セラミックウィスカ強化アルミニウム合金 複合材料の熱処理

セラミックウィスカ強化アルミニウム合金 複合材料の熱処理

柴 田 政 勝＊

西

Heat treatment for the aluminium alloy composite reinforced with the ceramic whisker

Masakatsu SHIBATA  and Akinori NISHI＊

 We fabricated the aluminium alloy matrix composite reinforced with aluminium borate whiskers by the squeeze casting． With the scanning electron microscope and analyzer the change of皿icrostructure arld magnesium content distribution in the composite with heating were invetigated． Furthermore the change of the lattice distance in the matrix and interaction between the solute element and whisker were investigated with X−ray diffraction and transmission electron microscope． Microprosity in the composite are coarsoned and spheroidized with heating． The distribution of magnesium in the as cast composite are homogenized and lattice distance is changed with heating． Spinel com−

pounds are observed on the whisker surface extracted from the as cast composite．

L緒 言

 セラミックウKスカを用いて強化されたアルミニウム合

航空機や自動車部品としてその用途が期待されているD。強 化材として炭化けい素（SiC）を用いたアルミニウム合金複 合材料はすでに実用化されているが、Sicの価格が高く、

したがって、複合材料そのものが高価になり、すぐれた特 性を有する割には広く普及するには至ってない。ところが、

最近、四国化成が開発した新しいセラミックウィスカであ るほう酸アルミニウムウィスカ（9A1203・2B203）はSicと 比較すると強度はやや劣るものの弾性率や硬さ、比重など 構造材料として用いる場合に重要な性質は、ほとんど遜色

なく、価格はSiCの約1／10である2）。これらの理由によ

している3）がいくつかの問題点も残されている。ほう酸ア ルミニウムウィスカを用いて高圧鋳造法によってA6061ア ルミニウム合金との複合材料を作成し、溶体化処理および

時効処理による機械的性質の変化を調べた斉藤ら4）による

と、複合化により鋳造のまま（as cast）でもとの約2倍

ウィスカとマトリックスがはく離した跡が多数観察された ことより、これらの処理によってウィスカとマトリックス

−Si系合金を用い、本ウィスカとの複合材を高圧鋳造法に より作成した西野ら5）によると、溶体化処理時にマトリッ

クス中のマグネシウムとウィスカが反応し、スピネルが生 成してウィスカが弱化することが報告されている。いずれ の報告においても溶体化処理によって機械的性質の低下が 生じ、これはウィスカとマトリックスの界面反応によるも のと解釈されているが、マトリックスの変化について調べ た報告は見あたらない。そこで著者らはまず、溶体化処理 や均質化処理に伴う加熱が、マトリックスの組織や結晶構 造にどのような変化を与えるかを明らかにし、次いで複合 材料よりウィスカを抽出して界面を調べ、機械的性質低下

＊ 機械工学科

＊＊ 情報工学科

   2． 雲 験 方 法

複合材料の作成は、まず、ほう酸アルミニウムウィスカ

を用いてプリフォームを作成し、乾燥焼結後、これにアル ミニウム合金溶湯を庭山し、加圧するいわゆる高圧鋳造法 によった。ウィスカは四国化成（株）製アルポレックスM12、

アルミニウム合金はA6061合金を使用した。作成方法の詳 細は前報6）と同様である。得られた複合材料より約10mm 立方の試験片を切り出し、A6061合金に通常施される溶体

化処理温度783Kで、所定時間加熱後、氷水中に急冷し、

光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡（SEM）による組織観察なら びに電子線マイクロブm一ブ（EPMA）によるマトリックス内

のMg濃度分布を調べた。なお、加熱に際しては酸化を防

3．結果および考察

3．1 加熱による組織変化

 ウィスカ体積比約30％を含むA6061合金複合材料より 切り出した試料を783Kで加熱し、光学顕微鏡で観察し

（a）

      （b）

Fig．1 Optical micrographs of the A6061 com−

   posite reinforced with aluminium bo−

   rate whiskers． （a）As cast and （b）heat    treated composite for 14．4ks at 783K．

〆憂

（a）

（b）

郵ド晦

義鉾郵．

譲獄、

鞠

lp．m

       （c）

Fig． 2 Scanning electron micrographs of the

   composit es． （a） As cast ， （b） 1． 8ks and

   （c）Z2ks heat treated composite at

 通常、ミクロ組織と呼ばれている光学顕微鏡組織では、

加熱による組織変化はほとんど認められないが、約2000倍 に拡大した電子顕微鏡レベルになるとマトリックスに変化 が見られる。as cast材では、数10μmサイズの微細なデン

ドライトと、それらの間に多数のポロシティが観察される が、これらのポロシティは、主に高圧鋳造時の七回り不良

と凝固収縮によって生成したものと思われる7）。加熱する と、これらのポロシティの数は減少するもののサイズは増 大し、一方、デンドライトの輪郭が丸味を帯びてくる。特 にas cast材では多数存在していた1〜2μmサイズのポロ シティ数が著しく減少する。これは、as cast材で存在し た小さなポロシティの合体と、凝固途中に過飽和に固溶さ れた水素原子や原子空孔が、加熱されることによって拡散

し、既存のポロシティに集まるためと考えられる8） 9）。

 一方、デンドライトはもともと偏析を表しており、加熱 によって偏析をなくす方向すなわちデンドライトが消滅し ようとするので、デンドライトの輪郭はぼやけてくるもの と考えられる。このようにして粗大化したポPシティはそ の表面張力を最小にするため、球状に近づく結果、丸味を 帯びた形状になると思われる。

 3．2 Mg濃度の均一化

 液体金属が凝固する場合、すでに存在する固体、たとえ ば鋳型壁や液体金属内の微細な不溶性固体を核として固相 が成長することによって凝固が進行するLO）が、複合材料の 場合は、ウィスカがすでに固体として存在しているため、

これらを核として凝固が進むと思われる。Fig．3、 Fig．4にそ の様子を示しているが、ウィスカを主軸としたデンドライ

トが観察される。

デンドライト凝固した場合、溶質元素は凝固しつつある デンドライトの外側に排出され、その結果、マトリックス 内の溶質元素濃度分布は不均一となるが、これを加熱する ことによって拡散が生じ、溶質元素濃度分布は均一になる。

この様子を観察するため、溶質元素としてマトリックスに 含まれるMgを考え、 Mgの加熱による均一化過程を、 E

PMAにより観察した。ただし，市販のA6061合金中のMg

試料に凹凸があるため線分析のラインプロフィルは見にく いが、as cast材ではウィスカの両側に、やや離れたマト

リックスに比べてMg濃度が大であることを表す高いピー

るため、各試料にっき、ウィスカ部分のMg濃度をOmass

％、ウィスカから離れたマトリックス部分のラインの高さ を5mass％として半輪量的にM g偏析量を求めた。

（a）

F  lg

6um

（b）

      （e） （d）

Fig 3 X−ray line analysis of Mg content from

   （a） as cast ， （b） O． 6ks， （c） 1． 8ks and （d）

   7．2ks heat treated composite at 783K．

Dendrite

づ ポメΦ︽

 Mg

Mg

Omasse／o

Fig． 4 Schematic drawing of the whisker， den−

   drite and X−ray line analysis of Mg

   content．

 結果をFig．5に示す。最初配合した合金中のMg量は5 ma ss％であったにもかかわらず、 as cast材のウィスカ両端で は約10mass％のMgがあり、かなりの偏析が見られる。加 熱後、0．6ksを過ぎるとややMg濃度は低下し、7．2ksでやっ

と8mass％であり、均一化には長時間を要することがわか

る。

3．3 格子ひずみの変化

 783Kで所定時間加熱した複合材料を氷水中に急冷し、背 面反射法によるX線回折を行い、加熱による結晶格子の格

O

  罫

00 0 一

 副

642086420

3いOOE＼  

OΣ

as cast 1 10

      heatlng tlme ／ks

Fig．5 Change of Mg content in the 皿atrix

   with heat treatment．

子ひずみの変化を調べた。回折写真をFig．6に示す。ラウエ 法によったものであるが、回折X線は，はん点にはならず，

Debye環を構成していることから、これらの複合材料は比 較的微細な結晶からできていることがわかるu）。2本の環 が現れているが、小さい方の環は次式よりマトリックスの

（422）面より回折されたものであることがわかる。

  tan（ir−2 e）＝V／2D （1）

（a）

（c）

（b）

郵メ

（d）

    （e）

Fig．6 X−ray diffraction pattern from （a）as

   cast ， （b）O． 6ks， （c）1． 8ks， （d） 7． 2ks and

   （e）14．4ks heat treated composite at    783K．

   VlDebye環の直径

   D：試料とフィルム間の距離

D＝3．Oc皿、小さい環の直径V＝5．2cmより、θ ＝69．5度となる。

これを（2）式に代入すると

    A＝2dsine ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ （2）

   λ：X線の波長 Cukα；1．54178A

   d：格子面間隔

より

    d 一 O．823A

となる。立方晶では、（hkl）の面間隔dと格子定数aの

    1／d2＝ （h2 十 k2 十 12） ／a2             （3）

によって与えられるので、これらの式より小さいDebye環 を回折した面は｛422｝であることがわかる。そして、こ の｛422｝を回折したDebye環の直径は、わずかずつでは あるが、加熱により増大している。Fig．7はこの直径の変化 を（1）、（2）式に代入して｛422｝面のdの変化として表し たグラフである。dの変化の要因としては、種々考えられ るが、今、高圧鋳造時の熱および凝固収縮に伴う格子ひず みの影響について着目する。ウィスカの線膨張係数は4．O

× IO 6／K 2），マトリックスのそれは23．6 × IOs／K 12）であり、

マトリックスの線膨張係数はウィスカに比べて約6倍も大 きい。一方、ウィスカの縦弾性率2）はマトリソクスに比べ てはるかに大きいため、鋳造凝固時にマトリックスに大き な格子ひずみを生じることが推測される。そして、この格 子ひずみが加熱されることによって徐々に解放され、dは 小さくなる。しかしながら、この要因のみでは、Fig，7の 結果と矛盾する。この他の要因として、加熱によるデンド ライト内の微細なサブグレインの発生9）や、原子空孔およ び転位などの挙動も考えられるが、これらの要因がどのよ

うに格子ひずみに影響を与えるかは、現段階では明らかに

されていない。

∈c＼ ︷§︸O

8．260

8．2ム0

  o／

zlast

 dS cast

o

o

o

  1 10

heating time ／ks

100

Fig． 7 Change of ｛422｝ lattice plane distance    of the composite heat treated at 783K．

  3．4 抽出ウィスカのX線回折およびTEM観察  複合材料は異種材料の組み合わせであるため、加熱した 場合に界面反応が起こることが予想される。本複合材料の 組み合わせでも界面反応により、時効処理を施した場合に、

A6061合金中に含まれるMg原子とウィスカが反応し，Mg

Fig．8にその結果を示す。ウィスカ自体のピークの他にブ ラソグ角θ＝45度付近にスピネルの（400）面による回折 ピークが、as castおよび加熱養いずれにも認められた。

Fig．9は783kで14．4ks加熱した複合材料を、イオンミリング によって薄膜にし、ウィスカ界面をTEMによって観察した 写真を示す。ウィスカ界面に小さく多角形に見えているの がスピネルである。as cast複合材にも見られたが、加熱 によって粗大化し、数も増加していた。これらの結果より

←一

ﾖ⊆Φ一⊂H

diffraction angLe 2e／degree

     （a）

difiraction angLe 2e／degree

Fig．8 X−ray diffraction pattern from （a）as    cast and （b）heat treated whiskers ex−

   tracted from the composite．

14．

懸盤・ 撃 ^難

（ ． 5pt m

Fig．9 Trans皿ission electron micrograph of    the surface of the whisker from the

   heat treated composite．

スピネルは複合材料製造後の均質化処理や時効処理前に行 われる溶体化処理などの加熱によるものだけでなく、すで に複合材料製造時においても生成していることが明らかと

なった。

4． 結 言

 最近、開発されたほう酸アルミニウムウィスカを強化 材としてA6061合金を用いて、高圧鋳造法により、複合材 料を作成した。通常、鋳造後に施される均質化処理や時効 処理前の溶体化処理などの高温加熱によってマトリックス がどのように変化するかさらにウィスカとマトリックスの 界面反応をX線回折および電子顕微鏡によって調べた。得

られた結果は以下のとおりである。

 （1）光学顕微鏡観察レベルでは加熱による組織変化は見 られなかったが、電子顕微鏡レベルではミクロポロシティ が観察され、加熱によってそれらは粗大化しかつ丸味を帯 びたポロシティになる。

 （2）as castの複合材料ではM g濃度に不均一分布が認 められ、加熱により徐々に均一化していくが、完全な均一 化には長時間要する。

 （3）X線回折の結果、加熱により｛422｝面の面間隔が

変化する。

 （4）as castおよび加熱した複合材料より抽出したウィ スカ表面にはスピネルが認められ、このスピネルは複合材 料製造時の溶湯との反応ですでに生成する。

 本実験の遂行にあたり、実験にご協力頂いた本校機械工 学科卒業生 井原正敦、滝本由樹および田村聡全準工学士 に深く感謝します。

さらに、複合材料のTEM試料の作成ならびに観察で お世話になった岡山大学 竹元嘉利博士に厚くお礼

申し上げます。

       参 考 文 献

1）材料技術研究協会 編集：先端材料技術とその展望、

 総合技術出版、1987．

2）四国化成工業（株）編、アルポレックス技術資料、1992．

3）山内利夫他：自動車技術会学術講演会前刷集、975

 （1997）． 157．

4）斎藤尚文、中西 勝、西田義則：軽金属、44（1994）、

 86．

5）西野直久、砥綿真一：軽金属、46（1996＞、150．

6）柴田政勝、藤原 敏、西 彰矩：津山工業高等専門  学校紀要、37（1995）、5．

7）M．C． Fleming． Solidification Processing．

 （1974）． McGraw−Hill．

8 ）P． N． ANYALEBECHI． J． HOGARTH：Metall． Trans． ． 25B  （1994）， Hl．

9）D． L． ANTON． A． E GIAMEI． ：Mat． Sci．． 76（1985）． 173．

10）B．Chalmers、岡本平訳、金属の凝固、（1971）、丸善．

11）カリティ、松村源太郎訳、X線回折要論、1969， AGNE，

12）軽金属学会編、アルミニウムの組織と性質、（1991）、

  478、軽金属学会。

13）菅沼克昭、佐々木元、藤田輝昭、鈴木信幸：軽金属、

  41（1991）． 297．

1 4） L， J． YAO． G． SASAKI， J． PAN． M． YOSHIDA． H． FUKU−

  NAGA：MetalL Trans．， 29A（1998）． 1517．