アルミニウム合金の開発: 合金がどのようにしてより高い機械的特性を達成するか

合金開発のねらい

アルミニウム合金の開発は、強度、靱性、耐食性、成形性の目標の組み合わせに到達するために、化学、加工、熱処理を制御して操作することです。純粋なアルミニウムは柔らかく延性があります。市販のすべての合金には、転位の動きを妨げたり、微細構造を微細化する元素が添加されています。エンジニアリングのタスクは、許容可能なコストで必要な特性を提供するメカニズムを決定し、そのメカニズムを本番環境で再現できるようにする処理ルートを修正することです。

現代の実践では、析出硬化、スカンジウム微細合金化、リチウム添加、6xxx シートの焼付硬化、高温使用のための急速凝固という 5 つのメカニズムが主流となっています。-

7xxx シリーズの析出硬化

Zn-Mg-Cu 合金では、室温での自然時効の約 24 時間以内に、溶質クラスターが凝集したギニエ-プレストン ゾーンを形成します。これらの合金の標準的な T6 プロセスは、約 475 度で 2 時間の溶体化処理、水焼き入れ、その後、約 120 度で 24 時間の人工時効処理で構成されます。

人工時効中、MgZn に基づく準安定 η' 相₂、核を形成して転位の動きをブロックし、それが強度の増加を生み出します。このトレードオフは典型的なものです。AA7075-T7351 のように、過時効の T7 焼戻しによりピーク強度の約 10 % が犠牲になり、応力腐食割れに対する耐性が著しく向上します。-

航空宇宙材料の仕様では、通常、最小平面ひずみ破壊靱性が 28 MPa・m 以上に設定されています。{0}^1/2AA7150-T7751 などの高強度 7xxx プレートの厚い翼-桁セクション用-。破壊靱性は ASTM B645 の手順で測定されるため、要件の強度と耐損傷性の側面を同等の条件で評価できます。

スカンジウム微細合金化、結晶粒微細化および溶接性

アルミニウム合金に約 0.2% のスカンジウムを添加すると、鋳放しの粒子構造が変化し、粒子サイズが約 500 μm から約 10 μm まで減少します。-メカニズムは凝集Alの形成₃Sc ナノ析出物は通常サイズが 3-5 nm で、転位と粒界の両方を固定し、高温処理後でも再結晶化に抵抗します。

マイクロ合金添加による特性の向上は大きく、焼きなましされた Al-Mg-Sc 材料では降伏強度が約 150 MPa から約 350 MPa まで上昇します。また、スカンジウムは、AA2219 などの溶接可能な高強度合金の高温割れ感受性も除去します。このため、溶接可能な Al-Cu-Sc 系合金が大型の極低温推進剤タンク ドームに使用されます。制限要因は常にコストであり、現在では、より幅広い製品での添加が経済的になるように、プロセスの製品や鉱山の尾鉱からスカンジウムを回収することに多くの開発努力が注がれています。{11}}

リチウムの添加と密度の低減

アルミニウムにリチウムが 1% 添加されるごとに、密度は約 3% 低下し、剛性が向上します。そのため、重量が重要な構造物や極低温タンクにリチウム含有合金が魅力的です。- 2195 ファミリーなどの約 1.0% の Li を含む合金は、打ち上げロケットのタンク容量において 2219 に取って代わり、-ロケットあたりの大幅な重量削減を実現しました。

二相時効処理が存在する理由は、₁析出は遅いため、高温のステップで合金に強度と靱性のバランスを与えるプレート状の析出物が成長する前に、低温で核生成する必要があります。{0}{1}{1}リチウムは容易に酸化し、酸化物含有物が亀裂の開始剤として機能するため、きれいに溶解することも同様に重要です。

6xxx シリーズのベーク硬化

自動車のボディパネルには、塗装工場で成形、強化された T4P 状態の Al-Mg-Si シートが使用されています。マグネシウム₂約 2 × 5 nm の Si'' 針状結晶は、通常 185 度で 20 分間の塗装ベーク サイクル中に析出し、パネルがすでに形成されている部分の降伏強度を高めます。

AA6016-T4P シートは、DP780 などの二相鋼のリファレンスよりも約 20% 高い焼成後強度に達します。-

電着塗装の密着性は、前処理ライン全体で表面の化学的性質が一定に保たれるように、鉄-対-シリコンの比率を約 1.5:1 以上に保つことにかかっています。

衝突性能を測定すると、エネルギー吸収は約 15 kJ/kg に達しますが、同等の鋼材セクションでは約 8 kJ/kg です。

6xxx 合金の大型一体型アンダーボディ鋳物と構造パネルは同じ焼付硬化ルートを使用するため、プレスでの成形性と使用時の強度は切り離されています。-

急速凝固と高温合金-

従来の鋳造アルミニウム合金は、強化析出物が粗大化するため、約 150 度を超えると強度が低下します。急速凝固は、熱的に安定した粒子の微細な分散を生成することにより、この制限を回避します。たとえば、スプレー蒸着では、10 を超える分散質集団によってサポートされ、300 度でも約 400 MPa の強度に達する Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si 合金が生成されます。¹⁷/m³50nmのAl₁₂(鉄、V)₃粗大化しにくいSi粒子。

積層造形は、同じアイデアを複雑な形状に拡張します。選択的レーザー溶解は、微細な過飽和セル構造と良好な寸法自由度を備えたターボチャージャー ホイールと AlSi10Mg ブレーキ キャリパーを構築するために使用されます。一方、コンプレッサー セクション用に開発された Al-Ce-Mg 合金は、分散を失うことなく約 250 度の使用温度に耐えます。設計者にとっての実際的なメッセージは、合金開発はもはや溶融物に元素を加えるだけの問題ではない、ということです。粉末ルート、固化速度、熱処理も同様に強力な手段となります。

よくある質問

Q: アルミニウム合金の析出硬化とは何ですか?
時効中に形成される細かく分散した粒子によって強化されます。溶質は急冷によって過飽和溶液中に保持され、転位の動きを妨げる GP ゾーンおよび準安定相として析出します。

Q: ピーク時効の T6 ではなく T7 焼き戻しを使用するのはなぜですか?{1}}
T7 の過時効により、ピーク強度の約 10 % が低下しますが、耐応力腐食割れ性と寸法安定性が大幅に向上します。これは、継続的な荷重がかかる厚い部分で重要です。{3}

Q: 粒子構造を微細化するにはどのくらいのスカンジウムが必要ですか?
通常、Al を介して鋳造時の粒子サイズを約 500 μm から約 10 μm に縮小するには、約 0.2 % で十分です。{{1}₃3〜5 nmのScナノ析出物。

Q: リチウム-含有合金はなぜ 2 段階で時効処理されるのですか?
T₁(アル₂CuLi) の析出は遅いため、155 度、次に 190 度で二相時効を行うと、最初に相の核が形成され、次に最高の強度と靭性が得られるサイズまで成長します。

Q: ボディ パネルで硬化した 6xxx シートを焼く-にはどのような制限がありますか?
プレスでの成形性と電着塗装の接着のための表面化学の安定性。これが、鉄-と-のシリコン比が約 1.5:1 以上に制御される理由です。

Q: アルミニウムが 250 度以上で使用できるのはどのようなメカニズムですか?
急速凝固処理。 Alなどの安定した粒子の高密度分散を生成します。₁₂(鉄、V)₃高温下でも粗大化しにくいSi。