2021 Fiscal Year Research-status Report

Elucidation of thermal oxidative decomposition of foamed pattern in evaporatibe pattern casting and verification by in-situ observation of molten metal flow

Research Project

Project/Area Number	21K04742
Research Institution	Kansai University
Principal Investigator	丸山徹関西大学, 化学生命工学部, 教授 (80330174)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	スチレン / 鋳鉄 / 熱分解 / 湯流れ / 発泡ポリマ
Outline of Annual Research Achievements	消失模型鋳造法は、鋳物製造における環境負荷や製品軽量化などの利点を有することから本法による製造技術の向上に期待されている。しかし、しばしば発生する発泡ポリマ模型の残差欠陥と湯回り不良の発生メカニズムは熱分解モデルでは説明できない現象を含んでいる。本研究では、従前から考慮されているポリマの解重合に加えて燃焼・爆発を考慮した湯流れ試験により欠陥発生のメカニズムを明らかにすることを目的としている。燃焼・爆発の影響を調査するために発泡ポリマ内の気体をアルゴンガス等の不活性ガスに置換して鋳鉄の湯流れ試験を行うとともにポリマの分解に伴う液化物、ガスや煤の発生を高速動画撮影により直接観察を行い、鋳造時の現象を明らかにする。令和３年度には、模型内酸素量の影響を調査して湯流れ速度低下条件の調査を行った。発泡模型を真空容器内で減圧後、アルゴンガスを容器に導入することで、模型内のガス置換率の制御を試みた。その結果、減圧時間とその後アルゴンガス雰囲気保持時間を制御することで模型内のアルゴンガス置換率を制御できることを明らかにした。一方で、アルゴンガス雰囲気保持時間は当初の予想よりも長時間必要であることが明らかとなった。そこで、効果的なガス置換条件を調査するために、減圧とアルゴンガス導入の繰返し等の実験を行うこととした。アルゴンガス置換率を３０％～６０％程度として模型を用いて鋳鉄の湯流れ試験を行った結果、模型分解速度と湯流れ速度はガス置換していない模型と比べて遅くなったが、湯流れ長は向上することを明らかにした。また、湯流れの直接観察のための動画撮影条件の検討を行い、基本的な撮影条件を把握した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 令和３年度には、模型内酸素量の影響を調査して湯流れ速度低下条件の把握を目的とした。模型内のアルゴンガス置換により模型内酸素を変化させる方法は明らかとなったが、実験において効果的にガス置換を行うための追加調査が必要となった。そこで令和４年度に予定していた湯流れ直接観察実験の準備を並行して進めることとし、湯流れの動画撮影に必要な撮影条件を把握した。これにより、令和４年度は引き続き、効果的にガス置換を行うための追加実験を進めるが、その後速やかに湯流れ直接観察実験を実施できる見込みである。
Strategy for Future Research Activity	今後は「効果的なガス置換条件の確立」、「湯流れ速度に及ぼす模型内酸素ガスの影響」、「湯流れ直接観察」を並行して実施することで、令和５年度に行う鋳造欠陥発生と模型の燃焼・爆発の関係を解明するために補完実験の条件候補を令和４年度の途中から立案し、研究を推進する。
Causes of Carryover	湯流れ直接観察実験は令和４年度に実施予定であったが、令和３年度に予算とともに前倒して着手した。この観察には高速動画撮影を用いることとし、その撮影条件を調査した結果、予定より少ない実験回数で調査を終えたことから、次年度使用額が生じた。この額は令和４年度で行う直接観察実験に必要な溶解原材料の購入に充てる必要があり、予算執行は計画済である。令和３年度から引き続き行う「効率的なガス置換条件の確立」を終えた後は模型内酸素量を変化させた模型を用いて湯流れ速度等を調べる鋳造実験を行う。そのため溶解用金属や鋳造に必要な耐火物等を購入に予算を使用する。これにより、令和３年度と令和４年度の予算を令和４年度末までに使用する計画となる。