急冷凝固材料製造のための凝固過程の超高速化に関する研究

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 05239102
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 西尾 茂文 東京大学, 生産技術研究所, 助教授 (00111568)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 俊夫 東京大学, 工学部, 助教授 (70115111) ; 斎藤 武雄 東北大学, 工学部, 教授 (80064161) ; 福迫 尚一郎 北海道大学, 工学部, 教授 (00001785)
• Keywords: 急速凝固 / 過冷却 / 超急冷 / 素材製造 / 核生成 / 凝固組織

Research Abstract

本研究では、凝固過程を超高速化するための超急冷方法論および急速凝固過程に関する凝固現象論の立場から急冷凝固に関する研究を行った。
超急冷方法論については、まず、代表的液体沸騰冷却法である回転水中紡糸法において初期冷却速度を強く拘束している気相シートに対して、電場を印加することにより気相シートが強制崩壊され冷却速度が数倍程度向上することを示した。また、代表的固体伝導冷却法である双ロール法などにおける冷却速度を拘束している接触熱抵抗の発生機構について可視化により検討し、メニスカスの崩壊に伴う局所凝固部の伝播とそれに伴う凝固遅れ部の形成が接触熱抵抗発生の一機構である可能性を示した。さらに、双ロール法など急冷連続鋳造システムの実態調査によりその問題点や実用化上の解決策を把握するとともに、凝固界面の処理を含む移動境界問題の数値計算法としてタイムスペース法が優れており、その凝固問題への適用上の特性や問題点を明らかにした。
次に、急速凝固現象論については、まず、チオシアン酸カリウムを融液とし、系の冷却速度を精密に制御した凝固実験により過冷解除条件と凝固組織との関係を検討した。その結果、冷却速度が遅いほど到達過冷却度が増大し、過冷解除直後の凝固層厚さも厚く、針状あるいは樹枝状結晶が得られ、逆に冷却速度が高い場合には、到達過冷度は小さいが微細な結晶構造が得られることを示した。また、金属融液の急冷凝固実験により核生成現象の計測・評価手法の確立を試み、得られた急速凝固資料表面における核発生点の空間分布に規則性があることを見いだした。さらに、デンドライト成長条件を考慮した急速凝固過程の解析モデルの構築を試み、表面近傍では高い成長速度で凝固が進行することを示した。

Research Products

• [Publications] T.Saitoh,W.Nakamura and T.Gomi: "Time-space method for multiclimensional melting and freezing problems" International Journal for Numerical Methods in Engineering. 37. (1994)
• [Publications] 斎藤武雄,中村慎,五味達彦: "時間を空間座標とする高速数値解法(タイムスペース法)の提案" 日本機械学会論文集(B編). 60. (1994)