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PQ-CGI Inmold(英文）
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熱分析による接種実施の最適化 著者: 効率的な接種-産業用鋳造品の製造に”不可欠なもの” 接種がセル数、サイズ、グラファイトの数とタイプに影響するので、硬度、引張強度、疲労および被削性などの物理的性質に大きな影響を持ちます。 鋳造工場での最初の”接種”の問題は特定の合金と鋳造品のカテゴリにたいし、どのタイプの接種剤を使用するか決定することです。 二番目はどのくらい使用するかです。 少なすぎた場合、チルのような問題が起こります。 過剰に使用されたならスラグ巻き込み欠陥、膨張欠陥および引けをともなう問題が発生するでしょう。 正しい量は元湯の核生成状態に関連して変化するものです。 化学成分だけを考慮するなら、これは正当なことです。 しかしながら、化学成分は溶湯の核生成特性について何も教えてくれません。 核生成特性は、しばしばプロセス制御に化学成分だけを使う鋳造工場ではかなり変動しますが、熱分析によって可視化され制御できます。 核生成特性は多くの要因によって影響されます。例えば、:
通常、鋳造工場はこれら要因の制御を制限しており、核生成特性を測定する手段を持たないため、これらが鋳鉄にいかに影響するかを意識しません。 古き良き"くさび”テストは核生成状態を制御するための正しい方向への1ステップです。 チル化傾向の測定のためには敏感ですが、より詳細な科学的アプローチにとっては制限された値です。 サンプルの熱分析は、安定化したシステムに従って凝固させることで核生成特性の定量化を可能にすることが出来ます。 この事は実施される接種手順の最適化を可能とします。 この場合の最適化とは効果と費用の間の最適な妥協点を見つけること意味します。 化学成分が一日中変化しないにもかかわらず、元湯の核生成特性はしばしば驚くほど変動します。 このように全ての溶湯に同じ割合の接種剤の添加は溶鉄がある時は過剰接種でまたある時は過少接種の結果を持つことになります。 ねずみ鋳鉄のサンプルの熱分析
しかしながら、テルルを使用することで核生成特性の研究の可能性は無くなっていました。 意味のある予測が出来るように、安定系、つまり、炭素が共晶凝固中にグラファイトとして晶出するように凝固する溶湯が必要です。 核生成特性とそれらの接種に対する効果を研究するために、テルルのないテストカップを使用しなければなりません。 私どもの場合、モジュラスが約0.75cmの標準 Quik-Cups を使用しています。 ”ねずみ鋳鉄”のサンプルからの代表的冷却曲線は大規模な共晶凝固の開始前にある一定の過冷を示します。(図2)
TEgrayは、オーステナイトに溶解していない全ての炭素はグラファイトとして晶出する安定系に従う凝固の理論的な共晶温度です。 TEwhiteは炭素が化学的に鉄と結合しセメンタイト（Fe3C)として晶出する"白銑”共晶温度です。 冷却曲線は、一次微分をプロットすれば、解釈することがより容易になることがしばしばあります。(図 3)
一次微分は時間あたりの温度の変化の割合を示します。 TLでマークされた温度、通常液相線として言及しますが、で一次微分はゼロです。 これはその時点での熱損失がサンプルの熱放出と正確にバランスしていることを意味します。 放出される熱は比熱とオーステナイトの凝固からの潜熱とQuik-Cupの壁面での共晶反応からの一部によって発生します。 次に、温度は共晶過冷最低温度に到達するまで下がります。(TElow) 一次微分上で変化速度が共晶凝固の開始と呼ぶことが出来るTESに最小点を持ちます。 放出熱は温度を最大値(TEhigh)まで増加させます。 TEhighとTElowの間の違いは再輝(R)と呼ばれます。 一次微分上でTEhighとTElowの間に起こる最大再輝速度(TEM)を見ることが出来ます。(図4)
接種の一つの重要な面は溶湯が安定系に従ってかつ低い過冷をともなって凝固することを保証することです。 ここで、過冷はねずみ共晶温度(TEgray)と実際の共晶過冷最低温度(TElow)との差として定義されます。 ねずみ共晶温度は主にケイ素の含有量の関数です。 弊社の場合、公式：TEgray=1153 + 6.7 ×Si%を使います。 白銑共晶温度はTEwhite=1147-12×Si%として定義されます。 冷却曲線のどの部分が接種により影響を受けますか？ 接種により影響を受ける最初の温度はTLです。 接種剤は脱酸剤として作用します。 溶鉄が高い量の酸素を含んでいれば、炭素活量は減少し、TLの増大が記録されることがあります。 そのような溶鉄が接種されれば、TLは時として8-10℃減少します。 デンドライトの外因的な成長を部分的に表すTLでのプラトー(平坦域)もまた核生成によって影響されます。 しかしながら、最も著しい効果はTElowとTEhigh上にあります。 接種はTElowとTEhighの両方を引き上げます。 通常は再輝もまた減少するためにTEhighよりTElowの方がより大きく引き上げられます。 接種に明瞭な反応を示す曲線のほかの部分は、共晶凝固の開始(TES)、最大再輝速度(TEM)、固相線での一次微分と固相線(TS)です。 最適化された接種実施の方法論 次の段階は接種された溶鉄のテストと熱データ上での変化の研究です。 接種後の同じ時間間隔、例えばフェーディングによる変化を最小にするために1分後で、サンプルを取ってください。 一連のテストを行って、インパクトがあり変更可能な要因を変化させてください。 1. 接種の量、例えば.. 0.1%, 0.2%, 0.3% 2. 接種剤の粒度 3. 接種剤の添加方法 この段階では下記のパラメータを主として研究してください： TElow - 高いほど良い TEhigh - 高いほど良い TEM - 当然、減少します R - 当然、減少します。 許容値は2-4℃です。 FDTS - 可能な限り低くすべきです。（３℃/秒） TS - 高い方ほど良い 結果を評価し、最良の結果をもたらした実施例を選択してください。 この段階では、どのような違いが接種の結果に影響するかを知ることになります。 次の段階は製作プランの鋳造品での好ましい実施例をテストすることです。 接種の観点より、重要なモジュラスに基づき鋳造品をカテゴリに分けることをお勧めします。 一度、ある合金と鋳造品のカテゴリに対して、良い実施例が見つかったなら、品質管理ハンドブックに文書化すべきです。 それから、最適の冷却曲線の値は生産で特定の核生成特性を持つ新しい溶湯の確認のために使われます。 接種剤の比較のためのツイン テスト そして、無接種及び接種サンプルからの冷却曲線が比較されます。 接種剤の量を増加させて添加したとき、共晶過冷最低温度(TElow)は増加します。 これは共晶凝固が低い過冷で開始出来るように核生成サイトの数増加することを意味します。 より多くの接種剤が添加されたとき、増加が徐々に落ちるかあるレベルでとどまります。 この点は、X軸に接種の添加量をY軸に接種されたものと接種されないサンプルのTElowの差でグラフをプロットすると見分けることが出来ます。 下の例では、2つの異なる接種剤が比較されています。 (図 5)
接種剤Aは”安定状態”に0.15％の添加で到達します。一方、Bは0.2％が必要です。 この基準だけが使うことが出来き、そして接種剤Aを使用することは消費量の25%の節約を意味します。 接種剤が細かいメッシュであれば、テストカップに直接添加することができます。 粉砕が粗ければ、つまり注湯取鍋の添加用であれば、注湯前に柄杓に添加しなければなりません。 元湯が大きな保持炉(例えばチャンネル タイプの炉)から取られ、元湯がほとんど一定になるように良く混合されて(最低30分以内は補充がない)いるなら、1カップ テストを使うことが出来ます。 最初の注湯は接種剤無しのサンプルをそして次に取鍋に様々な接種剤を加えたサンプルとします。 ねずみ鋳鉄鋳造工場でのATASの 2-カップ ソフトウェアを用いた典型的なテストで、0.2％の接種剤を一方のテスト カップに添加したとき、TElowとTEhighの劇的な改善が起きました。 TEhighは7℃そして、TElowは11℃増加しました。 過冷は33.3から22.3に減少しました。 2-カップ テストは各種の接種剤とそれらの過冷の減少にたいする能力を比較するために使用されます。 冷却曲線での他の重要な部分への効果は接種剤の決定前に研究しなければなりません。 そして、全製品に使用する前に、代表的な鋳造品を鋳込み、特にチル、逆チル、セルサイズ、グラファイトの形状とスラグに関して試験されるべきです。 動的接種-よりローコストで改善された鋳造品質！ それ故、弊社は元湯の性質に依存する接種剤の量による”動的”接種方法をご提案します。 既述のツイン カップ テストはこの目的のために使用されます。 カップ２に0.2％の良い湯流れ接種剤を添加してください。 両方のカップに一定の間隔で、例えば1時間に一度あるいは新たな溶解毎に注湯して下さい。 これは参照テストですので、他の接種剤が取鍋かモールドに使われたとしても、湯流れ接種剤が使用できます。 このテストの目的は、元湯の核生成状態の定量測定を得る事です。 以下の２つのインデックスは接種効率の基準として使うことが出来ます。： 接種インデックス I = TEgray - TElow_無接種 インデックスTが高ければ、明らかに接種のための必要量は高いです。 インデックスTの通常の値は20-35℃です。 稀に、インデックスTが非常に低い場合があります。 これは既に元湯が高い度合いの核生成力を持ち、接種が少しも必要でないこと示します。 主に銑鉄で溶製された溶湯が一例です。 インデックスTが通常値以内の条件で、もう一つのインデックスが溶鉄の接種への応答を見積もるために使用することが出来ます。
TEgray - TElow_無接種 インデックスUは接種剤の効果の相対的基準を与えます。 インデックスUが１なら、接種剤の効果はありません。 通常の値は1.5から2.5以内です。 値が2.5より高ければ、前述したように鋳造欠陥をもたらす"過剰接種”を意味します。 与えられた合金にとって、これらのインデックスは直接製法と結びつけ、現在の元湯の最適な添加を見積もることが出来ます。
元湯の状態に依存する接種剤の量の変化によって、冶金学的により安定したプロセスが達成されます。 鋳造欠陥は最小化され、物理的な性質の変動は減少されます。 少なからず重要なことは、既述した方法によって鋳造工場が接種剤の消費量を減少することが出来ることです。 一つの導入例(ねずみ鋳鉄)では接種剤をほぼ40％の削減が出来ました。 既述の方法はねずみ、ダクタイルそしてCV黒鉛鋳鉄(CGI)に使うことが出来ます。 接種は球状黒鉛粒数にも影響するのでねずみ鋳鉄よりもダクタイル鋳鉄でより正確な接種の必要性が大きいのです。 既述の方法がエンジニアリング材料として鋳鉄の競争力を高める意味で鋳造工場をアシストすることを望みます。
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