アルミニウムとアルミニウム合金

この論文サマリーは、['ASM International']が発行した論文「Aluminum and Aluminum Alloys」に基づいて作成されました。

1. 概要：

タイトル：アルミニウムとアルミニウム合金 (Aluminum and Aluminum Alloys)
著者：J.R. Davis
発行年：2001年
発行ジャーナル/学会：ASM International®
キーワード：（本文中で明示的に提供されていませんが、内容から推測可能）アルミニウム、アルミニウム合金、合金化、特性、用途、鋳造、展伸材、腐食、熱処理、溶接、ろう付け、はんだ付け、機械加工、成形、結晶粒微細化剤、相形成

Fig. 1 Relationships among commonly used alloys in the 2xxx series (Al-Cu)

2. 抄録または序論

本論文「アルミニウムとアルミニウム合金」は、アルミニウムとその合金の入門と概要を提供し、その一般的な特性と多様な応用分野を強調しています。アルミニウムとその合金は、可鍛性のある包装用箔から要求の厳しいエンジニアリング用途に至るまで、幅広い用途に適した、非常に汎用性が高く、経済的で魅力的な金属材料として提示されており、構造用金属としては鋼に次いで広く使用されています。主な特徴としては、鋼の密度の約3分の1である低い密度（2.7 g/cm³）があり、これにより、宇宙、航空、陸上、海上輸送手段を含むさまざまな分野の車両に有利な軽量でありながら強力な構造が可能になります。さらに、アルミニウムは、鉄錆とは異なり、傷が付いた場合でも即座に再シールする薄くて不活性な酸化アルミニウム皮膜を形成するため、進行性の酸化に対する耐性を示します。適切な合金化と処理により、アルミニウムは、水、塩、環境要因、およびさまざまな化学的および物理的作用剤に対して耐食性を示します。本論文では、「合金化が腐食挙動に及ぼす影響（Effects of Alloying on Corrosion Behavior）」のセクションで、アルミニウム合金の腐食特性を詳細に検討しています。

3. 研究背景：

研究テーマの背景：

アルミニウムとその合金は、独自の特性の組み合わせにより、重要なエンジニアリング材料です。低い密度と高い強度重量比、優れた耐食性、多様な加工性は、数多くの産業分野で不可欠なものとなっています。本論文は、アルミニウム合金の基本的な特性を取り上げ、材料科学および関連分野のエンジニアや専門家に基礎的な理解を提供します。

既存研究の現状：

アルミニウム冶金に関する理解は十分に確立されており、合金化の原理、加工技術、特性の最適化に関する広範な研究が行われています。アルミニウム協会（Aluminum Association）の合金命名システムは広く認知され、使用されており、標準化された知識体系を示しています。「Metals Handbook Desk Edition」のような既存の文献は、化学組成と国際的な名称に関する包括的なデータを提供しており、成熟した研究分野であることを示しています。

研究の必要性：

アルミニウム合金技術が成熟した段階にあるにもかかわらず、ハンドブックレベルの包括的な概要は依然として重要です。これは、さまざまなエンジニアリング用途において、基本的な知識を普及させ、材料の選択を導き、製造プロセスを最適化するために不可欠です。本論文は、アルミニウム合金冶金の主要な側面を単一でアクセス可能な文書に統合する統合リソースとして機能します。

4. 研究目的と研究課題：

研究目的：

本論文の主な目的は、アルミニウムとアルミニウム合金のハンドブックレベルの概要を提供し、その特性、分類、加工特性、および応用分野を詳細に説明することです。これは、ダイカスト技術および関連するエンジニアリング分野の専門家のために、不可欠な情報を統合し、この重要な材料システムに関する容易にアクセスできる資料を提供することを目的としています。

主要な研究課題：

本論文は、アルミニウム合金に関する既存の知識と確立された研究成果を総合しています。さまざまな合金システム、展伸材と鋳造材、および材料特性と加工挙動に対する合金元素の影響を体系的に分類し、説明しています。主な研究分野は次のとおりです。

合金元素と強化メカニズムに基づくアルミニウム合金の分類。
展伸材および鋳造材合金シリーズ（1xxx〜8xxx）の詳細な検討。
機械的特性、耐食性、および加工特性（成形、機械加工、溶接、ろう付け、はんだ付け）に対する合金元素の影響。
結晶粒微細化剤と亜共晶Al-Si合金の改質に関する考察。
アルミニウム合金の相形成とその材料挙動への影響の分析。

研究仮説：

ハンドブックレベルの概要として、本論文は新しい研究仮説を提示していません。代わりに、アルミニウム合金の挙動を説明および分類するために、材料科学および冶金学の確立された原理に基づいて動作します。根本的な前提は、アルミニウム合金の特性と加工特性が、組成、微細構造、および加工履歴によって根本的に決定されるということであり、これは論文全体を通して体系的に探求され、説明されています。

5. 研究方法：

研究デザイン：

本論文は、ハンドブックの章の特性である記述的かつ解説的な研究デザインを採用しています。確立された冶金学的原理と業界標準に基づいて、アルミニウム合金に関する情報を体系的に提示します。設計は、明確さと理解の容易さのために合金と特性を分類して、包括的な概要を提供するように構成されています。

データ収集方法：

本論文は、アルミニウム冶金分野の既存の文献、ハンドブック、および確立された知識からデータと情報を総合しています。データは、表（表1〜11）、図（図1〜36）、および説明テキストの形式で提示され、すべて確立された出典と以前の研究から直接派生しています。

分析方法：

分析方法は主に質的かつ記述的であり、合金組成、微細構造、加工、および特性間の関係を説明することに焦点を当てています。本論文では、相図（図5、図7）、強度と伸びのグラフ表示（図8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、26、28、33、34、35、36）、および微細構造画像（図24、25、29、31、32）を使用して、主要な概念と傾向を説明しています。分析には、合金の分類、合金元素と加工に基づく特性変化の説明、および構造化された形式で確立された知識の要約が含まれます。

研究対象と範囲：

本論文の主題は、展伸材と鋳造材の両方の組成を含むアルミニウムとその合金です。範囲は広く、合金の分類、強化メカニズム、加工技術（成形、機械加工、接合）、腐食挙動、および耐摩耗性を網羅しています。本論文は、商業的に重要なアルミニウム合金と、さまざまな産業分野での応用例に焦点を当てています。

6. 主な研究成果：

主要な研究成果：

本論文は、アルミニウム合金に関する豊富な情報を体系的に提示しており、主な成果は次のように要約されます。

合金の分類： アルミニウム合金は、展伸材と鋳造材合金に分類され、主要な合金元素（展伸材合金の場合は1xxx〜8xxxシリーズ、鋳造材合金の場合は1xx.x〜9xx.xシリーズ）に基づいてファミリーにさらに細分化されます。
展伸材合金の種類： 各展伸材合金シリーズ（1xxx〜9xxx）の詳細な説明が提供され、特徴的な合金元素、特性、および一般的な応用分野を概説しています。たとえば、2xxxシリーズ合金（Al-Cu）は航空機用途での高強度で強調表示され、6xxxシリーズ合金（Al-Mg-Si）は優れた押出成形性と溶接性で注目されています。
鋳造材合金の種類： 鋳造材合金シリーズ（1xx.x〜9xx.x）の説明が提示され、形状鋳造の場合は3xx.xシリーズ（Al-Siベース）が最も一般的であり、高強度鋳造用途の場合は2xx.xシリーズ（Al-Cu）が強調されています。
合金元素の効果： 本論文では、さまざまな合金元素（銅、マグネシウム、シリコン、亜鉛、マンガンなど）および不純物（鉄、シリコン）が、強度、耐食性、加工性、および溶接性を含むアルミニウム合金の特性に及ぼす影響を詳細に説明しています。図1、2、3、および4は、それぞれ2xxx、5xxx、6xxx、および7xxxシリーズ内で一般的に使用される合金間の関係を視覚的に表しています。
加工特性： アルミニウム合金の成形、機械加工、溶接、ろう付け、およびはんだ付けに関する包括的な概要が提供され、各技術に対する合金組成と加工パラメータの影響を強調しています。
結晶粒微細化と改質： 本論文では、結晶粒微細化剤（チタン、ホウ素）と改質剤（ナトリウム、ストロンチウム、アンチモン、リン）について議論し、特にAl-Siシステムにおいて微細構造を制御し、特性を向上させるために使用されます。図22、23、24、25、26、28は、結晶粒微細化剤と改質剤の効果を示しています。
腐食および耐摩耗性挙動： 詳細なセクションでは、さまざまなアルミニウム合金シリーズの腐食挙動と、耐食性に対する合金元素の影響について取り上げています。また、アルミニウム-シリコン合金の耐摩耗性を検討し、シリコン相の役割を強調しています。

提示されたデータの分析：

表と図を含む提示されたデータは、論文全体の記述的な説明を一貫して裏付けています。さまざまな展伸材および鋳造材合金の強度範囲（表2および3）は、さまざまな合金システムにわたる特性の変化を定量化しています。一般的な展伸材および鋳造材合金の組成範囲（表4および5）は、合金の選択に関する実用的なガイダンスを提供します。合金の関係（図1〜4）と合金元素の効果（図7〜21、30）を示す図は、合金の挙動と特性の傾向に関するテキストの説明を視覚的に強化します。微細構造画像（図24、25、29、31、32）は、結晶粒微細化および改質技術の影響を視覚的に示しています。

図のリスト:

Fig. 2 Relationships among commonly used alloys in the 5xxx series (Al-Mg). Tensile strength (TS) and yield strength (YS) are in ksi units.

Fig. 3 Relationships among commonly used alloys in the 6xxx series (Al-Mg-Si). Tensile strength (TS) and yield
strength (YS) are in ksi units — Fig. 3 Relationships among commonly used alloys in the 6xxx series (Al-Mg-Si). Tensile strength (TS) and yield strength (YS) are in ksi units

Fig. 4 Relationships among commonly used alloys in the 7xxx series (Al-Zn-Cu-Mg-Cr). Tensile strength (TS) and yield strength (YS) are in ksi units

Fig. 7 Equilibrium binary solid solubility as a function of temperature for alloying elements most frequently added to aluminum

Fig. 20 Effect of MgZn2 and MgZn2 with excess magnesium on tensile properties of wrought 95% Al; 1.59 mm (0.0625 in.) specimens, quenched in cold water from 470 °C (875 °F)

Fig. 21 Effect of zinc on aluminum alloy containing 1.5% Cu and 1 and 3% Mg; 1.6 mm (0.064 in.) thick sheet. Alloy with 1% Mg heat treated at 495°C (920 °F); that with 3% Mg heat treated at 460 °C (860 °F). All specimens quenched in cold water, aged 12 h at 135 °C (275 °F)

図 1 2xxx系（Al-Cu）で一般的に使用される合金間の関係
図 2 5xxx系（Al-Mg）で一般的に使用される合金間の関係。引張強さ（TS）と耐力（YS）の単位はksi。
図 3 6xxx系（Al-Mg-Si）で一般的に使用される合金間の関係。引張強さ（TS）と耐力（YS）の単位はksi。
図 4 7xxx系（Al-Zn-Cu-Mg-Cr）で一般的に使用される合金間の関係。引張強さ（TS）と耐力（YS）の単位はksi。
図 5 アルミニウム-シリコン系状態図と純成分およびさまざまな組成の合金の鋳造微細組織。Siが12％未満の合金は亜共晶、Siが12％に近い合金は共晶、Siが12％を超える合金は過共晶と呼ばれる
図 6 主要なアルミニウム合金
図 7 アルミニウムに最も頻繁に添加される合金元素の平衡二元固溶度と温度の関係
図 8 いくつかの市販アルミニウム合金の引張耐力、伸び、およびマグネシウム含有量の相関関係
図 9 焼鈍（O調質）板厚13 mm（0.5 in.）のAl-Mg-Mn合金の引張特性
図 10 高純度展伸材アルミニウム-銅合金の引張特性。シート試験片は幅13 mm（0.5 in.）、厚さ1.59 mm（0.0625 in.）。O：焼鈍、W：溶体化熱処理後の水焼入れ直後に試験、T4：Wと同様だが室温で時効、T6：T4と同様だが高温で析出処理
図 11 合金2419に対する冷間加工とMg添加の効果。（a）0.18 at.% Mgを含む合金の149 °C（300 °F）での時効に対する耐力応答に対する冷間加工の効果。（b）Mgを含まない合金の149 °C（300 °F）での時効に対する耐力応答に対する冷間加工の効果。
図 12 自然時効材中のアルミニウム-銅合金2419の耐力に対する冷間加工の効果
図 13 525 °C（980 °F）で熱処理されたAl-4%Cu-0.5%Mg合金の引張特性とマンガン含有量の関係
図 14 T6調質におけるAl-0.3%Mn-0.2%Zr-0.1%V合金の銅含有量による引張特性の変化
図 15 3種類のアルミニウム合金の砂型鋳造棒の水素気孔率に対する極限引張強さ
図 16 アルミニウム合金356の引張強さと耐力に対するガス含有量の影響
図 17 アルミニウムの引張強さと耐力に対する鉄とシリコンの不純物の影響
図 18 H321調質における板厚13 mm（0.5 in.）のアルミニウム-マグネシウム-マンガン板の引張特性
図 19 99.95% Al展伸材、厚さ1.6 mm（0.064 in.）の試験片の引張特性に対するマンガンの効果、565 °C（1050 °F）から冷水で焼入れ
図 20 95% Al展伸材のMgZn₂および過剰マグネシウムを含むMgZn₂の引張特性に対する効果。厚さ1.59 mm（0.0625 in.）の試験片、470 °C（875 °F）から冷水で焼入れ
図 21 1.5% Cuと1および3% Mgを含むアルミニウム合金の亜鉛の効果。厚さ1.6 mm（0.064 in.）のシート。1% Mgの合金は495 °C（920 °F）で熱処理、3% Mgの合金は460 °C（860 °F）で熱処理。すべての試験片は冷水で焼入れ、135 °C（275 °F）で12時間時効
図 22 アルミニウム合金356におけるさまざまな母合金結晶粒微細化剤の有効性の比較
図 23 アルミニウム合金356および319におけるチタン-ホウ素結晶粒微細化剤の有効性
図 24 結晶粒微細化の効果を示すAl-7Si鋳塊。（a）結晶粒微細化剤なし。（b）結晶粒微細化。両方ともPoultonのエッチング液を使用してエッチング、両方とも2倍
図 25 未改質（A）から十分に改質（F）までのアルミニウム-シリコン共晶改質のさまざまな程度。さまざまな改質剤の有効性については図26を参照
図 26 ナトリウムおよびストロンチウム改質剤の時間の関数としての有効性。改質の程度については図25を参照
図 27 さまざまな改質剤を含むアルミニウム合金356溶湯の保持温度の関数としての水素含有量。
図 28 改質と結晶粒径の関数としてのA356合金鋳造引張試験片の機械的特性
図 29 Al-22Si-1Ni-1Cu合金の微細構造に対するリン微細化の効果。（a）未微細化。（b）リン微細化。（c）微細化およびフラックス処理。すべて100倍
図 30 アルミニウムの電解液電位に対する主要な合金元素の効果。電位は、高純度二元合金溶体化熱処理および焼入れに対するもの。53 g/L NaCl + 3 g/L H₂O₂溶液中で25 °C（77 °F）に維持して測定
図 31 A357.0型亜共晶合金の典型的な微細構造
図 32 A390.0型過共晶合金の微細構造。（a）未精製（Graff-Sargentエッチング）。暗い領域には、共晶シリカに加えて粗大な一次シリコン粒子が含まれています。（b）精製（研磨状態）。120倍
図 33 ミクロンサイズの金属間化合物粒子の体積率とマトリックスの組成が、直径5 mm（0.2 in.）の引張試験片の破断ひずみに及ぼす影響。A₀は初期断面積。A₁は破断面
図 34 焼鈍およびH34調質におけるアルミニウム合金の成形性に対するマグネシウムとマンガンの効果。厚さ1.6 mm（0.064 in.）のシート
図 35 合金2036の耐力と伸びに対する析出の効果
図 36 さまざまなアルミニウム合金の相対的な鍛造性に対する温度の影響。縦軸は、製造経験から推定された単位エネルギーあたりの変形量に基づいています。

7. 結論:

主な知見の要約:

このハンドブックの章では、多様なアルミニウムおよびアルミニウム合金の世界を包括的に概説しています。主な知見は、アルミニウムの多様性がその独自の特性によるものであり、合金化によってさらに調整されることを強調しています。展伸材と鋳造材の分類システムは、利用可能な膨大な材料群を理解するための構造化されたアプローチを提供します。銅、マグネシウム、シリコン、亜鉛などの合金元素は、アルミニウム合金の機械的特性、耐食性、および加工特性を決定する上で重要です。熱処理、成形、機械加工、接合などの加工技術は、合金組成の影響を大きく受けるため、最適な用途には慎重な検討が必要です。結晶粒微細化および改質技術は、特に鋳造プロセスにおいて、微細構造を制御し、性能を向上させるために不可欠です。

研究の学術的意義:

この記事は、アルミニウム合金冶金学に関する幅広い情報を単一のアクセス可能なハンドブックの章にまとめることで、貴重な学術リソースとして役立ちます。合金の分類、特性と組成の関係、および加工に関する考慮事項に関する構造化された体系的な概要を提供します。この包括的な統合は、材料科学、冶金学、および工学の学生、研究者、および専門家にとって学術的に重要であり、アルミニウム合金技術の基礎的な理解を提供します。

実用的な意義:

この記事の実用的な意義は、アルミニウム合金を扱うエンジニアや実務家にとって非常に重要です。用途の要件、加工方法の最適化、および性能予測に基づいて材料を選択するための不可欠なガイダンスを提供します。合金クラス、特性の変化、および加工特性の詳細な説明により、設計、製造、および品質管理において情報に基づいた意思決定が可能になります。耐食性と耐摩耗性に関する情報は、多様な環境および用途における長期的な性能と信頼性を確保するために特に関連性が高いです。

研究の限界と今後の研究分野:

ハンドブックの章として、この記事では広範な概要を提供しており、高度に専門化された最先端の研究分野には踏み込んでいません。特定の合金システムおよび加工技術ごとのカバレッジの深さは、単一の記事の範囲によって必然的に制限されます。今後の研究では、次のような特定の側面を拡張できます。

アルミニウム-リチウム合金やその他の新興合金システムの最新の進歩に関する詳細な調査。
新しい加工技術が微細構造と特性に及ぼす影響に関する詳細な研究。
特定のサービス環境における高度なアルミニウム合金の長期的な耐食性に関するさらなる研究。
合金設計とプロセス最適化のための計算モデリングおよびシミュレーションツールの探求。
さまざまな産業向けの持続可能で費用対効果の高いアルミニウム合金ソリューションの継続的な開発。

8. 参考文献:

Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys, J.R. Davis, Ed., ASM International, 1999
ASM Specialty Handbook: Aluminum and Aluminum Alloys, J.R. Davis, Ed., ASM International, 1993
Aluminum and Aluminum Alloys, in Metals Handbook Desk Edition, 2nd ed., J.R. Davis, Ed., ASM International, 1998, p 417–505
D.G. Altenpohl, Aluminum: Technology, Applications, and Environment, 6th ed., The Aluminum Association Inc. and TMS, 1998
Aluminum: Properties and Physical Metallurgy, J.E. Hatch, Ed., American Society for Metals, 1984

9. 著作権:

この資料は、"J.R. Davis"氏の論文：「Aluminum and Aluminum Alloys」に基づいています。
論文ソース: DOI:10.1361/autb2001p351

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Tags: Al-Si alloy; ,Alloying elements; ,aluminum alloy; ,aluminum alloys; ,Applications; ,CAD; ,Die casting; ,Microstructure; ,Quality Control