【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.14】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24OS0012

利用課題名 / Title

Al-Si合金の融解凝固過程のTEM内その場観察

利用した実施機関 / Support Institute

大阪大学 / Osaka Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

Al合金,資源使用量低減技術/ Technologies for reducing resource usage,電子顕微鏡/ Electronic microscope

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

佐々木 勝寛

所属名 / Affiliation

㈱UACJ

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

中川 凌吾

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

安田哲也

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術相談/Technical Consultation（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

Al-Si合金は典型的な共晶系状態図を示す。融解初期における液相の存在形態はAl合金の融解・凝固過程を考えるうえで重要である。集束イオンビーム(FIB)加工法を用いAl合金融解凝固過程の透過電子顕微鏡(TEM)内その場観察法を開発した[1]。GaイオンFIBで加工した試料で、融解挙動にGaの影響が示された[2]。本研究ではGaの影響を避けるためXeプラズマ集束イオンビーム(Xe PFIB)で加工した試料を用いた。Al-低Si合金の融解凝固過程を観察した結果、状態図に対応した挙動を示した。

実験 / Experimental

試料にはAl-2.58、7.5、12.4 mass％ Si合金を用いた。九州大学のXe PFIB（Thermo Fisher Scientific Helios 5 Hydra Dual Beam）で薄膜加工後、Mo製FIBメッシュにCデポジションにより固定した。その後、試料表面をCH₄ : C₂H₂ = 1:3プラズマCVD膜で100 nm厚までコートし、鈴鹿高専および大阪大学のHitachi H-9000 NAR中で、加熱対応試料ホルダーは鈴鹿高専のGatan-652を用いその場加熱観察した。ホルダーの温度表示は、Al-7.5、12.4 mass％ Si合金の共晶融解現象により補正した[3]。融解・凝固過程は、Al-2.58 mass％ Si合金にて詳細に観察した。

結果と考察 / Results and Discussion

Al-2.58 mass％ Si合金試料中にはSi粒子と、微量合金元素由来Al-Mn-Fe-Si金属間化合物粒子が存在した(Fig. 1)。図中の下部には、試料を固定したMoメッシュ、右サイドは試料形状を維持ずるために厚く残した試料領域が黒いコントラストを示している。加熱過程での変化をFig.2に示す。赤い点線で囲まれたSi粒子(Fig. 2a)は、加熱過程で収縮し(Fig. 2b)、529℃でAlマトリックスに固溶した(Fig. 2c)。Alマトリックスは635℃から融解を始めた。融解は、粒界に液相が核形成し(Fig. 2d)、不均一に結晶粒ごとに進行した(Fig. 2e, f)。凝固過程では、滑らかな固・液界面で粗大粒が成長する過程(Fig. 3a)と、微細な結晶が核生成し成長する過程(Fig. 3b)が併存した。
状態図[4](Fig.4)で示される529℃のSi固溶限は1.0 mass%である。また、共晶温度以上におけるAlの固相線において1.0 mass% Siは635℃近傍である。二点の一致より、公称組成2.58 mass% Siのうち1.0 mass%程度がSi粒子として析出しており、その他はAl-Fe-Mn-Si粒子中に存在すると考えられる。
Al-低Si合金の融解凝固過程をTEM内その場観察した。加熱時にSiがAlマトリックスに固溶し、後に粒界からの融解が観察された。加熱冷却速度の速いバルク実験[5]では、加熱前にSi粒子の周囲に分散していたAl-Mn-Fe-Si金属間化合物粒子が、凝固後にはSi粒子周辺で欠乏している領域が見られる。Si粒子を中心に融解凝固したと考えられており、平衡に近い本実験と異なる。実材料との比較を行うには、急速加熱・冷却実験が必要と考えられる。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig.1 Microstructure of Al-Si alloy used in this experiment showing Si particle with sharrow bright contrast indicated by the blue arrow, and Al-Mn-Fe-Si particles with thick black contrast.

Fig. 2 TEM images at (a) R.T, (b) shrinkage and (c) dissolution of Si particle. Melting of Al with (d) liquid nucleation, and expansion into different crystal (e) and (f), respectively.

Fig. 3 Solidification processes showing (a) a smooth solid-liquid interface between yellow arrows and (b) a crystallite growth indicated by the red arrow.

Fig. 4 The phase diagram of (a) Al-Si system [4] and (b) the enlarged part indicated by the rectangle of thick red line in (a) showing the solid-solution temperature of Si and melting temperature of Al matrix.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

謝辞
本研究（の一部）は、文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業（課題番号JPMXP1224KU0017）の支援も受けた。
参考文献
[1] K. Sasaki, et al., Proceedings of 2022 Autumn Annual Meeting of JIMM, (2022) p363.
[2] K. Sasaki, et al., Abstract of the 20th International Microscopy Congress (2023) p901-902 #0999.
[3]  佐々木勝寛、その他、日本顕微鏡学会第79回学術講演会要旨集(2023) p55 1amE_M-4-07.
[4]  T. B. Massalski (Eds): Binary alloy phase diagrams, American Society of Metals, Metals Park, Ohio, USA (1986).
[5]  中川凌吾、その他、第147回軽金属学会秋期大会概要 (2024) p141.

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 佐々木勝寛 他、日本金属学会2025春期講演(第176回)大会概要集、(2025) p.354.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件