アルミニウム展伸材の高度循環利用に資するビーム走査型レーザー発光分析装置の開発

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01903
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 我妻 和明 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (30158597)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 有価物回収 / 高度循環利用 / レーザー誘起プラズマ発光分析 / 品番別選別 / アルミニウム素材 / 定量分析

研究実績の概要

本研究は、アルミニウム素材リサイクルのひとつの理想型である’展伸材から展伸材へ’の再生利用を実現するために、展伸材の品番別選別を行うための含有元素情報と、リサイクル材の品位評価のための重要指標である素材介在物の含有量を同時に評価できる、新たな分析・計測方法として、ビーム走査型レーザー誘起プラズマ発光分析装置の開発を目的とする。
研究初年度にあたる平成２９年度は、装置の組み立てと測定条件の最適化は図るために研究活動を行った。装置としては本科研費補助金によりサブナノ秒Nd:YAGレーザーを購入し、高性能の測定装置を完成させ、その測定条件の最適化を行った。最適化内容としては、測定元素毎の最適分析線の決定、検量線濃度範囲の決定、レーザー照射時の雰囲気ガスの種類およびそのガス圧等である。
さらに、レーザー走査時における位置敏感測定法の確立のため模擬試料を用いた分析条件の検討を行った。この基礎知見に基づき、実際試料として、アルミニウム合金の表面皮膜の三次元元素分布の測定やステンレス合金中に含まれるアルミナ介在物の分布評価に適用し、面方向および深さ方向の空間分解能を支配する実験因子を検討した。これら実際試料を用いた測定においては、いずれも本法の特性を生かした興味深い研究成果が得られた。
これらの研究内容は、原著論文３編、国際会議発表１報、国内学会発表２報、セミナー講演１件にて公開することができ、科研費の研究公開の責を果たしたものと思慮する。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

１）実験装置の組み立てを完了して、レーザー照射条件、発光測定条件等の実験因子の最適化を終えており、研究初年度に予定していた当初計画の目標を達成できている。
２）研究２年目以降の研究課題としていた、アルミニウム素材中の介在物評価を行うための実験を開始できている。
３）研究２年目以降の研究課題としていた、実際試料（アルミニウム合金および鉄基合金）の測定を一部開始している。

今後の研究の推進方策

研究計画２年目にあたる平成３０年度は、初年度に組み立てたレーザー誘起プラズマ発光分析装置を用いて、アルミニウム合金素材の品番別分析を行うため、それら素材に含まれる微量添加合金元素、Mn, Mg, Cu, Fe, Si等の発光スペクトルの詳細測定、定量分析を確立する。アルミニウム合金は、品番により合金元素の種類や含有量が異なることから、高精度で定量された合金元素の分析値が品番選別の決定指標となる。
さらに、アルミニウム素材中に含まれる非金属介在物、金属間化合物析出物の３次元分布解析を行うためのレーザー走査条件等を検討して、空間分解能の最適化を行う。

研究成果

• [雑誌論文] 走査レーザー誘起プラズマ発光分析法による化成処理アルミニウム合金の表面被膜の面方向分析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中畑翔子、柏倉俊介、我妻和明
  • 雑誌名: 鉄と鋼 巻: 104 ページ: 358-362
  • DOI: http://dx.doi.org/10.2355/tetsutohagane.TETSU-2018-007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative distribution analysis of alumina inclusion particles in ferritic stainless steels by using laser-induced breakdown optical emission spectrometry (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Nakahata, S. Kashiwakura, K. Wagatsuma
  • 雑誌名: Surf. Interface Anal. 巻: 49 ページ: 740-749
  • DOI: DOI: 10.1002/sia.621
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fundamental Study on Ablation Sampling of Fe-based Binary Alloys in Laser-induced Breakdown Optical Emission Spectrometry (2017)
  • 著者名/発表者名: X. Zhang, S. Kashiwakura, K. Wagatsuma
  • 雑誌名: Anal. Sci. 巻: 33 ページ: 343-349
  • DOI: https://doi.org/10.2116/analsci.33.343
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Spatial resolution of two-dimensional elemental mapping using scanning laser beam in laser-induced plasma optical emission spectrometry (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Matsuda, S. Kashiwakura, K. Wagatsuma
  • 学会等名: 6th. Global Conference on Materials Science and Engineering (CMSE2017)
  • 国際学会
• [学会発表] 走査レーザー誘起プラズマ発光分析法による化成処理アルミニウム合金の表面被膜の面方向分析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中畑 翔子、柏倉 俊介、我妻 和明
  • 学会等名: 日本分析化学会 第66回年会
• [学会発表] 二次元走査型レーザー誘起プラズマ発光分析装置による面方向分解能の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松田 哲彦、我妻 和明、柏倉 俊介
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会第174回秋季講演大会
• [備考]
  • URL: http://wagatsuma.imr.tohoku.ac.jp