本稿は、「J. JFS (日本鋳造工学会誌)」に掲載された論文「Strength of Aluminum Borate Whisker Reinforced Alkali Halides Salt Core (ホウ酸アルミニウムウィスカで強化したアルカリハライド中子の強度)」を基に作成した紹介資料です。
1. 概要:
- 題名: Strength of Aluminum Borate Whisker Reinforced Alkali Halides Salt Core (原文タイトル: ホウ酸アルミニウムウィスカで強化したアルカリハライド中子の強度)
- 著者: 八百川 盾, 澤田 朋樹, 安斎 浩一, 山田 養司, 吉井 大, 福井 広之
- 発行年: 2006
- 掲載学術誌/学会: J. JFS, Vol. 78, No. 2 (2006) pp. 59~64
- キーワード: salt core, alkali halide, aluminum borate whisker, die casting, expendable core (原文キーワード: ソルト中子, アルカリハライド, ホウ酸アルミニウムウィスカ, ダイカスト, 消失性中子)
2. 抄録:
高圧ダイカスト用ソルト中子の研究を行った。3種類のアルカリハライド、すなわち塩化ナトリウムNaCl (98%)、臭化カリウムKBr (99.7%)、臭化ナトリウムNaBr (99.7%)をソルト材料として準備した。塩化カリウムKClの強化に最適な強化材であるホウ酸アルミニウムウィスカをソルト中子の強化材として選択した。これらのソルト材料を電気抵抗炉で溶解し、30Kの過熱度で永久鋳型に鋳込んだ。強度を決定するために4点曲げ試験を実施した。KBrおよびNaBrの最大ウィスカ添加率は約10 vol%であり、ウィスカ添加量の増加に伴い強度は約25 MPaまで直線的に増加した。これらの塩とは対照的に、NaClはホウ酸アルミニウムウィスカで強化できなかった。SEM-EDX局所分析の結果、NaCl中の凝集したウィスカ近傍でのみマグネシウム不純物が検出され、NaCl中のマグネシウム不純物が強度にある程度影響を与えることが示唆された。高純度NaCl (99.5%)は実際にホウ酸アルミニウムウィスカで強化でき、最大ウィスカ添加率は約7.6 vol%で、最大強度はウィスカ添加に伴い約20 MPaまで直線的に増加した。
3. 緒言:
消失性中子を利用したダイカストプロセスは、複雑なアンダーカット形状を有する製品の製造法として注目されている。一般的にダイカスト法は、金型を利用した鋳造法の中で生産性、製造コストに最も優れているものの、成形に消失性中子を必要とするアンダーカット品への適用は困難であった。しかし、鋳物の需要の多くを占める自動車部品への要求として製品の軽量化や機械的強度の向上、部品点数の低減によるコスト削減などがあり、アンダーカット品のダイカスト化が近年ますます切望されるようになってきている。通常ダイカストプロセスでは、溶湯の高速射出時に中子に大きな衝撃力がかかるために消失性中子には高い強度が要求される。一方で、鋳造後の製品から熱処理なしで短時間に中子を除去できることも同様に重要である。つまり、中子は強度と除去性を兼ね備えていなければならず、こうした消失性中子として砂中子 [Ref. 1, 2]、金属置き中子 [Ref. 3, 4]、プラスチック中子、ソルト中子 [Ref. 5-7] などがこれまでに提案されている。この中でソルト中子は、コンクリート並みの高強度を有しかつソルト自身が水溶性であるために除去性も極めてよいという点で優れていることが報告されている。ソルト中子の成形方法には焼結法と溶融成形法があるが、形状自由度の点で溶融成形法は優位であるにもかかわらず、これまであまり研究されていない。そこで前報 [Ref. 7] では、塩化カリウムをセラミックウィスカ・粒子で強化し溶融成形したソルト中子の強度について検討し、ホウ酸アルミニウムウィスカを強化材に用いると特異的に高強度が得られ、ダイカストへの使用に適していることを報告した。そこで本報では、塩化カリウムと化学的に似た性質をもつアルカリハライド類である塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、臭化カリウムについてもホウ酸アルミニウムウィスカによる強化が可能かどうかについて検討した。
4. 研究の概要:
研究テーマの背景:
本研究は、特に自動車部品向けの高圧ダイカストにおいて、複雑なアンダーカット形状を製造するための、高強度で容易に除去可能な消失性中子の必要性に取り組んでいる。ソルト中子は有望であるが、最適な性能を得るための強化についてはさらなる調査が必要である。
従来の研究状況:
従来の研究では、溶融成形によりホウ酸アルミニウムウィスカで強化されたKClベースのソルト中子が高い強度を示すことが示唆されていた [Ref. 7]。しかし、この強化方法が他のアルカリハライドに適用可能かについては十分に理解されていなかった。ソルト中子の製造方法としては焼結法と溶融成形法が知られており、溶融成形法は形状自由度に優れるものの、研究はあまり進んでいなかった。
研究の目的:
本研究の目的は、溶融成形時にホウ酸アルミニウムウィスカが異なるアルカリハライド塩（NaCl、KBr、NaBr）に及ぼす強化効果を調査し、それらの性能を以前に研究されたKClベースの中子と比較すること、特にNaClの強化における不純物の影響に焦点を当てることであった。
研究の核心:
研究の核心は、様々な量のホウ酸アルミニウムウィスカで強化された3種類のアルカリハライド（工業用NaCl、KBr、NaBr、および高純度NaCl）からソルト中子を調製することであった。これらの材料を溶解し、永久鋳型に鋳造した。得られたソルト中子の機械的強度は、4点曲げ試験を用いて決定した。ウィスカの分散、破壊挙動、および特にNaCl中の不純物の役割を理解するために、SEMおよびEDXを含む微細構造解析を実施した。
5. 研究方法論
研究計画:
本研究は、ホウ酸アルミニウムウィスカが異なるアルカリハライド塩（NaCl、KBr、NaBr）に及ぼす強化効果を比較し、塩の純度（工業用NaCl対高純度NaCl）の影響を調査するように設計された。塩とウィスカの混合物を溶解、撹拌し、永久鋳型に鋳込んだ。主要な測定項目は曲げ強度であった。
データ収集および分析方法:
試験片は、ソルト材料とホウ酸アルミニウムウィスカを電気抵抗炉で溶解し、30Kの過熱度で永久鋳型に鋳込むことによって作製した。強度は4点曲げ試験（上部支点間距離10mm、下部支点間距離50mm、試験速度1.6×10⁻² mm s⁻¹）によって決定し、強度はσ = 3LP/BH²の式を用いて算出した。微細構造のキャラクタリゼーションは、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いてウィスカの分散、凝集、破断面を観察した。エネルギー分散型X線分光法（EDX）は、不純物とその分布を特定するための局所化学分析に用いた。
研究テーマと範囲:
本研究は以下に焦点を当てた：
- NaCl、KBr、NaBrソルト中子におけるホウ酸アルミニウムウィスカの強化可能性の調査。
- これらの塩に対する最大ウィスカ添加率とそれに対応する曲げ強度の決定。
- これらの結果とKClに関する以前の知見との比較。
- 不純物（特にNaCl中のマグネシウム）が強化メカニズムと強度に及ぼす影響の分析。
- 工業用NaCl（97.93%および98%）と高純度NaCl（99.5%）の比較。
6. 主要な結果:
主要な結果:
- KBrおよびNaBrについては、曲げ強度はホウ酸アルミニウムウィスカの添加に伴い直線的に増加し、KClと同様の傾向を示した。KBrの最大ウィスカ添加量は約11.3 vol%（強度約27 MPa）、NaBrの最大ウィスカ添加量は約10.8 vol%（強度約21 MPa）であった。[Fig. 3]
- 工業用NaCl（純度97.93%または98%）は、ホウ酸アルミニウムウィスカで効果的に強化できなかった。最大ウィスカ添加量は約4 vol%に過ぎず、強度（約3 MPa）は未強化のNaClと同程度であった。[Fig. 3]
- 工業用NaClのSEM-EDX分析により、マグネシウム不純物が凝集したウィスカの近傍に存在することが明らかになり、これが強度に悪影響を及ぼすことが示唆された。[Fig. 6]
- 高純度NaCl（99.5%）はホウ酸アルミニウムウィスカで強化できた。最大ウィスカ添加量は約7.6 vol%に増加し、最大強度はウィスカ添加に伴い約20 MPaまで直線的に増加した。[Fig. 7]
- 高純度NaClのEDX分析では、ウィスカ近傍でのマグネシウムの偏析は見られなかった。[Fig. 9]
- これらのソルト中子の強化機構はウィスカによる架橋であり、ウィスカとソルトマトリックス間の界面強度が重要であることが示唆された。[Fig. 5, Fig. 8(b)]
- 工業用NaCl中のマグネシウム不純物は、一般的なウィスカの劣化を引き起こすのではなく、反応や界面特性の変化を通じてこの界面強度を阻害すると考えられる。
図の名称一覧:
- Table 1: Material properties and purity of alkali halides used in this research 8,9). (本研究で用いたアルカリハライドの材料特性と純度)
- Fig. 1: SEM image of aluminum borate whisker. (ホウ酸アルミニウムウィスカのSEM像)
- Fig. 2: Casting design of bending test specimens. (曲げ試験片の鋳造方案)
- Fig. 3: Bending strength of industrial grade alkali halides reinforced by aluminum borate whisker. (ホウ酸アルミニウムウィスカで強化した工業用アルカリハライドの曲げ強度)
- Fig. 4: Macrostructures of alkali halides reinforced by aluminum borate whisker. Whisker additions are (a) 4.1 vol%, (b) 4.7 vol%, (c) 5.5 vol%, (d) 3.8 vol%. (ホウ酸アルミニウムウィスカで強化したアルカリハライドのマクロ組織。ウィスカ添加量は(a) 4.1 vol%, (b) 4.7 vol%, (c) 5.5 vol%, (d) 3.8 vol%)
- Fig. 5: Microstructures of industrial grade alkali halides reinforced by aluminum borate whisker. Whisker additions are (a) 4.1 vol%, (b) 4.7 vol% and (c) 3.8 vol%. (ホウ酸アルミニウムウィスカで強化した工業用アルカリハライドのミクロ組織。ウィスカ添加量は(a) 4.1 vol%, (b) 4.7 vol%, (c) 3.8 vol%)
- Fig. 6: Microstructures and EDX results of industrial grade NaCl (97.93%) reinforced by 3.8vol% aluminum borate whisker. (a) is SEM image with low magnification. (b) and (c) are enlarged area in fig.6 (a). (d) and (e) are EDX results analyzed at fig. 6 (b) and (c), respectively. (3.8vol%ホウ酸アルミニウムウィスカで強化した工業用NaCl (97.93%)のミクロ組織とEDX分析結果。(a)は低倍率SEM像。(b)と(c)は図6(a)中の拡大領域。(d)と(e)はそれぞれ図6(b)と(c)のEDX分析結果)
- Fig. 7: Bending strength of industrial grade NaCl (97.93%) and purified NaCl (99.5%) reinforced by aluminum borate whiskers. (ホウ酸アルミニウムウィスカで強化した工業用NaCl (97.93%)と高純度NaCl (99.5%)の曲げ強度)
- Fig. 8: (a) Macrostructure of purified NaCl (99.5%) reinforced by aluminum borate whisker. Whisker addition is 3.8 vol%. (b) Microstructure of the same specimen. (ホウ酸アルミニウムウィスカで強化した高純度NaCl (99.5%)のマクロ組織。(a) ウィスカ添加量3.8 vol%。(b) 同一試験片のミクロ組織)
- Fig. 9: Microstructures and EDX results of purified NaCl (99.5%) reinforced by aluminum borate whisker. Whisker addition is 3.8vol%. (a) is SEM image with low magnification. (b) and (c) are enlarged area in fig. 6 (a). (d) and (e) are EDX results analyzed at fig.6 (b) and (c), respectively. (ホウ酸アルミニウムウィスカで強化した高純度NaCl (99.5%)のミクロ組織とEDX分析結果。ウィスカ添加量3.8vol%。(a)は低倍率SEM像。(b)と(c)は図6(a)中の拡大領域。(d)と(e)はそれぞれ図6(b)と(c)のEDX分析結果)
7. 結論:
(1) アルカリハライド類をホウ酸アルミニウムウィスカで強化したとき、鋳込みが可能な最大添加量はKCl、KBr、NaBrの順に大きく、13、11.3、10.8 vol%となった。最大添加量のときに得られる最大抗折強度は、KClでは約30 MPaであったが、KBrにおいても約29 MPaとほぼ同じ値であった。また、KBrの融点は1007 KでありKClの融点（1043 K）より36 Kも低く溶融成形に適している。
(2) ホウ酸アルミニウムウィスカを添加した工業用NaClでは、ウィスカの最大添加量は約4 vol%と異常に少なく、ウィスカの添加による強化も見られなかった。これに対して高純度NaClでは、ウィスカの最大添加量はそれぞれ7.6 vol%と工業用NaClの場合の2倍近い値まで増加し、最大強度も約20 MPaの高強度となることがわかった。
(3) 工業用NaClに含まれる不純物のマグネシウムがウィスカの凝集部に偏析していたことから、不純物が最大添加量や強度に影響を及ぼしたと考えられる。ホウ酸アルミニウムウィスカによるソルト中子の強化を達成するためには、不純物を混入させない工夫が必要である。
8. 参考文献:
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9. 著作権:
- 本資料は「八百川 盾, 澤田 朋樹, 安斎 浩一, 山田 養司, 吉井 大, 福井 広之」氏らによる論文です。「Strength of Aluminum Borate Whisker Reinforced Alkali Halides Salt Core (ホウ酸アルミニウムウィスカで強化したアルカリハライド中子の強度)」に基づいています。
- 論文の出典: DOIは提供された文書には記載されていません。J. JFS, Vol. 78, No. 2 (2006) pp. 59~64.
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論文要旨:
研究に関する主な質疑応答:
本論文は、高圧ダイカスト用の様々なアルカリハライドソルト中子（NaCl、KBr、NaBr）に対するホウ酸アルミニウムウィスカの強化効果を調査し、KClに関する以前の結果と比較した。その結果、KBrとNaBrはKClと同様に効果的に強化できたが、工業用NaClはマグネシウム不純物がウィスカとマトリックスの界面に影響を与えたため強化効果が乏しかった。しかし、高純度NaClは強化可能であり、高強度ソルト中子の開発における不純物管理の重要性が強調された。
Q1. ダイカスト用ソルト中子に関する本研究の主な目的は何でしたか？
A1. 主な目的は、KClと化学的に類似したアルカリハライド（NaCl、NaBr、KBr）が、高圧ダイカスト用ソルト中子として使用するために、ホウ酸アルミニウムウィスカによって効果的に強化できるかどうかを調査することでした。[出典: 「Strength of Aluminum Borate Whisker Reinforced Alkali Halides Salt Core」、1. はじめに]
Q2. ホウ酸アルミニウムウィスカによる強化は、KBrおよびNaBr塩にどのような影響を与えましたか？
A2. KBrおよびNaBrの場合、曲げ強度はウィスカ添加量の増加に伴い直線的に増加し、約25 MPaに達しました。これはKClに関する以前の知見と同様でした。最大ウィスカ添加量は、KBrで約11.3 vol%、NaBrで約10.8 vol%でした。[出典: 「Strength of Aluminum Borate Whisker Reinforced Alkali Halides Salt Core」、3.1 アルカリハライドの強度, Fig. 3]
Q3. 工業用NaClをホウ酸アルミニウムウィスカで強化した場合、どのような現象が観察されましたか？
A3. 工業用NaClは効果的に強化されませんでした。最大ウィスカ添加量は約4 vol%に過ぎず、強度（約3 MPa）は未強化のNaClと比較して有意に向上しませんでした。[出典: 「Strength of Aluminum Borate Whisker Reinforced Alkali Halides Salt Core」、3.1 アルカリハライドの強度, Fig. 3]
Q4. 工業用NaClの強化効果が乏しかった主な要因は何であると特定されましたか？
A4. SEM-EDX分析の結果、工業用NaCl中のマグネシウム不純物が凝集したウィスカ近傍に偏析していることが明らかになり、この不純物が強度に悪影響を及ぼしたことが示唆されました。[出典: 「Strength of Aluminum Borate Whisker Reinforced Alkali Halides Salt Core」、3.2 工業用アルカリハライドの組織, Fig. 6]
Q5. 高純度NaClはより良好な強化特性を示しましたか？
A5. はい、高純度NaCl（99.5%）はホウ酸アルミニウムウィスカによって強化できました。最大ウィスカ添加量は約7.6 vol%に増加し、強度はウィスカ添加に伴い約20 MPaまで直線的に増加しました。[出典: 「Strength of Aluminum Borate Whisker Reinforced Alkali Halides Salt Core」、3.3 高純度NaClを用いた場合, Fig. 7]
Q6. アルカリハライドソルト中子の強化にホウ酸アルミニウムウィスカを使用する際、特に不純物に関する主な結論は何ですか？
A6. 工業用NaClに存在するマグネシウム不純物は、ウィスカの凝集部に偏析し、最大ウィスカ添加量および強度に悪影響を及ぼすことが判明しました。したがって、ホウ酸アルミニウムウィスカを用いてソルト中子を首尾よく強化するためには、不純物の混入を防ぐことが極めて重要です。[出典: 「Strength of Aluminum Borate Whisker Reinforced Alkali Halides Salt Core」、4. 結 論 (3)]