| 研究課題/領域番号 |
26820328
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| 研究機関 | 崇城大学 |
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研究代表者 |
森 昭寿 崇城大学, 工学部, 准教授 (60433017)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 衝撃加工 / 粉末固化成形 / ポーラス材料 / マグネシウム合金 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，試料粉末に与える熱的影響が少ない衝撃粉末固化法に着目し，マグネシウム合金AZ31材料を用いてポーラス材料の作製を試みる研究である．反応性が高いマグネシウム合金を試料として用いるので粉末状では取扱いに細心の注意が必要である．そこで，マグネシウム合金AZ31の丸棒を旋盤で切削したときの切削屑を利用して実験を行った．
前年度では条件を確認するために純銅粉末を用いて実験を行ったが，内部に残留するガスの影響で良好な固化成形を得るまでには至らなかった．今年度は前年度達成できなかった成形可否条件を得ることを目標に実験を行った．前年度良好に達成できなかった要因は，細かな格子状のスペーサを3Dプリンタで作成し，その隙間に粉末を充填する方法を採用していたが，細部までプレスできず，残留ガスが多量に残ったものだと推察された．そこで今年度はスペーサ形状を簡単化し，Mg合金切削屑を粉砕し，サイズの異なる粉末の配合率を変えてポーラス材料の作製を図った．
当初は，直径19mm，高さ30mmの試料容器内部に，直径6mmのプラスチックボール６個を数珠繋ぎにしたスペーサの間に，負荷をかけながらMg合金切削屑を充填し，容器外周部に爆薬を配置して，中心軸上に向かって衝撃圧を作用させて固化成形を行ったが，中心軸上に衝撃波が集束し，マッハステムと呼ばれる超高圧状態が発生，その影響で中心軸上に溶融された部分を形成することになった．このマッハステムの影響を抑え，かつ，気孔率を上げるために，中心軸上にMg合金丸棒を配置し，固化成形後に取り外すことができるように装置構成を変更したところ，良好に固化成形を達成できた．また，固化した後，スペーサを加熱及び薬品で除去し，ポーラス形状を有する固化成形体を改修することに成功した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
当初の計画では，前年度である平成26年度に，スペーサの種類と形状及びMg合金の形状を様々に組合せながら最適な実験条件を明らかにすることを目標とし，今年度，その条件に基づいた数値解析を実施し，試料粉末とスペーサの混合体中を伝播する衝撃波の挙動を求める予定で計画していた．しかしながら，前年度実施した実験条件では，部分的にポーラス化を達成できたものの，良好な条件までは得られなかった．そのため，今年度始めから数値解析モデルを作成することができなかったため，前年度の計画遅れを取り戻すため，実験条件を決定することを第一目標に進めた．前年度，阻害要因である残留ガスを除去するような真空ポンプを用いた装置の開発を実施したが期待通りの性能を発揮しなかったため，試料を充填する際により強く加圧できるよう，計画していなかった手動プレスを購入し，更にスペーサ形状を簡単化して，マグネシウム合金切削屑を充填した．
その結果，今年度はマグネシウム合金の切削屑からポーラス化した材料を得られた．回収した試料の一部を用いて引張試験を実施し，接合強度が弱いため，爆薬量を増やし，作用圧力を増大させる必要があるものの，実験条件は推定できた．また，実験条件によって，中心軸上に衝撃波が集束して超高圧状態となり，固化成形を阻害する要因となるマッハステム現象が生じたと思われる箇所も見られた．マッハステム現象の発生と衝撃波の伝播過程を明らかにするため，簡易的にモデル化を行い，予備解析を試みるところまでは進捗したが，報告できるような解析結果を得るまでには到達できていない．
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| 今後の研究の推進方策 |
申請時の研究計画では，最終年度である平成28年度に，試料粉末内部の作用圧力を計測する計画である．ただし，計画に遅れが生じているため，1つの試料で複数点の圧力を同時に計測できるようチャージインテグレータの追加購入を行い，実験回数の短縮化を図る．実験条件は，圧力ゲージを試料粉末内部に設置するため，平成27年度で実施した条件を基に，粉末内部とスペーサ表面部分及び中心軸周辺の圧力が計測できる条件に変更する．同時に，圧力計測の実験条件に基づいた数値解析モデルを作成し，試料粉末とスペーサの混合体における衝撃波の伝播過程と圧縮挙動を求め，実験結果と比較することでその整合性を取る．数値解析については，熊本大学パルスパワー科学研究所の爆発実験施設が有するANSYS-AUTODYNを用いるが，このソフトウェアの管理者とネットワーク管理者に相談し，仮想ネットワークを用いて本学から操作できるようにした．そのため，熊本大学への移動時間や順番待ち時間を無くし，時間短縮ができる環境を整えている．また，解析時間を短縮するために，2次元モデルで解析を行う．圧力計測及び数値解析を同時に行うため，数値解析の用いる材料パラメータはソフトウェアに組み込まれているデータを用いる．また粉末体と固体であるスペーサが混在するため，粉末にEuler法を，スペーサにLagrange法を適用した， Lagrange-Euler Couplingを採用した解析を実施する．以前に似たようなモデルでこの方法を用いたことがあるため，そのときの経験とデータを利用して時間短縮を図る．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初の計画では，数値解析を実施する際にその補助を行う人物を雇う予定であった．しかし，前年度の計画遅れにより，数値解析自体の実施が当初よりも遅れたため，今年度に人件費や謝金を支払って数値解析を進めることができなかった．また数値解析に要すると思われる機器類の一部を購入する予定であったが，実験用の消耗品にその分を当てたので差額が生じた．人件費と購入品の変更に伴い，次年度使用額が生じた．
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| 次年度使用額の使用計画 |
次年度使用額が生じた理由は前年度の実験の遅れに起因する．最終年度である次年度にその遅れを取り戻すため，計測実験用の計測器（チャージインテグレータ）を追加する方策をとるので，その購入費用に使用する．
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