不均質核生成の臨界過冷度制御-希土類カルコゲナイト粒子による機能性材料の生産工学-

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650797
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 中島 敬治 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (40312649)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長谷川 一 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (70323102) ; 溝口 庄三 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90311555)
• Keywords: 不均質核生成 / 触媒 / 臨界過冷度 / 初晶選択 / 界面自由エネルギー / 純Fe / Fe-Ni合金 / Fe-Cr-Ni合金

Research Abstract

本研究では不均質核生成の本質を明らかにするために、触媒(核生成誘因物質)によって誘発的に核生成される初晶の相違(初晶選択)に注意を払いながら、実験を行った。昨年度、Al_2O_3、Ti_2O_3およびTiNをほぼ一定量だけ晶出させた純FeおよびFe-Ni合金(Ni濃度:1〜30mass%)の過冷度を系統的に測定した。この結果を踏まえ、今年度、TiN晶出量を変化させた純Fe, Fe-Ni合金およびFe-Cr-Ni合金(Cr+Ni濃度:1〜30mass%)の過冷度を追加測定した。こうしてAl_2O_3、Ti_2O_3およびTiNを含む純Fe、Fe-Ni合金およびFe-Cr-Ni合金における一連のDSC熱解析から、不均質核生成に関するいくつかの重要な特徴がわかった。
1.冷却中に現れる凝固・変態モードは、Fモード(δ相単相凝固)、FAモード(包晶凝固)、Aモード(γ相単相凝固)に分類される。モード変化および臨界過冷度ΔTは化学組成だけでなく、触媒の種類と量に大きく依存する。Cr添加はFモードを優先出現させ、ΔTを下げる。Ni添加はAモードを優先出現させ、ΔTを上げる。、ΔT値は概してTiN、Al_2O_3、Ti_2O_3の順に小さい。最も大きい触媒能を示したTiNに関し、"晶出量を増すと、例えば純FeではΔTは20℃から4℃まで低下する"という触媒晶出量の影響を初めて定量的に明らかにした。
2.不均質核生成に対する最も重要な因子はcosθ、すなわち界面自由エネルギー比(γ_<CL>-γ_<SC>)/γ_<LS>である。より大きな触媒能はより小さな臨界過冷度、すなわち1に近いcosθに対応する。このときγ_<CL>【approximately equal】γ_<LS>、γ_<SC>【approximately equal】0を満足する。これは触媒(C)と初晶(S)間の構造類似を意味する。実際問題として、δ相初晶において、TiNのみ-特に晶出量が多い場合-が核生成への触媒としての実効を持ち、γ相初晶において、どれも実効を持たなかった。

Research Products

• [Publications] K.Nakajima: "Effect of Catalyst on Huterogeneous Nucleation in Pure Fe and Fe-Ni Alloys"Proceedings of the mills Symposium, Metals, Slags, Glasses : High Temperature Properties and Phenomena, London, UK. II. 433-442 (2002)
• [Publications] K.Nakajima: "Effect of Catalyst on Huterogeneous Nucleation in Pure Fe and Fe-Ni Alloys"Metallurgical and Materials Transaction B. 34B(印刷中). (2003)