(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固化中の金属、特にＣＶ黒鉛鋳鉄の熱分析のためのサンプリング装置であり、
分析すべき液状金属に浸漬してこれを満たすための、基本的に円筒形で頂部が解放されたコンテナ（２）と、
少なくとも１個、好ましくは２個の温度感応センサー部材（４）と、
前記センサー（単数または複数）（４）を同心的に内包する、少なくとも、かつ好ましくは１個の保護チューブ（１４）とを備えるサンプリング装置であって、
前記保護チューブ（１４）は、前記コンテナ（２）内部に配置され、前記コンテナ（２）の上方に配置されて脚（１６）を介してコンテナ（２）に取り付けられたセンサー支持部材（１５）で支持されており、分析に際して固化中の金属サンプル本体（３）に浸漬されたとき、該センサー支持部材（１５）がセンサー（４）を定位置に案内し、かつ保持するようになっており、前記コンテナ（２）は分析中にサンプル本体（３）と接触する内表面（１７）と、環境雰囲気に接触する外表面（１８）とを有し、前記両表面（１７および１８）はコンテナ（２）の頂部（１２）において接合され、コンテナ（２）の円筒形部分（２ａ）においては互いに一定距離隔てられて、対向する各表面（９および１０）の間に閉じられた断熱スペース（８）を形成するサンプリング装置において、
前記コンテナ（２）は実質的に半球形の底部部分（２ｂ）を有し、該底部部分が同心的に配置された平たい部分（２ｃ）を有し、該平たい部分の直径が保護チューブ（１４）の直径よりも大きく、かつ、平たい部分（２ｃ）の各表面（９および１０）の間の距離（ｄ１）がコンテナ（２）の円筒形部分（２ａ）の各表面（９および１０）の間の距離（ｄ２）よりも小さいことを特徴とするサンプリング装置。
【請求項２】
平たい部分（２ｃ）の各表面（９および１０）の間の距離（ｄ１）が、コンテナ（２）の円筒形部分（２ａ）の各表面（９および１０）の間の距離（ｄ２）の１０−５０％、好ましくは約２０％であり、かくして非球形のサンプリング装置（１）に球形の冷却条件を与えるようになっていることを特徴とする請求項１記載のサンプリング装置。
【請求項３】
コンテナ（２）の円筒形部分（２ａ）の高さが、半球形の底部部分（２ｂ）の高さの約２倍であり、かくして非球形のサンプリング装置（１）に球形の冷却条件を与えるようになっていることを特徴とする請求項１または２記載のサンプリング装置。
【請求項４】
センサー（単数または複数）（４）が、鋼、セラミック、ガラスなどでできた保護チューブ（１４）中に取り外し可能に挿入され、該保護チューブが平たい底部部分（２ｃ）にできるだけ近く、かつ空気泡や空所を作らず、平たい部分（２ｃ）と接触もしないように置かれていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のサンプリング装置。
【請求項５】
保護チューブ（１４）が鋼、好ましくはステンレス鋼でできており、必要に応じて保護用の耐熱剤でコーティングされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のサンプリング装置。
【請求項６】
保護チューブ（１４）が石英ガラスでできていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のサンプリング装置。
【請求項７】
コンテナ（２）の内表面（１７）および／または外表面（１８）がブラッシング、エッチング、サンドブラストまたは化学処理によって処理されており、保護チューブ（１４）が保護用の耐熱剤でコーティングされていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のサンプリング装置。
【請求項８】
コンテナ（２）の内表面（１７）が不活性コーティング層でコーティングされていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のサンプリング装置。
【請求項９】
コンテナ（２）の内表面（１７）が反応性コーティング層でコーティングされていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のサンプリング装置。
【請求項１０】
内表面（１７）および／または外表面（１８）および／または保護チューブ（１４）が、プラズマスプレーまたはシンタリングによって付着されたアルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリコンカーバイド、窒化シリコン、カーボン、窒化ボロンまたはシリカなどのセラミックで処理されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のサンプリング装置。
【請求項１１】
壁（６および７）の色および／または表面仕上げが、壁の放射特性を改良するために変更されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のサンプリング装置。
【請求項１２】
容器壁の近傍で記録される冷却曲線が、前記コンテナ（２）の底部の、流れから隔離された領域で、センサー（４ｂ）のゲージ部（５ｂ）によって記録され、かくして反応性壁コーティング層と反応した後の、処理不足金属の評価の解像度が増加することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のサンプリング装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は固化しつつある金属の熱分析のためのサンプリング装置に関するものであり、特に鋳物の製造における熱分析のためのサンプリング装置に関する。
【０００１】
熱分析は、溶融物質の固化の過程で温度変化の変動を観察して、その物質の固体状態での微細構造、したがって性質を明らかにする技術である。これは溶湯からサンプルを取り、これをサンプリング容器に移し、熱電対またはその他の当業界で公知の温度感応センサー手段を用いて、固化の過程におけるサンプル内部の温度の経時変化を記録して評価することによって達成される。
【０００２】
ＣＶ黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）などの溶融金属の固化を記録するために熱分析を用いるときは、分析が、鋳物中で起こるのと同様な形態的、あるいは熱的な条件のもとで行われることが重要である。サンプリング容器の役目は、溶融金属サンプルの固化過程の冷却を制御して、サンプリング容器中の形態的および熱的条件を、鋳物中で得られるそれらの条件と近似のものにすることである。溶融金属の固化挙動を正確に測定できれば、鋳物工場はその工程を管理して、高品質の製造を保証することができる。
【０００３】
熱分析用のサンプリング容器については、多数の設計が知られている。サンプリング容器は、アルミニウム溶湯に対しては黒鉛製、溶融鋳鉄に対してはセラミック材料製のものを用いることができる。しかしながら溶解および／または熱的不均衡の故に、鋼製のものは用いられない。
【０００４】
多くの容器は、機械加工しにくい材料でできているという欠点を有している。もう一つの欠点は、サンプルを取るために湯だまりに浸漬されるときに、熱ショックによって割れる恐れがあることである。特にセラミック材料製のものは割れやすい。
【０００５】
ＷＯ−Ａ１−９６／２３２０６（参考文献として取込み）は、分析すべき溶融金属の湯だまりに浸漬されるサンプリング容器を記載している。開示されているサンプリング容器は、壁の間にスペースを有する二重壁の鋼製容器であり、半径方向の熱伝達率が低い。スペースは空気のような断熱ガスで充填されることができる。容器の内側の壁は薄くて熱容量が小さく、従って短時間で容易に熱的定常状態が得られる。また、内部壁を取り囲む外部壁が放射遮蔽として働くのと、二つの壁の間に断熱スペースがあるために、内部壁の外面から失われる熱が環境雰囲気に出ていくことがない。
【０００６】
上述のＷＯ−Ａ１−９６／２３２０６のサンプリング容器は、その特別な性質の故に、ＣＧＩ製造用の熱分析に非常に適している。しかしながらその製造が高価である。これは、容器が一度しか使用されないことから言って不利益である。熱電対（複数）は適当な位置にある。すなわち、一つは内部壁の近傍にあり、他の一つは単位面積あたり均一の熱損失を有する仮想の球体の中心をシミュレートする位置にある。実際は、底部からの熱損失は頂部からの熱損失よりはるかに少ない。この不均一性の一つの理由は、解放された頂部は丸い底部よりもはるかに多くの熱を放散するからである。もう一つの理由は、上部で二つの壁が接合されている部分で、熱が断熱空気スペースを迂回することである。このことは不正確な結果を与える可能性があるので、無視できない欠点である。
【０００７】
管理すべき鋳物と近似した速度で冷却されることは、非常に重要である。平衡冷却は時間がかかり過ぎるので、例えばＣＧＩ製造の工程管理においては実用的な価値がない。なぜなら鋳造工程が完了するまでに結果が得られないであろうし、また類似した物質微細構造も形成しないであろう。
【０００８】
さらにまた、サンプリング装置は一回しか使用されないので、高価でないということが重要である。熱電体のような精密測定要素は特に高価なので、数回にわたって再使用されることが好ましい。多くの公知のサンプリング装置の重大な欠点は、比較的高価な熱電対が一度しか使用されないということである。
【０００９】
さらに他の欠点は、すべての容器が形態的および熱的条件に関して近似の特性を示すような、大きなロットのサンプリング容器を安価に製造することが困難なことである。
発明の開示
本発明の目的は、改良されたサンプリング装置を使用することによって、これらの少なからぬ不利益を克服することであり、サンプリングコンテナは制御された単位面積あたり熱損失を有し、溶融金属の球体をシミュレートしている。なぜならば球体は最も均一であり、したがって熱分析にとって最も正確で信頼性ある形状だからである。この制御された単位面積あたり熱損失を有するサンプリング装置は、サンプリングコンテナ内部における溶融金属の球状の固化をシミュレートするが、例えば製造上の限界の故に、球形の形状を有するものではない。本発明によるサンプリング装置は二重壁のコンテナを有しており、該コンテナは頂部に放射遮蔽を、二つの壁の間には調節されたスペースを具備している。このコンテナはより調節された熱損失を与え、高温に耐え、高価でなく、熱電体などの温度感応センサー手段の位置決めが改良されており、熱電対は容易に取り外して再使用可能である。
【００１０】
本発明によって解決された他の重要な問題は、溶融金属のシミュレートされた球体の、熱的中心の移動である。この熱的中心は、コンテナ内部のサンプルの解放された頂部表面が固化すると、下方へ移動する。
【００１１】
これら全ての要求は添付の請求項１に開示される特徴を有するコンテナによって達成される。現在まで、このようなサンプリング装置は入手できなかった。
【００１２】
サンプリング装置は１回のみの使用を目的としており、安価で、再現性ある形態的および熱的条件を与える。
【００１３】
コンテナの内部壁の外表面から出る熱は、直ちに環境雰囲気に逃がしてはいけないということが見いだされた。なぜならばそうすることは制御された、ゆっくりした、再現性ある熱除去率を達成することを非常に困難にするからである。したがって外部壁の目的は、内部壁とあいまって、固化中の金属の底部及び側面から失われる熱を制御するためのスペースを、壁と壁の間に画定することである。
【００１４】
したがって、内部壁と外部壁の間のスペースは、放射および熱伝導による熱損失を制御するための重要な要素である。このスペースが真空にされるか、あるいは空気のような透明な物質で満たされるならば、重要な熱伝達機構は放射によるものとなる。サンプリング装置中の固化しつつある金属の温度が高くなると、放射はますます重要になる。なぜならば放射の効果は絶対温度の四乗で増加するからである。
【００１５】
適当な媒体を選択して完全にまたは部分的にスペースを満たし、および／またはスペースの厚さを変えることによって、サンプリング装置の熱除去率の形態を熱分析に要求される値に適合させることができる。媒体は公知の適当な媒体でよく、砂、バーミキュライト、マイカ、マグネシア、緑泥石、各種セラミックおよびそれらの混合物を用いることができるが、空気などの気体を用いることがコストの点から好ましい。ある好ましい実施例においては、コンテナの平たい底部部分における二つの壁の間の距離（ｄ１）は、コンテナの二つの側壁の間の距離（ｄ２）の５−５０％、好ましくは約２０％であり、このようにして底部からの伝達による熱損失を増加させている。コンテナ底部の薄くされたスペースによって底部における熱伝達損失が増加し、コンテナの解放された頂部における熱損失とバランスし、かくして溶融金属球体の球状の固化がシミュレートされる。
【００１６】
もう一つの、より重要な要素はコンテナの形状である。保護チューブに内包された温度感応センサー手段を内部壁の内表面から一定の距離に位置させるために、コンテナは平たい底面を有する。製造上の実際的な理由によって、内部壁と外部壁はいずれも平たい底部を有するように作られる。内部壁の平たい底部部分の面積は、少なくともセンサー手段を内包する保護チューブの端部と同じ大きさであり、かくして前記チューブの端部までの距離が一定になる。ある好ましい実施例においては、前記平たい底部分の直径は保護チューブの断面の直径の二倍またはそれ以上である。コンテナ中の固化しつつある金属に部分的に浸漬される保護チューブの、底部表面に向いた端部は閉じられている。解放された保護チューブはセンサー手段が容易に破壊されるので使えない。
【００１７】
さらにまた、コンテナの解放された頂部部分（口）は最も重要なものである。蓋で覆われなければ、通常、熱損失は大きい。そこで、熱遮蔽を含む支持部材（図１の１５参照）が、脚を介してコンテナに取り付けられ、これが熱電対を位置決めする一方で、金属サンプルの頂部からの放射熱損失を低減する蓋として作用している。これがないと、サンプリング装置の頂部部分は冷体として働き、熱いコンテナから過大な放射を吸収するであろう。これはコンテナ底部のよりゆっくりした熱損失とバランスして、固化中の溶融金属球体の熱損失をシミュレートする。
【００１８】
壁際領域における初期のフレーク状黒鉛の形成によって解放される熱量は非常に小さく、信頼性ある管理パラメーターとしては不十分である。しかしながらコンテナ底部のサンプルの形状が大体において球状であり；かつ、サンプリング装置が（例えば溶融鋳鉄に浸漬されることによって）予熱されることによって壁際領域におけるチルゾーンの形成が避けられ；かつ、サンプリング装置が自由懸垂されていて、熱が床あるいは保持スタンドに抽出されないようになっているならば、サンプリング装置中の溶融鋳鉄内部に好ましい対流が発生する。この対流はサンプリング装置のコンテナの予熱された上部壁面からフレーク状黒鉛を“洗い流して”、フレークの成長を、実質的に球状であるコンテナ底部の、流れから隔離された領域に効果的に集中させる。
【００１９】
コンテナの内部壁はその総計熱容量が低いことが望ましく、したがって比較的薄く作られ、および／または比熱容量の低い材料で作られることが好ましい。これに加えて内部壁はその熱伝達係数が高いことが好ましい。これによってサンプル本体と壁の温度が均一化され；また総括熱伝達係数が高いことによって、一定量の熱を伝達するに要する時間が短縮される。
【００２０】
内部壁を作る材料は、上述した熱的特性を有し、サンプル採取された溶融金属中で熱的に安定であればなんでもよい。通常は金属または合金が用いられる。安価で、安定したロット製造を保証するものが好ましく、特に鋼が好ましい。
【００２１】
壁の放射特性を改良するために色および／または表面仕上げを変えることも可能である。
【００２２】
内部壁の内表面は、前記壁が熱い液状金属サンプルに溶けだしたり、これと反応したりすることを防ぐために、保護バリヤーでコーティングされていることが好ましい。このような保護コーティング層は、特にコンテナがサンプル採取に際して熱い液状金属に浸漬されることが予定される場合は、外部壁の外表面にも施されてよい。保護コーティング層は非常に薄いので、熱的バランスに影響することはない。しかしながら、コーティング層は固化挙動を特定する上では重要である。コーティング層は不活性であるか、またはＭｇを消費して、底部の温度感応センサー手段の近傍で、フレーク状黒鉛の形成を促進する物質でドーピングされていてもよい。このことはスウェーデン特許出願９７０４２０８−９（参考文献として取込み）に開示されており、スウェーデン特許出願９００３２８９−７（参考文献として取込み）に追加情報が与えられている。保護コーティング層はなんらかの耐熱性酸化物、例えばアルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリコンカーバイドなどであってもよい。
【００２３】
温度感応センサー手段は支持部材に取り付けられており、該支持部材がセンサー手段を定位置に案内し、固定している。熱分析のためのセンサーは一般に熱電対であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、固化中の金属の熱分析に適したものならばどんな種類のセンサーでもよい。スウェーデン特許出願９６００７２０−８赤外線パイロメトリ−参照（参考文献として取込み）。
【００２４】
熱分析のためのセンサー手段を以下において熱電対とするが、これは同心的に配置された保護チューブに内包されており、該保護チューブは固化中の金属に部分的に浸漬されている。一端が閉じられた保護チューブは支持部材、および該支持部材に配置された放射遮蔽によって、位置決めされ、保持されている、すなわち２点で固定されている。一つの熱電対（ゲージ部分）は前記チューブの閉じられた端部まで挿入されており、これは容易に取り外しできるようになっている。測定時間中の冷却曲線の移動を防ぐために、第二の熱電対の測定点（ゲージ部）を熱的中心に位置させることが重要である。すなわち、これも取り外し可能の第二の熱電対（ゲージ部）は、保護チューブに挿入されて、溶融サンプルの熱的中心に、好ましくは内側コンテナの全高さａの約２／３の距離ｃに置かれる。熱電対は取り外し可能であるから、数回の測定に再使用することができる。二つの熱電対を内包するチューブは、コンテナの平たい底部の内表面にできるだけ近く位置されるが、この表面に接触してはならない。保護チューブが固化中の金属で完全に取り囲まれ、空所や泡が測定に介入する可能性がないことを確かめることが重要である。また熱センサーが分析中に横にぶれたりしないように、しっかりと取り付けられていることが非常に重要である。不正確な位置決めは測定結果に大きく影響するので、少なからぬ不利益をもたらす。このことは支持部材およびこれに配置された放射遮蔽がセンサーを含む保護チューブを、したがって熱電対を正確に位置決めしていることによって避けられる。閉じられた端部から平たい底部までの距離ｂは、内側コンテナの全高さａの１−１０％、好ましくは約５％である。
【００２５】
保護チューブは例えば鋼、好ましくはステンレス鋼、または石英ガラスなどの材料で作られる。鋼製チューブは通常、コーティングが必要である。本発明は１本のみの保護チューブ、あるいは１対のみの熱電対の使用に限定されるものではなく、必要なだけの数をいろいろな距離、すなわち測定点において用いることができる。
【００２６】
本発明を以下において添付の図面を参照しつつより詳細に説明するが、その図面は下記の通りである。
【００２７】
図１はＣＧＩ製造に関連して用いるために設計された、本発明の一実施例によるサンプリング装置の概念的な断面図である。
【００２８】
図２は固化しつつある溶融金属サンプル中の流れを示しており、これらの流れが通常、コンテナ壁の近傍に形成されるフレーク状黒鉛の層に影響する様子を示している。
【００２９】
図１は本発明によるサンプリング装置１を示している。該サンプリング装置は、実質的に円筒形で、頂部が解放されており、平たい部分２ｃを備えた半球形の底部部分２ｂを有し、固化中の溶融金属のサンプル本体３でコンテナの口１２まで満たされる二重壁のサンプルコンテナ２と、熱分析のための温度感応センサー手段４ａ−ｂと、放射遮蔽１９とともに脚１６を介してコンテナ２に取り付けられたセンサー支持部材１５とを有している。前記支持部材１５および放射遮蔽１９は、前記センサー手段４ａ−ｂを内包する保護チューブ１４をしっかりと定位置に案内している。以下において熱電対と呼ばれる温度感応センサー手段４ａ−ｂのゲージ部分５ａ−ｂは、サンプル本体３中に浸漬されている。
【００３０】
コンテナはいずれも薄い鋼板でできた内部壁６および外部壁７を有し、これらの壁の間に、内部壁６の外表面９と外部壁７の内表面１０で画定されるスペース８を有している。折り曲げ部１１がコンテナ２の口１２のところで壁６および７をつないでいる。折り曲げ部１１はまた連続した継ぎ目またはスポット溶接であってもよい。スペース８は空気で満たされている。二つの熱電対４ａ−ｂは鋼、セラミック、ガラス、またはその他の適当な材料でできた保護チューブ１４の内部に、垂直に一直線に配置されている。第一の熱電対４（ゲージ部分５ｂ）は内部壁６の内表面１７に近接した場所に置かれており、他の熱電対４（ゲージ部５ａ）はサンプル本体３の熱的中心ａに置かれている。センサー支持部材１５が、熱電対４を内包する保護チューブ１４を、分析中に強固に定位置に保持するために備えられている。熱電対４はケーブル１３で熱分析評価装置（図示せず）に接続されており、前記ケーブルを通ってゲージ部５ａ−ｂからの測定信号が前記装置に送られて分析に付される。
【００３１】
保護チューブ１４の端部はコンテナ２の平たい底部２ｃから距離ｂに位置している。
【００３２】
分析に際して、コンテナが分析すべき溶融金属に浸漬されると、液状の溶融金属は脚１６の間を通ってコンテナ２に流れ込む。
【００３３】
図１に図示されるように、分析に際してコンテナ２は常に同じ量の溶融金属で満たされる。一定の熱的条件と、反応性コーティング層との一定の反応を保証するために、毎回のサンプルは同じ量の溶融金属を有しなければならない。注ぎ込み充填を必要とする従来の熱分析容器においては、サンプルの量を一定にすることが問題であった。本発明は浸漬型の充填であり、金属の流入のためのスペースが大きいので、作業員の誤差が低減され、サンプリングの容易さが改善される。
【００３４】
本発明は図示された実施例に限定されるものではなく、他の実施例にも適用可能である。当業者にとってはサンプリング装置に適当な改造を施すことは専門技術の範囲内であり、また前記装置はＣＧＩまたは他の形の鋳鉄の製造用に限定されるものではなく、その他の各種金属の製造に用いられてもよいことが理解されるであろう。
【００３５】
本サンプリング装置は好ましくはＵＳ−Ａ−４，６６７，７２５に開示される方法によって、ＣＧＩの製造に関連して用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＧＩ製造に関連して用いるために設計された、本発明の一実施例によるサンプリング装置の概念的な断面図である。
【図２】固化しつつある溶融金属サンプル中の流れを示しており、これらの流れが通常、コンテナ壁の近傍に形成されるフレーク状黒鉛の層に影響する様子を示す図である。
【図１】
0004025505.tif 000002
【図２】
0004025505.tif 000003