溶融金属の流動下での凝固過程を広範囲に可視化するイメージング装置を開発：研究開発の最前線

産業技術総合研究所は、溶解した金属が流動しながら凝固する様子を、従来比100倍以上の広範囲で可視化するX線イメージング装置を開発した。従来の放射光X線イメージング技術と比べ、100倍以上となる広範囲で観察できる。

[MONOist]

　産業技術総合研究所（産総研）は2024年9月3日、溶解した金属が流動しながら凝固する様子を、従来比100倍以上の広範囲で可視化するX線イメージング装置を開発したと発表した。アルミニウムのアップグレードリサイクルの高度化が期待される。

　アルミニウムを元の製品よりも高品質化してリサイクルするには、溶融した金属を流動しながら高純度化する必要がある。そのため、流動下での凝固過程を可視化することで、アルミニウム以外の不純物元素を除去できるようになる。

　今回の研究では、産総研が開発したフラットパネル型X線検出器とマイクロフォーカスX線源を活用し、従来の放射光X線イメージング技術の100倍以上の範囲で観察できる、X線イメージング装置を開発した。

　同装置は、X線源とフラットパネル型X線検出器、制御PC、電磁撹拌装置、インバーター、るつぼで構成される。X線源と電磁撹拌装置、X線検出器は、放射光X線イメージングでは困難な鉛直方向に配置することで、大面積かつ高解像度で撮影可能にした。また、中空構造の電磁撹拌装置を利用することで、溶融金属を流動させながら溶融アルミニウムにX線を照射し、凝固する様子を2次元観察できる。

開発したX線イメージング装置（左）と模式図（中央）、開発装置を用いて撮影したX線画像（右）［クリックで拡大］ 出所：産業技術総合研究所

　撮影範囲は、X線検出器の画素数と画素サイズ、X線源と溶融アルミニウム間の距離（FOD：Focus-to-Object Distance）、X線源とX線検出器の距離（FID：Focus-to-Image receptor Distance）の比で決まる。同装置では、FODとFIDをそれぞれ140mm、800mmになるように、X線源とるつぼ、X線検出器を設置。観察視野が55.7×44.5mm²となり、径50mmのるつぼに入れた溶融金属全体の透過X線画像を撮影できる。

　同装置を用いて、電磁撹拌（かくはん）後に凝固したAl-10Si-2Fe−2Mn（Alが主成分、Siが10％、Feが2％、Mnが2％）合金の断面組織を観察したところ、凝固試料の外周部に輝度の低い組織が形成されていた。この組成を分析すると、鉄を含む金属間化合物だと分かった。

　低輝度組織以外の部分の鉄濃度は、元の2.0％から0.5％へと減少した。これらのことから、電磁撹拌により鉄濃度が低くなり、アップグレードリサイクルが可能であることが分かった。

　凝固過程を撮影した透過X線画像を観察すると、704℃では均一に溶融したアルミニウムに対応する領域の輝度は一定で、金属間化合物はなかった。683℃では、低輝度領域がるつぼの壁面近くに現れ、金属間化合物を形成していた。このことから、温度の低下で低輝度の領域は増え、金属間化合物が外周部から中心へと形成されることが分かった。

開発したX線イメージング装置を用いて撮影した透過X線画像［クリックで拡大］ 出所：産業技術総合研究所

　また、冷却時の溶融金属の透過X線画像を連続撮影したところ、電磁撹拌したAl-10Si-2Fe−2Mn合金の鉄のマクロ偏析は、外周部に形成した鉄を含む金属間化合物の粗大化による現象だと判明。これにより、電磁撹拌による凝固偏析を意図的にコントロールすることで、スクラップ合金から鉄を含む不純物相を高効率に分離するプロセスの設計が可能になった。

　今後は、同装置を改良して空間分解能と撮影速度の向上を図り、金属リサイクルのプロセス開発や鋳造プロセス、金属材料の開発に貢献する。

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