ダイカストマグネシウム合金の降伏応力と耐食性に及ぼす時効の影響

このページは、研究論文「Effect of Aging on Yield Stress and Corrosion Resistance of Die Cast Magnesium Alloy」の概要をまとめたものです。本研究では、160℃での時効がダイカストマグネシウム合金AZ91Dの腐食挙動にどのように影響するかを調査し、これらの変化を材料の微細構造と組成の変化に関連付けています。

1. 概要：

• タイトル: Effect of Aging on Yield Stress and Corrosion Resistance of Die Cast Magnesium Alloy (ダイカストマグネシウム合金の降伏応力と耐食性に及ぼす時効の影響)
• 著者: Guangling Song, Amanda L. Bowles, David H. StJohn
• 発表年: 2004年
• 掲載ジャーナル/学会: Materials Science and Engineering A (マテリアルズ・サイエンス・アンド・エンジニアリングA)
• キーワード: Magnesium (マグネシウム), Corrosion (腐食), Microstructure (微細構造), Heat treatment (熱処理)

2. 研究背景：

• 研究トピックの社会的/学術的背景:
  • 自動車産業では、エネルギーと環境への関心の高まりから、高強度・軽量比に優れたマグネシウム合金の利用が増加しています。
  • マグネシウム合金は、自動車部品に使用されるアルミニウムや鋼合金の有望な代替材料と考えられています。
  • これらの部品は、使用中に中程度の温度（60〜200℃）にさらされる可能性があります。
  • このような温度にさらされると、主に粒界にβ相（Mg₁₇Al₁₂）が析出し、機械的特性が変化します。
  • 微細構造がマグネシウム合金の耐食性に及ぼす影響は、広く研究されている分野です。
  • AZ91中のβ相は一般的に腐食バリアとして認識されており、溶体化処理および時効処理された合金の耐食性を向上させます。
• 既存研究の限界:
  • ダイカストAZ91の耐食性に及ぼす時効の影響に関する研究は限られています。
  • 既存の研究（Sumanの研究など）では、中程度の温度での短期時効の影響は小さいことが示されていますが、詳細な説明や微細構造変化との関連付けが欠けていました。
  • 実際の使用条件に関連する、ダイカストAZ91の耐食性に及ぼす中程度の温度での長期時効の影響に関する公開データが不足しています。
• 研究の必要性:
  • ダイカストAZ91の耐食性に及ぼす中程度の温度での長期的な影響を理解することは、実用的な応用にとって非常に重要です。
  • 時効中の腐食性能の変化に関連するメカニズムを調査することは、ダイカストAZ合金の微細構造と耐食性の関係をより深く理解するために不可欠です。

3. 研究目的と研究課題：

• 研究目的:
  • 160℃で時効処理したダイカストマグネシウム合金AZ91Dの腐食挙動を調査すること。
  • 時効中の微細構造と局所組成の変化が、AZ91Dの耐食性にどのように影響するかを理解すること。
• 主な研究課題:
  • 160℃での時効は、ダイカストAZ91Dの腐食速度に長期間にわたってどのように影響するか？
  • 時効中の微細構造の進化（特に、β相の析出とαマトリックスの変化）と、観察される耐食性との関係は何か？
• 研究仮説:
  • ダイカストAZ91Dの腐食速度は、微細構造と局所組成の変化により、時効時間とともに変化する。
  • 初期の時効段階でのβ相の析出は、腐食バリアとして機能し、腐食速度を低下させる可能性がある。
  • 長期時効中のαマトリックス組成の変化、特にアルミニウムの減少は、腐食速度に影響を与える可能性がある。

4. 研究方法：

• 研究デザイン:
  • ダイカストAZ91D合金を160℃で様々な時間（最大585時間）時効処理する実験的研究。
  • アルミニウム含有量の異なる（2.00、3.89、5.78、および8.95 wt.% Al）溶体化処理された金型鋳造二元Mg-Al合金との比較。
• データ収集方法:
  • 重量減少測定: 5 wt.% NaCl溶液への7日間の浸漬試験と、8日間の塩水噴霧試験を実施し、腐食速度を測定。腐食生成物をクロム酸で除去した後、重量減少を測定。
  • 電気化学試験: Mg(OH)₂飽和5 wt.% NaCl溶液中で、分極曲線と電気化学インピーダンス分光法（EIS）を実施し、腐食挙動と電気化学的特性を評価。
  • 顕微鏡観察: 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、時効処理および腐食させた試料の微細構造（β相析出、腐食形態など）を観察および分析。
  • 核磁気共鳴（NMR）: NMR分光法を用いて、β相の割合を定量化し、時効時間の関数としてαマトリックス中のアルミニウム含有量を測定。
• 分析方法:
  • 相関分析: 腐食速度（重量減少および電気化学測定から）と、時効時間、微細構造の進化（β相の割合、形態、分布）、αマトリックス中のアルミニウム含有量、および以前の研究からの降伏応力データとの相関関係を分析。
  • 電気化学データ解釈: EISスペクトルを分析して、インピーダンス特性と耐食性の変化を理解。分極曲線を用いて、孔食電位（Ept）を決定し、腐食感受性を評価。
  • 微細構造分析: SEM画像を用いて、β相の析出、分布、腐食形態を定性的および定量的に評価。NMRデータは、相分率と組成変化の定量的な測定を提供。
• 研究対象と範囲:
  • 材料: ダイカストAZ91Dマグネシウム合金、金型鋳造二元Mg-Al合金（2.00、3.89、5.78、8.95 wt.% Al）。
  • 時効条件: ダイカストAZ91Dは160℃の大気中で最大585時間。Mg-Al合金は413℃で24時間溶体化処理。
  • 腐食環境: 5 wt.% NaCl溶液（浸漬および塩水噴霧）、Mg(OH)₂飽和5 wt.% NaCl溶液（電気化学試験）。

5. 主な研究結果：

• 主な研究結果:
  • ダイカストAZ91Dの腐食速度は、160℃で約45時間までの時効時間とともに初期段階で減少し、その後、時効時間が長くなるにつれて増加する。
  • 最小腐食速度は、15〜45時間の時効時間で観察される。
  • 腐食速度の時効時間依存性は、浸漬条件と塩水噴霧条件の両方で類似している。
  • 腐食速度の時効時間に伴う変化は、同じ時効条件下でのダイカストAZ91Dに関する以前の研究で観察された降伏応力の変化と相関している。最小腐食速度は、最大降伏応力とほぼ同じ時効時間で発生する。
  • 微細構造分析により、β相（Mg₁₇Al₁₂）は時効中に粒界に沿ってのみ析出することが明らかになった。
  • 時効の初期段階では、β相の体積分率が急速に増加し、粒界に沿ってネットワークを形成する。
  • 長期時効では、αマトリックス中のアルミニウム含有量が大幅に減少する。
• 統計的/定性的分析結果:
  • 図1: 「7日間の5 wt.% NaCl溶液への浸漬後の160℃で時効処理したダイカストAZ91Dの平均重量減少率」。初期に重量減少率の減少を示し、その後約45時間の時効後に増加。
  • 図2: 「8日間の塩水噴霧暴露後の160℃で時効処理したダイカストAZ91Dの平均重量減少率」。図1と同様の傾向で、初期に重量減少率が減少し、その後増加。
  • 図3: 「160℃で時効処理したAZ91Dの腐食速度と降伏応力の関係（図中に時効時間を示す）」。腐食速度と降伏応力の相関関係を示し、両方とも時効中の微細構造変化の影響を受けていることを示唆。
  • 図4: 「160℃での時効がダイカストAZ91Dの微細構造に及ぼす影響。右下隅に高倍率画像を示す。白い矢印は不連続析出の領域を示し、「A」とマークされた領域はロッド状析出物を示す」。時効時間に伴う微細構造の進化を示し、粒界でのβ相析出を示す。
  • 図5: 「時効処理したダイカストAZ91D中のβ相の体積分率とαマトリックス中の平均アルミニウム濃度」。時効時間に伴うβ相分率の増加とαマトリックスのアルミニウム含有量の減少を定量化。「αマトリックスの平均アルミニウム含有量は、最初の45時間の時効で約6.5 wt.%から2 wt.%に劇的に減少し、その後、585時間後の約1.5 wt.%まで長期時効で徐々に減少した」。
  • 図6: 「5 wt.% NaCl溶液に4時間浸漬後のダイカストAZ91D試料の微細形態。（c）の写真では、腐食領域の白い小さな点はロッド状の連続β析出物である」。腐食は主にαマトリックスで発生し、β析出物は比較的影響を受けず、バリアとして機能することを示す。
  • 図7: 「様々なアルミニウム含有量のMg-Al単相合金の3時間5 wt.% NaCl溶液への浸漬後の平均重量減少率」。 「α相の耐食性は、α相中のアルミニウムレベルが低下するにつれて低下する」ことを示す。
  • 図8: 「Mg(OH)₂飽和5 wt.% NaCl溶液中のMg-Al単相合金の電気化学インピーダンススペクトル」。α相合金中のアルミニウム含有量に対する耐食性の依存性を示す。
  • 図9: 「Mg(OH)₂飽和5 wt.% NaCl溶液中で様々な時間時効処理したダイカストAZ91Dの電気化学インピーダンススペクトル」。時効に伴うEISスペクトルの変化を示し、初期のインピーダンス（耐食性）の増加とその後の減少を示す。「第二に、高周波領域の容量性半円の直径は、最初に増加し、次に時効時間とともに減少する（150時間のスペクトルは傾向からわずかに逸脱している）。最大値は15時間の時効時間で現れる。」
  • 図10: 「Mg(OH)₂飽和5 wt.% NaCl溶液中のMg-Al単相合金の分極曲線」。α相合金中のアルミニウム含有量の変化に伴う孔食電位（Ept）のシフトを示す。
  • 図11: 「Mg(OH)₂飽和5 wt.% NaCl溶液中で様々な時間時効処理したダイカストAZ91Dの分極曲線」。時効処理したAZ91Dの孔食電位（Ept）のシフトを示す。
  • 図12: 「Mg-Al単相合金中のアルミニウム含有量に対する「孔食」電位（Ept）の依存性」。「アルミニウム含有量が高いα相は、より正のEptを持つ」ことを示す。
  • 図13: 「160℃で時効処理したダイカストAZ91Dの時効時間に対する「孔食」電位（Ept）の依存性」。「ダイカストAZ91Dの場合、時効によるEptのより負の電位へのシフト」を示す。

• データ解釈:
  • 初期の腐食速度の低下は、粒界に沿って形成されたβ相析出物のバリア効果によるものであり、腐食がαマトリックスに進行するのを妨げている。「β相はバリアとして機能し、時効の初期段階で腐食速度を低下させる。」
  • より長い時効時間後の腐食速度のその後の増加は、αマトリックス中のアルミニウム含有量の減少によって説明され、これによりαマトリックスがより活性になり、耐食性が低下する。「後の段階では、α粒のアルミニウム含有量の減少により、αマトリックスがより活性になり、腐食速度が増加する。」
  • 電気化学試験の結果（EISおよび分極曲線）は、時効処理されたダイカストAZ91Dの耐食性に対するβ相析出とαマトリックス組成変化の複合効果を裏付けている。「電気化学試験の結果はまた、時効処理されたダイカストAZ91D合金の耐食性に対するα相とβ相の変化の複合効果を確認している。」
  • 降伏応力と腐食速度の相関関係は、両方の特性が時効中の同じ微細構造変化の影響を受けていることを示唆している。「降伏応力対時効時間の曲線と腐食速度対時効時間の曲線の著しい類似性は、耐食性の変化が、降伏応力も決定する微細構造の変化と密接に関連していることを強く示唆している。」

6. 結論と考察：

• 主な結果の要約:
  • ダイカストAZ91Dの中程度の温度での時効（160℃）は、初期には耐食性を向上させるが、長期時効では耐食性が低下する。
  • この挙動は、粒界でのβ相析出の有益なバリア効果と、αマトリックス中のアルミニウム含有量の減少による有害な影響との相互作用に起因する。
  • ダイカストAZ91Dの降伏強度と腐食速度は直接的な関係を示し、どちらも時効中の微細構造変化によって支配される。
• 研究の学術的意義:
  • 本研究は、中程度の温度での時効条件下でのダイカストマグネシウム合金の長期腐食挙動に関する貴重な洞察を提供する。
  • 時効処理されたAZ91Dの耐食性を決定する上でのβ相析出とαマトリックス組成変化の複雑な役割を解明する。
  • 本研究は、ダイカストマグネシウム合金における微細構造と腐食特性の関係のより深い理解に貢献する。
• 実用的な意義:
  • 本研究の知見は、中程度の温度で動作するダイカストAZ91D部品の腐食性能を評価する際に、時効時間を考慮することの重要性を強調する。
  • ダイカストAZ91Dの時効処理を最適化するには、最適な耐食性を達成するために、β相析出の有益な効果とαマトリックスのアルミニウム減少の有害な効果のトレードオフを考慮する必要がある。
• 研究の限界:
  • 本研究は、160℃で時効処理したダイカストAZ91D合金に特化したものである。
  • 他のマグネシウム合金や、異なる温度および環境条件下での時効の影響を調査するには、さらなる研究が必要である。
  • 観察された降伏強度と腐食抵抗の関係の、より広範な鋳造および時効条件への一般化可能性については、さらなる調査が必要である。

7. 今後のフォローアップ研究：

• フォローアップ研究の方向性:
  • 降伏強度と腐食抵抗の観察された関係を検証するために、より広範な鋳造および時効条件をテストするさらなる調査が推奨される。
  • 時効中の特定の微細構造の進化、β相析出とαマトリックス中のアルミニウム減少の速度論に関連する腐食のメカニズムをさらに探求するために、詳細な研究が必要である。
• さらなる探求が必要な分野:
  • 他の合金元素と不純物が、ダイカストマグネシウム合金の時効挙動と耐食性に及ぼす影響を調査する。
  • 温度、湿度、腐食性媒体の変化など、より複雑で現実的な使用環境下での長期腐食性能を探求する。

8. 参考文献：

• [1] L. Mole, Personal communication, Ford, Australia, 1999.
• [2] A.L. Bowles, The Effect of Moderate Temperature Ageing in High Pressure Die Cast Mg-Al Alloys, Ph.D. Thesis, School of Engineering, The University of Queensland, Brisbane, Australia, 2002.
• [3] A.L. Bowles, T.J. Bastow, C.J. Davidson, J.R. Griffiths, P.D.D. Rodrigo, Magnesium Technology 2000, The Minerals, Metals and Materials Society, Nashville, USA, 2000, pp. 295-300.
• [4] O. Lunder, J.E. Lein, T.K. Aune, K. Nisancioglu, Corrosion 45 (9) (1989) 741-748.
• [5] O. Lunder, K. Nisancioglu, R. Hansen, Corrosion of Die Cast Magnesium-Aluminium Alloys, SAE Technical Paper Series 930755, 1993.
• [6] O. Lunder, M. Videm, K. Nisancioglu, Corrosion Resistant Magnesium Alloys SAE 1995 Transactions, section 5, paper #950428, J. Mater. Manufacturing 104 (1995) 352-357.
• [7] C. Suman, SAE Trans. 99 (5) (1990) 849-859.
• [8] T. Beldjoudi, C. Fiaud, L. Robbiola, Corrosion 49 (1993) 738-745.
• [9] E. Aghion, B. Bronfin, in: G.W. Lorimer (Ed.), Proceedings of the Third International Magnesium Conference, Manchester, 1996, pp. 313-325.
• [10] R. Ambat, N. Aung, W. Zhou, Corros. Sci. 42 (2000) 1433-1455.
• [11] P. Uzan, N. Frumin, D. Eliezar, E. Aghion, in: E. Aghion, D. Eliezer (Eds.), Proceedings of the Second Israeli International Conference on Magnesium Science and Technology, Magnesium 2000, Dead Sea, 2000, pp. 385-391.
• [12] L. Gal-Or, M. Starostin, A. Smorodin, in: E. Aghion, D. Eliezer (Eds.), Proceedings of the First Israeli International Conference on Magnesium Science and Technology, Magnesium 2000, Dead Sea, 1997, pp. 214-219.
• [13] C. Yim, E. Ko, K. Shin, in: Proceedings of the 12th Asia Pacific Corrosion Control Conference 2001, vol. 2, Seoul, 2001, pp. 1306-1307.
• [14] O. Holta, H. Westengen, J. Roen, in: G.W. Lorimer (Ed.), Proceedings of the Third International Magnesium Conference, Manchester, 1996, pp. 75-87.
• [15] D. Albright, in: H. Paris, W. Hunt (Eds.), Advances in Magnesium Alloys and Composites, TMS, 1988, pp. 57-75.
• [16] G. Song, A. Atrens, Corrosion of Magnesium Alloys, Invited Refereed Review Article for Corrosion and Environmental Degradation of Materials, vol. 19, Wiley, New York, Mater. Sci. Technol. (2000).
• [17] G. Song, A. Atrens, X. Wu, B. Zhang, Corros. Sci. 40 (10) (1998) 1769-1791.
• [18] G. Song, A. Atrens, M. Dargush, Corros. Sci. 41 (1999) 249.
• [19] G. Song, D. StJohn, J. Light Metals 2 (2002) 1-16.
• [20] G. Song, D. StJohn, Int. J. Cast Metals Res. 12 (2000) 327-334.
• [21] H. Westengen, et al., Effect of Intermediate Temperature Ageing on Mechanical Properties and Microstructure of Die Casr AM-Alloys, Magnesium Alloys and Their Applications, Wolfsburg, Germany, 1998, pp. 209-214.
• [22] C. Suman, Heat Treatment of Magnesium Die Casting Alloys Az91 and Am60, Paper 890207, SAE International Congress and Exhibition, 1989.
• [23] T.G. Basner, M. Evans, D.J. Sakkinen, in: Magnesium Properties and Applications for Automobliesm, Detroit, USA, pp. 59-64.
• [24] D.J. Sakkinen, M. Evans, in: Proceedings of the 17th International Die Casting Congress and Exposition, Cleveland, USA, pp. 305-313.
• [25] S. Celotto, Development of Microstructures in as Cast and Heat Treated Magnesium Alloy AZ91E, Ph.D. Thesis, Department of Mining, Minerals and Materials Engineering, 1998, University of Queensland, Brisbane, Australia.
• [26] S. Celotto, T.J. Bastow, P. Humble, C.J. Bettles, in: Proceedings of the Third International Magnesium Conference, Institute of Materials, Manchester, UK, 1996, pp. 391-402.
• [27] S. Celotto, T.J. Bastow, Acta Mater. 49 (2001) 41-51.
• [28] T.J. Bastow, M.E. Smith, J. Phys. Condens. Mater. 7 (1995) 4929-4937.
• [29] C.H. Cáceres, et al., Mater. Sci. Eng. A 325 (2002) 344-355.
• [30] D. Duly, J.P. Simon, Y. Brechet, Acta Mater. 43 (1995) 101–106.
• [31] V. Baker (Ed.), Alloy Phase Diagrams, ASM Handbook, vol. 3, ASM International, Ohio, USA, 1992.
• [32] M.S. Dargusch, G.L. Dunlop, K. Pettersen, in: Magnesium Alloys and Their Applications, Werkstoff-Informations GmbH, Wolfsburg, Germany, 1998, pp. 277-282.
• [33] G. Song, A. Atrens, D. StJohn, X. Wu, J. Nairn, Corros. Sci. 39 (10-11) (1997) 1981-2004.
• [34] G.L. Makar, J. Kruger, A. Joshi, in: H.G. Paris, W.H. Hunt (Eds.), Advances in Magnesium Alloys and Composites, TMS, 1988, pp. 105-121.

9. 著作権：

• この資料は、Guangling Song, Amanda L. Bowles, David H. StJohnの論文：「Effect of Aging on Yield Stress and Corrosion Resistance of Die Cast Magnesium Alloy」に基づいています。
• 論文ソース: DOI: 10.1016/j.msea.2003.08.060
• この資料は上記の論文に基づいて要約されたものであり、商業目的での無断使用は禁止されています。
• Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved. (著作権 © 2025 CASTMAN. 無断複写・転載を禁じます。)