ISO/TC 25 N 467. 日本の JIS G 5505 の球状化率の導出式に対する WG10 Convenor のスティーブ ドーソンの意見. 原文 ISO/TC 25 Cast irons and pig irons

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1 ISO/TC 25 N 467 日本の JIS G 5505 の球状化率の導出式に対する WG10 Convenor のスティーブ ドーソンの意見 原文 ISO/TC 25 Cast irons and pig irons of secretary: shanti.conn@bsigroup.com Secretariat: BSI (United Kingdom) N 467 Comments on nodularity (N 458) and on JSA comparison of the nodularity equation (N 463) - by WG 10 Convenor Document type: Other committee document Date of document: Expected action: INFO Background: Steve Dawson (WG 10 Convenor) has submitted the following document as a response to: a) ISO/TC 25 N 458 "Calling notice for proposal for a test method for determining nodularity in spheroidal graphite cast irons which is to be included in the ISO 945 series" and b) Japan's (JSA's) response to N 458, ISO/TC 25 N 463 "Comparison of the nodularity equation - by JSA". As convenor of Working Group 10, which has responsibility for the ISO standard for Compacted (Vermicular) Graphite Cast Irons (CGI), I would like to provide some comments to help clarify the JSA input (attached document ISO/TC 24 N463) to the ISO 945 calling notice for a test method to determine the nodularity of ductile iron. I hope that these initial overview comments are helpful. Intention of ISO nodularity Evaluation Method (Annex B) The original intention of Annex B in ISO was to define a method specifically for the image analysis of CGI. The objective of the Working Group was to define image analysis guidelines that provided good resolution and reproducibility in low nodularity range, addressing the specific needs of CGI manufacturers and end-users. The technique was developed to agree with the visual analysis of CGI nodularity that had already been rather well established between the foundries and the OEMs. The technique had the ambition to provide a handshake with the existing ductile iron nodularity rating charts at 50% nodularity. From that point, the ductile iron rating charts and rating techniques could take over, fulfilling the specific needs of the ductile iron industry. I have recently become aware of some attempts to extend the ISO nodularity rating technique to the evaluation of ductile iron, but the ISO technique wasn t intended for this purpose. Accordingly, I would suggest that the JSA comments regarding the ISO nodularity rating technique should not be applied to the new efforts to establish an image analysis technique for the

2 nodularity of ductile iron. Definition: nodularity vs. Shape Factor The Japanese proposal and ISO measure two different things. The Japanese proposal (JIS G 5505) calculates the weighted average shape of the graphite particles. In contrast, the ISO determines the percent of the particles that are nodules (based on area). The fact that the two approaches are measuring different things makes it difficult to compare results. It may indeed be interesting to determine the average graphite shape, but it would be better to give that measurement a different name, for example, Graphite Shape Factor. I propose that term nodularity should continue to be used to convey the percent of the graphite particles that are nodular. It is interesting to note that the Chinese standard (GB 9441) takes a similar approach to JIS G 5505, in that it calculates the weighted average shape of the graphite particles rather than the percent of nodular particles. I think that it would be a helpful contribution for ISO 945 to clarify the different definitions for average shape factor vs. nodularity. Nodularity Scale The Japanese proposal advocates a continuous scale from 0 to 100, encompassing the spectrum from flake graphite to spheroidal graphite. The assigned shape factor for compacted (vermicular) particles is 0.2. Therefore, if all of the particles are compacted (vermicular), the nodularity is said to be 20%. But again, this is a matter of definition. The ISO definition of nodularity is a measure of the percent of the particles that are nodules. Therefore, if all of the particles are compacted (vermicular), then none of the particles are nodules and the nodularity is 0%. The Chinese standard (GB 9441) assigns a shape factor of 0.3 for compacted (vermicular) particles. Therefore, a structure with only compacted (vermicular) particles (no nodules) would be assigned a nodularity of 30%. I fear that it would be very confusing for the design engineers if the foundry community said that a structure with no nodules has 20% or 30% nodularity. This shows the importance of differentiating between the shape factor and the nodularity. Also, the adoption of a 0 to 100 scale for the spectrum from flake to nodular graphite effectively compresses the scale we lose 20% (Japan) or 30% (China) of the resolution of the scale. Resolution The primary limitation of the JIS G 5505 (or the GB 9441) approach is the measurement resolution. In the case of the JIS approach, consider the example of a perfect CGI microstructure with 100 vermicular particles. The nodularity is 20%. Now, consider an example with 10 flake graphite particles, 80 vermicular particles, and 10 Form IV particles. The nodularity is equally 20%. The shape averaging effect results in the two microstructures having the same nodularity, even though they have significantly different structures and significantly different properties. It isn t possible for the end-user to have confidence that the 20% nodularity structure is free from flake graphite, which is the primary requirement of CGI. Classification of Shape Factor

3 Unfortunately, Table 2 (Page 6) of the JSA input has misinterpreted Figure B.3 (Annex B) of the ISO standard. Table 2 in the JSA proposal has assumed that the rows in Figure B.3 correspond to the different Forms of graphite, with the first (bottom) row of Figure B.3 representing Form I and Form II graphite. However, Figure B.3 was only intended to show example particles with different Roundness values there is no correlation between the rows and the different graphite Forms. The proposal in Table 2 of the JSA input suggests that graphite particles with Roundness Shape Factors of 0.10 to 0.20 should be regarded as Form II, but the particles with Roundness Shape Factors in this range are compacted (vermicular). The cut-off for the lower limit between compacted (vermicular) and flake graphite is difficult for image analysis, and depends heavily on polishing and lighting. The differentiation between flake graphite and compacted (vermicular) particles is facilitated by the fact that flake graphite rarely grows as individual flakes in CGI. The flakes usually appear as undertreated eutectic cells or colonies of flakes, so it isn t really necessary to identify single flake particles if an isolated particle appears as a flake in an otherwise compacted (vermicular) microstructure, it is probably due to insufficient polishing rather than insufficient magnesium. CGI Range The JSA proposal (Section 4.5 b), Page 9) advocates a range 20% to 70% nodularity for CGI. However, this range is too large for the prevailing industrial perception of compacted (vermicular) graphite cast iron. The range of mechanical, physical (thermal conductivity) and operational (castability, machinability) properties varies too much in this wide 20-70% range. Also, ductile iron is suggested to be >80% nodularity. Accordingly, the JSA proposal leaves only 10% separation between CGI and ductile iron. In the existing ISO definitions of CGI and ductile iron, there is a separation of approximately 60% nodularity between the two materials. Compression at Elevated nodularity The JSA input in N 463 indicates that the ISO nodularity rating technique compresses at high nodularity. This is true, but again, the ISO was specifically developed for resolution in the low- nodularity (<50%) range and was not intended to be used for the evaluation of ductile iron. Nonetheless, this compression is a common challenge for the image analysis of ductile iron because there are not many perfect nodules. Indeed, the JSA proposal also suffers compression at high nodularity. Figures 3, 4, 5 and 6 all show that it is very difficult to achieve higher than approximately 87% nodularity indeed, there seems to be a saturation at approximately 85%, where the tensile strength and elongation continue to increase but the nodularity does not increase. The resolution problem with weighted average shape factor techniques such as the Japanese and Chinese proposals is also evident at the lower end of the scale. The averaging of the shape factor at the low end of the scale (Forms I, II, III and III) obscures the sharp transition between compacted (vermicular) graphite and flake graphite. This is evident in Figures 3, 4, 5 and 6 where there is an overlap of the property values, particularly in Figure 5 where there is no resolution in the elongation from 0 to 30% nodularity. The root of the problem is that the flake

4 particles dictate the properties, but the weighted average technique dilutes the ability to quantify the presence of flakes. This resolution and dilution is further exacerbated by the choice of the Roundness cut-off limits, where many of the particles with Roundness <0.20 are actually compacted (vermicular). Hand Calculation The JSA proposal (Item 3.3 c), Page 6) advocates the use of number counting rather than area so that the technique can also be used for hand calculation. We must be sympathetic that some foundries cannot afford image analysis equipment. However, the purpose of the Annex B in ISO (and of a future ISO 945 standard) is to establish a technique specifically for image analysis. I propose that the development of image analysis techniques should not be constrained by hand counting considerations. If necessary, separate hand counting standards can be developed. However, it would seem better if ISO could publish wall charts for CGI and ductile iron. Such rating charts could be used by foundries that cannot afford image analysis, and would be faster than hand counting. Machining The JSA proposal (Item 4.6, Page 12) suggests that Annex C of the ISO standard should be revised to include the machining of ferritic CGI. Annex C in the original ISO standard focused on pearlitic CGI because the pearlitic grades presented more of a machinability challenge, and because pearlitic grades were used for cylinder blocks, which have more machining requirements than most other components. Ferritic grades such as exhaust components had relatively little machining and, as these applications were substitutional for ductile iron components, the machinability was not considered to be an obstacle to production. Since the original drafting of the ISO standard in , the industry has evolved significantly and more than one million CGI engine blocks will be produced this year. A large body of competence and proprietary know-how has been developed in the machining industry. It is therefore proposed that Annex C could simply be removed in the next review of the ISO standard. In conclusion, the ISO rating technique works well for CGI and is widely used in the industry. I would like to suggest that the development of a new image analysis nodularity rating technique for ductile iron should not be influenced by the ISO standard. Grey iron, compacted (vermicular) graphite iron and ductile iron are different materials with different needs and bespoke evaluation should methods be used to define the graphite microstructure of each of these materials. I would also like to take this opportunity to encourage the definition of nodularity as the percent of graphite particles that are nodules, rather than on the basis of the weighted average graphite shape. Sincerely, S Dawson/Convenor, TC 25 / WG 10

5 邦訳 背景 : スティーブ ドーソン (WG10 Convenor) は次の理由のため 回答として以下のドキュメントを提出しました a) ISO/TC25N458 が 球状黒鉛鋳鉄の中に球状化率を決定するための ISO945 シリーズに含まれることになっていることであるテスト方法のための提案のための通知と呼ぶ そして b) N458 ISO/TC への日本の (JSA) の回答書 25N 463 JSA による球状化率方程式の比較 作業部会 10 の召集者として JSA 入力 ( 付けられていて ISO/TC24N463 を記録する ) をダクタイル鋳鉄の球状化率を決定するためのテスト方法のための通知と呼ぶ ISO945 にはっきりさせるのを助けるためにいくつかのコメントを提供したいと思います ( 作業部会には バーミキュラ鋳鉄 (CGI) の ISO16112 規格に対する責任があります ) これらの初見のコメントが役立つことを願っています ISO16112 球状化率評価方法 (Annex B) の意志 ISO16112 の Annex B のオリジナルの意志は 特に CGI の画像解析のための方法を定義することでした 作業部会の目的は低い球状化率範囲の良い解決と再現性を供給した画像解析ガイドラインを定義することでした CGI メーカーとエンドユーザの特定のニーズを記述して 技術は 鋳造場の間で既にかなり確固としている CGI 球状化率と OEM の視覚分析に同意するために見いだされました テクニックには 50% の球状化率で延性がある鉄の球状化率格付けの図を存在による 握手 ' に提供する野心がありました そのポイントからは ダクタイル鋳鉄格付けの図と格付けのテクニックは引き継ぐことができました ダクタイル鋳鉄産業の特定のニーズを実現させて 私によって 最近 ダクタイル鋳鉄の評価への ISO16112 球状化率格付けのテクニックを広げるいくつかの試みでは ISO16112 のテクニックだけがこのために意図しなかったのを意識するようになります それに従って 私は ISO16112 球状化率格付けのテクニックに関する JSA コメントがダクタイル鋳鉄の球状化率のために像解析法を証明するための新しい努力に適用されるべきでないと示唆するでしょう 定義 : 球状化率 vs. 形状係数日本の提案と ISO16112 は 2 つの別物を測定します 日本の提案 (JIS G5505) は黒鉛粒子の加重平均形について計算します 対照的に ISO16112 は球状 ( 領域に基づいている ) である粒子のパーセントを決定します 2つのアプローチが別物を測定しているという事実で 結果を比較するのは難しくなります 平均した黒鉛組織を決定するのが 本当におもしろいかもしれませんが 異なった名前をその測定に与えるほうがよいでしょう 例えば Graphite Shape Factor 私は 用語 " 球状化率 " が 小結節性であることの黒鉛粒子のパーセントを伝えるのに使用され続けるべきであるよう提案します 中国の規格 (GB9441) が JIS G5505 への同様のアプローチをすることに注意するのは おもしろいです 小結節性の粒子のパーセントよりむしろ黒鉛粒子の加重平均形について計算するので 私は ISO945 が 球状化率 ' に対して 平均した形状係数 ' のための異なった定義をはっきりさせるのが 役立っている貢献であると思います 球状化率スケール片状黒鉛から球状黒鉛までスペクトルを包含して 日本の提案は 0~100 まで連続したスケールを支

6 持します バーミキュラ粒子のための割り当てられた形状係数は 0.2 です したがって 粒子のすべてがバーミキュラ鋳鉄なら 球状化率は 20% であると言われます しかし 一方 これは定義の問題です 球状化率の ISO16112 定義は球状である粒子のパーセントの測定です 粒子のすべてがバーミキュラ鋳鉄なら 粒子のいずれも球状ではありません したがって球状化率は 0% です 中国の規格 (GB9441) はバーミキュラ鋳鉄粒子のために 0.3 の形状係数を割り当てます したがって 30% の球状化率はバーミキュラ鋳鉄粒子 ( 球状でない ) だけがある構造に割り当てられるでしょう 設計技師には 鋳造場共同体が 球状で構造に球状化率が 20% か 30% あると言うことは非常に紛らわしいと思います これは形状係数と球状化率を区別する重要性を示しています また 事実上 片状から球状黒鉛までのスペクトルのための 0~100 スケールの採用はスケールを圧縮します-- 私たちはスケールの解決の 20%( 日本 ) か 30%( 中国 ) を失います 解決 JIS G5505 ( または GB9441) アプローチの第一の制限は測定法の解決です JIS のアプローチの場合では 100% のバーミキュラの粒子で 完全な CGI ミクロ構造の例を考えた場合は 球状化率は 20% になります 今度は 10% の片状黒鉛粒子 80% のバーミキュラ粒子 および 10% の Form IV 粒子で例を考えてください 球状化率は等しく 20% です 効果を平均する形は同じ球状化率を持っている 2 つのミクロ構造をもたらします それらには かなり異なった構造とかなり異なった特性があります エンドユーザには 20% の球状化率構造に片状黒鉛がないという信用があるのは 可能ではありません ( 信用は CGI の第一の必要条件です ) 形状係数の分類残念ながら JSA 入力の Table2 (6 ページ ) は ISO16112 規格の図 B.3(Annex B) を誤解しています JSA 提案における表 2 は 図 B.3 の列が黒鉛の異なった Forms に対応すると仮定して 図 B.3 の最初の ( 下部 ) が Form Ⅰと Form Ⅱの黒鉛を表すとしています しかしながら 図 B.3 が異なった球状化値での黒鉛粒子の例を見せることを意図しただけです-- 列と異なった黒鉛 Forms との相関関係が全くありません (Table 2 in the JSA proposal has assumed that the rows in Figure B.3 correspond to the different Forms of graphite, with the first (bottom) row of Figure B.3 representing Form I and Form II graphite. However, Figure B.3 was only intended to show example particles with different Roundness values there is no correlation between the rows and the different graphite Forms.) JSA 入力の Table2 での提案は 0.10~0.20 の Roundness Shape Factors がある黒鉛粒子が Form II と見なされるべきですが Roundness Shape Factors がこの範囲にある粒子がバーミキュラ鋳鉄を示します バーミキュラと片状黒鉛の間の仕切り値は 画像解析に難しく 大いにつや (polishing) が出るのと照明によります 片状黒鉛が個々の剥片として CGI でめったに成長しないという事実によって片状黒鉛とバーミキュラ粒子の間の分化は容易にされます 孤立した粒子が剥片として中に現れるなら剥片が剥片の undertreated 共晶セルか居留地として通常現れるので 単一の剥片粒子を特定するのは 本当に必要ではありません そうでなければ バーミキュラ鋳鉄のミクロ構造 それがたぶ

7 ん不十分なマグネシウムよりむしろ不十分につやが出るためです CGI 範囲 JSA 提案 ( セクション 4.5b) 9 ページ ) は CGI のために 20% から範囲の 70% の球状化率について提唱します しかしながら バーミキュラ黒鉛鋳鉄の行き渡っている産業界が認知するには この範囲は大き過ぎます 機械的で 物理的 ( 熱伝導率 ) で操作上 ( 可鋳性 切削性 ) の性質の範囲はこの 20-70% の広範囲で異なり過ぎます また ダクタイル鋳鉄は > の 80% の球状化率になるように示されます それに従って JSA 提案は CGI とダクタイル鋳鉄の間に 10% だけを分離に残します CGI とダクタイル鋳鉄の既存の ISO 定義には 2 つの材料の間には 約 60% の球状化率の分離があります 高い球状化率をもつバーミキュラ N463 での JSA 入力はその高値における ISO16112 球状化率格付けのテクニック バーミキュラの球状化率を示します これが本当ですが 一方 ISO16112 は低い球状化率 (<50%) 範囲での解決のために明確に開発されて ダクタイル鋳鉄の評価に使用されることを意図しませんでした それにもかかわらず それほど多くない 完全な ' 球状があるので このバーミキュラはダクタイル鋳鉄の画像解析のための共通課題です 本当に また JSA 提案は高い球状化率にバーミキュラいれます 図 および 6 がすべて それは約 87% の球状化率より高く達成するのが非常に難しいのを示している 本当に しかし 引張強度と伸びが 増加し続けているところで飽和は約 85% であるように思えますが 球状化率は増加しません また 日本の そして 中国の提案などの 加重平均 ' 形状係数のテクニックに関する解決問題もスケールの下側の端で明白です スケール ( フォーム I II III および III) のローエンドの形状係数の平均はバーミキュラ黒鉛と片状黒鉛の間の機敏な変遷をあいまいにします これは特性の値のオーバラップがある図 および 6 で明白です 特に図 5 では伸びにおける解決が全く 0~30% の球状化率では認められません 問題の本質は 片状粒子が特性を書き取りますが 加重平均のテクニックが片状黒鉛の存在を定量化する能力を希釈するということです この解決と希釈は Roundness 区切り限界の選択でさらに悪化させられます ( そこでは Roundness<0.20 がある粒子の多くが実際にバーミキュラであることです ) 手計算 JSA 提案 ( 項目 3.3c) 6 ページ ) はまた 手計算 にテクニックを使用できるくらい領域よりむしろ重要である数の使用を支持します 私たちはそうであるに違いありません いくつかの鋳造場がイメージ分析装置を提供できないのは 同情的です しかしながら ISO16112( そして将来の ISO945 規格について ) の Annex B の目的は 特に画像解析のためのテクニックを証明することです 私は 像解析法の開発が手で問題を数えながら強制的であるべきでないよう提案します 必要なら 別々の手で数える規格は開発できます しかしながら ISO が CGI とダクタイル鋳鉄のために壁図を発表できるなら それは より良く見えるでしょうに 画像解析を提供できない 手で数えるより速い鋳造場はそのような格付けの図を使用できます 機械加工

8 JSA 提案 ( 項目 ページ ) は ISO16112 規格の Annex C が ferritic CGI の機械加工を含むように改訂されるべきであると示唆します pearlitic グレードが一層の切削性挑戦を提示して pearlitic グレードがシリンダブロック ( 他のほとんどのコンポーネントより多くの機械加工要件がある ) に使用されたので オリジナルの ISO16112 規格における Annex C は pearlitic CGI に焦点を合わせました 排気コンポーネントなどの Ferritic グレードに 比較的小さい機械加工がありました そして ダクタイル鋳鉄成分において これらのアプリケーションが代理でした 切削性は生産への障害であると考えられていませんでした の ISO16112 規格のオリジナルの草稿以来 産業はかなり発展しています そして 100 万個以上の CGI エンジンブロックが今年 作り出されるでしょう 能力と独占ノウハウの大きいボディーは機械加工産業で開発されました したがって ISO16112 規格の次のレビューで単に Annex C を取り外すことができるように提案します 結論として ISO16112 格付けのテクニックは CGI にうまくいって 産業に広く使用されます ダクタイル鋳鉄のための新しい画像解析球状化率格付けのテクニックの開発が ISO16112 規格によって影響を及ぼされるべきでないと思います 方法がそれぞれのこれらの材料の黒鉛のミクロ構造を定義するのに使用されるなら ねずみ鉄 バーミキュラ黒鉛鋳鉄 およびダクタイル鋳鉄は異なった必要性と注文の評価がある異なった材料です また加重平均黒鉛に基づいてというよりむしろ球状である黒鉛粒子のパーセントが形成されるとき この機会に球状化率の定義を奨励したいと思います (In conclusion, the ISO rating technique works well for CGI and is widely used in the industry. I would like to suggest that the development of a new image analysis nodularity rating technique for ductile iron should not be influenced by the ISO standard. Grey iron, compacted (vermicular) graphite iron and ductile iron are different materials with different needs and bespoke evaluation should methods be used to define the graphite microstructure of each of these materials. I would also like to take this opportunity to encourage the definition of nodularity as the percent of graphite particles that are nodules, rather than on the basis of the weighted average graphite shape.)