再利用・ﾘｻｲｸﾙ型鉄ｱﾙﾐﾅｲﾄﾞ基多元系複合材料の創製とその材料特性

再利用・ﾘｻｲｸﾙ型鉄ｱﾙﾐﾅｲﾄﾞ基多元系複合材料の創製

とその材料特性

著者

吉見 享祐

再利用･リサイクル型鉄アルミナイド基

多元系複合材料の創製とその材料特性

課題番号11650706

平成11-13年度科学研究費補助金(基盤研究(C)(2))

研究成果報告書

平成14年3月

研究代表者 吉 見

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早

(東北大学金属材料研究所助手)

再利用･リサイクル型鉄アルミナイド基

多元系複合材料の創製とその材料特性

課題番号11650706

平成11-13年度科学研究費補助金(基盤研究(C)(2))

研究成果報告書

平成14年3月

研究代表者 吉 見 享 祐

(東北大学金属材料研究所助手)

目  次

第1章  は しがき

第2章  空孔クラスタリングによるFeAl金属間化合物のメソポ

ーラス化

Mesoporeformation in FeAl by vacancy clustering

第3章  リサイクルFe･Al合金の組織と高温酸化特性

地球環境とエントロピーと金属材料科学

第4章  アルミナイドおよびシリサイドの機械的性質に対する 理論的考察

DiSlocation stability and deformation mechanisms of iron aluminides and silicide

An empirical model for ideal work of adhesion: transition一metal aluminides and silicides

第5章  まとめ

材料の循環機能とPoint Defect Engineering

1- 4

5-15

16-26

27-47

第1章 は しがき

本報告書は､平成11年度から平成13年度にわたり､文部科学省･日本学術 振興会科学研究費補助金(基盤研究(C)(2))により行われた｢再利用･リサイク ル型鉄アルミナイド基多元系複合材料の創製とその材料特性｣の研究成果を取 りまとめたものである｡ 世界的規模で議論されている地球環境の悪化は年々深刻化しており､我々科 学者に早急かつ適切な問題解決の提案が迫られていることは､今や誰も否定す ることのできない歴然とした事実である｡材料科学は､これまで人類の文明化 を根底で支えてきた重要な分野であり､無数のさまざまな人工的物質を人間社 会に提供してきた｡しかしその結果人類は､膨大なエネルギー消費の産物とし て廃棄物も含めたおびただしい量の｢素材｣を保有することとなり､それが地 球環境に大きな影響を与えている｡そもそも､従来の価値観に沿った新しい物 質の創製は､その生産にかかわる新たなエネルギー消費が地球環境問題の解決 と逆行する性格を持ち合わせており､さらに一方で再生･再利用困難な物質の 処理も不可避なテーマとなる｡残念なことに地球環境問題に対する取り組みは､ 材料科学のみならず一般的に問題の後追いとなっているのが実情であり､それ は常に各国の経済活動と強く結びついているためである｡したがって根本的な 問題解決を図るには､経済構造や流通機構を含む社会構造全体の変化を考えね ばならず､材料科学の分野においてもそれらを念頭に置いた新しい材料開発理 念を構築していかなければならない｡ そこで本研究では､前出の｢素材｣のリサイクルの一つの概念として､鉄ア ルミナイド金属間化合物基多元系複合材料の開発を提案する｡これは､これま でのリサイクルの概念と1800異なり､産業廃棄物中の主要な｢資源｣である鉄 やアルミニウム､またそれらに含まれるシリコンやチタン等の金属を分離､精 製により再利用するのではなく､逆に積極的にある比率で混合することにより､ 新たな物質を創製しようとする試みである｡これが成功すれば､これまでに地 殻から抽出された主要な元素が､この金属間化合物基多元系複合材料の中で半 永久的に循環することになり､人類が現有している｢資源｣が最大限有効に活 用されることになる｡材料特性は､各構成元素の比率に大きく依存することが 容易に予測されるため､数種類の素材がその使用目的に応じて創製可能である と考えられる｡そして各々の素材は基本的に同じ元素から構成されているため､ 常にリサイクル可能である｡またその再生プロセスは実にシンプルで､それに

要するエネルギーの消費も極めて少なくすむはずである｡ 本研究では､上記の金属間化合物基多元系複合材料の開発に向けて､大きく 分けて次の3つの調査を行った｡すなわち､ 1.空孔クラスタリングによるFeAl金属間化合物のメソボーラス化 2.リサイクルFe･Al合金の組織と高温酸化特性 3.アルミナイドおよびシリサイドの機械的性質に対する理論的考察 である｡これらを通して､再利用･リサイクル型金属材料の新しい概念が創造 されるものと考える｡

課題番号: 11650706

研究組織

研究代表者:吉見享祐(東北大学･金属材料研究所･助手)

研究経費

研究発表

平成11年度 平成12年度 平成13年度 計 600千円 2200千円 700千円 3500千円 (1)論文発表

K. Yoshimi, S. Hanada, T. Haraguchi, H. Kato, T. Itoiand A. houe: "Mesopore

formation in FeAl by vacancy clustering'', submitted f♭r publication.

吉見享祐: "地球環境とエントロピーと金属材料科学'',月刊うちゅう, 17

(2001), 4 - 10.

吉見享祐: "材料の循環機能とpointDefectEngineering" ,バウングリー, 16 (2000), 4-5.

M. H. Yooand K. Yoshimi: "An empirical model for ideal work of adhesion.･

transitionmetal aluminides and silicides'', Intermetallics, S (2000), 1215 - 1 224.

M. H. Yoo, K. Yoshimiand S. Hanada: "Dislocation Stabilityand Deformation

-3588. (2)口頭発表 吉見享祐,花田修治, "単ロール法によるB2型FeAlの急冷凝固と空孔制御" 日本金属学会 第128回講演大会, 2001年3月. 吉見享祐,加藤秀実,花田修治,青柳英二,井上明久, "TEMによる急冷凝 固B2型FeAlのその場加熱実験'' 日本金属学会 第129回講演大会, 2001年9月. 原口友秀,吉見享祐,加藤秀実,花田修治,井上明久, "急冷凝固FeAlリ ボンのメソボーラス化に関与する過剰凍結空孔量の決定" 日本金属学会 第130回講演大会, 2002年3月(予定). (3)特許等 (発明者)吉見享祐,花田修治,井上明久, "金属間化合物およびその製造 方法",特願2001-293653, (出願年月日)平成13年9月27日, (権利者) 日本国.

第2章 空孔クラスタリングによるFeAl金属間化合物の

メソボーラス化

本研究では､点欠陥制御工学の概念に基づき､金属間化合物の新しい製造方 法に取り組んだ｡その結果､急冷凝固法を用いて作製したB2型FeAl金属間化 合物を､ある温度範囲で熱を加えることにより､数十ナノメーターほどのボア -が表面および内部に大量に生成する条件､すなわちメソボーラス化する条件 が存在することを見出した｡ B2型FeAlでは､融点直下で10%近い熱空孔が熱 力学的に安定に存在し､これら熱空孔の移動速度が著しく遅いことから､急冷 によって高温の熱空孔が容易に凍結されることが知られている｡したがって､ 観察されたメソボーラス化現象は､融点直下で存在した大量の熱空孔が急冷凝 固により瞬時に凍結され､これが再びある条件で熱を加えられることによりク ラスタリングするためであると解釈された｡空孔のクラスタリングによって生 成したメソ･ボア-は､ある特定の結晶学的原子面によって取り囲まれている ことが､透過型電子顕微鏡による観察によって明らかになった｡これは､空孔 のクラスタリングにより新しい表面が増加するため､表面エネルギーの増加に つながる｡そこで､表面エネルギーの増加量を最小にするために,単位面積あ たりの表面エネルギーの最も小さな結晶面､すなわち(100)面が､ボア-の優先 表面として成長するためであると解釈された｡このように新しく生成した化合 物表面は化学的に極めて活性な上､ポア一･サイズは原子レベルでの操作によ り､ナノ･オーダーで制御可能である｡したがってこの技術は､今後､新たな ナノテクノロジーの展開と発展に大いに寄与するものと予想される｡さらに､ これら点欠陥は､非平衡な濃度で存在するものを利用するため､組成的には同 じ材料でありながら､実体のないエレメントを新たに加えたことに相当する｡ したがって点欠陥の利用は､環境負荷低減に向けた再利用･リサイクル型材料 の設計指針にまさに合致するものである｡ このように､金属材料中に存在する空孔をはじめとした点欠陥を積極的に材 料特性の向上と改善に利用することを､ ｢点欠陥制御工学｣という｡この新しい 概念の確立と発展こそが､ナノテクノロジーによる金属材料の新機能設計と制 御に重要な役割を果たすものと考えられ､本研究を通してその先駆け的先導研 究ができたものと確信している｡

Mesopore formation jn FeAl by vacancy clustering

Kyosuke Yoshimi*+, Shuji Hanada*, Tomohide Haraguchi*i, HidemiKato*, Takaomi

Itoi*i'& Akihisa houe*

*Institutefor Materials Research, Tohoku University, Sendai, Miyagi 980J577, Japan

‡Centerfor lnterdisciplinalT Research, Tohoku University, Sendai, Miyagi 980-85 78,

Japan

IPresent address: Department of ElectriCaland Electromic EngiJleering,KitamiInstitute of Technology, Kitami, Hokkaido O90･8507, Japan

It is well established experimentally that thermalvacancy concentration in

FeAlalloys of the B2 structure is measured to be very high, up to severalpercent

at hightemperatures1-3. of particularinterest is the fact that most of the thermal

vacancies in the FeAlalloys can be readily frozen-ill by rapid cooling of thealloys from the hightemperatures4J. The supersaturation of thermalvacamies can lead to their binding into foming divacancies as predicted by the theoretical

Calculation7 and further clustering of them into higherlQrder vacancy complexes

and extended defects as experimentally observed5･ 8-1 1･ IIere we show that a large

number of thermalvacancies can be frozen into FeAlalloy ribbons by a

conventional rapidTSOlidi瓜cation method, and the FeAl ribbonsare made

mesoporous (i.C., pores, voids, or cavities in the meso･づCale size and interspacing),

especially nearthe surfaces, by vacancy clustering throughheat treatment. This

vacancy clustering behavior was com丘rmed by inっitu heating experiment in TEM.

These results suggest that the vacancy clustering lS a unlque Process Which enables

Fe45m01%Al alloy was produced from 99.99 mass% electrolytic ironand 99.99

mass% aluminum byanarclnelting techmique. Thealloy Ingots Were relnelted in a

quartz tubeand rapidly solidified intoribbons of about 2mm in width and 20 pm in

thickness by a conventional singlel1011 meltっplnnlng apparatus ･ Equiaxed graln

structure with the mean graln Size of about 10 pm was developed inthe FeAlribbons

throughthe rapid solidification. In Xiay di飴action (XRD) profiles of as.melt･づPun ribbons, superlattice dif&action peaks from the B21やrdered structure were clearly

identified as well asfundamentaldiffractionpeaksfrom the bcc structure, indicating

that the FeAlribbons are already B21やrdered immediately after the melt一名Plnmng･ The

average lattice parameter estimated bythe XRD peakanalysis is approximately 2･899

A. This value is much smallerthanthat of the similar composition reported inthe previous study6, suggesting a high vacancy concentration･ Taking two assumptions that

(i) a half of the excess Fe atoms overthe stoichiometric composition (Fe:Al= 1 : I)are

displaced into the AI sublatticeand (ii)there is no Al atoms displaced intothe Fe

sublattice, we canCalculate the density of theribbons usingthe lattice parameter･ The

calculated value is approximately 5･846 蛋/cm3･ on the other hand,血e average bulk

density of the FeAlribbons was measured bythe Archimedes method, to be

approximately 5･793 g/cm3･ The difference between the above calculated and measured

values is considered to result from vacancies,and consequentlythe average vacancy

concentration inthe FeAlribbons is estimated to be approximately 0.9 %. This is about

1013 higherthanthe vacancy concentration of the FeAlalloys in thermalequilibrium at

room temperature3･ Thus, it is found that rapid solidification by meltiPlnmng lSan

useful teclmique to quenchjnanextremely high density of thermal vacancies into FeAl

alloys.

It is well known f♭r the FeAl ordered alloys that supersaturated vacancies are

supersaturated vacancies inthe melt･づPunribbons, a heat treatment at 723 Kfor 24 h

was camied out inthe present study. The lattice parameter of theribbons after the heat

treatment was measured bythe XRD peakanalysis agaln,and the average value was

estimated to be approximately 2.903 A. This value is much close tothat of

fully均nnealed Fe･45m01%Al reported in the previous work6･ This evidence indicates

that the concentration of the supersaturated vacancies is greatly decreased by the heat

treatment･ After the heat treatment, a large number of dotted pattemsare observed on

surfaces oftheribbons by scaming electronmicroscopy (SEM), as shown in Fig. I(b),

which was never seen before the heat treatment (Fig. 1 (a)). Surface morphology of the

ribbons wasalso examined by atomiCforcemicroscopy (AFM),and it was observed

that pores of a couple of hun血eds manometers or less in size are homogeneously

distributed onthe surfaces, as shown in Fig. 1(C). This morphology is in good

agreement withthe above SEM image, indicating that dotted patterns observed in Fig･

1(b)are pores. Therefわre, it was confirmed that surfaces of theribbons become

mesoporous by the heat treatment･ The mesoporesare believed to be fomed through the

vacancy absorption process.

Mesopores were also obseⅣed inside the heatlreated ribbons by transmission

electronmicroscopy (TEM)･ It was confTlmed by selectedarea difkaction pattems (SADP) and using several contrast conditions血at血ey were neither precipitates nor

inclusions but pores･ Pore size is under 100 nm,and its density is lower than that near

surfaces･ To characterizethe morphology and crystallography of the mesopores, tilting

experiments by TEM were perfomed at the same location, as shown in Figs. 2(a)<C). In

Fig･ 2(a), which was obseⅣed near the 【0011 zone axis, rectangular pores are seen

clearly together with dislocations (straight lines). It should be noted that one side of the

rectangles is parallel to the (loo) planeand the other side to the (010) plane for all of the

pore images are still rectangular,孤d血e sides of the rectangles are parallel to也e (100)

and (01 1 ) planes. In addition,the pore images have two different contrastareas, that

is, a bright area is sandwiched by darkareas･ In Figl 2(C), which was observed nearthe

【 1 1 ll zone axis, the pore images are changed to be hexagons, and sides of血e

hexagonal images are parallel to the (101), (110) and (01 1 ) planes, respectively.

These pore imagesalso have two contrastareas, that is, 1rLner hexagonsare bright and

su汀Ounded by a dark area. From these results, it is deduced that pore's

threeJimensional shape is a rectangularparallelepipedandthree surfacesare parallel to

the (loo), (010)and (001) planes, respectively, as schematically shown in Fig. 2(d). The

fomation of these mesopores is also considered to be due to vacancy clustenng. The

pore formation by vacancy clustenng was occasionally observed in a FeAI B21やrdered

alloy14･ The pore nucleation and growth by vacancy clustering werealSo reported for a

NiAI B2→)rdered alloy15･

Figure 3 shows thermograms of the FeAlribbons obtained by differential

scaming calorimeter (DSC) at different heating rates. A distinct exothemic peak

appears between 700 and 880 K in each DSC cuⅣe･ The onset temperatures of血e

peaks at slower heating rates are much close to the temperature of the heat treatment.

The peak position shi允s to higher temperature as the heating rate increasesi The change

in the peak position which depends on heating rate indicates血at the phenomena

causlng the exothemic peakare relaxation processesI Zaroualet al･16also observed an exothemiC peak inthe simi1artemperature range in quenchedjn FeAl bulks,and concluded with the results of magnetic susceptibility measureme山s that the peak is

attributed to migration and clustering of supersaturated, vacancies. The activation energy

of the relaxation process estimated by也e Kissinger plot17 is approximately 1 ･ 17 eV, in

that the exothemic relaxation peaksare related to the absorption process of

supersaturated vacancies accompanied withmigration and clustering･

The vacancy clustering process was directly obseⅣed in TEM by heating the meltっpunribbons using a sample holder equipped witha heating stage. Fig. 3(a) is a bright field image of a pre七eatedribbon. Before heating, it was made surethat there

were pores occasionally in血e ribbon but its density was very low. Subsequently, the

ribbon was heated at 723 Kfor 1 hour within TEM onthe sample holder. Fig. 3(b) is the

bright field image of the post止eatedribbon. The location is the same as that observed in

Fig･ 3(a)･ We can find that a lot of mesoporesare newly created during the inっitu

heating experiment･ Fig･ 3(C) showsanother bright field image of the post止eatedribbon

taken at a different locationand a higher magmification. The normaldirection of the thin

foil plane at this location is close to the l001] direction. We cansee weak.Contrast

pattems in high density in the background besides pores likely observed in Fig. 3(b). The poresand the weaktontrast pattems are rectangularin shape,and orientedalong

the same direction. Again, one side of the rectangles is parallel to the (100) plane and

the other side tothe (010) plane. These morphology and crystallographyarethe same as

those of pores obseⅣed in Fig. 2. Accordingly, we can consider仙at the weakヾontrast

pattems are caused by pores formed near the surface. Actually, we observed numerous

pores of the similarsize on the thin foil sur払ce by SEM after the inっitu heating

experiment.

We would like to emphasize herethat the mesoporous phenomenon observed in

Fig･ 1 is not an extraordinary case onlyforthe surface of as.melt･づPunribbons. If we canobtain new sur血cefrom meltlSpunribbons without strain, fToranexample by

electropolishing,the surface is readily changed to be mesoporous by vacancy clustering

afterthe heat treatment･ This vacancy clustering techmique would open new

I. Ho K. & Dodd, R. A., Point defTects in FeAl. Scrl'pta Metall. 12, 1055-1058 (1978).

2.Kim, S. M. Vacancy properties in ordered CoGaand FeAl. ). Phys. Chem. Solids 49,

65-69 (1988).

3･ W也rschum, R･, Grupp C･ & Schaetbr H･ -E･, Simultaneous study of vacancy

formationandmigration at high temperatures in B21ype Fe alumimides･ Phys･ Rev･ Lettl

75, 97-100 (1995).

4. Paris, D.,Lesbats, P. & Levy J. An investigation of the distribution of vacancies inan

ordered Fe-Alalloy by field ionmicroscopy. Scripta Metall･ 9, 1373-1378 (1975)･

5. Weber D., Meurtin M., Paris D., Fourdeux A. & Lesbats, P. Vacancy elimination in FeAlalloys with B2 structure. ). Physique Colloq. C37, 332-336 (1977)･

6. Haraguchi, T. & Kogachi, M･ Observation of quenchedjn vacancies in the B2

intermetallic compounds FeAl. in Structural lntermetallics 1997 (ed･ Nathal, M･ V･,

Darolia, R., Liu, C. T., Martin, P. L., Miracle, D. B., Wagner, R. & Yamaguchi, M.)

7691773 ( 1997). The Minerals, Metals & Materials Society, Warrendale, PA.

7. Fu, C. L., Ye, Y.Y., Yoo, M. Hり& Ho, K. M. Equilibrium point defects in

intemetallics withthe B2 structure: NiAland FeAl. Phys. Rev. B 48, 671216715 (1993).

8. Junqua, N., Desoyer, ∫. C. & Moine, P. Electron microscopy obseⅣation of

quenching defects inanorderedalloy of B21ype Fe40at%Al･ PhysI Stat. Sol. (a) 18,

387-395 (1973).

9. Fourdeux, A. &Lesbats, P. Annealing out of quenchedjn vacancies inanordered B2 type Fe-AI single crystal. Phil. Mag. A 45, 8143 (1982)･

10. Yoshimi, K., Hanada, S., Onuma, T. 良 Yoo, M. H. Transmission electron

microscopic observation of thermally introduced planar faults in Fe-35m01%Alalloys. Phil. Mag. A 73, 443-156 (1996).

1 1･ Pang, L･ & Kumar, K･ S･ Complex fTaults in a B2 ironalumimide alloy. Acta Mater.

49, 221512226 (2001).

12･ Riviere, J･ P., Zonon, H･ & Grilhi, J･ Annealing kinetic of quenchedjn vacancies in

a Fe40at%Al orderedalloy. Phys. Slat. Sol. (a) 16, 545-552 (1973).

13･ Nagpal P. & Baker, I. Effect of cooling rate on hardness of FeAland NiAl. Metall.

Trams. A 2lA, 2281-2282 (1990).

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15･ Zakaria, M. & Munroe, P. R. in High Temperature Ordered lntermetaLlic Alloys LX

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17･Kissinger, H･ E･ Variation of peak temperature with heating rate in differential

thermalanalysis. ). Res. Nat. Bur. Stand. 57, 217-221 (1956).

The authors arethankfu1 to Eiji Aoyagiand Yuichiro Hayasaka of Institute for materials, Tohoku Umiversity, fortheir techmiCalassistance in inっiEu heating experiments･ This work is supported by the

Correspondence and requests for materials should be addressed to K.Yoshimi･ (C.mail: yoshimi@ imr.tohoku.ac.jp).

Figure 1 Surface morphology of me一t.spun Fe45molOJoAl ribbon. (a) SEM

image before heat treatment. (b) SEM image after heat treatment at 723 K for l

hour. (C) AFM image a允er the heat treatment.

Figure 2   Bright fie一d images of heatlreated ribbons and morphology of pores created by vacancy clustering. (a) lncident beam direction, B毎【001 】･ (b) B一 考【0111. (C) B記【了11). (d) Schematic illustration of morphology and

crysta"ography of pores.

Figure 3   DSC thermograms of the FeAl ribbons measured at four different

heating rates.

Figure 4   Bright fie一d images taken in inづitu heating experiment by TEM,

(a) before heat treatment. (b) after heat treatment at 723 K for 1 hour･ (C) Higherf

magnification micrograph with Bミリ001 】･ The foil norma一 is also close to the l001】

direction.

b∠1

y o sh imi _fig2 yoshimi_fig3 500  550  600  650  700  750  800  850  SK)0 Temperature,丁/ K O X a 6 I V t J H V ■ O S 凸

ウ宕tJ 叩T tISO A

第3章 リサイクルFe-Al合金の組織と高温酸化特性

1.は じ め に ベアリングは高炭素クロム軸受鋼から切削加工によって作製されるため､ベ アリング製造メーカーでは毎日大量の切削屑が排出される｡それらは洗浄され た後に素材メーカーに回収され再利用されるようになってはきたが､再利用に は依然費用がかさむ上､屑鉄の価格が低いため､いまだ多くは産業廃棄物とし て埋め立て処分されるなど一方的に廃棄されるのが現状である｡一方､近年ア ルミニウム缶の再利用も問題になってきている｡アルミニウムは､天然ボーキ サイトから電気還元によって精錬されるため､アルミニウム精錬には大量の電 気エネルギーが消費される｡一方､アルミニウムのリサイクル材を再利用する ことにより､アルミニウム精錬のエネルギー消費量は約1/5 0程度に削減さ れるとの見積もりもあり､アルミニウムの再利用は地球環境負荷軽減に重要な 役割を果たす｡そこで本研究では､高炭素クロム軸受鋼の研削スラッジと､廃 アルミニウム缶材を用いたリサイクルFe-Al合金を作製し､組織と構成相を調 査することにした｡さらに､このリサイクルFe-Al合金の期待される機能とし て高温酸化特性を調査し､廃材利用でありながら高い付加価値を見出す試みを 行った｡ 2.実験方法 鉄原料として､ (秩)ヨコタコーポレーションの高炭素クロム軸受鋼SUJ2の 研削スラッジを用いた｡アルミニウム原料としては､日青鉱業(秩)の廃アル ミニウム缶から加工されたアルミニウムペレットを用いた｡ Fig. 1にSUJ2の 研削スラッジの外観写真を､Fig.2にアルミニウムペレットの外観写真を其々示 す｡ SUJ2研削スラッジ､アルミニウムペレット共にそれぞれ合金化されたもの であるが､あえてそれらを純鉄､純アルミニウムと仮定した上で､ Fe128m01%Al となるよう秤量し､アルゴン･アーク溶解法によって合金化した｡また量産化 を検討するために､この合金に対し､高周波溶解法にて大型の合金インゴット の作製を試みた｡得られた合金の組織は､切り出した表面を乾式研磨の後アル ミナ粒子を用いてパフ研磨を行い､光学顕微鏡､走査型電子顕微鏡にて観察し た｡また､得られた合金の高温酸化特性を評価するために､ Ar20%02雰囲気中 で等温酸化試験を行い､酸化時間による重量変化を測定した｡

Fig. 1 SUJ2研削スラッジ. Fig.2廃アルミニウムのペレット. 3.結果 と考察 Fig.3に得られたリサイクルFe-Al合金の､光学顕微鏡組織写真を示す｡この 合金中には､粒界や粒内に析出物が観察され､多相合金となっていることが分 かる｡そこで､これを走査型顕微鏡で観察しつつ､エネルギー分散型分光法に よって､マトリックスと析出物の同定を行った｡その結果､マトリックスは金 属間化合物Fe3Alであり､析出物はFe2AIC相であることが示唆された｡ f-寺､.;I;I-等･::- ::I,I;(,:. ヽ サ､.です言言J こT:A._.･f壷

蛍重態. I:

∼ :.● -I ノ･ Fig. 3リサイクルFe･Al合金の光学顕微鏡組織 Fig. 4に､リサイクルFe-Al合金の高温酸化試験の結果を示す.試験温度は､ 873K､ 1273K､ 1473Kである｡比較のために､二元系Fe-25m01%Alを､ 873 Kで等温酸化させた時の酸化曲線を示す｡リサイクルFe･Al合金の873 Kの酸 化重量変化は､二元系Fe-Alとほぼ同程度である｡また1273Kでは､酸化重量 ･ 1   ㌧ : ) .

変化量は､ 873 Kのそれに比べてかなり小さい｡これは､酸化による重量増加 のほかに､炭素が二酸化炭素となって気化することで起きる重量減少が加わっ ていることを示唆している｡ 1473Kでは再び酸化速度が上昇しているが､総じ て重量変化量は微量であり､本リサイクルFe-Al合金の耐酸化性は､各温度範 囲で極めて優れていることがわかった｡ 0    1 000    2000    3000    4000    5000    6000    7000 Holding Time/min Fig. 4リサイクルFe･Al合金の高温酸化曲線 Fig. 5に､リサイクルFe-Al合金100gを高周波溶解法によって溶解した後､ 直径20mmの金型に鋳込んだインゴットの外観写真を示す｡高周波溶解､金型 への鋳込みも良好に行うことができ､この合金は大量生産にも適していること が示唆された｡ SEM･EDXから得られたEDXプロファイルでは､鉄､アルミニウム､クロム､ マンガン､炭素のピークが観察された｡これらは､高炭素クロム軸受鋼および アルミニウム缶の主だった成分である｡しかし､アルミニウム缶に用いられる アルミニウム合金3004､ 5052､ 5082､ 5182の主要合金元素であるマグネシウ ムが全く検出されなかった｡このことからマグネシウムは､アーク溶解時にな んらかの原因で取り除かれたものと考えられる｡したがって､高温酸化におけ るマグネシウムの影響は無視することができる｡炭素は､上述のように､酸化 によって二酸化炭素となり､気化することで重量を減少させる｡一方､アルミ ニウムはアルミナを形成し､またクロムはクロミアを形成する｡これらは､耐 酸化皮膜として優れた性能を発揮する酸化物である｡本合金の優れた耐酸化性 Z -L u D 叫 ∈ ＼ u ! e D S S e M

は､こういった酸化物の保護皮膜が､速やかにかつ健全に形成した結果である と考えられる｡ 20mm Fig. 5リサイクルFe-Al合金の高周波溶解後の鋳造インゴット 4.ま と め 本研究では､リサイクル型Fe･Al多元系複相合金を実際に作製し､その組織 と高温酸化特性について調査した｡本合金のキャラクタリゼ-ションや特性評 価は未だ不十分ではあるが､得られた結果は今後の展開が大いに期待できるも のであった｡さらに､鉄原料とアルミニウム原料の比率を変化させたときの様々 な物性変化や､加工性の検討などを進めていくことにより､将来､安価で付加 価値の高いリサイクル型Fe･Al多元系複相合金が開発できるものと考えられる｡

第4章 アルミナイドおよびシリサイドの機械的性質

に対する理論的考察

本研究では､ FeAl合金およびFe3Si中の転位の弾性論的安定性に対して､直 線転位上のキンク対形成とジョグ対形成に関する検討を行った｡文献中に見ら れる焼鈍後や変形後の組織の転位形態は､弾性不安定性に基づいた理論的予測 と一致していた｡そこで､ジョグ対とキンク対間の形成エンタルピーの差を求 め､刃状転位に対するジョグ対固着機構の活性化エンタルピーを規定した｡ジ ョグ対固着機構に対する駆動力について､ FeAl単結晶中の不均一内部応力の働 きを含めて議論を行った｡ さらに､金属間化合物およびその合金の脆性破壊における､原子間結合の役 割について､理論的な評価を与えた｡すなわち､ 4つの変数､すなわち弾性定数､ 平衡原子面間隔､ 2つのスケーリング長さパラメーターを使って､剛体球分離か ら､原子面間結合力の理想仕事量についての単純な経験的モデルを提案した｡ これら2つの長さパラメーターの比は､ abl'Dl'tI'oslab-supercell計算で得られた 利用可能な結果に基づいて評価された｡遷移金属アルミナイドおよびシリサイ ドの､理想へき開エネルギーと臨界応力強度因子を見積もり､結果は脆性破壊 を示した利用可能な実験データを比較しながら議論を進めた｡提案した本モデ ルと他のモデルの違い､表面エネルギーの温度依存性､また本モデルの異相原 子界面結合への拡張などを､さらに議論した｡

第5章 ま と め 本研究によって､特に2つの重要な点が明らかとなった｡ 1点目は､鉄アルミ ニウム金属間化合物では､原子空孔がFe､ Al原子に次いで第3番目の原子とし て取り扱うことが可能であるということである｡この原子空孔の濃度変化によ って､鉄アルミナイド基複合材料の特性を大いに変化させることが可能である｡ これは､鉄アルミニウム金属間化合物に第3元素を添加した場合と､同じ効果 である｡ただし原子空孔は実体のない元素であるから､鉄アルミニウム金属間 化合物のカスケード化を招くことがなく､その結果､鉄アルミニウム金属間化 合物の循環性を保つことができる｡今後の課題としては､原子空孔の濃度制御 技術や､空孔クラスタリングによるボアーサイズ､形状､分布制御技術を確立 していくこと､第4､第5元素が入った場合の空孔クラスタリング挙動の制御､ また原子空孔ならびに空孔クラスターが及ぼす材料特性への様々な影響を明ら かにしていくことが求められる｡ 2点目は､鉄鋼材料､アルミニウム合金のスクラップから､鉄アルミナイド 基複合材料の作製が可能であるということである｡本研究では､得られた鉄ア ルミナイド基複合材料の高温酸化特性を評価したが､その結果､二元系鉄アル ミニウム金属間化合物が有する耐酸化性と同等の､極めて優れた耐酸化特性が 観察された｡このことは､スクラップを利用しても､カスケード化を招くこと なく､付加価値の高い材料を得ることができることを示している｡今後の課題 としては､得られた合金の高温酸化機構の詳細を明らかにすること､二次加工 や新しい加工法による組織制御技術の確立､高温酸化以外に様々な材料特性を 調査すること､また他のスクラップを利用して新しい鉄アルミナイド基複合材 料の作製を試み､同様の調査を行っていくことなどが考えられる｡ 最後になるが､本研究の取り組みはまだ始まったばかりであり､今後多くの ことを検討していかなければならない｡しかし地球環境問題は､私達が可及的 速やかに取り組まなければならない上に､将来に渡って検討され続けなければ ならない問題である｡本研究を､単なる地球環境問題ブームへの便乗研究では なく､これからの循環型社会に貢献できる意味のある研究として発展させてい きたい｡

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