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非平衡プロセス研究室の概要

　当研究室では、材料の非平衡状態を積極的に利用した新材料の創製および新しい創製プロセスの開発を主眼においた研究を行っている。
　高強度、高靱性、熱電特性、耐食性、形状記憶効果、水素吸蔵特性などの諸特性を持った新材料を、材料電磁プロセス、メカニカルアロイング、パルス通電焼結、半溶融成形加工、コールドクルーシブルレビテーション溶解、などやこれらを組み合わせた先進的材料創製プロセスの開発・利用により創製する。
　このほか、コンピュータを駆使した材料設計、組織制御を行い、新材料開発の推進を図ると共に、データベース化も進める。現在は以下のような課題を中心に取り組んでいる。

研究テーマ

1. マイクロエクスプロージョンによる金属材料の組織超微細化技術の研究
2. アモルファス構造制御材料創製
3. 機械的合金化法による合金化メカニズムの解明と粉末固化技術の開発
4. 高耐食性鉄合金の高次成形技術に関する研究
5. 粉体成形加工プロセスの高度化による高性能複合材料の開発とその接合技術に関する研究
6. アモルファス構造制御材料の相変化に伴う特性制御技術の開発
7. 環境材料としての金属間化合物の利用に関する研究
8. 超臨界脱脂技術による金属間化合物ネットシェイプ技術

スタッフ

研究の内容

１．電磁振動力を利用した新しい金属材料の組織微細化に関する研究

　直流磁場と交流電場の併用により発生する電磁振動力を、凝固時の金属材料に加えることにより、固液界面に効果的にマイクロエクスプロージョンというミクロな気泡の破裂現象を発生させて金属組織を微細化する新プロセス技術の開発をおこなう。凝固中のAl-17%Si合金に電磁振動力を付与した結果、従来の凝固組識に比べて初晶Siの大きさを1/5〜1/10程度に減少させることが可能となった。

通常凝固	電磁振動下凝固 （マイクロエクスプロージョン）
Ａｌ−１７％Ｓｉ合金の組織に及ぼす マイクロエクスプロ−ジョン発生の効果

２．マグネシウム合金のメカニカルアロイング(ＭＡ)による微細非平衡粉末の合成とそのバルク化

　マグネシウム合金は軽量金属材料として、その用途が拡大しつつある。しかし、アルミニウム合金に比べると、耐食性や強度の面で課題が残されている。そこで、マグネシウム合金の強度と耐食性を改善するため、メカニカルアロイングによる非平衡相粉末の合成とパルス通電焼結によるバルク化を行った。マグネシウムは軟らかいため、ＭＡによる粉末合成が困難であるが、ボロンを添加することにより微細な粉末を合成できることを見出した。得られたＭＡ粉末を５００ＭＰａの加圧下で４２３Ｋにて固化成形すると、非平衡相を含むバルク体を作製することができた。得られた非平衡マグネシウム合金バルク体は耐食性の改善が認められた。

非平衡マグネシウム合金のバルク体	非平衡マグネシウム合金のバルク体のＸ線回折と熱分析(DSC)

３．高性能熱電材料の作製

　熱電材料は熱を電気に変換するエネルギ−変換材料の一つである。これまでに開発された熱電材料は地球上で存在量の少ないＢｉ、Ｔｅ、Ｐｂなどを使ったものであり、大規模な商用化に対応するのは困難である。熱電材料の普及を図るためには、資源として地球上に豊富に存在する元素を使った熱電材料を開発することが不可欠である。そこで、ＭｇとＳｉからなる金属間化合物であるＭｇ_２Ｓｉに注目した。Ｍｇ_２Ｓｉは熱電材料として知られているが、Ｍｇが活性な金属であり、発火等の危険性があるため、Ｍｇ_２Ｓｉ熱電材料の開発はこれまであまり進められていなかった。
　雰囲気制御型のメカニカルアロイング装置を用い、不活性ガス雰囲気中でＭｇ粉末、Ｓｉ粉末を混合することにより、非平衡状態のＭｇとＳｉの混合体を合成することができた。得られた粉末は、パルス通電焼結装置を用い、４００ＭＰａの加圧下にて固化成形することにより、ほぼＭｇ_２Ｓｉ単相の材料とすることができた。本プロセスの開発により、安全確実にＭｇ_２Ｓｉ熱電材料を作製する技術を構築できた。

パルス通電焼結法を用いて固化したMg2Si熱電材料	パルス通電焼結法を用いて固化したMg2Si熱電材料のＸ線回折結果

４．素粉末混合半溶融成形法による金属間化合物の成形に関する研究

　素粉末混合半溶融成形法は、図に示すように、低融点及び高融点の金属粉を混合する。混合粉末を加熱して低融点金属を溶解しスラリ−とする。スラリ−を金型に充填し、荷重を加えて成形する。最後に、得られた成形体を熱処理により金属間化合物として製品にする。このプロセスの長所は、以下の点である。

1. 鋳造や鍛造が困難な金属間化合物を容易に成形できる。
2. チタンやマグネシウム等の合金でも大気中で成形できる。
3. 成形温度が低融点金属の融点付近であるので、省エネ成形が可能。

しかしながらこの加工法は、製品中に空孔が生成しやすい点があり、今後の大きな研究課題の一つである。