自動車産業向け高強度アルミニウム合金の温間成形

この論文の紹介は、['Warm forming of High-strength Aluminum alloys for the Automotive industry']（['自動車産業向け高強度アルミニウム合金の温間成形']）という、['Politecnico di Torino']（['トリノ工科大学']）によって発表された論文に基づいて作成されました。

1. 概要:

• タイトル: 自動車産業向け高強度アルミニウム合金の温間成形 (Warm forming of High-strength Aluminum alloys for the Automotive industry)
• 著者: Wang Xuanye (王 宣野)
• 出版年: 2021/2022
• 出版ジャーナル/学会: Politecnico di Torino (トリノ工科大学)
• キーワード: アルミニウム合金 (Aluminum alloy)、温間成形 (warm forming)、機械的特性 (mechanical properties)、自動車製造 (automotive manufacturing)

2. 概要または序論

本論文の目的は、6xxx系および7xxx系高強度アルミニウム合金に関するいくつかの実験の概要を示し、試験結果に照らしてそれらの主な機械的特性を分析することである。まず、アルミニウム、アルミニウム合金、およびそれらの温間成形に関する文献を紹介し、続いて現在の用途（自動車分野に重点を置いて）、アルミニウム合金の特性と問題点の概要を示す。レポートの主要部分を構成する次のセクションでは、適切な熱成形可能なアルミニウム合金であるAA6016、AA7021、およびAA7046を選択し、個々の実験の結果をデータと図を含めて詳細に説明する。実験には、引張試験、硬さ試験、金属組織学が含まれ、最後に結論を導き出す。

3. 研究背景:

研究トピックの背景:

近年、温室効果への関心はますます高まっており、ほとんどすべての政府が二酸化炭素排出量の急速な増加を抑制し、カーボンニュートラルを達成し、地球を可能な限り早く救うための新しい政策と法令を制定している。自動車のエネルギー排出量は、私たちが特別な注意を払う必要のある点である。自動車の省エネルギー化のための多くの方法の中で、自動車の軽量化技術は、自動車産業の持続可能な発展にとって最も重要で、シンプルかつ効果的な方法であり、燃費を向上させ、排気ガスを削減することができる。自動車用途に利用できるすべての材料の中で、アルミニウム合金は間違いなくコストと軽量化の間の優れた妥協点である。アルミニウム合金は、その低密度、優れた耐食性、および容易な加工性（前述のとおり）により、自動車の軽量化に広く使用されている。

既存研究の状況:

AA7XXX系は最も人気のある高強度アルミニウム合金であるため、多くの研究が熱処理プロセスに焦点を当ててきた。たとえば、Suleiman E. Al-lubaniらは2015年にAA7449の熱処理を研究し[4]、R. RANGANATHA1らは2013年にAA7049の多段階熱処理を研究した[5]。1946年という早い時期に、FINCHらはアルミニウム合金板の温間成形に関する研究を実施し、その結果、温間状態で成形すると引張特性が大幅に向上することが示された。1978年、F. Shehataらによる論文では、市販のアルミニウム合金は20〜300℃の温度で0〜6.6％の対応するひずみ変化を受けること、つまり温度が高いほど伸びが大きくなることが報告された[20]。

研究の必要性:

AA6XXX系の強度が低いため、側面衝突ビームやAピラーおよびBピラーの耐荷重構造部品の軽量化を実現することは困難である。したがって、使用安全性の観点から、高強度7000系アルミニウム合金（Al-Zn-Mg-Cu）がOEMの間でますます普及しており、それらの高強度は自動車の耐荷重構造部材の強度要件を満たすことができるが、自動車における高強度AA7XXX系の適用は依然として限定的である。したがって、温間成形プロセスは、高強度アルミニウム合金のこの問題を解決することが期待されている。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

本論文の目的は、6xxx系および7xxx系高強度アルミニウム合金に関するいくつかの実験の概要を示し、試験結果に照らしてそれらの主な機械的特性を分析することである。

主な研究:

適切な熱成形可能なアルミニウム合金であるAA6016、AA7021、およびAA7046を選択し、個々の実験の結果をデータと図を含めて詳細に説明する。実験には、引張試験、硬さ試験、金属組織学が含まれ、最後に結論を導き出す。

研究仮説:

本研究は、自動車産業における温間成形プロセスの適用可能性を検証することを目的としている。AA6016、AA7021、およびAA7046アルミニウム合金の機械的特性に対する温間成形の影響、および温間成形条件下での予備時効材と非予備時効材の特性の比較を調査するように設計されている。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、アルミニウム合金の機械的特性に対する温間成形および熱処理の影響を評価するために実験的デザインを採用した。研究には、室温および高温での引張試験、マイクロ硬さ試験、および金属組織学的分析が含まれていた。

データ収集方法:

• 引張試験: 万能試験機（Z050、ツビックローエル社製）を用いて、室温および温間成形温度（175℃、200℃、225℃）での引張特性を測定した。
• マイクロ硬さ試験: マイクロビッカース硬さ試験機を用い、200gfおよび500gfの試験荷重で試料の硬さを評価した。
• 金属組織学: 光学顕微鏡を用いて、異なる熱処理後のAA7046試料の微細組織を観察・分析した。
• 破面解析: 引張試験後の試料の破面を光学顕微鏡で観察し、破断角を測定し、破断モードを分析した。

分析方法:

• 引張試験データ分析: 応力-ひずみ曲線を生成し、降伏強度（Rp0.2）、引張強さ（UTS）、破断ひずみなどのパラメータを決定し、比較した。真応力と真ひずみは、式1と式2を用いて計算した。
  • 式1: Otrue = σο × (1 + €0)
  • 式2: Etrue = ln(1+ €0)
• マイクロ硬さデータ分析: ビッカース硬さ値（HV）を測定し、異なる合金および熱処理条件について比較した。
• 金属組織学的画像分析: 光学顕微鏡写真から、結晶粒界や析出物などの微細組織の特徴を観察・分析した。
• 破面解析: 画像解析ソフトウェア「imagej」を用いて破断角を測定し、破断特性を評価した。

研究対象と範囲:

研究対象は、AA6016、AA7021、AA7046の3種類の高強度アルミニウム合金である。本研究では、これらの合金の機械的特性に対する異なる熱処理（溶体化処理、予備時効処理）および温間成形温度の影響を調査した。範囲は、自動車用途に関連する特定の温間成形条件下での引張挙動、硬さ、および微細組織の実験的調査に限定された。

6. 主な研究結果:

主な研究結果:

• AA6016: 200℃および225℃での温間成形では、最終引張強さに大きな変化は見られなかった。しかし、引張試験温度の上昇に伴い、最終Rp0.2の値はわずかに低下した。AA6016のひずみ能力は注目に値するが、温間時効処理後でも強度は比較的低いままである。
• AA7021: 175℃での高温引張試験では、室温時効処理されたAA7021合金の降伏強度は、高温時効処理（100℃、20分）された合金よりもわずかに高かった。空冷後、室温に戻すと、両群とも2回目の引張試験で同様の降伏強度を示した。
• AA7046: 高温予備時効処理されたAA7046合金は、非予備時効合金と比較して、より高い最終引張強さとUTSを示した。175℃での引張試験では、降伏強度は約230〜240MPaであり、室温での再引張試験では降伏強度が約50％増加した。マイクロ硬さ試験の結果から、AA7046の硬さは熱処理後に低下することが示唆された。
• 破面解析: 破面は一般的に延性破断であった。AA7021試料は、予備時効条件下でより小さい側面図角度と明らかなネッキング収縮を示した。AA6016は、より大きな破断角と明らかなネッキングを示した。

提示されたデータの分析:

提示されたデータには、応力-ひずみ曲線、引張試験結果の表（表10、表11、表12）、マイクロ硬さ値（表13、表14）、および破断角測定値（表15）が含まれている。AA6016の引張試験データの分析から、温間成形は強度を大幅に向上させなかったものの、延性を維持したことが示された。AA7021およびAA7046の場合、予備時効処理は引張強度にプラスの効果を示し、特にAA7046で顕著であった。マイクロ硬さ試験の結果は、AA7046の硬さが熱処理後に低下することを示唆した。破面解析は、異なる条件下での合金の破断挙動に関する定性的な洞察を提供した。

図のリスト:

• 図 1: 私たちの生活の中のアルミニウム (Aluminum in our life)
• 図 2: 熱処理プロセス (heat treatment process)
• 図 3: 一般的な7xxx系アルミニウム合金 (Common aluminum alloy of 7xxx series)
• 図 4: 一般的な6xxx系アルミニウム合金 (Common aluminum alloy of 6xxx series)
• 図 5: 自動車産業におけるアルミニウム需要の最新トレンド (Latest Trends for Aluminum Demand in Automotive Industry)
• 図 6: 車両における異なる合金の典型的な用途 (the typical applications of different alloys in a vehicle)
• 図 7: 車両におけるAA5xxx系およびAA6xxx系 (AA5xxx and AA6xxx series in vehicle)
• 図 8: 車両ボディの温間成形方法 (Warm forming method for vehicle body)
• 図 9: 古典的な非等温成形 (One classical non-isothermal forming)
• 図 10: 成形加熱システム (Heating system of forming)
• 図 11: 究極の伸び率に対するパンチ温度の影響 (The effect of punching temperature on the ultimate stretch rate)
• 図 12: 成形速度と成形性の関係（左）。成形速度/温度と成形性の関係（右） (The relationship between molding speed and formability (left); The relationship between molding speed/temperature and formability (right))
• 図 13: 温水成形のスケッチ (Sketch of warm water forming)
• 図 14: 予備成形、焼鈍、仕上げ成形の手順の概要 (Brief view of the steps of preforming, annealing and finishing forming)
• 図 15: クイックプラスチック成形（QPF）の概略図 (schema of Quick Plastic Forming (QPF))
• 図 16: 標準的な平面図サンプル (standard plan view of sample)
• 図 17: 熱処理プロセス (heat treatment process)
• 図 17: 金属組織切断機 (Metallographic cut-off machine)
• 図 18: 埋め込みサンプル (Embedded samples)
• 図 19: 2回目のエッチング後の金属組織写真 (Metallographic images of 2nd etched)
• 図 20: 引張試験機の写真 (the picture of tensile test machine)
• 図 21: 実験後のすべてのサンプル（破断後） (All samples after the experiment (after breakage))
• 図 22: AA6016 225℃ 最大10％全試験 (AA6016 225 °C up to 10% full test)
• 図 23: AA6016 200℃ 最大10％全試験 (AA6016 200°C up to 10% full test)
• 図 24: 異なる温度でのAA6016 (AA6016 in different temperature)
• 図 25: 異なる予備時効条件での引張試験の比較 (Comparison of tensile test in different pre-aged condition in)
• 図 26: 非予備時効AA7021の温間引張試験と室温全引張試験の比較 (Comparison of warm tensile test and room temperature full tensile test of no pre-aged AA7021)
• 図 27: 予備時効AA7021の温間引張試験と室温全引張試験の比較 (Comparison of warm tensile test and room temperature full tensile test of pre aged AA7021)
• 図 28: 予備時効AA7046の温間引張試験と室温全引張試験の比較 (Comparison of warm tensile test and room temperature full tensile test of AA7046 with pre-aged)
• 図 29: 予備時効AA7046の「温間引張試験、その後室温全引張試験」と「全温間引張試験のみ」の比較 (Comparison of "warm tensile test then room temperature full tensile test” and “ONLY full warm tensile test” of AA7046 with pre-aged)
• 図 30: 予備時効AA7046の温間引張試験と室温全引張試験の比較 (Comparison of warm tensile test and room temperature full tensile test of AA7046 with pre-aged)
• 図 31: マイクロ硬さ (micro-hardness)
• 図 32: 硬さ試験機 (Hardness testing machines)
• 図 33: 硬さ試験結果 (Hardness test results)
• 図 34: 実験に使用した顕微鏡 (Microscope used for the experiment)

7. 結論:

主な調査結果の要約:

• AA6016の場合、200℃および225℃での温間成形は、最終強度に大きな改善を示さなかった。
• AA7046の場合、予備時効処理により最終引張強度が向上した。
• AA7021の場合、予備時効処理は最終引張強度に大きな影響を与えなかった。
• AA7046の金属組織学的分析では、光学顕微鏡下で予備時効材と非予備時効材でほぼ同様の結果が得られた。
• 硬さ試験では、試験したアルミニウム合金の異なる時効条件間で大きな差は見られなかった。

研究の学術的意義:

本研究は、AA6016、AA7021、およびAA7046に焦点を当て、高強度アルミニウム合金の温間成形に関する既存の知識体系に貢献するものである。実験結果は、これらの合金の引張特性、硬さ、および微細組織に対する温間成形および予備時効処理の影響に関する貴重なデータを提供する。AA7XXX合金の室温引張試験中にポーテバン-ルシャトリエ（PLC）効果が観察されたことは、これらの材料の変形機構に関する学術的理解を深めるものである。

実際的な意義:

調査結果は、温間成形が自動車用途向けAA7XXX系アルミニウム合金の加工、特にAA7046において予備時効処理と温間成形を組み合わせることで引張強度が向上するため、実行可能な技術となり得ることを示唆している。しかし、AA6016の場合、試験温度範囲内での温間成形は、大きな強度上の利点をもたらさない可能性がある。本研究は、自動車部品に必要な機械的特性を達成するために、合金固有の温間成形パラメータと熱処理の最適化の重要性を強調している。

研究の限界と今後の研究分野:

本研究は、特定の合金と試験した温間成形条件によって限定される。今後の研究では、各合金のプロセスを最適化するために、より広範囲の温間成形温度、ひずみ速度、および予備時効パラメータを調査することができる。より高度な微細組織分析技術（TEMなど）を用いて、析出現象と機械的特性との相関関係をより深く理解することができる。アルミニウム合金の温間成形における潤滑剤性能と界面摩擦の調査も、産業実装における実際的な課題に対処するための重要な今後の研究分野である。

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9. 著作権:

• この資料は、"Wang Xuanye"氏の論文："自動車産業向け高強度アルミニウム合金の温間成形 (Warm forming of High-strength Aluminum alloys for the Automotive industry)" に基づいています。
• 論文ソース: [ドキュメントにDOI URLは記載されていません。利用可能な場合はDOI URLを追加してください]

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