マグネシウムおよびマグネシウム合金単結晶作製装置の開発

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【研究目的】近年、軽量で高強度なマグネシウム(Mg)合金の開発が精力的に行われている。しかし、六方晶であるMgは、結晶方位により変形機構が大きく異なることが予想される。この結晶方位依存性の調査には単結晶を用いた試験が有効である。これまでに、Mg単結晶をブリッジマン法により作製してきたが、加熱炉を移動させるブリッジマン法では、移動のために起こる振動で、Mg合金単結晶の作製は固溶限内においても非常に困難であった。そこで、本研究では、加熱炉を固定し、温度制御により温度分布を移動させる単結晶育成装置を開発し、Mg合金単結晶の育成条件の検討を行った。【研究方法】開発した装置は、炉心管内に定置した黒鉛るつぼ中にMg合金を入れ、るつぼ下端には冷却水を流した。炉心管の外側に設置した加熱炉によりMg合金を溶解し、一方向に凝固させた。加熱炉は4分割し、それぞれを温調器とサイリスタレギュレータにより制御した。酸化を防ぐため、溶解時は高純度アルゴン(Ar)ガス雰囲気とした。試料はMg-0.5at%Zn、Mg-1.Oat%ZnおよびAZ31Mg合金とし、加熱炉により溶解した後、冷却条件を変えて単結晶の育成条件を検討した。【研究成果】開発した装置により、ブリッジマン法では作製出来なかった塑性変形機構の調査が可能な大きな結晶を育成することに成功した。さらに、育成における温度分布を推定し、凝固点の温度勾配と移動速度を算出した結果、本研究における温度勾配は約1.5K/mmであり、その場合の凝固速度が、Mg・0.5at%Znでは7mm/hr以下、Mg-1.0at%Znでは2mm/hr以下において、核発生が抑制されることが分かった。また、AZ31Mg合金においては、温度勾配をより高くし、2K/mmの温度勾配において、凝固速度が2mm/hr以下の場合に、核発生が抑制され単結晶の作製が可能であることが分かった。