Al-Cu合金の化学的および機械的特性に対する熱力学的処理の影響

本紹介記事は、[International Journal of Materials, Methods and Technologies]によって発行された論文["Al-Cu合金の化学的および機械的特性に対する熱力学的処理の影響"]の研究内容を紹介するものです。

1. 概要:

• タイトル: EFFECTS OF THERMOMECHANICAL TREATMENTS ON THE CHEMICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF Al-Cu Alloy (Al-Cu合金の化学的および機械的特性に対する熱力学的処理の影響)
• 著者: Adegbola Adekunle Amos, Olapade Julius, Aderounmu Mudashiru, Salawu Ismaila, Alabi Ismaila, Kareem Mutiu, Omotoyinbo Joseph Ajibade and Olaniran Oladayo
• 発行年: 2014年1月
• 発行ジャーナル/学会: International Journal of Materials, Methods and Technologies, Vol. 2, No. 1, PP: 1-11, ISSN: 2327-0322 (Online)
• キーワード: Al-9.37Cu, metallography, precipitates, thermomechanical, deformation, INSTRON, over-ageing ductility and Hardnesss (Al-9.37Cu、金属組織学、析出物、熱力学的、変形、インストロン、過時効延性および硬度)

2. 概要 / 序論

本研究論文は、金属組織学的検査によって特性評価されたAl-9.37Cu合金の開発について調査しています。ダイカスト法を用いて鋳造された合金は、溶体化処理、水焼入れ、空冷焼入れ、および過時効処理などの一連の処理を受けました。研究の結果、Al-9.37Cuの強度は、合金を圧延し、時効処理を行った場合に大幅に向上することが示されました。これは、アルミニウムの結晶粒界に沿って、またはその近傍で大きな析出物が成長し、金属が降伏する際の転位の移動を妨げるためです。しかし、合金を200℃（500℃）を超えて加熱すると、平衡正方晶相が形成され、完全にインコヒーレントとなり、繊維状組織による強化効果が低いため、引張強度の値が低下することが観察されました。

序論では、アルミニウム合金において強度を高めるための合金元素としての銅の役割を強調し、耐食性とのトレードオフを認識しています。アルミニウムのような軽量金属において、均質な材料特性を得るためには、合金元素の均一な分布が重要であることを強調しています。また、アルミニウム製造の簡単な歴史的背景を提供し、Al-Cu平衡状態図（Fig.1）を参照しながら、異なる温度におけるアルミニウム中の銅の溶解度について論じています。序論の結論として、本研究の目的は、熱力学的時効がAl-Cu合金に及ぼす影響、特に過熱時の内部応力とひずみの影響を調査することであると述べています。

3. 研究背景:

研究課題の背景:

本研究は、アルミニウムの軽量性および耐食性を維持しながら、その機械的強度を高めるという課題に取り組んでいます。アルミニウムは、その固有の低密度と耐食性から、特に輸送産業において様々な用途に理想的な材料です。銅との合金化は強度を向上させる一般的な方法ですが、得られたAl-Cu合金の特性に対する熱力学的処理の影響を最適化するためには、詳細な調査が必要です。本研究では、ダイカストされたAl-9.37Cu合金の特性に対する、ダイカスト、溶体化処理、焼入れ、時効、および温間加工を含む様々な熱力学的処理の影響を理解することに焦点を当てています。

既存研究の現状:

序論で引用されている既存の研究は、アルミニウム中の銅の溶解度が温度に依存し、異なる相と微細組織の形成に影響を与えることを示しています。Al-Cu平衡状態図（Fig.1）は、固溶限とθ（Al2Cu）のような金属間化合物の形成を示すために参照されています。（Kacer et al 2003）および（Ashby and Jones, 2006）として参照されている先行研究は、アルミニウム合金とその冶金学的開発の基礎的な側面を探求しています。しかし、本論文では、ダイカスト、溶体化処理、焼入れ、時効、温間加工を含む熱力学的処理が、Al-9.37Cu合金の特性に及ぼす具体的な影響をより深く掘り下げています。

研究の必要性:

本研究は、ダイカストで使用されるAl-Cu合金の加工パラメータを最適化するために必要です。熱力学的処理が微細組織と機械的特性に及ぼす影響を理解することは、高性能部品を製造するために不可欠です。本研究は、純アルミニウムの強度の限界と、不適切な加工による特性劣化の可能性に対処し、制御された熱処理と変形を通じてAl-Cu合金の強度と延性のバランスを実現するための洞察を提供することを目的としています。本研究は、優れた耐食性と高い強度対重量比を備え、大きな変形に耐えることができる代替の非鉄合金製品の開発に貢献することを目指しています。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

主な研究目的は、Al-Cu合金、特にAl-9.37Cuの化学的および機械的特性に対する熱力学的処理の影響を調査することです。これには、ダイカスト、溶体化処理、焼入れ（水および空気）、時効（自然および人工）、および温間加工が合金の微細組織、引張強度、硬度、および延性に及ぼす影響を特性評価することが含まれます。本研究は、合金の機械的性能を向上させるためにこれらの処理を最適化することを目指しています。

主要な研究課題:

本論文で取り上げられている主要な研究課題は以下のとおりです。

1. 異なる熱力学的処理（溶体化処理、焼入れ、時効、温間加工）は、ダイカストされたAl-9.37Cu合金の微細組織にどのように影響を与えるか？
2. これらの処理は、Al-9.37Cu合金の引張強度、硬度（HRB）、および延性にどのような影響を与えるか？
3. 高温での過時効は、合金の機械的特性と微細組織にどのように影響を与えるか？
4. 最適化された熱力学的処理は、構造用途向けのダイカストAl-Cu合金の強度対重量比と全体的な性能を向上させることができるか？

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、熱力学的処理がAl-9.37Cu合金に及ぼす影響を調査するために実験計画法を採用しています。研究では、ダイカストを用いて合金を鋳造し、続いて鋳造サンプルに様々な熱処理および温間加工プロセスを施します。引張試験および硬度測定を含む機械的試験と、金属組織学的検査を実施して、得られた特性と微細組織の変化を評価します。

データ収集方法:

データは、以下の方法で収集されました。

• 化学分析: 分光分析法を用いて、鋳造されたAl-Cu合金の化学組成を決定しました（Table I）。
• 引張試験: INSTRON引張試験機を用いて、処理されたサンプルの引張強度、降伏強度、および伸びを測定しました（Plate VIII, IX）。
• 硬度試験: ブリネル硬度試験機を用いて、サンプルの硬度を測定しました（Plate VII）。
• 金属組織学的検査: 光学顕微鏡を用いて、異なる処理条件下での合金サンプルの微細組織を観察しました（Plate X, XI, XII, XIII, XIV, XV）。

分析方法:

収集されたデータは、以下を用いて分析されました。

• 定量的分析: 引張強度、硬度、および伸びの値を異なる処理条件間で比較し、各処理の効果を評価しました。
• 定性的分析: 金属組織学的画像を分析し、微細組織の特徴（結晶粒径、析出物、相）と観察された機械的特性を関連付けました。応力-ひずみ曲線（Fig. 2, 3, 4, 5）およびUTSと硬度変化のグラフ（Fig. 6, 7）を用いて、結果を視覚化し比較しました。円グラフ（Fig. 8）を用いて、衝撃値の変化を示しました。

研究対象と範囲:

研究対象は、98％アルミニウムインゴットと銅線から作製されたAl-9.37Cu合金です。研究の範囲は以下に限定されます。

• 材料: ダイカストによって製造されたAl-9.37Cu合金。
• 処理: 550℃での溶体化処理、水および空冷焼入れ、自然および人工時効（165℃および200℃で様々な時間）、350℃での焼鈍、および300℃での温間加工。
• 特性評価: 化学組成、引張特性、硬度、および微細組織。

6. 主な研究結果:

主要な研究結果:

• 圧延と時効による強度向上: 圧延と時効は、結晶粒界での析出物の成長により、転位の移動を妨げるため、Al-9.37Cu合金の強度を大幅に向上させました。
• 高温での強度低下: 合金を200℃（500℃）を超えて加熱すると、強化効果の低いインコヒーレントな平衡正方晶相（CuAl2）が形成されるため、引張強度が低下しました。
• 微細組織の変化: 金属組織学的検査により、鋳造ままのサンプルではデンドライト組織（Plate X）、焼鈍されたサンプルでは再結晶粒（Plate XI）、水焼入れされたサンプルでは析出物（Plate XII）、空冷焼入れされたサンプルでは結晶粒界析出（Plate XIII）が明らかになりました。200℃で人工時効処理されたサンプルは、さらなる微細組織の進化を示し（Plate XIV）、500℃で過時効処理されたサンプルは、結晶粒粗大化を示しました（Plate XV）。
• 最適な時効温度: 200℃で6時間時効処理を行うと、引張強度が177.67 MPa、衝撃エネルギーが2.82 Jとなり、鋳造ままの状態（119 MPa）と比較して機械的特性が向上しました。
• 焼入れ媒体の影響: 水焼入れと空冷焼入れは、冷却速度と析出物の分布が異なり、最終的な機械的特性に影響を与えました（Fig. 3）。

提示されたデータの分析:

• 応力-ひずみ曲線 (Fig. 2, 3, 4, 5): これらの曲線は、異なる熱力学的処理下でのAl-Cu合金の引張挙動の変化を示しています。Fig. 2は鋳造ままの状態、Fig. 3は空冷焼入れと水焼入れの比較、Fig. 4は異なる時間での時効、Fig. 5は350℃での焼鈍を示しています。
• UTSと硬度の変化 (Fig. 6, 7): Fig. 6は、異なる熱処理（Normalising, Water Quenched, Aged, Annealed）による極限引張強度（UTS）の変化を示しています。Fig. 7は、同じ処理による硬度（HRB）の変化を示しています。これらの図は、強度と硬度に対する異なる処理の効果を視覚的に比較しています。
• 衝撃値の変化 (Fig. 8): Fig. 8の円グラフは、異なる熱処理プロセスにおける衝撃値の変化を示しており、時効条件（2時間、4時間、6時間）、空冷焼入れ、焼鈍、および水焼入れにわたる割合分布を示しています。
• 過時効の影響 (Fig. 9): Fig. 9は、異なる温度での過時効が引張強度に及ぼす影響を示しており、最適な時効条件を超えて温度が上昇すると引張強度の値が低下することを示しています。
• 微細組織写真 (Plate X-XV): これらのプレートは、異なる処理によって生じる微細組織の変化の視覚的な証拠を提供し、機械的特性の変化の解釈を裏付けています。

図のリスト:

• Fig.1: The Al-9.37%Cu alloy equilibrium phase diagram (Al-9.37%Cu合金の平衡状態図)
• Fig.2: Stress (MPa) - Strain (mm/mm) variation of cast Al-Cu alloy before heat treated. (熱処理前の鋳造Al-Cu合金の応力（MPa） - ひずみ（mm/mm）変化)
• Fig.3: Stress (MPa) - Strain (mm/ mm) variation of cast Al-Cu alloy after heat treated and cooled at different medium (Air- Water Quench). (熱処理後、異なる媒体（空冷焼入れ - 水焼入れ）で冷却した鋳造Al-Cu合金の応力（MPa） - ひずみ（mm/mm）変化)
• Fig.4: Stress (MPa) - Strain (mm/mm) variation of cast variation of cast Al-Cu alloy after ageing at different time (異なる時間で時効処理後の鋳造Al-Cu合金の応力（MPa） - ひずみ（mm/mm）変化)
• Fig. 5: Stress (MPa) - Strain (mm/mm) Al-Cu alloy after annealled at 350°C for 1hr (350℃で1時間焼鈍後のAl-Cu合金の応力（MPa） - ひずみ（mm/mm）)
• Fig.6: Variation of UTS(MPa) with Heat Treatment (熱処理によるUTS(MPa)の変化)
• Fig.7: Variation of Hardness(HRB) with Treatment Processes (処理プロセスによる硬度(HRB)の変化)
• Fig.8: Pie Chart showing impact values variation Heat Treatment Processes (熱処理プロセスによる衝撃値の変化を示す円グラフ)
• Fig. 9: The effect of Over-ageing on the Tensile Values (MPa) for different Hours of heat treatment processes (異なる時間の熱処理プロセスにおける過時効の引張強度値（MPa）への影響)
• Plate 1: Aluminium Ingot-98% Al Of 22kg Weight, from Aluminium Rolling Mill (ARM) factory, Ota,, Nigeria (アルミニウムインゴット-98% Al 22kg、ナイジェリア、オタ、アルミニウム圧延工場(ARM)製)
• Plate II: Copper Wire, From Standards Org. Of Nig (SON), Laboratory, Lekki, Lagos (銅線、ナイジェリア規格機構(SON)、ラゴス、レッキ研究所製)
• Plate III: Mixing of the two molten metals evenly a pot in the earth furnace (2つの溶融金属を土炉の鍋で均一に混合)
• Plate IV: Pouring of the molten aluminium-copper in alloy into the second hole of die cast mold (溶融アルミニウム-銅合金をダイカスト金型の2番目の穴に注入)
• Plate V: Solidified Al-9.37Cu rods (凝固したAl-9.37Cuロッド)
• PlateVI: Aluminum alloy samples loaded inturn inside the Heat treatment oven at Obafemi Awolowo University, Ile-Ife, Nigeria (アルミニウム合金サンプルを順番にオバフェミ・アウォロウォ大学、イレ・イフェ、ナイジェリアの熱処理炉に装填)
• Plate VII: Digital Hardness Testing (Brinell Machine under the (デジタル硬度試験（ブリネル硬度計の下で）)
• Plate VIII:Mounting of Aluminium Alloy Sample INSTRON Tensile Testing Machine at Center for Energy, Obafemi Awolowo, Ile-Ife, Nigeria (アルミニウム合金サンプルの取り付け オバフェミ・アウォロウォ大学、イレ・イフェ、ナイジェリア、エネルギーセンターのINSTRON引張試験機)
• Plate IX: The interface of tensile tests for aged, Air-Quenched, and Water Quenched samples (時効、空冷焼入れ、および水焼入れサンプルの引張試験のインターフェース)
• Plate X: Aluminum 9.37 Copper alloy as Cast 350°C for o 1 hr. Polarized light , recrystallized grains and bands of unrecrystallized grains (caustic etch) (鋳造ままのアルミニウム9.37銅合金 350℃ 0.1時間 偏光、再結晶粒および未再結晶粒のバンド（苛性エッチング）)
• Plate XI: Aluminium 9.37Copper Alloy annealed at (焼鈍されたアルミニウム9.37銅合金)
• Plate XII:Aluminium 9.37 Cu water -quenched(WQ) at treated 500°C forming an overwhelming precipitates with an intermediate β¹ and a matrix led to a distortion in the a-lattice (Caustic etch) X200°C (500℃で処理された水焼入れ(WQ)されたアルミニウム9.37Cu 圧倒的な析出物を形成し、中間β¹とα格子に歪みをもたらすマトリックス（苛性エッチング）X200℃)
• Plate XIII: Aluminium 9.37 Copper alloy Soution heat at 500°C but Air-Quenched. The slow cooling resulted in intragranular and grain boundary precipitation of AlCu alloy with.002Mg(Caustic etch) x200°C (500℃で溶体化熱処理されたが空冷焼入れされたアルミニウム9.37銅合金。徐冷により、AlCu合金の粒内および粒界析出が発生 .002Mg（苛性エッチング）x200℃)
• Plate XIV: Aluminum 9.37Cu Artificially Aged at 200°C for 5hours (Caustic etch )x 200°C (200℃で5時間人工時効処理されたアルミニウム9.37Cu（苛性エッチング）x 200℃)
• Plate XV: Aluminium9.37 Copper alloy over aged at 500° (Caustic etch) x200°C (500℃で過時効処理されたアルミニウム9.37銅合金（苛性エッチング）x200℃)

7. 結論:

主な調査結果の要約:

本研究は、ダイカストされたAl-9.37Cu合金の機械的特性が、熱力学的処理によって大きく影響を受けると結論付けています。圧延と時効は強度を高めますが、高温での過時効は強度を低下させます。溶体化処理、それに続く水焼入れ、および室温で6時間の時効処理は、合金の強度と硬度を最適化し、高い強度対重量比を必要とする用途に適したものにします。微細組織分析は、析出物の形成と分布が機械的特性を決定する重要な要因であることを裏付けています。

研究の学術的意義:

本研究は、様々な熱力学的条件下でのAl-Cu合金における相変態と析出挙動の基礎的な理解に貢献しています。処理パラメータ、微細組織の進化、および機械的特性の関係に関する貴重な洞察を提供します。本研究は、ダイカストアルミニウム合金の性能を最適化する上で、制御された熱処理の重要性を強調し、材料科学および冶金学の知識体系に貢献しています。

実際的な意義:

本研究の知見は、ダイカスト産業、特にAl-Cu合金部品の製造において実際的な意義を持ちます。本研究は、最適化された溶体化処理、焼入れ、および時効処理を通じて、Al-9.37Cu合金の機械的特性を向上させるための加工ガイドラインを提供します。これにより、自動車、航空宇宙、およびその他のエンジニアリング用途向けの、より軽量で強力な部品の製造につながり、燃費と構造性能を向上させる可能性があります。具体的には、高い強度対重量比を必要とする用途には、500℃での溶体化処理、それに続く水焼入れ、および室温（32℃）で最大6時間の時効処理が推奨されることを示唆しています。

研究の限界と今後の研究分野:

本研究は、Al-9.37Cu合金と特定の熱力学的処理に限定されています。今後の研究では、以下を探求することができます。

• 銅含有量の変化がダイカストAl-Cu合金の熱力学的挙動に及ぼす影響。
• 異なるAl-Cu組成に対する時効パラメータ（温度と時間）の最適化。
• 他の焼入れ媒体とその微細組織と特性への影響の調査。
• 高度な顕微鏡技術（例えば、TEM）を用いた析出物の特性（サイズ、分布、種類）の詳細な分析。
• 最適に処理されたAl-Cu合金の耐食性および疲労特性の評価。
• これらの知見の他のダイカスト合金およびプロセスへの応用。

8. 参考文献:

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9. 著作権:

• この資料は、"Adegbola Adekunle Amos, Olapade Julius, Aderounmu Mudashiru, Salawu Ismaila, Alabi Ismaila, Kareem Mutiu, Omotoyinbo Joseph Ajibade and Olaniran Oladayo"氏の論文：「EFFECTS OF THERMOMECHANICAL TREATMENTS ON THE CHEMICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF Al-Cu Alloy」に基づいています。
• 論文ソース: http://ijmmt.com/index.php/ijmmt/article/view/48

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