熱処理不要の有望な鋳造アルミニウム合金

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Figure 1 Bar permanent casting
Figure 1 Bar permanent casting

1. 概要:

  • タイトル: 熱処理不要の有望な鋳造アルミニウム合金 (PROMISING CASTING ALUMINUM ALLOYS WITHOUT REQUIREMENT FOR HEAT TREATMENT)
  • 著者: Pavel SHURKIN, Torgom AKOPYAN, Askar MUSIN
  • 出版年: 2019年
  • 発表ジャーナル/学会: METAL 2019 Conference Proceedings (2019年5月22日～24日、チェコ共和国ブルノ)
  • キーワード: 鋳造、Al-Zn-Mg系、ニッケル、カルシウム、セリウム

2. 概要 (Abstract)

Al-Zn-Mg系をベースとし、Ca、Ni、Ceをドープした3種類のアルミニウム合金を研究しました。高温割れ傾向、相組成、組織形成の調査を実施しました。Ca、Ni、Ceグループの元素による合金化は、市販のA206合金よりも優れた鋳造特性を向上させるのに効果的です。砂型鋳造中の徐冷後の組織は、主に針状のAl3Feを含んでいます。しかし、金型鋳造後の鉄含有相は、三元相Al10CaFe2、Al9FeNi、Al10CeFe2のみです。ZnおよびMg含有量のほとんどは、鋳造の結果としてアルミニウム固溶体中に存在し、as-cast状態で適切な機械的特性をもたらします。さらに、鉄含有量が高いと、新しい合金をリサイクルタイプに含めることができ、低品位アルミニウムまたはスクラップを使用して製造できる可能性があります。

3. 研究背景:

研究テーマの背景:

ほとんどの鋳造アルミニウム合金は、共晶成分とリサイクル性により鋳造性に優れたAl-Si (4xx)合金です[1, 2]。しかし、非熱処理Al-Si合金は、通常、as-cast状態での極限引張強さ(UTS)が限られているか、延性が低い[2, 4, 5]。Al-Mg (5xx)合金は高い延性を達成できますが、多くの場合、降伏強さ(YS)が低い[2, 6-8]。通常、鍛造製品に使用されるAl-Zn-Mg (7xxx)合金は、時効後に高い強度を提供しますが、共晶液相がないため鋳造性が低い[1]。

先行研究の現状:

以前の研究では、Al-Zn-Mg合金に共晶形成元素と鉄を添加する方法が検討されてきました[10, 11]。Al-Zn-Mg-Ni-Fe合金は、T6状態で高いUTSを達成し、有望性を示しています[11]。Al-Zn-Mg合金へのカルシウム添加は、耐食性を改善し、密度を低下させることができ[12]、いくつかの研究ではAl-Zn-Mg-Ca-Fe合金に焦点を当てています[10]。セリウムはアルミニウム合金中で共晶相を形成しますが[14]、Al-Zn-Mg合金での使用は限られており、いくつかの研究ではAl-Zn-Mg-Cu合金中で粗大なAl8Cu4Ce形成が示されています[15]。

研究の必要性:

熱処理を必要とせず、as-cast状態で高い強度と延性を示し、潜在的にリサイクル材料を利用できる鋳造アルミニウム合金の必要性があります。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

as-cast状態での使用を目的としたAl-Zn-Mg-Ni(Ca, Ce)-Fe系に基づく、有望な新しい高強度アルミニウム合金を得るための主要な機会を実証すること。

主要な研究:

鋳造特性、微細構造、機械的特性の調査の決定。

5. 研究方法

この研究には、Al-5.5% Zn-1.5% Mgマトリックスをベースとし、0.5% Feと、それぞれ1% Ni、1% Ca、1% Ceをドープした3つの実験用アルミニウム合金の作成が含まれていました。合金は、純粋な材料と母合金を溶融することによって製造されました。溶湯精製は、C2Cl6粉末注入を使用して行われました。化学組成は、ARL3460発光分光計を使用して分析されました(Table 1)。高温割れ試験は、ペンシル型鋳物を使用して実施されました。微細構造分析は、SEM (TESCAN VEGA 3)および電子マイクロプローブ分析(Oxford AZtec)を使用して実行されました。試料は電解エッチングされました。徐冷(砂型)および金型鋳物(Figure 1)が製造されました。引張試験は、Z250 Zwick/Roellマシンを使用してas-castサンプルで実施されました。

6. 主要な研究結果:

主要な研究結果と提示されたデータ分析:

高温割れ試験(Figure 2)では、実験合金(A1、A2、A3)が市販のA206合金よりも優れた鋳造特性を持つことが示されました。徐冷後の微細構造分析(Figure 3)では、主に針状のAl3Fe相が明らかになりました。金型鋳物は、より微細な微細構造を示しました(Figure 4)。A1(Ni含有)合金は、Al9FeNi相と過飽和アルミニウム固溶体を示しました。A2(Ca含有)合金は、(Al, Zn)4CaとおそらくAl10CaFe2を示しました。A3(Ce含有)合金は、Al10CeFe2を示しました。引張試験(Figure 5)では、A1およびA2合金がUTS > 330 MPa、YS > 220 MPa、伸び > 5%を達成したことが示されました。A3合金は、YSは低いものの、伸びは高くなっています。

Figure 2 Pencil-type hot tearing test castings: (a) A1 alloy; (b) A2 alloy; (c) A3 alloy; (d) A206 commercial alloy
Figure 2 Pencil-type hot tearing test castings: (a) A1 alloy; (b) A2 alloy; (c) A3 alloy; (d) A206 commercial alloy
Figure 3 As-cast microstructures of experimental alloys after slow cooling: (a) A1 alloy; (b) A2 alloy; (c) A3 alloy
Figure 3 As-cast microstructures of experimental alloys after slow cooling: (a) A1 alloy; (b) A2 alloy; (c) A3 alloy
Figure 4 As-cast microstructures of experimental alloys after permanent mold casting: (a) A1 alloy; (b) A2 alloy; (c) A3 alloy; (d) Al7Si0.3Mg alloy; (e) Al12Si2Cu alloy;
Figure 4 As-cast microstructures of experimental alloys after permanent mold casting:
(a) A1 alloy; (b) A2 alloy; (c) A3 alloy; (d) Al7Si0.3Mg alloy; (e) Al12Si2Cu alloy;
Figure 5 Tensile properties of experimental alloys under as-cast state: (a) UTS; (b) YS; (c) El
Figure 5 Tensile properties of experimental alloys under as-cast state: (a) UTS; (b) YS; (c) El

図の名称リスト:

  • Figure 1 Bar permanent casting (棒状金型鋳造)
  • Figure 2 Pencil-type hot tearing test castings: (a) A1 alloy; (b) A2 alloy; (c) A3 alloy; (d) A206 commercial alloy (ペンシル型高温割れ試験鋳物: (a) A1合金; (b) A2合金; (c) A3合金; (d) A206市販合金)
  • Figure 3 As-cast microstructures of experimental alloys after slow cooling: (a) A1 alloy; (b) A2 alloy; (c) A3 alloy (徐冷後の実験合金のas-cast微細構造: (a) A1合金; (b) A2合金; (c) A3合金)
  • Figure 4 As-cast microstructures of experimental alloys after permanent mold casting: (a) A1 alloy; (b) A2 alloy; (c) A3 alloy; (d) Al7Si0.3Mg alloy; (e) Al12Si2Cu alloy; (金型鋳造後の実験合金のas-cast微細構造: (a) A1合金; (b) A2合金; (c) A3合金; (d) Al7Si0.3Mg合金; (e) Al12Si2Cu合金)
  • Figure 5 Tensile properties of experimental alloys under as-cast state: (a) UTS; (b) YS; (c) El (as-cast状態での実験合金の引張特性: (a) UTS; (b) YS; (c) El)

7. 結論:

主要な調査結果の要約:

Ni、Ca、Ce、Feを添加したAl-Zn-Mg系に基づく新しい鋳造アルミニウム合金をas-cast状態で調査しました。これらの元素の添加により、高温割れ抵抗が向上しました。金型鋳造後、三元相(Al9FeNi、Al10CaFe2、Al10CeFe2)を含む微細で分散した組織が得られました。共晶金属間化合物と過飽和固溶体の組み合わせにより、市販の非熱処理鋳造アルミニウム合金を上回る高い機械的特性が得られました。鉄含有量が高いため、二次材料または低品位アルミニウムを使用できます。

8. 参考文献:

  • [1] HATCH, J.E. Aluminum: Properties and Physical Metallurgy. Ohio: American Society for Metals,1984. p. 424.
  • [2] GLAZOFF, M., KHVAN, A., ZOLOTOREVSKY, V., BELOV, N., DINSDALE, A. Casting Aluminum Alloys: 2nd Edition: Their Physical and Mechanical Metallurgy. Elsevier, 2018. p. 608
  • [3] ZÁVODSKÁA, D., TILLOVÁA, E., ŠVECOVÁA, I., KUCHARIKOVÁ, L., CHALUPOVÁ, M. Secondary cast Al-alloys with higher content of iron. Materials Today: Proceedings, vol. 5, 2018, pp. 26680-26686.
  • [4] DONG, X., YANG, H., ZHU, X., JI, S. High strength and ductility aluminium alloy processed by high pressure die casting. JALCOM. 2019. vol. 773, pp. 86-96.
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  • [10] SHURKIN, P.K., DOLBACHEV, A.P., NAUMOVA, E.A., DOROSHENKO, V.V. Effect of iron on the structure, hardening and physical properties of the alloys of the Al-Zn-Mg-Ca system. Tsvetnye Metally. 2018. no. 5, pp. 69-77.
  • [11] MANN, V.Kh., ALABIN, A.N., KROKHIN, A.Yu., FROLOV, A.V., BELOV, N.A. New Generation of High Strength Aluminum Casting Alloys. Light Metal Age. 2015. vol. 73, №5, pp. 44-47.
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  • [13] GOTO, S., KIM, B-II., PARK, H.-H., BELOV, N.A., ZOLOTOREVKIJ, V.S., ASO, S., Komatsu Y. Application of Multiphase Eutectics to Development of High Strength Cast Aluminum Alloys. Journal of Society of Materials Engineering for Resources of Japan. 2002. vol.15, no. 2, pp.66-73.
  • [14] LAI, J.-P., JIANG, R.-P., LIU, H.-S., DUN, X.-L., LI, Y.-F., LI, X.-Q. Influence of cerium on microstructures and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu alloys. Journal of Central South University. 2012. vol. 19, issue 4, pp. 869–874.

9. 著作権:

  • この資料は、"[SHURKIN, P., AKOPYAN, T., & MUSIN, A.]"の論文: "[熱処理不要の有望な鋳造アルミニウム合金]"に基づいています。
  • 論文出典: [DOI: 10.37904/metal.2019.742]

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Tags: Al-Si alloy; ,aluminum alloy; ,aluminum alloys; ,Aluminum Casting; ,Applications; ,Die casting; ,High pressure die casting; ,Microstructure; ,Permanent mold casting; ,금형