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新規Al80Mg10Si5Cu5多成分合金の摩耗特性

本紹介内容は、「[出版社名: Elsevier B.V.]」が出版した論文「[論文タイトル: Wear properties of a new Al80Mg10Si5Cu5 multicomponent alloy]」に基づいています。 1. 概要: 2. 概要: 本研究は、軽量自動車用途、特に後輪ドラムディスク向けに、Al80Mg10Si5Cu5系をベースとして新たに開発された多成分アルミニウム軽量合金の摩耗に関するトライボロジー特性を調査するものです。サンプルは、鋳造合金リターン材と二次アルミニウムインゴットを用い、高圧ダイカスト(HPDC)法で製造され、室温(RT)および200℃で試験されました。A180Mg10Si5Cu5合金は、RTおよび特に200℃において、参照合金であるAlSi9Cu3と比較して高い硬度と耐摩耗性(摩耗率で10倍の低減)を示すことが観察されました。HPDC鋳造部品の外面層(スキン)を維持することの影響がボールオンディスク試験で研究され、トライボロジー特性の向上と接触面の機械加工回避の可能性が示されました。表面層を持つ鋳放し状態のA180Mg10Si5Cu5合金は、RTにおいて5 × 10⁻⁴ mm³/N·m²の摩耗率係数を示し、これはスキンなしのサンプルよりも50%低い値でした。表面層を持つ溶体化処理サンプル(440℃で72時間、75℃で水焼入れ、自然時効)は、11 × 10⁻⁴ mm³/N·m²の摩耗率係数を示し、これは表面層なしのサンプルよりも約20%低い値でした。AlSi9Cu3合金の摩耗率は、RTにおいてスキンなしのサンプルで50%以上減少しました。200℃では、表面層を持つサンプルの摩耗率係数の方が低い値でした。 3. 緒言: 多成分コンセプトに基づくアルミニウム多相および非等原子量高エントロピー合金(HEA)は、単相合金とは対照的に、優れた物理的および機械的特性を有することが示されています[1]。これらの合金において強化された単相微細構造を得るための急速凝固プロセスの効果は、最近の研究でまとめられています[2]。一方、産業界における軽量車両への要求は、アルミニウム鋳造部品の製造、特に高圧ダイカスト(HPDC)によるGIGAPRESS技術を用いた電気自動車において急成長を引き起こしています[3]。電気自動車市場は継続的に拡大しており、軽量化は航続距離を伸ばすために重要です。アルミニウム製ドラムブレーキは、後輪ブレーキの力が前輪ブレーキよりも低く、運動エネルギー回生システム(KERS)を使用することでブレーキ力を低減できるため、軽量電気自動車に使用できます。また、前輪ディスクブレーキは後輪ドラムブレーキよりも先に作動し、後輪ブレーキの圧力が低減されます[4]。アルミニウム製ドラムは鉄製ドラムよりも軽量で、放熱性が向上し、フェードが減少し、ねずみ鋳鉄ディスクの腐食の可能性やディスク故障を回避できます[5]。AlSiCuはHPDCで最も一般的に使用されるアルミニウム合金ですが、その機械的特性には特定の制限があります[6]。AlSiMgCu合金はより高い耐食性と強度を提供し、一般的に熱処理によって改善され、良好な耐摩耗性と摩擦が要求されるさまざまな自動車部品に適しています[7,8]。不十分な耐摩耗性はアルミニウム合金の問題ですが[9]、Al合金のトライボロジー特性は、合金元素の種類と量を調整したり、外部からの強化相を導入したり、熱処理を行ったりすることで向上させることができます[10–12]。鋳鉄製ブレーキを置き換え、車両重量を削減するために、アルミニウム基複合材料(AMC)ブレーキローターが開発されました。AMCはアルミニウム合金よりも高い熱伝導率、低い密度、高い比強度を持っています。AMCは、カスタマイズされた特性を得るために、Al2O3、SiC、SiO2などの硬質セラミック粒子で強化された延性のあるアルミニウムマトリックスを特徴としています[13]。しかし、AMCの主な欠点は、製造コスト(特に機械加工コスト)、粒子サイズと分布の制御の難しさ(摩耗特性が強化粒子の体積とサイズに大きく依存するため)[14]、複雑な鋳造プロセス、そして主としてリターン材やスクラップの低いまたは困難なリサイクル性です。AMCではない鋳造アルミニウム合金の摩耗特性を向上させる最も一般的な方法は、シリコン合金化です。Siの割合を増やすと、より多くの硬質Si結晶が生成され、合金の硬度と耐摩耗性が向上します。トライボロジー用途では、通常、共晶相のアルミニウムと組み合わされた初晶シリコン相を持つ過共晶Al-Si合金(Si > 13 wt%)が用いられます。シリコン相の種類、形態、サイズ、分布は、塑性変形したアルミニウムマトリックス領域で荷重の重要な部分を支持することにより、摩擦と耐摩耗性を向上させる上で重要です[15–17]。これらの合金では、SiはMgと結合してMg2Siとして析出する傾向があります。Mg量の増加は耐摩耗性の向上を促進します[18]。複雑な金属間化合物相は、摩耗メカニズムにおける接合部の成長と凝着を防止する鍵となります。金属間化合物相が多い合金は摩耗率が低くなります[19]。合金中の銅の増加は機械的特性を向上させ、耐食性を低下させ、気孔率を増加させる可能性があります[20,21]。AlSi7Mg合金では、微細な結晶粒を促進し、硬度と耐摩耗性を向上させて摩擦係数を低下させるAl₂Cu金属間化合物相を得るために、最低1 wt%のCuが必要でした[22]。アルミニウム鋳造合金の硬度を向上させるメカニズムは、MgとAl、およびCuとSiの反応によっても影響を受け、合金の強化に関与する異なる析出物を促進します。異なる相の形成とその挙動の定義は、β(Mg2Si)、θ(Al₂Cu)、S(Al₂CuMg)またはQ(Al5Cu2Mg8Si6)など、いくつかの相が近接してまたは同時に析出する可能性があるため、複雑な作業です[23]。熱処理中、溶体化温度、冷却速度、時間は重要な役割を果たし、いくつかの複雑な相互作用をもたらします。最適な温度での時効処理は、強度と延性を低下させる可能性のある大きく非整合な粒子の析出を回避します。Fe、Mn、Crなどの他の元素の少量の組み合わせは、Al-Si合金の硬度と強度を向上させ、耐摩耗性を高めます[24]。AlSiやAlSiCuMg(X)などの鋳造アルミニウム合金のトライボロジー研究に焦点を当てた研究[25–27]が最も多く行われています。高シリコンアルミニウム合金では、一般に、荷重の増加に伴い、摩耗メカニズムは延性剥離、アブレージョン、脆性剥離からプラウイングアブレージョン摩耗へと変化します[28]。アブレージョンと酸化は、軽度摩耗領域における主要な摩耗現象ですが、常にそうとは限りません。剥離、凝着、および激しい塑性変形は、AlSi9Cu3 HPDC合金の過酷摩耗領域で支配的です[23]。剥離は、表面下クラック核生成とその後のクラック伝播によって発生する表面層の塑性変形による大きな摩耗粒子の除去と関連付けられています[29,30]。このメカニズムは、表面下分離が接着して摩擦係数を増加させる移着層を形成する高温で特に顕著です[31]。さらに、高温での摩耗率は室温よりも10倍大きいと報告されています[32]。これらの条件下では、激しい塑性変形、材料および層の移着と蓄積を伴うスカッフィングメカニズムが発生する可能性があります。高温では層間の接着力が低下し、剥離が促進される可能性があります。いくつかの研究では、摩耗メカニズムは温度によって、RTでの剥離から部分的なアブレージョン摩耗へ、150℃以上では塑性変形と酸化摩耗(塑性緩和メカニズムが支配的になる)へと変化します[33–36]。AlSi9Cu3合金では、異なる相の析出により、硬度、機械的および摩耗特性が低下します[23,24]。摩耗率は150℃よりも高い温度ではRTよりもはるかに高くなりますが、温度との線形比例関係はなく、約200℃で著しく増加します。AMCおよびアルミニウム合金における摩耗試験の温度上昇は、表面層のより高い緻密性と平均抵抗を促進し、粒子の酸化を加速します。表面層の破壊前に表面層が形成されると、摩耗率は減少します[6]。しかし、表面層が緻密でない場合、表面粒子が除去され、表面が損傷し、剥離が発生して摩耗率が増加します[23]。軽度から過酷な摩耗への遷移メカニズムは、適用荷重、相手材ボール材料、滑り速度、接触面温度などの試験変数の組み合わせによって説明されます。通常、過酷摩耗は合金の熱軟化による大規模な塑性変形に関連しており、条件によっては、アルミニウム合金は剥離摩耗を制御しながら非過酷摩耗条件で動作することができます[9]。AlSiCu(Fe)鋳造合金で軽度摩耗メカニズムを得るための条件が研究されています[9,11,12,16,37–39]。また、摩耗用途にコーティングを使用することへの関心が高まっていることも注目されます[40,41]。ボールオンディスク(BOD)試験は、材料の摩耗特性を決定するために最も広く用いられる試験の1つです。ボールオンディスク試験データを分析する摩耗率メカニズムは、3つの主要な段階またはフェーズに分けることができます[42–45]。第1フェーズは、表面突起の変形と残留粒子数の増加により、母材とボール間の最大接着力で表面層が除去されることに対応します。第2フェーズは、通常、保護的なトライボケミカル表面層の形成、またはプラウイングと突起変形プロセスの減少に関連しています。ピン表面温度の上昇が、滑り面に酸化物層を形成し、軟質マトリックス材料が相手材ボール表面に露出するのを防ぎ、ピン表面の摩耗率を減少させるサブフェーズが存在する場合もあります[46,47]。第3フェーズは、トライボロジー条件の界面定常状態によって特徴付けられます。摩耗率に対する適用荷重の影響は合金によって異なり、一部の合金は低荷重で低い摩耗率を示し、中程度の荷重で摩耗率が急激に増加し、高荷重で徐々に増加します。低い適用圧力は、通常、摩耗によって形成されたデブリが相手材表面の谷に捕捉されるのを促進します。デブリが谷に捕捉されるため、ディスクの突起による点接触が接触面にシフトします。接触面へのシフトとサンプルの加工硬化が定常状態摩耗につながりました[48,49]。適用圧力の増加は温度上昇を示し、酸化物層の除去につながりました[48]。破断/断片化した酸化物層と相手材表面の摩耗デブリは、機械的混合層(MML)または移着膜(TF)の形成を引き起こす可能性があります。適用圧力の影響下で、移着膜(TF)の変形は摩耗デブリのひずみ硬化をもたらし、TFの硬度を高めます[48]。TFの絶え間ない形成と除去は、金属間の接触を防ぎ、摩耗率が定常状態摩耗領域で一定に保たれます。軽度から過酷な摩耗値への遷移は、適用荷重に応じて約4～8Nから最大30Nまで変化する可能性があります[50]。一般に、比摩耗率の値は適用荷重の増加とともに増加します。商用ブレーキローターの場合、摩擦係数(COF)の値は0.45～0.69の間です。一部の著者にとっては、荷重増加に伴うCOF値の線形増加はありません[51]。他の著者にとっては、例えばAl-Al2O3 MMCおよびAl-SiC MMC合金では、ブレーキローター用途で0.30～0.60の安定した摩擦係数を持つ線形増加があります[52]。ドラムブレーキの軽度または過酷な摩耗状態を定義するために報告されている摩耗率は異なります。Al7.1Si合金ではk = 15 × 10⁻³ mm³/N·m[53]、LM17合金では6 × 10⁻³ mm³/N·m、圧力と速度(それぞれ0.2–1.0 N/mm²および1.6 m/s)がブレーキローターの制動条件を代表するアルミニウム複合材では7.5–10 × 10⁻³ mm³/N·m[54]で過酷な摩耗率が報告されています。ブレーキローター用途向けのルチルおよびシリマナイト鉱物ハイブリッドAMC(HAMC)で強化されたLM27合金は、商用ローター材料で500mで約16.5 × 10⁻³ mm³/N·m、HAMCで18 × 10⁻³ mm³/N·mの摩耗率を示し、最終的な定常摩耗値はそれぞれ約6および7 × 10⁻³ mm³/N·mでした。0.37×10⁻⁴～2.37×10⁻⁴ mm³/N·mの値は、一般的に過酷摩耗領域内にあります[55]。しかし、アルミニウム鋳造合金の場合、15Nの試験力では、約5

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