タイトル] 次世代高強度アルミニウム鋳造合金

本紹介論文は、「Light Metal Age」に掲載された論文「New generation of high strength aluminum casting alloys」に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: New generation of high strength aluminum casting alloys
• 著者: V.Kh. Mann, A.N.Alabin, A.Yu. Krokhin, A.V. Frolov, and N.A. Belov
• 発行年: 2015 (October issue)
• 掲載学術誌/学会: Light Metal Age
• キーワード: Al-Zn-Mg-Ni-Fe system, Nickalyn-AZ6NF, high strength aluminum casting alloys, mechanical properties, microstructure, phase composition.

2. 抄録:

本稿は、Al-Zn-Mg-Ni-Fe系（Nickalyn-AZ6NF）の新しい低合金高強度合金の相組成、組織、機械的特性に関する研究結果を示す。この新しいアルミニウム合金の主な利点は、高い機械的特性（約500 MPaのUTS）、鋳造時の良好な加工性、そして比較的低コストであることである。この合金は、重要なダイカスト部品を含む比較的複雑な金型鋳造品の製造を目的としており、鋳鋼や鋳鉄グレード、およびいくつかの現行アルミニウム鋳造合金の代替として使用することができる。

3. 緒言:

Al-Si系をベースとする合金は、最も一般的なアルミニウムダイカスト合金である。最強のsiluminsの一つ（A354タイプ）の強度特性は、通常350-380 MPaを超えない。Al-Cu系（2xxxシリーズタイプ）の高強度合金の適用は、主に鋳造時の低い加工性に起因する多くの困難を伴う。Al-Zn-Mg-Fe-Ni系をベースとする低合金高強度アルミニウム合金は、従来の鋳造材料（鋳鋼や鋳鉄グレード、既存のブランドアルミニウム合金、2xxxシリーズの合金、場合によってはAl-Si-Mg-(Cu)系の3xxxシリーズの合金など）の代替として最も有望な合金の一つとして現れている。これらの新しい合金は、多成分系状態図の解析に基づく概念の枠組みの中で、eutectic (Al)+Al9FeNiをベースに開発されている。低合金合金開発の基礎となったのは、eutectic (Al)+Al3NiをベースとするAl-Zn-Mg-Ni系合金で得られた先行の肯定的な結果であった。これらの結果は、異形鋳造品における記録的な強度（UTS=600-620 MPa、YS=520-540 MPa、El=5-6%）だけでなく、展伸材半製品の製造への応用の可能性も示した。しかし、約4%という高いニッケル含有量と鉄混入物の厳格な制限（<0.1%）が、これらの合金の広範な使用に対する深刻な障害となった。(Al)およびeutectic (Al)+Al9FeNiをベースとする鉄含有量の高い合金は、eutectic (Al)+Al3Niを持つ合金に近いが、ニッケル含有量がはるかに少ない（5～8倍低い）ため、コスト効率が高いという特徴がある。
新しい合金は、重要部品の製造を含む様々な産業での使用を意図している。新しい低合金高強度アルミニウム合金の基本的な利点は、まず第一に高いレベルの機械的特性と、eutectic (Al)+Al9FeNiの存在による鋳造時の高温割れのなさといった、異形鋳造品製造時の高い加工性という一連の特性を達成することである。
本稿の目的は、新しい高強度アルミニウム鋳造合金Nickalyn-AZ6NFとA356タイプの工業用アルミニウム鋳造合金の組織および機械的特性の比較分析を提示することである。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

要求の厳しい用途において、鋳鋼、鋳鉄、一部の既存アルミニウム合金などの従来の材料を置き換えるために、機械的特性が向上し、鋳造性に優れ、コスト効率の高いアルミニウム鋳造合金が必要とされている。

先行研究の状況:

Al-Zn-Mg-Ni合金に関する先行研究では、記録的な強度を示したが、ニッケル含有量が高く、鉄の許容度が低いという問題があった。eutectic (Al)+Al9FeNiをベースとするAl-Zn-Mg-Fe-Ni系合金は、良好な加工性を備えた、よりコスト効率の高い代替案として提案された。

研究の目的:

本稿の目的は、Al-Zn-Mg-Ni-Fe系の新しい低合金高強度アルミニウム鋳造合金（Nickalyn-AZ6NFと命名）の組織および機械的特性を、従来のA356合金と比較分析して提示することである。

中核研究:

研究の中核は、Nickalyn-AZ6NF合金の相組成、微細組織、および機械的特性の実験的調査である。これには、最適な合金組成の決定、熱処理後の微細組織の特徴の理解、およびA356と比較した引張特性の評価が含まれる。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究では実験的研究デザインを採用した。Al-Zn-Mg-Fe-Ni系の2つの実験合金と参照用のA356合金を調製し、特性評価を行った（Table I）。それらの特性を異なる熱処理後に比較した。

データ収集および分析方法:

• 合金調製: 実験合金は、99.5%および99.95%純Al、99.9%純Zn、99.9%純Mg、およびマスターアロイAl–20%Ni、Al-10% Feを使用して、グラファイト-シャモットるつぼを備えた電気炉で調製された。
• 鋳造: 合金は720-740°Cの範囲で鋼製鋳型に鋳造され（加圧凝固用）、冷却速度（Vc）は約10 K s⁻¹であった（Figure 1）。
• 化学分析: 合金の化学組成はARL 4460発光分光計で分析された。
• 熱処理: 鋳造品（Al-Zn-Mg-Fe-Ni合金（540°C、3時間、水焼入れ）およびAl-Si-Mg合金（535°C、3時間、水焼入れ））の溶体化処理（T4）は、電気炉「Nabetherm」内で大気中で行われた。溶体化処理後、試料は強制送風乾燥炉で時効処理（最大強度–T6）された。
• 微細組織分析: 組織は光学顕微鏡（OM, Axiovert 200 MMAT）、透過型電子顕微鏡（TEM, JEM-2100）、走査型電子顕微鏡（SEM, JSM-6610LV）を用いて観察した。研磨試料は鋳造品の中央部から切り出し、調査した。電解研磨は、エタノール6部、HClO4 1部、グリセリン1部を含む電解液中で12 VDCを用いて行った。TEM用薄膜は、過塩素酸-アルコール溶液中で電解薄化により調製し、160 kVで観察した。
• 機械試験: 室温での機械的特性（引張強さ – UTS、降伏強さ – YS、相対伸び – El）は、Zwick Z250試験機（負荷速度4 mm/min、各値について5つの試験片、直径5 mm、長さ25 mm）での単軸引張試験の結果から決定した。
• 状態図計算: 液相線および固相線温度、垂直断面の計算にはThermo-Calcソフトウェア（データベースTTAL5）を使用した。

研究テーマと範囲:

研究は以下に焦点を当てた：

• Al-Zn-Mg-Fe-Ni系における相組成と最適な合金元素濃度（Fe、Ni）。
• T4熱処理後のNickalyn-AZ6NF合金の微細組織、特にAl9FeNi相の形態。
• T6熱処理後のNickalyn-AZ6NFのTEM組織、特にAl9FeNi介在物と二次硬化相。
• T6状態のA356と比較した、T4およびT6状態におけるNickalyn-AZ6NFの機械的特性（UTS、YS、El）。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• Al-Zn-Mg-Fe-Ni系の合金元素の最適濃度は、対応する状態図の断片の解析から導かれる。すべてのFeおよびNi含有相の初晶は望ましくないため、異なる相の初晶境界（液相線投影）が計算された。Figure 2aからわかるように、合金中の鉄の最大許容濃度はニッケル含有量の増加とともに減少する。1% Niでの断面は、約0.8% Feから初晶金属間化合物の出現が予想されることを示している（Figure 2b）。この場合、鉄濃度を約0.2% Feまで減少させても相組成は変化せず、液相線および固相線温度にわずかに反映されるのみである。
• Figure 2aは、低合金合金開発のための最適なニッケルおよび鉄濃度領域を示しており、これは以下によって実証される：第一に、コスト効率の観点から、ニッケル濃度は最小限に、逆に鉄濃度は最大限になる。第二に、構造中にeutectic介在物Al9FeNiが最大限に含まれ、それによって鋳造時の高い加工性が確保される。
• 溶体化処理（T4）後のAZ6NFおよびA356合金の微細組織をFigure 3に示す。AZ6NFの組織には、焼なまし中に球状化したeutectic起源のAl9FeNi相（Figure 3a）の粒子が均一に分布している。AZ6NF合金のFeおよびNi含有量の低下は、Al9FeNi相の形態改善につながることに留意すべきである。AZ6NF合金の固相線は他の合金（例：A354、201）よりも著しく高いため（Table I参照）、より高温で焼なましを行うことができる。
• タイプT6の熱処理（焼入れおよび最大強度までの時効）後、得られた鋳造品（Figure 1）から試料を切り出し、機械的引張強度特性を測定した。Table IIに示す結果は、低合金AZ6NFが（El >6%の満足のいく延性でUTS ~490 MPaという）高い強度レベルを達成できることを示している。AZ6NF合金におけるこのような強度と延性の良好な組み合わせは、Al9FeNi介在物の均一な分布と、横方向サイズが2 µm以下の比較的コンパクトな形態によって達成される（Figure 4a）。その際、他の合金元素（ZnおよびMg）は、サイズが最大10 nmの硬化相の二次粒子としてアルミニウム固溶体中に分布し、かなりのひずみ硬化を保証する（Figure 4b）。

図・表リスト:

• Table I. Chemical compositions of experimental alloys. Designation Concentrations (wt.%) T-Solidus (°C) Zn+Mg Mg AZ6NF 8.8 A356 0.28
• Figure 1. Examples of alloy AZ6NF castings.
• Figure 2. Calculated liquidus projection (a) and vertical section (b) of the Al-Zn-Mg-Fe-Ni system at 7% Zn, 3% Mg, and 1%Ni (wt.%).
• Table II. Mechanical properties of experimental alloys AZ6NF and A356. Alloy Designation Fe Content (wt.%) Heat Treatment YS (MPa) UTS (MPa) El (%) AZ6NF 0.5 T6 439 491 6.1 T4 227 397 14.5 A356 0.1 T6 253 310 9.7
• Figure 3. Microstructure of alloys after heat treatment (T4): a – AZ6NF (SEM) and b – A356 (OM).
• Figure 4. TEM structure of alloy AZ6NF (T6): a – Al9FeNi and b – secondary segregations.

7. 結論:

計算および実験的手法を用いて、eutectic (Al)+Al9FeNiをベースとする新しい低合金高強度アルミニウム鋳造合金Nickalyn-AZ6NFが非常に有望な材料であり、重要鋳造品を含む異形鋳造品の製造に使用できることが実証された。Al-Zn-Mg-Ni-Fe系において、Fe含有相の粗大な初晶金属間化合物の晶出境界が特定され、1% Niでの晶出は約0.8% Feから始まると予想される。この低合金合金は、既存の3xxxおよび2xxxシリーズ鋳造合金の強度特性を上回る。特に、T6状態のNickalyn-AZ6NF合金鋳造品では約500 MPaの破断強度を達成できる。 現在、UC Rusalは、自社の生産施設でこの新しい合金のための新しい溶解および鋳造プロセスを開発中である。Nickalyn-AZ6NF合金の用途としては、航空機、自動車、輸送、スポーツ用品など、さまざまな産業における重要部品の製造が意図されている。この新しい合金の商用製品としての実現は、1～2年以内と予想される。

8. 参考文献:

• [1] Hatch, J.E. (ed.), Aluminum: Properties and Physical Metallurgy, ASM International, 1984.
• [2] Kaufman, J. Gilbert (ed.), Properties of Aluminum Alloys: Tensile, Creep and Fatigue Data at High and Low Temperatures, Aluminum Association/ASM International, 1999.
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• [5] Belov, N.A., D.G. Eskin, and A.A. Aksenov, Multicomponent Phase Diagrams: Applications for Commercial Aluminum Alloys, Elsevier, Amsterdam, 2005.
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• [7] Belov, N.A. "Quantitative phase analysis of the Al-Zn-Mg-Cu-Ni phase diagram in the region of compositions of high-strength nickalines,” Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 51, No. 3, 2010, pp. 243–249.
• [8] Marlaud, T., A. Deschamps, F. Bley, et. al., “An Influence of alloy composition and heat treatment on precipitate composition in Al-Zn-Mg-Cu alloys," Acta Mater., Vol. 58, 2010, pp. 248–260.
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9. 著作権:

• 本資料は、「V.Kh. Mann, A.N.Alabin, A.Yu. Krokhin, A.V. Frolov, and N.A. Belov」による論文です。「New generation of high strength aluminum casting alloys」に基づいています。
• 論文の出典: [https://www.researchgate.net/publication/301362888]

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