The Influence of Chemical Composition and Parameters of Heat Treatment on the Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Hypoeutectic Aluminium Silicon Alloys

アルミニウム合金の熱処理最適化：硬度と電気伝導率のトレードオフを克服する新知見

本技術概要は、J. Wiecheć氏らによる学術論文「The Influence of Chemical Composition and Parameters of Heat Treatment on the Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Hypoeutectic Aluminium Silicon Alloys」に基づいています。この論文は、ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING (2013年) に掲載されました。

キーワード

• プライマリーキーワード: アルミニウム合金 熱処理
• セカンダリーキーワード: 亜共晶シルミン, 電気伝導率, 機械的特性, AlSiMg合金, 鋳造合金, HPDC

エグゼクティブサマリー

• 課題: 導電性部品に使用されるアルミニウム鋳造合金では、高い機械的特性と高い電気伝導率の両立が求められますが、これらはしばしばトレードオフの関係にあります。
• 手法: Si含有量が異なる3種類の亜共晶Al-Si-Mg合金に対し、時効温度と時間を体系的に変化させた熱処理を行い、ブリネル硬度と電気伝導率への影響を精密に評価しました。
• 重要なブレークスルー: 熱処理条件、特に過時効（T7）状態を最適化することで、機械的特性を許容範囲に保ちつつ電気伝導率を大幅に向上させることが可能です。また、Si含有量が低く、不純物（特にチタン）が少ないAlSi5Mg合金が最も優れた特性バランスを示すことが明らかになりました。
• 結論: 導電性が求められるアルミニウム鋳造部品の性能を最大化するためには、合金の化学組成（特にSiとTi）と熱処理パラメータ（過時効処理）を精密に制御することが極めて重要です。

課題：なぜこの研究がHPDC専門家にとって重要なのか

近年、自動車の電動化やエレクトロニクス分野の発展に伴い、軽量で導電性に優れたアルミニウム鋳造合金への需要が急速に高まっています。しかし、従来のアルミニウム鋳造合金の規格は、主に構造部品としての機械的特性に焦点を当てており、電気的特性に関する詳細なデータは不足していました。

多くのエンジニアが現場で直面するように、合金の強度を高めるための熱処理（例えばT6処理）は、一般的に電気伝導率を低下させる原因となります。このため、高い機械的強度と優れた電気伝導率の両立という「非標準的」な特性が求められる導電性部品やバスバー、モーター部品などでは、最適な材料とプロセス条件を見出すことが大きな技術的課題となっていました。本研究は、このトレードオフ関係を解明し、性能を両立させるための具体的な指針を提供することを目的としています。

アプローチ：研究手法の解明

本研究の信頼性を担保する厳密な実験手法を以下に示します。

• 試験材料: Si含有量が異なる3種類の亜共晶シルミン合金が使用されました。
  • AlSi11Mg0,3 (Si: 11.2%)
  • AlSi7Mg0,3 (Si: 7.3%)
  • AlSi5Mg0,3 (Si: 4.85%) 各合金は約0.3-0.4%のMgを含んでいます。
• 鋳造プロセス: 溶解した金属は、精錬、改質処理、合金化を経て、金型への重力鋳造によって試験片が作製されました。
• 熱処理プロセス:
  • 溶体化処理: 全ての試験片は、535°Cで8時間の溶体化処理が施されました。
  • 人工時効処理: その後、特性評価のために、以下の3つの温度と複数の時間（1時間から24時間）を組み合わせた人工時効処理が行われました。
    • 温度: 180°C, 200°C, 220°C
• 特性評価:
  • 機械的特性: WPM Leipzig HPO-250モデルを使用し、ブリネル硬さ（HB）が測定されました。
  • 電気的特性: Foerster社製のSIGMATEST®測定器を用い、渦電流法に基づいて電気伝導率（MS/m）が測定されました。

ブレークスルー：主要な発見とデータ

本研究から得られた、実用上極めて価値の高い2つの主要な発見を解説します。

発見1：熱処理が硬度と伝導率に与える相反する影響と「過時効」の有効性

熱処理の温度と時間は、硬度と電気伝導率に対して異なる、そしてしばしば相反する影響を与えます。

• 硬度: 図5、7、9 に示されるように、いずれの合金も時効処理の初期段階で硬度がピークに達します（T6状態）。しかし、時効時間が長くなる、または時効温度が高くなると、硬度は徐々に低下します。これは「過時効」（T7状態）として知られる現象です。例えば、AlSi7Mg合金を200℃で時効処理した場合、硬度は約6時間でピークに達した後、24時間後には約10%低下します（図7）。
• 電気伝導率: 一方、図6、8、10 が示すように、電気伝導率は時効時間が長くなるにつれて一貫して上昇し、やがて安定した値に達します。同じくAlSi7Mg合金を200℃で時効処理した場合、伝導率は24時間にわたって上昇を続け、初期段階と比較して約15%向上します（図8）。

この結果は、最高の硬度を目指す標準的なT6処理が、必ずしも電気的特性にとって最適ではないことを明確に示しています。むしろ、意図的に過時効状態を利用することで、硬度のわずかな低下と引き換えに、電気伝導率を大幅に向上させることが可能です。

発見2：電気伝導率を決定づけるのはSi含有量よりも「不純物」

一般的に、Si含有量が少ないほど電気伝導率は高いと予想されます。しかし、本研究はさらに踏み込んだ知見を提供しました。

• Si含有量が4%異なるAlSi7Mg0,3合金とAlSi11Mg0,3合金の電気伝導率の差は、平均でわずか1 MS/mでした。
• 一方、Si含有量の差が約2%であるAlSi5Mg0,3合金とAlSi7Mg0,3合金の間では、伝導率に4〜6 MS/mという大きな差が見られました。

この大きな差の要因は、Table 2 に示された化学組成にあります。AlSi5Mg0,3合金のチタン（Ti）含有量（0.001%）は、他の2つの合金（約0.1%）に比べて100分の1と極めて低い値でした。Tiはアルミニウムの電気伝導率を著しく低下させる元素として知られており、この微量な不純物の差が、電気的特性に決定的な影響を与えたと考えられます。この発見は、高性能な導電性部品を製造するためには、主成分だけでなく、微量な不純物元素の管理がいかに重要であるかを物語っています。

研究開発および製造現場への実用的な示唆

本研究の成果は、日々の業務に直接活かすことができます。

• プロセスエンジニア向け: 高い電気伝導率が要求される部品に対しては、標準的なT6処理によるピーク硬度を目指すのではなく、意図的に時効時間を延長または温度を上昇させる「過時効（T7）処理」を検討すべきです。これにより、機械的特性と電気的特性の最適なバランス点を見出すことが可能になります。
• 品質管理チーム向け: 論文の 図13 は、硬度と電気伝導率の相関関係を示しており、製品が目標とする特性領域（例：中程度の硬度と高い伝導率を持つ領域IV）に到達しているかを確認するための強力な品質管理ツールとなり得ます。
• 設計・材料開発エンジニア向け: 導電性が重要な部品の材料選定においては、Si含有量だけでなく、チタン（Ti）、マンガン（Mn）、クロム（Cr）といった電気伝導率を阻害する不純物元素の含有量を厳格に管理することが不可欠です。本研究で示されたAlSi5Mg合金のように、低Siかつ超低Tiの合金は、新たな高性能材料の有力な候補となります。

論文詳細

The Influence of Chemical Composition and Parameters of Heat Treatment on the Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Hypoeutectic Aluminium Silicon Alloys

1. 概要:

• Title: The Influence of Chemical Composition and Parameters of Heat Treatment on the Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Hypoeutectic Aluminium Silicon Alloys
• Author: J. Wiecheć, P. Uliasz, T. Knych, M. Piwowarska–Uliasz, R. Jarosz
• Year of publication: 2013
• Journal/academic society of publication: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING
• Keywords: heat treatment, hypo-eutectic aluminum silicon alloys, mechanical properties, electrical properties

2. Abstract:

The silumins are the aluminum alloys with the silicon as the main alloy addition. These are one of the most common types of casting alloys based on aluminum. They are widely used in technologies of casting such as sand casting, chill casting or pressure die casting. As their main characteristics we can include: very good castabillity, corrosion resistance, high mechanical properties and good thermal and electrical conductivity. Thanks to all these properties, the cast aluminum alloys have been used in various industries such as: automotive, engineering, heat exchangers or conductive elements. The last application requires a specific conditions of the process and the optimal chemical composition of the alloy, which allows to obtain high values of conductivity. The paper presents a study covering the impact of silicon content and heat treatment parameters on the electrical conductivity and mechanical properties (hardness HB) hypoeutetic silumin alloys such as AlSi11Mg, AlSi7Mg and AlSi5Mg. The aim of the study was to determine the optimal conditions for heat treatment parameters of various alloys providing to the most favorable mechanical and electrical properties.

3. Introduction:

In the recent years, a steady growth in the demand for aluminum and aluminum alloys products has been observed. The trend is caused by the attempts to improve a number of product properties (weight, conductivity, corrosion resistance) or products prices by means of substitution for expensive metals. Apart from such economy segments as aviation, automotive, nautical, construction or engineering industries, aluminum products have been widely used in electrotechnics and electroenergetics frequently replacing copper, despite their worse electrical properties.

4. 研究概要:

研究トピックの背景:

シルミン（Al-Si系合金）は、優れた鋳造性、耐食性、機械的特性、熱・電気伝導性により、自動車、エンジニアリング、導電性部品など幅広い産業で利用されている。特に導電性部品への応用では、高い電気伝導率を達成するために、合金の化学組成と製造プロセスの最適化が求められる。

従来研究の状況:

アルミニウム鋳造合金に関する既存の規格や研究の多くは、機械的特性に焦点を当てており、電気的特性に関する詳細なデータは不足している。機械的強度を高めるための合金元素の添加や熱処理は、一般に電気伝導率を低下させることが知られており、両者の関係性を体系的に解明する必要があった。

研究の目的:

本研究の目的は、AlSi11Mg、AlSi7Mg、AlSi5Mgといった亜共晶シルミン合金において、シリコン含有量と熱処理パラメータ（時効温度・時間）が電気伝導率と機械的特性（ブリネル硬度）に与える影響を明らかにすることである。これにより、最も好ましい機械的・電気的特性を実現するための最適な熱処理条件を決定することを目指す。

中核的研究:

Si含有量が異なる3種類のAl-Si-Mg合金に対し、溶体化処理後、温度（180, 200, 220°C）と時間（1〜24h）を変えた人工時効処理を実施した。各条件下でのブリネル硬度と電気伝導率を測定し、化学組成と熱処理パラメータがこれらの特性に与える影響を分析した。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究は、3つの異なる化学組成（Si: 11%, 7%, 5%）と、3つの時効温度（180, 200, 220°C）、そして複数の時効時間（1〜24h）を組み合わせた要因計画実験として設計されている。

データ収集と分析方法:

各熱処理条件で処理された試験片から、ブリネル硬さ試験機を用いて硬度データを、渦電流式伝導率計を用いて電気伝導率データを収集した。得られたデータは、時効時間を横軸としたグラフにプロットされ、各合金および各温度における特性の変化が経時的に分析された。

研究対象と範囲:

研究対象は、AlSi11Mg0,3、AlSi7Mg0,3、AlSi5Mg0,3の3種類の亜共晶アルミニウム-シリコン鋳造合金に限定される。評価された特性は、ブリネル硬度（HB）と電気伝導率（MS/m）である。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• 熱処理における時効プロセスは、硬度と電気伝導率に相反する影響を与える。硬度は時効初期にピークを迎える（T6状態）が、電気伝導率は時効時間が長くなるにつれて向上し続ける（T7状態）。
• AlSi7Mg0,3合金とAlSi11Mg0,3合金では、Si含有量に4%の差があるにもかかわらず、電気伝導率の差はわずかであった。
• AlSi5Mg0,3合金は、他の合金に比べて著しく高い電気伝導率を示した。この差は、Si含有量の低さに加え、電気伝導率を阻害する不純物であるチタン（Ti）の含有量が極めて低いことに起因する。
• 最良の機械的特性と電気的特性の妥協点を得るためには、過時効（T7）状態を適切に利用することが必要である。

図の名称リスト:

• Fig. 1. Effect of Si content on the mechanical properties of AlSi casting alloy; modified (1) and unmodified (2) [3]
• Fig. 3. Electrical conductivity of binary aluminum alloys (containing larger amounts of the alloying additions) as a function of concentration of the alloying element [5]
• Fig. 3. Electrical conductivity of as-cast binary aluminium alloys (containing larger amounts of the alloying additions) as a function of concentration of the alloying element [5]
• Fig. 4. Statement of the electrical conductivity and hardness values for the traditional aluminum casting alloys [6, 7]
• Fig. 5. The Brinell hardness as a function of the artificial ageing time for 180 °C
• Fig. 6. The electrical conductivity as a function of the artificial ageing time for 180 °C
• Fig. 7. The Brinell hardness as a function of the artificial ageing time for 200 °C
• Fig. 8. The electrical conductivity as a function of the artificial ageing time for 200 °C
• Fig. 9. The Brinell hardness as a function of the artificial ageing time for 220 °C
• Fig. 10. The electrical conductivity as a function of the artificial ageing time for 220 °C
• Fig. 11. Summary of the Brinell hardness results for alloys in tempers W, T6 and T7
• Fig. 12. Summary of the electrical conductivity results for alloys in tempers W, T6 and T7
• Fig. 13. Summary of the electrical conductivity and hardness values for tested alloys in tempers W, T6 and T7

7. 結論:

• Si含有量が5〜11 mass%、Mg含有量が約0.3 mass%の亜共晶シルミン合金は、溶体化処理および人工時効処理からなる熱処理によく反応する。
• 硬度特性を考慮すると、試験された合金にとって最適な熱処理パラメータは、180°Cの温度で2〜8時間の時効時間であると想定される。
• 電気伝導率を考慮した最適な熱処理パラメータの選択は、合金の化学組成、特にシリコン含有量よりもチタン含有量を考慮する必要がある。
• 試験された合金の機械的特性と電気的特性の間の最良の妥協点は、適切な過時効状態（T7状態）に到達させることによって得られる。

8. 参考文献:

• [1] Kaufman, J.G., Rooy, E.R. (2004). Aluminum Alloy Castings. Properties, Processes and Applications, ASM International.
• [2] Knych, T., Mamala, A., Uliasz, P., Błotnicki, M. (2010). Badania nad doborem warunków obróbki cieplnej stopów aluminum gat. AlSi7Mg0,3 i AlSi10Mg0,3 w celu polepszenia ich jakości i własności eksploatacyjnych, Rudy i Metale Nieżelazne, (R55), 1, s.18-25
• [3] Kammer, C. (2002). Aluminum Handbook 1, Fundamentals and Materials, Aluminum Verlag, Düsseldorf.
• [4] Hielscher, U. (1979). Ductile aluminum-silicon casting alloys for safety components in cars, Schweiz. Alum. Rundsch. 29, 13-15.
• [5] Nachtigall, E., Lang G. (1965). Electrical conductivity of aluminum castings, Mitt. Verein. Metallwerke Ranshofen-Berndorf, 16-19.
• [6] PN-EN 1706, Aluminum i jego stopy. Odlewy. Skład chemiczny i własności mechaniczne, czerwiec 2010
• [7] www.matweb.com
• [8] Lewińska-Romicka, A. (1997). Defektoskopia wiroprądowa. Poradnik, Biuro Gamma, Warszawa.

専門家Q&A：トップエンジニアの疑問に答える

Q1: なぜこの研究では、時効温度を180°C、200°C、220°Cの3水準で評価したのですか？

A1: これらの温度は、Al-Si-Mg系合金の人工時効処理において実用的に用いられる典型的な範囲です。180°Cは最高の硬度（T6状態）を得るためによく使われる温度であり、200°C以上は時効を加速させ、過時効状態（T7状態）を意図的に作り出すために選ばれました。この3水準を比較することで、硬度のピークから過時効に至るまでのプロセスを体系的に理解し、硬度と電気伝導率のトレードオフ関係を明確にすることができました。

Q2: 図13を見ると、AlSi5Mg合金のみが望ましい特性領域（領域IV）に到達しています。この結果の決定的な要因は何ですか？

A2: AlSi5Mg合金が領域IV（中程度の硬度と高い電気伝導率）に到達できた決定的な要因は、その化学組成にあります。第一にSi含有量が低いことですが、より重要なのは、Table 2 に示されているように、チタン（Ti）の含有量が他の合金の約100分の1（0.001%）と極めて低いことです。Tiは固溶して電子の移動を妨げ、電気伝導率を著しく低下させます。この微量不純物を厳格に管理したことが、AlSi5Mg合金の卓越した電気的特性につながったと考えられます。

Q3: 「過時効」は一般的に材料の軟化を意味し、避けられる傾向にありますが、なぜこの研究では積極的に評価しているのですか？

A3: 従来の構造部品では、最高の機械的強度（硬度）が最優先されるため、過時効は望ましくないとされてきました。しかし、本研究の対象である導電性部品では、電気伝導率も同等に重要な特性です。研究結果が示すように、過時効プロセスは、固溶原子を析出・粗大化させることでマトリックスを「浄化」し、電気伝導率を大幅に改善します。したがって、硬度のわずかな低下を許容できる用途であれば、過時効は特性バランスを最適化するための強力な「ツール」となり得るのです。

Q4: この研究は重力鋳造で行われていますが、得られた知見は高圧ダイカスト（HPDC）にも応用できますか？

A4: はい、応用可能です。鋳造法によって凝固速度や組織は異なりますが、熱処理による相変態の基本的なメカニズム（Mg2Si相の析出と固溶原子の減少）は共通です。HPDCで製造された部品に対しても、本研究で示された「化学組成（特に不純物）の管理」と「過時効処理の最適化」という原則を適用することで、同様に機械的特性と電気伝導率のバランスを制御できると考えられます。HPDC特有の微細な組織を考慮した上で、熱処理パラメータを調整することが重要になります。

Q5: 図4は、従来の標準合金では高い硬度と高い伝導率を両立する材料（領域IIやIV）が存在しないことを示唆しています。本研究は、このギャップを埋めるものと言えますか？

A5: まさにその通りです。本研究は、このギャップを埋めるための具体的な道筋を示しました。第一に、AlSi7Mgのような標準的な合金でも、熱処理を最適化（過時効）することで、伝導率を改善し、従来の特性領域から一歩踏み出せることを示しました。さらに重要なのは、AlSi5Mg合金のように化学組成を精密に制御（低Si、超低Ti）することで、図13 が示すように、従来は材料が存在しなかった領域IV（中程度の硬度と高い伝導率）に到達可能な「非標準」材料を開発できることを実証した点です。これは、高性能な導電性部品の設計と製造に新たな可能性を開くものです。

結論：より高い品質と生産性への道筋

アルミニウム鋳造部品において、高い機械的強度と優れた電気伝導率をいかに両立させるかという長年の課題に対し、本研究は明確な答えを提示しました。その鍵は、合金の化学組成、特にシリコンと微量不純物（チタン）の厳格な管理、そして標準的なT6処理の枠を超えた アルミニウム合金 熱処理 パラメータの最適化にあります。意図的な「過時効」プロセスの活用は、これまでトレードオフの関係にあった2つの重要な特性を、目標に応じて最適化するための強力な手段となります。

CASTMANでは、こうした最新の業界研究を製品開発と製造プロセスに積極的に取り入れ、お客様が直面する最も困難な技術的課題の解決を支援することに尽力しています。本稿で議論された課題がお客様の事業目標と合致する場合、ぜひ当社のエンジニアリングチームにご相談ください。これらの原則をお客様の部品に適用し、いかに性能を最大化できるかをご提案いたします。

著作権情報

• このコンテンツは、J. Wiecheć氏らによる論文「The Influence of Chemical Composition and Parameters of Heat Treatment on the Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Hypoeutectic Aluminium Silicon Alloys」を基にした要約および分析です。
• 出典: https://www.archives.afe.pl/35_3_2013.php (論文への直接リンクがないため、ジャーナルの号へのリンクを記載)

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