、液体金属から
   成る結合媒体を介して、前記超音波を伝達し、 （ｃ）（１）前記結合媒体に接触し、該結合媒体との間
   の超音波についての音響減衰率が所定の 値以下である内面部、及び （２）前記本体に濡れ、前記内面部との間及び該本体と
   の間の超音波についての音響減衰 率が各々所定の値以下である外面部、 を具備する窓を介して前記本体へ前記超音波を伝達し、
   及び （ｄ）該超音波の前記本体からの脱出後に該超音波の反
   射を検出し且つ解釈する、 溶融金属中の包含物の超音波による検出方法。 １７、前記本体が溶融アルミニウム又は溶融アルミニウ
   ム合金から成ると共に、前記結合媒体が液体ガリウムか
   ら成る特許請求の範囲第１６項記載の方法。 １８、前記超音波についての音響減衰率の所定の値は大
   きくとも３デシベルである特許請求の範囲第１６項記載
   の方法。 １９、前記結合媒体が更に前記液体ガリウム中に溶解し
   た約２．５から５重量パーセントの銀を含有する特許請
   求の範囲第１７項記載の方法。 ２０、前記超音波の周波数が約８から２５ＭＨｚである
   特許請求の範囲第１７項記載の方法。 ２１、約４００ミクロン以下の有効径を有し、前記本体
   中に浮遊する個々の微粒子状包含物で反射した前記超音
   波の前記本体からの脱出後に該超音波の反射を検出し且
   つ解釈する特許請求の範囲第１７項記載の方法。 ２２、前記窓が非晶質シリカから成ると共に、前記圧電
   変換器、前記結合媒体及び該窓の音響インピーダンスが
   互いにほぼ等しい特許請求の範囲第１７項記載の方法。 ２３、前記圧電変換器及び前記結合媒体間、該結合媒体
   及び前記内面部間、並びに該内面部及び前記外面部間の
   超音波についての音響減衰率が各々約２デシベル以下で
   ある特許請求の範囲第１７項記載の方法。