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個人分類：學術研究

Jan 17 Sat 2009 09:20
鋳込作業www.tool-tool.com

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第１節　鋳込準備作業について知っていること

溶湯を鋳込むに当って、次のようなことを心掛けねばならない

鋳型温度
溶湯を鋳込む際の三大要素は、鋳込温度、鋳込速度とこの鋳型温度である。一般に鋳込温度や速度には、関心を持っているが、あまり鋳型温度については、気にしない、しかし、溶湯が鋳込まれて最後に押湯の部分にあがって来た溶湯の温度を見ると、最初に鋳込んだ溶湯の温度と差のあることが解ろう。その点方案上からも早く鋳込まれることが必要だが、温度差を出来るだけ少なくするためには、冷えきった鋳型よりも熱い鋳型の方がよいことが解ると思う。
試片
NO.
出湯温度
鋳込温度
Sc
化学分析

T.C
Si
Mn
P
S

NO.1
1540ﾟC
1360ﾟC
0.94
3.32
2.09
0.75
0.154
0.091

NO.2
1550
1340
0.94
3.42
1.89
0.60
0.097
0.075

NO.3
1560
1330
1.10
4.03
1.78
0.50
0.038
0.053

NO.4
1550
1340～1350
1.04
3.80
1.86
0.65
0.038
0.056
鋳込開始時間
溶解作業が始まると溶解の責任者はその鋳型のカブセ前完了の時間を開き、その鋳型に入る溶湯の材質をたしかめ、造型完了の時期をねらってその材質の溶湯を出すわけですから、少なくとも鋳込開始時間が計画通り行くかどうかを溶解責任者に連絡しなければならない。溶解の方では、連続出湯しているから時間的に違って来た場合は、第二の手段をとらねばならないから。その点、熱風乾燥機を使って鋳込直前に取りはずし、鋳込作業を行うことは理想的である。更に金型については特に著書である。金型の予熱温度を変えることに依り、鋳鉄の機械的性質が種々変化する。その例を第１図及第２図に示す。第一図は金型温度を常温から５００ﾟＣあげた場合の鋳鉄鋳物の表面硬度を調べたものである。第二図は、抗張力との関係を調べたものである。一般に肉厚の薄いものに対しては、金型温度は、高い方がよく、肉厚ものに対しては低くてもよい。１５０～３７０ﾟＣ（Ｃ．Ｃ．Ｍ）、２００～４００ﾟＣ（日本強靭）、中大型鋳物では１５０～２５０ﾟＣ薄型では、３５０～４５０ﾟＣ（東欧）ｔﾟＣ＝４７０－２６Ｅｐ＞＝５０ﾟＣが、適温であろう。４００ﾟＣ以上になると、グラファイドが粗大化する傾向にある。
尚、図中NO１.２.３.４の試料の化学成分及鋳込条件は第一表の通りである。
鋳型について
手落ちがないかどうか、ハリ止めを必要とするならば充分であるかどうか、クサビはゆるんでいないかどうか目ぬりは充分であるかなど、クサビはゆるんでないかどうか目ぬりは充分であるかなど、乾燥型の場合、チェックしなければならない。又取鍋や湯汲は、充分に予熱してあるかどうかを確める必要がある。ストッパー式の取鍋やドビン式取鍋を使用しない場合は、鋳型にノロが入らないようにカケゼキ防　板をつけたり、取鍋に口受けを準備したりしなければならない。又、取鍋をどの位置に持って行って注湯するか、あらかじめ、予定位置を決めて置くこと。この鋳型は、何度で鋳込むかは、すでに方案が指示されていれば問題ないが、指示されない場合には、上司に確かめて置く必要がある。又、溶湯の材質は解っているのだからあらかじめ、湯面模様を頭の中にえがいて置くべきである。

第２節　鋳込み作業の容量について知っていること

鋳込みに対して、先ず次のことを確かめて見よう。

トリベの乾燥は、充分であるか

トリベの予熱は、充分であるか

トリベのランニングは良いか

取鍋に入った溶湯の量は充分に適当であるか

溶湯のノロはよく除去したか

鋳込み温度はよいか

取鍋の位置はよいか

湯を充分にセキ鉢に満しているか

注湯に際して細々と湯を入れないと、溶湯がセキ鉢からこぼれるような場合は、セキ鉢の形状や大きさを再検討しなければならない。鋳込に対して昔からいわれるように、「静かに早く」ということは大切なことで、当然、鋳造方案に依って決められるが、鋳込みに際しても充分セキ鉢に満たすことが必要である。又中大型鋳物には、よくストッパーが使用されている。鋳込む際の注湯の要領として、溶湯の１／２～２／３は出来るだけ早く鋳込み、溶湯を切らないようにして、残湯は静かに鋳込むという感じで作業を行うとよい。遠心鋳造などに於いては、特にこの点に留意してやらなければならない。

第３節　トリベ等鋳込用器具の種類及び使用法について知っていること

トリベには、杓取鍋、連台式取鍋、ギヤー付き吊上げ傾注取鍋、土瓶式吊上げ取鍋、円筒式取鍋、ストッパー式取鍋などの種類がある。
杓取鍋は、現場ではよく「湯汲み」と称しているもので、５～１５kg程度の湯を運搬し、小物の鋳型に注入する器具である。連台式は、２０～８０kg程度の湯を運ぶもので、２人で連台式に行うものである。これ等は人力でやるものだが、モノレールを使用したりクレーンによって、トリベを運搬するものに、写真１．２．３などがある。写真1は手動で注湯する簡便なもので、モノレールに吊り下げて使用される。写真４はその注湯作業しているところの写真である。
写真２は、ギヤーの付いた吊上げ式の取鍋で普通５００kg～２０,０００kgまである。又溶湯にノロが、混ざって鋳型に入らないようにするために、ドビン口のように溶湯とノロを分離するようにした土瓶式の取鍋は、写真３のようなものである。又大型鋳物に、よく使用される取鍋では、写真３のようなものである。又大型鋳物に、よく使用される取鍋ではストッパー式のものがあり、写真１のような吊上式の取鍋の底部に溶湯の流出口があって、これをストッパーで押さえているものでノロが入らない、注湯温度の調整などに便利などの利点があるがこのストッパーの操作に熱錬を要し注入ヘットが大きいなど不順れのため思わぬ失敗をすることがある。

第４節　鋳込温度について知っていること

高温溶解は必要なことなのでその出湯温度は１５００ﾟＣ以上の高温がよいが、鋳込み温度は必ずしも高いものが良いとは限らない。その鋳型の性状、大きさや溶湯の成分、溶解条件、製品肉厚の厚い薄い、大小などに依って種々違って来る。そうかという鋳込温度が低く過ぎれば湯境やピンホールなど不良の原因になる場合が多い。したがって、適温ということが大切である。

第２表鋳込温度とすくわれ面積（例）

水分
３％
鋳込温度
注湯
時間
鋳込温度
すくわれ面積cm2

下型平面
垂直面
上型面
計

NO.1
1270ﾟＣ
９
1.4K/S
－
－
－
－

NO.2
1420ﾟＣ
９
1.4K/S
0.14
2.20
－
2.34

今、合成砂鋳型において、鋳型硬度、鋳込速度、砂の中の水分等を別個に考えた場合、鋳込温度が高いものほど「すくわれ」の現象がひどい、鋳物砂中の水分を変えずに、鋳込温度を変えた場合の状態を第２表に示す。溶湯の成分は3.27％Ｃ、1.89％Ｓｉ0.76％Ｍｎ、0.15％Ｐ、0.004％Ｓである。
一般にＦＣ１５、ＦＣ２０のように高炭素の溶湯は、流動性もよいので、１３００ﾟＣ～１３５０ﾟＣ位で充分であろう。製品の大小にもよるが、低炭素低珪素のＦＣ３０位の溶湯になると、少なくとも１３８０ﾟＣ以上で鋳込みたいものである。
さて、金型鋳造ということになると鋳込温度が高いと、抗張力がやや減少し、硬度は高くなる。したがって低温で鋳込んだ方が材質的に優れたものが得られる報告が出ている。しかし金型鋳造の場合には、製品の肉厚、金型の肉厚、金型の予備温度、塗型剤の種類、鋳込速度などに依って種々の条件が違うので、まだまだ確定的なこととはいえない。

第５節　鋳込速度

溶湯の短時間当り断面積における湯の量を表わすが、鋳造方案をたてるに重要な事項である。この鋳込み時間は、複雑であって、

鋳物の形状、寸法、重量
使用する砂の性質又は、金型の肉厚、予熱温度、塗型方法
鋳型の条件
温度勾配
過熱度
溶湯の成分
流動性

など数多くの要素に含んでいる。この鋳込時間の決め方には、色々と文献が多いが、実際例と比較して、その工場独自に決めて行かなければならない。
鋼鋳物研究会の例をとると、第３表の通りである。

第３表鋳鉄の鋳込み時間

鋳物重量(kg)
＜５００
＞５００
＞１０００
＜４０００
＞４０００

鋳込時間(sec)
４－８
６－１０
１０－２０
２５－３５
３５－６０

普通大低のものは１分以内で、小物なら５～６秒、大きな２０ｔ位のもので１分程度でこれ以上大物でも２分以内に鋳込むべきだといわれている鋳込時間に就いてＤｉｅｔｅｒｔは、次式で算定している。
鋳込時間(sec)＝Ｋ×√Ｗ
Ｗ：鋳込重量（１ｂ）
（０.７４）Ｋ＝１.１鋳物の肉厚７／６４～９／６４のとき
１.２５〃１０／６４～２０／６４〃
(１.０)１．５〃２１／６４～３９／６４〃
そこで鋳込時間に適するように湯口の大きさ、高さ、数などを決める。又、Ｒ，Ｗ，Ｗｆｉｔｅは、ダクタイル鋳鉄の鋳込時間＝０.６５×√鋳込重量なる式を用いている。これをｋｇ、cm2で換算すると、
鋳込時間(sec)＝０.９７√Ｗ(kg)
絞り面積＝Ｗ(kg)／ｔ(sec)／１.１２５
１６Ib／m2／sec＝１.１２５kg／cm2／sec
第３図
これに関して実際に生産されている鋳物について、日本鋳物工業会で調べた実績では、３００kg以下の小物は、0.8～1.0kg／cm2／sec、それ以上のものは1.1～1.2kg程度であったと報告されている。第３図は、重量と鋳込時間の関係を示す一例である。
現在一般に使用されている鋳込時間は計算値よりも、低い値を示している。やはり、「静かに早く」と早い方がよい鋳造方案を決める始めに、鋳型に鋳込まれる工場の量を単位時間に単位面積当り0.9kgとか1.1kgとか、その製品の形状、大きさから決定し、それから、セキの面積、鋳込時間を決めることも一方法であろうと思う。

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Jan 17 Sat 2009 09:07
鋳鉄鋳物用溶解法www.tool-tool.com

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第１節　主なる鋳鉄溶解炉の種類及用途

一般に金属の溶解炉としては、キュポラ、ルッポ炉、反射炉、回転炉、アーク炉、誘導電気炉、平炉、転炉などであるが、その溶解する金属によって、鋳鉄用、鋳鋼用、銅合金用、アルミ合金用、その他非鉄合金用として、その原材料に依って、溶解条件が、色々違うことや、経済的な観点から、その炉の構造や熱源が異って来ている。
鋳鉄溶解炉としては、昔、コシキを使用していたが、比較的に構造が簡単で操業の容易な酸性冷風キュポラが、多く使用されている。ところで、鋳鉄の材質というものが、その溶解作業の適否に依って、非常に、左右されますので、溶解作業というものは、慎重に行なわねばなりません。その上、鋳鉄の材質が、日々改良され、今まで、ＦＣ２０で満足されていたものが、使用者側の要求で、ＦＣ２５になったり、ＦＣ３０になったり、又、ＦＣＤ４０や５５になったりして来ると、益々作業管理をよくしなければならず、従って、キュポラそのものも改良され、水冷熱風キュポラが使用され、又、最近では多くの工場で原材料が安価ですみ、かつ温度調節、品質管理のしやすい低周波誘導炉が利用されてきております。第１表にダクタイル鋳鉄溶解に用いられている溶解炉の使用している実状を見てもわかるように、高級鋳鉄になるに従って、使用炉も変わってきております。
写真1は、コンキ古炉、写真２は、池貝式酸性冷風キュポラを示す。

第１表ＦＣＤ溶解炉の実状

炉の種類
使用会社数

電気炉
１７１

酸性キュポラ
３５

塩基性キュポラ
５４

その他の炉
未報告社あり不詳

第２節　キュポラの構造

主要部分の名称

主要部分の機能

キュポラの各部の名称については、第1図にかかげる通りであるが、これ以外に下記の言葉や符号が、一般に使われる。
第１図キュポラの各部分の名称

羽口面炉の断面積
：Ａ(m3)

羽口比
：Ａ／ａ

有効高さ比
：Ｈ／Ｄ

風箱断面積
：ｄｌ(m3)

溶解速度
：Ｗ(t/hr)

送風量
：Ｖ(m3/min)
溶解能力
キュポラの溶解能力は、例えば、５ｔキュポラといえば、１時間に溶解される溶湯の量が、５ｔであるというように、言われて来たが、これは、どこまでも、一つの「目安」であって、その送風量やコークス比などで、溶解速度が、変わってくるので、妥当な表現ではない、そこで、キュポラの内系に依って、キュポラの番号を決めて、その番号に依る標準の溶解速度を決めている。第２表は、キュポラの内径に対する溶解速度の標準値を示す、従って、キュポラの選定に当たっては、前似て出湯速度は、どの位にするのか、どんな地金を使用するのか、どんな製品を主としてやるのかなど、その操業の目的を決めてからでなければならない。
第２表キュポラの内径に対する溶解速度の標準値（鋳物便覧参照のこと）

番号
No.
内径
Ｄ(mm)
断面積
Ａ(m2)
溶解速度Ｗ(t/hr)

V/A=121～140
V/A=101～120
V/A=80～100

１
300
0.071
0.4
0.3
－
－

２
350
0.096
0.5
0.4
－
－

３
400
0.126
0.7
0.6
0.5
－

４
450
0.159
1.0
0.8
0.7
0.5

５
500
0.196
1.3
1.1
0.9
0.7

６
550
0.238
1.6
1.4
1.2
1.0

７
600
0.283
2.0
1.8
1.6
1.3

８
650
0.332
2.5
2.2
2.0
1.7

９
700
0.385
3.0
2.7
2.4
2.1

10
750
0.442
3.5
3.2
2.9
2.5

11
800
0.503
4.1
3.7
3.4
2.9

12
850
0.567
4.7
4.3
3.9
3.4

13
900
0.636
5.3
4.9
4.4
3.9

14
950
0.706
5.9
5.5
5.0
4.4

15
1000
0.785
6.6
6.1
5.6
5.0

16
1050
0.866
7.4
6.8
6.2
5.6

17
1100
0.950
8.2
7.5
6.9
6.2

18
1150
1.039
9.0
8.3
7.6
6.9

19
1200
1.131
9.8
9.1
8.4
7.6

20
1250
1.227
10.7
9.9
9.2
8.3

21
1300
1.327
11.6
10.8
10.0
9.0

22
1350
1.431
12.5
11.7
10.8
9.8

23
1400
1.539
13.5
12.6
11.7
10.6

24
1450
1.651
14.5
13.6
12.6
11.4

25
1500
1.767
15.6
14.6
13.5
12.3

適応するｺｰｸｽ比(%)
17～22
22～17
10～12
8～10

ｺｰｸｽ中の灰分(%)
＜10
＜10
10～12
10～12

出湯温度(ﾟC)
＞1500
1450～1500
1400～1450
＜＝1400

操業の目的
高温溶解特に屑鉄
主原料の溶解に適する
正常操業
経済的操業
経済的操業

備考
ｺｰｸｽ比を低下すると
過剰送風の害を生ずる
過少送風の害を
生じやすい
溶解体の形状
第２図炉内の形状
第２図に示すように色々な形状のものが使用される。(ｲ)は、普通の形状で、(ﾛ)は、送風を少しでも炉の中心に送り込もうという考え方、(ﾊ)は、材料を多く予熱しようということであるが、傾斜の角度や位置に注意しないと、棚つりを起し易い。(ﾆ)は、炉況の変動が少ないように、あらかじめ過熱部分を拡大して置く、高温溶解用としては、(ﾛ)か(ﾆ)が、よいようである。
有効高さ
羽口の位置より上の投入口下づらまでの高さを言っていたが、これは、材料を手装入する場合のことであって、機械的に装入する際は、投入口下面と装入された材料の上づらとは違って来るから、有効高さとは羽口の位置から上方に一杯つまった材料の上辺までの高さをいう。要すれば、充分に予熱するのに有効な高さということです。この「有効な」ということは、予熱のみにこだわると、この有効高さＨを大にすればよいのですが、問題はこのＨを大にすると、送風抵抗が増加して送風機に負担がかかりすぎたり、あるいは送風量を一定にして置くとその単位面積当たりの送風量が不足になったりしますので、有効な範囲があるわけで、一般には有効高さ比は４～５をとり炉径の小さいものほど大きな値をとります。早稲田の鋳物研究所の加山博士は、炉径４００m/mの小型キュポラで実験されたところ、Ｈ＝２４００m/mが、よい結果が出て居り、Ｈ/Ｄは、１～２t程度のキュポラでは、６～5.5ぐらいにすべきだといわれております。
羽口
羽口は、炉の中に空気を送り込むところで、その羽口の大きさ（断面積の総和）とか形状とか、数に依って、炉の中のコークスの燃焼状況が、違って来るので大切なところです。今、羽口の断面積の総和をａで表わすとＡ／ａこれを羽口比と言って、炉の大きさに依って、Ａ／ａは、決められ、その標準としては、４～１０の範囲で、炉の径が小さいほど小さくとる。
理想的に言えば、炉の中心部も外周部も、コークスの燃焼は、均一に行われるのが、よいが、実際には中々思うように行きません。現場でのテストとしては、羽口から、鉄棒を突っ込んで、その位置に依り、赤熱の状態や湯滴の附着状況を調べて見ることも必要でしょう。
羽口の形状には、丸羽口(ｲ)、短形羽口(ﾛ)、入羽口と出羽口の違う末広がりの羽口(ﾊ)など、色々あります。
この外、羽口を傾斜させて空気が、炉壁に沿って上昇することを防ぐために設計されたものもありますが、大した効果は認められていませんので、水平羽口でよいと考えます。
風箱
昔は、非常に小さかったものがもともと風箱は、送風機から送られて来た空気を溜めて、各羽口に導管を通じて、供給してやる役目ですから、小さいより大きい容量の方がよい。その目安としては、送風管の管径に等しいか、若しくは、若干大きい幅にして、その風箱の長さは、幅の４倍ぐらいにするのがよいと言われている。非常に早く流れ込んで来る空気をそのまま羽口に通すと、羽口の位置に依って、特定の位置にある羽口だけが、特別な影響を受ける。そのため均等に羽口に入るように、風箱の中に邪魔板を入れて、空気を適当に導く均等送風―――一般に平衡送風と呼んでいる―――になるような風箱が考案されて、特許になっているものも多い。
出湯口と出滓
第4図ﾌﾛﾝﾄ､ｽﾗｯｷﾞﾝｸﾞ装置
以前には、溶湯とスラグは、羽口下の湯溜り部からとり出されたり、炉の前に固定式の前炉を置いて前炉から、とり出されたのですが、湯溜りにためる場合には、その間のコークスと常にふれ合っていますから、加炭されたり、硫黄を吸収したりします。又前炉などで溜めた場合、湯口の出し具合で、スラグの層の厚さが変わり、溶湯の成分のばらつきが、大きくなります。
こうしたことは、鋳物製品の品質管理上面白くないので、出来るだけ、バラツキの少ないことが、望まれるわけで、こうした観点から、連続的に出湯させ、スラグを分離される方法が生まれました。そして、最近では、可成り普及されている「フロント、スラッギング」方式が採用されているわけです。第４図は、その構造を示して居ります。写真３を御覧になれば、よく解ると思います。
炉内と分離装置の内とは、溶湯で、連続しているわけで、その各面を押す力は、平衡しているわけですから、炉内、スラグ槽、流出口は、皆等しいことになります。したがって、炉内圧Ｐ'を水柱で表わすと、近似的に、
Ｘ＝１／７×Ｐ'＋１／３×Ｓ＝Ｘ＋１／３×Ｓ
実際には、Ｐ'は、測定して居らず、風箱の圧力Ｐを測定して、Ｐ'は推定である。従って、実用的にはＰの水柱mmの風圧を調べ
Ｘ＝0.144Ｐ＋12.7(m/m)
で、Ｘを決めればよい。
前炉
溶湯を溜めるためのものであるが、次のような利点がある。
1. 炉内に湯を溜めるため成分的に均一化される。
2. 硫黄の吸収が少ない。
3. 炭素が吸収されて加炭することが少ない。
欠点としては、溶解のドロップがある。５０～７０ﾟＣ温度降下する。したがって、この欠点を補うために、予熱をしなければならない、又、前炉の大きさは、炉径に依るが、目安としては、1時間当たりの溶解量の５０～６０％程度の湯を溜める容量のものが適当である。

第３節　キュポラの附属設備

(1)送風機
(2)計器
(3)材料装入機械類

送風機
第5図ﾌﾞﾛｱｰの構造(概略)
キュポラ用送風機にはルーツブロアーとターボブロアーの２種類があるが、一般にはターポブロアーが使用されている。第５図に示してあるように、ルーツブロアーは、ケーシングの中にある。
２個の回転子に依って、圧縮された空気を送りだすもので、吹出側の抵抗が増えても減っても、ほぼ一定の風量が流れる。これに対してターボブロアーは、第5 図に示されているように、羽根車の回転に依って羽根車の間の空気を遠心力で外に送り出すものであって、吐出口側に抵抗を与えると風量は少なくなって来る。
キュポラ炉内には、一定の送風が、出来ることはよい溶解が出来るわけでその点、ルーツがよいが抵抗が、多過ぎた場合、より以上の負荷がブロアーにかかって来るので、これがルーツの欠点である。
一方ターボの場合は、抵抗を増せば、風量が少なくなって来て、ブロアーに無理がかからない、そこでこの風量をコントロールする制御装置を併用する必要がある。併し、総じて設備費や維持費がかからないので、多くのターボブロアーが使用されている。送風機の取扱上の一般的な注意としては
1. モーターには、必ずアースをとること
2. 送風機を起動してから、ダンパーを開く
3. 羽根車を逆転させないこと
計測器 計測器の主なものは、風圧計、風量自動制御装置、温度計、メーターなどである。
1. 風圧計
  風圧記録計として計器メーカーで、市販されているが、現場で簡単にチェックする程度なら、目盛板のついた板にビニール管をとりつけるだけでよい。
2. 風量計
  送風管の直線部分にオリフィス、ピトー管を差込んで、送風管の中の空気の速さを調べる。差込む位置については、その上流に送風管径の８倍、下流に４倍の直線部分につける必要がある。
3. 温度計
  光温度計、浸漬熱電対式温度計が、一般に使用される。前者は、対眼レンズを通して溶湯を見る際にフイラメントの輝度と溶湯の色とが、合うようにして、温度を測定する後者は、白金－白金ロジウム熱電対を使用する方法で、最も確実である。
材料投入機
材料を手装入する場合には、地金を装入台に持ち上げる手間、地金を炉に入れる労働が、必要であるが、機械的に装入する際は、これらの労働力が一切節約できる。６ＴＳのキュポラの材料装入を労務者１名で行なっている例もあるほど、重要な部門である。これが選定については、キュポラの能力、種類、製品の種類など色々な面で考慮しなければならないが、もし電気的な故障や操作の不手際などで停止することになれば、溶解を中止しなければならないので、先づ、第一に故障の少ない、安全装置の完備した簡単で電気的に複雑でないものがよい代表的なものとしてはダンプスキップ式（写真４）、スキッブバケット式、スイベル式（写真５）、クレーン式、モノレール式（写真６）などがある。

第４節　キュポラの操業法

点火

原材料の装入

送風

溶融温度

溶解速度

出湯及び出滓

工具及材料 点火に先立って、溶解作業に使用される工具類について簡単に説明致します
第６図

第７図止め棒

第９図測定用具
1. 栓抜き棒１６m/mφ以上のもの２～３本を用意する（軟鋼棒）
2. 栓止め棒軟鋼棒又は、コンジットペイプで第６図のようなものを使用する
3. 栓止め材料生粘土で下図の如くに円錐形にまるめて栓止め棒の先につける
4. 羽口掃除棒
5. 炉底落し後の工具、デレッキ、水ホース、突棒
6. ベットコークス測定用工具（第７図）
7. ヘロツリ用Ｓ環
8. スコップ
9. ハンマー
10. ハジロ、黒味、水桶
準備作業
溶解作業開始－吹立て－に先立って、ベットコークスの積込みと原材料の装入作業がある。
1. やわらかい薪を下に、かたい薪を上にして、井桁に積み、下から順次燃え易いようにする
2. 羽口は全部開いて置く
3. 点火口より油布に火をつけて点火する
4. キュポラの送風開始前３～４時間前に点火する
5. 薪に火がつき燃え上がったときベットコークスの一部を火炎が見えなくなるまで装入する
6. コークスから火炎が再び上り始めたら、コークスを再び装入し、数回行なって、所定の高さにする
7. ベットコークス高さ測定具にて調べる
8. ベットコークスには、大塊の粒を揃えて使用する
9. ヘットコークスの高さは、炉径の１.５～２倍－羽口面に於いて－ぐらい必要で低過ぎると、溶湯の酸化を助長するので小炉は、高目に入れた方がよい
10. 地金装入する前２～３分間炉内に空気を送って清掃するとよい、所謂空吹きを行なって、炉内から灰を吹き飛ばす。
11. 空吹き後、羽口から鉄棒で炉内をつきベットコークスの空洞をなくして落付かせる
12. 空吹き後、出湯口及予備出湯口を閉じる。その閉鎖の際注意することは、第１０図に示すように、奥の方だけ黒鉛を水で、練ったものを細い棒で結め、乾いた砂を押し込んで置く。
  第１０図出湯口の止め方
地金の装入
1. 空吹き後ベットコークスの高さを調節し、装入開始までの時間が長いときは、更にベットコークスの高さを調節する
2. 配湯量、順序を造型責任者と再確認した上、石灰石、地金、コークスの順に装入口まで積込む
3. 造型作業のカブセマへの時間がかかるような場合は、地金を装入するのを待つ
4. 初めの１～３山は、小割のものを装入するようにする
5. 一番大切なことは、材料の秤量を正確にやることで、溶解の前には、秤を点検するだけの心掛けが必要です
6. 石灰石は、炉の中心に入れるようにする
7. 合金鉄に於ても中心に平均に入れる
8. 送風機のダンバーは、完全に閉ざして置く、炉内ガスの逆流に依って送風機内や送風管で爆発の危険があるから、充分注意しなければならない。
装入方法
1. 装入順序
  地金の装入は、次の順序にする
  コークス－>石灰石－>合金鉄－>鉄屑－>故銑・返り材－>新銑
2. 作業上の注意
  1. 装入材料は、正確に秤量する
  2. 毎回装入の終わりには、常に同じもの（例えば、コークスは地金）があるように決めて置くこと
  3. 装入物が、炉内の一方にかたよらないようにすること
  4. 石灰石は、最後の２～３山は、入れないでもよい
  5. 操業の終わり近くの２山は、細い材料を入れない
  6. 吹き分けの必要がある場合には３山分のコークスを余分にいれる。ついで挿入材料を指定通り入れる
  7. 吹き分け前の２～３山は、小片の地金を入れて早めに溶け落ちるようにして、転換してからの１～２山は重くね、ヅングリしたものを挿入し妖怪速度を遅らせる。
  8. ２種類の地金の間の１～２山分のコークスは、小塊のものを使用する
溶融温度
鋳鉄の溶解温度は、１１５０ﾟＣから始って、１２００～１２５０ﾟＣで終わるわけですが、銹つまり酸化した鉄がありますと、その酸化鉄の溶融点は、１４００～１５００ﾟＣもあります。ですから、もし酸化鉄が厚く固くはりついているとすると、これに包まれた状態で溶融が始まるわけで、酸化鉄は、酸素の供給源ですからとけて行く溶湯の中に酸素が入り易いことになります。こうした現象で溶湯の酸化が起るものと思われます。
溶解速度
鋳鉄が、コークスの燃焼に依って、溶けて行くわけですが、羽口から入った酸素とコークスの反応は、誰でもご承知のように、
Ｏ2＋Ｃ＝ＣＯ2＋８０８０kcal/kg.....(1)
ＣＯ2ガスを発生して、発熱反応を起します。kg当たりというのは、炭素１kg当たりの発熱量（キロカロリー）を示して居ります。この反応に依って炉内は、千数百度の高温になって次に、
ＣＯ2＋Ｃ＝２ＣＯ－３２６５kcal/kg.....(2)
このような反応が起ります。だんだんガスが炉の上の方に行って温度が下がって来ますと、つまり１０００ﾟＣ以下になりますと、(2)の反応は起りませんので、反応が途中で停止の状態で炉項に吹き抜けて終わることになります。
さて、溶解速度は、その炉に依って単位時間当たりの溶解量は違いますが、早くてもいけないし遅くてもいけません。と申しますのは、その溶解作業が管理されていないからです。そこで、送風量が、多い場合と少ない場合について、検討してみましょう。
1. 過剰に送風致しますと、羽口直上の燃焼は、前記(1)式の反応が起って、一時的には、出湯温度は、上がりますが、やがてコークス床を補充する追込みコークスが、不足して、溶解帯が、下がって来ます。しかし、風が強く送られていますから、発熱が盛んで溶解速度は早くなります。ところが、溶解部分が低下しているために、溶湯の落下する距離が短いので、出て来る湯は温度が下がっており、湯が酸化してしまう。
2. 今後、過少送風したらどうかと申しますと、(1)の反応もある程度起りますが、
  Ｃ＋1/2Ｏ2＝ＣＯ
  のような不完全燃焼の反応が起って発熱量が不足して来ますから、その地金の受ける熱量も足りなく、溶解速度、出頭温度共に下がって来ます。ＣＯ雰囲気の中で溶けますが低温出頭のため、脱酸が不充分で、これまた酸素気味の溶湯となります。このようにコークス比と送風量がマッチしませんと、溶湯酸化の原因ともなり、溶解速度も一定になりません。
出頭及出滓
1. フロントスラッグングに依りスラグを分離した溶湯は前炉に溜められる。出湯後、接種を行ない鋳鉄の材質の改良が行なわれる。もっともその溶湯が、低炭素低珪素の素湯ほど大きな効果がある。一般には次の通りである。
  Ｃ
  ３.５％
  接種することは少ない（註１）
  
  Ｃ
  ３.２５％
  相当接種が行われる
  
  Ｃ
  ３.０％
  接種するのが普通
  
  Ｃ
  ２.２５％
  接種しなければならない
  
  （註１）ダクタイル鋳鉄製造の際の湯は、高炭素であるが、球状化の前に行われる。これは、グラファイトの数を増やすために行われるものである。出湯温度は、普通鋳鉄で、１４８０～１５００ﾟＣ程度の温度が目標であろう。溶融温度の項で申し上げたように、出湯温度は、送風量の多少、コークス化、コークスや地金の大きさなどに依って左右される。
2. 出滓
  流出される滓については、その流動性、色、流出状況等を観察する必要がある。スラグの性状だけで、炉況を判断することは、避けたいが、一つの目安として考えることはよい。一般に炉況が、安定しているときには、その色は、普通つやのある褐色又は緑色であれば、良好と考えられ、黒色のものは酸化の傾向にある。又流動性が、悪い場合には、炉内温度の降下が考えられる。

第５節　溶解用原材料の種類及び使用法

コークス

地金類

鉄合金等の添加物

石灰石

コークス
キュポラ操業で高温溶解を行なうには、何といっても品質のよいコークスを使用することが必要である。それでは、どんなコークスがよいか。第３表に示します。
第３表コークスの性質

固定炭素
灰分
揮発分
全硫黄
落下強度

>88
>10
<1.5
>0.65
>85

又コークスの粒の大小に依って、炉内に於ける反応が違って来るが、その状態を第１１図に示す。
第１１図炉内のコークス粒度に依る影響
第１１図で解るように、コークスが小さすぎると、ガスと接触する面積が大きいので、炉の下部で酸化反応が活発に行われて、溶融温度の項でもご説明したように、発熱反応が起き、つづいてＣＯ2－＞ＣＯへの還元反応が起る。炭素１kg当たり３２６５kcalの熱量が減らせられて上部は非常に低い温度となる
コークスが過大になると、集中的に発熱が起らず、還元反応も行なわれ難いので、炉内雰囲気は上部の方まで、ＣＯガスが多くなって来る。
コークスは、ベットコークスと追込み用コークスとして使用され、ベットコークスの方は、大きめに使用するようにすることは、溶解準備作業の項で述べた通りである。追込みコークスの割合をいい、送風量とともに溶解には欠くべからざる条件になって来ます。
第４表にコークス比と送風量の一例を示します

第４図コークス比と送風量

材質
出湯温度
鋼材配合率
ｺｰｸｽ比
送風量

FC15
1440～1470
0
9～11
(V/A)

FC20
1460～1490
15～30
10～13

FC25
1480～1510
30～50
13～15
95～110

FC30
1510～1540
50～60
15～18
115～130

FC35
1520～1550
60～80
17～20
130～150
地金装入地金は、銑鉄、返り材及鋼材である。
1. 銑鉄
  銘柄のはっきりしたもの素性のわかっているものを使用すべきである。後になって、配合計算をする際に、困らないようにする、又キュポラの大きさに依って、新銑を小割にする。第５表にその例を示す。
  ダクタイル鋳鉄用には、ダクタイル用銑があるが、一般の鋳物用高炉銑を第６表に示す。
  第５表新銑の割り方
  
  ｷｭﾎﾟﾗの内径
  割り方
  
  ＜550m/m
  4ﾂ割
  
  ＞550m/m
  2ﾂ割
  
  第６表鋳物用高炉銑の化学組成一例
  
  種別
  Ｃ
  Ｓｉ
  Ｍｎ
  Ｄ
  Ｓ
  Ｃｕ
  
  室蘭銑
  4.08
  4.06
  1.84
  2.02
  0.57
  0.61
  0.136
  0.130
  0.018
  0.027
  00.
  0.05
  
  釜石銑
  4.26
  4.16
  1.86
  2.01
  0.62
  0.58
  0.115
  0.148
  0.032
  0.028
  0.13
  0.11
  
  八幡銑
  4.13
  4.26
  1.98
  1.97
  0.60
  0.44
  0.286
  0.226
  0.033
  0.022
  0.10
  0.07
  
  尼鉄銑
  4.12
  4.32
  2.12
  1.87
  0.60
  0.54
  0.137
  0.135
  0.028
  0.035
  0.19
  0.18
  
  中山銑
  4.41
  4.49
  2.56
  2.36
  0.50
  0.61
  0.145
  0.136
  0.015
  0.018
  -
  -
2. 戻り材
  砂やゴミ、錆などをとって、ほぼ同じ大きさにしてから使用する。普通鋳物なら、細かいものでもよいが、強靭鋳鉄には、使用しないこと、又ダクタイル鋳物も併用してやっている場合は、材料の管理をしっかりやって置かないととんでもない溶解をやって終えることがある。返り材の大きさ及び重量の標準を第７表にかかげる炉の大きさによって変えなければいけない。
  第７表返り材の大きさ
  
  ｷｭﾎﾟﾗの内容
  大きさ(ﾀﾃﾖｺ)
  重量kg
  
  500～750
  200×100
  ＜10
  
  750～1000
  250×150
  ＜20
  
  1000～1250
  300×200
  ＜40
3. 鋼材
  錆びたものや土などの多いもの、鉄線、薄板、特殊鋼は、避けるべきである。戻り材と同じように大きさに制限があるので、第８表にかかげます。
  第８表鋼材の形状
  
  ｷｭﾎﾟﾗの内径
  長さmm
  巾mm
  厚さmm
  径中
  重量
  
  500～750
  50～150
  20～80
  3～20
  -
  0.1～4
  
  50～150
  -
  -
  5～30
  〃
  
  750～1000
  75～200
  25～100
  3～35
  -
  0.2～10
  
  75～200
  -
  -
  10～50
  〃
  
  1000～1250
  100～
  30～150
  3～50
  -
  0.2～15
  
  100～300
  -
  -
  10～80
  〃
  
  第９表鋼材の化学成分
  
  Ｃ
  Ｓi
  Ｍn
  Ｐ
  Ｓ
  Ｃr
  Ｃu
  
  0.1～0.3
  0.1～0.4
  0.4～0.8
  <0.05
  <0.05
  <0.1
  <0.1
合金鉄
合金鉄は、一般には、フエロシリコン（ＦＳi）フエロマンガン（ＦＭｎ）を炉項から添加するがこの外、接種（イノキュレーション）用としては、フエロシリコン、カルシウシリコン（Ｃa－Ｓi）が使用される。その他の合金鉄、例えば、アシキュラー鋳鉄などを製造する場合にはＦＣr、ＦＮiＦＭｏなどが必要に応じて用いられる。一般に使用されいる合金鉄の種類と大きさを第１０表に示す
第１０表合金鉄の種類と大きさ

用途
種類
粒度mm

炉項添加用
フエロシリコン２号、３号
高炭素フエロマンガン１・２号
２０～７０

接種用
フエロシリコン２号
カルシウムシリコン１・２号
２～４
石灰石
石灰石は、造滓材として使用され、コークスの灰分、地金についた錆、又裏張り材料などから生じたスラグの溶融点を下げ、流動性のよいスラグとして出滓されるのが主目的である。２０～４０m/mぐらいのものを用いる。４％位装入さめるのが普通、しかし、スラグの堅い場合つまり流動性の悪い場合には螢石を用いる、青い透明なものがよい。組成は、弗化カルシウム（ＣａＦ）である。配合例としては、
石灰石
４％（２０～４０m/m）

螢石
１％（４０～６０m/m）

カルシュウムカーバイト塊
１％（５０～７０m/m）

などがある。
一山の装入重量の決め方
前記の溶解用装入材料をそれなら、一回にどれだけ入れたらよいか、を炉に依って決めなければならない。日本強靭鋳鉄協会並びに日本鋳物協会では、コークス層の厚さを１６０m/m～１８０m/mと決め、コークス比に依って、地金一山の重量を決めるようにしている。
条件としては
1. キュポラの内径ａmm
2. コークス層の厚さｂmm
3. 追込みコークス比ｃ％
4. コークスのカサ比重０.５５とすると
  （ａ／２）²×π×ｂ×0.55
  これは、コークス層一層の重量である。このコークス量に対する地金の重量はコークス比Ｃ％であるから
  （ａ／２）²×π×ｂ×0.55
  ―――――――――――――
  Ｃ／１００
  
  となる。今、内径９００m/m（＝ａ）１８０m/m＝ｂとすると、コークス比１６％として、一山の重量は、４３７kg（地金）７０kg（コークス）となる。実際には、この数字の前後を採用して、現場的にやり易い数字を選んで行けばよい。

第６節　鋳鉄の原料の配合について知っていること

鋳物の性質の基本は、その成分組成に依って決るものですから、その目標成分を決めることが、まず大切で、次に誤った溶解をやらないように注意しなければならない。鋳鉄の性質を変える最も大切な元素は、ＣとＳiであって、肉薄のものは、Ｓｃを高めにとり、肉厚のものは、低めにとるようにして、Ｃ及Ｓｉの適用範囲内で決めるようにする。又目標成分に合わせて地金を選ぶわけですが、溶解中に減ったり増えたりするので、これも計算に見込んで決めねばなりません。Ｃの高い配合のときは減少し、低い配合の場合は、コークスからＣが供給されて増加します。又ＳｉとＭｎは、同じように減少しますが、Ｓｉは溶解温度が高くなるにつれて、減少率は少なくなり、Ｍｎは、０.６％以上になるように考えるべきでしょう。但しダクタイル鋳鉄の場合、特に０.２～０.４％程度に挿える場合もあります。Ｐは、大体原材料のままとし、延びを必要とする場合には０.５％以下とすべきでしょう。Ｓは出来るだけ少ない方がよいが一般には０.７～１２％程度でダクタイル鋳鉄の場合は０.０３％以下に脱硫しなければならない。しかしコークス比を増すと、コークス中の硫黄が吸収され勝ちになりＳは増加して来ます。

材質を左右する炭素、珪素量第１１表にその標準値を揚げます
第１１表炭素、珪素量及びＳｃ値

成分
FC10
FC15
FC20
FC25
FC30
FC35

C%
3.6～3.9
3.5～3.8
3.3～3.6
3.2～3.4
3.1～3.3
3.0～3.2

Si%
1.8～2.5
1.7～2.4
1.7～2.3
1.6～2.2
1.5～2.0
1.4～1.8

Sc
1.00～1.10
0.97～1.05
0.92～1.00
0.87～0.90
0.82～0.90
0.77～0.85

(註)
ＳＣ＝
Ｔ・Ｃ％
――――――――――――
４.２３－Ｓｉ％／３.２
配合列
ＦＣ２５の材質がよく使用されているので、これを例にとりますと、まずこの目標の成分はどう決めるか、これは標準によって大体きめます。
Ｃ３.３％
Ｓｉ２.０％
Ｍｎ０.７％
この成分を得るために、銑鉄、返り材、鋼屑等の比率をきめようというわけです、さて、ＳｉやＭｎはこれ等の地金では、不足ですので（－）また、ダクタイル鋳鉄溶解には、低Ｓｉの溶湯になるよう始めに配合し、後になってＦＳｉで、Ｓｉを添加する場合もありますが（－）ＦＳｉ、ＦＭｎなどの合金鉄を添加して目標成分にさせるので、まず炭素Ｃを決めることです。そこで鋼屑はＣが０.１～０.３％ということなので、まずＦＣ２５なら第１２表から、鉄屑はいくらがよろしいかというと、４０％の平均配合率になっていますから今、
Ｃ
Ｓｉ
Ｍｎ

銑鉄
4%
1.6%
0.5%

返り材
3.4%
1.8%
0.6%

鋼屑
0.2
0.2
0.6

という分析値であった場合、銑鉄をＸ％返り材をＹ％量配合すると
４Ｘ＋３.４Ｙ＋０.２×０.４＝２.３５
Ｘ＋Ｙ＋０.４＝１
これを解くと、Ｘ＝０.３８、Ｙ＝０.２２これで、銑鉄と返り材の割合が決まったわけで、実際作業では、端数の秤量看貫は大変ですから、４０：２０の如くに決めて行ないます。

第12表鋼材配合率

鋳鉄の種類
FC15
FC20
FC25
FC30
FC35

配合率%
0
15～30
30～50
56～60
60～80
合金鉄
の添加地金に含まれるＳｉやＭｎでは、目標の成分にならない上に、Ｍｎは、ＭｎＳとして、ＭｎＯとして、減耗しますから、これをたしてやらねばならず、このために合金鉄として、ＦＭｎ、ＦＳｉを添加してやるわけです。これ等合金鉄中に含まれるＭｎ、Ｓｉの量は、色々メーカーに依って違いがありますが、７５％程度のものが多く市販されています。
先に地金のＳｉ％は、銑鉄、返り材、鉄屑で各々１.６％、１.８％、０.２％ですから
１.６×０.４＋１.８×０.２＋０.２×０.４＝１.０８％
となり、ＦＣ２５の場合､Ｓｉ％は２％目標に対してＳｉの減耗率を１０％と見做すと
２／１－０．１＝２.２３％
となるから、２.２２－１．０８＝１.１４％だけＦＳｉで、補う必要がある｡そこで
１.１４
―――――――
０.７５×０.９
≒１.７％

となり、７５％不留まりのＦＳｉを１.７％装入しなければならない。Ｍｎについても同様である｡
成分変化量の標準 鋳鉄の成分は､
イ、炉内の雰囲気
ロ、装入地金の性状
ハ、キュポラ操業条件
などに依って、一定ではないことを既に申述べているが、その標準というものがあるので、これを第１３表及び第１４表に示す。
第１３表炭素量の変化

鋼材配
合率％
配合地金の
炭素量％
熔湯の炭素量％

1430ﾟC
1480ﾟC
1530ﾟC

20
3.0
3.1
3.3
3.5

40
2.3
-
3.1
3.3

60
1.6
-
2.9
3.1

80
0.9
-
2.7
3.0

第１４表成分変化

普通鋳鉄
強靭鋳鉄

Si減耗率
-15～25
-5～15

Mn〃
-20～30
-15～25

P
殆ど増減なし
殆ど増減なし

S
+0.01～0.03
+0.03～0.06

出湯温度
1440～1490ﾟC
1520～1550ﾟC

ｺｰｸｽ比
9～15
16～20

先に高炭素配合の場合は減少し低炭素配合の場合は､コークスから炭素が供給されて増加すると述べましたが､その割合は第１５表の如くで､目安として知っててください。

第１５表材質による加炭率

材質
ＦＣ２０
ＦＣ２５
ＦＣ３０
ＦＣ３５

Ｃの増加率％
0.3～0.6
0.7～1.2
1.3～1.7
1.8～2.1

第７節　溶湯の温度測定の主なる方法について知っていること

普通溶湯は､光高温計、輻射高温計、熱電高温計などに依って測定される｡光高温計、輻射高温計などに依る輻射を利用する高温計と熱電高温計のように熱起電力を利用する高温度とがある訳ですが､この優劣はつけ難い。測定に当たって特に注意しなければならないことは、正確な補正値をあらかじめ出して置くことで、光高温計の読みで１３６０ﾟＣであったとした場合、その測定される溶湯が１３７５ﾟＣ以下の場合､真の温度は１４０４ﾟＣ以上の溶湯の場合は､同じ読みで１４７８ﾟＣであったとした場合､その測定される溶湯が１３７５ﾟＣ以下の場合､真の温度は１４０４ﾟＣとなり、１３７５ﾟＣ以上の溶湯の場合は､同じ読みで１４７８ﾟＣが真の温度となる｡それではおのおのの高温計の利害点について述べて見よう。

光高温計の場合
1. 利点
  イ、消耗品が、少ないので、測定が経済的である。
  ロ、手動で、持運びが、便利なので温度測定がし易い。
  ハ、高温度の測定に便利である
2. 欠点
  イ、一般に溶湯の表面温度しか測れない。
  ロ、溶湯が酸化していると、表面温度の誤差が大き過ぎる。
  ハ、補正値が正確に出難い、従って、真の温度を求め難い。
  ニ、測定者と溶湯の距離間に於て煙、蒸気などがあると輻射が、減ぜられる。これ等は、光を吸収するからである。
熱電高温計 熱電対を溶湯中に突込んで、溶湯の温度を測定するこれは二つの異なった金属線を接ぎ、その両端に温度差を与えると、起電力を発生する。この性質を利用したものである。普通キュポラ用温度測定には、白金―白金ロジウム熱電対が最も多く使用されている。この他には、炭素－黒鉛、Ｗ－Ｍｏ、Ｗ－Ｆｅ、炭化珪素（シリコンカーバイト）－黒鉛などがあるが
1. 利点
  イ、特別に電源を必要としない。
  ロ、測定に個人差がない。
  ハ、遠くからの測定が出来自動記録が用意である。
  ニ、煙や蒸気、スラッグなどに影響されない。
2. 欠点
  イ、熱電対か直接高温に触れるため破損し易い、消耗が大きい。
  ロ、測定指度の時間的な遅れが大きい。
  ハ、冷接点温度の補償が必要。

第８節　チル試験、湯面模様判定等炉前試験法について知っていること

鋳鉄の溶解作業はよい材質のものを安定した状態にて、出湯、鋳湯しなければならない。尚、キュポラの場合には、溶湯が連続的に流れ出て来るので、その操業状況をチェックする意味に於いても極めて重要な事柄である。しかも、時間的に短時間で判定しなければならない。炉前検査の主なものとしては

湯面模様検査

チル試験法

湯流れ試験法

湯もち試験法

などであって、普通は、湯面模様とクサビ型チルテストが行われている。以下、これについて述べよう。

湯面模様検査
第１０図湯面模様の種類
溶湯が、冷却して約１４００ﾟＣ以下になって来ると、溶湯の表面に色々な模様が出来るようになる。そして、１２００ﾟＣ以下になると、酸化皮膜が厚くなって来るために見られなくなる。したがって現場的には、取鍋にとった湯を更に湯汲みにとり、５０φ×５０ｌの鋳型に流し込んで､その表面を見るとよく解る。大体、１３６０ﾟＣ～１３００ﾟＣの間で判定するのがよい｡模様は第１０図に示したものが代表的なものであり、その模様に依って溶湯の性状を判断しようというわけです。実際には､溶湯の温度、地金の組成溶解条件に依って可成り違うので､経験を必要とします｡したがってその成分範囲もまちまちでありますが、目安となる二三の事例をかがげます。
第１６表湯面模様の出易い成分（例）

成分＼種類
亀甲型
麻の葉形
笹の葉型

Ｃ％
3.38
3.24
3.22

Ｓｉ％
1.5～1.7
1.2～1.4
1.0～1.2

(参考)温度ﾟＣ
1,350
1,350
1,350
1. 亀甲型は
  Ｃ及び、Ｓｉが高めの場合でＣ3.2～3.5％の範囲､模様の小さく数が多い場合は､Ｓｉが高めで1.5～2.0％位である。強靭鋳鉄では､亀甲の出易い範囲は1.6～2.4％であるといわれている｡
2. 麻の葉型
  Ｃ及びＳｉが亀甲型より％が低くなると現われ易い。一般にはＭｎが高めの場合（0.7～0.55％）に出易い。
3. 笹の葉型
  第１６表でも解るようにＳｉが更に低くなると出易い。比較的溶湯が酸化気味のとき現われる。小さく数の多い場合は、Ｍｎが高めのとき現われる。
  しかしながらこれ等湯面模様の型や大きさは温度に依っても異なり、又冷却途中で亀甲型から笹の葉型に変わる場合もある
  現場に於いて大切なことは、始めの目標成分に対して、配合成分が決められ、これに依り予想され湯面模様を頭の中に予想して居って、これと違った場合には、直ちにチルテストや分析値とチェックして見ることである。
  これを怠っては何もならない。
  （註）Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｇが入った溶湯は、このテストは難しい。したがってＭｇ、Ａｌなどで、脱酸処理をした溶湯や酸化溶湯は、湯面模様は、現われないのが通例である。
チル試験法
普通鋳鉄の溶解で、チルテストと言うと、クサビ試験のように言われるが、最近では、強靭鋳鉄やダクタイル鋳鉄の溶解が普遍化されて、どこの工場でも好むと好まざるに拘らず、強制チルテストが行われている。
1. クサビ型チルテスト
  日本学振法、ミーハナイト法、ＡＳＴＭ法などがあるが現在ではＡＳＴＭ法に統一されているようである。第１１図はそのクサビ型チル試片の模型
  第１１図クサビ型模様型
  
  クサビ番号
  Bmm
  Hmm
  長さmm
  
  Ｗ１
  ６
  ２５
  １００
  
  Ｗ２
  １２
  ３２
  〃
  
  Ｗ３
  ２０
  ３８
  〃
  
  Ｗ４
  ３２
  ５０
  １５０
  
  許容誤差
  ０.８
  ０.８
  ３.２
  
  このクサビ型チルテストは、炭素及珪素が中乃至低元素の鋳鉄に適している。試験片の冷却は、鋳型内で冷却する方がよいが、先端にキレツを生じない程度に冷冷しても差支えない。冷却後、試験の中央部を破断して、Ｗを測って、チルの大小を調べると同時に、その破面の粗さや均一性はどを観察し、溶湯の性状を察知する。
2. 強制チルテスト
  これは、Ａ，Ｓ，Ｔ，Ｍ，－Ｂ法に依るものであって第１２図に試験片の形状を示す。
  第１２図強制チル試片寸法
  
  ＮＯ
  Ｔ
  Ａ
  Ｂ
  Ｈ
  Ｌ
  Ｄ
  ｄ
  Ｇ
  チル深さの
  適用範囲
  
  １Ｃ
  4.8
  6.4
  3.2
  31.8
  63.5
  19.1
  12.7
  0.8
  2.4～9.5
  
  ２Ｃ
  6.4
  7.9
  4.8
  38.1
  76.2
  22.2
  12.7
  0.8
  3.2～12.7
  
  ３Ｃ
  9.5
  11.1
  7.9
  44.5
  88.9
  22.2
  12.7
  1.6
  4.8～19.1
  
  ４Ｃ
  12.7
  12.7
  11.1
  50.8
  114.3
  25.4
  15.9
  1.6
  6.4～25.4
  
  ５Ｃ
  19.1
  20.6
  17.5
  63.5
  139.7
  25.4
  15.9
  2.4
  9.1～50.8
  
  この冷却方法は、試片の先端Ｂ部にチルプレートを当て強制チルさせ、その断面のチル部を削る。
  その方法は、
  1. チルプレートは、酸化したり汚れたりしてはいけない。
  2. チルプレートは、３１０ﾟＣ以下に保つように水冷する。
  3. 破面に表はわたチルは、化学成分溶解状態、効種効果、合金元素の存在などが、全般的に表われるものであるから充分に観察すべきである。
    又、１Ｃや２Ｃなどは、極く軟らかい湯によくＦＣ２５やＦＣ３０の溶湯には、３Ｃや４Ｃの法がよい。この場合、水冷式冷まし金を用いる方がよい。
  第１３図は、チルの深さとＳｉ％を示したものである。この試片は、４Ｃに依るものでこの際Ｃ％については余り変わりがない。
  円筒金型試片を第14図に示すが、この円筒金型テストは、溶銑湧出度１～７に分類されて、その上部表面の湯の湧き出し具合に依ってテストするものである。
  （チル深さ）＝１.５１Ｘ＋３.０４６
  Ｘは、湧出度のチル番号で、この判定に依って、チルの深さを算出する。
  第１５図は湧出度を示す。
  第１６図には、内筒試験法に依って、調べた涌出状況に対するチルの深さ及成分を示す一例である。
  
  第１３図チルの深さとＳｉ％
  
  Ａは、Ｃ％3.25～3.3％Ｂは、Ｃ％3.05～3.1％
  第１５図チル番号の分類
  
  第１６図涌出状況（例）
  
  ﾁﾙの
  深さ４
  
  ６
  
  １２
  
  C=3.3
  C=3.2
  C=3.0
  
  Si=2.2
  Si=1.8
  Si=1.2
湯流れ試験法
湯流れが悪いために、湯廻り不良を起すようなことがあるが、現場で溶湯の湯回りの良否を判定する方法として湯流れテストを行なう。渦巻型テストがあるが、前者は、鋳型の製作に手間がかかるので最近は後者が多く使われている。
第１７図はその模型で、第１８図は鋳込温度に依る湯流れの変化を示している。又その際の溶湯の化学成分は、第１７表に示す。（第１７図、１８図、第１７表差込み）
湯持ち試験法及迅速測定法
一定の鋳型に溶湯を鋳込んで、その凝固までの時間を測定し。溶湯の性質を知るために、溶湯の性質を知るために、炉前で行う。更に、白金－白金ロジウム熱電対に依り、溶湯温度を測定し、冷却曲線をとって、共晶点（Ｃ：4.3％）よりの距離に依って、Ｃ％を算出することが出来る。

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個人分類：學術研究

Jan 17 Sat 2009 08:51
鋁合金基本常識www.tool-tool.com

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一、分類：展伸材料分非熱處理合金及熱處理合金

1.1 非熱處理合金：

純鋁─1000系，鋁錳系合金─3000系，鋁矽系合金─4000系，鋁鎂系合金─5000系。

1.2 　熱處理合金：

鋁銅鎂系合金─2000系，鋁鎂矽系合金─6000系，鋁鋅鎂系合金─7000系。

二、合金編號：我國目前通用的是美國鋁業協會〈Aluminium Association〉的編號。茲舉　　　　　　　　例說明如下： 1070-H14(純鋁) 　　　　　　　　　　　　　　 2017-T4(熱處理合金) 　　　　　　　　　　　　　　 3004-H32(非熱處理合金)
	2.1第一位數：表示主要添加合金元素。　　　　　　　1：純鋁　　　　　　　2：主要添加合金元素為銅　　　　　　　3：主要添加合金元素為錳或錳與鎂　　　　　　　4：主要添加合金元素為矽　　　　　　　5：主要添加合金元素為鎂　　　　　　　6：主要添加合金元素為矽與鎂　　　　　　　7：主要添加合金元素為鋅與鎂　　　　　　　8：不屬於上列合金系的新合金
	2.2第二位數：表示原合金中主要添加合金元素含量或雜質成分含量經修改的合金　　　　　　　　。　　　　　　　0：表原合金　　　　　　　1：表原合金經第一次修改　　　　　　　2：表原合金經第二次修改
	2.3第三及四位數：　　　　　純鋁：表示原合金　　　　　合金：表示個別合金的代號　　　　　〝-〞：後面的Hn或Tn表示加工硬化的狀態或熱處理狀態的鍊度符號　　　　　 -Hn ：表示非熱處理合金的鍊度符號　　　　　 -Tn ：表示熱處理合金的鍊度符號

2

鋁及鋁合金的熱處理

一、鍊度符號：	若添加合金元素尚不足於完全符合要求，尚須藉冷加工、淬水、時效
	處理及退火等處理，以獲取所需要的強度及性能。這些處理的過程稱
	之為調質，調質的結果便是鍊度。

鍊度符號

定　義

F

製造狀態的鍊度
無特定鍊度下製造的成品，如擠壓、熱軋、鍛造品等。

H112

未刻意控制加工硬化程度的製造狀態成品，但須保證機械性質。

O

退火鍊度
完全再結晶而且最軟狀態。如係熱處理合金，則須從退火溫度緩慢冷卻，完全防止淬水效果。

H

加工硬化的鍊度
H1n：施以冷加工而加工硬化者
H2n：經加工硬化後再施以適度的退火處理
H3n：經加工硬化後再施以安定化處理
n以1~9的數字表示加工硬化的程度
n=2 表示1/4硬質
n=4 表示1/2硬質
n=6 表示3/4硬質
n=8 表示硬質
n=9 表示超硬質

T

T1：	高溫加工冷卻後自然時效。擠型從熱加工後急速冷卻，再經常溫十效硬化處理。亦可施以不影響強度的矯正加工，這種調質適合於熱加工後冷卻便有淬水效果的合金如：6063。
T3：	溶體化處理後經冷加工的目的在提高強度、平整度及尺寸精度。
T36：	T3經6%冷加工者。
T361：	冷加工度較T3大者。
T4：	溶體化處理後經自然時效處理。
T5：	熱加工後急冷再施以人工時效處理。人工時效處理的目的在提高材料的機械性質及尺寸的安定性適用於熱加工冷卻便有淬水效果的合金如：6063。
T6：	溶體化處理後施以人工時效處理。此為熱處理合金代表性的熱處理，無須施以冷加工便能獲得優越的強度。於溶體化處理後為提高尺寸精度或矯正而施以冷加工，如不保證更高的強度時，亦可當作是 T6鍊度。
T61：	溶體化處理後施以溫水淬水再經人工時效處理，溫水淬水的目的在防止發生變形。
T7：	溶體化處理後施以安定化處理(亦及人工時效處理的溫度或時間較T6處理高或長)。其目的在改善耐硬力腐蝕裂及防止淬水時發生變形。
T7352：	溶體化處理後除去殘餘應力再施以過時效處理(亦及人工時效處理的溫度或時間較T6處理高或長)。目的在改善耐硬力腐蝕裂。於溶體化處理後施以1~5%永久變形的壓縮加工，以消除殘餘應力。
T8：	溶體化處理後施以冷加工再施以人工時效處理，冷加工時斷面減少率為3%及6% 各為T83 及T86。
T9：	溶體化處理後人工時效處理，最後施以冷加工，最後冷加工的目的在增加強度。

二、退火處理：

2.1目的：

展伸用材料包括壓延用材料，擠壓用材料及鍛造用材料，通常其製造程序為：

熔鑄→熱加工→冷加工→材料成品

在熱加工或冷加工的過程中，材料發生加工硬化的情況，使強度變大或導致加工硬化的情況，使強度變大或導致加工性減低。為消除這些加工硬化，於冷加工前，中或後所施的熱處理即為退火處理，其目的在使材料具有使用上所需要的程度。

2.2分類：

退火處裡就時機而分：
由於退火條件的不同而分：
2.2.1　　部分退火：	僅消除部份加工硬化，處理溫度在再結晶溫度以下，實際溫度則視強度而定，強度愈高則處理溫度較低。
2.2.2　　完全退火：	處理溫度在材料的再結晶溫度或稍高使材料發生再結晶而完全消除加工硬化，亦使強度達到最低的狀態。
2.2.3　　中間退火：	再冷加工開始之前或冷加工過程中，所加的退火處理，通常為完全退火，其目的在恢復其加工性，使接下去的加功能較順利，及控制其組織狀態，俾能適合於最終成品的要求。
2.2.4　　最終退火：	主要目的再調整成品最後的強度水準亦即調整鍊度。

3

加工常識

	●　工具或機器之調整不常瑕疵
一、鋁合金成型加工通常出現之缺陷：
	缺　陷	原　因	改善對策
	●　胚料有瑕疵
	1. 空心殼壁或凸緣之龜裂	1. 滾動缺陷(摺疊)	1. 改善品質管制
	2. 起耳狀物	2. 機械性質太過平均	2. 退火(如不致生晶粒生長)
	工具有瑕疵
	1. 引伸一開始，空心殼之　底部即被撕裂。	1. 衝頭或模之圓角太小。	1. 加大衝頭或模之圓角。
	2. 引伸末了，空心殼之底　部方被撕裂。	2. 引伸比太大，衝頭未對準模孔中心。	2. 增加中間引伸，選用品質較佳之材料；若為方形空心殼則增加轉角之衝模間隙。
	3. 引伸刮痕。	3. 潤滑不佳，工具表面之情況不佳(已磨耗)。	3. 使用特殊引伸用黃油(材料必須經磷酸鹽處理或鍍銅)，再光製工具表面(鍍鉻)，選用不易產生刮痕之材料。
	4. 成品邊緣有鋸齒形，殼　表面有皺紋。	4. 模圓角太大，衝模間隙太大。	4. 再輪模或更換引伸模具
	1.凸緣上有皺紋。	1.胚料架壓力太小。	1. 增加胚料架之壓力。
	2. 成品之一邊有抓傷或其他痕跡，而工具表明面顯之痕跡。	2. 衝頭未對準模孔中心，或傾斜一角度，而造成磨損。	2. 再輪磨或重新校準模具
	3. 殼壁太粗，尤其是矩形深引伸成型成品為然。	3. 胚料架壓力太小，或模之圓角太大。	3. 增加胚料架之壓力，或於模與胚料架間製一加強之隆起。
	4. 殼線有壓平之皺紋或龜裂。	4. 胚料架壓力太小，或衝模間隙太大。	4. 更換模具。

二、硫酸陽極處理通常出現之缺陷：
	缺　陷	原　因	改善對策
	工作物件局部位置電擊燒傷或穿孔	1. 工作物和陰極接觸發生　短路。	1. 放置工作物於處理槽內　時，注意與陰極之距離　，避免發生接觸。
		2. 工作物彼此之間接觸發　生短路。	2. 加大工作物間距離。
		3. 工作物件和夾具接觸不　良。	3. 夾具使用前須加以清洗　，與工作物間須夾緊。
	氧化膜極疏鬆，用手就可擦掉	1. 電解液溫度太高。	1. 設法降低溫度，例如進　行攪拌或開動冷卻設備　，並控制溫度差在±2℃ 　內。
		2. 氧化處理時間太久。	2. 縮短氧化時間。
		3. 工作電流密度太高。	3. 降低電流密度。
	氧化膜帶紅色斑點或整個表面或局部表面發紅	1. 導電棒和夾具之間的接　觸不好令銅沉積在鋁表　面。	1. 改善導電棒與夾具的接　觸，材質改用鋁材。
	氧化膜帶紅色斑點或整個表面或局部表面發紅	2. 接觸中斷，如導電中斷	2. 加強氧化過程的檢驗。
	氧化膜暗淡不夠光亮或燒焦現象	1. 工作物件在槽中長時間　無給電，或斷電後又給　電。	1. 經常檢查糾正與電器維　修嚴格管制處理時程。
	氧化膜暗淡不夠光亮或燒焦現象	2. 硫酸溶液內溶存的鋁業　增加導致氧化膜的透明　性變差，最後發生燒焦　現象。	2. 檢驗處理液中的鋁量。 2.1 硫酸液中含鋁量以1gm/l 　左右為宜。 2.2 新液則添加12~13 gm/l 　的硫酸鋁。
	氧化膜有黑斑或黑條紋	1. 電解液中有懸浮的雜質	1. 清理表面懸浮雜質。
		2. 工作物件表面有油汙漬　或其它污染物。	2. 徹底糾正除油液成份；　確實執行前處理。
		3. 電解液中含銅和鐵雜質　太多。	3. 分析後除去並定期更新　部份電解液。
		4. 電解後工作物未洗乾淨　就進行封孔。	4. 電解後工作物要立即清　洗乾淨，避免處理液或　雜質殘留於氧化膜表面
	氧化膜局部表面被腐蝕	1. 氧化後氧化膜上的電解　液未洗乾淨。	1. 加強氧化後的洗滌。
		2. 深凹處藏有電解無洗乾　淨。	2. 均加強氧化後的洗滌。
		3. 電解液無洗乾淨就進行　封孔處理。	3. 均加強氧化後的洗滌。
	經重鉻酸鉀填充後氧化膜色淡而發白	1. 溶液溫度低，填充時間　短。	1. 改正不適宜條件。
		2. SO₄^-2^{含量太高。}	2. 檢查和校正SO₄^-2成份。
		3. 氧化膜太薄。	3. 增加氧化處理時間。
	氧化膜厚薄不均	1. 工作物表面附有污染物　未清理乾淨。	1. 前處理須徹底將表面洗　淨。
		2. 處理槽內溶液攪拌不夠	2. 加強攪拌作用。
		3. 電流密度過高。	3. 一般硫酸液陽極處理的　電流密度以1~2A/dm2為　宜。
	無色的工作物件經熱水填充處理易沾上手印，水印，膜層發白	1. 封孔的溫度和時間不夠	1. 按適宜條件進行。
		2. PH值不當	2. 調整PH值。
		3. 溶液氫氧化鋁太多。	3. 更換用水。

三、鉻酸陽極處理通常出現之缺陷：
	缺　陷	原　因	改善對策
	工作物件被燒傷	1. 零件和夾具間的接觸不良。	1. 夾緊改進接觸。
		2. 零件和陰極接觸，零件之間彼此接觸。	2. 設法消除避免接觸。
		3. 電壓太高。	3. 降低電壓。
	零件被腐蝕成深坑	1. 電解液中 CrO₃ 含量低。	1. 調整增加之。
	零件被腐蝕成深坑	2. 鋁本身有缺陷，合金成份不均勻。	2. 更換材料。
	氧化膜薄，具發白現象	1. 夾具和導電棒之接觸不良。	1. 改善接觸條件。
		2. 氧化時間短。	2. 加強氧化時間。
		3. 電流密度小。	3. 調整電流密度。
	氧化膜上有粉末	1. 電解液溫度高。	1. 調整之。
	氧化膜上有粉末	2. 電流密度大。	2. 調整之。
	膜層發黑	1. 工作物件上的拋光膏無洗乾淨。	1. 加強氧化前的洗滌。
	膜層發黑	2. 原鋁材料本身有問題。	2. 更換原材料。
	氧化膜發紅	1. 表面準備不好。	1. 改善準備工作。
	氧化膜發紅	2. 導電棒和零件夾具間接處不良。	2. 改善接觸條件。

四、硬質陽極處理通常出現之缺陷：
	缺　陷	原　因	改善對策
	氧化膜的厚度不夠	1. 氧化的時間太短。	1. 增加氧化時間。
		2. 電流密度太低。	2. 加大電流密度。
		3. 氧化的面積計算不正確	3. 正確計算零件面積。
	氧化膜層硬度不夠高	1. 溶液溫度高。	1. 降低電解液溫度。
		2. 電流密度太大。	2. 降低電流密度。
		3. 膜層厚度太厚。	3. 縮小氧化時間。
	氧化膜被擊穿並燒壞工作物件	1. 鋁合金中含銅量高。	1. 更換原材料。
		2. 工作物件散熱不好。	2. 加強電解液攪動和冷卻
		3. 工作物件和掛具接觸不良。	3. 設法使接觸良好。
		4. 氧化時給電太急。	4. 注意改善作業過程。

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個人分類：學術研究

Jan 17 Sat 2009 08:38
CV黒鉛鋳鉄（CGI）の製造について www.tool-tool.com

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始めに

CV黒鉛鋳鉄は、ねずみ鋳鉄(FC)とダクタイル鋳鉄(FCD)の中間的な物性を示すため、中途半端な材料という見方と、FCの強度を合金なしで手軽に増加できる新たな手段との見方があります。
黒鉛形状は、FCが片状黒鉛、FCDが球状黒鉛に対してCV黒鉛は芋虫状の黒鉛であり、この黒鉛形状が、鋳物の特性に大きく影響しています。
　CV黒鉛鋳鉄は、欧米では「CGI」と呼ばれ、シリンダ・ブロックやヘッド等の自動車部品への適用が進んでいます。　これには、次に様な理由があります。

排ガス規制に対応するため高い筒内圧が必要。(ジーゼルエンジン）
合金添加による強度のUpが限界にきている。
ヘッドでは、素材の高い熱伝導率がヘッド下面温度の上昇を防ぐために不可欠である。
素材の減衰能だけでなく、ブロック・ヘッドが構造体としての剛性が振動減衰に効果がある。

これまで発表になったCV黒鉛鋳鉄の特性を図表をまとめました。（ダウンロード[pdf 形式]）
CV黒鉛鋳鉄と他の鋳鉄の特性の違いは、以下のサイトを参照して下さい。

コマツキャステック様
ダイハツ金属工業株式会社様
SinterCast社(英文)

日産ディーゼル様では、ＧＥ１３大型ディーゼルエンジンのヘッドにCV黒鉛鋳鉄を採用しています。　CV黒鉛鋳鉄の製造に関しては、SinterCast、 NovaCast（ともにスウェーデン企業）は、CV黒鉛鋳鉄のプロセス制御を販売しています。　CV黒鉛鋳鉄の製造が、特に黒鉛球状化率を20%（熱伝導率、湯流れ性、減衰能などの特性を生かすために制限される）に制御し、片状黒鉛が0%と限定された場合は、量産製造がいかに困難かを示しています。

　本稿では、筆者がCV黒鉛鋳鉄で海外も含め、10数箇所の鋳造工場で数百個のエンジンブロック、ヘッドを鋳込んだ経験から、CV黒鉛鋳鉄の製造に関する注意点やSinterCast、NovaCastの技術を紹介して、これからCV黒鉛鋳鉄の製品にチャレンジしようとする、あるいは製造上の問題を抱えている鋳造工場の現場エンジニアの皆様のお役に立てればと思います。

なお、ご意見・ご質問があれば、遠慮なくメールを下さい。　解る範囲でお答えしたいと思います。

特性の優れたCV黒鉛鋳鉄とは、

黒鉛球状化率が約20%以下（球状黒鉛が20%で残り80%が芋虫状黒鉛）、10%以下が理想です。　もちろん、片状黒鉛が無いことが前提です。　球状化率をこの範囲に制御することで、熱伝導率、減衰能がFCのそれに近く、強度要因（引張り、ヤング率等）がFCDに近いものになります。　パーライト率は、 60～100%で製品の要求によって、Cu及びSnで制御します。

成分範囲

   製品成分        　　　        元湯成分        

成分        最小        ～        最大                目標        

C       3.60      ～        3.80             3.70    

Si      2.10      ～        2.40     2.00    

Mn      0.20      ～        0.45     0.30    

P               <    0.030      0.030   

S               <    0.010              0.010   

Mg      0.008      ～        0.018              球状化処理        黒鉛形状

Sn      0.03      ～ 0.10               取鍋添加        パーライト率調整

Cu      0.50       ～        1.20               取鍋添加        パーライト率調整

REM     0.01       ～        0.04               取鍋添加        黒鉛形状、フェーディング防止

サンドウィッチ法であれば、溶湯量の0.15～0.25%の接種剤を球状化剤の上に、更にカバー剤で覆い、直接溶湯が触れないように出湯します。
元湯成分は、接種剤や球状化剤からのUp分を加味して決定します。

出湯温度は、1480℃～1530℃
鋳込み温度は、1380℃～1430℃

これら条件は、製品によって多少変わります。

球状化剤添加量の決定

ここで、

Ｍ_Ｌ：レードル処理量（Ｋｇ）％Ｓ：溶湯中の硫黄含有量（％）

Ｍｇ_ｒｅｓ：残留マグネシウム量（％）ｇ_ＲＥ：ＲＥ(ミシュメタル)添加量（ｇ）

η_ＲＥ：ＲＥの歩留まり（小数表示） η_Ｍｇ：Ｍｇの歩留まり（小数表示）

％Ｍｇ：ＦｅＳｉＭｇＣｅ中のＭｇ含有量（％）％ＲＥ：ＦｅＳｉＭｇＣｅ中のＣＥ含有量（％）p>
プロセスコントロール―SinterCast の方法

SinterCastのプロセスコントロールは、「熱分析による鋳鉄の黒鉛形状の判定」でも述べていますが、独自のサンプル容器（熱電対が中央と壁面の2箇所）にMg処理済の溶湯を採取し、熱分析によって溶湯の状態を調べます。　通常は、サンドウィッチ法で若干処理不足の溶湯を製造し、熱分析で不足分のMg合金、接種剤の量を計算してワイヤーで追加します。

赤の冷却曲線は、サンプル容器の中央で、青は、壁面近傍の冷却曲線です。

CV黒鉛鋳鉄では、FCやFCDと異なり、共晶反応が大きく過冷します。これは、共晶反応で黒鉛が晶出するための凝固核がFCの場合と異なるためです。

青色の冷却曲線は、中央より冷却速度が大きいのと対流の効果によって、取鍋のMg含有量の少ない（0.003%程度）溶湯を熱分析したことになります。　もし、Mgの量が不十分であればここの壁面近傍では片状黒鉛が晶出します。　適切な処理が行われた場合は、初晶オーステナイトが晶出することになります。　 SinterCastでは青色冷却曲線を微分した曲線の面積をパラメータとしていますが、厳密には「鋳鉄鋳物のための状態図と熱分析」で述べたCA-DTA法によって、最初（初晶）の温度停滞が、オーステナイトであるのか片状黒鉛であるのかを判定して、片状黒鉛である場合はその量を計算することで、溶湯が鋳込まれたときの片状黒鉛が晶出する可能性を判断すべきであると考えます。

一方、赤色冷却曲線では重要なパラメータは、過冷度と再輝速度になります。
この場合も、微分曲線の面積をパラメータに加えています。

SinterCast の方法は、溶湯を補正するワイヤー添加量を決定するための検量線を作成するには、製品毎に多くのデータが必要です。　しかしながら、上記の熱分析曲線で溶湯がCV溶湯となっているか、片状黒鉛および球状黒鉛の晶出の可能性を判断する優れた方法といえます。
プロセスコントロール―NovaCast の方法

NovaCastの方法は、元湯の酸素濃度を適切に調整することで片状黒鉛の晶出を防ぎ、CV黒鉛の晶出を優先させます。

SinterCast の創始者であり、NovaCastのPQ-CGIの提唱者であるバッケルード博士によと、

片状黒鉛鋳鉄
通常、核形成粒子は飽和ＳｉＯ₂（クリストバライトまたはトリジマイト）からなり、
これはケイ素と酸素の含有量が高いときに形成され、ＳｉのＳｉＯ₂への反応は通常の鋳造温度範囲内で生じ、そして黒鉛結晶とクリストバライトの間には良好な格子整合（エピタキシー）が存在する。ＳｉＯ₂粒子の形成は、動力学的な理由により、Ａｌ₂Ｏ₃のような安定な酸化物粒子の存在によって促進される。

CV黒鉛鋳鉄（FCV、CGI）
CV黒鉛鋳鉄においてはＳｉＯ₂粒子は核形成粒子としてはあまり効果的ではなく、様々な形態のケイ酸マグネシウムが効果的であることが見いだされている。ＳｉＯ₂が存在する場合、片状黒鉛が核形成する大きな危険性があり、これはCV黒鉛鋳鉄の品質を損なう。しかし、ケイ酸塩の粒子は芋虫状黒鉛の結晶のための良好な核形成剤であり、この結晶は、融液のマグネシウム処理後に残っている酸素の含有量が通常２０～６０ppmの適当な範囲に維持されている場合は、十分に生成する。

球状黒鉛鋳鉄(ダクタイル、FCD)
どのような種類の核形成粒子が球状黒鉛粒子の成長を引き起こすのに最も効果的であるかは全く明らかになっていない。この黒鉛粒子は、５～１０ppmの残留酸素濃度までの強い脱酸のために、球状に生成する。

上のことから、明らかに、ねずみ鋳鉄とCV黒鉛鋳鉄においては核形成粒子は脱酸生成物からなり、ねずみ鋳鉄においてはシリカ（ＳｉＯ₂）が優先的であり、CV黒鉛鋳鉄においては、マグネシウムの添加後は、ケイ酸マグネシウムの粒子からなる。ケイ酸マグネシウムの粒子は、核として活性化する前に大幅な過冷を必要とします。

2つの重要な温度
鋳鉄の溶湯では、炭素とＳｉＯ₂の反応（式(1))は、非常に重要です。
溶湯温度（TMとします）がTEQL以上なら、ＳｉＯ₂の還元反応が起こります。

SiO₂+2C → Si + 2CO

従って、SiO₂、MnOのような酸化物は減少します。　溶湯温度がTEQLより低ければ、酸化物が生成し始めます。　この温度以下で酸素のピックアップは殆どありません。　温度がTEQLの50℃以上に上昇したとき、溶湯は酸素をピックアップし始めます。（古い公式（1955年のK. Orths）ではTEQLのおよそ20℃上とされています）

SiO₂+2C ＝ Si + 2CO　・・・・・(1)

・・・・・(2)

式(2)で表されるTEQLを平衡温度とするなら、溶湯がCOの放出により沸騰する温度を沸騰温度（TBoil）は、次式で表すことが出来ます。

もし、溶湯温度TMがTBoil 以上なら FeO+C → Fe +COとなり、この温度以上で溶湯中のフリー酸素は急激に減少します。　もしTMがTBoilの約50℃以上なら、およそ20分後には酸素量は非常に低いレベル(5ppm以下)になります。　そのとき、溶湯の核生成能力は非常に小さくなります。

NovaCastの方法では、次の工程を経てCV黒鉛鋳鉄を製造します。

①　TEQLを1400℃近傍になる様に%Cと%Siを調整します。
　　ただし、%Si は添加剤によりUpするので、製品目標値よりは低めします。

②　溶湯温度（TM)を下記の条件で保持します。
　　　　TM > TEQL + 20,　TM < lang="EN-US">SiO₂+2C → Si + 2CO の反応を促進させ、片状黒鉛の凝固核の危険性
　　　　が高いSiO₂粒子を低減すると共に溶湯の脱酸が目的です。

③　②で脱酸された溶湯は、出湯時、鋳込時に周囲の空気や鋳型から酸素をピックアップし易い状態で、接種剤によるSiと黒鉛球状化剤による脱酸・還元反応によって、CV黒鉛の凝固核となるマグネシウム含有珪酸塩の粒子を形成させます。このとき酸素のピックアップによって確保されるべき酸素量は50～100PPM以上であり、球状化剤によって10～20PPMまで還元されます。

製品中の酸素量は、黒鉛球状化率20%以下のCV黒鉛鋳鉄では、

モジュラス(cm) 肉厚(mm) 酸素濃度（PPM)

0.5 ～10 40～60

0.5～1.0 10～20 30～50

1.0～ 20～ 20～40

CV黒鉛鋳鉄の酸化物スペクトルの一例、（Mg,Fe）₂[SiO₄]が見られます。

上記②の工程で、ATAS（エータス、NovaCastの熱分析システム）を用い溶湯が確実にCV黒鉛が晶出する様に指示を出します。　これら、システムを総合して、PQ-CGIとして、インモールドでもCV黒鉛鋳鉄が確実に製造可能となっています。
独自のプロセス制御の開発

ATASもSinterCastのSystem2000も優れた方法でありますが、初期投資及びランニングコストの面では、必ずしも満足できるものではありません。
ランニングコストが上昇するとFCD製製品のコストダウンの目標が失われ、FCの強度アップとしての売り込みも難しくなります。
筆者の個人的な意見ですが、夫々の鋳造工場で独自の制御方法を開発すべきと考えます。

「鋳鉄鋳物のための状態図と熱分析」で述べたCA-DTA法によって、CV黒鉛鋳鉄のプロセスコントロールは可能と思われます。

上図は、筆者が以前作成したCA-DTA法を用いて溶湯の性質を判定するプログラムですが、同様のプログラムで元湯の性状を把握し、黒鉛球状化剤・接種剤の添加量を決定することが可能です。
ただし、一般のCEメータとは異なり、分析にはTe(テルル)の入らないカップを使用します。
これらのプログラムを開発するためには、多くの実湯データが必要となりますので、カップメーカ単独での開発は困難で、鋳造工場との協力が必要と思われます。
日本で、主に市販されている円柱型の熱分析用カップは、冷却が早く過冷を観察するには少々不向きです。　欧米で使用されている角型カップは容量も大きくモジュラスが1cmであり、明確に溶湯の性質を検知できます。この角型カップはクイック・カップと呼ばれ、世界シェアでは約70%ほど使用されているそうです。以前はエレクトロナイト社でしたが、現在は買収されて、Heraeus社で販売されていますが、日本国内では入手が困難です。

その他、CV黒鉛鋳鉄のプロセス制御について質問やプログラムの作成が必要な場合はメールでご連絡下さい。

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個人分類：學術研究

Jan 17 Sat 2009 08:24
熱分析による鋳鉄の黒鉛形状の判定www.tool-tool.com

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1. 緒言　

鋳鉄中に内在する黒鉛の形状とその分布は鋳鉄製品の諸性質に重要な役割を果たします。　これを炉前で迅速に測定する熱分析は鋳込み前に鋳造品が所定の性質を持つか否か判断のため、あるいは鋳造欠陥等を低減するために古くから行われてきた手法です。　杉浦 ^[1] は球状黒鉛鋳鉄の黒鉛球状化率判定方法に関し、それまでに文献に現れた主な例を紹介しています。　これによるとE.F.Ryntz, Jr.らが1971年にAFS Trans.で発表した研究が最も古く、その後約十数年間にわたり多くの研究者により研究されてきました。　一方、この時期、CV黒鉛鋳鉄は片状黒鉛鋳鉄と球状黒鉛鋳鉄の特性を併せもつことからその用途拡大が望まれ、安定的な量産と品質保証を目的とした熱分析による黒鉛形状の判定装置に対するニーズは一層高まりました。　1980年の初頭に杉浦の研究により矢作製作所から黒鉛の形状をイラストで表示する「マイコンダグ」（商品名）が販売されました。　その後、パーソナルコンピュータの普及と相俟って数社より類似した商品が販売され、これらの基本原理はほぼ同じで、まず熱電対（Ｋタイプ）を組み込んだ熱分析用シェルカップに黒鉛球状化処理済みの溶湯を注ぎ、得られた冷却曲線から、過去のデータより得られた回帰式を用いてシェルカップ内の熱電対近傍での黒鉛球状化率を推定するものです。　日本における最近の研究は（株）ナカヤマとアイシン高丘（株）の共同開発で行われました ^[2] 。　この方法は冷却曲線をパターン化することと、元湯成分を因子に追加することで判定数値の精度を高めています。

　ここでは熱分析により黒鉛形状を判定する方法について主な文献にみられるキーポイントをまとめて紹介します。

2. 熱分析による黒鉛形状判定の考え方

2-1.初晶温度

図１は熱分析で得られる典型的な冷却曲線です。　図中で初晶オーステナイトの晶出による温度停滞点（TL）が見られますが、この初晶温度が表示されるか否かにより冷却曲線の解釈が異なります。　高炭素当量では初晶オーステナイトの晶出と共晶反応がほとんど同時に起こり初晶オーステナイトの凝固潜熱がその後の冷却曲線に及ぼす影響を考慮しなければなりません。

　　　　　　図１．冷却曲線の典型的例

また、熱分析用のシェルカップの構造的な特性から初晶温度を表示できない場合もあります。市販されているシェルカップ内に組み込まれた熱電対は線径がΦ0.5～0.65のＫ熱電対（クロメル・アルメル）が用いられています。　この熱電対を保護する保護管は正負の素線を電気的に絶縁し溶湯の熱から保護するためのもので、材質はセラミック製のものとパイレックス、バイコール、石英管等を用いたものがあります。　カップ内で起こる凝固過程を検出する上で考慮しなければならない誤差は、保護管の熱間絶縁・保護管及び熱電対を伝わりカップ外へ放熱されるために起こる「熱伝導誤差」と応答性に関する「時間遅れ」です。　熱伝導誤差は保護管のカップ内への挿入長さが径の15倍以上 ^[3] であれば問題にならず市販のシェルカップもこの条件を満たしています。　時間遅れは保護管の熱伝導率と温接点の保護の状態に依存し、熱伝導率が悪く素線と保護管の重量が重いほど時間遅れは大きくなり、初晶温度を表示できない場合があります。

　　　　　　　　図2.初晶温度に及ぼすマグネシウム処理の影響

Chaudrariら ^[4] が初晶温度に及ぼすマグネシウムの影響を調査しています。　図2はマグネシウム処理後、CE値が4.26～4.60の過共晶領域にもかかわらず初晶オーステナイトを晶出し初晶温度が現れる事を示しています。この領域（図中斜線部）は一方において初晶グラファイトと共晶反応が同時に起こりうる領域でもあり、不安定な領域でもある。この領域内の溶湯で大型のシェルカップを用い「初晶温度が現れた場合は引け巣が少なく、現れない場合は引けが強くなる」との研究結果もありますが真偽は定かではありません。 ^[5]

2-2.共晶温度回復時での変曲点での傾き

初晶温度を表示後、シェルカップ内の溶湯温度は過冷により共晶最低温度（TEU）までさがり、共晶反応により晶出したオーステナイトと黒鉛の凝固潜熱の放出により共晶最高温度（TER）まで回復します。　多くの研究者はこのTEUとTER間の温度勾配の最大値（変曲点）が晶出する黒鉛の形状により影響されるとしています。　以後この変曲点での傾きを単にdT/dtと表記します。

　図3.　黒鉛の形態と冷却曲線

図3はバッケルードら ^[6] によるもので、黒鉛の晶出形態により（dT/dt）maxが変わる様子を示しています。　共晶反応の進行が球状黒鉛鋳鉄では球状黒鉛の周囲に晶出したオーステナイト中を炭素原子が固体拡散しなければならず、成長に時間がかかります。　一方、CV黒鉛鋳鉄では黒鉛の周囲全てがオーステナイトに囲まれているわけではなく、一部融液と接しているため成長が早く、冷却曲線は急勾配で回復します。　図4は市販のシェルカップを用いてStefanescuら ^[7] が得た冷却曲線です。

　　図4.　同一組成、黒鉛形態別冷却曲線

下の表は、図4の溶湯のCE値と組織を示しています。

図中の表示 CE値組織

球状黒鉛 4.03 84%球状＋芋虫

芋虫状黒鉛 4.01 30%球状＋芋虫

片状黒鉛 4.01 片状黒鉛

同一の元湯を用いて試験をした図4の結果の方が、概念的な図3よりより的確に黒鉛形状の役割をあらわしていると思われます。　図3ではdT/dtの値はCV>FCD>FC順であり、図4ではCV>FC>FCDの順となっています。　これら2種類の図では比較のため片状黒鉛においても初晶温度が観察されるようにCE値を低く調整されている。　球状黒鉛鋳鉄及びCV黒鉛鋳鉄の実操業において、CE値は4.4以上で鋳造されることが多く、黒鉛形状の判定には過共晶の片状黒鉛鋳鉄溶湯即ち、黒鉛球状(CV化)化処理前の元湯のデータが必要となります。　冷却曲線上では球状黒鉛鋳鉄溶湯とその元湯の間で明確な区別はつかない場合が多くあります。　更にdT/dtはCV黒鉛鋳鉄で最大となり、球状黒鉛鋳鉄と片状黒鉛鋳鉄に差があまり見られません。　これらより、dT/dtの値だけで黒鉛の球状化率を判定することは困難と思われます。　また、多くの研究者も過冷最低温度TEUとdT/dtあるいはΔT(=TER-TEU)との関係で溶湯の種別を判定する方法を提唱しています。

木口 ^[8] はΔTとdT/dtに強い相関関係を見出しΔTでCV黒鉛鋳鉄の性状を把握出来るとしています。

　　　　　　図5.ΔTとdT/dtとの関係

この実験に関する限りでは「CV黒鉛鋳鉄はΔＴが５℃以上のとき」という簡便的な方法で管理可能となりますが、ここで言うCV黒鉛鋳鉄とは黒鉛球状化率がおよそ0～40%の範囲のもので、より厳密にCV黒鉛鋳鉄のクラス分けするにはΔTのみでは困難と思われます。

2-3. TEUとdT/dtとの関係

dT/dtによる分類では球状黒鉛鋳鉄と片状黒鉛鋳鉄の区別が困難であるため、TEUを新たな要因として追加し、プロットしたものが図6 ^[4] です。

図6.　過冷最低温度(Tk)と(dT/dt)maxとの関係

この図からもdT/dtは球状黒鉛鋳鉄と片状黒鉛鋳鉄でほぼ同じレベルであることがわかります。　また、球状の黒鉛の割合が15%以下のCV黒鉛鋳鉄（図中、白三角）と15%～50%のCV黒鉛鋳鉄（三角中黒丸）ではdT/dtが20～40℃／分、TEU(Tk)が1125℃～1140℃の広い範囲で判別が困難であることが確認できます。

2-4. 共晶最高温度(TER)とΔTとの関係

Stefanescuら ^[9] はTERとΔTに関して図7を得ています。　図の上部はランタン系金属とセリウムで処理したもので、下部はレアアース・シリコン化合物で処理しています。　上下の図から処理剤により材質の範囲が大きく変化しているのがわかります。　図7が複雑に区分けされていることから、これを現場の溶湯管理として黒鉛形態の判定方法に用いるのは、多少無理があると考えます。　　図5.のΔTとdT/dtとの直線関係からTERとdT/dtとの関係も同様であると推定出来ます。　処理剤の相異によりこのように判定基準が変動するのは溶湯管理上好ましくなく、実操業でも溶解材料や配合比の変更によっても判定式もしくは基準が変わることはしばしば経験するところです。　これら変動の原因については後述します。

　　　図7.各種鋳鉄のTERとΔTとの関係

2-5. 微分曲線の利用

更にStefanescuら ^[10] は各種溶湯の冷却曲線から一次及び二次微分曲線をもとめパターン化しています。　一例を図8に示します。　また、この研究では標準化された DTA(Differential Thermal Analysis)曲線により、初晶・共晶反応での発熱量も考慮しています。

　　　図8.冷却曲線と一次･二次微分曲線

2-1.で述べたように初晶オーステナイトの晶出時期とその発熱量はdT/dtに直接影響を及ぼすのでDTA曲線の解析手法は黒鉛球状化判定には不可欠な要素となります。

2-6. 量産ラインでの確認

緒言で紹介したアイシン高丘(株)の栗熊らは球状化処理後に得られた冷却曲線を4種類のタイプに分け、冷却曲線の各特性値を変数としてタイプ別に演算式を重回帰分析により求めています。　タイプ別に演算式を持つことにより、演算により求められた黒鉛球状化率と検鏡によりもとめられたものとの相関係数は、タイプに分けないｒ＝0.604からｒ＝0.777となっています。　さらに処理前の元湯をCEメータで CE値　%C，　%Siを測定し、回帰式の変数に加えることによりｒ＝0.985を得ています。　図9は、得られた回帰式を自社も含め5社の量産ラインで確認したものです。　自社工場については±5%の精度が得られています。

　図9.　熱分析法と検鏡法での黒鉛球状化率の比較
（量産ラインでの確認結果）

図9により、確認された各社間での不一致は溶解材料・配合比・処理剤・処理方法の相異により黒鉛晶出の形態が変動することを示しています。

3. 熱分析による黒鉛形状判定の問題点

3-1. 熱分析用カップの性能

次項で熱分析における初晶反応の影響に付いて述べるが、熱分析による黒鉛形状判定する上で初晶反応による発熱量とその時期は重要です。　従来の解析でこの因子を組み入れ判定している方法はなく、ほとんどは初晶温度そのものを重回帰式の変数としています。　球状黒鉛鋳鉄及びＣＶ黒鉛鋳鉄では高CE値の溶湯を処理するため、初晶温度は共晶温度と近接、もしくは一致しています。　2-1.で述べたように熱電対及びその保護管の形状と大きさ・材質は熱電対測定値の時間遅れ誤差に影響し、初晶温度の検出が不可能である場合もあります。　熱電対そのものの誤差を管理することも重要であるが、それ以上に保護管やカップの材質及び形状等を吟味することが重要です。

製品鋳型に鋳込まれる溶湯には流れがあり鋳型表面はある程度予熱されてから凝固が始まります。　これに対して、シェルカップに溶湯を注ぐとき予熱がなく表面にチル晶が晶出し、このチル晶層が残湯の凝固核として働くので、製品鋳型内で起こる凝固形態と同じであるとは限りません。　この場合シェルカップの容量が小さいとカップ内側表面に出来たチル層の影響は大きくなります。　チル層の影響を最小限にするためにカップ容量を大きくすると冷却速度は遅くなり測定結果を得るためには時間がかかることになります。

精度の良い熱分析を行うためには冷却速度を一定に保たなければなりませんが、冷却速度は溶湯をカップに注ぎ込む温度と室温であるカップの温度差、注ぎ込む速度などに依存する。

以上シェルカップに要求される主な性能は、

遅れ誤差の少ない構成であること

カップ表面にチル晶層が出来づらい工夫がなされていること

カップへの注湯温度の差を小さく出来ること

です。

3-2. 初晶反応

マグネシウムが含まれる鋳鉄の初晶反応は、図2に示されるようにCE値4.26～4.60の範囲で不安定です。　一方、dT/dtの値は共晶反応の進行速度をあらわし、共晶黒鉛の晶出形態によって左右されます。　また、この値は黒鉛球状化率の推定のために用いられる変数の中でも計算結果の推定黒鉛球状化率に最も大きく寄与するものです。　CE値が4.50～4.60付近の初晶反応では初晶オーステナイトの凝固潜熱はdT/dtの値に影響を及ぼします。　この事は図8に示した様な微分曲線を描けば明らかとなります。　即ち、dT/dtの値を評価するためには初晶反応の発熱量を吟味しなければならない。　既述の栗熊らの研究は冷却曲線を4種類に分類し、元湯の熱分析により得られたCE値、%C及び％Siを変数に加えているが、これは間接的に上述の初晶反応の影響を考慮していることとなります。　より直接的にはDHT(Differential Heat Evolved Technique)または、DTA曲線からの解析を行うべきです。　また、マグネシウムの濃度が高く、接種が十分な場合、初晶オーステナイトではなくグラファイト初晶反応と共晶反応が同時に起こり、初晶温度の検出が出来ない場合がありますが、この場合と高CE値による初晶温度停滞点の消失を区別して考えなければなりません。

現在市販されている大部分の黒鉛球状化判定装置は、カップの特性上初晶温度を捕らえられないか、または初晶温度の影響をその形態別に考慮するソフト機能がないため正確に黒鉛形状を予測できないと思われます。

3-3. 共晶反応　

ここまでは、黒鉛形状のみについて述べてきましたが、実際は黒鉛粒数により黒鉛形状も左右される。　間接的には、接種が過剰になり黒鉛粒数が多くなると、黒鉛の球状化が進みます。　従来の黒鉛形状判定のために使用されてきたTEUは接種のレベルをある程度あらわしますが、以下述べるように過冷の基準として真の共晶温度が必要であるにもかかわらず、この温度の測定は非常に困難です。　またシリコンの変動による共晶温度の振れも測定される共晶温度に含まれることになります。　過冷最低温度(TEU)は共晶温度からの過冷によるものであり、通常のFe-C-Si　3元系状態図に見られると同様にシリコン濃度に左右されますが、　シリコン濃度だけではなく接種の程度によっても影響を受けます。　接種の機構には諸説がありますが、溶湯中の成分として液相中に含有するシリコンと初晶および共晶反応の核として役割を果たすシリコンとを区別しなければなりません。　糸藤ら ^[11] は球状黒鉛鋳鉄の球状黒鉛の周囲にマグネシウムハローを観察し、球状黒鉛の生成論として気泡説を主張しています。　処理後の溶湯にマグネシウム気泡が存在するなら、黒鉛は初期の段階に自由界面としての気泡内に晶出します。　接種処理され溶湯にシリコンの偏析がみられますと、この晶出は高シリコン濃度領域内に存在するマグネシウム気泡内に優先的に生成・成長します。　こうして晶出した黒鉛の近傍の溶湯は温度低下に伴い炭素濃度を下げ初晶オーステナイトとして凝固します。　このオーステナイトの殻が完全に黒鉛を取り囲まないCV黒鉛鋳鉄の領域では初晶オーステナイトにより作られた溶湯のチャンネルの中を黒鉛は成長していきます。　未凝固の溶湯がもつ黒鉛凝固核の提供能力、すなわち接種レベルがその後の共晶黒鉛の生成・成長に影響します。　接種レベルが高いと TEUも高く、低いと低くなります、これは溶湯の真の共晶温度に比べてでのことであり必ずしも絶対値を差すものではありません。　ここで真の共晶温度とは過冷が起こらぬように徐冷で凝固させた場合の温度であり、実際に徐冷するとマグネシウム及び接種のフェーディングが起こり測定は困難です。　　また、凝固初期の球状黒鉛もマグネシウム濃度が高く溶湯に導入される気泡濃度が高ければ、黒鉛球状化剤・接種剤に含有するSiO₂の量とその溶湯中への分散程度が黒鉛の分布に影響します。

4. 特殊な熱分析

鋳造工場での熱分析は主としてカップに塗型状または粒状のテルルを添加して白銑共晶凝固をさせCE値、 %C、%Siを推定するために用いられてきました。　同じように、カップ内に特殊元素を入れ従来の熱分析では得られない情報を引き出す試みがあります。　ヨーロッパでは、ねずみ鋳鉄のチル化傾向や溶存酸素量の推定を、接種剤入りカップと通常のカップの２個からAIを用いて判定する装置なども販売されています ^[12] 。　ここでは、添加元素入りカップを使用して黒鉛形状の判定を行う方法を紹介します。

4-1. BCIRA（ビシラ）による方法 ^[13]

一定量（例えば、０．０３５％）のマグネシウムを中和するため予めテルル入りカップに一定量の硫黄またはセレンを収容し、マグネシウム処理後の溶湯をサンプリングしカップ内で凝固させます。　得られた冷却曲線は図10に示されるパターンに分類されますが、ｂ及びｃはマグネシウムの量が充分ではなく採取した溶湯中のマグネシウムの大部分は硫黄により中和され残りの溶湯はテルルにより一部または全部が炭化物系共晶として凝固します。　この場合、冷却が早く、一定の温度間（1170℃～1135℃）を30秒以内に通過すればマグネシウム不足で不合格の判定が下されます。　不合格の場合は試料採取より約1分以内で判定が可能となります。　日本国内で試験販売が行われましたが、合否判定のみの出力なのでなじまず、鋳造工場に受け入れられませんでした。

図10.　BCIRAによる方法

4-2. ビスマス入りカップ

Pingら ^[14] によって、NiMg合金で黒鉛球状化処理をおこなった溶湯で、ビスマスを一定量装入したカップ用い冷却曲線を得、これからΔＴ（=TER－TEU)を計算し球状黒鉛鋳鉄の合否を判定する特許が公開されています。

　　図11.NiMg合金添加量とΔＴとの関係

図 11.はビスマスを0.01%カップに装入したときのNiMg添加量とΔＴとの関係を示しています。　ΔＴが９℃以上のとき溶湯は全て完全な球状黒鉛鋳鉄となったのでこれを判定基準としています。　特許の明細書には、ビスマスのほかSb, PB, Tiのカップへの装入や希土類を含有する球状化処理剤を用いた場合に付いても述べていますが、明確な基準を持つのは上述の組み合わせのときのみです。　

4-3. テルル入りカップ

日本サブランスプローブエンジニアリング ^[15] は試料の0.3～0.5％のテルルを装入したカップを用い、CV黒鉛化または黒鉛球状化処理剤の有無を判定し同時にテルルが装入されていないカップで球状化率を判定する方法を出願し、特許としています。　これまで述べてきたように黒鉛球状(CV)化処理前の溶湯と完全に球状化された溶湯から得られる熱分析曲線の特徴、特にdT/dtの値はこれらの溶湯間では識別が困難なので、テルルを装入したカップでマグネシウムの有無を判定し、テルルの無いカップにより球状化率を判定するものです。　テルル入りのカップでの判別は4-1.で紹介したBCIRAの方法と同じ原理を用いています。　この方法は処理剤の添加忘れや未反応等には有効であるが黒鉛球状化率判定そのものの判定は従来の方法と変わりません。

5. シンターキャストによる方法

5 -1. 測定用プローブ

図12.はシンターキャストの方法 ^[16] による熱分析用プローブです。　このプローブには熱電対が組み込まれておらず、中央部にあるプロテクトチューブに２対の多数回測定用熱電対を装着して測定を行います。　冷却曲線の測定個所は、底部壁側と中央の2箇所です。

図12.測定用プローブ

溶湯注入口は、サンプル室の全周から迅速かつ均一に溶湯が容器内に一定量満たされるようになっていて、測定者はCV処理後の溶湯をやや大きめのスプーンで採取し、プローブを底部から浸漬します。　これにより試料採取容器は溶湯が侵入する前に予熱され内壁面にチル晶層の発生を最小限に押さえることが出来、その後内部に向かう凝固の進行がより実際の鋳物に近い状態を作り出しています。　この事は、一方で溶湯温度のバラツキを緩和する効果もあります。　壁面の加熱は侵入する溶湯自体で溶湯の侵入前におこなわれますので溶湯温度と壁面温度の差はプローブの溶湯への浸漬時間も多少影響がありますが、ほぼ一定になります。　試料採取容器に溶湯が侵入後、測定者はスプーンをプローブから外すことで試料採取容器中の溶湯の自然冷却が開始されます。　一般に市販されているシェルカップでは、冷却開始より初晶オーステナイトの核生成までの間の冷却速度は溶湯温度に左右され、この変化が初晶温度に変動を与えますが、このプローブでは前述のように溶湯のサンプル壁面からの急冷を防ぐことで、この変動を最小限にしています。　また、プロテクトチューブを介して試料採取室に組み込まれた熱電対はシース型を用い小型化することにより時間遅れ誤差を最小にし、　一般のシェルカップより敏感に溶湯の変化を捉えることが出来、多数回(標準で 150回、溶断まで平均約400回）使用可能なので、熱電対素線の持つロット間誤差が無くなります。　一般のシェルカップではカップごとに素線が異なるためカップ間でも数度の測定誤差を常に持つことが普通です。

図 13. 溶湯の対流

試料採取室に入った溶湯は図13で示すように対流が発生し、底部での溶湯が中央部の溶湯に比べ、流動しないために壁面との反応性がより大きくなります。　壁面にはマグネシウムと反応し易い元素を含む特殊な塗型を使用しており、マグネシウム濃度が壁面では中央部に比べ0.002%～0.003%低い溶湯となります。　この減少量は鋳造プロセスでのマグネシウムのフェーディングの量に相当し、鋳込み終了時の溶湯の状態を推定することに用いられています。

5 -2. 溶湯の評価方法

図 14にプローブ内での凝固組織を示します。　前節で述べたように、マグネシウム濃度に差があるためプローブの底部壁面ではD型グラファイトが、中央部では芋虫状の黒鉛が見られます。　図15は、マグネシウム処理後のCV黒鉛鋳鉄の溶湯を測定した場合の冷却曲線(赤色の線は中央部熱電対、青色の線は底部壁面熱電対)で、上図はD型グラファイトがごく少量の場合で、下図は図14の場合のようにD型グラファイトの領域が大きい場合の冷却曲線です。　D型グラファイトの量は溶湯中に含まれるフリーマグネシウムの量に比例するものと考えられ、この量と底部壁面での冷却曲線から計算されるD型グラファイトの凝固潜熱は強い相関を持ちます。　下図中の青線に初晶停滞点のように現れているのがD型グラファイトの凝固潜熱による冷却速度の緩和の現れです。

また、2本の熱電対を用い冷却速度の異なる熱分析曲線を得ることにより、これまでの熱分析では知り得なかった接種（黒鉛核）のレベルの測定が可能となりました。　　

図14.　プローブ内での凝固組織

図15 冷却曲線(赤色：中央部熱電対、青色：底部壁面熱電対)

　シンターキャストでは黒鉛の凝固形態を表すために従来の黒鉛球状化率のみでは少なくとも溶融状態の特性を表すのには不十分と考え、接種及び黒鉛形状に関するインデックスを考案しています。　これらのインデックスは２本の冷却曲線から得られたdT/dt、TEU、ΔＴ（=TER－TEU)および DTA(Differential Thermal Analysis)曲線により得られたD型グラファイトの量などから計算されます。　

6. ノバ・キャストの方法

直接黒鉛の形状を推定するのではないのですが、ノバ・キャスト社(スウェーデン）は試料の0.3％の接種剤（FeSi系）を装入したカップを用い、無添加のカップとの冷却曲線の違いから元湯の酸素レベルを推定し、CV黒鉛化または黒鉛球状化に必要な処理剤の添加量を推定するシステムを販売しています。　この方法は、ドイツのフリッツ・ウインタ社でCV黒鉛鋳鉄のインモールド法によるエンジン・ブロックの量産技術を確立するため利用されています。　この方法の基礎理論を開発したフリッツ・ウインタ社のランピック博士によると、「CV黒鉛の核生成と元湯の酸素の状態、即ち、フリー酸素とトータル酸素の関係には重要な関係がある。」と述べています。　更に、同博士は、熱分析で初晶温度に至る以前にカップ壁面にはデンドライトの生成が見られ、,粗大化しているか否かによってフリー酸素の量を推定できるとしています。　この基礎理論を元に、ノバ・キャストではCV黒鉛鋳鉄の量産方法を２ないし３ヶ月程度の試作試験と同社の凝固シュミレーションによる溶湯流れの把握及び同社の熱分析装置ATAS(エイタス)を利用して確立しています。

6-1. 溶湯管理としてのATASの利用

ATASは黒鉛の形状ばかりではなく、溶湯そのもの性質をチェックするために利用されています。マクロ及びミクロシュリンケージ、チル、逆チルなど溶湯の特性をチェックします。鋳込み前の溶湯をテルルの入っていないカップを用いて、図16のように得られた冷却曲線から

図16 ATASの測定画面

各種パラメータを算出し、これをデータベースに保存し、ルール型エキスパートシステムでオペレータに溶湯の特質、チルや引けの危険性を警告し、最適な接種量を提示します。これらの測定パラメータの決定は主に冷却曲線から得えられた微分曲線から計算されます。

　　　　　　　　図17 ATASでの微分曲線とパラメータ

ノバキャストジャパン

鋳鉄鋳物のための状態図と熱分析
熱分析による鋳鉄成分の推定
CV黒鉛鋳鉄（CGI）の製造について

上記のページも参照下さい。

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参考文献

[1] 杉浦卓：鋳物　第52巻　第2号　P113

[2] 栗熊勉，牧村征雄，土井基邦，中山士郎：　鋳物　第58巻　第12号　P816

[3] 川村昭利：「熱電対温度計による温度測定技術」，アイ・エヌ・ジー，1991

[4] M. D. Chaudhari, R. W. Heine, C. R. Loper,Jr:　AFS Transactions, 74-96, P431

[5] ダブリュー・イー・カーナー(株)：　「TECTIP-K溶湯管理の手引き」

[6] L. Backerud, K. Nilsson, H. Steen：“Study of Nucleation and Growth of Graphite in Magnesium Treated Cast Irons by means of　Thermal Analysis”,　Swedish Institute of Metal Research, 1974.6

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[9] D.M.Stefanescu, C. R. Loper,Jr,　R. C. Voigt, I.G.Chen:　AFS Transactions,　82-71,　P333

[10] I.G.Chen, D.M.Stefanescu：　AFS Transactions,　84-30,　P947

[11] 糸藤春喜、山田肇：鋳物　第67巻　第11号　P767

[12] Nova Cast AB：ATASⅡ取扱説明書，1994

[13] 公開特許広報　平１-287247

[14] 米国特許：パテントナンバー5305815　1994.4.26

[15] 特許番号第2510947号　登録日：平成8年4月16日

[16] 特許番号第1835184号　登録日：平成6年4月11日

歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、複合式再研磨機、PCD地板專用企口鑽石組合刀具、PCD V-Cut刀、捨棄式圓鋸片組、主機版專用頂級電桿’汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具、銑刀與切斷複合再研磨機、銑刀與鑽頭複合再研磨機、銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Compound Sharpener’Milling cutter、INDUCTORS FOR PCD’CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、Staple Cutter’PCD diamond cutter specialized in grooving floors’V-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert’ PCD Diamond Tool’ Saw Blade with Indexable Insert’NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills’end mill grinder’drill grinder’sharpener、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

ようこそＢｅｗｉｓｅ　Ｉｎｃ.の世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな

情報を受け取って頂き、もっと各産業に競争力プラス展開。

弊社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、

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Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

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個人分類：學術研究

Jan 16 Fri 2009 14:59
熱分析による鋳鉄成分の推定www.tool-tool.com

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鋳鉄は多成分合金ですが、含有炭素量が鋳鉄の性質を見極める上で最も重要なことです。　炭素以外の元素を炭素に換算し、Fe-C二元系合金として鋳鉄を評価することが簡便で実用的な方法でとして普及していますが、このとき使用される指標が炭素当量（CE値）です。　炉前での溶湯管理はこのCE値を主に管理し、これを測定するための機器がCEメータと呼ばれるものです。　CEメータは熱電対を組込んだ小型カップに溶湯を注ぎ込みその冷却曲線からCE値を測定します。　更に、シェルカップにテルルを塗布することでレデブライト凝固させて白銑共晶温度を測定することで炭素含有量および珪素含有量も推定します。　日本ではおよそ40年前にリーズ＆ノースラップ社のCEメータが販売され、その後パーソナルコンピュータを利用した熱分析機器が普及しています。　ここでは、これまで提唱されているCE値や％C、％Siの回帰式を紹介します。

１．炭素当量（CE値）の推定

1-1. 亜共晶ねずみ鋳鉄の元湯

以下の回帰式が提唱されている。

Chaudhari：

ここで、はオーステナイト液相面温度(初晶温度)。

Moore:

R.W.Heine :

リーズ & ノースラップ社^[1]は可鍛鋳鉄と低燐亜共晶ねずみ鋳鉄に関して初晶温度と炭素当量の関係を表にまとめている。　この表から、初晶温度の範囲に従って求めた回帰式を下表に示す。ここで、a、bは　CE値=a+b*（初晶温度）の係数を示す。

初晶温度の範囲 a b

1268℃以上 15.344 -0.0096

1232℃以上1268℃未満 17.041 -0.0109

1154℃以上1232℃未満 14.690 -0.0090

1143℃以上1154℃未満 9.495 -0.0045

1143℃未満 16.924 -0.0110

1-2. CV及びFCDの過共晶元湯

ダクタイル鋳鉄やCV黒鉛鋳鉄の元湯はCE=4.3～4.6の過共晶となっている場合があり、この範囲では初晶反応が共晶反応とほぼ同時に起こるため図１の青線のように初晶温度の測定は通常の場合、不可能となります。　

図１．熱分析曲線の代表的な例

ただし、CV黒鉛鋳鉄のように0.010%～0.030%のマグネシウムが含有量している場合、過冷が起こり図1の赤線のような冷却曲線となります。　このときの初晶温度は共晶反応で発生する凝固潜熱の影響を受けずに安定したものとなり、CE値と良い相関を持ちます。　もう一つの方法としては、図 1の黒線のようにカップにテルルを塗布したものを用いる方法ですが、高炭素・高珪素の溶湯のためカップ内の溶湯を白銑化するのは、テルルの塗布量が多くても困難です。　仮に初晶温度が首尾よく表示されても、大量のテルルを使用することで初晶温度が低下します。　しかもテルルの歩留まりは安定しづらいので初晶温度そのものに大きな誤差を含むことになります。　結局、これらの溶湯のCE値を測定するにはカップ内にミッシュメタルまたはMgNi合金のように反応の穏やかな球状化剤でカップ(あるいはスプーン)内の溶湯をCV黒鉛鋳鉄の溶湯にすることで可能となります。　このときのCE値を算出する推定式は前節の表のような１次関数となります。

2.　炭素含有量の推定

Mooreは亜共晶ねずみ鋳鉄に関して、白銑凝固させた熱分析曲線（テルル塗布カップ)から得られた結果と化学分析値の間の重回帰分析を行うことで、次の2式を得、これらを用いて式（３）を得ました。

r=0.995　　　　　・・・・・(1)

r=0.989　　　　　・・・・・(2)

　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・(3)

ここで、、は初晶温度及び白銑共晶温度です。

上式は％Ｃ：3.05％～3.76％、％Ｓｉ：0.61％～2.88％、％Ｐ：0.01％～1.92％の範囲の溶湯で実験はおこなわれ、式(3)は９５％信頼性限界で±0.09％Ｃの誤差を含みます。　他の研究者による回帰式も発表されていますが、実用的には式(3)を用いて発光分析等の分析結果と回帰分析をすることで検量線を用いれば充分に実用になります。

３．珪素含有量の推定

Mooreは炭素含有量の推定と共に珪素含有量についても式(4)を得ています。

　　　　・・・・・・・・(4)

上式は％Pに依存し、含まれる誤差は±0.3％ですが、％Pが0.05％以下である場合には±0.14％まで低減出来ます。　この場合も実用的には式(4)を用いて溶湯種別ごとに検量線を引くことで多少誤差を低減して使用できます。

4. 成分分析と誤差

CE値については、リーズ & ノースラップ社の表を、％Cには式(3)を、％Siには式(4)を適用した場合、の１℃の誤差はそれぞれ、およそ0.009％、0.009％、0.076％と見積もることが出来ます。　従って、カップ内に組み込まれた熱電対の素線管理は大変重要な要因となります。　また、式(4)から明らかのように％Siでは共晶温度への感度が大きく共晶温度の決定には注意を払う必要があります。　アナログの記録計であっても、デジタルのPC利用の計器であっても、温度判定の一定の基準を設けて常に一定になるようにすべきです。　デジタル計器の場合は離散値として読み取られた温度データを平滑化処理し微分値を求め更には2階微分値で決定されます。　図２は冷却曲線の初晶温度の代表的な形状を示します。　この図のように同じ規格の溶湯でほぼ同等の成分あっても、配合比や配合材料のロット、保持時間によって検出される初晶温度停滞点付近での形状は変わります。　同じことが共晶温度についても言えます。

図２　初晶温度の色々なパターン

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