超音波による金属微細化

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この投稿は、2015年9月29日11時17分にcy1125915によって最終的に編集されました。アルミニウム合金の鋳造組織を微細化する目的のために、金属液に超音波振動を作用させる方法は非常に有効です。超音波は独特の音響効果を持ち、金属や合金の凝固過程において超音波振動を加えると、鋳造物の凝固組織が粗大な柱状晶から均一で微細な等軸晶に変化し、同時に鋳造物の宏視的偏析および微視的偏析も改善される。超音波が鋳造材の組織を微細化するメカニズムについては、現在いくつかの説があるが、比較的一般的に受け入れられているのは、キャビテーション現象によって液体金属中で核の生成が促進される、すなわち核生成促進説である；もう一つは、結晶粒の破断説です。 超音波処理とは、アルミニウム合金の溶融物を浄化するための新しい方法であり、溶融物内での超音波によるキャビテーション作用を利用して、液相の連続性を破壊し孔を生成します。この孔によってアルミニウム溶融物中に溶解しているガスが集まり、超音波の弾性的な振動によって気泡の結晶核が形成され、気泡が一定のサイズまで集合することで、ガスの析出が促進されます。 鋼鉄冶金における超音波の応用に関する研究状況から、超音波は鋼鉄冶金分野で広範な応用の可能性を持っていることがわかる。鋼液中のガスや不純物を除去したり、鋳塊の表面品質や内部組織構造を改善したりするのに利用できるほか、合金や方向性が求められる新素材の開発にも活用されている。　　しかし、冶金業界においては探傷以外での利用はほとんどなかった。近年、新素材開発の成功により高性能な超音波トランスデューサーが開発され、従来のトランスデューサーが持つ出力が小さくエネルギー効率が低いという限界を克服することができた。これにより、超音波を冶金業界、特に精錬分野で活用することが可能になった。また、我が国の鉄鋼業界は生産量の増加から品質向上へ、そして社会全体での省エネ・節約へと移行しており、超音波には優れた研究開発の展望と実用的価値がある。超音波による不純物の除去　鋼液内の微小な不純物を浮上させることは非常に困難であり、それらが集まって初めて浮上しやすくなる。超音波が溶液内の不純物の挙動に与える影響について研究が行われ、超音波によって粉末を層別化し、集積させることが可能であるという結論が得られた。振動による不純物除去　振動周波数が高くなるにつれて、溶液中の小さな球体の重なり合う層の数が増え、小さな球体が懸濁聚合状態になるまでの時間が短縮される。これにより、周波数と超音波を組み合わせて制御することで、溶融金属中の不純物を除去することが可能になる。超音波脱気　溶融金属に弾性振動を与えると、キャビテーション現象が生じることがわかっています。これは、液体の連続性が破壊されて空洞ができるためであり、その結果、液体金属に溶解していたガスがそこに集まってしまうのです。音波の弾性振動、特に超音波の弾性振動が気泡核の生成を促し、それを絶えず成長させ、溶融金属からスムーズに排出できる大きさにまで育て上げる。超音波が鋳塊の品質に与える影響　超音波は結晶器に作用させることで鋳塊の表面品質を向上させることができ、結晶器の振動を利用した超音波は小方坯、大方坯、板坯に適用可能である。超音波振動を使用する際は、負のスライドは不要です。小方形ブリケットや大きな方形ブリケットを鋳造する際に、結晶器に超音波振動を加えると、非常に滑らかな鋳塊表面が得られる。板状鋳塊の鋳造時に超音波振動を加えると、保護剤の消費量が増加し、振動による傷の深さも増す。結晶粒の微細化　鋼塊の凝固過程において単純な機械的振動を加えることで結晶粒を微細化するという初期の成果が得られて以来、振動凝固に関する研究は広く注目を集めている。初期の振動付与方法は、カムなどを用いて鋳型を上下に振動させるような、低周波で低エネルギー密度の単純な機械的振動が用いられていた。超音波振動凝固法によって鋳造品を製造する際、超音波が伝播する過程で正負が交互に変化する音圧が生じ、ジェットが形成される。同時に非線形効果により音流や微音流が発生し、超音波キャビテーションは固体と液体の界面で高速の微小ジェットを生成する。これらすべての作用により、デンドライトが切断・破壊され、凝固前線が衝撃を受け、かき混ぜや拡散作用が促進される。これにより、液体が浸透し得てかつ音場が存在する場所ならばどこでも作用することがわかる。このプロセスにおけるキャビテーション効果を利用することで、組織の浄化、結晶粒の微細化、組織の均一化などが可能になる。振動による機械的な作用が結晶粒を破壊すること以外に、超音波振動凝固のもう一つの重要な効果は、金属液の有効過冷却度を高め、臨界核半径を小さくすることで核生成率を上昇させ、結晶粒を微細化する点にある。アルミニウム・シリコン合金の連続鋳造工程において超音波処理を行うことで、鋳塊の結晶粒を微細化し、それによってこれらの合金の塑性や延性を向上させ、建築材料や自動車エンジンのピストンとしてより良く利用できるようになる。