アルミニウムを含有するマグネシウムダイカスト合金の引張および圧縮クリープ挙動

本紹介論文は、「Magnesium Alloys and their Applications. Edited by K. U. Kainer. WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim.」により発行された論文「Tensile and Compressive Creep Behavior of Magnesium Die Casting Alloys Containing Aluminum」に基づいています。

1. 概要:

• 論文名: Tensile and Compressive Creep Behavior of Magnesium Die Casting Alloys Containing Aluminum
• 著者: S. R. Agnew, S. Viswanathan, E. A. Payzant, Q. Han, K. C. Liu, and E. A. Kenik
• 発行年: 2000
• 発行学術誌/学会: Magnesium Alloys and their Applications. Edited by K. U. Kainer. WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim.
• キーワード: 論文中に指定なし

2. 抄録:

本研究は、自動車用途におけるマグネシウム合金の広範な適用を妨げている低いクリープ抵抗性に着目し、市販および実験用マグネシウムダイカスト合金のクリープメカニズムを調査するものです。先行研究[1]において、AM60Bダイカスト合金が引張時よりも圧縮時に著しく遅いクリープ速度を示すことが報告されています。本稿ではこれらの結果をレビューするとともに、Darguschら[2]が提示したβ-Mg₁₇Al₁₂相の動的析出がマグネシウム合金のクリープ挙動に影響を与えるという証拠に基づき、アルミニウムを含有するダイカストマグネシウム合金で観察されるクリープ強度の非対称性について、この動的析出の観点から説明を試みます。全体的な目的は、クリープ抵抗性が改善された新しい合金の開発に向けた知識基盤を拡大することです。

3. 緒言:

自動車産業は、車両の軽量化による燃費向上のため、マグネシウム合金への関心を新たにしています。しかし、マグネシウム合金の広範な適用を妨げてきた一つの限界は、その低いクリープ抵抗性です。本研究は、現行の市販および実験用ダイカスト合金におけるクリープメカニズムの知識を拡大し、クリープ抵抗性が改善された新しい合金の開発を目指して実施されました。初期の報告では、AM60Bダイカスト合金が引張時よりも圧縮時に著しく遅いクリープ速度を示すことが示されました[1]。これらの結果は、様々な合金の新しいクリープ結果とともにレビューされます。以前、Darguschら[2]は、β-Mg₁₇Al₁₂相の動的析出がマグネシウム合金のクリープ挙動に影響を与えるという証拠を提示しました。本研究では、アルミニウムを含有するダイカストマグネシウム合金のクリープ強度非対称性について、動的析出の観点から説明を行います。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景:

マグネシウム合金は、その低密度により車両の軽量化と燃費向上に貢献できるため、自動車用途で注目されています。しかし、高温での固有の低いクリープ抵抗性が大きな課題となっており、構造部品としての広範な実用化を制限しています。

先行研究の状況:

先行研究では、AM60Bダイカストマグネシウム合金がクリープ挙動において顕著な非対称性を示し、同応力レベルにおいて引張荷重下と比較して圧縮荷重下で著しく遅いクリープ速度が観察されることが示されています[1]。加えて、Darguschら[2]の研究は、クリープ中のβ-Mg₁₇Al₁₂金属間化合物相の動的析出が、アルミニウムを含有するマグネシウム合金のクリープ特性に決定的な役割を果たすことを示唆しています。

研究の目的:

本研究の主な目的は以下の通りです。

• アルミニウムを含有する市販および実験用マグネシウムダイカスト合金におけるクリープメカニズムに関する既存の知識を拡大すること。
• この理解を、クリープ抵抗性が向上した新しいマグネシウム合金の開発指針とすること。
• 具体的には、これらの合金で観察される引張/圧縮クリープ強度の非対称性について、動的析出現象と関連付けて説明を提案し、実証すること。

核心研究:

本研究の核心は、いくつかのマグネシウム合金の引張および圧縮クリープ挙動に関する包括的な調査です。これには、AM60Bダイカスト合金および一連のPM（パーマネントモールド）鋳造合金（AZ91D、AM60B、AS41、AE42、およびMg-4 wt%Al-0.8 wt%Ca合金）が含まれます。研究の重要な要素は、模擬クリープ条件下（アニーリング）でのβ-Mg₁₇Al₁₂相の動的析出を監視および分析するためのin-situ高温X線回折（XRD）の使用です。これにより、微細構造の進化と巨視的なクリープ挙動、特に引張クリープと圧縮クリープ間の非対称性との相関関係を明らかにすることができました。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究は、マグネシウム合金のクリープ挙動に関する実験的調査として設計されました。

• 材料および試料準備:
  • 2種類のクリープ試料が使用されました。第1シリーズは、平均厚さ5mmのAM60Bダイカスト自動車部品から直接機械加工されたものです。これらのダイカストAM60B試料は、2-4%程度の気孔率を有していました。
  • 第2セットは、AZ91D、AM60B、AS41、AE42、およびMg-4 wt%Al-0.8 wt%Ca合金の引張試験片としてPM（パーマネントモールド）鋳造されたものです。PM鋳造されたAM60BおよびAZ91D試料は完全に緻密でした。
  • 試料の密度は、空気中および水中での重量測定により測定されました。
• クリープ試験:
  • 全てのクリープ試験は150°Cで実施されました。
  • 6つのAM60Bダイカスト試料は、20、25、40、60、70、または80 MPaの一定印加公称応力下で引張試験されました。
  • 3つのAM60Bダイカスト試料の圧縮クリープ試験は、-40、-60、および-80 MPaで実施されました。
• In-situ高温X線回折:
  • 動的析出の調査に使用されました。
  • 薄い試料（0.5 x 10 x 10 mm）をAM60B（ダイカスト）およびAZ91D（PM鋳造）から切り出し、研磨、エッチング後、Buehler HDK 2.3高温炉アタッチメント内で、カーボンペイントを用いてPt13%Rhヒーターストリップ上に真空下で取り付けました。
  • 225°Cでのアニーリング中、2θ = 30-50°（Cu-K_α放射線）の範囲で毎時30時間、および約48時間後に再度θ-2θスキャンが行われました。

データ収集と分析方法:

• クリープデータ: 時間の関数としてのクリープひずみが測定されました。最小クリープ速度はクリープ曲線から決定されました。印加応力と最小クリープ速度の関係は、応力指数を決定するためにべき乗則型の構成方程式を用いて分析されました。
• XRDデータ:
  • β相の体積分率は、その全ピークの積分強度合計を用いて推定されました。
  • 主要マグネシウム相の格子定数は、アニーリング時間の関数として決定されました。
  • データはJade 5.0 [Materials Data, Inc.]を用いて分析されました。

研究トピックと範囲:

• 150°CにおけるAM60BダイカストおよびPM鋳造Mg-Al合金（AZ91D、AM60B、AS41、AE42、Mg-4Al-0.8Ca）の引張および圧縮クリープ挙動。
• 引張/圧縮クリープ強度非対称性の調査。
• クリープ中のβ-Mg₁₇Al₁₂相の動的析出の役割。
• XRDを用いたin-situアニーリング中の微細構造変化、特にβ相析出およびマグネシウム格子パラメータの変化。
• アルミニウム含有量および第三元素添加がクリープ挙動に及ぼす影響。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• AM60Bにおけるクリープ非対称性: 150°Cで試験されたAM60Bダイカスト合金は、同応力レベルで試験された全てのペアにおいて、引張時よりも圧縮時の方がクリープ速度が1桁低い値を示しました (Figure 1a, 1b)。
• 応力指数: AM60Bでは、低引張応力域および全圧縮応力域において応力指数n ≈ 4が決定され、これは自己拡散律速の転位上昇が律速段階であることを示唆しています。高応力(>60 MPa)では、見かけの応力指数はn ≈ 10に上昇し、べき乗則破壊の証拠となります。
• PM鋳造合金の挙動: 様々な合金組成のPM鋳造試料（AZ91D, AM60B, AS41, AE42, Mg-4% Al- 0.8% Ca）は、約50 MPa以上で同様のクリープ挙動の遷移（べき乗則破壊）を示しました (Figure 2)。クリープ抵抗性の傾向は、AZ91D < AM60B < AS41 < AE42 ~ Mg-4% Al- 0.8% Caでした。一般に、アルミニウム含有量が低いほどクリープ性能が向上し、第三元素の添加も重要でした。
• 完全緻密合金における非対称性: 引張/圧縮非対称性は、完全に緻密なPM鋳造AM60BおよびAZ91D試料でも観察され (Figure 3a)、気孔率がこの現象の唯一の原因ではないことを示しています。対照的に、アルミニウム合金A380は本質的に対称的な挙動を示しました (Figure 3b)。
• β-Mg₁₇Al₁₂の動的析出: 225°Cでのin-situ高温XRD研究により、過飽和領域におけるβ-Mg₁₇Al₁₂相の動的析出が確認されました (Figure 4)。
  • β相の体積分率はアニーリング中に増加することが観察されました (Figure 5, Figure 6a)。
  • 同時に、アルミニウムが母相から離脱して新しい析出物を形成するにつれて、主要マグネシウム相の格子定数が膨張し、これはブラッグピークがより低い2θ値にシフトすることで示されました (Figure 5, Figure 6b)。
• クリープ非対称性の説明: 非対称なクリープ挙動は、動的析出に関連する2つの要因によって説明されます。
  1. 格子膨張: 析出反応は格子膨張をもたらします。この膨張は、正の静水圧応力により引張下で促進され、圧縮下では抑制されます。析出と転位上昇（例えば、空孔濃度や移動度の増加による）の間に相乗効果があれば、引張の方がクリープは速く進行します。
  2. 析出誘起ひずみ: 析出反応自体によるひずみは測定可能であり（例：225°Cで20時間は約0.1%の正味引張ひずみを生じる）、これは引張で測定されるクリープひずみを増加させ、圧縮では減少させます。
• アルミニウム過飽和の影響: アルミニウム過飽和とクリープ強度非対称性の関連はFigure 3aによって支持されており、AM60BよりもAZ91D（アルミニウム含有量が高い）の方が非対称性が大きいことを示しています。
• 第三元素添加の効果: Sohnら[6]のデータで言及されているように、AZ91およびAM50に存在する非対称性は、アルミニウムレベルがAM50と同様であっても、CaまたはREを多く含む合金には存在しません。
• 過剰アルミニウムの有害な影響: 過剰なアルミニウムがクリープ抵抗性に有害であると観察されてきたのは、β相自体（時効処理により微細分散させれば硬化に寄与する）ではなく、クリープ中に起こる析出現象そのものに問題があるためです。
• クリープ抵抗性改善戦略:
  • 合金のアルミニウム含有量を減らすこと（ただし、高いアルミニウム含有量は良好なダイカスト性能と強く関連しているため、細心の注意が必要）。
  • アルミニウムを優先的に結合する第三元素を添加することで、β析出の駆動力が低減される。
  • 使用前に合金を時効処理してアルミニウムの過飽和を低減することで、所与の合金の性能が向上する。

図の名称リスト:

• Figure 1: (a) 150°Cで様々な印加応力下で引張または圧縮を受けるAM60Bダイカスト試料のクリープ曲線。(b) 印加応力対最小クリープ速度の対数-対数プロットは、低応力域と高応力域がそれぞれn ≈ 4と10の応力指数を持つべき乗則で適合できることを示す。
• Figure 2: (a) 150°Cで試験された合金を比較するクリープ曲線。(b) 印加応力の関数としての最小ひずみ速度。比較のために35 MPaで試験されたダイカストAZ91DおよびAE42が示されている。
• Figure 3: (a) 完全に緻密なAM60BおよびAZ91D PM鋳造試料でも引張圧縮非対称性が観察される。(b) アルミニウム合金A380は本質的に対称的な挙動を示す。
• Figure 4: β相を析出するアルミニウムで過飽和したマグネシウムの模式図
• Figure 5: 225°Cアニーリング中にスキャンされた2θ範囲（30-50°）の小さなセグメントで、β相ピークの成長とマグネシウムピークの低2θ値へのシフトを示す。
• Figure 6: (a) 積分強度によって決定されたβ相の体積分率の増加を示し、(b) 主要マグネシウムの格子膨張（AZ91D）を示す。

7. 結論:

本研究は、マグネシウム-アルミニウム合金の引張および圧縮クリープ挙動で観察される非対称性が、気孔率のみに起因するのではなく、基本的にβ-Mg₁₇Al₁₂相の動的析出に関連していると結論付けています。この析出プロセスは格子膨張を引き起こし、測定可能なひずみを誘発します。これらは両方とも静水圧応力状態の影響を受け、引張応力はこれらの効果を増強してクリープを加速させる一方、圧縮応力はそれらを抑制してクリープを遅らせます。合金中のアルミニウム過飽和度は重要な要因であり、過飽和度が高いほど非対称性が顕著になり、一般に高いアルミニウム含有量がクリープ抵抗性に及ぼす有害な影響に寄与します。クリープ性能を改善するためには、アルミニウム含有量の低減、アルミニウムを結合する第三元素の添加、または使用前に合金を時効処理して過飽和を低減するなどの戦略が推奨されます。

8. 参考文献:

• [1] S. R. Agnew, K. C. Liu, E. A. Kenik and S. Viswanathan, Magnesium Technology 2000, Eds. H. I. Kaplan, J. Hryn, and B. Clow, TMS, Warrendale, PA, 2000, p. 285.
• [2] M. S. Dargusch, G. L. Dunlop, K. Pettersen, Magnesium Alloys and their Applications, Eds. B. L. Mordike and K. U. Kainer, Werkstoff-Informationsgesellschaft, Frankfurt, Germany, 1998, p. 277-282.
• [3] J. E. Dorn, Creep and Recovery, ASM, Metals Park, Ohio, 1957, 255-283.
• [4] F. C. Chen, J. W. Jones, T. A. McGinn, J. E. Kearns, A. J. Nielsen, and J. E. Allison, SAE Technical Paper, #970325, 1997, 13-21.
• [5] J.-P. Poirier, Creep of Crystals, Cambridge, New York, 1985, p. 145.
• [6] K. Y. Sohn, J. W. Jones, and J. E. Allison, Magnesium Technology 2000, Eds. H. I. Kaplan, J. Hryn, and B. Clow, TMS, Warrendale, PA, 2000, 271-278.

9. 著作権:

• 本資料は、「S. R. Agnew, S. Viswanathan, E. A. Payzant, Q. Han, K. C. Liu, and E. A. Kenik」による論文です。「Tensile and Compressive Creep Behavior of Magnesium Die Casting Alloys Containing Aluminum」に基づいています。
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