Metallurgical Assessment of Novel Mg-Sn-La Alloys Produced by High-Pressure Die Casting

この入門論文は、"Metallurgical Assessment of Novel Mg-Sn-La Alloys Produced by High-Pressure Die Casting"（"[Metals and Materials International]"発行）に掲載された論文に基づいています。

1. 概要：

• タイトル: Metallurgical Assessment of Novel Mg-Sn-La Alloys Produced by High-Pressure Die Casting
• 著者: Azim Gökçe
• 出版年: 2019年
• 出版ジャーナル/学会: Metals and Materials International
• キーワード: Magnesium · Microscopy · High-pressure die casting · Light alloys · Mechanical properties

2. 概要：

Alを含むMg合金は、工業用途に広く使用されていますが、自動車部品としての使用は、Mg₁₇Al₁₂金属間化合物の低い融点のために制限されています。したがって、より高い動作温度に耐えることができるアルミニウムを含まないマグネシウム合金は、自動車産業で関心を集めています。本研究の目的は、工業用途向けのAlフリーMg合金を開発することです。本研究では、La含有量を変化させて4種類の合金を作製しました。重力鋳造法における複雑な形状と薄肉部品の製造に関する問題を克服するために、高圧ダイカスト法を選択しました。X線回折分析の結果、ベース合金（Mg-5Sn wt%）はα-Mg相とMg₂Sn相で構成されているのに対し、La含有合金はLaMg₃、Mg₁₇La₂、La₅Sn₃などの金属間化合物を包含することが明らかになりました。Laを含む合金の結晶粒径は、Mg5Sn合金の結晶粒径よりも小さくなっています。この微細な結晶粒径と新たに析出した分散物により、Mg5Sn4La合金の引張強さ（205 MPa）はMg5Snの約2倍になっています。さらに、Mg5Sn合金に4 wt% Laを添加すると、降伏強さは25%、伸びは50%増加しました。

キーワード: マグネシウム, 顕微鏡観察, 高圧ダイカスト, 軽合金, 機械的特性

3. 導入：

薄肉構造と複雑な形状に対する需要の増加により、自動車産業では砂型鋳造に代わる代替製造技術を使用するようになっています[1]。高圧ダイカスト（HPDC）は、前述の砂型鋳造の限界を克服するために使用される方法の1つです。この方法は、他のプロセスと比較して、より高い生産速度とより低いコストも提供します[2]。HPDCを使用すると、数グラムから15 kgを超える重量の部品を製造でき、この方法は自動化と大量生産にも非常に適しています[3]。

アルミニウム、マグネシウム、およびチタンは、「軽合金」と呼ばれる最も一般的な工業用合金です[4]。世界で生産される軽金属鋳造部品の約半分がHPDCで生産されていると言われています[2]。マグネシウムは、低密度、高い比強度、優れた鋳造性、溶接性により、他の軽合金よりも際立っています[5, 6]。また、マグネシウムは、航空宇宙、輸送、防衛、エレクトロニクス、生物医学分野において、エネルギー効率とシステム性能を向上させるために使用できると報告されています[7]。温室効果ガス排出に関するEU委員会の最近の規制により、自動車メーカーはより軽量な車両を製造することを余儀なくされています[8-10]。マグネシウムは鋼鉄より75%、アルミニウムより35%軽量であるため、フレームワークおよびパネル製造にマグネシウムを使用することで車両重量を大幅に削減できます[11]。しかし、純粋なマグネシウムの引張強さ（鋳造状態：〜85 MPa [12]）と伸び（2〜8% [13]）は、自動車製造に必要なレベルよりもかなり低くなっています。アルミニウムと亜鉛は、マグネシウムの強度を高めるためによく使用される合金元素です[14]。AZ91（Al 9 wt%、Zn 1 wt%）およびAM60（Al 6 wt%、Mn 0.2 wt%）は、構造用途に使用されるマグネシウム合金の90%を占める最も好ましいMg合金です[15]。しかし、Mg-Al合金の最大の欠点は、Mg₁₇Al₁₂の低い融点（427℃）です。

4. 研究の概要：

研究テーマの背景：

アルミニウム（Al）を含むマグネシウム合金（Mg-Al）は広く使用されていますが、Mg₁₇Al₁₂金属間化合物の低い融点により、高温性能と延性が低下するため、自動車部品への応用が制限されています。自動車用途向けに高温特性が改善されたアルミニウムフリーのマグネシウム合金のニーズがあります。

既存研究の状況：

既存の研究では、マグネシウム合金（Mg-Sn）においてアルミニウムの代替合金元素としてスズ（Sn）の使用が検討されています。ランタン（La）を含む希土類（RE）元素は、マグネシウム合金の特性にプラスの効果をもたらすことが示されています。Mg-Sn-YやMg-Sn-CeなどのMg-Sn-RE系に関する研究では、機械的特性の向上が実証されています。しかし、高圧ダイカスト（HPDC）加工されたMg-Sn-La三元合金に関する研究は不足しています。

研究目的：

本研究の目的は、ランタン（La）を添加した新しいアルミニウムフリーMg-Sn合金を開発し、高圧ダイカスト（HPDC）で製造されたこれらの合金の特性に対するLa含有量の冶金学的影響を調査することです。

主要な研究：

本研究は、高圧ダイカスト（HPDC）を用いて作製された、ランタン（La）含有量を変化させた4種類のMg-Sn合金（Mg5Sn、Mg5Sn1La、Mg5Sn2La、Mg5Sn4La）の製造と冶金学的評価に焦点を当てています。本研究では、これらの新規Mg-Sn-La合金の微細組織、相組成、結晶粒径、および機械的特性（引張強さ、降伏強さ、伸び、硬さ）を調査します。

5. 研究方法：

研究デザイン：

本研究では、高圧ダイカスト（HPDC）を用いて、La含有量を変化させた4種類のMg-Sn合金（Mg5Sn、Mg5Sn1La、Mg5Sn2La、Mg5Sn4La）を作製する実験的デザインを採用しています。次に、これらの合金の冶金学的および機械的特性を体系的に調査します。

データ収集と分析方法：

• 材料準備： 誘導溶解炉と高圧ダイカストを用いて合金を準備しました。
• 微細組織特性評価： 光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM）、およびX線回折（XRD）を用いて、微細組織と相組成を分析しました。エネルギー分散型分光法（EDS）を用いて元素分析を行いました。Clemex Image Analyzingソフトウェアを用いて結晶粒径を測定しました。
• 機械的特性評価： ASTM E8 M規格に従って引張試験を実施し、伸びの測定には伸び計を使用しました。ブリネル硬さ試験を実施して硬さ値を決定しました。

研究テーマと範囲：

本研究は、以下のテーマに焦点を当てています。

• HPDCによる新規Mg-Sn-La合金の製造。
• La含有量がMg-Sn合金の微細組織と相組成に及ぼす影響の調査。
• La添加の結晶粒微細化効果の評価。
• Mg-Sn-La合金の機械的特性（引張強さ、降伏強さ、伸び、硬さ）の評価。
• Mg-Sn-La合金中に形成された金属間化合物の同定。

6. 主な結果：

主な結果：

• 結晶粒微細化： ランタン（La）はMg-Sn合金において結晶粒微細化剤として作用し、La含有量の増加とともに結晶粒径が減少します（図2）。4% La合金（Mg5Sn4La）は、最も微細な結晶粒組織と最も均質な結晶粒径分布を示しました。
• 相組成：
  • ベース合金（Mg5Sn）はα-Mg相とMg₂Sn相で構成されています。
  • La添加は、La含有合金においてLaMg₃、Mg₁₇La₂、La₅Sn₃などの金属間化合物の形成を誘起します（図6）。Mg₂Sn相の量はLa含有量の増加とともに減少します。
• 機械的特性の向上：
  • 引張強さ、降伏強さ、および伸びは、La含有量の増加とともに向上します（図8）。
  • Mg5Sn4La合金の引張強さ（205 MPa）は、Mg5Snの約2倍です。
  • 4% Laの添加により、降伏強さと伸びはそれぞれ25%と50%増加します。
  • 硬度もLa添加により増加し、Mg5Sn4LaはMg5Snよりも30%高い硬度を示します。
• AZ91合金との比較： Mg5Sn4La合金の引張強さはAZ91合金の引張強さと同等ですが、Mg5Sn4Laは脆いMg₁₇Al₁₂相が存在しないため、大幅に高いひずみ速度（300%高い）と改善された延性を示します。

図のリスト：

• Fig. 1 高圧ダイカスト試験片
• Fig. 2 La含有量の関数としての合金の光学顕微鏡写真と結晶粒径値。エラーバーは、測定された最小および最大の結晶粒径を示しています。
• Fig. 3 調査した合金のSEM像。a Mg5Sn、b Mg5Sn1La、c Mg5Sn2La、d Mg5Sn4La
• Fig. 4 Mg5Sn合金のSEM像
• Fig. 5 Mg5Sn1LaのSEM像 a、Mg5Sn2La合金 b
• Fig. 6 調査した合金のXRDパターン
• Fig. 7 Mg2Sn4La合金のSEM像と、緑色の四角形で囲まれた領域のEDS元素マッピング分析
• Fig. 8 調査した合金の機械的特性、a 降伏強さと引張強さ、b 伸びと硬さ、c 応力-ひずみ曲線

7. 結論：

本研究では、新規HPDC Mg-Sn-La合金を首尾よく作製し、La添加の効果を調査しました。主な知見は以下のとおりです。

• HPDCを用いたMg-Sn-La合金の製造は、巨視的な欠陥がなく成功しました。
• La添加は、La含有金属間化合物の形成により、結晶粒径を微細化し、結晶粒径分布を改善します。
• Mg5Sn合金はα-Mg相とMg₂Sn相で構成されていますが、La添加はLaMg₃、Mg₁₇La₂、La₅Sn₃相の形成を誘起します。
• La添加によって新たに現れた相は、結晶粒径の微細化と分散強化メカニズムを通じて、引張強さ、延性、および硬さを向上させます。Mg5Sn4Laの引張強さはMg5Snと比較して2倍に増加し、降伏強さと延性も大幅に向上しました。
• Mg5Sn4La合金はAZ91合金と同等の引張強さを示しますが、脆いMg₁₇Al₁₂相が存在しないため、300%高いひずみ速度と改善された延性を備えています。

調査されたMg-Sn-La合金は、工業用Mg合金の有望な代替材料であり、HPDCプロセスによる製造に優れた実現可能性を示しています。

8. 参考文献：

• [12] H. Liu, Y. Chen, Y. Tang, S. Wei, G. Niu, J. Alloys Compd. 440, 122 (2007)
• [33] G. Yarkadaş, L.C. Kumruoğlu, H. Şevik, Mater. Charact. 136, 152 (2018)
• [40] M. Mezbahul-Islam, A.O. Mostafa, M. Medraj, J. Mater. 2014, 1 (2014)
• [41] M. Cong, Z. Li, J. Liu, X. Miao, B. Wang, Q. Xi, Russ. J. Non-Ferrous Met. 57, 445 (2016)
• [49] H. Liu, Y. Chen, Y. Tang, S. Wei, G. Niu, Mater. Sci. Eng. A 464, 124 (2007)
• [50] V.K. Zaitsev, M.I. Fedorov, E.A. Gurieva, I.S. Eremin, P.P. Konstantinov, A.Y. Samunin, M.V. Vedernikov, Phys. Rev. B 74, 2 (2006)

9. 著作権：

• 本資料は"[Azim Gökçe]"による論文です。"[Metallurgical Assessment of Novel Mg-Sn-La Alloys Produced by High-Pressure Die Casting]"に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.1007/s12540-019-00539-1

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