平衡／非平衡状態における鉄－炭素－酸素系融体の表面反応及び表面振動挙動の解明

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本研究では,平衡状態における鉄-酸素-炭素系融体の表面張力および気/液相の非平衡状態における酸素と炭素の吸脱着過程における表面張力挙動の解明を目的として,電磁浮遊技術を利用した液滴振動法による表面張力測定とCO-CO_2混合ガスによる気/液平衡法による溶鉄中の酸素と炭素の活量の同時制御を組み合わせることによって,高純度溶鉄,鉄-酸素系融体,鉄-炭素融体,鉄-炭素-酸素系融体の表面張力測定を行い,溶鉄に及ぼす酸素と炭素の影響解明を行った.さらにその知見を基に,溶鉄-ガス間反応中の酸素と炭素の吸脱着に伴う表面張力の経時変化の解明を行った.その結果,高純度溶鉄の表面張力は,文献値よりも融点近傍での値が大きく,温度係数の絶対値が大きな測定が結果を得られた.これは高純度鉄試料の使用やマグネシウム脱酸炉を用いたガスの精製などによって,不純物成分が溶鉄の表面張力に及ぼす影響を回避し,より高純度状態での表面張力測定が実現された結果である.また,溶鉄の表面張力に対して,酸素は強い表面活性成分として働き,表面張力を著しく低下させるが,炭素は表面張力に対して,影響を及ぼさないことを明らかにした.また,溶鉄中に炭素と酸素が同時に存在する場合は,酸素活量は炭素濃度依存性を持つため,同じ酸素濃度の場合,表面張力の炭素濃度依存性が現れることを明らかにした.気相のCO活量を変化させて,溶鉄を浸炭および脱炭させたとき,溶鉄の表面張力が一旦急激に変化したのちに平衡値に収束する経時変化挙動を世界で初めて測定した.これは浸炭および脱炭の素反応過程に伴う溶鉄表面での炭素と酸素の吸脱着反応によって生じたと考えられる.これらの研究成果は,高温融体の界面物理化学の発展に寄与し,また,融体が関与する様々な材料プロセスにおけるマランゴニ対流の数値解析シミュレーションに有用であるため,工学的にも大変重要な成果である.