(57)【要約】【課題】一般的なＸ線源を用いて鋳造における金属溶湯の凝固状態を観察することができる鋳造解析装置および鋳造解析方法を提供する。【解決手段】本発明の鋳造解析装置は、Ｘ線源をもつＸ線照射手段１と、Ｘ線照射手段１より照射されるＸ線が透過するとともに金属溶湯が充填されるキャビティ２０をもちＸ線が透過する方向に対してほぼ直交する方向に該金属溶湯を凝固させる解析用鋳型２と、解析用鋳型２を挟んでＸ線照射手段１の反対側に設置され解析用鋳型２を透過したＸ線を画像として検出するＸ線検出手段３と、を備え、Ｘ線検出手段３で得られた透過Ｘ線像の明度からキャビティにおける金属溶湯の凝固状態を解析する。特に、解析用鋳型２の寸法および材質の少なくとも一方を好適な範囲で使用することにより、鮮明な透過Ｘ線像が得られるとともに、Ｘ線の透過方向への凝固が良好に抑制され二次元的な観察に好適となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線源をもつＸ線照射手段と、
前記Ｘ線照射手段より照射されるＸ線が透過するとともに金属溶湯が充填されるキャビティをもちＸ線が透過する方向に対してほぼ直交する方向に該金属溶湯を凝固させる解析用鋳型と、
前記解析用鋳型を挟んで前記Ｘ線照射手段の反対側に設置され前記解析用鋳型を透過したＸ線を画像として検出するＸ線検出手段と、
を備え、前記Ｘ線検出手段で得られた透過Ｘ線像の少なくとも固相と液相とのＸ線透過率の違いに起因する明るさの違いから前記金属溶湯の凝固状態を解析することを特徴とする鋳造解析装置。
【請求項２】
さらに、前記Ｘ線検出手段で得られた前記透過Ｘ線像の少なくとも一部から明度を算出する明度算出手段を備える請求項１記載の鋳造解析装置。
【請求項３】
さらに、前記明度算出手段で算出された明度が閾値を超えたときに前記金属溶湯の清浄度を判定する判定手段を備える請求項２記載の鋳造解析装置。
【請求項４】
前記解析用鋳型は、前記Ｘ線照射手段に対向する正面壁および前記Ｘ線検出手段と対向する背面壁をもち、該正面壁および該背面壁は８０ｋｅＶの加速電圧で発生するＸ線に対する質量吸収係数が０．２５ｃｍ２／ｇ以下である材料からなる請求項１〜３のいずれかに記載の鋳造解析装置。
【請求項５】
前記解析用鋳型は、前記Ｘ線照射手段に対向する正面壁および前記Ｘ線検出手段と対向する背面壁をもち、該正面壁および該背面壁のＸ線が透過する方向の厚さが１〜２０ｍｍである請求項１〜４のいずれかに記載の鋳造解析装置。
【請求項６】
前記解析用鋳型の前記キャビティは、Ｘ線が透過する方向の厚さが３〜２０ｍｍである請求項１〜５のいずれかに記載の鋳造解析装置。
【請求項７】
前記解析用鋳型は、前記Ｘ線照射手段に対向する正面壁と、前記Ｘ線検出手段と対向する背面壁と、該正面壁および該背面壁とともに前記キャビティを区画する側壁と、からなり該正面壁および該背面壁の熱伝導率は該側壁の熱伝導率よりも低い請求項１〜６のいずれかに記載の鋳造解析装置。
【請求項８】
前記金属溶湯は、アルミニウム合金またはマグネシウム合金である請求項１記載の鋳造解析装置。
【請求項９】
前記解析用鋳型は、前記金属溶湯の温度を測定する温度測定手段を備える請求項１記載の鋳造解析装置。
【請求項１０】
前記解析用鋳型のＸ線の透過する方向に垂直の断面は、鋳物を製造する製造用鋳型の一部である解析部位の断面と同一の形状をもち、前記Ｘ線検出手段で得られた透過Ｘ線像の明度から該解析部位における前記金属溶湯の凝固状態を解析する請求項１〜９のいずれかに記載の鋳造解析装置。
【請求項１１】
解析用鋳型に充填された金属溶湯をＸ線により解析する鋳造解析方法であって、
前記解析用鋳型に前記金属溶湯を注湯する注湯工程と、
前記解析用鋳型にＸ線を照射するＸ線照射工程と、
前記Ｘ線照射工程と並行してＸ線が透過する方向に対してほぼ直交する方向に前記解析用鋳型に充填された前記金属溶湯を凝固させる凝固工程と、
前記Ｘ線照射工程と並行して前記解析用鋳型を透過したＸ線を画像として検出するＸ線検出工程と、
前記Ｘ線検出工程で得られた透過Ｘ線像の少なくとも固相と液相とのＸ線透過率の違いに起因する明るさの違いから前記金属溶湯の凝固状態を解析する凝固解析工程と、
を含むことを特徴とする鋳造解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造方案の設計や金属溶湯の評価などに利用することができる鋳造解析装置および鋳造解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋳造は、金属部材を製造する一般的な方法である。鋳造では、金属溶湯が接触する鋳型の表面からの抜熱により凝固が進行する。このとき、ガス欠陥、引け巣、溶質元素の偏析などの鋳造欠陥が、鋳物の内部に発生することがある。鋳造欠陥は破壊起点となるため、鋳物の品質上問題とされる。このような欠陥は、後の塑性加工により完全に除去することが困難であるため、鋳造により高品質な鋳物を製造する必要がある。そこで、鋳型内における金属溶湯の状態を把握し、鋳物内部での鋳造欠陥の発生を抑制できる鋳型を設計することが望まれている。
【０００３】
鋳型内に供給される金属溶湯をＸ線で撮影してキャビティ内の湯流れを観察する技術は、既にある。たとえば、特許文献１では、鋳型内に供給される金属溶湯に、金属溶湯とは異なるＸ線透過特性をもつトレーサ粒子を混入して、Ｘ線解析装置を用いて溶湯金属の湯流れを可視化している。また、非特許文献１では、高輝度放射光施設（ＳＰｒｉｎｇ−８）を用い、厚さ１００μｍの薄膜状の金属溶湯に対して凝固中の核形成・成長を観察している。
【特許文献１】特開２００７−５４８７３号公報
【非特許文献１】安田(H.Yasuda)、他８名，「核形成、分断および微細組織変化 (In-situ observation of nucleation, fragmentation and microstructure evolution)」，第１０回アジア鋳物会議予稿集(Proceedings of 10th Asian Foundry Congress)，２００８年５月，ｐ．１４５−１４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、鋳型内での金属溶湯の湯流れを観察できるものの、液相から固相への変化を捉えることはできない。これは、そもそも特許文献１では液相と固相とを判別することを目的としていないからである。湯流れを観察するだけであれば、トレーサ粒子、金属溶湯および気相のコントラストが明確であればよいため、鋳造時に実際に使用する鋳型にＸ線を照射するだけで、判別可能である。しかし、そのような観察条件では、金属溶湯の凝固状態を観察することは無理である。
【０００５】
一方、非特許文献１では、液相から固相への変化を観察することが可能である。しかし、ＳＰｒｉｎｇ−８では平行度の高いＸ線を広い領域に照射することができないため、狭い範囲でしか観察を行うことができない。つまり、ＳＰｒｉｎｇ−８の利用は、微細構造の観察には好適であるが、巨視的な凝固状態を観察するには不適である。また、ＳＰｒｉｎｇ−８は極めて特殊な施設であるため、製品の鋳造に用いられる鋳型の解析や金属溶湯の評価などに簡易に使用できないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑み、一般的なＸ線源を用いて鋳造における金属溶湯の凝固状態を観察することができる鋳造解析装置および鋳造解析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の鋳造解析装置は、Ｘ線源をもつＸ線照射手段と、
前記Ｘ線照射手段より照射されるＸ線が透過するとともに金属溶湯が充填されるキャビティをもちＸ線が透過する方向に対してほぼ直交する方向に該金属溶湯を凝固させる解析用鋳型と、
前記解析用鋳型を挟んで前記Ｘ線照射手段の反対側に設置され前記解析用鋳型を透過したＸ線を画像として検出するＸ線検出手段と、
を備え、前記Ｘ線検出手段で得られた透過Ｘ線像の少なくとも固相と液相とのＸ線透過率の違いに起因する明るさの違いから前記金属溶湯の凝固状態を解析することを特徴とする。
【０００８】
なお、具体的に「凝固状態」とは、固相の晶出量や固相率などで表される凝固の進行度合、固液界面（凝固界面）の位置、固相の晶出時期、鋳巣の形成過程、金属溶湯に含まれる溶存ガスに起因する気泡の発生、などを含む。
【発明の効果】
【０００９】
既に述べたように、従来、鋳型内の金属溶湯の凝固状態を解析するという考えは、そもそもなかった。本発明者等は、凝固過程において固相が増加するにつれて、透過Ｘ線像が暗くなることに着目した。そこで、金属溶湯を凝固させる解析用鋳型の構成を、透過Ｘ線像により金属溶湯の凝固状態を解析するのに適した構成とした。すなわち、本発明の鋳造解析装置は、Ｘ線が透過する方向に対してほぼ直交する方向に金属溶湯を凝固させる解析用鋳型を備える。凝固の進行方向はＸ線の透過方向に対してほぼ直交するため、透過Ｘ線像により凝固状態を二次元的に観察できる。特に、解析用鋳型の寸法および材質の少なくとも一方を好適な範囲で使用することにより、鮮明な透過Ｘ線像が得られるとともに、Ｘ線の透過方向への凝固が良好に抑制され二次元的な観察に好適となる。
【００１０】
なお、金属溶湯の凝固過程において固相が増加するにつれて透過Ｘ線像が暗くなるのは、液相と固相との密度差に起因する。液相の密度よりも固相の密度の方が高いため、固相が多く存在するほどＸ線は透過しにくくなる。そのため、透過Ｘ線像の明るさの違いから金属溶湯の凝固状態、特に、凝固の進行度合、固液界面（凝固界面）の位置、固相の晶出時期、などを解析することが可能となる。
【００１１】
さらに、前記Ｘ線検出手段で得られた前記透過Ｘ線像の少なくとも一部から明度を算出する明度算出手段を備えるとよい。明度算出手段により金属溶湯の凝固状態を数値化できるため、さらに詳細な凝固解析が可能となる。さらに、前記明度算出手段で算出された明度が閾値を超えたときに前記金属溶湯の清浄度を判定する判定手段を備えるとよい。
【００１２】
また、本発明は、鋳造解析方法と捉えることもできる。すなわち本発明の鋳造解析方法は、解析用鋳型に充填された金属溶湯をＸ線により解析する鋳造解析方法であって、
前記解析用鋳型に前記金属溶湯を注湯する注湯工程と、
前記解析用鋳型にＸ線を照射するＸ線照射工程と、
前記Ｘ線照射工程と並行してＸ線が透過する方向に対してほぼ直交する方向に前記解析用鋳型に充填された前記金属溶湯を凝固させる凝固工程と、
前記Ｘ線照射工程と並行して前記解析用鋳型を透過したＸ線を画像として検出するＸ線検出工程と、
前記Ｘ線検出工程で得られた透過Ｘ線像の少なくとも固相と液相とのＸ線透過率の違いに起因する明るさの違いから前記金属溶湯の凝固状態を解析する凝固解析工程と、
を含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の鋳造解析装置および鋳造解析方法を実施するための最良の形態を説明する。
【００１４】
［鋳造解析装置］
本発明の鋳造解析装置は、主として、Ｘ線照射手段、解析用鋳型およびＸ線検出手段を備える。そして、Ｘ線検出手段で得られた透過Ｘ線像の明るさの違いから金属溶湯の凝固状態を解析する。本発明の鋳造解析装置により解析される金属溶湯としては、Ｘ線を透過しやすいアルミニウム合金またはマグネシウム合金が好適である。
【００１５】
Ｘ線照射手段は、Ｘ線源をもつ。Ｘ線照射手段は、一般的なＸ線源をもち透視写真法に用いることができ、工場などに設置可能な簡易なものであればよい。あえて規定するのであれば、Ｘ線を発生させる加速電圧が５０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶである。加速電圧が高すぎると透過Ｘ線像にコントラストが付きにくく、固相と液相との差が明確に表れないため、金属溶湯の凝固状態を解析するのに不適である。
【００１６】
解析用鋳型は、Ｘ線照射手段より照射されるＸ線が透過する。そのため、解析用鋳型は、Ｘ線が透過しやすい寸法および材質からなるのが好ましい。解析用鋳型は、Ｘ線照射手段に対向する正面壁およびＸ線検出手段（後述）と対向する背面壁をもち、正面壁および背面壁は８０ｋｅＶの加速電圧で発生するＸ線に対する質量吸収係数μ／ρが０．２５ｃｍ２／ｇ以下さらには０．１〜０．２ｃｍ２／ｇである材料からなるとよい。質量吸収係数が０．２５ｃｍ２／ｇを超えると、解析用鋳型を透過するＸ線が十分ではなく、金属溶湯の凝固状態を解析するのに十分な透過Ｘ線像が得られないため好ましくない。具体的には、黒鉛（０．１６０ｃｍ２／ｇ）、珪酸カルシウム（ニチアス株式会社製ルミボード：０．２４２ｃｍ２／ｇ）、アルミナ（０．１８５ｃｍ２／ｇ）、ムライト（０．１８７ｃｍ２／ｇ）等が挙げられる。なお、括弧内の質量吸収係数μ／ρは、いずれも８０ｋｅＶの加速電圧で発生するＸ線に対する値である。
【００１７】
正面壁および背面壁のＸ線が透過する方向の厚さに特に限定はないが、正面壁、背面壁ともに１〜２０ｍｍさらには５〜１５ｍｍであるとよい。厚さが２０ｍｍを超えると解析用鋳型を透過するＸ線が十分ではなく、金属溶湯の凝固状態を解析するのに十分な透過Ｘ線像が得られないため好ましくない。そのため、正面壁および背面壁の厚さは薄い方が好ましいが、１ｍｍ未満では金属溶湯を保持するための強度が不足するため好ましくない。なお、正面壁および背面壁の厚さは均一であるのが好ましい。
【００１８】
また、解析用鋳型は、金属溶湯が充填されるキャビティをもちＸ線が透過する方向に対してほぼ直交する方向に金属溶湯を凝固させる。換言すれば、解析用鋳型では、Ｘ線の透過方向への凝固が抑制される。この構成により、透過Ｘ線像により金属溶湯の凝固状態を二次元的に解析することが可能となる。解析用鋳型は、Ｘ線照射手段に対向する正面壁と、Ｘ線検出手段と対向する背面壁と、正面壁および背面壁とともにキャビティを区画する側壁と、からなるとよい。このとき、正面壁および背面壁の熱伝導率を側壁の熱伝導率よりも低くすることで、Ｘ線の透過方向への凝固が効果的に抑制される。具体的には、断熱材からなる正面壁および背面壁、金属のなかでも熱伝導性の高い銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる金属製の側壁、を使用するとよい。断熱材としては、Ｘ線を透過しやすい黒鉛や珪酸カルシウムが使用可能である。あるいは、側壁を強制的に冷却して、Ｘ線が透過する方向に対してほぼ直交する方向へ、金属溶湯の凝固を促進させてもよい。このとき、側壁が、熱伝導率の高い材質からなれば、さらに効果的である。
【００１９】
また、解析用鋳型のキャビティは、Ｘ線が透過する方向の厚さが３〜２０ｍｍさらには５〜１５ｍｍであるとよい。３ｍｍ未満では、Ｘ線の透過方向への凝固が支配的となりやすく、凝固状態を観察するのに不適である。一方、２０ｍｍを超えると、解析用鋳型を透過するＸ線が十分ではなく、金属溶湯の凝固状態を解析するのに十分な透過Ｘ線像が得られないため好ましくない。なお、キャビティの厚さは均一であるのが好ましい。
【００２０】
解析用鋳型は、さらに、前述のように側壁を冷却するための冷却手段、溶湯の温度を測定する温度測定手段、などを備えてもよい。温度測定手段で所定の位置の温度を測定することで、その位置での固相率を算出し、透過Ｘ線像と比較検討することも可能である。
【００２１】
Ｘ線検出手段は、解析用鋳型を挟んでＸ線照射手段の反対側に設置され、解析用鋳型を透過したＸ線を画像として検出する。Ｘ線検出手段の具体例として、イメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）が挙げられる。Ｉ．Ｉ．は、微弱な光でも検知し増幅して、コントラストの高い像として可視化することが可能である。さらに、Ｘ線検出手段は、検出した透過Ｘ線像を断続的あるいは連続的に撮影する撮影装置を備えてもよい。
【００２２】
Ｘ線検出手段で検出された透過Ｘ線像から、金属溶湯の凝固状態を解析することが可能である。前述のように、凝固が進行して金属溶湯に固相が多く存在すると、Ｘ線は透過しにくくなる。つまり、固相と液相とでは、Ｘ線透過率が異なる。そのため、透過Ｘ線像の明るさから、金属溶湯の凝固状態を解析することができる。具体的には、解析用鋳型全体の透過Ｘ線像のコントラストから固液界面がわかるため、透過Ｘ線像を連続的に解析することで、凝固の過程を観察することができる。また、固相と液相とのコントラストに加え、金属と気相とのコントラストも明確に得られるため、鋳巣の発生挙動の直接観察も可能である。したがって、本発明の鋳造解析装置は、鋳造方案の設計に好適である。
【００２３】
さらに、Ｘ線検出手段で得られた透過Ｘ線像の少なくとも一部から明度を算出する明度算出手段を備えるのが好ましい。明度算出手段により金属溶湯の凝固状態を数値化するには、たとえば、解析用鋳型を透過したＸ線をＭビット（ｂｉｔ：Ｍは整数）で受光して画像とすればよい。あるいは、透過Ｘ線像がアナログデータであれば、Ｍビット（ｂｉｔ：Ｍは整数）のデジタルデータに変換すればよい。これにより明度は２Ｍ階調で表され、数値が大きいほど明るい。Ｍの値としては、１０以上１６以下が好ましい。１０ｂｉｔ未満では、固相と液相とのコントラストが明確に得られないことがある。ここで、金属溶湯の凝固状態を解析するのに好適なコントラストは、共晶相の晶出前後での明度差がＭビットで２Ｍ−８以上さらには１．２５×２Ｍ−８以上（１２ｂｉｔで１６以上さらには２０以上）であるとよい。共晶相の晶出前後での明度差が２Ｍ−８未満では、透過Ｘ線を受光するときに生じる明度の「ゆらぎ」に埋もれて明度差が認識できないことがあるためである。また、Ｍの値が大きい方が透過Ｘ線像に即した正確なデータが得られるが、１６ｂｉｔを超えると得られるデータサイズが大きくなるため好ましくない。なお、透過Ｘ線をデジタル処理することで、各種ソフトウェアを用いた鋳造解析が可能となる。
【００２４】
さらに、明度算出手段で算出された明度が閾値を超えたときに金属溶湯の清浄度を判定する判定手段を備えるのが好ましい。判定手段により判定される金属溶湯の清浄度とは、金属溶湯に含まれるガス量である。金属溶湯に溶存ガスが存在すると、凝固の進行中に気泡となって発生する。気泡の発生が多い、つまり溶存ガス量が多い金属溶湯は、鋳造には不適である。液相に気泡が発生すると、透過Ｘ線像の明度は高くなることから、溶湯清浄度の判定が可能となる。なお、液相から固相への相変態に起因する引け巣が発生しても、透過Ｘ線像の明度は高くなる。しかし、本発明の鋳造解析装置であれば、透過Ｘ線像を経時的に観察することで、明度の上昇の原因となった空隙が、液相中に発生した気泡であるのか、引け巣であるのか、を判別することは容易である。
【００２５】
また、本発明の鋳造解析装置を用いることで、鋳造時に実際に使用する鋳型（製造用鋳型）の内部における凝固状態を解析することが可能となる。具体的には、解析用鋳型のＸ線の透過する方向に垂直の断面を、鋳物を製造する製造用鋳型の一部である解析部位の断面と同一の形状とする。解析用鋳型は、既に述べたように、Ｘ線の透過方向への凝固が抑制される。そのため、解析用鋳型では解析部位における凝固過程が再現され、Ｘ線検出手段で得られた透過Ｘ線像の明るさから、製造用鋳型の内部での金属溶湯の凝固状態を解析することができる。したがって、製造用鋳型全体の凝固状態を解析したい場合には、製造用鋳型の各位置に対応する断面形状の複数の解析用鋳型を作製する。複数の解析用鋳型を準備して本発明の鋳造解析装置により金属溶湯の凝固状態を解析することで、製造用鋳型における凝固状態を三次元的に捉えることが可能となる。
【００２６】
［鋳造解析方法］
本発明の鋳造解析方法は、解析用鋳型に充填された金属溶湯をＸ線により解析する鋳造解析方法であって、主として、注湯工程、Ｘ線照射工程、凝固工程、Ｘ線検出工程および凝固解析工程とを含む。
【００２７】
注湯工程は、解析用鋳型に金属溶湯を注湯する工程である。解析用鋳型は、既に述べた通りである。溶湯温度、注湯速度など、注湯する条件は適宜選択すればよい。
【００２８】
Ｘ線照射工程は、解析用鋳型にＸ線を照射する工程である。Ｘ線の照射は、少なくとも注湯工程が終了するまでに、あるいは終了後直ちに開始するとよい。しかし、金属溶湯が解析用鋳型に充填される際の湯流れを観察したい場合には、注湯工程と並行して行ってもよい。
【００２９】
凝固工程は、Ｘ線照射工程と並行して、Ｘ線が透過する方向に対してほぼ直交する方向に金属溶湯を凝固させる工程である。既に説明した解析用鋳型を用いることで、注湯後の金属溶湯は、Ｘ線が透過する方向に対してほぼ直交する方向に凝固する。
【００３０】
Ｘ線検出工程は、Ｘ線照射工程と並行して解析用鋳型を透過したＸ線を画像として検出する工程である。また、凝固解析工程は、Ｘ線検出手段で得られた透過Ｘ線像の少なくとも固相と液相とのＸ線透過率の違いに起因する明るさの違いから金属溶湯の凝固状態を解析する工程である。Ｘ線検出工程および凝固解析工程は、［鋳造解析装置］の欄で既に述べた通りである。
【００３１】
本発明の鋳造解析方法は、さらに、透過Ｘ線像の少なくとも一部から明度を算出する明度算出工程、また、明度算出手段で算出された明度が閾値を超えたときに金属溶湯の清浄度を判定する判定工程を含んでもよい。明度算出工程および判定工程は、［鋳造解析装置］の欄で既に述べた通りである。
【００３２】
以上、本発明の鋳造解析装置および鋳造解析方法の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【実施例】
【００３３】
以下に、本発明の鋳造解析装置および鋳造解析方法の実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。
【００３４】
図１は、鋳造解析装置の概略図である。鋳造解析装置は、Ｘ線発生器１、解析用鋳型２、イメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）３およびテレビカメラ４を備える。Ｘ線発生器１として、Ｘ−Ｔｅｋ社（米）製ＨＭＸ２２５、Ｉ．Ｉ．３としてＴｈａｌｅｓＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ社（仏）製ＴＨ４９４３２ＱＸ Ｈ６８１ ＶＲ３３を用いた。Ｘ線発生器１およびＩ．Ｉ．３は、解析用鋳型２を挟んで対向して配置されている。つまり、Ｘ線発生器１から照射されたＸ線は、解析用鋳型２を透過し、Ｉ．Ｉ．３に入力される。テレビカメラ４は、Ｉ．Ｉ．３によって変換出力された解析用鋳型２の透過Ｘ線の光学画像を映像化するため、Ｉ．Ｉ．３の出力側に配置されている。テレビカメラ４の画像データは１２ｂｉｔのデジタルデータであって、解析用鋳型２を透過したＸ線は、４０９６階調（＝２１２階調）の明度により表される。以下に、解析用鋳型２の構成を説明する。
【００３５】
図２および図３は、解析用鋳型２の中央部の断面図である。図２は、Ｘ線が透過する方向に対して垂直方向の断面を示す。図３は、Ｘ線が透過する方向と平行な断面を示す。解析用鋳型２は、Ｘ線発生器１に対向する正面壁２１と、Ｉ．Ｉ．３に対向する背面壁２３と、正面壁２１および背面壁２３とともにキャビティ２０を区画する側壁２２と、から構成される。正面壁２１および背面壁２３はともに、１１０ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍの黒鉛板である。また、側壁２２は、１１０ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍの銅板の中央部がキャビティ２０の側面２２ｓの形状に合わせて切り抜かれるとともに、その中央部と連通する湯口２０ａが形成されてなる。さらに、側壁２２の周縁部には、冷却水が循環する流路２２ａが形成されている。正面壁２１、側壁２２および背面壁２３は、Ｘ線の透過する方向に順に積層されて固定されている。つまり、正面壁２１および背面壁２３の対向する面が、キャビティ２０を区画する前面２１ｓおよび背面２３ｓとなる。なお、正面壁２１、側壁２２および背面壁２３の寸法よりわかるように、解析用鋳型２は、Ｘ線が透過する方向に対して、Ｔ＝１０ｍｍの厚さのキャビティ２０、ｔ＝１０ｍｍの厚さの正面壁２１および背面壁２３を備える。また、キャビティ２０の最大幅は９０ｍｍ、キャビティ２０の最大高さ（湯口２０ａを含む）は９０ｍｍとした。
【００３６】
以上説明した鋳造解析装置を用い、アルミニウム合金の鋳造解析を行った。アルミニウム合金としてＡＣ４ＣおよびＡＤＣ１２（ともにＪＩＳ規格）を準備した。
【００３７】
はじめに、アルミニウム合金の金属溶湯（ＡＤＣ１２：７５０℃）を、解析用鋳型２へ注湯した。キャビティ２０に金属溶湯が充填されたら、Ｘ線発生器１（Ｘ線管電圧８０ｋｅＶ）を作動させ、解析用鋳型２に対してＸ線の照射を開始した。同時に、Ｉ．Ｉ．３およびテレビカメラ４を作動させた。また、流路２２ａに冷却水を循環させることで、キャビティ２０に充填された金属溶湯の一方向への凝固を促進した。Ｉ．Ｉ．３に入力された透過Ｘ線は、光学画像に変換出力され、この光学画像をテレビカメラ４により連続的に記録した。
【００３８】
図４に、テレビカメラ４により連続的に記録された透過Ｘ線像を示す。なお、図４に示す透過Ｘ線像は、凝固の進行とともに連続的に記録された透過Ｘ線像のある時点（凝固の途中）での静止画像である。テレビカメラ４の画像では、図４に矢印で示すように、キャビティ２０の側面２２ｓからキャビティ２０の中央部に向かって暗い領域（固相を多く含む）が、時間の経過とともに広がっていくのが目視により観察された。つまり、上記の鋳造解析装置により、凝固界面が移動するのが観察された。図４において、キャビティ２０の側面２２ｓ側には暗い領域が見られ、中央に近付くほど明るくなる。中央部にある最も明るい部分は、気相の存在を示し、鋳巣が発生する最終凝固部である。
【００３９】
なお、上記鋳造解析装置において、正面壁２１および背面壁２３のＸ線が透過する方向の厚さｔまたはキャビティ２０のＸ線が透過する方向の厚さＴを変更して同様の透過Ｘ線像を撮影したところ、ｔが２０ｍｍ以下またはＴが２０ｍｍ以下であれば、凝固界面の移動を目視で容易に観察することができた。また、ｔが１５ｍｍ以下またはＴが１５ｍｍ以下であれば、ｔ＝１０ｍｍかつＴ＝１０ｍｍで得られた図４に示す透過Ｘ線像と同等の画像が得られた。
【００４０】
次に、得られた透過Ｘ線像の所定の部位（キャビティの寸法に換算して５ｍｍ×５ｍｍ）の範囲の明度を算出した。透過Ｘ線像の明度の算出には、米国立衛生研究所製フリーソフトウェアＩｍａｇｅＪを用いた。固相率に対する明度を図５に示す。なお、固相率は、明度を算出した部位に対応する位置で凝固が進行中の金属溶湯の温度を測定して得られた測定値から算出した。また、同様の解析をＡＣ４Ｃについても行った。結果を図５にあわせて示す。冷却開始直後（固相率＝０）では、ほとんど液相であるため、透過Ｘ線像の明度は高かった。しかし、いずれのアルミニウム合金も、固相率が１に近づくにつれて明度が徐々に低下した。なお、ＡＤＣ１２はＣｕおよびＺｎを含有するため、透過Ｘ線像の明度はＡＣ４Ｃに比べて全体的に低かった。
【００４１】
また、図６は、ＡＤＣ１２およびＡＣ４Ｃの固相率に対するＸ線強度比を示すグラフである。縦軸のＸ線強度比は、Ｘ線を単色Ｘ線光と仮定し、固相率に対する晶出物の種類と量に応じた公知のＸ線吸収率から透過Ｘ線量を算出して得たものである。たとえばＡＣ４Ｃでは、図６のグラフ中に示した金属組織の模式図のように、液相中に初晶Ａｌが晶出後、Ａｌ−Ｓｉ共晶相が晶出して完全に凝固する。初晶ＡｌとＡｌ−Ｓｉ共晶相とでは密度が異なるため、Ａｌ−Ｓｉ共晶相が晶出しはじめると透過Ｘ線量は大きく低下する。すなわち、Ｘ線強度比が大きく低下する凝固率０．５程度で共晶相の晶出が開始する。また、ＡＤＣ１２では、ＡＣ４Ｃに比べて初晶Ａｌの晶出量が少ない。そのため、ＡＤＣ１２では、固相率が０．１程度で共晶相の晶出の開始を示す透過Ｘ線量の低下が見られる。
【００４２】
ここで、図５と図６とを比較すると、両者はほぼ一致した。つまり、本発明の鋳造解析装置を用いた解析は、理論値にほぼ一致する信頼性の高い解析であった。
【００４３】
次に、正面壁２１および背面壁２３の厚さをｔ＝２４ｍｍにした解析用鋳型２を用いて金属溶湯（ＡＤＣ１２）を凝固させ、同様の解析を行った。結果を図７に示す。なお、図７には、比較のために、図５と同様のＡＤＣ１２の固相率に対する明度を「ｔ＝１０ｍｍ」として示した。図７からわかるように、ｔ＝２４では、共晶相の晶出前後での明度差が１０程度であった。一方、ｔ＝１０では、共晶相の晶出前後での明度差が２０を超えた。また、ｔ＝２４に比べ、全体的に明度が高かった。すなわち、正面壁および背面壁のＸ線が透過する方向の厚さｔが薄い方が、金属溶湯の凝固状態を透過Ｘ線像の明度により観察しやすいことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】鋳造解析装置の概略図である。
【図２】解析用鋳型の中央部の断面図であって、Ｘ線が透過する方向に対して垂直方向の断面を示す。
【図３】解析用鋳型の中央部の断面図であって、Ｘ線が透過する方向と平行な断面を示す。
【図４】鋳造解析装置を用いた解析により得られた透過Ｘ線像である。
【図５】ＡＤＣ１２およびＡＣ４Ｃの固相率（温度測定より算出）に対する透過Ｘ線像の明度（実測値）を示すグラフである。
【図６】ＡＤＣ１２およびＡＣ４Ｃの固相率に対するＸ線強度比（計算値）を示すグラフである。
【図７】ＡＤＣ１２の固相率（温度測定より算出）に対する透過Ｘ線像の明度（実測値）を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１：Ｘ線発生器（Ｘ線照射手段）
２：解析用鋳型  ２０：キャビティ  ２１：正面壁  ２２：側面壁  ２３：背面壁
３：イメージインテンシファイア（Ｘ線検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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