流動する溶融金属の凝固過程を広範囲で可視化する装置を開発

開発の社会的背景

アルミニウム展伸材は、輸送機器の軽量化や建造物の高耐久性を目的として、今後20年間で約1.5倍の需要の増加が見込まれています*。鉄や銅など主要な金属の中でアルミニウムは融点が660 ℃と低いため、溶解によるリサイクルが容易です。しかし、リサイクルにより製造される2次アルミニウム合金は不純物が多く合金元素濃度が高いため、金属間化合物を多く含みます。これにより、成形・加工性が低下するため、展伸材として利用することは困難です。したがって、2次アルミニウム合金のほとんどは鋳造材として利用されています。アルミニウムの資源循環を促進するためには、高合金元素濃度の2次アルミニウム合金を低合金元素濃度の展伸材にアップグレードリサイクルすることが必要です。すなわち、2次合金中のアルミニウム以外の不純物元素を除去する再生プロセス技術を開発する必要があります。

研究の経緯

産総研は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の助成事業「アルミニウム素材高度資源循環システム構築事業」において、溶解工程の高度化によるアルミニウム中の不純物元素低減技術の開発を推進してきました。また、産総研の領域融合プロジェクト「資源循環利用技術研究ラボ」において、資源循環型社会の実現に向けたアルミニウムのアップグレードリサイクル技術の高度化に取り組んできました。

これまで、電磁撹拌に伴い顕在化する凝固偏析を利用して、アルミニウムスクラップ中に存在する鉄を金属間化合物として容器の壁面に局所的に形成することにより、アルミニウム中の鉄濃度を低減する精製手法を開発しました。鉄濃度の低減によるアルミニウムの精製プロセス開発では、凝固偏析過程の理解に基づきプロセス条件の設計をすることが重要です。一方、現状のプロセス開発では、凝固後の組織観察から推察した凝固偏析過程に基づきプロセス条件の最適化を図っています。しかし、この方法は推論に基づいているため、最適なプロセス条件を決めることは難しいです。一般的に、凝固過程を可視化する方法として光学観察がありますが、金属は不透明であるため、光学装置で合金内部の凝固過程を観察することはできません。合金の凝固観察には、放射光を利用したX線イメージング技術が有用ですが、放射光X線の特性と装置の構造上、観察範囲は数十mm2以下に制限されます。凝固偏析を利用するアルミニウムの精製プロセスは、凝固初期と後期における組成変動に由来するマクロ偏析の挙動に関係するため、放射光Ｘ線イメージングの観察範囲ではアルミニウムの精製プロセスを可視化することは困難です。そのため、溶融アルミニウムの凝固過程をより大きな視野でその場観察する手法の開発が必要でした。今回、アルミニウムのアップグレードリサイクルプロセスを高精度に制御するためのプロセス設計を目的として、電磁撹拌下における不純物元素を含む結晶相の成長挙動を数十cm2以上の広い視野で可視化するX線イメージング装置を開発しました。