Advanced recycling of aluminium by controlling precipitation of impurity elements

• Project/Area Number: 23K17062
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 64030:Environmental materials and recycle technology-related
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: 加藤 謙吾 富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 特命助教 (00965709)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: アルミニウム / 晶出制御 / 熱力学

Outline of Research at the Start

カーボンニュートラルの実現へ向けてアルミニウムのリサイクルは必須の課題である。現状アルミニウムスクラップは不純物許容値の高い鋳造材に主に利用されており、アルミニウムスクラップからの不純物の除去ならびに無害化による展伸材へのアップグレードリサイクルが必要不可欠である。本研究では不純物の晶出制御・無害化によるAlのリサイクルプロセスを提案する。不純物の晶出制御・無害化のために固液共存状態のAl合金中不純物の晶出条件および固液共存状態における不純物無害化に最適なMg添加量を明らかにすることを目的とした研究を推進する。

Outline of Annual Research Achievements

カーボンニュートラルの実現へ向けてアルミニウムのリサイクルは必須の課題である。現状アルミニウムスクラップは不純物許容値の低い鋳造材に主に利用されているが、鋳造材の主な用途であるエンジンブロックは自動車の電動化に伴って今後需要が減少すると考えられている。したがってアルミニウムスクラップからの不純物の除去ならびに無害化による展伸材へのアップグレードリサイクルが必要不可欠である。Al合金の主な添加元素は精錬による除去が困難であるが、固液共存状態において固相と液相で濃度差が生じる。不純物が液相中へ濃化すると、固液界面で局所的に濃度が高くなることで不純物が単体または化合物として晶出する可能性がある。そこで本研究では不純物の晶出制御・無害化によるAlのリサイクルプロセスを提案する。固液共存状態における不純物を含んだアルミニウム合金からの不純物の晶出条件を把握し、無害化の可能性を探索する。本年度はまず実験準備として不純物を含んだアルミニウム合金を一方向凝固させるための実験装置を構築した。代表者はこれまでに溶融Al合金中におけるMgとの親和力を利用した新たな不純物除去原理を提案し、アルミニウム合金からの除去が困難な元素であるSiをMg2Siとして晶出・分離できることを明らかにするとともに、溶融Al-Mg-Si合金中からのMg2Si晶出に関する熱力学データを得ている。そこでAl-Mg-Si合金を実験試料として一方向凝固実験を行い、Mg2Siの晶出挙動を調査した。さらに、溶融Al-Mg-Si合金中からのMg2Si晶出に関する熱力学計算と凝固モデルを組み合わせて固相率に対する化合物の晶出量を推定する解析モデルを作製し、実験試料の観察結果と対比した。以上より固液共存状態における溶融アルミニウム合金中不純物の晶出挙動を評価するための実験・解析の準備が概ね完了した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

アルミニウムスクラップからの不純物除去によるアップグレードリサイクルを目指して、固液共存状態における溶融アルミニウム合金のからの不純物の晶出制御・無害化の検討を進めている。本年度は実験準備として不純物を含んだアルミニウム合金を一方向凝固させるための実験装置を構築した。代表者のこれまでの研究により不純物の晶出に関する熱力学データが得られているAl-Mg-Si合金を対象として一方向凝固実験を実施し、晶出物の観察を行った。加えて不純物晶出に関する熱力学計算と凝固モデルを組み合わせて、固相率に対する化合物の晶出量を推定する解析モデルを作製し、実験試料の観察結果と対比した。以上より固液共存状態における溶融アルミニウム合金中不純物の晶出挙動を評価するための実験・解析の準備が概ね完了した。おおむね当初の計画通り研究が進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

カーボンニュートラルの実現へ向けてアルミニウムのリサイクルは必須の課題である。現状アルミニウムスクラップは不純物許容値の低い鋳造材に主に利用されているが、鋳造材の主な用途であるエンジンブロックは自動車の電動化に伴って今後需要が減少すると考えられる。したがってアルミニウムスクラップからの不純物の除去ならびに無害化による展伸材へのアップグレードリサイクルが必要不可欠である。本研究ではアルミニウムのアップグレードリサイクルへ向けて不純物の晶出制御・無害化の検討を進めている。昨年度は固液共存状態における溶融アルミニウム合金中不純物の晶出挙動を評価するための実験・解析の準備を行った。本年度は昨年度に引き続きアルミニウム合金からの除去が困難な元素であるSiに着目して検討を進める。Siを含んだアルミニウム合金の一方向凝固実験を行い、不純物の晶出挙動を調査する。実験結果と解析モデルによる解析結果を総合し、不純物の晶出を制御するためのパラメータを抽出する。さらにAl合金から不純物を効果的に晶出させるための合金系の探索も試みる。