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Al-Si合金鋳物における鋼製インサートの界面

本稿は、「Dissertation, Technischen Universität Wien, Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften」より発行された論文「Interface of steel inserts in Al-Si alloy castings」に基づいています。 1. 概要: 2. アブストラクト: アルミニウム合金は、その低密度と優れた機械的特性により非常に重要な材料です。アルミニウムシリコン鋳造合金は、自動車、航空宇宙、エンジニアリング分野に不可欠です。アルミニウムシリコン合金は鋳造プロセスに適していますが、シリコンは脆い針状粒子を形成し、鋳造構造物の耐衝撃性を低下させます。鋼または鋳鉄のインサートは、局所的に強度と耐摩耗性を向上させます。鉄基合金の比較的高い溶融温度により、鉄部品を鋳型内に配置し、溶融Al湯で囲み、凝固させることでインサートを埋め込むことができます。鋼製インサートは、gravity casting、low pressure die casting、squeeze castingによってAl-Si合金に埋め込まれます。gravity castingには、表面状態の異なる酸化処理およびエッチング処理された鋼棒が使用されます。鋼製キューブインサートを用いたgravity castingでは、Al (99.8%)、AlSi7、AlSi7Mg0.3を用い、鋳型を室温（RT）および高温にするなど、さまざまな熱的条件が使用されます。ステップ形状のlow pressure die castingには、高さの異なるインサートリングが使用されます。Bitscheの論文では、AlSi7Mg0.3のsqueeze castingによって鋼製インサートをアルミニウムに埋め込む可能性を実証するために、デモ軸方向サンプルが設計されました。Feの線熱膨張係数（CTE）はAlの約半分です（ΔCTE > 12ppm/K）。凝固中、Al合金は約6 vol.%収縮します。凝固温度直下では降伏強度が非常に低いため、インサート周囲で塑性変形が発生します。弾性応力が275°C以下で蓄積すると仮定すると、FeとAlの間の残りのミスフィット体積は約1 vol.%になります。対応する線長変化は弾性範囲を超えます。蓄積する弾性応力は、使用温度におけるAl合金の降伏強度に依存します。マグネシウムの添加はα-Alの析出硬化を可能にします。純Alの室温降伏強度は約50MPa、AlSi12共晶の降伏強度は約150MPaであり、Mg2Siによる合金の析出硬化後は200MPaを超えます。したがって、鋳物の0.3%の変形は、インサート周囲のAl合金の異なる微細構造構成要素内で、異なる程度の塑性変形と弾性応力を引き起こします。インサート部品を囲むAlバルク領域の内部応力は、X線回折によって測定されます。インサートなしで急冷されたα-Alマトリックス中の75±25MPaの圧縮応力レベルは、Siとの熱的ミスフィットに起因します。インサート近傍では、Al中に100MPaの範囲の接線方向引張応力が確認されます。粗面を持つ鋼製インサートを埋め込むMg含有Al-Si合金の時効硬化に伴い、接合強度は増加します。走査型電子顕微鏡（SEM）および光学顕微鏡（LOM）は、サンプルの微細構造、特にアルミニウムと鋼の間の界面を特徴付けるために使用されます。界面反応は、化学的に洗浄された鋼ではAl-Fe-Si相を生成しますが、自然酸化された鋼では生成しません。Al鋳物は、デンドライト間領域にα-デンドライトとAlSi12共晶から構成されます。鋳型に近いほどSDAはバルクよりもはるかに小さく、これは鋳型から凝固が始まり冷却速度が速いためです。金属組織学的検査により、いくつかの亀裂、ガス巻き込み、収縮孔が確認され、これらはレーザー超音波によって非破壊的にも検出されました。このような欠陥は、界面での凝固が遅れると増加します。要約すると、鋼製インサートの形状や表面処理、特に埋め込みAl合金の凝固条件は、反応接合、ギャップ、気孔などの界面品質に重大な影響を及ぼします。凝固は、再溶解を避ける必要がある界面に沿って開始する必要があります。凝固前線間には十分な供給が必要です。 3. 序論: アルミニウムは、応用されてからまだ1世紀ほどのエンジニアリング材料ですが、鋼に次いで世界で2番目に多く使用される金属となっています。アルミニウムは、私たちが働く建物から運転する車、飲む缶、利用する飛行機に至るまで、私たちの生活の多くの側面で重要な構成要素です。軽量、高剛性、高強度、耐食性、リサイクル性といった非常に魅力的な特性の組み合わせは、ほぼ無限の用途に最適であり、現代生活に不可欠なものとして日々使用されています。アルミニウムは、機能性と先進的な形状、そして手頃なコストでの設計可能性を兼ね備えた材料を求める主要な設計者、建築家、エンジニアにとって選択される金属です。アルミニウム合金は、含有される主要な合金元素によって分類されます。4XXX系は主に鋳造の容易さのためにシリコンと合金化されています。アルミニウムシリコン合金は鋳造プロセスに適しています。複雑な形状の信頼性の高い鋳物を製造することが可能であり、供給不良の部分で得られる最小限の機械的特性は、より高強度だが鋳造性の低い合金で作られた鋳物よりも高くなります。シリコンは溶湯の流動性を高め、溶融温度を下げ、凝固に伴う収縮を減少させ、原料として非常に安価です。シリコンはまた、低密度（2.34 g cm-3）であり、鋳造部品の全体重量を減らす上で利点となる可能性があります。シリコンはアルミニウムへの溶解度が非常に低く、これらの鋳造合金ではほぼ純粋なシリコンとして共晶的に偏析し、硬いため耐摩耗性を向上させます。低い熱膨張係数はピストンに利用され、シリコン粒子の高い硬度は耐摩耗性に寄与します。鋳造合金中のシリコンの最大量は22-24% Si程度ですが、粉末冶金で作られた合金では40-50% Siにもなります。シリコン含有量を増やすと延性を犠牲にして強度が増加しますが、この効果はそれほど顕著ではありません。アルミニウムは鋼の約3分の1の密度と剛性しかありません。鋳造、機械加工、押出が容易です。鋳込みインサートは通常、鋳鉄または鋼で作られます。金属コアは、鋳物が鋳型キャビティから排出される前に取り外せるように、鋳型のパーティングラインと平行に鋳型内に配置する必要があります。形状も鋳物から容易に取り外せるようにする必要があります。鋳込みインサートは、より良い表面仕上げと鋳物の急速凝固を可能にし、プロセスの機械的特性を向上させます。本研究では、Al合金の微細構造、およびさまざまな鋳造プロセスで準備された鋼とアルミニウム鋳物との間の接合について議論します。界面は主に光学顕微鏡（LOM）および走査型電子顕微鏡（SEM）を使用して調査されました。 4. 研究の概要: 研究トピックの背景: アルミニウム合金は、その有利な特性により様々な産業で極めて重要です。Al-Si鋳造合金は、複雑な形状を製造するために特に重要です。しかし、強度や耐摩耗性などの局所的な特性を向上させたり、異なる材料機能を組み合わせたりするために、インサート（多くは鋼製）がアルミニウム部品に鋳込まれます。このようなハイブリッド部品の性能にとって、インサートと鋳造アルミニウム間の接合品質および界面の特性は非常に重要です。この界面に影響を与える要因には、鋳造プロセス、合金組成、インサート材料と表面処理、および鋳造中と冷却中の熱的条件が含まれます。アルミニウムと鋼の間の熱膨張係数と凝固収縮の違いは、界面での残留応力、ギャップ、またはその他の欠陥を引き起こす可能性があります。 先行研究の状況: 本学位論文でレビューされたように、先行研究は、アルミニウム合金の分類、強化メカニズム（熱処理や時効硬化など）、Al-Si鋳造合金の特性など、アルミニウム合金の様々な側面をカバーしてきました。gravity die casting、low pressure die casting、squeeze

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