ナノ粒子分散Al合金の機械的性質とその強化機構の解明

ナノ粒子分散Al合金の機械的性質とその強化機構の

解明

著者

木村 久道

ナノ粒子分散Al合金の機械的性質とその強化機構の解明

研究課題番号: 15560616

平成15年度∼平成17年度 科学研究費補助金

(基盤研究(C))研究成果報告書

平成18年3月

研究代表者:木村久道

東北大学金属材料研究所助教授

∼

はしがき

地球規模で環境保護が問題となっており､中でも二酸化炭素や窒素酸化物の排出による 地球温暖化および大気汚染の問題解決が重要となっている｡これらの解決策として､自動 車､航空機､鉄道車両などの輸送機械用材料の軽量化が挙げられる｡車両重量1%の軽減 により､約1%の燃費が向上すると言われている｡材料の軽量化を図る場合､最も重要な ことは機械的性質の低下を起こさないことにある｡金属材料において､軽くて強い高比強 度材料の開発を目指す時に用いる基盤元素として､低比重のM臥Al､Tiが挙げられるが､ 地球資源の豊富さと価格の点でAlが最も有望視できる｡ 通常､実用Al合金の開発目標値は､ (1)室温強度が700MPa以上､ (2) 573Kで100 hr保持後における耐熱強度が300MPa以上､ (3)耐摩耗性が鋳鉄以上､および(4)比 強度が245 MP免/g/cm3以上と言われている｡本研究課題でも､この目標に向かって研究を 行った｡ 液体急冷法は容易に機械的性質などが調べられる試験形状を持ったリボン材の作製が出 来､高強度･高耐熱強度を持つAl合金の組成探査には最適であるo申請者らは液体急冷法 により､ 1992年には引張破断強度が約1350MPaを示すfcc-Al相中にナノ準結晶粒子が分 散したAl･Mn-CeおよびAl･Cr･cc･Co合金､ 1995年には引張破断強度が約1400MPaを示 すfcc-Al相中にナノ非晶質粒子が分散したAl･V･FeおよびAl･Ti-Fe合金の開発に成功して いる｡これらの引張破断強度は､商用合金の中で最高強度を示す超々ジュラルミン(7075･T6 合金)の2倍以上である｡また､液体急冷法で最高強度を示した合金組成を用いて､さら に粉末冶金法で､ 1997年には引張強度が585 MPaを示す準結晶粒子分散Al･VIFe合金粉 末冶金材(押出し温度: 423K)､ 1998年には引張強度が約660MPa､ 573Kで100hr保 持後の引張強度が約350 MPaを示す準結晶粒子分散Al･Fe･Cr･Ti合金粉末冶金材の開発に 成功している｡これら液体急冷法および粉末冶金法で作製した材料の強化機構を明らかに することは､今後の高強度Al合金の開発に重要な知見を与えると考えられる｡ 本研究の目的は､ (1)液体急冷法によりナノ粒子を制御したAl合金の開発､ (2) 引張破断強度が1400 MPaを超えるナノ粒子分散Al合金の開発､ (3)引張破断強度 が1400 MPaを超える急速凝固したAl合金の開発､ (3)粉末冶金法による準結晶粒 子分散Al合金粉末材の開発とその機械的性質を調べる､ (4)強化機構を明らかにする

ために､ナノ粒子分散Al合金の透過電子顕微鏡組織を調べる､および(5)本開発ナ

ノ粒子分散Al合金の強化機構を分散強化理論に基づき解明することである. キーワード:アルミニウム合金､急冷凝固､ナノ粒子､非晶質相､ガラス相､機械的性質､ 耐熱強度､強化機構 1

-研 究 組 織 一 研究代表者:木村久道(東北大学金属材料研究所助教授) 研究分担者:井上明久(東北大学金属材料研究所教授) (研究協力者:笹森賢一郎)

交付決定額(配分額)

_{(金額単位:円)} 直接経費 亊I ｨﾆ N 合計 平成15年度 涛 ﾃ 0 涛 ﾃ 平成16年度 涛 ﾃ 0 涛 ﾃ 平成17年度 涛 ﾃ 0一 涛 ﾃ -総計 ﾃs ﾃ 0 ﾃs ﾃ 研 究 発 表 (1)学会誌等

1) T･ Kamiyama, H･Kimura, K SasamoriandA. Inoue, "Change inthe nanoIStruCture

ofAl･basealloyribbonS in response to tensile streSS - a Small-angle X･ray scattering

study", a. Appl. Cryst., 36也003), 464･468.

2) A･ Inoue･ H･M･Kimura and S･ Yamaura,?roductionand MechamiCalProperties of

AluminumAlloyswithDiSperSed Nanoscale QuaSicrystauine andAmorphous

Particles", METALS ANDMATERUuぷInternational, 9 (2003), 527･536.

3) B･S･ Murty, D･H･ Ping･ K･ Hon°, H･Kimura and A･ Inoue, "肌crostructure ofRapidly

Solidified HighStrength A194V4Fe2 Alloy", Mater. Thn8., 44 (2003), 1993･ 1998.

4) A･ Inoue, H･ M･Kimura, J. Nagahora and KKita, "Nanocrystauine Al･Ba馳dAlloys

Developed by Rapid Solidificati0年Power Metallurgy (RSP瓜のand Vapor Particle

DepoSition (WD) Methods ",Asia Academic Seminar on New Materials, (加03), 91･105.

5) S･ Sobu, H･Kimura, D. V. Louzguine and A. Inoue, Formation, ThermalStability

and MechamiCalProperties of Aluminum-Based GlassyAlloys Containing Boron,

MaterialTransactions, 45【41也004), 1204- 1209.

6) A･ Inoue, S･ Sobu, D. V. Louzguine, H.Kimura and K. Sasamori, Ultrahighstrength

Al･based amorphouSalloys containing Sc, a.Mater.Res., 19[5】 (2004), 1539･1543.

7) T. Biswas, S. Ranganathan and H.Kimura: CompoSitionalE飴ct on the Stability of

theAmorphous Phase in Al-La･NiAlloys, a. Metastable and Nanocry. Mater., 24･25

(2005), 695･698.

- 2 -＼

(2)口頭発表

1)蘇武信太郎､笹森賢一郎､ D.V.Louzguine､木村久道､井上明久､Al基ガラス合金の

熱的安定性および機械的性質に及ぼす軽金属･半金属元素添加の効果､日本金属学会

2003年秋期(第133回)大会(03.10.11･10.13､北海道大学)

2 ) SETYAWANAlbertus Deny Heri､笹森賢一郎､ LOUZGUINE Dmitri､木村久道､井

上明久､ Structure and Mechanical Properties of Rapidly Solidified Al･Y･Fe-M(M=Co,

Mn, Cu)A皿oys､日本金属学会2003年秋期(第133回)大会(03.10.11･10.13､北海

道大学)

3)木村久道､笹森賢一郎､井上明久､ Al･Fe･CrTi合金P/M材の耐熱強度､粉体粉末冶金 協会 平成15年度秋季大会(第92回講演大会) (03.ll.6･11.8､大阪大学)

4 ) T.Biswas, S.Ranganathan and H.M.Kimura, CompositionalEffect on the Stability of the Amorphous Phase inAl･La･NiAlloys, llth InternationalSynposium on

Metastalbe, Mechanically Alloyed and Nanocrystalline Materials (ISMANAM 2004)

(04.8.22･26, Sendai, Japan) (3)出 版 物 1 )井上明久､木村久道､ ｢高強度軽合金｣､シーエムシー出版(2003.8),p.63-67. 2)木村久道､井上明久､ ｢ナノ準結晶Al合金｣､シーエムシー出版(2003.8),p.$1-84. 3)井上明久､木村久道:ナノコンポジットマテリアルー金属･セラミックス･ポリマー 3大物質のナノコンポジットー(編集井上明久) ｢アルミニウム合金｣､フロンティア 出版､ (2005年11月15日),30･33. 4)木村久道､井上明久:ナノコンポジットマテリアルー金属･セラミックス･ポリマー 3大物質のナノコンポジットー(編集井上明久) ｢準結晶粒子分散アルミニウム合金｣､ フロンティア出版､ (2005年11月15日),34･39. 5)木村久道､井上明久:ナノマテリアル工学大系第2巻ナノ金属(監修井上明久) ｢ア ルミニウム合金の高強度化｣､ (樵)フジ･テクノシステム､ (2006年1月11日),33･40. (4)シンポジウム 1)井上明久､木村久道:研究部会シンポジウムー急冷凝固アルミニウム材料の実用化の 現状と展望- (主催:軽金属学会･急冷凝固アルミニウム合金の実用化研究部会)､ ｢急 冷凝固アルミニウム粉末合金の耐熱合金-の応用｣､ (2005年5月16日､ホテルサン ガーデン姫路) ,9･12. (5)研究成果による工業所有権の出願･取得状況 1) ｢アルミニウム合金｣､藤田 雅､井上明久､木村久道､東北大学､本田技研工業(樵) 特願2005･92072､出願年月日:平成17年3月28日

- 3 -(6)受賞 1)木村久道､笹森賢一郎､井上明久､準結晶粒子分散法による耐熱強度Al基合金p/M材 の開発研究､日本粉末冶金工業会第1回PM研究促進展奨励賞(平成16年11月6日) (7)その他 1)木村久道:特集Ⅱ ｢金属｣創刊74周年記念｢装置との出会い｣､金属､ 75【10】(2005), 52･53.

- 4 -研 究 発 表

(1)学会誌等: 7件

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