AlSi9Mg合金の機械的特性に及ぼすリチウム（Li）添加と保持時間の影響

AlSi9Mg合金の性能を解き明かす：リチウム添加と保持時間が機械的特性に与える影響

本技術概要は、[La Metallurgia Italiana] ([2021年]) に掲載された、[O. Özaydın, Y. Kaya, D. Dışpınar] による学術論文「[Effect of Li additions and holding time on the mechanical properties of the AlSiM9mg alloys]」に基づいています。

Tab.6 - Mechanical properties of First Trial Casting.

キーワード

主要キーワード: AlSi9Mg合金
副次キーワード: リチウム添加, 保持時間, 機械的特性, 引張強さ, 伸び, 湯流れ性, ダイカスト

エグゼクティブサマリー

課題: 軽量化用途で使用されるAlSi9Mg合金において、リチウム（Li）の添加と溶湯の保持時間が、機械的特性や鋳造性にどのように影響するか。
手法: AlSi9Mg合金に0.1wt%および0.2wt%のLiを添加し、添加直後（t=0h）と1時間保持後（t=1h）に鋳造を行い、化学組成、組織、機械的特性、湯流れ性を評価した。
重要なブレークスルー: 溶湯を1時間保持するとLi含有量が約70%も劇的に減少し、これにより強度はわずかに低下するものの、伸び（延性）が大幅に向上することが判明した。
結論: Li添加はAlSi9Mg合金の特性に複雑な影響を与え、特に溶湯の保持時間がその効果を大きく左右する。高い延性が得られる一方で、初期のLi濃度が高いと湯流れ性が悪化するため、精密なプロセス管理が不可欠である。

課題：なぜこの研究がHPDC専門家にとって重要なのか

自動車産業では、燃費向上と排出ガス規制の強化という要求に応えるため、アルミニウム合金の利用が拡大しています。特にAlSi9Mg合金は、その軽量性、鋳造性、および高い比強度から、ホイールやエンジン部品などに広く採用されています。しかし、さらなる性能向上のためには、合金の機械的特性を改善する新たな開発が求められています。

航空宇宙分野で軽量化のために使用されるリチウム（Li）の添加は、その一つの可能性として注目されています。しかし、Liをアルミニウム合金に添加する際には、高濃度でのスラグ（酸化物）の発生や、湯流れ性への影響といった課題が存在します。本研究は、これらの課題を考慮し、比較的低濃度のLi添加と、製造プロセスにおける「保持時間」という現実的な変数が、AlSi9Mg合金の最終的な機械的特性にどのような影響を及ぼすかを解明することを目的としており、これは品質の安定化と性能向上を目指す全てのダイカスト技術者にとって重要な知見です。

アプローチ：研究手法の解明

本研究の信頼性は、体系的かつ厳密な実験計画に基づいています。研究者らは、AlSi9Mg合金の機械的特性に対するLi添加と保持時間の影響を定量的に評価するために、以下の手法を用いました。

手法1：合金の準備と鋳造 - ベース合金: AlSi9Mg合金を使用。 - 溶融プロセス: 10kg容量のSiC（炭化ケイ素）るつぼを使用し、720°Cでベースメタルを溶融。 - Li添加: AlLi5マスターアロイを用いて、目標濃度0.1wt%および0.2wt%となるようにLiを720±30°Cで添加。 - 変数: 2つのLi濃度（0.1%, 0.2%）と2つの保持時間（t=0時間、t=1時間）を設定。1時間の保持は、Liが高温で燃焼（分解）する影響を評価するために行われた。

手法2：評価と分析 - 化学組成分析: 各条件で鋳造されたサンプルの化学組成を分析し、特にLi含有量の変化を精密に測定。 - 組織観察: マクロおよびミクロ組織を観察し、Li添加と保持時間が合金の内部構造に与える影響を評価。 - 機械的特性試験: 引張試験を実施し、極限引張強さ（UTS）、0.2%耐力（YS）、破断伸び（%E）を測定。 - 湯流れ性試験: スパイラルフロー試験により、溶融合金の湯流れ性を評価。

ブレークスルー：主要な発見とデータ

本研究により、AlSi9Mg合金へのLi添加と保持時間に関する、製造現場で直接応用可能な重要な知見が得られました。

発見1：保持時間によるLi含有量の劇的な減少

最も驚くべき発見は、溶融状態での保持時間がLiの残存量に与える影響です。Table 1-4の化学分析結果によると、1時間の保持でLi含有量は大幅に減少しました。 - 0.1% Li添加サンプル: 初期Li濃度0.086%に対し、1時間後には0.025%にまで減少（約71%減）。 - 0.2% Li添加サンプル: 初期Li濃度0.230%に対し、1時間後には0.029%にまで減少（約87%減）。これは、Liが高温の溶湯中で時間とともに「バーンオフ（燃焼・蒸発）」することを示しており、溶湯管理の重要性を裏付けています。

発見2：保持時間による機械的特性の変化（伸びの向上）

Li含有量の変化は、機械的特性に直接的な影響を及ぼしました。Table 6のデータは、強度と延性の間の興味深いトレードオフを示しています。 - 0.1% Li添加サンプル: 1時間の保持後、極限引張強さ（UTS）は154.14 N/mm²から149.15 N/mm²へとわずかに減少しましたが、伸び（%E）は4.15%から5.86%へと大幅に向上しました。 - 0.2% Li添加サンプル: 1時間の保持後、UTSは144.85 N/mm²から159.29 N/mm²へと増加し、伸び（%E）も3.36%から6.95%へと劇的に向上しました。両サンプルに共通する傾向は、保持によるLi減少が延性（伸び）の向上に寄与する点です。これは、合金中のLiが減少することで、組織がより延性的になった可能性を示唆しています。

発見3：高濃度Li添加による湯流れ性の低下

鋳造性、特に湯流れ性はダイカストにおいて極めて重要です。Table 6の湯流れ性試験装置の写真から、初期のLi濃度が高いほど湯流れ性が悪化することが視覚的に確認できます。 - 0.2% Li添加サンプル（t=0s）は、0.1% Li添加サンプル（t=0s）と比較して、スパイラルの長さが短いことが示されています。論文の結論でも「Liレベルの上昇は湯流れ性に悪影響を及ぼした」と明記されており、複雑な形状や薄肉の製品を製造する際には、Liの添加量に注意が必要であることを示唆しています。

研究開発および製造オペレーションへの実践的な示唆

プロセスエンジニア向け: 本研究は、Liを添加したAlSi9Mg溶湯の保持時間が、最終製品の機械的特性を左右する重要なパラメータであることを示しています。Liのバーンオフ率が非常に高いため、安定した品質を確保するには、溶解から鋳造までの時間を厳密に管理・標準化する必要があります。
品質管理チーム向け: Table 6のデータが示すように、同じ溶湯から採取したサンプルでも、保持時間が異なれば伸びの値が大きく異なる可能性があります（例：0.1% Liサンプルで4.15%から5.86%へ変化）。これは、サンプリングのタイミングが品質評価に大きく影響することを意味し、検査基準の策定において考慮すべき点です。
設計・研究開発エンジニア向け: Liは軽量化に貢献する可能性がありますが、特に高濃度での添加は湯流れ性を損なうリスクがあります（Table 6参照）。薄肉で複雑な形状の部品を設計する場合、このトレードオフを初期段階で考慮することが不可欠です。強度、延性、そして鋳造性のバランスを最適化する材料選定が求められます。

論文詳細

AlSi9Mg合金の機械的特性に及ぼすリチウム（Li）添加と保持時間の影響

1. 概要:

論文名: Effect of Li additions and holding time on the mechanical properties of the AlSiM9mg alloys
著者: O. Özaydın, Y. Kaya, D. Dışpınar
発表年: 2021
掲載誌/学会: La Metallurgia Italiana - International Journal of the Italian Association for Metallurgy
キーワード: ALSI9MG, ALUMINUM ALLOYS, HOLDING TIME, ALLI5 ADDITIONS, MECHANICAL PROPERTIES

2. 要旨:

アルミニウム合金は、その軽量性と加工の容易さから産業界で広く使用されている。同時に、様々な開発研究によってアルミニウム合金の機械的特性は向上させることができる。結晶粒微細化、改質処理、熱処理がこれらの開発研究の例として挙げられる。本研究では、一般的に航空分野での軽量化に使用されるリチウム（Li）をAlSi9Mg合金に異なるレベルで添加することによって、機械的特性に生じうる影響を調査した。特に高いLi比率でのスラグ問題のため、比較的低いLi添加比率での研究が行われた。同時に、高温および保持時間に対するLi添加の影響も調査した。研究の結果、高いLi添加レベルでは多量のスラグが形成され、機械的特性は減少傾向にあることが観察された。さらに、Liレベルの増加は湯流れ性に悪影響を及ぼすことが観察された。また、保持時間がアルミニウム合金組織中のLi値を劇的に減少させ、この減少が極限引張強さ（UTS）および耐力（YS）に現れる一方、伸び率（%）はわずかに増加したことが観察された。

3. 緒言:

アルミニウムとその合金の使用は、近年多くの用途や産業で増加している。アルミニウム合金は航空、船舶、防衛産業で使用されているが、自動車産業が鋳物の最大の市場である[1]。自動車産業では、近年の燃費効率要求の増加と排出ガス規制により、アルミニウムの需要と使用が増加している。その低密度に加えて、優れた鋳造性、高い比強度、容易な加工性により、他の代替品の中でも際立っている。これらの特性のおかげで、アルミニウム合金はホイール、シリンダーヘッド、エンジンブロック、ブラケット、ピストンなど多くの自動車部品で好まれている[2]。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景:

アルミニウム合金は、特に自動車産業において軽量化による燃費向上と排出ガス削減の要求から、その利用が拡大している。AlSi9Mg合金は、これらの要求を満たすための主要な材料の一つであるが、さらなる機械的特性の向上が求められている。

先行研究の状況:

Leiらは、亜共晶Al-7Si合金の微細構造と特性に及ぼすLiの影響を研究し、Liの添加が共晶Siの形態を変化させることを報告した[3]。Ashtariらは、Al-Si-Cu-Fe系鋳造合金において、Liの添加がβ-Al5FeSi相を微細化することを発見した[4]。Karamouzらは、A380アルミニウム合金において、Liの添加と熱処理が微細構造と機械的特性を改善することを示した[5, 7]。Dinらは、Al-Mg-Si合金においてLiの添加が密度を低下させ、強度を向上させることを報告した[6]。これらの研究は、様々なアルミニウム合金系におけるLi添加の有益な効果を示唆しているが、AlSi9Mg合金における保持時間の影響と組み合わせた研究は限られている。

研究の目的:

本研究の目的は、AlSi9Mg合金に対して、異なるレベルのリチウム（Li）を添加し、さらに溶融状態での保持時間を設けることが、機械的特性（引張強さ、耐力、伸び）、微細構造、および湯流れ性にどのような影響を与えるかを調査することである。特に、高いLi比率で問題となるスラグ形成を避けるため、比較的低いLi添加率に焦点を当てた。

研究の核心:

本研究では、0.1wt%と0.2wt%の2水準のLiをAlSi9Mg合金に添加し、添加直後（t=0h）と1時間保持後（t=1h）のサンプルを鋳造した。これらのサンプルを用いて、化学組成の変化（特にLiの減少）、マクロおよびミクロ組織の変化、機械的特性の変化、湯流れ性の変化を体系的に評価した。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究は、2つのLi添加レベル（0.1wt%, 0.2wt%）と2つの保持時間（0時間, 1時間）を因子とする実験的アプローチを採用した。これにより、各変数が合金の特性に与える主効果と相互作用を評価した。

データ収集と分析方法:

AlSi9Mgベース合金を720°Cで溶融し、AlLi5マスターアロイを添加して目標のLi濃度を達成した。各条件で鋳造されたサンプルについて、化学組成分析、光学顕微鏡によるマクロ・ミクロ組織観察、引張試験機による機械的特性評価（UTS, YS, %E）、スパイラルフロー金型による湯流れ性評価を実施した。

研究対象と範囲:

本研究は、ダイカスト用途のAlSi9Mg合金を対象とし、0.1wt%および0.2wt%という比較的低濃度のLi添加に限定されている。また、保持時間は0時間と1時間の2点での比較に焦点を当てている。

6. 主要な結果:

主要な結果:

720°Cでの1時間の保持により、Li含有量は著しく減少し、初期目標値0.1%のサンプルでは約71%、0.2%のサンプルでは約87%のLiが失われた（Table 1-4）。
保持時間は機械的特性に影響を与えた。0.1% Li添加サンプルでは、1時間の保持後にUTSが154.14 N/mm²から149.15 N/mm²に減少した一方、伸びは4.15%から5.86%に増加した。0.2% Li添加サンプルでは、UTSが144.85 N/mm²から159.29 N/mm²に増加し、伸びも3.36%から6.95%へと大幅に増加した（Table 6）。
初期Li濃度を0.1%から0.2%に増加させると、合金の湯流れ性が低下した（Table 6、結論部）。
ミクロ組織観察（Table 5）では、各条件下での合金のデンドライト構造が示された。

Figure Name List:

Tab.1 - Chemical composition of the AlSi9 with Li (%0.1) and Holding Time t=0 h.
Tab.2 - Chemical composition of the AlSi9 with Li (%0.1) and Holding Time t=1 h.
Tab.3 - Chemical composition of the AlSi9 with Li (%0.2) and Holding Time t=0 h.
Tab.4 - Chemical composition of the AlSi9 with Li (%0.2) and Holding Time t=1 h.
Fig.1 - Macrostructures.
Tab.5 - Microstructures.
Tab.6 - Mechanical properties of First Trial Casting.

7. 結論:

Liの添加はAlSi9合金の伸び値において望ましい改善を達成できなかったこと、Liレベルの増加に伴い湯流れ性が悪影響を受けたこと、そして保持時間が増加するにつれてLi比率が約70%減少したことが結論付けられた。

8. 参考文献:

[1] Dispinar, D.: "Determination of Metal Quality of Aluminium and Its Alloys (PhD Thesis)" (pp.1-4). School of Metallurgy and Materials - The University of Birmingham. January 2005.
[2] Davis J R (editor), ASM Specialty Handbook: Aluminum and Aluminum Alloys, 1993, ASM International.
[3] Lei, W., Liu, X., Wang, W., Sun, Q., Xu, Y., Cui, J.: "On the influences of Li on the microstructure and properties of hypoeutectic Al-7Si alloy" (pp.703-706) Journal of Alloys and Compounds. 30 December 2017. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.04.295
[4] Ashtari, P., Tezuka, H., Sato, T.: "Influence of Li addition on intermetallic compound morphologies in Al-Si-Cu-Fe cast alloys" (pp.43-46) Scripta Materialia. 17 April 2004. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2004.03.022
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[6] Din, ud S., Kamran, J., Tariq, N.H., Hasan, B.A., Petrov, R.H., Bliznuk, V., Zuha, uz S.: "The synergistic effect of Li addition on microstructure, texture and mechanical properties of extruded Al-Mg-Si alloys" (pp.11-22) Materials Chemistry and Physics. 28 February 2016. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2016.02.029
[7] Karamouz, M., Azarbarmas, M., Emamy, M., Alipour, M.: "Microstructure, hardness and tensile properties of A380 Aluminum alloy with and without Li additions” (pp.409-414) Materials and Engineering A. 29 June 2013. DOI: 10.1016/j.msea.2013.05.088
[8] Mørtsell, A.E., Marioara, C.D., Andersen, S.J., Ringdalen, I.G., Friis, J., Wenner, S., Røyset, J., Reiso, O., Holmestad, R.: "The effects and behaviour of Li and Cu alloying agents in lean Al-Mg-Si alloys" (pp.235-242) Journal of Alloys and Compounds. 23 December 2016. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.12.273
[9] Koshino, Y., Kozuka, M., Hirosewa, S., Aruga, Y.: "Comparative and complementary characterization of precipitate microstructures in Al-Mg-Si(-Li) alloys by transmission electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and atom probe tomography" (pp.765-770) Journal of Alloys and Compounds. 7 November 2014. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.10.199
[10] Özaydın, O., Arman, U. E., Kaya, A, Dokumacı, E., (2019) The Effects of Artificial Ageing Conditions on A356 Aluminum Cast Alloys. ECHT 2019 European Conference on Heat Treatment, Bologna / Italy
[11] Nikolay A. Belov, Dmitry G. Eskin, Andrey A. Aksenov. (2005) Multicomponent Phase Diagrams: Applications for Commercial Aluminum Alloys (pp.257-284) Elsevier Science eBook ISBN: 9780080456966 DOI:10.1016/B978-0-08-044537-3.X5000-8
[12] Chaoqun Yang, Beidi Sun, Dong Ma, Wu Li, Lizhen Yan, Chihui Liu, Yongfu Zhang, Hongwei Liu, Hongwei Yan and Kai Wen (2019) Mater. Res. Express 6 IOP Publishing Ltd https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab640e

専門家Q&A：あなたの疑問にお答えします

Q1: なぜこの研究では、0.1%と0.2%という比較的低いLi添加率が選ばれたのですか？

A1: 論文の要旨で述べられている通り、これは「特に高いLi比率でのスラグ問題のため」です。高濃度のLiはアルミニウム溶湯中で活発に反応し、多量の酸化物（スラグ）を形成する傾向があります。これは鋳造欠陥の原因となり、溶湯の品質を低下させるため、本研究では産業応用上より現実的で問題の少ない低濃度域に焦点を当てています。

Q2: 1時間の保持時間が合金の組成に与えた最も重要な影響は何でしたか？

A2: 最も重要な影響は、Li含有量が劇的に減少したことです。データによると、1時間の保持でLiは約70%から87%も減少しました。これは、Liが高温の溶湯中で蒸発または酸化によって失われる「バーンオフ」現象が非常に速いことを示しています。この結果は、Li添加合金の製造において、溶解から鋳造までの時間を厳密に管理することが極めて重要であることを強調しています。

Q3: 要旨では保持時間と共にUTS（極限引張強さ）が減少したとありますが、Table 6のデータでは0.2% LiサンプルのUTSが増加しています。これはどのように解釈すべきですか？

A3: Table 6に示されたデータが直接的な実験結果です。0.1% Liサンプルでは僅かなUTSの低下が見られましたが、0.2% Liサンプルでは144.85 N/mm²から159.29 N/mm²へと明確な増加が確認されました。両サンプルに共通するより顕著な傾向は、伸び（延性）が大幅に向上したことです。これは、残存するLiの量と合金の微細構造、そして機械的特性との間に複雑な関係があることを示唆しており、単純な線形関係ではないことを示しています。

Q4: リチウムの添加は、ダイカストで重要な特性である合金の湯流れ性にどのように影響しましたか？

A4: Table 6の湯流れ性試験の写真と論文の結論から、Liレベルの増加は湯流れ性に悪影響を与えることが示されました。具体的には、初期Li濃度が高い0.2%のサンプルは、0.1%のサンプルよりも湯流れ性が劣っていました。これは、Liが溶湯の表面張力や粘性に影響を与える可能性を示唆しており、薄肉で複雑な形状の部品を鋳造する際には、Liの添加量を慎重に検討する必要があることを意味します。

Q5: Table 5のミクロ組織写真は、Liと保持時間の影響について何を示していますか？

A5: ミクロ組織写真は、AlSi9合金特有のデンドライト構造を示しています。顕著な差ではありませんが、Li含有量が低くなったt=1hのサンプル、特に0.2% Liのケースでは、t=0hのサンプルと比較して気孔（ポロシティ）がわずかに減少しているように見えます。この微細な組織の変化が、観察された機械的特性の変化、特に伸びの向上と関連している可能性があります。

Q6: AlSi9Mg合金にLiの使用を検討しているエンジニアにとって、主な教訓は何ですか？

A6: 主な教訓は、その効果が一筋縄ではいかないということです。Liの含有量は保持時間に非常に敏感であり、プロセス中に大きく変動します。Liは機械的特性、特に延性を向上させる可能性がありますが、一方で湯流れ性を損なうリスクも伴います。したがって、一貫した品質の製品を得るためには、溶湯の保持時間をはじめとするプロセス管理を極めて厳密に行うことが不可欠です。

結論：より高い品質と生産性への道を拓く

本研究は、AlSi9Mg合金の性能向上を目指す上で、Li添加が有望な選択肢であると同時に、その管理が非常にデリケートであることを明らかにしました。特に、溶湯の保持時間がLiの残存量と最終的な機械的特性（特に延性）を大きく左右するという発見は、製造現場にとって重要な知見です。湯流れ性への影響も考慮すると、Liの利用は、そのメリットとデメリットを深く理解した上での精密なプロセス制御を前提とします。

CASTMANでは、こうした最新の業界研究を応用し、お客様の生産性と品質の向上を支援することに尽力しています。本稿で議論された課題がお客様の事業目標と合致する場合、これらの原理をいかにお客様の部品に実装できるか、ぜひ当社のエンジニアリングチームにご相談ください。

著作権情報

このコンテンツは、"[O. Özaydın, Y. Kaya, D. Dışpınar]"による論文"[Effect of Li additions and holding time on the mechanical properties of the AlSiM9mg alloys]"に基づく要約および分析です。

出典: La Metallurgia Italiana - November/December 2021, pagina 19-24

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Tags: A380; , Applications; , CAD; , Die casting; , Efficiency; , Microstructure; , Quality Control; , aluminum alloy; , aluminum alloys; , 금형; , 자동차 산업