次 世 代 鉄 鋼 材 料 創 製 技 術 の研 究
推進グルーープ代表：門門出政則（九九州大学）
幹事：永井井二郎（福井井大学），芹澤澤良洋（新日鐵住金）
１．はじ
じめに鉄鋼業
業界では，高強度でかつ延高延性に優れたた材料の生産産が強く求めめられているる．そのためめには，圧延ププロセスと熱熱処理技術をを融合させてて，金属結晶晶の成長を熱 制御し，結晶晶の微粒子化化を図ると同同時に延性をを持たせるたための熱処理理が欠かせなない技術とななる．図１はは，金属工学のの分野で広くく知られていいる結晶の微微細化と強度度の関係を示示す．この図かから，結晶の微微粒子化が高高強度化を図図る上で重要要な因子でああることが理理解できる．一方，結晶の微粒子化 は，延性が著著しく低下しし，圧延加工工が困難にななる．図２は ，高温固体のの冷却時間とと結晶粒子径径の関係を示示す．図２か ら結晶粒子をを微細化するるためには冷冷却時間が非非常に重要にになる．一方方，粒子径がが微細化されれると強度はは増強される
るが，加工性が

図１結結晶粒子微細細化と強度―HHall-Petchの関係係

劣化する
るという欠点点がある．従って，強度とと延性のバラランスを取りりながら加工工するためのの技術開発がが金属工学学分野での長長年の緊急課課題となってている．

図２ 低炭素鋼(Fe-0.8Mn-0.2C)におけるる歪み誘起起変態の模式
式図図３

残留オーーステナイト
トの生成させるる熱履歴

一方， 金属結晶のの相転移と冷冷却の関係３に示される
るように高温温材料の冷は，図３
却時間 （速度）が非非常に重要にになる．こについては，伝熱工学のの分野ではの冷却に古くからら実験的研究究が行われてており，図４に示さされるようなな冷却曲線，即ち冷却中の表面面温度は高い
い温度から緩緩やかに温度降下しし，ある温度度に到達後，急に温度降下を開開始することとが定性的にに示されている．ししかし，緩ややかな温度降降下中の表面の状態態は，実際にには固液の接接触を切り返しなががら推移してている．このの固液の接触状態はは，不安定なな接触状態かから安定な接触状態態へ，更にはは安定な固液液接触の拡
図４４ 急速冷却却中の冷却曲曲線の１例

がりへとと連続的に推推移している
る．しかしながら，安安定な固液接接触状態の推推移点や固液接接触の連続的的な拡大開始始点を支配すする因子につついては，残念ながらら未解決のまままになってているのが実実情である．特
特に，圧延ププロセスではは，高温鋼板板が不連続的的にラミナナー冷却されれている状況
況下では，濡れれと乾きが交交互に連続的的に現れなががら冷却されれている．図５は，高高温加熱されれた回転円筒筒をラミナー 冷却した時の冷却曲線のの１例である
る．図５から
ら，表面は濡濡れと乾ききを繰り返ししながら冷却却されており ，ある温度に到達すると急冷されてていることがが分かる．
図 1-33 で述べたよ
ように金属結結晶の微粒子子化で求められている温度度領域は，丁丁度安定な固固液接触開始
始
温度や固固液接触面のの拡大温度付付近に対

1000
N=330rpm
Tl=30℃
y=11.5mm
θ= 0 rad

応していいる．従ってて，冷却過程程の正確

800

ことによ
よって結晶粒粒子の微細化化とその成長を制制御することとが可能とななると言っても過過言ではないい．

Tb , ℃な理解をを通して冷却却技術を進展展させる

Tl = 30 ℃

600

Q , L/min
6101523400

そこでで，金属組成成学分野と冷冷却分野の研究者者が相互連携携することにによって200

冷却材料料の結晶成長長を制御し，必要な工業製品品を効率的にに製造するこ
ことは，

0010

伝熱工学学の進展のみみならず，産産業分野においてても大いに期期待される．

20304055060t,s
図５

間欠欠的冷却中のの冷却曲線

２．研究
究目的
本研究
究の目的は，具体的には，鉄鋼業におおける材料組組織制御技術術の抜本的向向上により，製品レベルルを大きくく飛躍させるることである
る．そのため には，金属組組成学を専門門にした研究究者と連携ししながら，高高温材料をを急速冷却すするときの金金属組織の変変態や結晶の成長を正確にに理解し，そそれを活かしした冷却技術術の開発ををすることがが必要である
る．しかしな がら，冷却技技術の分野ににも未解決なな問題，即ちち急速冷却中中の非定常常温度の進展
展や冷却速度度を支配する メカニズムの解明が残されたままにになっている
る．そこで，

急速冷却及びその制御を行う上で大きなポイントとなる強サブクール沸騰時の濡れ開始メカニズムに関する研究により，その原理を明らかにする．また，濡れの現象を複雑にしている実材料における表面性状の影響についても研究を深め，濡れに関する実用領域における包括的な原理の追求を行う．
その結果，材料組織制御を可能とした実用的な冷却技術の開発を展開することが可能になる．
３．活動計画と方法
高温材料の急速冷却中に形成される結晶成長を制御するための基礎的な知見を集積するとともに，異分野交流により次世代材料創製技術の開発に関する研究を行う．具体的には，（１）金属組織の成長と温度(熱)との関連を連携によって明確にするための検討から開始する．従来は，今回参加いただく，塑性加工分野，メタラジー分野での共同活動は多くみられたが，次世代の加工組織制御のためには高度な伝熱制御がキー技術の一つとなる．本研究会では，塑性加工分野，メタラジー分野の従来国プロなどの活動に深く携わってきた研究者との情報交換を通じ，次世代に向けた技術課題を明示する．
（２）高温面急速冷却を制御するために必要となる基礎研究は，(1)高温面が安定な固液の濡れ状態が達成できるかどうかによって冷却速度が大きく変化することが経験的に分かっている．しかし，安定な固液の濡れ状態を決定する巨視的な因子については未解明のままになっている．そのため，高温面に冷却中に得られる冷却曲線についても正しい認識が得られていない．
（３）冷却側と高温面側の間の熱移動は，固液の連成問題となる．特に，安定な濡れの形成前後では伝熱量が 2 桁程度異なってくる．従って，安定な濡れ条件を決定する因子の解明が本研究の最も重要な課題である．
（４）濡れ開始時の現象研究：沸騰現象における，膜沸騰から遷移沸騰に至る際の濡れ開始条件は，温度あるいは熱流束の条件のいずれか一方ではなく，それらが複合しているとともに，それらの条件を左右する伝熱面側の表面条件(表面性状などを含む)も関わっていると推定される．例えば，表面に関しては濡れ開始時の重要な因子である各物質の界面エネルギーについて，その高温の濡れ開始条件近傍での定量化が不十分である．ここでは，濡れ現象解明のアプローチ（数値解析を含む）を深化させ，濡れ開始条件を提示する．また，産業界において特有な大容量冷媒使用時の冷却における MHF 点高温化などの現象解明，制御の高度化に寄与することのできる冷却特性の特性解明のためのアプローチに関しても議論していく．
（５）固液界面間の伝熱量を基に，高温面冷却プロセス中に生じる結晶構造の相変化を考慮した熱伝導解析を行い，結晶成長と固容体相の関係を検討する．
（６）高温材料の冷却プロセスは，産業界においては殆どの場合移動体冷却となっている．移動体における冷却は，間欠的，極短時間冷却，冷却領域の時間的変化や冷却冷媒の流れの影響など移動体ゆえの多くの影響因子を有する複雑現象である．従って，移動体冷却の実験的研究や数値解析研究や短時間冷却における基礎現象研究などを通して，有機的融合検討を各分野の研究者の議論を通して行っていく． こうした異分野研究者の融合により，従来の課題との差異などについて明確にし，次世代材料創成に向けた新たな高度冷却システムを検討する．
４．意義と特色
材料組織制御技術の確立によって，より高品位の鉄鋼製品を安定的に製造することが可能となる．
また，伝熱工学の分野では，所謂冷却曲線と呼ばれていた相変化を伴う複雑な非定常冷却特性を明らかにすることが出来る．具体的には，鉄鋼製品製造分野では，結晶成長の制御により高張力鋼と呼ばれる高品位の製品を安定的に製造できるようになる．また，従来の製造技術の改善によって，飛躍的にコストを低減できる技術開発となることが期待される．伝熱工学の分野では，沸騰曲線の特性（核沸騰，膜沸騰および核沸騰と膜沸騰の遷移領域)を完全に理解すること期待され，学術的にも高く評価されることになる．
従来，沸騰研究では，基礎的な系での研究事例が多かったが，ここでは，産業界の現象に近い系での研究，すなわち，移動体の系，大容量冷媒を使用した系，および表面性状に応じた濡れ現象の研究を行うことにより見出される現象を通じて，分野研究全体の理解を深めるとともに，研究に必要な新たな研究手法を作り出していく．さらに，鉄鋼の塑性加工分野の研究者との協力によって，次世代材料創製技術の研究に展開していくことに特色がある．
５．研究推進の構成
沸騰冷却の研究者と金属組成・加工の研究者が連携しながら研究を推進し，その構成は，表 1 となっている．
伝熱分野
門出

金属組成・加工分野

政則

九州大学

芹澤良洋

新日鐵住金

永井 二郎

福井大学

柳本潤

東京大学

大久保 英敏

玉川大学

上路林太郎

大阪大学

白樫 了

東京大学

土山聡宏

九州大学

宇高 義郎

横浜国大

中田直樹

JFE スチール

高田 保之

九州大学

西村真

神鋼

藤本 仁

京都大学

光武 雄一

佐賀大学

鶴田 隆治

九州工大

大竹 浩靖

工学院大学