電磁場を利用した凝固組織制御
岩井一彦

通電技術も開発されつつある(1)．通電や磁場を工業的に利用

.

は じ

めに可能な環境が整いつつある一方，これらの凝固プロセスへの適用，特に電流と磁場との重畳印加による凝固組織制御は磁場は，静磁場，交流磁場，移動磁場などに分類される．

C. Viv àes(2)や A. Radjai, K. Miwa(3)等により多くの研究がな

これらの磁場を液体金属などの媒質に印加すると，応力，発されてきている．ここでは，電流と磁場との重畳印加を中心熱が生じる．これらの大きさ，分布状態は，磁場の強度，周に著者が行ってきた凝固組織制御について紹介する．

波数等の空間的，時間的分布ばかりではなく，媒質の形状，サイズや，電気伝導度，透磁率などの物性値より決定され.

いつ，どこで，微細化は起きる

る．従って，応力，発熱を制動，流動，昇温などとして工業的に利用するためには目的に相応しい磁場を選択することが静磁場と交流電流とを Sn10 massPb 合金に重畳印加し必須である．例えば，鋼の連続鋳造では，静磁場，移動磁場つつ凝固させた試料の組織写真を図に示す．通電していな等が適宜利用されている．また，連鋳プロセスにおける溶鋼い試料((a), (b))は微細化されておらず，ミクロ的にはデン

図1

磁場，電流の有無によるマクロおよびミクロ組織の違い(4)．

北海道大学教授大学院工学研究院(〒0608628 札幌市北区北13条西 8 丁目)
Solidified Structure Control Using Electromagnetic Fields; Iwai Kazuhiko(Faculty of Engineering, Hokkaido University, Sapporo)
Keywords: solidification, magnetic field, electrical current, vibration
2014年 5 月30日受理[doi:10.2320/materia.53.450]

ミ ニ 特 集ドライトを呈している．一方，交流電流通電，あるいは電流とが分かる．従って，微細化の機構は印加電磁場の強度によと磁場との重畳印加試料((c), (d))は微細化されている．すり異なる．

なわち電磁気的に与えた振動は凝固組織に影響を及ぼすこと

微細化が行われる箇所を特定するために，先ほどの容器に金網を入れて凝固実験を行ったときの組織を図に示す(5)．

が分かる．
溶融した試料(Sn10 massPb 合金)を入れた矩形容器の金網を境界として，電極を含む領域と電極を含まない領域と左側面と右側面に温度差をつけた状態で冷却するときに静磁の組織の違いが一目瞭然である．ここで示した結果は，電極場を印加すれば，対流が抑制されるので温度差が維持されるを低温側側面の近傍に挿入した結果であるが，電極挿入位置(図)(5) ．試料の一部が液相線(219 °C )以下の 215 °C 以下にを高温側にしても，電極を含まない領域はデンドライトであなったときに通電を開始すると，磁場強度が 1 T のときにることから，微細化は電極近傍で行われることがわかった．

は試料内の温度差が減少するとともに引き続き温度低下して上述の振動印加による流動誘起と併せて考えると，微細化さゆくことから，対流は誘起されるものの核生成は誘起されなれた固相粒子が電極から遠く離れた領域まで対流によって運いことが分かる．一方，磁場強度が 5 T と強ければ通電開ばれることが理解できる．

始直後に温度低下が止まることから，核生成が誘起されるこ電磁振動の印加時期が Sn10 massPb 合金の微細化に与

図3

図2

過冷試料に電磁場印加したときの温度変化(5)．

ま て り あ 第53巻 第10号(2014)
Materia Japan

金網を入れた容器で，電流と磁場とを重畳印加した試料のミクロ組織(5)．

図4

通電時期がマクロ組織に与える影響(6)．

 から◯
はえる効果を調査した結果を図に示す(6)．図中の◯晶に磁気異方性があれば液相内で磁気エネルギーを減少させ試料番号を表している．いずれの試料に対しても磁場は常にる向きに回転する．従って，結晶軸あるいは結晶面がある特 以外の通電開始温度は液相線よ印加されており，かつ試料◯

定 の 向 き に 揃 っ た 多 結 晶 体 を 作 製 可 能 で あ る ． Sn 10 はリカレッセンス終了後からり高温の250°Cである．試料◯

mass  Pb 合金の結晶配向の程度を XRD により評価した結通電を開始し，凝固が完全に終了した 170°
Cで通電を終了し果を図に示す(9)．図中の主なピークは初晶 Sn によるもの

 からた．図中には通電終了時の固相率が示してある．試料◯であり，それぞれ指数を示してある． Sample は磁場を印

 の組織は大部分が微細化されているものの，リカレッセン◯加せず，凝固の最初から最後まで通電した試料， Samples

 は微細化されていない．従ス終了後から通電開始した試料◯

，，は凝固開始から終了まで磁場印加しつつ，液相状って，凝固初期に微細化されることが分かる．

態で通電開始した試料であり，通電終了時期が異なる．
Sample はリカレッセンスによる温度回復から10秒後に通.
使 い 方 は通電による微細化電を終了， Sample は 40 秒後に通電を終了， Sample は凝固終了まで通電し続けた試料である．磁場を印加しなかった Sample の第一ピークは( 101 )であるものの， Samples

凝固初期の電磁場印加で微細化可能であることから，溶解，，のいずれも磁気エネルギーの観点から安定である

るつぼから鋳型へ鋳込む流路で通電したときの組織変化を調(200)が第一ピークとなっている．また，凝固初期に通電を査した．鋳造用 Al 合金である AC4C 合金のマクロ組織をみ止めることで，結晶配向の度合いが向上する．この方法を使ると，ポロシティーは通電により減少することが見て取れる(図(7))．また，全ての領域ではないものの，デンドライトが粒状化している(図(7))．


金属間化合物の分断Mg Si 過共晶合金を凝固させたときに晶出する長く伸びた初晶 Mg2Si(図(a)(8))は機械特性低下の原因となる．そこで，交流電流を通電しながら凝固させたところ，初晶形態が 大 き く 変 化 し ， 長 く 伸 び た Mg2Si が 消 失 し た ( 図 7( b )(8) )．通電凝固は合金ばかりではなく金属間化合物の形態改質にも適用可能である．


結晶配向

強磁場は結晶配向機能を有する．そこで，第一段階として凝固の初期に電流と磁場との重畳印加により結晶を増殖させる．次に，通電を中止して静磁場のみを印加し続けると，結図6

図5




流路内通電の有無による，アルミ合金マクロ組織の違い(7)．

図7流路内通電の有無による，アルミ合金のミクロ組織の違い(7)．

過共晶 MgSi 合金のミクロ組織．
(a) 通電無し (b) 通電あり(770740°C)(8)．

ミ ニ 特 集つあり，本分野の更なる進展を願うものである．実験結果の羅列で非常にまとまりのない文章になってしまい，読者の方々に申し訳ない気がするがご容赦いただきたい．当時所属していた名古屋大学の先生方，凝固を含めていろいろとお教えいただいた他大学の先生方，学生の方々，秘書の方々，学会の事務関係者等，多くの方々にお世話になりました．紙面を借りて改めて感謝申し上げます．

文献( 1 ) 加藤 徹，塚口友一，川本正幸，武藤章史，太田晃三材料とプロセス，22(2009), 1.
( 2 ) C. Viv àes: Metall. Mater. Trans. B, 27B(1996), 445455.
( 3 ) A. Radjai and K. Miwa: Metall. Mater. Trans. A, 33A(2002),
30253030.
( 4 ) S. Kawai, Q. Wang, K. Iwai and S. Asai: Mater. Trans., 42(2001), 275
280.
( 5 ) K. Sugiura and K. Iwai: ISIJ Int., 45(2005), 962966.
( 6 ) K. Sugiura and K. Iwai: ISIJ Int., 44(2004), 14101415.
( 7 ) K. Iwai and J. Wan: Mater. Trans., 50(2009), 14931498.
( 8 ) J. Du and K. Iwai: Mater. Trans., 50(2009), 622630.
( 9 ) M. Usui, K. Iwai and S. Asai: ISIJ Int., 47(2007), 16131617.

図8★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

Sn10 massPb 合金の XRD による結晶配向評価(9)．

1993年名古屋大学大学院工学研究科博士課程修了
名古屋大学助手 名古屋大学助教授
2012年 7 月―現職
専門分野電磁場などを用いたプロセス開発◎電磁場を用いた液相制御，凝固制御，セラミックスの結晶配向制御等に従事．

えば，結晶軸の方向が揃った鋳造製品の製造が可能である．

.

終 わり★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★に電磁場を利用した凝固組織制御について述べた．冒頭にも岩井一彦述べたが，電磁場を高温環境下で工業的に使う環境は整いつ

ま て り あ 第53巻 第10号(2014)
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