Die Castingで製造されたCa添加AM50マグネシウム合金における共晶相の研究

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1. 概要:

• タイトル: Die Castingで製造されたCa添加AM50マグネシウム合金における共晶相の研究 (Eutectic Phase Investigation in a Ca-added AM50 Magnesium Alloy Produced by Die Casting)
• 著者: Yoshihiro Terada, Naoya Ishimatsu, Yukako Mori, Tatsuo Sato
• 発行年: 2005年
• 発行学術誌/学会: Materials Transactions, 日本金属学会
• キーワード: マグネシウム合金, ダイカスト, 相同定, Al₂Ca, マグネシウム-アルミニウム-カルシウム三元系
• Fig. 1 FE-SEM micrograph of the eutectic phase formed in the AM50- 1.72 mass%Ca die-cast alloy

2. 概要または序論

673 Kで均質化処理された1.72 mass pctのカルシウム添加AM50ダイカスト合金における共晶相について、X線回折法（XRD）およびエネルギー分散型分光法（EDS）を用いて調査しました。XRDおよびEDS実験の結果、共晶相はC15構造を持つAl₂Ca相で構成されており、平衡状態で10.76 atomic pctのマグネシウムを含んでいることが示されました。Al₂Ca相の溶解度ローブは、Mg-Al-Ca三元系格子において等原子分率66.7 at% Al組成線と平行に位置しており、これはマグネシウムがAl₂Ca相のカルシウムサイトを優先的に置換することを示唆しています。

3. 研究背景:

研究テーマの背景:

マグネシウム合金は、従来の工学金属の中で最も低い密度を持ち、自動車の軽量化と燃費効率の向上を目的とした自動車分野での利用が拡大しています。しかし、現在の応用分野は、インストルメントパネルやステアリングホイールなど、室温で作動する一部の部品に限定されています。マグネシウム合金のさらなる実質的な増加は、パワートレイン部品、すなわち作動温度が約450 Kまで上昇する可能性のあるトランスミッションケースやエンジンブロックに合金を利用することで達成できます。これらの応用分野の主な要求事項は、マグネシウム合金の優れた高温性能です。カルシウムは、Mg-Al合金の高温機械的特性を改善するための、費用対効果が高く軽量な希土類元素の代替として考えられています。

既存研究の現状:

先行研究では、1.72 mass pctのカルシウムをダイカストAM50合金に添加すると、クリープ強度が1000倍に増加することが実証されています。AM50合金は、市販のマグネシウム合金の中でも、すでに優れたダイカスト性、延性、および破壊靭性の組み合わせを提供することで知られています。カルシウム添加によるAM50合金の耐クリープ性向上は、図1に示すように、α-Mg結晶粒を囲む共晶相に起因するとされています。この共晶相は、結晶粒界強化に効果的に寄与するか、クリープ変形中のα-Mg結晶粒の塑性流動を抑制する特徴を持つと予想されています。

研究の必要性:

Ca添加AM50合金の高温性能を最適化するためには、共晶相の性質を理解することが重要です。非平衡相は、as-die-castのMg-Al-Ca合金で出現する可能性があります。平衡共晶相を正確に特定するためには、等温均質化処理が必要です。本研究は、平衡状態を確実にするために均質化処理された1.72 mass pctのカルシウム添加AM50ダイカスト合金で形成された共晶相を特定することを目的としています。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

本研究の主な目的は、1.72 mass pctのカルシウム添加AM50ダイカスト合金で形成された共晶相を特定することです。この特定は、平衡状態を保証するために均質化処理された試料に対して、X線回折法（XRD）とエネルギー分散型分光法（EDS）の技術を組み合わせて実施されます。

主要な研究課題:

主要な研究課題は、均質化処理されたAM50-1.72 mass%Caダイカスト合金の共晶相の特性評価に焦点を当てています。これには以下が含まれます。

1. XRDを用いた共晶相の結晶構造の決定。
2. EDSを用いた共晶相の元素組成の特定。
3. 均質化処理された合金とas-die-cast合金の共晶相の比較による、平衡状態への相進化の理解。
4. Mg-Al-Ca三元系状態図における共晶相組成の位置分析による、相内の元素置換挙動の理解。

研究仮説:

本研究では、673 Kで均質化処理された1.72 mass pctのカルシウム添加AM50ダイカスト合金の共晶相は、平衡相、潜在的にはAl₂Caであると仮説を立てています。また、マグネシウムがAl₂Ca相に置換される可能性があると仮定し、Mg-Al-Ca三元系における溶解度ローブの方向を分析することにより、この置換の程度と優先順位を調査します。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、相の同定と特性評価に焦点を当てた実験的デザインを採用しています。研究は、材料加工（ダイカストおよび均質化）、微細構造観察、高度な分析技術を用いた相分析を含みます。

データ収集方法:

データ収集方法は以下の通りです。

1. ダイカスト: 1.72 mass pctのカルシウム添加AM50合金（Mg-4.98Al-1.72Ca-0.29Mn in mass pct）をコールドチャンバーダイカストマシンを用いて製造しました。
2. 均質化: 平衡状態を達成するために、ダイカスト材料を673 Kで36 ks均質化処理した後、水冷しました。
3. 顕微鏡観察: 微細構造観察は、5 kVで動作する電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM）を用いて行いました。
4. X線回折法（XRD）: 相同定は、CuKα放射線、20° < 2θ < 80°のスキャン角度、および0.02°ステップスキャンを用いたXRDによって行いました。
5. エネルギー分散型分光法（EDS）: 相の組成分析は、200 kVで動作する透過型電子顕微鏡（TEM）に取り付けられたEDSを用いて行いました。

分析方法:

分析方法は以下の通りです。

1. XRDパターン分析: 予想される相（α-Mg、Mg₁₇Al₁₂、Mg₂Ca、Al₂Ca）に対するJCPDSカードデータと実験的XRDスペクトルを比較することにより、結晶構造を同定します。実験的XRD結果を基準スペクトルにフィッティングして、相の存在を確認します。
2. EDS組成分析: SEMおよびTEMで観察された様々な相における元素組成（Mg、Al、Ca）の定量分析。
3. 状態図分析: Mg-Al-Ca三元系状態図に共晶相組成をプロットすることにより、共晶相内の溶解度挙動および元素置換、特にAl₂Ca相に関連する置換を分析します。

研究対象と範囲:

研究対象は、ダイカストで製造された1.72 mass pctのカルシウム添加AM50マグネシウム合金です。範囲は、673 Kで36 ks均質化処理後のこの特定の合金組成における共晶相の同定と特性評価に限定されます。研究は、XRD、EDS、およびSEM/TEM技術を用いた共晶相の相同定、結晶構造決定、および組成分析に焦点を当てています。

6. 主な研究結果:

主要な研究結果:

1. 共晶相の形態: 673 Kでの均質化処理により、共晶相の形態は、as-die-cast状態（図1）の結晶粒界ネットワークから球状（図2）に変化しました。α-Mg結晶粒径は、均質化処理後も約5.3 µmでほぼ一定のままでした。
2. XRDによる相同定: 均質化処理された合金のXRD分析（図3）により、A3構造のα-Mg相とC15構造のAl₂Ca相の2つの相が存在することが確認されました。これにより、共晶相が平衡状態においてAl₂Caであることが特定されました。
3. TEM/EDSによる組成分析: EDS分析（表1）により、均質化処理された合金のα-Mg相は、3.55 atomic pctのアルミニウムと0.18 atomic pctのカルシウムを含むことが明らかになりました。均質化処理された合金のAl₂Ca共晶相は、10.76 atomic pctのマグネシウム、66.66 atomic pctのアルミニウム、および22.35 atomic pctのカルシウムを含んでいます。比較すると、as-die-cast合金の共晶相は、17.47 atomic pctのマグネシウム、59.80 atomic pctのアルミニウム、および22.87 atomic pctのカルシウムを含んでいました。
4. 溶解度ローブの方向: Mg-Al-Ca三元系格子に共晶相組成をプロットした結果（図4）、均質化処理による組成シフトは、等原子分率Ca組成線に沿って発生し、等原子分率66.7 at% Al組成線に到達することが示されました。Al₂Ca相の溶解度ローブは、等原子分率66.7 at% Al組成線と平行であり、これはマグネシウムがAl₂Ca相においてカルシウムサイトを優先的に置換することを示唆しています。

提示されたデータの分析:

• 微細構造の変化: 図2は、均質化処理後の共晶相のFE-SEM顕微鏡写真であり、図1のas-die-cast状態と比較して、形態が球状粒子に変化したことを示しています。
• XRDスペクトルの解釈: 図3は、均質化処理された合金におけるα-Mg相とAl₂Ca相の存在を確認するXRDスペクトルを示しています。実験スペクトル（e）は、α-Mg（a）とAl₂Ca（d）の結合スペクトルと一致しています。
• 組成シフト: 表1は、均質化処理後のAl₂Ca相におけるマグネシウム含有量の減少を示しており、平衡組成へのシフトを示唆しています。図4は、三元系状態図におけるこの組成シフトを視覚的に表しており、等原子分率Ca線に沿った移動と、等原子分率66.7 at% Al線上の最終位置を強調しています。

図リスト:

• Fig. 1 AM50-1.72 mass%Caダイカスト合金で形成された共晶相のFE-SEM顕微鏡写真。
• Fig. 2 673 Kで36 ks均質化処理されたAM50-1.72 mass%Caダイカスト合金の共晶相のFE-SEM顕微鏡写真。
• Fig. 3 673 Kで36 ks均質化処理されたAM50-1.72 mass%Caダイカスト合金に現れると予想される4種類の相のX線回折スペクトル（（a）-（d））。各相の散乱角と強度はJCPDSカードデータから導き出されています。実験的に得られた均質化処理された合金のXRDスペクトルを（e）に示します。
• Fig. 4 673 Kで36 ks均質化処理されたAM50-1.72 mass%Caダイカスト合金に現れたAl₂Ca相の組成（実線記号）と、as-die-cast合金の共晶相の組成（白抜き記号）。
• Fig. 5 Ochiai et al.²⁹)によって報告された1273 Kにおける三元系Ni₃Al相の溶解度ローブの方向。

7. 結論:

主な研究結果の要約:

本研究では、673 Kで36 ks均質化処理された1.72 mass pctのカルシウム添加AM50ダイカストマグネシウム合金における共晶相を特定することに成功しました。共晶相は、C15構造を持つAl₂Caであり、平衡状態で10.76 atomic pctのマグネシウムを含むと特定されました。Mg-Al-Ca三元系におけるAl₂Ca相の溶解度ローブは、等原子分率66.7 at% Al組成線と平行であり、これはマグネシウムがAl₂Ca相においてカルシウムを優先的に置換することを示唆しています。

研究の学術的意義:

本研究は、カルシウム添加AM50マグネシウム合金におけるAl₂Ca相に関して、Mg-Al-Ca三元系の相平衡に関する基礎的な理解を提供します。共晶相をマグネシウム置換されたAl₂Caとして特定し、溶解度ローブの方向を決定したことは、三元系状態図および金属間化合物における元素置換挙動に関する基礎知識に貢献します。この理解は、Mg-Al-Ca系における合金設計および特性予測に非常に重要です。

実用的な意味合い:

Ca添加AM50合金における平衡共晶相の特定は、合金の高温クリープ抵抗を最適化する上で実用的な意味合いを持ちます。Al₂Ca相の組成と安定性を理解することで、熱処理と合金組成の調整を通じて微細構造をより適切に制御できます。これにより、特に自動車産業のパワートレイン部品など、高温用途向けの改良されたダイカストマグネシウム合金の開発につながる可能性があります。

研究の限界と今後の研究分野:

本研究は、単一の合金組成（AM50-1.72 mass%Ca）と特定の均質化温度（673 K）に焦点を当てました。Al₂Ca相におけるマグネシウムの溶解度限界は完全には明らかにされていません。今後の研究では、以下を調査する必要があります。

1. Al₂Ca相におけるマグネシウムの溶解度限界を、より広範囲の温度および合金組成にわたって詳細に調査します。
2. さまざまな均質化温度と時間が、共晶相の進化と微細構造に及ぼす影響。
3. 特定された平衡共晶相に関連する、均質化処理された合金の機械的特性、特にクリープ挙動。
4. Al-richコーナーのMg-Al-Ca三元系状態図を通じて、Al₂Ca相の安定性と組成範囲をさらに解明します。

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9. 著作権:

• This material is "The Japan Institute of Metals"'s paper: Based on "Eutectic Phase Investigation in a Ca-added AM50 Magnesium Alloy Produced by Die Casting".
• Paper Source: doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.488-489.931

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