KC1-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃系混合塩によるソルト中子の抗折強度

This paper introduction was written based on the ['Bending Strength of Salt Core Comprised of KCI-NaCl-Na2CO3-K2CO3 Systems'] published by ['The Japan Foundry Engineering Society'].

1. 概要:

  • タイトル: KC1-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃系混合塩によるソルト中子の抗折強度 (Bending Strength of Salt Core Comprised of KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ Systems)
  • 著者: 八百川盾 (Jun Yaokawa), 三浦大介 (Daisuke Miura), 及川勝成 (Katsunari Oikawa), 安斎浩一 (Koichi Anzai), 山田養司 (Youji Yamada), 吉井大 (Hiroshi Yoshii)
  • 出版年: 2007年
  • 出版ジャーナル/学会: 鋳造工学 第79巻(2007)第4号, 日本鋳造工学会 (J. JFS, Vol. 79, No. 4 (2007) pp. 184~191, The Japan Foundry Engineering Society)
  • キーワード: ソルト中子 (salt core), 崩壊性中子 (expendable core), 炭酸塩 (carbonate), 塩化物 (chloride), ダイカスト (die casting), 強度 (strength), たわみ (deflection), 分解 (decomposition)
Figure 1 presents the calculated liquidus surface and eutectic line of the Na+-K+-Cl--CO₃²⁻ system using Thermo-Calc. It shows a wide composition range with liquidus temperatures between 873~973K.
Figure 1 presents the calculated liquidus surface and eutectic line of the Na+-K+-Cl--CO₃²⁻ system using Thermo-Calc. It shows a wide composition range with liquidus temperatures between 873~973K.

2. 概要または序論

本論文は、アンダーカット形状製品の製造に不可欠な高圧ダイカスト用崩壊性中子として有望な水溶性ソルト中子の抗折強度に焦点を当てています。特に、NaCl-KCI-Na₂CO₃-K₂CO₃多成分系からなるソルト中子の強度を調査しました。研究アプローチは、塩混合物の熱力学的考察と四点曲げ試験による実験的検証を組み合わせたものです。熱力学データから算出された相図と熱力学関数は、高強度が期待できる4つの組成領域を示唆しています。曲げ試験による実験的強度マッピングにより、3つの組成領域で20MPaを超える高強度が達成され、理論的予測と一致することが示されました。これらの高強度塩混合物は、高圧ダイカストへの適用に適していると評価できます。高強度組成の一部では、液相線温度が873Kから973Kの範囲であり、溶融塩からのソルト中子製造を容易にします。別の領域では、15MPaを超える高強度が確認されましたが、高強度を示す組成範囲は限られていました。SEM-EDX分析により、試料間で一次塩化物相中のナトリウム含有量が異なることが示され、ナトリウム含有量が一次相の強度と試料全体の強度に影響を与える可能性が示唆されました。塩化物相の分解領域では、一次相が塩化物である場合、強度が比較的低いことが判明しました。

3. 研究背景:

研究トピックの背景:

アルミニウム合金ダイカストは、軽量、高強度、耐食性、成形性に優れているため、自動車部品などに広く利用されています。しかし、従来のダイカスト法ではアンダーカット形状の製品製造が困難です。崩壊性中子は、この制約を克服するために不可欠であり、その開発はダイカスト研究において再び注目されています。アンダーカット製品のダイカスト化には、高速射出と高鋳造圧力に耐える十分な強度と、製品からの容易な除去性を備えた崩壊性中子の開発が不可欠です。

既存研究の現状:

先行研究では、塩化物と炭酸塩の二元系混合塩、特にNaCl-Na₂CO₃系およびKCI-K₂CO₃系からなる水溶性ソルト中子が検討されました。これらの研究により、これらの二元系から作製されたソルト中子が、強化材なしでも高い強度を示すことが実証され、ダイカストへの応用可能性が示唆されました。ソルト中子の溶融成形には、873〜973K程度の低い液相線温度が望ましいです。このような液相線温度を有する混合塩としては、NaCl-K₂CO₃系やKCI-Na₂CO₃系、MgCl₂、CaCl₂、Na₂SO₄、CaCO₃などが挙げられます。KCI-NaCl-K₂CO₃-Na₂CO₃四元系は、相図上で873〜973Kの液相線温度を示す組成範囲が広いにもかかわらず、その強度特性に関する系統的な研究は不足しています。

研究の必要性:

KCI-NaCl-K₂CO₃-Na₂CO₃四元系は、有望な液相線温度範囲を示すにもかかわらず、その強度特性に関する系統的な研究が欠如しています。したがって、本研究は、この四元系塩の強度を包括的に調査し、ダイカスト用崩壊性中子としての可能性を評価することを目的としています。特に、高強度と中子製造に適した液相線温度の両立に焦点を当てます。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

本研究の主な目的は、KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃四元系塩の強度を詳細に調査することです。この調査は、特に高強度とコア製造に適した液相線温度の両方を達成することに焦点を当て、ダイカスト用途の崩壊性中子へのこの塩系の潜在的な利用を評価することを目的としています。

主な研究課題:

  • KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃四元系塩の組成とその曲げ強度との関係を明らかにすること。
  • 高圧ダイカストに適した高曲げ強度を示す四元系内の組成範囲を特定すること。
  • 高強度組成物の液相線温度を評価し、溶融プロセスによるソルト中子製造の実現可能性を確保すること。
  • ソルト中子の微細構造と相組成を分析し、その曲げ強度に影響を与える要因を理解すること。

研究仮説:

  • 二元系塩で観察されたように、一次相と共晶組織の共存など、望ましい微細構造の形成により、KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃四元系内の特定の組成領域は、高い曲げ強度を示すと仮説を立てます。
  • ソルト中子の強度は、一次相の組成、特に塩化物一次相中のナトリウム含有量に影響を受けると仮説を立てます。
  • KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃系の高強度領域内で、873〜973Kの範囲の液相線温度を持つ組成物を特定でき、崩壊性中子の製造に適していると仮説を立てます。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、熱力学計算と実験的検証を組み合わせたアプローチを採用しています。Thermo-Calcを用いてNa⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻系の相図と液相線温度を計算し、所望の特性を持つ組成領域を予測しました。実験的には、四点曲げ試験を用いて、四元系内の組成を変化させたソルト中子の曲げ強度を測定しました。

データ収集方法:

  • 材料準備: 99.5%純度のKCl、NaCl、K₂CO₃、Na₂CO₃を用いて試験片を作製しました。塩混合物は、陽イオン比X<0xE2><0x82><0x93>と陰イオン比Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>を10mol%ずつ系統的に変化させ、Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻系全体を網羅するように調合しました。
  • 四点曲げ試験: ソルト中子の曲げ強度は、四点曲げ試験を用いて評価しました。
  • 微細構造解析: 曲げ試験後の破断面をSEMで観察し、微細構造を調べました。
  • 組成分析: エネルギー分散型X線分光法（EDX）を用いて、凝固組織の局所的な組成分析を行いました。

分析方法:

  • 熱力学計算: Thermo-Calcソフトウェアを用いて、熱力学データに基づき、Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻系の相図、液相線表面、共晶線を計算しました。
  • 強度マッピング: 実験的な曲げ強度データを組成に対してマッピングし、高強度領域を特定しました。
  • 微細構造-強度相関: SEMおよびEDX分析を用いて、観察された微細構造と相組成を測定された曲げ強度と相関させました。

研究対象と範囲:

本研究は、KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃四元系から作製されたソルト中子に焦点を当てており、イオン比X<0xE2><0x82><0x93>（K⁺の陽イオン比）とY<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>（CO₃²⁻の陰イオン比）を用いてNa⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻系として表現しています。組成範囲は、X<0xE2><0x82><0x93>とY<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>を10mol%刻みで系統的に変化させることで、四元系全体を網羅しています。

6. 主な研究成果:

主な研究成果:

  • 高強度領域: 曲げ強度マッピングにより、20MPaを超える高強度を示す3つの組成領域（図5の領域A、B、C）と、15MPaを超える強度を示す領域Dの一部が特定されました。これらの領域は、熱力学計算によって高強度を持つと予測された組成領域とほぼ一致しています。
  • 液相線温度: 領域Aは、高強度（20MPa以上）と低い液相線温度（873〜973K）の両方を示しました。領域BとCも20MPaを超える強度を示しましたが、液相線温度は973Kよりわずかに高くなりました。
  • 微細構造: 高強度領域AおよびCのSEM観察（図8）により、相図で予測されたように、一次相と共晶組織からなる微細構造が明らかになりました。
  • ナトリウム含有量の影響: SEM-EDX分析により、一次塩化物相中のナトリウム含有量が試料間で異なり、一次相の強度と全体の曲げ強度に影響を与えることが示唆されました。一次塩化物相にナトリウムが存在すると強度が向上しましたが、特定の組成における一次塩化物相中の過剰なナトリウム含有量は、相分解と強度低下を引き起こしました。
  • 相分解と強度低下: 塩化物相分解を起こしやすい組成（図3）では、特に一次相が塩化物である場合に、曲げ強度の低下が観察されました。

提示されたデータの分析:

  • 図1は、Thermo-Calcを用いて計算されたNa⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻系の液相線表面と共晶線を示しています。873〜973Kの液相線温度を持つ広い組成範囲を示しています。
  • 図2は、Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>=0 mol%および20 mol%における垂直断面相図を示しており、低温での塩化物相分解領域を示しています。
  • 図3は、Thermo-Calcで計算された塩化物相の分解領域を示しており、NaClとKCl固溶体の分解の組成範囲を示しています。
  • 図4は、923Kにおけるタイラインと液相線を示しており、一次相組成と相平衡を示しています。
  • 図5は、たわみ機構と強度を低下させる他の要因を考慮して、高強度が予測される4つの組成領域（A、B、C、D）をマッピングしています。
  • 図6は、鋳造試料の断面に見られる欠陥の写真を示しており、内部収縮（a）と表面の凹凸や亀裂（b）が含まれます。
  • 図7は、Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻塩混合物の曲げ強度マップであり、平均曲げ強度値と液相線/共晶線を示しています。
  • 図8は、領域AおよびCの高強度試料の凝固組織を示しており、一次相と共晶相を示しています。
  • 図9は、破断面のSEM像とEDX分析を含み、一次塩化物と共晶組織、および組成の変動を明らかにしています。
  • 図10は、異なる初期塩混合物組成について、温度の関数としてプロットされた一次および共晶塩化物の陽イオン中の計算されたK⁺組成を示しています。
  • 図11は、初期CO₃²⁻組成Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>=20mol%におけるビッカース硬さ測定値を示しており、硬さと組成、相分解を関連付けています。

図のリスト:

Figure 2 shows vertical section phase diagrams at Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>=0 mol% and 20 mol%, illustrating the chloride phase decomposition area at lower temperatures.
Figure 2 shows vertical section phase diagrams at Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>=0 mol% and 20 mol%, illustrating the chloride phase decomposition area at lower temperatures.
Figure 5 maps the four composition areas (A, B, C, D) predicted to have high strength based on deflection mechanism and factors reducing strength.
Figure 5 maps the four composition areas (A, B, C, D) predicted to have high strength based on deflection mechanism and factors reducing strength.
Fig. 7 Bending strength map of Na+-K+-Cl--CO₃²⁻ salt mixture with liquidus lines and eutectic line calculated with Thermo-Calc¹⁵).
Fig. 7 Bending strength map of Na+-K+-Cl--CO₃²⁻ salt mixture with liquidus lines and eutectic line calculated with Thermo-Calc¹⁵).
Fig. 9 SEM micrographs of broken surface (a)-(c), and results of EDX chemical analysis for selected area (d)-(f). (a) and (d): K⁺ composition in cation X<0xE2><0x82><0x93> =60 mol%, CO₃²⁻ composition in anion Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%. (b) and (e): X<0xE2><0x82><0x93> = 80 mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%. (c) and (f): X<0xE2><0x82><0x93>=90mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%.
Fig. 9 SEM micrographs of broken surface (a)-(c), and results of EDX chemical analysis for selected area (d)-(f). (a) and (d): K⁺ composition in cation X<0xE2><0x82><0x93> =60 mol%, CO₃²⁻ composition in anion Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%. (b) and (e): X<0xE2><0x82><0x93> = 80 mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%. (c) and (f): X<0xE2><0x82><0x93>=90mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%.
  • Fig. 1 Thermo-Calc¹⁵)を用いて計算されたNa⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻系の液相線表面と共晶線。
  • Fig. 2 Thermo-Calc¹⁵)を用いて計算された垂直断面の相図。（a）陰イオンY<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>におけるCO₃²⁻組成=0 mol%（NaCl-KCl二元系）。（b）Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%。
  • Fig. 3 Thermo-Calc¹⁵)を用いて計算された塩化物の分解領域。溶融塩から凝固した塩化物相は、この領域の内側が初期組成であり、KCl固溶体とNaCl固溶体に分解します。
  • Fig. 4 Thermo-Calc¹⁵)を用いて計算された共晶線を用いた923Kにおけるタイラインと液相線。
  • Fig. 5 たわみ機構と強度を低下させる他の要因を考慮して期待される高強度の4つの組成領域。
  • Fig. 6 鋳造試料の断面に見られる欠陥の写真。（a）陽イオンX<0xE2><0x82><0x93>におけるK⁺組成=10 mol%、陰イオンY<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>におけるCO₃²⁻組成=60 mol%。（b）X<0xE2><0x82><0x93>=60 mol%、Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%。
  • Fig. 7 Thermo-Calc¹⁵)を用いて計算された液相線と共晶線を用いたNa⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻塩混合物の曲げ強度マップ。
  • Fig. 8 高強度を持つ試料の凝固組織。（a）陽イオンX<0xE2><0x82><0x93>におけるK⁺組成=10 mol%、陰イオンY<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>におけるCO₃²⁻組成=60mol%（領域A）。（b）X<0xE2><0x82><0x93>=0mol%、Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>-=20mol%（領域C）。
  • Fig. 9 破断面のSEM像（a）〜（c）と、選択された領域（d）〜（f）のEDX化学分析の結果。（a）および（d）：陽イオンX<0xE2><0x82><0x93>におけるK⁺組成=60 mol%、陰イオンY<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>-におけるCO₃²⁻組成= 20 mol%。 （b）および（e）：X<0xE2><0x82><0x93> = 80 mol%、Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%。 （c）および（f）：X<0xE2><0x82><0x93>=90mol%、Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%。
  • Fig. 10 Thermo-Calc¹⁵)を用いて計算された一次および共晶塩化物X<0xE2><0x82><0x93>（Chl。）の陽イオンにおけるK⁺組成を温度の関数としてプロットしたもの。塩混合物の初期陽イオン組成X<0xE2><0x82><0x93>は、（a）90 mol%、（b）80 mol%、（c）70 mol%、（d）60 mol%であり、陰イオンY<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>-における初期CO₃²⁻組成はすべて20 mol%です。
  • Fig. 11 初期CO₃²⁻組成Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>-が20 mol%であるNa⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻塩混合物のビッカース硬さ。

7. 結論:

主な知見の要約:

本研究では、KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃系において、崩壊性ダイカスト中子に適した高曲げ強度を示す4つの組成領域（領域A、B、C、およびDの一部）を特定しました。領域A、B、Cは20MPaを超える強度を達成しました。領域Aは、高強度と低い液相線温度（873〜973K）の組み合わせにより、特に有望です。高強度は、一次相と共晶相の共存に起因すると考えられ、強度向上のためのたわみ機構を裏付けています。一次塩化物相中のナトリウム含有量は、強度に影響を与える重要な因子であることがわかりました。塩化物相の相分解は、強度低下につながる可能性があります。

研究の学術的意義:

本研究は、KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃四元系塩の曲げ強度挙動に関する包括的な理解を提供します。熱力学計算と実験的検証を統合し、高強度組成領域を特定することに成功しました。本研究は、ソルト中子で高強度を達成するための微細構造制御、特に一次相と共晶相の共存、および一次塩化物相におけるナトリウム含有量の役割の重要性を強調しています。本研究の知見は、ダイカスト用途における塩材料特性の基礎的な理解に貢献します。

実際的な意義:

特に領域Aにおいて、低液相線温度を持つ高強度塩組成物が特定されたことは、ダイカストにとって大きな実際的意義を持ちます。これらの組成物から作製されたソルト中子は、高圧ダイカスト条件に耐えることができ、適切な液相線温度により溶融プロセスを用いて製造できます。これにより、KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃系に基づく崩壊性ソルト中子を用いた複雑なアンダーカット形状のダイカスト製品の製造の可能性が広がります。

研究の限界と今後の研究分野:

本研究は、主に曲げ強度に焦点を当てました。これらの高強度ソルト中子の耐熱衝撃性、崩壊性、除去特性などの他の重要な特性を評価するためには、さらなる研究が必要です。冷却速度やその他の凝固パラメータが微細構造と強度に及ぼす影響も、今後の研究課題です。特に領域Dについては、塩化物相分解領域内でより高い強度を示す狭い組成範囲を完全に理解し、相分解による強度低下を回避しながら、一貫して高強度を達成するために組成を最適化する必要があります。

8. 参考文献:

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  • 14) J. Yaokawa, K. Oikawa and K. Anzai: CALPHAD to be printed
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  • 17) S. Pehkonen J. Phys. D: Appl. Phys., 6 (1973) 544

9. 著作権:

  • この資料は、八百川盾氏らの論文「Bending Strength of Salt Core Comprised of KCI-NaCl-Na2CO3-K2CO3 Systems」に基づいています。
  • 論文ソース: [https://doi.org/](DOI URL) (DOI URLがテキストに提供されていません。入手可能な場合は追加してください)

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