持続可能性への関心が高まる中、自動車産業では軽量化とリサイクル材の活用が重要なテーマとなっています。特に、アルミニウム合金は車体やエンジン部品に広く使われており、その中でもリサイクル材から作られる鋳造用アルミニウム合金は、コストと環境負荷の両面で大きなメリットがあります。
しかし、リサイクル材は新品の材料に比べて不純物元素を多く含む傾向があり、その性能を最大限に引き出すためには適切な「熱処理」が不可欠です。
今回は、スロバキアとポーランドの研究チームによる学術論文「Structural analysis of heat treated automotive cast alloy」を基に、再生Al-Si-Cu系合金（AlSi9Cu3）の性能を最適化するT4熱処理の秘密を、その微細構造の変化から探っていきます。
研究の目的：再生アルミ合金の「T4熱処理」を最適化する
この研究で使われたのは、自動車部品に多用される「AlSi9Cu3」という再生アルミニウム合金です。この合金の機械的特性（強度や硬さ）を向上させるため、「T4熱処理」というプロセスが適用されました。
T4熱処理とは？
1. 溶体化処理 (Solution Treatment): 合金を高温（この研究では505℃, 515℃, 525℃）で一定時間（2～32時間）保持し、強度向上に寄与する元素（主に銅）を母材のアルミニウムに均一に溶け込ませる工程。
2. 焼入れ (Quenching): 高温状態から急冷（この研究では温水を使用）することで、溶け込んだ元素が析出するのを防ぎ、過飽和な状態を維持する工程。
3. 自然時効 (Natural Aging): 常温で24時間放置し、合金内部で微細な析出物を形成させ、強度を高める工程。
研究チームの目的は、この溶体化処理の温度と時間を様々に変えることで、どの条件が再生AlSi9Cu3合金の機械的特性を最も向上させるのかを突き止めることでした。
結果①：機械的特性の「スイートスポット」を発見
研究チームは、熱処理後の合金の引張強度とブリネル硬さを測定しました。その結果は非常に興味深いものでした。
図2：溶体化処理時間と引張強度の関係
図3：溶体化処理時間とブリネル硬さの関係
グラフから明らかなように、515℃で4時間の溶体化処理を行ったときに、引張強度と硬さの両方がピークに達することがわかりました。
- 短すぎる時間（2時間など）では、熱処理の効果が不十分です。
- 長すぎる時間（8時間以上）や高すぎる温度（525℃）では、逆に強度が低下してしまいます。
なぜこのような「スイートスポット」が存在するのでしょうか？その答えは、合金の内部、つまり微細構造の変化に隠されていました。
結果②：微細構造の変化が性能を左右する
研究チームは、顕微鏡を用いて熱処理前後の合金の内部構造を詳細に観察しました。その結果、機械的特性の変化は、主に3つの相（組織）の形態変化によって引き起こされていることが明らかになりました。
1. 共晶シリコン（Si）の球状化：弱点を強みに変える
鋳造されたままのアルミニウム合金では、シリコン（Si）は鋭い針状や板状の形で存在します。この鋭い形状は、力がかかったときに「応力集中」を引き起こし、亀裂の起点となる弱点になります。
熱処理を行うと、この針状のシリコンが断片化し、徐々に丸い粒子（球状化）に変化します。
図6：深部エッチング後の共晶シリコンの形態変化。a) 熱処理前（板状）、c) 515℃/4h（球状化）、d) 525℃/4h（粗大化）
丸い形状は応力集中を緩和するため、材料の延性や靭性を大幅に向上させます。515℃/4時間の条件は、この球状化を効果的に進めるのに最適な条件でした。しかし、時間をかけすぎたり温度を上げすぎたりすると、粒子が粗大化しすぎてしまい、かえって特性が劣化します。
2. 銅（Cu）リッチ相の溶解と「初期溶融」：諸刃の剣
銅（Cu）は、アルミニウム合金の強度を高める重要な元素です。溶体化処理によって、Al-Al₂Cu-Siといった銅リッチ相が母材に溶け込み、後の時効処理で強度を向上させます。515℃の処理では、この溶解が適切に進みます。
しかし、温度が高すぎる525℃になると、問題が発生します。この銅リッチ相の一部が融点に達してしまい、「初期溶融（Incipient Melting）」と呼ばれる現象が起こるのです。
図9：525℃における銅リッチ相の初期溶融プロセス。時間が経つにつれて組織が溶け、空洞（キャビティ）が形成される様子がわかる。
合金内部で部分的に溶融が始まると、組織がもろくなり、微小な空洞ができてしまいます。これが、525℃で熱処理した際に強度が著しく低下する主な原因です。
3. 鉄（Fe）リッチ相の断片化：有害な組織の無害化
リサイクル材には不純物として鉄（Fe）が含まれやすく、これは針状の有害な金属間化合物を形成することが知られています。しかし、この合金にはマンガン（Mn）も含まれているため、比較的害の少ない「チャイニーズスクリプト（骸晶）」状のAl₁₅(FeMn)₃Si₂相が形成されます。
熱処理によって、この複雑な形状の相も断片化し、より丸みを帯びた形状に変化します。これもまた、材料全体の特性向上に寄与します。
図11：鉄リッチ相の形態変化。a) 熱処理前（骸晶状）、c, d) 高温処理後（断片化・球状化）
結論：最適な熱処理は「微細構造のバランス」で決まる
この研究から、再生AlSi9Cu3合金の性能を最大化するためのレシピが明らかになりました。
最適なT4熱処理条件は「溶体化処理 515℃ / 4時間」である。
この条件が最適である理由は、以下の微細構造変化の絶妙なバランスを実現できるからです。
- 良い効果：
- 有害な針状シリコンを、無害で有益な球状シリコンに変化させる。
- 強度向上に必要な銅リッチ相を適切に母材へ溶解させる。
- 鉄リッチ相を断片化させ、無害化する。
- 悪い効果を避ける：
- シリコン粒子の過度な粗大化を防ぐ。
- 銅リッチ相の初期溶融という致命的な欠陥を避ける。
この研究は、単に最適な条件を見つけただけでなく、その背後にある微細構造レベルでの物理現象を解明した点で非常に価値があります。リサイクル材を高品質な自動車部品として活用していく上で、このような基礎的な知見が、より信頼性の高い製造プロセスの確立に繋がっていくことでしょう。
参考文献:
[1] C.T. Rios, et al., Intermetallic compounds in the Al-Si-Cu system, Acta Microscopia 12 (2003) 77-82.
[2] S.K. Das, J.A.S. Green, Aluminium industry and climate change - Assessment and responses, JOM 62/2 (2010) 27-31.
[3] G. Mrówka-Nowotnik, J. Sieniawski, Microstructure and mechanical properties of C355.0 cast aluminium alloy, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing
Engineering 47/2 (2011) 85-94.
[4] E. Tillová, M. Chalupová, Štruktúrna analýza zliatin Al-Si, EDIS Žilina, Žilina, 2009 (in Slovak).
[5] L.A. DobrzaĔski, R. Maniara, J.H Sokoáowski, The effect of cast Al-Si-Cu alloy solidification rate on alloy thermal characteristics, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 17/1-2 (2006) 217-220.
[6] J.A. Taylor, The effect of iron in Al-Si casting alloys, Proceedings of the International 35th Australian Foundry Institute National Conference, Adelaide, 2004,148-157.
[7] S. Seifedine, S. Johansson, I. Svensson, The influence of cooling rate and manganese content on the ȕ-Al5FeSi phase formation and mechanical properties of Al-Si- based alloys, Materials Science and Engineering A 490 (2008) 385-390.
[8] A.M. Samuel, F.H. Samuel, H.W. Doty, Observation on the formation ß-Al5FeSi phase in 319 type Al-Si alloys, Journal of Materials Science 31 (1996) 5529-5539.
[9] M.A. Moustafa, Effect of iron content on the formation of ß-Al5FeSi and porosity in Al-Si eutectic alloys, Journal of Materials Processing Technology 209 (2009) 605-610.
[10] M. KrupiĔski, K. Labisz, Z. Rdzawski, M. Pawlyta, Cooling rate and chemical composition influence on structure of Al-Si-Cu alloys, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 45/1 (2011) 13-22.
[11] E. Tillová, M. Panušková, Effect of solution treatment on intermetallic phase’s morphology in AlSi9Cu3 cast alloy, Materials Engineering 14 (2007) 73-76.
[12] M. Panušková, E. Tillová, M. Chalupová, Relation between mechanical properties and microstructure of cast aluminum alloy AlSi9Cu3, Strength of Materials 1 (2008) 109-112.
[13] E. Tillová, M. Chalupová, M. Panušková, Structural analyses of the Al-Si-Cu alloys, Material Engineering 13 (2006) 25-30.
[14] F.H. Samuel, Incipient melting of Al5Mg8Si6Cu2 and Al2Cu intermetallics in unmodified and strontium-modified Al-SiCu-Mg (319) alloys during solution heat treatment, Journal of Materials Science 33 (1998) 2283-2297.
[15] E. Tillová, M. Panušková, M. Chalupová, Metallographische analyse von Al-Si-Cu Gusslegierungen, Druckguss-praxis 4 (2007) 108-112.
[16] A.M. Samuel, F.H. Samuel, Effect of alloying elements and dendrite arm spacing on the microstructure and hardness of an Al-Si-Cu-Mg-Fe-Mn (380) aluminium die-casting alloy, Journal of Materials Science 30 (1995) 1698-1708.
[17] M. WierzbiĔska, G. Mrówka-Nowotnik, Identification of phase composition of AlSi5Cu2Mg aluminium alloy in T6 condition, Archives of Materials Science and Engineering 30/2 (2008) 85-88.
[18] M. KrupiĔski, K. Labisz, L.A. DobrzaĔski, Structure investigation of the Al-Si-Cu alloy using derivative thermo analysis, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 34/1 (2009) 47-54.
[19] R. Maniara, L.A. DobrzaĔski, M. KrupiĔski, J.H. Sokoáowski, The effect of copper concentration on the
microstructure of Al-Si-Cu alloys, Archives of Foundry Engineering 7/2 (2007) 119-124.
[20] K. Labisz, M. KrupiĔski, L.A. DobrzaĔski, Phases morphology and distribution of the Al-Si-Cu alloy, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 37/2 (2009) 309-316.
[21] E. Tillová, M. Chalupová, Effect of solution treatment on Intermetallic phase’s morphology in AlSi9Cu3 cast alloy, mettalurgija/METABK 47/3 (2008) 133-137.
[22] R. Li, Solution heat treatment of 354 and 355 cast alloys, AFS Transaction 26 (1996) 777-783.
[23] F. Paray, J.E. Gruzleski, Microstructure - mechanical property relationships in a 356 alloy, Part I, Microstructure, Cast Metals 7 (1994) 29-40.
[24] L. Lasa, J.M. Rodriguez-Ibabe, Evolution of the main intermetallic phases in Al-Si-Cu-Mg casting alloys during solution treatment, Journal of Materials Science 39 (2004) 1343-1355.
[25] M.A. Moustafa, F.H. Samuel, H.W. Doty, Effect of solution heat treatment and additives on the microstructure of Al-Si (A413.1) automotive alloys, Journal of Materials Science 38 (2003) 4507-4522.
[26] E. Sjölander, S. Seifeddine, Optimisation of solution treatment of cast Al-Si-Cu alloys, Materials and Design 31 (2010) S44–S49.
[27] P. Skoþovský, E. Tillová, J. Belan, Influence of technological factors on eutectic silicon morphology in Al-Si alloys, Archiwes of Foundry Engineering 9/2 (2009) 169-172.
[28] Guiqing Wang, Xiufang Bian, Weimin Wang, Junyan Zhang, Influence of Cu and minor elements on solution treatment of Al-Si-Cu-Mg cast alloys, Materials Letters 57 (2003) 4083-4087.