鋳造技術と熱処理方法に関連するAlSi10MnMg合金の熱伝導率

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1. 概要：

  • タイトル: 鋳造技術と熱処理方法に関連するAlSi10MnMg合金の熱伝導率 (Thermal Conductivity of AlSi10MnMg Alloy in Relation to Casting Technology and Heat Treatment Method)
  • 著者: イヴァ・ノヴァコヴァ、ミラン・イェリネク、マルティン・シュヴェツ (Iva Nováková, Milan Jelínek and Martin Švec)
  • 発行年: 2024年
  • 発行ジャーナル/学会: Materials, MDPI
  • キーワード: アルミニウム合金 (アルミニウム合金); 熱拡散率 (熱拡散率); 熱伝導率 (熱伝導率); 鋳造 (鋳造); 熱処理 (熱処理)

2. 研究背景：

研究テーマの背景：

近年、電気自動車の開発に伴い、機械的特性だけでなく、鋳造品の熱伝導率に対する要求も高まっています。本研究は、自動車のモーターハウジングやヒートシンクなど、機械的強度と効率的な放熱の両方が重要な部品に使用されるAlSi10MnMg合金に焦点を当て、これらの要求に応えることを目的としています。

既存研究の現状：

既存の研究では、アルミニウム合金の熱伝導率が、温度、化学組成、微細組織を含む様々な要因によって影響を受けることが明らかになっています。特に、一部の研究 [5,6] では、温度が重要なパラメータであることを強調しており、他の研究 [7-9] では、as-cast Al-Si合金の強度と熱伝導率の間に反比例の関係があることを示唆しています。鋳造技術 [5,21,22] および熱処理 [25-28] も、アルミニウム鋳造品の最終的な熱特性を決定する上で重要な役割を果たすことが認識されています。

研究の必要性：

現在の産業規格では、生産規制で定められた鋳造部品に対する正確な熱伝導率の値が要求されています。本研究は、様々な鋳造条件および熱処理条件下でのAlSi10MnMg合金に関する特定の熱拡散率および熱伝導率データを、産業上のニーズに応じて提供することを目的としています。研究の目的は、産業界が製品の熱伝導率の不足または過剰に関連する問題を解決するのに役立つ貴重なデータを提供することです。

3. 研究目的と研究課題：

研究目的：

本研究の主な目的は、高圧ダイカスト (HPDC)、重力鋳造 (GSC)、重力金型鋳造 (GDC) などの様々な鋳造技術と、それに続くT5熱処理 (HT200、HT300、HT400での人工時効) が、AlSi10MnMg合金の熱拡散率および熱伝導率に及ぼす影響を評価することです。

主な研究課題：

本研究は、以下の影響を解明することに焦点を当てています。

  • AlSi10MnMg合金の熱伝導率に対する鋳造方法の影響
  • AlSi10MnMg合金の熱伝導率に対するT5熱処理温度の影響

研究仮説：

本研究は、以下の仮説に基づいて行われました。

  • AlSi10MnMg合金の熱拡散率および熱伝導率は、使用される鋳造技術によって異なります。
  • 鋳造中の冷却速度が遅いほど、熱伝導率の値が高くなります。
  • 先行する溶体化処理なしの熱処理 (T5) は、AlSi10MnMg合金の熱伝導率にプラスの影響を与えます。

4. 研究方法

研究デザイン：

本研究では、様々な鋳造方法で製造され、様々な熱処理を施されたAlSi10MnMg合金サンプルの熱特性を定量的に評価するために、実験的研究デザインを採用しました。熱拡散率は温度範囲にわたって測定され、微細組織は熱伝導率データとの相関関係を分析するために特性評価されました。

データ収集方法：

  • 熱拡散率測定: DLF 2 (Discovery laser flash, TA Instruments, New Castle, UK) を使用して、加工された試験片 (直径 12.68 mm、厚さ 4 mm) の熱拡散率を温度 (50–300 °C) の関数として測定しました。
  • 化学組成分析: Q4 TASMAN 光学分光計 (Bruker Elemental GmbH, Berlin, Germany) を使用して、AlSi10MnMg合金の化学組成を決定しました。
  • 微細組織特性評価: Oxford UltimMax65 エネルギー分散型検出器および Oxford SYMMETRY 検出器 (Oxford Instruments plc, Oxfordshire, UK) を搭載した Tescan Mira 3 電子顕微鏡 (Tescan Orsay Holding a.s., Brno, Czech Republic) を使用して、微細組織分析を実施しました。これには、相識別のためのEDXおよび結晶粒径と方位分析のためのEBSDが含まれます。

分析方法：

  • 熱伝導率計算: 熱伝導率 (λ) は、測定された熱拡散率 (a)、比熱容量 (Cp)、密度 (ρ) を使用して、関係式 λ = a ⋅ Cp ⋅ ρ で計算しました。比熱容量は熱拡散率測定中に測定され、密度変化は DIL 805L 膨張計 (TA Instruments, New Castle, UK) を使用した熱膨張測定値に基づいて計算されました。
  • 微細組織分析: EDX分析を使用して、微細組織に存在する様々な相の化学組成を特定しました。EBSD分析は、結晶粒径および結晶学的方位に関するデータを提供しました。

研究対象と範囲：

本研究は、AlSi10MnMg合金に焦点を当てました。サンプルは、重力鋳造 (GSC)、重力金型鋳造 (GDC)、高圧ダイカスト (HPDC) の3つの鋳造方法を使用して準備されました。熱処理には、先行する溶体化処理なしで、1時間、200 °C (HT200)、300 °C (HT300)、400 °C (HT400) での人工時効が含まれていました (T5熱処理)。熱特性測定は、50–300 °C の温度範囲で実施されました。

5. 主な研究成果：

主な研究成果：

  • 鋳造技術の影響: 研究の結果、鋳造技術が熱拡散率と熱伝導率に大きな影響を与えることが明らかになりました。GSCで製造されたサンプルが最も高い熱伝導率を示し、次いでGDC、HPDCの順でした。例えば、50 °Cにおいて、GSCサンプルの熱拡散率はHPDCサンプルよりも約12%高くなりました。
  • 温度依存性: 鋳造方法に関係なく、AlSi10MnMg合金の熱伝導率は、50–300 °Cの範囲で温度上昇とともに増加する傾向を示しました。すべての鋳造方法において、150–200 °Cの温度範囲で熱伝導率の顕著な増加が観察されました。
  • 熱処理効果: T5熱処理 (HT200、HT300、HT400) は、すべての鋳造方法において熱伝導率にプラスの効果をもたらすことが示されました。熱伝導率は、熱処理温度の上昇とともに増加しました。例えば、400 °C (HT400) で人工時効処理した場合、as-cast HPDCサンプルと比較して、50 °Cでの熱拡散率が約25%増加しました。

データ解釈：

  • 微細組織と鋳造方法: 様々な鋳造方法間の熱伝導率の変動は、微細組織の違いによるものです。GSCにおける遅い冷却速度は、より粗大な共晶組織と、α(Al)マトリックス内の溶質含有量の低下をもたらし、熱伝導率を向上させます。逆に、HPDCでの急速冷却は、より微細な微細組織とより高い溶質含有量をもたらし、熱伝導率を低下させます。
  • 熱処理メカニズム: T5熱処理後の熱伝導率の増加は、特に150–200 °Cの温度範囲において、過飽和固溶体からの合金元素の析出によるものである可能性が高いです。この析出は、電子の散乱を減少させ、それによって熱伝導率を向上させます。共晶組織の微細化および熱処理後の二次相のより均一な分布も、向上した熱特性に寄与しています。

図のリスト：

  • 図 1. 砂型鋳造 (GSC) AlSi10MnMg合金の組織: (A)—as-cast 状態 (HV 10 kV, BSE); (B)-as-cast 状態 (HV 10 kV, SE); (C)-HT400 後状態 (HV 10 kV, BSE); および (D)-HT400 後状態 (HV 10 kV, SE)。
  • 図 2. 金型鋳造 (GDC) AlSi10MnMg合金の組織: (A)-as-cast 状態 (HV 10 kV, BSE); (B)-as-cast 状態 (HV 10 kV, SE); (C)-HT400 後状態 (HV 10 kV, BSE); および (D)-HT400 後状態 (HV 10 kV, SE)。
  • 図 3. 高圧ダイカスト (HPDC) AlSi10MnMg合金の組織: (A)-as-cast 状態 (HV 10 kV, BSE); (B)-as-cast 状態 (HV 10 kV, SE); (C)-HT400 後状態 (HV 10 kV, BSE); および (D)-HT400 後状態 (HV 10 kV, SE)。
  • 図 4. 調査された合金の 4 つの EBSD 結晶粒マップ (測定面積 750 × 750 µm、ステップサイズ 2 µm、HV 10 kV): (A) 砂型鋳造サンプル (GSC)—as-cast 状態; (B) 砂型鋳造サンプル (GSC)-HT400 後状態; (C) 金型鋳造サンプル (GDC)—as-cast 状態; (D) 金型鋳造サンプル (GDC)—HT400 後状態; (E) 真空高圧ダイカスト (HPDC)—as-cast 状態; および (F) 真空高圧ダイカスト (HPDC)—HT400 後状態。
  • 図 5. GSC、GDC、HPDC サンプルの平均熱拡散率の温度依存性。
  • 図 6. 200 °C (HT200)、300 °C (HT300)、400 °C (HT400) で熱処理された GSC サンプルの平均熱拡散率の温度依存性。
  • 図 7. as-cast 状態および 200 °C (HT200)、300 °C (HT300)、400 °C (HT400) で熱処理された GDC サンプルの平均熱拡散率の温度依存性。
  • 図 8. as-cast 状態および 200 °C (HT200)、300 °C (HT300)、400 °C (HT400) で熱処理された HPDC サンプルの平均熱拡散率の温度依存性。
  • 図 9. GSC、GDC、HPDC サンプルの熱伝導率の温度依存性。
  • 図 10. as-cast 状態および 130 °C、200 °C、300 °C、400 °C で熱処理された HPDC サンプルの熱伝導率。

6. 結論：

主な結果の要約：

本研究は、鋳造技術とそれに続くT5熱処理の両方が、AlSi10MnMg合金の熱伝導率に大きな影響を与えることを決定的に示しています。GSCのような冷却速度の遅い鋳造方法は、GDCやHPDCのような冷却速度の速い方法よりも高い熱伝導率をもたらします。さらに、T5熱処理 (HT200、HT300、HT400) は、鋳造方法に関係なく、合金の熱伝導率を効果的に向上させます。調査されたすべてのサンプルの熱伝導率は、50–300 °Cの範囲で温度上昇とともに増加します。

研究の学術的意義：

本研究は、様々な加工条件下でのAlSi10MnMg合金の熱的挙動に関する貴重な洞察を提供します。熱拡散率および熱伝導率に関する包括的なデータセットを提供し、鋳造および熱処理パラメータが、産業的に関連性の高いこの合金の熱特性をどのように調整するかについての基本的な理解を深めます。

実用的な意味：

本研究の知見は、特に熱管理が重要な自動車およびエレクトロニクス分野において、AlSi10MnMg合金を利用する産業界に直接的な実用的な意味を持ちます。データは、熱伝導率を優先する用途の場合、GSCが好ましい可能性があることを示唆しています。さらに、機械的特性の向上を目的とした産業的に関連性の高い160–230 °Cの範囲内でのT5熱処理の適用は、熱伝導率も有益に向上させます。熱伝導率が最重要であり、高い機械的強度が主要な要件ではないGDCおよびHPDCで製造された部品の場合、ブリスタリングが問題にならない限り、より高い温度 (300–400 °C) での熱処理を適用して、熱伝導率をさらに向上させることができます。

研究の限界

本研究の範囲は、AlSi10MnMg合金と特定のT5熱処理条件 (HT200、HT300、HT400) に限定されています。これらの知見の他のアルミニウム合金または異なる熱処理条件への一般化可能性については、さらなる研究が必要です。

7. 今後のフォローアップ研究：

  • 今後の研究方向: 今後の研究では、特に真空ダイカスト環境におけるAlSi10MnMg合金の熱伝導率に対するT6およびT7熱処理 (溶体化処理後の時効) の影響を調査する必要があります。他の合金元素とその相互作用が熱伝導率に及ぼす影響の調査も有益でしょう。
  • さらなる探求が必要な領域: 今後の研究では、熱伝導率を最大化すると同時に、所望の機械的特性を達成するために、熱処理パラメータを最適化することに焦点を当てることができます。特定の微細組織の特徴 (例: 結晶粒径、二次相特性) と熱伝導率の間の定量的な関係に関するより詳細な調査は、より深い洞察を提供し、より正確な材料設計を可能にするでしょう。

8. 参考文献：

  • [1] Biswas, P.; Patra, S.; Roy, H.; Tiwary, C.S.; Paliwal, M.; Mondal, M.K. Effect of Mn Addition on the Mechanical Properties of Al-12.6Si Alloy: Role of Al15(MnFe)3Si2 Intermetallic and Microstructure Modification. Met. Mater. Int. 2021, 27, 1713–1727. [CrossRef]
  • [2] Mrówka-Nowotnik, G.; Sieniawski, J.; Wierzbiński, M. Intermetallic phase particles in 6082 aluminium alloy. Arch. Mater. Sci. Eng. 2007, 28, 69–76.
  • [3] Gan, J.; Du, J.; Wen, C.; Zhang, G.; Shi, M.; Yuan, Z. The Effect of Fe Content on the Solidification Pathway, Microstructure and Thermal Conductivity of Hypoeutectic Al-Si Alloys. Int. J. Met. 2022, 16, 178–190. [CrossRef]
  • [4] Radetić, T.; Popović, M.; Novaković, M.; Rajić, V.; Romhanji, E. Identification of Fe-bearing phases in the as-cast microstructure of AA6026 alloy and their evolution during homogenization treatment. J. Min. Metall. Sect. B Metall. 2023, 59, 327-338. [CrossRef]
  • [5] Zhang, A.; Li, Y. Thermal conductivity of aluminium alloys—A review. Materials 2023, 16, 2972. [CrossRef]
  • [6] Madelung, O.; Klemens, P.G. Thermal Conductivity of Pure Metals and Alloys; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 1991.
  • [7] Davis, J.R. Aluminum and Aluminum Alloys; ASM International: Materials Park, OH, USA, 2001.
  • [8] Vandersluis, E.; Lombardi, A.; Ravindran, C.; Bois-Brochu, A.; Chiesa, F.; MacKay, R. Factors Influencing Thermal Conductivity and Mechanical Properties in 319 Al Alloy Cylinder Heads. Mater. Sci. Eng. A 2015, 648, 401–411. [CrossRef]
  • [9] Chen, J.K.; Hung, H.Y.; Wang, C.F.; Tang, N.K. Thermal and Electrical Conductivity in Al-Si/Cu/Fe/Mg Binary and Ternary Al Alloys. J. Mater. Sci. 2015, 50, 5630-5639. [CrossRef]
  • [10] Kim, C.W.; Kim, Y.C.; Kim, J.H.; Cho, J.I.; Oh, M.S. Effect of Alloying Elements on the Thermal Conductivity and Casting Characteristics of Aluminum Alloys in High-Pressure Die Casting. Korean J. Met. Mater. 2018, 56, 805-812. [CrossRef]
  • [11] Gan, J.Q.; Huang, Y.J.; Cheng, W.E.N.; Jun, D.U. Effect of Sr modification on microstructure and thermal conductivity of hypoeutectic Al-Si alloys. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 2020, 30, 2879–2890. [CrossRef]
  • [12] Choi, S.W.; Cho, H.S.; Kumai, S. Effect of the Precipitation of Secondary Phases on the Thermal Diffusivity and Thermal Conductivity of Al-4.5Cu Alloy. J. Alloys Compd. 2016, 688, 897-902. [CrossRef]
  • [13] Zhou, Y.; Zhang, X.; Zhong, G.; Zhang, J.; Yang, Y.; Kang, D.; Li, H.; Jie, W.; Schumacher, P.; Li, J. Elucidating Thermal Conductivity Mechanism of Al-9Si Based Alloys with Trace Transition Elements (Mn, Cr, V). J. Alloys Compd. 2022, 907, 164446. [CrossRef]
  • [14] Choi, S.W.; Kim, Y.M.; Kim, Y.C. Influence of Precipitation on Thermal Diffusivity of Al-6Si-0.4Mg-0.9Cu-(Ti) Alloys. J. Alloys Compd. 2019, 775, 132-137. [CrossRef]
  • [15] Luo, G.; Zhou, X.; Li, C.B.; Du, J.; Huang, Z.H. A Quantitative Study on the Interaction Between Silicon Content and Heat Treatment on Thermal Conductivity of Al-Si Binary Alloys. Int. J. Met. 2022, 16, 1585–1594. [CrossRef]
  • [16] Zhang, X.; Zhou, Y.L.; Zhong, G.; Zhang, J.C.; Chen, Y.N.; Jie, W.Q.; Schumacher, P.; Li, J.H. Effects of Si and Sr Elements on Solidification Microstructure and Thermal Conductivity of Al-Si-Based Alloys. J. Mater. Sci. 2022, 57, 6428–6444. [CrossRef]
  • [17] Weng, W.P.; Nagaumi, H.; Sheng, X.D.; Fan, W.Z.; Chen, X.C.; Wang, X.N. Influence of Silicon Phase Particles on the Thermal Conductivity of Al-Si Alloys. In Light Metals 2019; Springer International Publishing: New York, NY, USA, 2019; pp. 193–198.
  • [18] Zhang, A.L.; Li, Y.X. Effect of Alloying Elements on Thermal Conductivity of Aluminum. J. Mater. Res. 2023, 38, 2049–2058. [CrossRef]
  • [19] Wen, C.; Gan, J.Q.; Li, C.B.; Huang, Y.J.; Du, J. Comparative Study on Relationship Between Modification of Si Phase and Thermal Conductivity of Al-7Si Alloy Modified by Sr/RE/B/Sb Elements. Int. J. Met. 2021, 15, 194–205. [CrossRef]
  • [20] Wang, K.; Li, W.F.; Xu, W.Z.; Hou, S.Y.; Hu, S.D. Simultaneous Improvement of Thermal Conductivity and Strength for Commercial A356 Alloy Using Strontium Modification Process. Met. Mater. Int. 2021, 27, 4742-4756. [CrossRef]
  • [21] Butler, C.; Babu, S.; Lundy, R.; Meehan, R.R.; Punch, J.E.F.F.; Jeffers, N. Effects of Processing Parameters and Heat Treatment on Thermal Conductivity of Additively Manufactured AlSi10Mg by Selective Laser Melting. Mater. Charact. 2021, 173, 110945. [CrossRef]
  • [22] Kim, M.S. Effects of Processing Parameters of Selective Laser Melting Process on Thermal Conductivity of AlSi10Mg Alloy. Materials 2021, 14, 2410. [CrossRef]
  • [23] Chen, J.K.; Hung, H.Y.; Wang, C.F.; Tang, N.K. Effects of Casting and Heat Treatment Processes on the Thermal Conductivity of an Al-Si-Cu-Fe-Zn Alloy. Int. J. Heat Mass Transf. 2017, 105, 189-195. [CrossRef]
  • [24] Ramirez, A.M.; Beltrán, F.E.; Yáñez-Limón, J.M.; Vorobiev, Y.V.; Gonzalez-Hernandez, J.; Hallen, J.M. Effects of porosity on the thermal properties of a 380-aluminum alloy. J. Mater. Res. 1999, 14, 3901–3906. [CrossRef]
  • [25] Zhang, C.; Du, Y.; Liu, S.H.; Liu, S.J.; Jie, W.Q.; Sundman, B. Microstructure and Thermal Conductivity of the As-Cast and Annealed Al-Cu-Mg-Si Alloys in the Temperature Range from 25_C to 400 _C. Int. J. Thermophys. 2015, 36, 2869-2880. [CrossRef]
  • [26] Li, K.; Zhang, J.; Chen, X.L.; Yin, Y.H.; He, Y.; Zhou, Z.Q.; Guan, R.G. Microstructure Evolution of Eutectic Si in Al-7Si Binary Alloy by Heat Treatment and Its Effect on Enhancing Thermal Conductivity. J. Mater. Res. Technol. 2020, 9, 8780-8786. [CrossRef]
  • [27] Kim, Y.M.; Choi, S.W.; Kim, Y.C.; Kang, C.S. Increasing the Thermal Diffusivity of Al-Si-Mg Alloys by Heat Treatment. J. Therm. Anal. Calorim. 2022, 147, 2139-2146. [CrossRef]
  • [28] Rauta, V.; Cingi, C.; Orkas, J. Effect of Annealing and Metallurgical Treatments on Thermal Conductivity of Aluminium Alloys. Int. J. Met. 2016, 10, 157–171. [CrossRef]
  • [29] Lumley, R.N.; Deeva, N.; Larsen, R.; Gembarovic, J.; Freeman, J. The role of alloy composition and T7 heat treatment in enhancing thermal conductivity of aluminium high pressure diecastings. Metall. Mater. Trans. A 2013, 44, 1074–1086. [CrossRef]

9. 著作権：

  • 本資料は、「イヴァ・ノヴァコヴァ、ミラン・イェリネク、マルティン・シュヴェツ」の論文：「鋳造技術と熱処理方法に関連するAlSi10MnMg合金の熱伝導率」に基づいています。
  • 論文ソース：https://doi.org/10.3390/ma17215329

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