高圧ダイカスト薄肉AlSi10MnMg縦通し材の機械的特性と析出相粒子の制御に対する人工時効処理の効果

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1. 概要：

  • タイトル: 高圧ダイカスト薄肉AlSi10MnMg縦通し材の機械的特性と析出相粒子の制御に対する人工時効処理の効果 (Effect of Artificial Aging Treatment on the Mechanical Properties and Regulation of Precipitated Phase Particles of High-Pressure Die-Cast Thin-Wall AlSi10MnMg Longitudinal Carrier)
  • 著者: Xu Zhao, Ping Wang, Yang Yang, Song Wang, Qiang Zhao, Jingying Sun
  • 発表年: 2023年
  • 掲載ジャーナル/学会誌: マテリアルズ, MDPI (Materials, MDPI)
  • キーワード: 一段時効; 二段時効; AlSi10MnMg合金; 微細組織; 機械的特性 (single-stage aging; double-stage aging; AlSi10MnMg alloy; microstructure; mechanical properties)
Figure 1. Shape specifications of longitudinal carrier and sampling position of tensile sample. Figure 2. Dimensions of tensile specimen. Figure 1. Shape specifications of longitudinal carrier and sampling position of tensile sample.
Figure 1. Shape specifications of longitudinal carrier and sampling position of tensile sample. Figure 2. Dimensions of tensile specimen. Figure 1. Shape specifications of longitudinal carrier and sampling position of tensile sample.

2. 研究背景：

  • 研究テーマの社会的/学術的背景: 電気自動車の販売台数が急増する近年、自動車産業における軽量化のトレンドが加速しており、アルミニウム合金の重要性が高まっています。特に、縦通し材などの自動車構造部品に多用される高品質AlSi10MnMg合金ダイカスト材は注目されています。これらの合金の強度を高めるためには、時効硬化熱処理が不可欠です。
  • 既存研究の限界: AlSi10MnMg合金はT6溶体化時効処理後、高い引張強度と硬度を示しますが、伸びなどの特性のさらなる向上が求められています。既存の研究では、AlSi10MnMg合金の二段時効処理後の機械的特性と析出相に関する知見が限られています。
  • 研究の必要性: 自動車構造部品用ダイカストAlSi10MnMg合金の性能を最適化するためには、二段時効メカニズムのより深い理解が必要です。本研究は、二段時効処理を最適化し、この合金において強度、硬度、延性の優れたバランスを実現することを目的としています。

3. 研究目的と研究課題：

  • 研究目的: ダイカストAlSi10MnMgアルミニウム合金の機械的特性と微細組織に対する一段および二段人工時効処理の影響を調査すること。最適な時効処理プロセスを特定し、合金の性能向上をもたらすミクロメカニズムを解明することを目的としています。
  • 主な研究課題:
    • 一段時効および二段時効処理は、ダイカストAlSi10MnMg合金の微細組織および機械的特性（引張強度、硬度、伸び）にどのような影響を与えるか？
    • 強度と延性を最大化するための最適な一段時効および二段時効処理のパラメータは何か？
    • 一段時効および二段時効中の機械的特性の変化に関与するミクロメカニズム、特に析出相に関連するメカニズムは何か？
  • 研究仮説: 本研究では、二段時効処理は、AlSi10MnMg合金中の二次相の析出と成長を制御することにより、一段時効処理よりも優れた機械的特性をもたらすと仮説を立てています。

4. 研究方法

  • 研究デザイン: ダイカストAlSi10MnMg合金に一段および二段人工時効処理を施す実験的研究。二段時効パラメータの最適化には、直交実験計画法（L9(3^4)テーブル）を使用しました。
  • データ収集方法:
    • 化学組成分析: 光放出分光分析 (OES)
    • 引張試験: 室温、ひずみ速度1 mm/min⁻¹の万能試験機 (Z150) を使用し、DIN50125-E5試験片を使用。
    • 硬さ試験: マイクロ硬さ試験機（荷重62.5 kgf、負荷時間30秒）を用いたブリネル硬さ測定。
    • 微細組織解析: 光学顕微鏡 (OM) およびエネルギー分散型分光法 (EDS) を備えた走査型電子顕微鏡 (SEM)。
    • 相分析: モノクロCu-Kα線を用いたX線回折 (XRD)。
    • 析出相測定: Image-Pro Plusソフトウェア。
  • 分析方法:
    • 二段時効における時効パラメータの影響を決定するためのSPSSソフトウェアを用いたレンジ分析および直交分析。
    • 時効パラメータの変化に伴う機械的特性と微細組織の分散分析。
    • 微細組織の特徴（析出物のサイズ、分布、相）と機械的特性の相関分析。
  • 研究対象と範囲: Brilliance BMW Ltd. から提供されたダイカスト薄肉AlSi10MnMg縦通し材サンプル。サンプルは520℃で2時間溶体化処理後、一段時効（165℃、180℃、195℃で1時間、3時間、5時間）および二段時効（直交設計パラメータ）を実施。

5. 主な研究結果：

  • 主な研究結果:
    • 一段時効: 一段時効のピーク強度は180℃×3時間で達成され、引張強度332.5 MPa、ブリネル硬度133.0 HB、伸び5.56%が得られました。引張強度と硬度は時効時間の増加とともに最初は増加し、その後減少しましたが、伸びは逆の傾向を示しました。
    • 二段時効: 最適な二段時効処理は、一段時効を100℃×3時間、二段時効を180℃×3時間と特定されました。レンジ分析の結果、機械的特性に対するパラメータの影響は、一段時効時間 > 一段時効温度 > 二段時効時間 > 二段時効温度の順であることが示されました。
    • 微細組織: 粒界における二次相粒子の量は、時効温度と保持時間の増加とともに増加し、時効が進むにつれて安定化し、最終的には粗大化しました。二段時効は、一段時効と比較して、よりコンパクトで均一に分散した析出物をもたらしました。
    • 破面: 破面は、延性ディンプルと脆性劈開ステップを含む混合破面特性を示しました。
  • 統計的/定性的分析結果:
    • 直交実験のレンジ分析により、一段時効時間が強度-靭性指標（Q値）に最も影響を与える因子であることが示されました。
    • XRD分析により、時効処理されたサンプル中のMg₂Si相の析出が確認され、ピークのシャープネスと面積の変化は、時効条件と機械的特性と相関していることが示されました。
  • データ解釈:
    • 180℃で3時間の一段時効は、強度と硬さの良好なバランスを提供します。
    • 最適化されたパラメータを用いた二段時効は、析出物の形態と分布を制御することにより、機械的特性をさらに向上させます。初期の低温時効ステップは、安定なG.P.ゾーンの形成を促進し、それが後続の高温時効中のより微細で均一な析出を促進します。
  • 図のリスト:
    • 図 1. 縦通し材の形状仕様と引張試験片のサンプリング位置。
    • 図 2. 引張試験片の寸法。
    • 図 3. 一段時効後のAlSi10MnMg縦通し材の光学顕微鏡写真。
    • 図 4. 異なる時効時間におけるAlSi10MnMg縦通し材の機械的特性。
    • 図 5. 異なる時効温度におけるAlSi10MnMg縦通し材の機械的特性。
    • 図 6. AlSi10MnMg縦通し材の引張破面のSEM像。
    • 図 7. ダイカストAlSi10MnMg縦通し材のQ値に対する二段時効パラメータの影響。
    • 図 8. 一段時効および二段時効後のAlSi10MnMg縦通し材の光学顕微鏡写真。
    • 図 9. 一段時効および二段時効後のAlSi10MnMg縦通し材のSEM像およびEDS面スキャン結果。
    • 図 10. AlSi10MnMg縦通し材のXRD試験結果。
Figure 2. Dimensions of tensile specimen
Figure 2. Dimensions of tensile specimen
gure 3. Optical micrograph of AlSi10MnMg longitudinal carrier after single-stage aging at (a) 165 °C × 1 h; (b) 165 °C × 3 h; (c) 165 °C × 5 h; (d) 180 °C × 1 h; (e) 180 °C × 3 h; (f) 180 °C × 5 h; (g) 195 °C × 1 h; (h) 195 °C × 3 h; (i) 195 °C × 5 h. Figure 3. Optical micrograph of AlSi10MnMg longitudinal carrier after single-stage aging at (a) 165 ◦C × 1 h; (b) 165 ◦C × 3 h; (c) 165 ◦C × 5 h; (d) 180 ◦C × 1 h; (e) 180 ◦C × 3 h; (f) 180 ◦C × 5 h; (g) 195 ◦C × 1 h; (h) 195 ◦C × 3 h; (i) 195 ◦C × 5 h.
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Figure 6. Tensile fracture surfaces SEM images of AlSi10MnMg longitudinal carrier at (a) 165 °C × 3 h; (b) 180 °C × 3 h; (c) 195 °C × 3
Figure 6. Tensile fracture surfaces SEM images of AlSi10MnMg longitudinal carrier at (a) 165 °C × 3 h; (b) 180 °C × 3 h; (c) 195 °C × 3

6. 結論と考察：

  • 主な結果の要約: 本研究では、ダイカストAlSi10MnMg合金の一段および二段人工時効処理の最適化に成功しました。180℃×3時間の一段時効でピーク強度が得られました。最適なパラメータである100℃×3時間 + 180℃×3時間の二段時効は、強度と靭性のバランスをさらに向上させました。微細組織解析とXRDにより、機械的特性に影響を与える析出相の役割が確認されました。
  • 研究の学術的意義: 本研究は、特に二段時効条件下でのダイカストAlSi10MnMg合金の時効挙動に関する包括的な理解を提供します。時効パラメータ、微細組織の進化、および機械的特性の関係を解明し、この合金系における時効硬化メカニズムの基礎知識に貢献します。
  • 実用的な意義: 本研究で特定された最適化された二段時効処理は、自動車の縦通し材などのAlSi10MnMgダイカスト部品の機械的性能を向上させるための実用的なアプローチを提供します。これにより、より軽量で強力な自動車構造が実現し、電気自動車の燃費と性能の向上に貢献できます。最適な一段時効条件も、より簡便な熱処理プロセスに関する貴重な参考情報を提供します。
  • 研究の限界: 本研究は、特定の時効温度と時間に焦点を当てています。さらなる研究では、より広範囲のパラメータとその相互作用を調査することができます。研究は実験室規模の実験に限定されており、最適化されたプロセスの工業規模での検証が推奨されます。

7. 今後のフォローアップ研究：

  • 今後のフォローアップ研究の方向性:
    • 最適な二段時効処理をさらに洗練するために、より広範囲の一段時効および二段時効パラメータの影響を調査する。
    • AlSi10MnMg合金の時効応答に対する微量元素および鋳造プロセス変動の影響を調査する。
    • 二段時効中の析出物進化のその場観察研究を実施し、変態速度論に関するより深い洞察を得る。
    • 最適化された二段時効処理を施したAlSi10MnMg合金の疲労および腐食性能を評価する。
  • さらなる探求が必要な分野:
    • 二段時効処理によって達成された機械的特性の長期安定性。
    • 工業用ダイカストプロセスにおける二段時効処理の実装の経済的実現可能性とスケーラビリティ。
    • AlSi10MnMg合金の析出プロセスをモデル化およびシミュレーションして、時効処理を予測および最適化する。

8. 参考文献：

  1. Dhara, S.; Das, A. Impact of ultrasonic welding on multi-layered Al–Cu joint for electric vehicle battery applications: A layer-wise
    microstructural analysis. Mater. Sci. Eng. A Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process. 2020, 791, 139795. [CrossRef]
  2. Dunn, J.; Gaines, L.; Kelly, J.; James, C.; Gallagher, K. The significance of Li-ion batteries in electric vehicle life-cycle energy and
    emissions and recycling’s role in its reduction. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 158–168. [CrossRef]
  3. De Leon, M.; Shin, H. Review of the advancements in aluminum and copper ultrasonic welding in electric vehicles and
    superconductor applications. J. Mater. Process. Technol. 2022, 307, 117691. [CrossRef]
  4. Sadeghian, A.; Iqbal, N. A review on dissimilar laser welding of steel-copper, steel-aluminum, aluminum-copper, and steel-nickel
    for electric vehicle battery manufacturing. Opt. Laser Technol. 2022, 146, 107595. [CrossRef]
  5. Camargos, P.; Santos, P.; Santos, I.; Ribeiro, G.; Caetano, R. Perspectives on Li-ion battery categories for electric vehicle applications:
    A review of state of the art. Int. J. Energy Res. 2022, 46, 19258–19268. [CrossRef]
  6. Popescu, M.; Goss, J.; Staton, D.; Hawkins, D.; Chong, Y.; Boglietti, A. Electrical Vehicles-Practical Solutions for Power Traction
    Motor Systems. IEEE Trans. Ind. Appl. 2018, 54, 2751–2762. [CrossRef]
  7. Battaglia, E.; Bonollo, F.; Ferro, P.; Fabrizi, A. Effect of Heat Treatment on Commercial AlSi12Cu1(Fe) and AlSi12(b) Aluminum
    Alloy Die Castings. Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci. 2018, 49, 1631–1640. [CrossRef]
  8. Dash, S.; Li, D.; Zeng, X.; Li, D.; Chen, D. Low-cycle fatigue behavior of Silafont®-36 automotive aluminum alloy: Effect of
    negative strain ratio. Mater. Sci. Eng. A Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process. 2022, 852, 143701. [CrossRef]
  9. Zhang, J.; Cinkilic, E.; Huang, X.; Wang, G.; Liu, Y.; Weiler, J.; Luo, A. Optimization of T5 heat treatment in high pressure die
    casting of Al–Si–Mg–Mn alloys by using an improved Kampmann-Wagner numerical (KWN) model. Mater. Sci. Eng. A Struct.
    Mater. Prop. Microstruct. Process. 2023, 865, 144604. [CrossRef]
  10. Schwankl, M.; Himmler, D.; Urban, M.; Körner, C. Optimization of Mechanical Properties of Al–Al-Compound Castings by
    Adapted Heat Treatment. Adv. Eng. Mater. 2018, 20, 1800400. [CrossRef]
  11. Shi, J.; Pries, H.; Stammen, E.; Dilger, K. Chemical pretreatment and adhesive bonding properties of high-pressure die cast
    aluminum alloy: AlSi10MnMg. Int. J. Adhes. Adhes. 2015, 61, 112–121. [CrossRef]
  12. Mazahery, A.; Shabani, M.O. Experimental Investigation on the Aging Response, Hardness and Total Impact Energy Absorption
    of Sr-Modified Heat-Treatable Cast Automotive Aluminum Alloys. Trans. Indian Inst. Met. 2014, 67, 753–759. [CrossRef]
  13. Jiao, X.; Zhang, Y.; Wang, J.; Nishat, H.; Liu, Y.; Liu, W.; Xiong, S. Characterization of externally solidified crystals in a highpressure die-cast AlSi10MnMg alloy and their effect on porosities and mechanical properties. J. Mater. Process. Technol. 2021,
    298, 117299. [CrossRef]
  14. Niklas, A.; Orden, S.; Bakedano, A.; Da Silva, M.; Nogués, E.; Fernández-Calvo, A. Effect of solution heat treatment on gas
    porosity and mechanical properties in a die cast step test part manufactured with a new AlSi10MnMg(Fe) secondary alloy. Mater.
    Sci. Eng. A Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process. 2016, 667, 376–382. [CrossRef]
  15. Huang, L.; Peng, L.; Mi, X.; Zhao, G.; Huang, G.; Xie, H.; Zhang, W. Effect of Cold Working on the Properties and Microstructure
    of Cu-3.5 wt% Ti Alloy. Materials 2022, 15, 8042. [CrossRef] [PubMed]
  16. Kapil, A.; Lee, T.; Vivek, A.; Cooper, R.; Hetrick, E.; Daehn, G. Spot impact welding of an age-hardening aluminum alloy: Process,
    structure and properties. J. Manuf. Process. 2019, 37, 42–52. [CrossRef]
  17. Tao, K.; Xu, J.; Zhang, D.; Zhang, A.; Su, G.; Zhang, J. Effect of Final Thermomechanical Treatment on the Mechanical Properties
    and Microstructure of T Phase Hardened Al-5.8Mg-4.5Zn-0.5Cu Alloy. Materials 2023, 16, 3062. [CrossRef]
  18. Liu, F.; Yu, F.; Zhao, D. Aging Behavior and Precipitates Analysis of Wrought Al-Si-Mg Alloy. Materials 2022, 15, 8194. [CrossRef]
  19. Szlancsik, A.; Kincses, D.; Orbulov, I. Mechanical properties of AlSi10MnMg matrix syntactic foams filled with lightweight
    expanded clay particles. IOP Conference Series. Mater. Sci. Eng. 2020, 903, 12045.
  20. Nishiwaki, Y.; Takekawa, T. Forensic Comparison of Automotive Aluminum Wheel Fragments Using Synchrotron Radiation
    X-ray Fluorescence with 18- and 116-keV Excitation X-rays. J. Forensic Sci. 2019, 64, 1034–1039. [CrossRef]
  21. Srivastava, M.C.; Lohne, O. Effects of Heat Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of Ductile AlSi9MgMn
    Die Castings. Inter. Metalcast. 2016, 10, 556–565. [CrossRef]
  22. Birol, Y.; Karlik, M. The interaction of natural ageing with straining in a twin-roll cast AlMgSi automotive sheet. Scr. Mater. 2006,
    55, 625–628. [CrossRef]
  23. Wang, W.; Pan, Q.; Wang, X.; Sun, Y.; Ye, J.; Lin, G.; Liu, Y. Non-isothermal aging: A heat treatment method that simultaneously
    improves the mechanical properties and corrosion resistance of ultra-high strength Al-Zn-Mg-Cu alloy. J. Alloys Compd. 2020,
    845, 156286. [CrossRef]
  24. Wu, C.; Feng, D.; Ren, J.; Zang, Q.; Li, J.; Liu, S.; Zhang, X. Effect of non-isothermal retrogression and re-ageing on throughthickness homogeneity of microstructure and properties of Al-8Zn-2Mg-2Cu alloy thick plate. J. Cent. South Univ. 2022, 29,
    960–972. [CrossRef]
  25. Zheng, X.; Yang, Y.; Tang, J.; Han, B.; Xu, Y.; Zeng, Y.; Zhang, Y. Influence of Retrogression Time on the Fatigue Crack Growth
    Behavior of a Modified AA7475 Aluminum Alloy. Materials 2023, 16, 2733. [CrossRef]
  26. Anijdan, S.M.; Kang, D.; Singh, N.; Gallerneault, M. Precipitation behavior of strip cast Al-Mg-0.4Sc-0.15Zr alloy under single and
    multiple-stage aging processes. Mater. Sci. Eng. A 2015, 640, 275–279. [CrossRef]
  27. Santhosh, R.; Geetha, M.; Saxena, V.K.; Nageswararao, M. Studies on single and duplex aging of metastable beta titanium alloy
    Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. J. Alloys Compd. 2014, 605, 222–229. [CrossRef]
  28. Oh-ishi, K.; Hono, K.; Shin, K.S. Effect of pre-aging and Al addition on age-hardening and microstructure in Mg-6wt% Zn alloys.
    Mater. Sci. Eng. A 2008, 496, 425–433. [CrossRef]
  29. Antunes, P.; Silva, C.; Correa, E.; Tavares, S. Influence of the heat input and aging treatment on microstructure and mechanical
    properties of AISI 317 L steel weldments using 0020 robotic–pulsed GMAW. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2019, 105, 5151–5163.
    [CrossRef]
  30. Zhu, S.Z.; Luo, T.J.; Yang, Y.S. Improving mechanical properties of age-hardenable Mg-6Zn-4Al-1Sn alloy processed by double
    aging treatment. J. Mater. Sci. Technol. 2017, 33, 1249–1254. [CrossRef]
  31. Shaeri, M.; Taheri, K.; Taheri, A.; Shaeri, M. Influence of heat treatment and aging on microstructure and mechanical properties of
    Mg-1.8Zn-0.7Si-0.4Ca alloy. Mater. Werkst. 2019, 50, 187–196. [CrossRef]
  32. Abdelaziz, M.; Samuel, A.; Doty, H.; Songmene, V.; Samuel, F. Mechanical Performance and Precipitation Behavior in Al-Si-Cu-Mg
    Cast Alloys: Effect of Prolonged Thermal Exposure. Materials 2022, 15, 2830. [CrossRef] [PubMed]
  33. Ammar, H.; Moreau, C.; Samuel, A.; Samuel, F.; Doty, H. Influences of alloying elements, solution treatment time and quenching
    media on quality indices of 413-type Al–Si casting alloys. Mater. Sci. Eng. A Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process. 2008, 489,
    426–438. [CrossRef]
  34. Xu, J.; Pan, Y.; Lu, T.; Bo, B. Synergistic effects of composition and heat treatment on microstructure and properties of vacuum die
    cast Al-Si-Mg-Mn alloys. China Foundry 2018, 15, 117–123. [CrossRef]
  35. Vissers, R.; Van Huis, M.; Jansen, J.; Zandbergen, H.; Marioara, C.; Andersen, S. The crystal structure of the β
    0 phase in Al–Mg–Si
    alloys. Acta Mater. 2017, 55, 3815–3823. [CrossRef]
  36. Lazi´c, M.M.; Lazi´c, M.; Milašin, J.; Popovi´c, D.; Majeriˇc, P.; Rudolf, R. In Vitro Evaluation of the Potential Anticancer Properties of
    Cu-based Shape Memory Alloys. Materials 2023, 16, 2851. [CrossRef]
  37. Ninive, P.; Strandlie, A.; Gulbrandsen-Dahl, S.; Lefebvre, W.; Marioara, C.; Andersen, S.; Løvvik, O. Detailed atomistic insight
    into the β” phase in Al–Mg–Si alloys. Acta Mater. 2014, 69, 126–134. [CrossRef]

9. 著作権：

  • この資料は、"Xu Zhao, Ping Wang, Yang Yang, Song Wang, Qiang Zhao, Jingying Sun" の論文：「高圧ダイカスト薄肉AlSi10MnMg縦通し材の機械的特性と析出相粒子の制御に対する人工時効処理の効果」に基づいています。
  • 論文ソース: https://doi.org/10.3390/ma16124369

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