| 研究課題/領域番号 |
16H04504
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
三木 寛之 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 准教授 (80325943)
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| 研究分担者 |
宮崎 孝道 東北大学, 工学研究科, 技術一般職員 (20422090)
小助川 博之 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (00709157)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 構造・機能材料 / 機械材料・材料力学 / 表面・界面物性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、金属粉あるいは金属と他の固体材料の混合粉に対して一軸方向に圧縮荷重を与え、同時にその垂直方向にせん断力を与える粒動接合プロセスによって粉体が常温大気中で固化し、固化された材料の機械的強度の向上、結晶配向性の付与、摺動安定性の向上等をもたらすことが期待される、新たな巨大ひずみ加工粉末成形技術の開発を目的としている。ここでは、“圧縮せん断同時作用”により、加熱あるいは通電することなく微粒子が固化するプロセスについて、①粉体結合ならびに結晶粒微細化機構、②合金あるいは複合材料の微細結晶粒形成プロセスを系統的に分析し、粒動接合に基づく新たな材料製造手法の確立を目指している。
平成28年度には金属粉の粒動接合プロセスによる固化過程の定量的評価を目的として、金属粉末の成形性、固化材の機械的特性および材料特性に関する評価を実施した。また、これらの評価によって抽出された固化条件をパラメータとして、本手法による固化過程を段階的に捉えること目的とした摺動試験を実施し、以下の成果を得た。
①粒動接合プロセスによる薄板成形における制御パラメータの確立及び微細構造分析：粒動接合プロセスを用いて成形条件の異なる固化材を作成し、成形された金属薄板の機械的特性および微細構造分析によって、緻密化は圧縮力、結晶粒の微細化はせん断力が主たる要因であることを見出した。②摺動プロセスを用いた成形体設計及び微細構造分析：一軸方向に圧縮荷重を与えた金属粉に摺動試験を行い、せん断力が粉体に与える影響を評価した。圧縮しただけの粉末は十分に固化していないため、摺動試験によって圧粉体の接触面に疑似的な圧縮せん断同時作用状態を作り出すことによって固化層が形成される。これらの系統的な試験に基づき、試験初期と試験後期の結晶性の違いや微細化の程度について評価し、粒子間の空隙が閉じ、2粒子が接合する過程を見出した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成28年度には金属粉の粒動接合プロセスによる固化過程の定量的評価を実施し、成形条件による固化状態を明らかにすることが出来た。特に、Al粉の成形については、圧縮力の違いにより粒子の表面にへき開が生じることにより、原料粉末表面に形成された酸化層が除去されると同時に空隙が減少（緻密化）すること、これらの状態が粒子の微細化を促進することを定性的に捉えることが出来た。この知見は、従来提案されていた亜結晶粒界の形成による固化のプロセスとは異なるものであり、新たな展開が期待できる成果と考えている。
また、固化条件をパラメータとして取り入れた圧子による摺動試験では、試験方法についての試行錯誤により固化条件の再現に適した試験条件を確立し、研究実績の概要に示したような成果を得ることが出来た。当初目標としていた多くの試験条件による系統的な評価には至っていないが、幾つかの成形体について、集束イオンビーム加工による断面結晶粒解析やナノインデンテーション法による微小領域材料特性評価を実施するなど、当初予定とは異なるいくつもの成果を得ることが出来た。摺動試験による固化プロセスの再現ならびにモデル化の研究は新しい試みであり、せん断力の影響範囲などについてより詳細に検討を行う必要があると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、平成28年度に金属粉の粒動接合プロセスによる固化成形過程を定量化し、成形材の機械的特性、材料特性評価を実施した。また、これらの抽出された固化条件を摺動試験のパラメータとして再現し、せん断プロセスによる粉体の固化ならびに粒子間接合の過程を検討した。現状では研究計画に従い、概ね順調に進展していることから、平成29年度はこれらの成果に基づき、引き続き同様の内容を異なる材料について実施し、同現象の一般性について検討を進める。また、粒子の接合状態や微細化等の材料組織と材料特性あるいは機能性と成形条件との関係性の評価を行う。さらに、金属粉と異種材料との複合あるいは混合粉を用いた固化材を成形し、粒動接合プロセスによる複合材料成形の可能性について検討を行う。
平成29年度に計画している具体的な実施内容を以下に示す。
①粒動接合プロセスによる薄板成型における制御パラメータの確立及び微細構造分析、②摺動プロセスを用いた成形体設計及び微細構造分析、③粒動接合プロセスを用いた合金作製および複合材料成形
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