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Fig１流し吹き法	Fig２枠込め法	Fig３土間込め法

Fig４丸型	Fig５割型	Fig６払込み型 払込みの部分	Fig７分割型
Fig８部分型	Fig９骨型	Fig10引き型	Fig11掻き型
Fig12掠り型	Fig13組合せ型	Fig14彫り中子	Fig15箱中子
Fig16込めつけ中子	Fig17寄せ中子	Fig18部分型(中子用）	Fig19骨張り(中子用)
Fig20肉張り	Fig21掻き型(中子用)	Fig22引き型(中子用)	Fig23引き中子
Fig24張り型(中子用)	Fig25組合せ型(中子用)

［註］

1. 生型は鋳物砂中に水分（１０～５％）程度含んだ鋳物砂にて鋳型を作り、これに注湯する鋳型で、生型は一般に簡便で、小物の鋳物を多く造るに適する。


2. 半乾燥型、一名焙型とも称し、生型に造型し鋳型の表面をバーナー等であぶり鋳型の水分を少なくした状態で注湯する。比較的肉厚物や乾燥炉で乾燥する程の必要なく且つ生型では不良のできる目算の多いと思われるものに用いる。


3. 乾燥型は水分の含んだ鋳物砂で鋳型を造り、乾燥炉内で鋳型をよく乾燥して水分を除去した鋳型の状態で注湯する型で、複雑な形状、中子の多い鋳物、大型の鋳物を作るに使用される。


4. 惣型(ローム型)は主としてひき型等に用いられ、真土と称する鋳物砂中に粘土水（はじろ）を混入した泥状の真土で整型し、鋳型を乾燥し且つ鋳型の内面すなわち鋳肌に接する鋳型面を赤熱し、鋳型の冷却後型合わせを行い、注湯する。


5. 焼き型は複雑なる鋳型を造るときに主として用いられ、銅像等を作るに用いられる鋳型である。真土、紙土等を用いて複雑でかつ精密な鋳肌の鋳物を作るに適する。鋳型は赤熱に丸焼きされ鋳型が未だ相当高温の状態で注湯する。


6. 流
   し吹き法は一名開放型ともいい、鋳物場の土間の砂を水平にかきならし、それに直接木型を埋め込むが、型を押し当てて取り出し、鋳型として注湯する。上型が
   なく、開け放しであるので鋳型造りは簡単であるが、ロストル、芯金、金枠等の粗雑なものを造る外は利用されない。


7. 枠込め法は一般に用いられる方法で、鋳型は枠（金枠、木枠）によって砂をくずさず、鋳型の持ち運びができるし、注湯の際の圧力に対して丈夫であり、上枠、下枠の締付金具を用いれば、重錘を置く必要をなくすことができる。


8. 床込め法は土間込め法ともいい、下型の込付の比較的容易なもので、かつ中物程度の鋳物を作るに用いる。下枠を用いず鋳物場の土間を利用して下型を造りその上に枠込めの上型をのせる。

Fig26鋳型各部の名称 １上型 ２下型 ３上枠 ４下枠 ５中子 ６肌砂 ７込砂 ８湯口 ９湯道 10見切線 11締付金具 12製品 13ガス抜穴 14中子ガス抜穴 15はばき(巾木) 16掛せき 17押湯 18上り(揚り) 19せき 20手持ち(天狗)

Fig27鋳込品各部の名称 Ａ受口 Ｂ湯口 Ｃ湯口底 Ｄ湯道 Ｅせき Ｆ湯道先 Ｇ揚り Ｈガス抜 Ｉ押湯

鋳型の構造は製品の形状、大きさによって違うが、枠込め法による場合の鋳型各部の名称はFig26のとおりであり、鋳造された各部の名称はFig27のとおりである。
掛セキは湯溜りともいい、取鍋から出た溶湯が一たんここに溜まってから湯口の方へ流れ込むところである。一般に砂型でつくられる。
湯口は注入させた溶湯が垂直又は傾斜して流れる部分をいい、一般に溶湯が流れ易いように円形の断面をとることが多い。
湯道は湯口から入ってくる溶湯の速さを低下させて製品に入るため適当な流れに変える部分で一般に水平になっている。断面は普通半円形が多いが、大物ではやはり耐火煉瓦を用いる。この場合は円形の断面となる。
セキは溶湯が製品に入る直前に当る部分をいう。断面は円形、半円形、四角形、三角形等色々である。
押湯は製品となる金属の収縮した部分の補給に役立つ。
揚りは収縮の少ない鋳鉄等に用いられ注湯の終わったとき型の中の溶湯に圧力を加えるために役立つ。
ガス抜き穴は型の中に溶湯がおしこまれると、その溶湯が発生するガスや型から発生するガスを追い込むので、このガスを外部に出してやるために役立つ。

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)

 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

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。

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。

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。

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]

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。

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。

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。

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

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。

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。

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、

1. 遅れ誤差の少ない構成であること


2. 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


3. カップへの注湯温度の差を小さく出来ること

です。

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。

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。

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。

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

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。　

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。

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。

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。　

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。

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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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。

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。

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。

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。

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