JP2708846B2 - マグネシウム処理済鋳鉄のマグネシウム含有量をテストする方法及びそのテスト装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はマグネシウム処理済鋳鉄のマグネシウム含有
量をテストする方法及びこのテスト方法を実施する装置
に関する。

従来の技術 ダクタイル、ノジュラー又はSG鋳鉄として知られてい
る、最も重要な高強度タイプの鋳鉄の一つは約0.04％又
はそれ以上の残留マグネシウム含有量とするために鋳鉄
溶湯にマグネシウムを添加して製造される。この量のマ
グネシウムが残留すると、鋳鉄はノジュラー又は球状黒
鉛を有して凝固し、大いに増大した強度とかなり高い伸
び率を有する鋳鉄を生じ、そのために現在一般にダクタ
イル鋳鉄として知られている。マグネシウム（以下、Mg
と記載する）は、純マグネシウム又はFe-Si又はNi基合
金で約16％から約３％の範囲内のMg含有量を含有する広
範囲の処理材を用いて、取鍋又は特別の目的の処理容器
内の鋳鉄溶湯に鋳造工場において添加される。鋳鉄中に
残留するMgの量は添加したMgの溶解した割合による。添
加されたMgの若干は大気中の酸素との結合によって失わ
れかつ一方処理すべき鋳鉄中の硫黄と結合して失われ
る。硫化マグネシウム及び酸化マグネシウムの両者が処
理中に形成されかつ溶湯の表面上に通常浮上するスラグ
として除去される。

処理前の鋳鉄の組成によりかつ種々の処理法が鋳造技
術者によく知られており、ノジュラー又は球状黒鉛を得
る時の最低Mg含有量は0.04％以下、ある場合には0.03％
程にも低くしうる。しかしながら、実用的には現状の応
用に引用するテストが臨界的Mgを含有量の種々の要求に
合致することを調節し得るとしても、0.04％の最低残留
Mg含有量を達成することを普及目的としている。ある場
合には、Mg添加の経済的目的かつまた高いMg含有量がド
ロス欠陥を包含する種々の欠点を助長しうる双方から、
残留するMg含有量の上方レベルを限定することも重要で
ある。従ってノジュラー鋳鉄の製造においては、正確な
組成又は組織でない鋳鉄を形成する注湯金属を避けるた
めに、処理後得られるMg含有量について正確なコントロ
ールを実行し得ることが極めて重要である。不充分なMg
を添加しかつこれがすばやく十分に確め得る場合、鋳鉄
を鋳型中に鋳込む前にしばしば更に添加する機会があ
る。

現状におけるMg含有量を判断する方法は、黒鉛組織を
適正とすることを立証するために金属組織学的に検査し
うる極めて小さいサンプルを鋳造するか凝固するサンプ
ルを鋳造し、ついで実験室に移すことからなる迅速な化
学分析又は分光分析を行なうかの二通りである。これら
の方法の両者とも時間がかかり、かつ金属の組成が不正
確なものであっても一般に如何なる修正処理もし得な
い。

工場でコントロールされるノジュラー鋳鉄組成の他の
重要な点は、鋳鉄の炭素、けい素の含有量及び炭素当量
である。これらのものは熱電対を容れた小型の消耗性砂
型カップ中に注入されたMg処理前の金属溶湯の少量のサ
ンプルの熱分析により決定することができる。ノジュラ
ー鋳鉄を製造するのに好適である未処理鋳鉄溶湯はこの
ようなカップ内で通常黒鉛系組織として凝固し、かつ添
付図面の第１図に図示される形状の冷却曲線となる。こ
の曲線の第１の不連続性は最初にオーステナイトの樹枝
状晶を鋳型内に形成する液相温度である。第二の大きな
不連続性は共晶温度範囲において生じ、そこで黒鉛形成
からなる凝固のバルク（bulk）が生ずる。液相の温度は
炭素当量（液相）に直接関連し、それはよく確立された
炭素及びけい素含有量の組み合せた測定値である。黒鉛
系共晶熱停止の温度は通常測定されない。熱分析サンプ
ルカップに遊離テルルからなる物質を充分に容れてある
と、Mg処理前の鋳鉄サンプルの共晶凝固が黒鉛系から炭
化物系に変化することはよく知られているところであ
る。このことが起ると冷却曲線は異なる形を呈し、第２
の不連続性が第２図に示す如く低温度で生ずる。このこ
とが起ると、共晶熱停止温度を測定し得かつ液相熱停止
の温度と共に鋳鉄中の炭素及びけい素含有量の計算に用
いうる。

本発明の目的は、炭素当量含有量の測定を得る公知の
目的のためでないが、鋳鉄がMgで処理された時に鋳鉄の
Mg含有量をテストする目的のために、熱分析技術を用い
ることを可能とする全く新規な方法に熱分析の原理を拡
大することである。

炭素及びけい素含有量測定の目的のために炭化物系共
晶凝固を達成するのに熱分析サンプルにテルルを用いる
ことはMg含有鋳鉄に適用できないことがある場合に知ら
れており、何故ならばMgの存在下では、テルルが鋳鉄の
黒鉛系共晶組織での凝固を阻止できないからである。米
国特許第4,166,738号明細書は、充分な硫黄又はセレン
もいくらか存在するかもしれないMgを完全に中和する
（neutralise）ために熱分析サンプルにも添加できるな
ら、テルルは炭化物系共晶凝固の達成において有効とな
り、何故なら、一度Mgが中和されると鋳鉄はMgで処理さ
れなかったように挙動することを述べている。

本発明者らは、熱分析カップにおけるテルル及び硫黄
又はセレンの公知の効果の長所をとりかつ凝固の際に測
定することにより、ノジュラー鋳鉄製造の目的のため
に、いかに充分なMgを残すかを決定する新規なテストを
提供できることを知見した。

本発明では、Mg処理済鋳鉄のMg含有量をテストする方
法を提供するものであり、本発明方法では、マグネシウ
ム処理済鋳鉄の溶湯サンプルを、テルル及び硫黄又はセ
レンの何れかの添加剤を容れた容器中に装入し、冷却及
び凝固させ、テルル及び硫黄又はセレンの量が測定した
量に調整したものであり、硫黄又はセレンの場合の量
が、その添加がMgの予じめ決めた始めの（threshold）
パーセンテージを完全に中和するに丁度充分であり、か
つ冷却挙動が黒鉛系又は炭化物系共晶熱停止の何れかと
なることを観察するものである。

共晶熱停止に凝固した鋳鉄が炭化物系である場合、全
Mgが硫黄又はセレンにより中和されて、始めのパーセン
テージ以下の筈である。組織が黒鉛系である場合、若干
のMgが存在している筈であり、従って（中和前）始めの
値以上である。何れにしても有害でかつ不快な物質であ
るセレンよりもより有効であると思われるので、硫黄の
方が好ましい。

Mgの基準パーセンテージは鋳鉄中のMgの種々の量を中
和するのに必要とされる硫黄の量の測定から評価される
関係から決定されうる。

この予じめ決めた基準パーセンテージは鋳鉄の所望の
最低Mg含有量に相当するのが好ましい。従って、鋳鉄溶
湯サンプルが所望の最低Mg含有量より少なく含有する場
合、すべてのMgは測定量の硫黄によって中和され、充分
なテルルが炭化物系共晶凝固を助長するために残るが、
前記サンプルが所望のMg含有量より多く含有する場合、
すべての硫黄及びテルルはマグネシウムと結合し、黒鉛
系共晶凝固を生じ、充分なMgが鋳鉄に添加されたことを
示す。

別法として、基準レベルは鋳鉄への所望最高Mg含有量
に相当し得、その場合の黒鉛系共晶凝固は相当多量のMg
を鋳鉄に添加されたことを示す。

組織が炭化物系か黒鉛系の何れであるかを検出する最
良の方法は共晶温度によりサンプルの冷却挙動を観察す
ることである。

測定量のテルルと測定量の硫黄を容れる好ましい容器
は熱分析カップであり、そこでの時間測定は黒鉛系共晶
又は炭化物系共晶凝固をうけるサンプルの何れかを決め
る溶湯サンプルの冷却時には行われうる。

一方の予じめ決めた温度レベルから他方の予じめ決め
た温度レベルに冷却するために、該サンプルが費す時間
を測定することが特に好都合である。この場合、温度レ
ベルの好ましい選択によって、比較的長い冷却時間を黒
鉛系共晶凝固が示し、かつ比較的短い冷却時間を炭化物
系共晶凝固又は“まだら”な組織を生成する炭化物系及
び黒鉛系共晶凝固の混合物の何れかで示す。

この時間測定は、基準レベルが所望最低Mg含有量に相
当する時に特に有利である。何故ならば比較的短い冷却
時間はサンプルが不充分なMgを含有することを示すのみ
ならず、サンプルが採取された鋳鉄溶湯により以上のMg
をも添加することを可能とするからである。

本発明によるテスト方法を添付図面に基いて説明す
る。

熱分析カップ１（第５図）は、非Mg含有鋳鉄を炭化物
系組織として凝固させるに充分なテルルを含有するテル
ル含有被覆で初めに被覆してある。このためには熱分析
サンプルに鋳込む鋳鉄の約0.1〜0.4重量％を構成するに
充分なテルルを含有する被覆が通常必要である。

元素状硫黄の添加は、ついで、所望のノジュラー黒鉛
組織を生成するには相当低いものであり、Mg量を中和す
るに充分であると認められる硫黄の公知の量を含有する
被覆として、又は個々の粒子としての何れかで、熱分析
カップに施される。この量は計算できないが、カップに
含まれる硫黄含有量に対する鋳鉄のMg含有量に関連して
の測定から決定され、鋳鉄の重量％として表示される。

第３図に本発明者等が測定した関係を説明している。

従って、Mgの所望最低残留含有量が0.04％である場
合、カップの硫黄含有量は鋳鉄の0.08重量％としなけれ
ばならず、所望の最低Mg含有量が0.035％である場合硫
黄含有量は鋳鉄の0.06重量％としなければならない。

元素状硫黄の添加について前述の如く本発明者等が言
及しているが、本発明の要旨内で、硫黄又はセレンは、
例えば溶解した時に元素状の硫黄又はセレンを生ずる、
硫化鉄又はセレン化鉄の如き化合物の形で添加すること
ができるものと理解すべきである。

このテストを実施するに当り、鋳鉄溶湯のサンプルは
1310℃より低くない温度で、上記ルールによって調製さ
れた熱分解カップ中に注入される。このことは如何なる
測定が行われる前に鎮静化となる冷却諸条件のために熱
分析カップ内の金属の充分な高温を確実とする。前記カ
ップ１内の熱電対温度検知装置２はコントロール装置Ｃ
に供給されるe.m.f.（起電力）を生ずる（第５図）。サ
ンプルの注入後カップ内の当初の温度は、即ち1200℃に
降下し、これは前記装置Ｃによって検出され、そこで例
えば表示“テスト無効（TEST VOID）”にあるランプを
点灯することによって無効テストを自動的に指示する。

コントロール装置Ｃは前記カップ１内のサンプルが冷
却曲線上の２個所の設定された温度間を冷却するのに要
する時間を測定しかつ記録するよう設計されている。こ
れらの温度は1170℃と1135℃であり、得られる冷却曲線
の３種のタイプ上に、第４図に説明してある。

第４図から、鋳鉄が黒鉛系共晶として凝固すると、第
４図（ａ）に示す如く、サンプル中のMgが充分であるの
で（従ってカップ内の硫黄によりすべて中和されな
い）、共晶熱停止が前記の温度間で行われるため、これ
ら２個所の温度間を冷却するに要する時間は比較的長い
ものである。しかしながら、Mgの量が充分でなくかつカ
ップ内の硫黄により完全に中和されると、炭化物系共晶
熱停止が前記２個所の温度の低い方より低い温度で起
り、従ってこれら温度間の比較的短い時間が記録され
る。

最初の温度が十分、即ち1200℃より高いものであると
仮定すると、温度が1170℃に降下した時にコントロール
装置Ｃが検出し、タイマーＴのスタートが始まる。つい
でこの温度が1135℃に降下するとタイマーが停止し、経
過時間を記録しかつ評価する。限界値、即ち１分間より
大であると、凝固に当り黒鉛系鋳鉄で生成された共晶熱
停止を示す。第４図（ａ）に示される種類の冷却曲線を
示し、表示“合格（ASS）”にあるランプL1が点滅す
る。経過時間が１分間より少ない場合、炭化物系共晶熱
停止が生起したことを示し、硫黄による中和後残留Mgが
残っていないことを示し、このことは鋳鉄中のMgが限界
値以下であることを示し、表示“不合格（FALL）”にあ
る第２のランプL2を点滅する。

合格又は不合格で示す方法が通常の形式をとりうるこ
とは明白である。また、コントロール装置Ｃも時間のイ
ンターバルと同様に最初の限界値及び上限及び下限応答
温度を手動で調節する手段として具備してもよく、これ
らのセット値は、例えば発光ダイオード（LED）表示で
示すのが好ましい。

ボーダーラインにあるケースでは、Mg含有量が不十分
である場合だけ、まだら（mottled）組織として知られ
ている、炭化物系及び黒鉛系共晶凝固の混合物が生ず
る。このことが起ると、冷却曲線は低い温度に到達する
まで熱停止がなく、その後かなりの再輝現象（recalesc
ence）が起る。このようなケースでは、第４図（ｂ）に
示す如く、２種の温度間の冷却時間は再び相対的に短か
くなり、Mg量は十分なノジュラー鋳鉄組織を達成するに
は不充分なものである。

前記２種の温度間の冷却時間は熱分析カップ内の鋳鉄
の重量によるものである。通常用いるサイズのカップは
約220gの重量のサンプルを生成する。黒鉛組織で凝固す
るこのようなサンプルは約２分間の時間に亘って前記２
種の温度間で冷却するが、一方サンプルが炭化物または
まだら組織では、この時間が約30秒だけである。代表的
なテストでは、従って、前記２種の温度間での冷却を約
１分間より少なくしたサンプルは不充分なMgを有するも
のと推断され、それらからの鋳鉄バッチは受け入れられ
ないか又は追加のマグネシウムで処理される。他の重量
のサンプルでは、僅かに異なる時間がこのテストを操作
するために選ばれ、これらの時間はサンプリングテスト
を実施することにより容易に決めることができる。この
テストに設定される温度は約1.2％Siより多く含有する
鋳鉄には好適である。しかしながら、ある目的のために
は、低Si含有量でも用いられ、Si含有量が低下すると炭
化物共晶凝固温度が上昇しかつ炭化物系共晶温度以上に
時間を調整するインターバルの低い温度が必要であるの
で、1135℃の低温度が数度上昇させられなければならな
い。

Si含有接種剤に引続いてMg処理で、鋳造前にMg含有鋳
鉄を通常最終的に接種している。ある時にはこの接種を
実質的な量のSiを含有するMg添加剤の使用により減少し
又はさけうるが、時にはSiを含まないMg合金を用いても
よい。本発明に記述するテストは接種した又は接種しな
いMg含有鋳鉄溶湯を用いて実施している。しかしなが
ら、Mg自体は黒鉛系共晶温度の低下には効果が少ないの
で、無意識のうちに高Mg含有量に達する可能性があり、
又は元来接種効果のないMg合金を添加した場合には、本
発明のテストは鋳鉄溶湯の最終接種後に実施すべきこと
をすすめる。

上限及び下限の２種のテストを行なう間に残留Mg含有
量を調整することが必要である場合、テストすべきMgの
上限及び下限を夫々示す熱分析カップ内で２種の異なる
量の硫黄を用いる。双方のサンプルが長い冷却時間で凝
固する場合には、相当多量のMgを添加したことを示す。
第１のカップが短かい冷却時間で凝固しかつ第２のカッ
プが長い冷却時間で凝固する場合には、Mg含有量は予定
の２種の限度間にあることを示す。

本発明のテストは、充分なMgを鋳鉄に添加した指示と
して、黒鉛系凝固を達成するために、熱分析カップに硫
黄及びテルルを組み合せて用いることを新規とするもの
である。本発明の認識は、ノジュラー鋳鉄のMg含有量を
調整するために既に工夫された他のテスト、又は炭素当
量、炭素含有量及びSi含有量を決められたものとするの
にテルルを用いるテスト等とは異なっている。

本発明テストは細粒化（compacted）黒鉛鋳鉄のMg含
有量を調整するために変更することができる。その場合
には別々の硫黄含有量の２種のテストサンプルを用いる
ことが必要である。何故ならば、細粒化黒鉛鋳鉄では、
細粒化黒鉛を得るために最低のMg含有量を必要とすると
同時に、鋳鉄がノジュラー黒鉛鋳鉄として凝固されない
場合に、常に過剰とならない最高残留Mg含有量であるか
らである。

本発明テストは約２分間で実施しうるので、その結果
は第１の処理が不充分であった場合、これらの第２の処
理を充分に早く実施しうることが知られる。このような
場合、Mgを更に添加することは取鍋又は他の処理容器に
ついて確立されている方法の１つで行なうことができ
る。

必要ならば、慣用の型式の熱分析サンプルを用いて、
又はMg処理した鋳鉄について行われている好結果の測定
としての先行特許のものを用いて、炭素、けい素及び炭
素当量のための熱分析を同時テストとして実施しうる。
適正に処理したノジュラー鋳鉄で操作する場合、本発明
は熱分析カップ内で黒鉛系鋳鉄を生成するだけであり、
従って冷却曲線上で行われる測定が炭素及びけい素含有
量の決定に用いることはできないが、炭素当量（液相）
のみに用いることができる。第２の熱分析カップは、炭
素及びけい素含有量も熱分析により測定すべきものであ
る場合、先行特許によって処理されたものを用いるべき
である。

【図面の簡単な説明】 第１図及び第２図は両者共に温度−時間冷却曲線であ
り、第１図は黒鉛系組織で凝固する溶湯の曲線を示し、
第２図は炭化物系組織で凝固する溶湯の曲線を示す、第
３図はサンプルカップの被覆の硫黄含有量と鋳鉄のMg含
有量間の関係を示すグラフであり、第４図は異なるMg含
有量の鋳鉄組成の一連の温度−時間冷却曲線を示し、第
５図は本発明の実施に好適な装置の一例を略図的に示し
たものであり、図中： １……熱分析カップ、２……熱電対温度検知装置、Ｃ…
…コントロール装置、Ｔ……タイマー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−150194（ＪＰ，Ａ) 特公 昭35−15761（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マグネシウム処理済鋳鉄のマグネシウム含
   有量をテストする方法において、マグネシウム処理済鋳
   鉄の溶湯サンプルをテルル及び硫黄又はセレンの何れか
   の添加物を収容した容器内に導入し、かつ冷却及び凝固
   させ、テルル及び硫黄又はセレンの量は実測された量で
   調整され、硫黄又はセレンの場合の量はその添加がマグ
   ネシウムの予じめ決めた始めのパーセンテージを中和す
   るに丁度充分であるような量であり、かつ冷却挙動が黒
   鉛系か又は炭化物系の何れかの共晶凝固とすることを観
   察することからなるマグネシウム処理済鋳鉄のマグネシ
   ウム含有量をテストする方法。
2. 【請求項２】黒鉛系又は炭化物系共晶凝固の存在を共晶
   熱停止温度を通して冷却速度を観察することにより検出
   する請求項１記載のテストする方法。
3. 【請求項３】前記冷却速度を２種の予じめ決めた温度間
   に冷却するサンプルより得られた時間を測定することに
   より検出する、請求項２記載のテストする方法。
4. 【請求項４】上方温度が実質的に1170℃である、請求項
   ３記載のテストする方法。
5. 【請求項５】下方温度が実質的に1135℃である、請求項
   ３又は４記載のテストする方法。
6. 【請求項６】容器に装入するサンプルの最初の温度を照
   合し、予じめ決めた値以下である場合、テストが無効と
   される如く指示する、請求項３〜５の何れかに記載のテ
   ストする方法。
7. 【請求項７】前記予じめ決めた値が実質的に1200℃であ
   る、請求項６記載のテストする方法。
8. 【請求項８】マグネシウム処理済鋳鉄溶湯用の容器、該
   容器は予じめ決めた量のテルル及び硫黄又はセレンを含
   むライニングを有し、コントロール装置に送られる電気
   出力信号を生ずる温度検知装置、該コントロール装置は
   タイマー及び前記信号が容器の内容物が第１の予じめ決
   めた温度に降下したことを指示した時前記タイマーが作
   動を開始する装置及び前記内容物が第２の予じめ決めた
   温度に降下した時に経過する時間を検出する装置からな
   り、かつその時間が予じめ決めた値の上方又は下方の何
   れかを指示する装置で、それにより共晶凝固が黒鉛系か
   炭化物系の何れかであり、従って鋳鉄のマグネシウム含
   有量が予じめ決めた値の上方又は下方の何れかであるこ
   とからなる、前記請求項３に記載の方法を実施するテス
   ト装置。
9. 【請求項９】前記コントロール装置が、容器の内容物の
   温度が予じめ決めた値以下である場合に指示する装置か
   らなる、前記請求項８に記載のテスト装置。