二元系合金融体の表面張力に及ぼす組成および酸素吸着の影響解明

• Project/Area Number: 23K20270
• Project/Area Number (Other): 20H02453 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
• Research Institution: Chiba Institute of Technology
• Principal Investigator: 小澤 俊平 千葉工業大学, 工学部, 教授 (80404937)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 表面張力 / 高温融体 / 雰囲気酸素分圧 / 酸素吸着 / 無容器浮遊法 / ガス平衡

Outline of Research at the Start

溶接や鋳造等の自由表面を有する高温融体プロセスの最適化や現象解明の為に，表面張力の正確な値が強く求められている．金属融体の表面張力を正確に測定する為には，強力な表面活性元素である酸素が，試料中のみならず雰囲気中にも存在することを考慮しなければならない．また高温では，試料が容器との化学反応によって汚染されるため，測定自体が困難な問題もある．本研究では，試料の容器からの汚染回避と高温測定が可能な電磁浮遊法を用いて，二元系合金金融体の表面張力に対する組成，各元素の表面張力の大小，温度，雰囲気酸素分圧，合金元素の活量係数，酸素吸着量，酸素親和性等の影響を系統的に明らかにすることを試みる．

Outline of Annual Research Achievements

溶接，鋳造，溶射等の自由表面を有する高温融体プロセスの最適化や現象解明のために，表面張力の正確な値が強く求められている．金属融体の表面張力は，雰囲気酸素分圧依存性を有する場合が多いが，合金融体において，組成，酸素分圧，温度の影響を同時にパラメータとした測定は無い．また過年度までの研究から，溶鉄の表面張力は雰囲気からの酸素吸着により急激に低下するものの，雰囲気酸素分圧の影響が非常に小さいSiを添加した二元系合金融体では，表面張力の雰囲気酸素分圧依存性が小さくなることが分かっている．そこで2022年度は，Fe-Si合金とは逆に，分離傾向の強いFe-Cu二元系合金融体について，表面張力に対する温度，組成，酸素吸着の影響を明らかにすることを試みた．なお溶融銅の表面張力の文献値は，酸素吸着や不純物の影響に起因すると思われるばらつきが見られたため，その再測定も行った．
その結果，銅融体においては，鉱石や精錬に由来する不純物のリンの含有量によって，表面張力が変化することを明らかにした．またリン活量が小さい場合には，温度，表面張力，硫黄活量の関係をzyszkowskiモデルによって記述できることを示した．
またFe-Cu合金融体においては，Cu組成が大きくなるほどそれが表面偏在し，表面張力が著しく低下することが明らかとなった．またFe-Cu合金融体の表面張力は，酸素吸着によって低下するものの，高温では酸素が脱離するため，中間温度に極大値を持つ上に凸の放物線形の温度依存性（ブーメラン形の温度依存性）を示すことを確認した．また表面偏在したCuはFeよりも酸素吸着しにくいため，Cu組成の増加によって，酸素吸着の影響は小さくなった．加えて，雰囲気酸素分圧が高い場合，低温においては，Cuよりも酸素吸着しやすいFeの表面組成が僅かに増える可能性が示唆された．

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初計画していた銅融体の表面張力に及ぼすP活量の影響を測定しただけでなく，予想を前倒しして，投稿論文として公表するまでに至っている．また分離傾向の強いFe-Cu合金融体の表面張力に対する温度，組成，酸素吸着の影響についても，予定通りに基本的な傾向が得られており，国際会議での発表申込も終えている．

Strategy for Future Research Activity

合金融体の表面張力挙動を明らかにするためには，雰囲気からの酸素吸着と試料への酸素溶解の間の平衡を十分に担保する必要がある．学内に軽元素分析装置が新たに導入されたことから，これを駆使して実験後試料の酸素溶解量についても分析し，これまでの結果を含めて，測定データの整合性を確認する．

Research Products

• [Int'l Joint Research] German Aerospace Center(ドイツ)
• [Journal Article] Influences of Temperature and Phosphorus Addition on Surface Tension of Molten Cu–P Alloys (2023)
  • Author(s): Ishiguro Ryota、Seimiya Yusaku、Yoshitake Naoya、Ozawa Shumpei
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 64 Issue: 1 Pages: 267-271
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-D2022005
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2023-01-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flux-Free Brazing of Aluminum Alloys under Ultra-Low Oxygen Partial Pressure through a Zirconia Oxygen Pump (2022)
  • Author(s): Shinoda Tomoyuki、Ozawa Shumpei、Kawashima Kenta、Kuribayashi Kazuhiko、Yamayoshi Tomoki、Itoh Yasunaga
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 63 Issue: 10 Pages: 1477-1483
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2022078
  • NAID: 130008077582
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2022-10-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influences of Temperature and Phosphorus Addition on Surface Tension of Molten Cu–P Alloys (2022)
  • Author(s): 石黒 涼太、清宮 優作、吉武 直也、小澤 俊平
  • Journal Title: Journal of Japan Institute of Copper Volume: 61 Issue: 1 Pages: 135-139
  • DOI: 10.34562/jic.61.1_135
  • ISSN: 1347-7234, 2435-872X
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Round-Robin Measurement of Surface Tension for Liquid Titanium by Electromagnetic Levitation (EML) and Electrostatic Levitation (ESL) (2022)
  • Author(s): Seimiya Yusaku、Kudo Yu、Shinazawa Ryo、Watanabe Yuki、Ishikawa Takehiko、Ozawa Shumpei
  • Journal Title: Metals Volume: 12 Issue: 7 Pages: 1129-1129
  • DOI: 10.3390/met12071129
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Levitation Research in Japan (2022)
  • Author(s): Watanabe Masahito、Ozawa Shumpei、Fukuyama Hiroyuki、Tsukada Takao、Hibiya Taketoshi
  • Journal Title: Metallurgy in Space Volume: 1 Pages: 235-260
  • DOI: 10.1007/978-3-030-89784-0_11
  • ISBN: 9783030897833, 9783030897840
• [Journal Article] Flux-Free Brazing of Aluminum Alloys under Ultra-Low Oxygen Partial Pressure through a Zirconia Oxygen Pump (2021)
  • Author(s): Shinoda Tomoyuki、Ozawa Shumpei、Kawashima Kenta、Kuribayashi Kazuhiko、Yamayoshi Tomoki、Itoh Yasunaga
  • Journal Title: Journal of the Japan Institute of Metals and Materials Volume: 85 Issue: 9 Pages: 352-358
  • DOI: 10.2320/jinstmet.J2021015
  • NAID: 130008077582
  • ISSN: 0021-4876, 1880-6880, 2433-7501
  • Year and Date: 2021-09-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nucleation-Controlled Phase Selection in Rapid Solidification from Undercooled Melt of DyMnO₃ (2021)
  • Author(s): Hayasaka You、Kuribayashi Kazuhiko、Shiratori Suguru、Ozawa Shumpei
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 62 Issue: 7 Pages: 982-987
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2021047
  • NAID: 130008056658
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2021-07-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nucleation-Controlled Phase Selection in Rapid Solidification from Undercooled Melt of DyMnO₃ (2021)
  • Author(s): Hayasaka You、Kuribayashi Kazuhiko、Shiratori Suguru、Ozawa Shumpei
  • Journal Title: Journal of the Japan Institute of Metals and Materials Volume: 85 Issue: 4 Pages: 155-161
  • DOI: 10.2320/jinstmet.J2020061
  • NAID: 130008002722
  • ISSN: 0021-4876, 1880-6880, 2433-7501
  • Year and Date: 2021-04-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of oxygen adsorption from atmosphere on surface tension of liquid silicon (2021)
  • Author(s): Ozawa Shumpei、Nagasaka Yosuke、Itakura Masahiro、Sugisawa Kota、Seimiya Yusaku
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 130 Issue: 13 Pages: 135101-135101
  • DOI: 10.1063/5.0062062
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of Sulfur Content on Penetration Depth in TIG Welding for High Manganese Stainless Steels (2021)
  • Author(s): Kisaka Yuji、Miki Satoshi、Sekiguchi Nobuo、Kimura Fumiaki、Tashiro Shinichi、Tanaka Manabu、Ozawa Shumpei、Suwa Tomone、Takahashi Yoshikazu
  • Journal Title: Metallurgical and Materials Transactions A Volume: 52 Issue: 12 Pages: 5293-5299
  • DOI: 10.1007/s11661-021-06468-2
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 準安定2液相分離合金を利用した熱エネルギー貯蔵材料の作製 (2023)
  • Author(s): 小畠秀和，隼瀬俊介，後藤琢也，小澤俊平，白鳥英，杉岡健一
  • Organizer: 日本鉄鋼協会第185回春季講演大会
• [Presentation] アルミニウム融体の表面張力に対する酸素吸着の影響 (2023)
  • Author(s): 清宮優作，岩野貴哉，小澤 俊平
  • Organizer: 日本鉄鋼協会第185回春季講演大会
• [Presentation] 銅融体の表面張力に対する硫黄吸着の影響 (2023)
  • Author(s): 伯山流星，石黒涼太，清宮優作，小澤俊平
  • Organizer: 日本鉄鋼協会第185回春季講演大会
• [Presentation] Fe-Ni合金融体の表面張力に及ぼす組成と酸素吸着の影響 (2023)
  • Author(s): 朝見海斗，高橋駿，清宮優作，小澤俊平
  • Organizer: 日本鉄鋼協会第185回春季講演大会
• [Presentation] Influence of Oxygen Partial Pressure on Surface Tension of Liquid Titanium (2022)
  • Author(s): Yusaku Seimiya, Ryo Shinazawa, Tomohiro Katsumi, Yu Kudo, Ishikawa Takehiko, Shumpei Ozawa
  • Organizer: The 75th IIW Annual Assembly and International Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence of Sulfur Content on Molten Pool Geometry in TIG Welding of High Manganese Stainless Steels (2022)
  • Author(s): Y. Kisaka, S. Miki, F. Kimura, S. Tashiro, M. Tanaka, S. Ozawa, and T. Suwa
  • Organizer: The 75th IIW Annual Assembly and International Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ジルカロイ融体の表面張力に及ぼす温度と酸素の影響 (2022)
  • Author(s): 美尾歩，清宮優作，勝見智紘，小澤俊平
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] ガスジェット浮遊を用いたPt融体の熱物性測定 (2022)
  • Author(s): 原泰彦，富田脩斗，高橋勇太，白鳥英，小澤俊平
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] Hetero-3D用TiC添加Ti6Al4V中の気泡発生を抑制する試料作製 (2022)
  • Author(s): 花田知優，青木祐和，馬渕勇司，上田雄翔，門井洸衛，米田香苗，山田素子，佐藤尚，渡辺義見，原田侑直，小澤俊平，中野禅，小山千尋，織田裕久，石川毅彦，渡邊勇基，島岡太郎，鈴木進補
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] Hetero-3Dの静電浮遊実験における加熱条件がTi6Al4V中のヘテロ凝固核TiCに及ぼす影響 (2022)
  • Author(s): 馬渕勇司，青木祐和，花田知優，上田雄翔，門井洸衛，米田香苗，山田素子，佐藤尚，渡辺義見，原田侑直，小澤俊平，中野禅，小山千尋，織田裕久，石川毅彦，渡邊勇基，島岡太郎，鈴木進補
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] 雰囲気酸素分圧制御下におけるトレランス因子と六方晶LnMnO3相の生成の関係 (2022)
  • Author(s): 下村健太，栗林一彦，小澤俊平
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] 電磁浮遊法による表面酸素分圧を考慮したゲルマニウム融体の表面張力測定 (2022)
  • Author(s): 廣瀬圭吾，清宮優作, 長坂陽介，細谷蓮，小澤俊平
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] Thermal Storage Project に向けたFe-Cu合金融体の表面張力測定 (2022)
  • Author(s): 殿岡和己，菅原陸，小畠秀和，小澤俊平
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] 熱エネルギー貯蔵開発に向けたきぼう実験棟での非平衡溶融合金の熱物性計測 (2022)
  • Author(s): 小畠秀和，小澤俊平，清宮優作，殿岡和己, 伊藤輝，杉岡健一，白鳥英，下西里奈，小山千尋，織田裕久，石川毅彦
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] ヘテロ凝固核による金属凝固挙動への影響解明を目的としたISS-ELF利用実験Hetero-3D (2022)
  • Author(s): 鈴木進補，青木祐和，花田知優，馬渕勇司，上田雄翔，門井洸衛，山田素子，米田香苗，佐藤尚，渡辺義見，清宮優作，原田侑直，殿岡和己，小澤俊平，碓井択郎，白鳥 英，中野 禅，織田裕久，小山千尋，島岡太郎，石川毅彦， 渡邊勇基
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] Surface tension of molten zircalloy measured by oscillating droplet method using electromagnetic levitation (2022)
  • Author(s): Ayumi Mio, Yusaku Seimiya, Tomohiro Katsumi and Shumpei Ozawa
  • Organizer: 13th Asian Thermophysical Properties Conference, ATPC2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アルミニウム合金製密閉構造体のフラックスフリーろう付におけるフィレット形状と酸素分圧の関係 (2022)
  • Author(s): 天満郁実，小澤俊平
  • Organizer: 軽金属学会第143回秋期大会
• [Presentation] 銅融体の表面張力に対するリンの表面活性効果 (2022)
  • Author(s): 石黒涼太，吉武直也，清宮優作，小澤俊平
  • Organizer: 日本金属学会2022年春期講演大会
• [Presentation] シリコン融体の表面張力は高い？低い？ (2022)
  • Author(s): 小澤俊平
  • Organizer: 高温物性値フォーラム
  • Invited
• [Presentation] Cu融体の表面張力に対するP添加の影響 (2021)
  • Author(s): 石黒涼太，吉武直也，清宮優作，小澤俊平
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第33回学術講演会
• [Presentation] ジルコニウム融体の表面張力と 酸素溶解量の時間依存性に対する 雰囲気ガス種の影響 (2021)
  • Author(s): 清宮優作，品澤遼，勝見智弘，栗林一彦，小澤俊平
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第33回学術講演会
• [Presentation] 電磁浮遊法を用いたFe-Cu融体の表面張力測定 (2021)
  • Author(s): 殿岡和己，伊藤輝，小畠秀和，小澤俊平
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] Fe-Si合金融体の表面張力に対する組成と温度の影響 (2021)
  • Author(s): 清宮 優作, 吉崎隼人, 高橋駿, 小澤俊平
  • Organizer: 日本金属学会 第169回秋期講演大会
• [Presentation] Round-robin measurement of surface tension of liquid titanium by Electromagnetic levitation and Electrostatic levitation (2021)
  • Author(s): Shumpei Ozawa
  • Organizer: Korea Microgravity symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] チタン族融体の表面張力に対する雰囲気ガス種の影響 (2021)
  • Author(s): 清宮優作，品澤遼，勝見智紘，小澤俊平
  • Organizer: 日本金属学会（第168回）春期講演大会
• [Presentation] DyMnO3 の過冷却融液からの急速凝固における核形成律速相選択 (2021)
  • Author(s): 早坂，栗林一彦，小澤俊平
  • Organizer: 日本金属学会（第168回）春期講演大会
• [Presentation] ジルコニウム融体の表面張力に対する酸素の影響 (2021)
  • Author(s): 品澤遼，清宮優作，勝見智紘，小澤俊平
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季（第181回） 講演大会
• [Presentation] 表面酸素分圧を考慮したシリコン融体の表面張力の再考 (2020)
  • Author(s): 長坂陽介，板倉真博，杉澤昂太，小澤俊平
  • Organizer: 第41回日本熱物性シンポジウム
• [Presentation] DyMnO3 の過冷却凝固における六方晶 (h-LnMnO3, Ln: Lanthanoid)と斜方晶 (o-LnMnO3)の関係 (2020)
  • Author(s): 早坂燿，栗林一彦，小澤俊平
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第32回学術講演会
• [Presentation] 還元 雰囲気下での 溶鉄の表面張力温度依存性 における くびれ 挙動の再確認 (2020)
  • Author(s): 樋口龍輝，髙橋駿，小澤俊平
  • Organizer: 日本金属学会（第167回）秋期講演大会
• [Book] Metallurgy in Space (2022)
  • Author(s): Masahito Watanabe, Shumpei Ozawa, Hiroyuki Fukuyama, Takao Tsukada, Taketoshi Hibiya
  • Total Pages: 557
  • Publisher: Springer Link