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微量の Ce および Si を添加した Ni-Cr 合金の 1373K における高温酸化

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Shonan Institute of Technology

NII-Electronic Library Service

Shonan  工nstitute  of  Teohnology

  M 跏 Olits  OF  SHONAN INSTInPVTE  OF  TeCHNeLOGy     Vol.%, NOr 1, 1992

Ce

Si

添 加

Ni

Cr

合 金

        

1373K

に お

け る

酸 化

天  野  忠  昭*

High

 

Temperature

 

Oxidation

 of 

Ni

Cr

 

Alloys

 with  

Small

       

Additions

 of 

Ce

 and  

Si

 at 

1373

 

K

Tadaaki

 

AMANO

    Oxidation  behavior of Ni −20

, 40,60,80)Cr, M −(20,40, 60,80)Cr −(0.20r  O.3)Ce, Ni−(20, 40,60,80)Cr − 1Si and  Ni−20,40,60,80Cr −1Si−0.20r  O.3Ce alloys  was  studied  for 14.4ks  at l373 K in O2 by mass ・

change  measurements , X.ray  diffraction, scanning  electron  microscopy  and  electron  dispersive X−ray microanalysis .  Mass  changes  of Ni−20,40,60,80Cr alloys  increased negatively  with  increasing Cr content  of the alloys ,  Voids were  observed  at oxidelalloy  interface. The voids  increased with  increas・ ing Cr content  of the alloys .  The spalhng  of surface  oxide  is attributed  to the void  formation.  Sur− face oxide  of N卜20Cr−1Si−0.3Ce alloy  showed  good adherence . FormatiGn of surface  oxide  NiCr20 唾, and

α 一cristobalite  and  Ce oxide  which  were  observed  at the oxide alloy  interface may  lead to improve ・ ment   of oxidation  resistance  of the alloy .

1.  Ni に 20 mass の Cr を 含 む 合 金は , 大 気 中 1300K 以上で 加熱さ れる と,合 金 表 面に Cr203 お よび NiCr204 を生成 し,これ らの酸 化 皮 膜が そのの 酸 化 速 度 を低 減し,耐酸化性に寄与する。 耐酸化性をさ ら に改 善する た め ,Ni−20Cr 合金に 希上 類 元素や Siな どの活 性元素を添 加 すると,酸 化 速 度の低 減,並びに酸 化 皮 膜 の 密 着性の 改 善な どの 効 果 が 生じ,優 れた高温 耐酸 化 性 合 金が得ら れつ つ D−4) 。 しか し ながら, Cr 含 有量の 異なる Ni−Cr 系 合 金お よびこれらに 活 性 元 素を添加 し た合 金の 耐 酸 化 性に 関 する系 統 的 な 研 究は 必しも多い とは い えず,活性 元 素添加に よ る耐酸 化 性改 霽の 機 構に つ い て は不 明確な点も多い。  本 研究で は,系 統 的 な 研 究 を 行 う ため に Ni−Cr 合 金 の Cr 含有量を 20,40,60 お よび 80 mass % と変 えた 含 金,お よ び これ らの 合 金に 活性 金 属とし て微 量の Ce お よび Si を添加 した合金 を 用い て温酸化実験を実施 * 材 料工 学 科   助 教 授  平成 2年11 月 5目受 付 し,そ れに よっ て新しい耐 酸 化 性 合 金 開 発に とっ て の 礎 的知見を得る こ とを 日的と し た。

2

. 実 験 方 法  本 研 究で 用い た試 料は ア ーク溶 解法 に よっ て 溶 製 し た。合 金 組 成を Table 1 に示 す。 合金溶 製後,カ ヅ ター で 10mm × 10mm ×lmrn に切断 し,#800 のエ メ リー紙で研 磨 し た。 その後, エチ ル アル コ ール で超 音 波 洗 浄し供 試 材とし た。  酸 化 実 験は酸 素 気 流 中 (100cm3 /min 1373 K に保持 さ れ た横 型シ リコ ; ト炉の 中へ ,アル ミナ ボート にの せ た 試料を挿入 し,14.4ks 行っ た 。 表面酸化 皮 膜の剥 離 現 象を詳 細に 調べ た め,試 料を酸 化 後, た だ ちに液 体 窒 素の中に投入し た。 試 料 が室温になっ てか ら,合 金 表 面に生成 し た 剥離酸 化 物を 毛先のらか い ブ ラ シ で取 り除い て質 量 変 化 量 (%)* を求め た。 酸 化し た表面の外 観を観 察し, つ い で X 線回 折 装置を用い て表 面に生成       酸 化 後の試料の質量* * ・ 鮠 変化 量 ・% ・一

譜拂 繍 錨整

… * * 酸化後の 試 料の 質 量: 剥 離 酸 化 物 を 除 去した 質 量 一 45 一 N工 工一Eleotronio  Library  

(2)

湘南工科大学 紀要 筮 26 巻 第 1 号

Table 1。  Chemical composition  of alloys . o4

AlloyNi −20Cr Ni−40Cr Ni−60Cr Ni−80Cr Ni −20Cr−O.3Ce Ni−40Cr−0.3Ce Ni−60Cr−0.2Ce Ni −80Cr−0.2Ce Ni−20Cr−1Si Ni−40Cr−1Si Ni−60Cr−1Si Ni−80Cr−ISi Ni−20Cr−1Si−0。3Ce Ni−40Cr−1Si−0.3Ce Ni−60Cr−1Si−0.2Ce Ni−80Cr−1S卜0.2Ce し た酸 化 物を同 定 し た。 さらに表面 形態お よび表面組成 を SEM (走 査 型 電 子 顕微鏡 ) お よ び EDX (エ ル ギー 分散型 X 線マ イク Ptア ナ ライザ ー)を 用い て そ れ ぞれ 明 ら かに した。 3. 結 果お よ び考 察  3・1 質 量 変 化   Fig.1 に 量変 化量 (%)を示 す。 Ni−Cr の質量変化 量は Cr 含 有 量の加 と ともに お お む ね負に大 き くな る ことがわか る。 こ の 結果は ,後 述する よ うに表 面酸化皮 膜の剥 離 量の増 大に よ るもの と考えられる。 Ni −Cr −(o.2 ま た は 0.3)Ce の質 量 変 化 量は Cr 含 有 量 が 60 % まで 増 大 し,80% で小さ くな る。 一方,Ni−Cr−1Si お よ び Ni−Cr−ISi−0.2 ま た は 0.3)Ce の量変 化量は Cr 含 有 量の増 加 と共に (40Cr ま た は 60Cr まで) 小さくな り, その後 Cr 含有量の増加に よ っ て大 き くなる。  3.2X 線 回 折  Table 2 に X 回 折に よっ て同 定 され た表 面 酸 化 物

を示 す。 Ni−20Cr で は NiO , Cr203 お よび NiCr204が

同 定され,こ の 合 金に Ce を添加する と Nio お よ び

NiCr204は低 減 したQ Ni−20Cr−1Si では Cr20s,NiCr204

お よ び α・cristobalite (SiO2ヵ;認め られたQ Ni−20Cr − 1Si−0,3Ce で は Cr203 お よ び a・cristobalite が検 出

さ れ た。 一方,他の 合金で はい ず れも Cr20s のみ で あ っ た こ れらの結 果か ら Ce ま た は Si の単 独 添 加は 0.3 O.2 1 α O 遭 ゜ 、 09 呵 ‘ u   一〇.1 鴇 Σ 一α234     0 20    40    60    80    100   Cr  content ma5s ’le Fig. L Mass  changes  of Ni−Cr, Ni−Cr−0.20r    O.3)Ce ,Ni−20Cr −1SiandNi −Cr −1Si−(0.20rO 、3)    Ce alloys oxidized  in Os at 1373 K for 14,4ks 。

Tab匸e 2.  Oxides determined by X・ray  diffrac・

   tion of N卜Cr, Ni−Cr−0.20r O,3Ce , NトCr −

   1Si and  Ni−Cr −1Si−0.20r  O.3Ce anoys  oxi .

   dized in O2 at 1373 K for 14.4ks .

Alloy

Oxide Ni−20Cr Ni−40Cr Ni−60Cr Ni−80Cr Ni−20Cr −O.3Ce Ni−40Cr −O.3Ce Ni−60Cr−0.2Ce Ni−80Cr−0.2Ce Ni−20Cr−1Si Ni−40Cr−1Si Ni −60Cr−1Si Ni−80Cr−1Si Nレ20Cr −1S卜0.3Ce Ni −40Cr−1Si−0.3Ce Ni −・60Cr−1Si−0.2Ce M −80Cr−1S卜0.2Ce NiO(v.sCr203sNiCr20 , (m )

Cr203

(s Cr20s(s) Cr203(s) Cr203(s)NiO (v.w NiCr204 (v.w) Cr20s(s) Cr203(s) Cr203s Cr20s(sNiCr204 w )α・cri− stobalite v.w Cr20s(s) Cr203(s) Cr203(s Cr20s(s}α.cristobalite (v.w ) Cr20ss Cr20ss Cr203(s

v.s:very  strong , s: strong  m ;medium , w : weak  v.w : very  weak .

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微 鼠 の C・ お よ び Si を添加 した Ni−C・ 緬 1373 K }・お け る高温酸 イヒ (天野 忠 昭 ) ∫    ’s/1 ・ tt」£ 購 9 肖 ” ♂ 、,「・・一     ・: : , r ρ 尸 ギ  へ ’E           句 壹   切 冨 認 触 ず ・ 螺 戴 薈 翠 肌 弾 爵 ヒ r   丁 r 円 げ ,   ゴ 腔 ア 胛 覊  } 賦 .     ∬ ヒ げ       物 「 ぐ   藷       亭瑳 ひ         , 它 顎 高 麟 讌 駿・ ・需

    

S。 ,face apP 。。 ,ance ・f (・)Ni−2。C・,(b)Ni−40C・,(・)Ni −60C・

・ (d)Ni−80C・・(・)Ni

20C「− Fig .2.

   

0.:IC。,fNi−40Cr−O.3C・,(9)Ni−60Cr−・.2C・,(h)Ni −8・C卜 0・2C ・・iNi−20Cr−ISi・(

j

)Ni−40

   

Cr −1Si,(k)Ni−60Cr−ISi,(1)Ni−80C・−ISL m )Ni −20Cr−ISi−・・3C・,(・)N 皇一40Cr−ISレ0・3Ce ,

   

(。Ni−60Cr −1Si−0.2C・ and (P)Ni−80Cr −1SI−・.2Ce all・y・ 。・idized i・ 0・ at  1373 K f° 「14・4ks ・

Nio お よ び NiCr204 の生 成 を低 減 し, Ce お よび Si の 複 合 添加 は,Nio お よび NiCr204  {よ X 線的に は 認め ら れ ず,これ らの 生 成を さらに 遅ら せ る こ と が 明ら か と な っ たD  3.3  クト観 観 察  Fig.2 に酸 化 後の 試 料の 外 観を 示す。武 料の 切 断に よ る陽があ ウ,は っ ぎり しない もの も ある が,Ni−Cr で は 40,60 お よび 80Cr で 表 面酸 化 物の著 しい剥 離が認め ら 一 47 一 N工 工一Eleotronlo  Llbrary  

(4)

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(e)Fig.

3. Scanning electron micrographs of

80Cralloys oxidized in 02 at 1373K

Spalledsurface of Ni-20Cr alloy.

(c)

ef the point A designatedin Fig, 3

alloy surfaces and EDX analysis of Ni-20Cr and

Ni-for 14.4ks.

(a)

Surface oxide of Ni-20Cr alloy. (b)

Spalled surface of Ni-80Cr alloy.

(d)

EDX

analysis

(a).

(e)

EDX analysis of B on Fig. 3

(a).

(5)

-48-Shonan Institute of Technology

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微量の Ce および Si を 添 加した Ni.−Cr 合 金の 1373 K に お け る高温 酸 化 (天 野 忠 昭)

れ る。 Ni−Cr−(0.2 ま たは 0.3)Ce お よ び Ni−Cr−ISi

− (0.2 ま たは 0,3)Ce で は,60Cr ま で お おむ ね 均一な表 面で り,80Cr で表 面酸 化 皮 膜のが認め ら れる。 一,Ni−Cr−ISi で は Cr らず 剥 離は微 量で ある。   3.4 SEM 観 察お よ び EDX 分 折

  Fig,3 か ら Ftg.6 に SEM 観 察お よ び EDX 分 析

を 示す。 Fig,3 (a)か ら, Ni−20Cr 合金で は粒状 お よ び角 錐 状酸化 物が生 成し,ま た剥 離 領域で は Fig. 3 (b)に示 すよ うにわ ずか に ボ イ ドが 認め られる。 こ の ボイ ドは Cr 含有量の増 大とともに増加 し, Ni−80Crで は Fig,3(cか ら明 らかな ように ボ イ ドは連な り始め て い るこ と が わか る。 こ の ボ イ ドの生 成が表 面 酸化皮膜の 剥離の:え ら れ aFig .3(d)お よび Fig.3 (f) か ら,Ni−20Cr の粒 状 酸 化物は 主 と して NIO ,そ して角 錐 状酸化物は主と して NiCr204であ る ものと考え られ るD  Ni−20Crへ Ce の添 加は表 面 酸 化物の密 着性 を 改: し,Fig.4(aに示 す よ うに 酸 化 物f合金 界 面でボイ ドか 微 量認め ら れ るの み であ る。しか し ながら,Ni−80Cr−

O.2Ce で は Fig.4 (b) か ら 明 らかなよ うに酸 化皮膜 /合 金界面でボ イ ド の連 な りが認め ら れ,表 面 酸 化 物の剥離 が著しい こ と が わか る。 Fig.4 (c)の EDX 分 析 結 果は Ni−20Cr−0.3Ce の表面生 成 物がほぼ Cr203 で ある こ と を 示 して い る。   Fig.5(a)か ら, Ni−20Cr−1Si では界に沿っ て ボ イ  ドが わずか に認め られ るの みで, Si の添 加は ボ イ ドの 生 成 を 防1Lする方 向に働 くこと がわか る。 Ni−SOCr−ISi で は,Fig.5 (b)に示 す ように Ni−80Cr と 同 様に ボイ  ドの連な りが認め られる。 し か しな が ら,酸 化 物は表 面 の 一部か ら剥 離 するの み である。 Fig.5(c}の EDX 分 析 結 果か ら判 明 するよ うに,表 面酸化物 は 主 とし て Cr203であり, Ni の 量は Ni −20Cr よ り離 酸 化物を取 り除いた合 金 表 面で は,Fig.5 (d)か ら 明 らか なよ うに,Siが濃 縮されて い ることが認め ら れ る。   Fig.6に Ni−Cr−1Sレ(0.2 ま た は O.3)Ce の表 面形態,

並 びにその EDX 分 析の 結果 を 示す。 Ni−20Cr−ISi−0,3 Ce では表面酸化物の剥離は 全 く認め られ ない。 Nレ40

Cr−1Si−e.3Ce お よ び Ni−60Cr−ISi−O.2Ce で は,わずか に表 面 酸 化物の剥離が 認め ら れ, ボ イ ドの生 成 も観 察 さ

れ る。 し か しな が ら、Ni−80Cr

1SiO2Ce で は多量の ボ

イ ドが 生 成し てい るeNi −20Cr−ISi−O.3Ce 表薗iに生成 し 且 霊 , 画 ミ 、 港 喟 霆 2 £ o Or    Cr 艮i 舮  」 6.a66 薩顔硼曜,    ‘ 19.巳39 孰■》 5 廻.乳二曜■b (c

Fig.4、  Scanning e正ectron  micrographs  of al・   loy surfaces  and  EDX  analysis  of Ni−20Cr−

   0.3Ce and  Ni−80Cr−0.2Ce ailoys ox 藍dized in

  Ot at  1373 K for 14.4ks.(aSurface oxide  of

   Ni−20Cr−0.3Ce anoy .bSpalled surface  of    Ni−80Cr−0.2Ce alloy .(c)EDX  analysis  of   the point A designated in Fig.4 (a

49

(6)

湘 南工 科大学紀要   第 26 巻  第 1 号 明 り 一 3 . 』鞠 嘱 、 h =輔 鴟 〇 一 ε

c 門 一 噂 層  . 』 呵 、 、 =甲 ‘ り 一 冖 (

d

Fig.5.  Scanning electron  micrographs  of alloy  surfaces  and  EDX  analysis  of Ni−20Cr−1Si and      Nj−80Cr −1Si alloys  oxidized  in O2 at l373 K for 14.4ks . (a)Surface oxide  of Ni−20Cr −ISi      alloy . (b)Surface oxide  of Ni−80Cr−ISi alloy . (c)EDX  analysis  of the point A designated

     in Fig,5 a).(d)EDX  analysis  of the point  B designated  in Fig,5 a).

た結 晶粒の 大 きな酸化 物は Fig.6 (e)か ら明 らか なよ う に 主 と して Cr203 で あ り,結 晶 粒の微 細 な酸 化 物で は Fig,6 (f)に示 すように Ni, Siお よび Ce も検出され ること か ら,微 量の NiCr204,α.cristobalite お よび Ce 酸 化 物の 生成が推 定さ れ る。  Ecer ら5)・6) , Ni−(40 お よ び 50)Cr 合金お よ び Ni− 50Cr に微 量 の Ce を添加 し た合 金の高 温 酸 化 実 験か ら, 酸化皮膜/合 金 界 面で多量の ボイ ドの生 成を認め,こ のボ イ ドは Cr イ オ ンの外向拡 散に と もなう陽イオ ン空 孔の 凝 集に よ る と して い るQ 本 研 究に お け る ボ イ ドの生 成 も 主とし て こ の こ とに帰 着さ れ る。 し か し な が ら,Ce お よ び Siの 添加 は酸 化 皮 膜 /合 金 界 面で Ce 酸 化 物や α・ cristobalite を 生 成させ これ らのは酸 素の 内向 拡 散に よっ て生 成 すると も考 えられ る。 こ の場 合,ボ イ ドは生 成 しない。 Ce 酸 化 物や α一cristobalite は, その 後の Cr イ オ ソ の外向拡 散に とっ て障壁 と な る もの と考 え られ る。 そ れ ゆ え, 結 果 とし て は Ce お よ び Siの添 加は ボ イ ドの 生 成 を 遅 くして い るとい えよう。  Douglass ら7) Ni−20Cr Siお よ Mn 添 加 効 果に つ い て報 告してい る。 彼 らに よると NiCr204 中 の各イ オ ン の拡 散 速 度が Cr20s 中の 各イ オ ン の拡 散 速 度 よ りも著し く遅い こと から,酸 化 速 度は NiCr204 の 生に より低 減 する とし て いえる。 本 研 究に おい て も

Ni−20Cr−1Si−0.3Ce で は,  EDX よる分析結果か ら微

量の NiCr !04 の生 成 が推 定され,さ ら に Ce 酸 化物お

よび a −cristobalite の生成 も認め ら れる の で,これ らの

酸 化 物の生 成が酸 化 増 量 を 低 減し,表 面 酸 化 皮 膜の

性 改 善に 寄 与 すると 考 え られる。

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微 量の Ce お よ び Si を 添 加し た Ni−Cr 合 金 の 1373 K に お け る高温酸 化 (天 野忠昭} 切 } ≡ コ O臼 胃 丶 ハ = 嘗 〇 一 ξ ー                                 」 o Cr 邸i ぐ門 幽  L9. 団日oL     IR 亀【go鹽    ら 田.z3日 kr》 1164 ↓9 一し

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匂 ごh 「 丶 為 =り国 = o り 冖 (

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Fig.6.  Scanning electron  micrographs  of alloy  surfaces  and  EDX  analysis  of Ni −20Cr−1Si−0.3     Ce , Ni−40Cr 一ユSi−0.3Ce , Ni−60Cr−1Si−0,2Ce and  Ni−80Cr−1Si−0.2Ce alloys  oxidized  in O2 at     l373 K for 14.4ks .aSurface oxide  of Nト20Cr −1Sレ0.3Ce alloy .bSurface oxide  of Ni−     40Cr−1Si−0.3Ce alloy .(c)Surface oxide  of Ni−60Cr−ISi−0.2Ce alloy .(dSpalled surface  of

    Ni−80Cr−1Sト0.2Ce alloy .(e)EDX  analysis  of the point A designated in Fig .6a).(f)EDX

    analysis  of the point B designated  in Fig.6 a

51

(8)

湘 南工 科 大 学 紀 要 第 26 巻 第 1 号

4. 結 言

 1) Ni−20Cr, Ni−40Cr, Ni−60Cr お よび Ni−80Cr で は Cr 含有量の加 と ともに質量変化 量 は おお む ね負に 低 減し, 酸 化皮膜/合 金 界面に おけ るボ イ ドの生 成が増 加 する。 こ の ボ イ ドの生 成 が表面 酸化 皮膜の剥 離の主原 因で ある こ と が明らか に なっ た。  2} Ni−20Cr へ の 0.3 Ce お よび 1% Si の単独 添 加 は NiO お よ び NiCr204 の 生 成を遅 らせ ,質 量 変 化 量 を 低 減 する。 一方, Ni−20Cr へ の O.3% Ce お よび 1% Siの複 合 添 加は さ らに Nio お よび NiCr204 の生成を 遅らせ るとと もに,表 面 酸 化皮膜の密 着性を著 しく改 善 する こ とがわ かっ た。 表 面 酸化皮膜として の NiCr20,, 表面酸 化皮膜 /合 金 界 面にお け る a−cristobalite お よび Ce 酸 化 物の生 成が高 温 耐酸化 性 を 改善するもの と思わ れ る。  3) Ce お よび Si の単 独お よび複合添加 した Ni−40 Cr, Ni−60Cr お よび Ni−80Cr で も耐 酸化 性 が改 善され る もの の,Cr 含 有 量の増 加とともに,その善 効 果は 小さ く な る傾 向があるこ とがわ か っ た。 > 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 > 7 参 考 文 献 天野忠昭, 矢島聖使, 木 村 孝, 斎藤安俊 :防食 技 術, 24 (1975)19.

Y .Saito,  T.  Maruyama  and  T. Amano :

Mat . Sci. Eng .,8 1987275.

T .Amano :Trans . 

Japan

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,21(1980) 721.

T .Amano  and  O . Momose :to be published

(High Temperature  Corrosion of Advanced

Materials

G.M . Ecer and  G, H. Meier : Oxid . Met .,13 (1979) 119.

G .M . Ecer and  G , H . Meier Oxid. Met .,13

(1979) 159.

D,L. Douglass  and  J. S , Armijo:Oxid . Met .,

2 (1970) 207.

Table   1 。   Chemical   composition   of   alloys . o . 4 AlloyNi −20Cr Ni − 40Cr Ni − 60Cr Ni − 80Cr Ni − 20Cr − O . 3Ce Ni − 40Cr − 0 . 3Ce Ni − 60Cr − 0 . 2Ce Ni −80Cr−0. 2Ce Ni − 20Cr −1Si Ni − 40Cr − 1Si Ni − 60Cr − 1Si Ni −80Cr−ISi Ni−20Cr−1Si− 0 。
Fig. 5 .   Scanning   electron   micrographs   of   alloy   surfaces   and   EDX   analysis   of   Ni− 20Cr −1Si   and      Nj − 80Cr − 1Si   alloys   oxidized   in   O2   at   l373   K   for   14 . 4ks .   (a ) Surface   oxide   of   Ni− 20Cr −ISi       a
Fig. 6 .   Scanning   electron   micrographs   of   alloy   surfaces   and   EDX   analysis   of   Ni −20Cr−1Si−0. 3      Ce ,  Ni− 40Cr 一 ユ Si−0. 3Ce ,  Ni−60Cr−1Si−0, 2Ce   and   Ni − 80Cr − 1Si − 0 . 2Ce   alloys   oxidized   in   O2   at

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