介在物とは、液体アルミニウム合金中に含まれる固体粒子のことです。通常は非金属であり、その発生源によって性質が異なります。
介在物に関する問題
介在物が大きく、濃度が高すぎると、 鋳造時に問題を引き起こす可能性があります。介在物に関連する問題の例を以下に示します。
- 薄板箔のピンホール
- 飲料容器のフランジ割れ
- 明るい自動車のトリムやリソグラフィー材料の表面の縞模様
- 伸線作業中の破損
- 工具の摩耗の増加
- 多孔性の増加
- エンジンブロックの耐圧性の低下
- 加工性が悪い
- 表面の外観上の欠陥
- 機械的特性の低下（例：引張強度、降伏強度、伸び）
包含タイプ
酸化膜
溶融アルミニウムは周囲の空気と接触すると酸素と反応し、酸化膜層（ガンマAl 2 O 3）を形成します。この層は時間とともに厚くなります。溶融アルミニウムが攪拌されると、この酸化膜が溶融物内に混入します。
炭化アルミニウム
一次アルミニウム生産において、炭化アルミニウム（Al 4 C 3 ）は、炭素陽極と陰極が混合物と接触するアルミナの還元反応によって生成されます。工程の後半では、溶融アルミニウムと接触する炭素工具が反応し、炭化物を生成する可能性があります。
酸化マグネシウム
マグネシウムを含むアルミニウム合金では、マグネシウム酸化物（MgO）、直方体（MgAl 2 O 4 -直方体）、および冶金スピネル（MgAl 2 O 4 -スピネル）が形成されることがあります。これらは溶融マグネシウムと酸素の反応によって生成され、時間と温度の上昇とともに、より多くのマグネシウム酸化物が形成されます。
スピネルは、その大きなサイズと高い硬度のため、非常に有害となる可能性があります。
耐火材料
アルミニウムと接触した耐火物の粒子は剥離して介在物となることがあります。グラファイト介在物（C）、アルミナ介在物（α-Al 2 O 3）、CaO、SiO 2などが見られます。
しばらくすると、アルミニウムと接触しているグラファイト耐火物が反応して、炭化アルミニウム（より硬く、より有害な介在物）が生成されます。
マグネシウムを含むアルミニウム合金では、マグネシウムがいくつかの耐火物と反応して、スピネルに似たかなり大きくて硬い介在物が生成されます。
未反応の耐火粒子は、溶融物と接触する耐火材料の劣化によって発生する可能性があります。
塩化物
塩化物介在物（MgCl 2、NaCl、CaCl 2など）は、液体金属中で液体となる特殊な介在物です。アルミニウムが凝固すると、水素ガスの気孔に似た球状の空隙を形成しますが、この空隙にはアルミニウムの温度が上昇した際に形成された塩化物結晶が含まれています。
フラックス塩
塩化物と同様に、フラックス塩も液体介在物です。これらは、洗浄のために溶融金属に添加されるフラックス処理によって発生します。
意図的に添加された含有物
チタンホウ化物（TiB 2）は、機械的特性を向上させるために結晶粒を微細化するために意図的に溶融物に添加されます。
リンは、機械的特性を向上させるためにシリコン相を改質するために溶融過共晶合金に添加されます。これによりAlP介在物が生成されます。
ホウ素処理介在物（（Ti、V）B 2）は、溶融物にホウ素を添加してバナジウムとチタンを沈殿させ、導電性を高めるときに形成されます。
あまり見られない介在物
アルミニウム合金には、針状アルミナ（Al 2 O 3）、窒化物（AlN）、酸化鉄（FeO） 、酸化マンガン（MnO）、フッ化物（Na 3 AlF 6、NaF、CaF 2、…）、アルミニウムホウ化物（AlB 2、AlB 12）、炭化ホウ素化合物（Al 4 C 4 B）などの介在物も含まれています。
トラフの亀裂を補修するために時々添加される 骨灰（Ca 3 (PO 4 ) 2 ）は、溶融物内の介在物として見つかることがあります。
包含測定
溶融アルミニウム中の介在物含有量を測定する方法はいくつかあります。[1]最も一般的な方法は、PoDFA、Prefil、K-Mold、LiMCAです。介在物の測定は、炉の準備、合金組成、原料の混合、沈降時間などのパラメータが溶湯の清浄度に与える影響を理解する上で非常に役立ちます。
ポDFA
PoDFA法は、溶融アルミニウム中の介在物の組成と濃度に関する情報を提供します。PoDFAは、プロセスの特性評価と最適化、そして製品の改善に広く利用されています。これにより、様々な操業方法が金属の清浄度に及ぼす影響を迅速かつ正確に評価したり、ろ過効率を特定したりすることが可能になります。
PoDFA法は、リオ・ティント・アルカン社によって1970年代に開発されました。この金属組織分析法は、長年にわたり、様々な合金に対して最適化されてきました。
測定原理は以下のとおりです。所定量の溶融アルミニウムを、制御された条件下で非常に微細な多孔性フィルターを用いて濾過します。溶融アルミニウム中の介在物はフィルター表面に約10,000倍濃縮されます。その後、フィルターは残留金属と共に切断、マウント、研磨され、訓練を受けたPoDFA金属組織学者によって光学顕微鏡下で分析されます。
プレフィル
Prefil法[2]はPoDFAに類似していますが、金属組織学的分析に加えて、フィルターを通過する金属流量から金属の清浄度に関する即時フィードバックも提供します。ろ過に関するすべての要素（圧力、金属温度など）が適切に制御されているため、ろ過速度に影響を与える唯一のパラメータは介在物含有量です。ろ過曲線（ろ過された金属の重量と時間の関数）から清浄度レベルを判定できます。
K-モールド
K-モールドは破壊試験法の一種です。溶融金属をノッチ付きの鋳型に流し込みます。凝固後、得られた棒を曲げて破断面を露出させます。破断面における介在物の目視観察から溶融金属のK値を求め、予め設定された基準値と比較します。この方法は精度が低いため、金属に大きな介在物や介在物のクラスターが含まれている場合にのみ適しています。[3]
LiMCA
LiMCA法[4]は、アルミニウム合金中に存在する介在物の総濃度と粒度分布を測定します。その測定原理は、客観的かつユーザーに依存しない方法に基づいています。LiMCA CMシステムは、 1分程度の時間間隔で溶湯の清浄度を評価できます。そのため、プロセスパラメータと溶湯の取り扱い方法に応じて、鋳物全体にわたる清浄度の変化をリアルタイムで監視できます。
LiMCA測定システムの心臓部は、底部に小さな開口部を備えた密閉ガラス管（電気絶縁体）です。この管は液体金属中に設置されます。管内を真空にすることで、検出対象となる浮遊介在物を含む金属が小さな開口部を通過します。この際、2つの電極が必要です。1つは管の内側、もう1つは外側です。両方の電極は液体金属に浸されます。電極間には一定の電流が流されます。電流は管内の小さな開口部を通って液体金属を流れます。介在物が開口部に入ると、その体積の導電性流体が押し出され、一時的に電気抵抗が上昇します。抵抗の上昇によって電圧パルスが発生します。電圧パルスの振幅は粒子の体積の関数です。パルスの持続時間は介在物の通過時間に関連します。電圧パルスは増幅され、その振幅はデジタル的に測定されます。粒度分布と総濃度は、コンピュータ画面にリアルタイムで表示されます。
包含物の除去
高品質な製品を得るためには、介在物を除去することが必要です。セラミック媒体を通した液体金属のろ過は、金属を効率的に洗浄する方法です。鋳造工場では、セラミックフォームフィルター、多孔質チューブフィルター、結合セラミックフィルター、ディープベッドフィルターなど、様々な種類のセラミック媒体がインラインで使用されています。
参照
参考文献
- ^ Doutre, D., Gariepy, B., Martin, JP, Dube, G., 「アルミニウム清浄度モニタリング：プロセス開発と品質管理における方法と応用」Light Metals, pp 11 79-1196 (1985)
- ^ 航空宇宙用合金の製造におけるアルミニウム二次産業における非金属介在物、ベルント・プリルホファー、ヘルムート・アントレコヴィッチ、ホルム・ベッチャー、フィル・エンライト、Light Metals 2008
- ^ O. Majidi、SG Shabesari、MR Aboutalebi、「溶融アルミニウム精錬プロセスにおけるフラックス温度の研究」、Journal of Materials Processing Technology、第 182 巻、第 1 ～ 3 号、2007 年 2 月 2 日、450 ～ 455 ページ
- ^ Guthrie, R. および Doutre, DA, 「液体金属中の介在物のオンライン測定」『液体、アルミニウム、および鉄合金の精製と合金化』pp 145-164 (1985年8月)
