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Al-Si-Mg系鋳造合金におけるT5処理後の時効析出組織の観察

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Academic year: 2021

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(1)

1. 緒

鋳造性に優れるAl-Si系合金にMgを添加したAl-Si-Mg系合 金は時効処理により強度が向上する。この合金系の時効硬化 挙動についてはいくつかの報告があるが,添加元素の影響を 含め,まだ十分に明らかにされていない1) 4)。我々の研究グ ループでは,Al-10%Si-0.3%Mg(mass%)合金に対して,冷 間圧延と溶体化処理(813 K)および時効処理(473 K)を施 し,そのミクロ組織について透過型電子顕微鏡(TEM)を用 いて観察を行った。その結果,最高硬さ時では,β 相ならび に平行四辺形タイプの析出物に加え,Siリッチな粒状析出物 が 存 在 す る こ と を 確 認 し た1)。ま た,Al-7%Si-0.3%Mg-0.1%Fe-0.01%Sr(mass%)鋳造合金(商用AC4Cアルミニウム 合金相当)に対し,鋳造後773 Kにて鋳放し,水冷し,473 K で時効処理を施した場合でも,過剰Si型Al-Mg-Si合金でみら れる平行四辺形タイプの析出物やβ 相などの中間相が存在す ることを確認した。最高硬さ時において,共晶Si相の近傍で 微細な棒状の析出物がみられたが,共晶 Si 相から初晶 α−Al 相内に向かうにつれて棒状の析出物が粗大になり,析出物の 分布が不均一であることがわかった3) Al-Si-Mg 合金における,Fe,Sr や Mg の微量添加は,その 時効硬化に影響を与えることが報告されているが5) 7),存在 する析出相および,その分布に及ぼす影響については,明ら かでない。そこで本研究では,Al-7mass%Si合金を基準とし, 0.3mass%Mg 添 加 合 金,0.4mass%Mg 添 加 合 金,Al-7%Si-0.3%Mg-0.1%Fe-0.01%Sr(mass%)合金(商用AC4Cアルミニ ウム合金相当)の 4 種類の合金を作製し,T5 処理時の Al-Si-Mg 系合金中の時効析出物の分布および時効硬化挙動に対す る合金組成の影響を明らかにすることとした。

2. 実 験 方 法

本実験で使用した試料の化学組成を Table 1 に示す。Al-7mass%Si 合 金 を 基 準 と し, 0.3mass%Mg 添 加 合 金, 0.4mass%Mg 添 加 合 金, Al-7%Si-0.3%Mg-0.1%Fe-0.01%Sr (mass%)合金(商用AC4Cアルミニウム合金相当)を作製し た。それぞれを 0%Mg 合金,0.3%Mg 合金,0.4%Mg 合金, 1

富山大学学術研究部都市デザイン学系(〒930-8555 富山県富山市五福 3190)Academic Assembly Faculty of Sustainable Design, University of Toyama(3190, Gofuku, Toyama-shi, Toyama 930-8555)

2 富山大学理工学教育部(富山市)〔現在:DOWAホールディングス株式会社〕Graduate School of Science and Engineering, for Education, University of Toyama(Toyama-shi, Toyama)〔Present:DOWA HOLDINGS Co. Ltd.〕

3

富山大学名誉教授(富山市)Prof. Emeritus, University of Toyama(Toyama-shi, Toyama) * 責任著者E-mail: [email protected]

研究論文

軽金属 第71巻 第4号(2021),166–170 DOI: 10.2464/jilm.71.166

Al-Si-Mg系鋳造合金におけるT5処理後の時効析出組織の観察

土屋 大樹

1

・牧田 悠暉

2

・李 昇原

1

才川 清二

1

・池野 進

3

・松田 健二

1

*

Journal of The Japan Institute of Light Metals, Vol. 71, No. 4 (2021), 166-170 © 2021 The Japan Institute of Light Metals

Microstructure observation in T5 treated Al-Si-Mg system cast alloys

Taiki TSUCHIYA

1

, Yuki MAKITA

2

, Seungwon LEE

1

Seiji SAIKAWA

1

, Susumu IKENO

3

and Kenji MATSUDA

1

*

Al-Si-Mg alloys have good castability and high strength can obtained by aging heat treatment. There are some re-ports about the age-hardening behavior of these alloys. However, the effect of additive elements on the age-harden-ing behavior with microstructure evolution in Al-Si-Mg alloys is not totally clarified yet. In the previous work, the effect of T5 heat treatment for age-hardening behavior and microstructure evolution in AC4C cast alloy were inves-tigated. Fine rod-like precipitates which were reported in Al-Mg-Si alloy were observed near eutectic Si phase in AC4C alloy. Rod-like precipitates became coarser toward the center of α-Al dendrite. In this work, high purity Al-Si-Mg alloys were fabricated, and the microstructure of the alloys in T5 condition was investigated by transmission electron microscopy (TEM). In Al-7%Si-0.4%Mg (mass%) alloy aged at 473K for 7.2ks, lots of needle-like precipi-tates, which were identified as β phase, were observed near the eutectic Si phase. On the other hand, rod-like pre-cipitates and granular prepre-cipitates were observed far from the eutectic Si phase. Based on SAED patterns obtained from the rod-like precipitates and granular precipitates, Those precipitates were identified as Type-A precipitates and Si phase, respectively.

(Received October 28, 2020 Accepted February 12, 2021)

Keywords: Al-Si-Mg alloy; cast alloy; age-hardening; precipitation; transmission electron microscopy

(2)

AC4C 合金と称する。試料の作製は,前報で報告したように Yブロック形状のキャビティを有する金型を用い,溶湯温度 は約 973 K,鋳型温度 473∼483 K で鋳造した。K タイプ熱電 対を用いて,押し湯部の温度を測定し,注湯後,鋳物温度が 773 K まで降下した時点で鋳型から鋳放し,溶質原子を母相 中に過飽和に固溶させるため,氷水中に焼入れた。氷水に焼 入れた直後の試料状態を as castと称する。Y ブロック形状鋳 物の押し湯部分を除いた下部を切り出し,鋳塊に 473 K で時 効処理を施した2), 3)。試料はマイクロカッターを用いて,縦 10 mm×横 12 mm×厚み 30 mm のブロックに切り出した後, ダイヤモンドカッターを用いて,1.5 mm 厚さの板材とした。 耐水研磨紙で板表面を研磨し,アルミナ粒子を用いたバフ研 磨により鏡面にした。硬さ測定は,ミツトヨ製ビッカース硬 さ試験機を用いて,荷重 0.98 N,保持時間 15 s で測定を行っ た。ミクロ組織の観察にはオリンパス製 BX51M 光学顕微鏡 とトプコン製 EM-002BTEM を用いた。TEM 観察は,加速電 圧 120 kV で行い,析出物の元素分析は TEM 付属のエネル ギー分散型X線分析装置(EDS)を用いて行った。

3. 実験結果および考察

3. 1 as castにおける組織観察

Fig. 1に各合金のas castにおける光学顕微鏡像を示す。いず

れの合金でデンドライト状の初晶α−Al 相と板状の共晶 Si相 が観察された。Fig. 1(d)のAC4C合金では,Srを添加したこ とにより,微細な共晶Si相が観察された。これは,Dongらの 報告にある Sr 添加と同様の効果が現れたものと考えられ る4)。光学顕微鏡像より各合金の二次デンドライトアーム間 隔を測定したところ,Table 2に示すように,合金組成による 差はみられなかった8) 3. 2 473 Kにおける時効硬化挙動 Fig. 2 に各合金の時効温度 473 K における硬さ変化曲線を 示す。AC4C 合金(●印)では,時効時間が進むにつれて硬 さが増加し,最高硬さに到達した後に過時効となって減少し ている。0.3%Mg合金(△印)では,as castではAC4C合金よ り若干低い硬さを示し,時効後の最高硬さはAC4C合金より も低く,時効硬化能が低い結果となった。0.4%Mg 合金(○ 印)では,as castの硬さはAC4C合金と同程度であり,AC4C 合金同様に 0.5 ks あたりから硬さの立ち上がりがみられ,最 高硬さの値もAC4C合金と同程度の値を示した後,硬さが減 少していく結果となった。一方で Mg を含まない 0%Mg 合金 (□印)では,as castの硬さが前述の合金よりも低く,顕著な 時効硬化はみられなかった。Al-Si系合金では,時効処理によ りSi相が析出するが,析出硬化は非常に小さいことが知られ ている9), 10) 3. 3 時効処理に伴う析出組織の変化

Fig. 3 は,各合金の as cast における TEM 像である。図中に

黒いコントラストで観察される,共晶Si相近傍では,母相中 に転位が観察された。本研究では鋳造時に,鋳物温度が 773 Kまで低下した際に,氷水中に焼入れを行っており,姜らの 報告にもあるように,高温からの急冷時に発生する熱応力を

緩和するために転位が導入されたと考えられる11)。また,晶

Table 1 Chemical composition of alloys (mass%).

Sample Mg Si Ti Cr Mn Fe Cu Zn Sr Al

0%Mg-added alloy <0.01 6.6 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 Bal. 0.3%Mg-added alloy 0.32 7.0 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 Bal. 0.4%Mg-added alloy 0.38 6.8 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 Bal. AC4C alloy 0.31 7.2 <0.01 <0.01 <0.01 0.11 <0.01 <0.01 0.013 Bal.

Table 2 Dendrite Arm Spacing (DAS) of alloys.

Sample 0%Mg-added alloy 0.3%Mg-added alloy 0.4%Mg-added alloy AC4C alloy

DAS (μm) 16.5 16.7 16.7 16.1

Fig. 1 Microstructure for as cast (a) 0%Mg-added alloy, (b)

0.3%Mg-added alloy, (c) 0.4%Mg-added alloy and (d)

(3)

出物や析出物と思われるコントラストは観察されなかった。 母相から得られた制限視野回折(SAED)図形においても,母 相からの回折斑点以外に,晶出物や析出物の回折斑点はみら れなかった。

Fig. 4(a)に473 Kで7.2 ks時効した0%Mg合金のTEM像を

示す。こちらは共晶Si相から約3 μm離れた位置での観察結果 である。as castの試料ではみられなかった,板状または棒状 の析出物が観察された。この視野から得られた SAED図形を Fig. 4(b)に示す。SAED 図形を解析した結果,Si 相の <110>

からの回折斑点として解析できた12) Fig. 5に473 Kで7.2 ks時効した0.3%Mg合金,0.4%Mg合金 および AC4C 合金の TEM 像を示す。いずれの合金において も,共晶Si相の近傍では,母相の<100>方向に沿った針状の 析出物が観察された。0.3%Mg 合金よりも高い硬さが得られ た 0.4%Mg 合金と AC4C 合金では,より微細な針状析出物が 観察された。共晶Si相から離れた位置では,いずれの合金に お い て も 粒 状 析 出 物 や 棒 状 析 出 物 が 観 察 さ れ た。ま た 0.4%Mg合金では,AC4C合金と0.3%Mg合金と比較して,粒 状析出物のサイズは小さく,数密度は大きかった。いずれの 合金においても共晶 Si 相近傍では微細な針状析出物がみら れ,共晶Si相から離れた位置では,粒状析出物や棒状析出物 がみられるという類似の結果となった。また図中に(a)∼(c) で示した析出物について調査した結果を後述する。0.4%Mg 合金では,Mg 量が増加することにより,共晶 Si 相近傍で観 察される針状析出物の数密度が,0.3%Mg合金の527個/μm2 ら1122個/μm2に増加し,AC4C合金では,針状析出物の数密 度が 1302 個/μ m2となり,同じ Mg 量である 0.3%Mg 合金と比 較して,針状析出物が増加する結果となった。このことは,

Fig. 4 Bright field image and SAED pattern for

0%Mg-added alloy aged at 473K for 7.2ks.

Fig. 5 Bright field TEM images for the alloys aged at 473K for 7.2ks. Fig. 3 Bright field TEM images for as cast (a) 0%Mg-added

alloy, (b) 0.3%Mg-added alloy, (c) 0.4%Mg-added alloy and (d) AC4C alloy.

(4)

Fig. 2における最高硬さの違いとして現れたと考えられる。 3. 4 0.4%Mg合金における析出相の同定 続いて,最も高い最高硬さを示し,析出物が数多く観察さ れた0.4%Mg合金において,前節で確認された針状,粒状,お よび棒状析出物の同定を行った。共晶Si相近傍でみられた針 状析出物(Fig. 5(a))について,析出物断面の高分解能TEM (HRTEM)像をFig. 6に示す。この析出物は,輝点の間隔が, 約 0.77 nm と 0.67 nm で図中に示す輝点配列のなす角度が 75° となっており,β 相として解析できた13) 次に,共晶Si相から離れた位置で見られた粒状析出物(Fig. 5(b))のHRTEM像をFig. 7に示す。HRTEM像の解析の結果, 輝点の間隔は約 0.38 nm と 0.54 nm であり,それぞれ Si 相の {011}面と{001}面の面間隔とほぼ一致した。また,この析 出物は,母相の<310>方向にほぼ平行なファセットを持って いた。EDS分析を行った結果,粒状析出物からは,Siと母相 からの回り込みと思われるAlが検出された。粒状析出物を含 む領域から得られた SAED 図形において,Si 相の <110> 方向 からの回折斑点が確認されたことから,この析出物はSi相と 同定された12) 最後に,共晶 Si 相から離れた位置でみられた棒状析出物 (Fig. 5(c))について,より高倍率で観察した TEM 像および 棒状析出物を含む領域から得られた SAED 図形を Fig. 8 に示 す。SAED 図形の解析の結果,A 型析出物の[101 -2-]からの 回折斑点であると考えられた3), 14),15)。また,この棒状析出物 に対して EDS 分析を行った結果,Mg と Al,Si が検出され, MgとSiの分析値の比を取ると,約Mg:Si=1:5であり,こ の分析結果からもこの棒状析出物がA型析出物ではないかと 考えられた15)

4. 考

すべての合金で,共晶Si相近傍と比較して,共晶Si相から 離れた位置で,Si相析出物が多く観察されるという結果が得 られた。共晶Si相近傍では,共晶Si相の晶出により,Si濃度 が減少する事に加え,型ばらし温度 773 K から氷水温度まで の冷却中に,共晶Si相界面にSi原子と原子空孔が吸収される ことで両者の濃度が減少し,Si主体の析出は生じなかったと 考えられる。これに対して,共晶 Si 相から離れた位置では, 型ばらし後の氷水への焼入れにより生じた過剰な原子空孔と 過飽和に固溶したSiのクラスターが生成し,Si相の析出が生 じたと考えられる16), 17)。一方,Mg を含む 0.3%Mg 合金, 0.4%Mg合金,AC4C合金では,共晶Si相近傍では,Si濃度は かなり低くなっていると考えられるが,Mg量が多い0.4%Mg 合金は,0.3%Mg 合金に比べて,針状析出物の数密度が高い ことからも,固溶しているMgとSiは473 Kにおける時効処理 でβ 相が析出できる程度残存していると考えられる。なお, 溶質濃度の分布に関する直接的な証拠は本実験では得られな かったので,今後の課題である。 また,0.3% の Mg を含む AC4C 合金が 0.4%Mg 合金と同様 に,時効における最高硬さが 0.3%Mg 合金よりも高くなった 理由として,針状析出物の数密度が増加したためという現象 を挙げた。類似の微量添加元素の影響として,溶湯鍛造法に て作製したAC4Cアルミニウム合金(LM25合金)に0.02%Sr と1.0%Feを添加した合金に対して,713 K,10.8 ksの溶体化 処理後,423 K で時効した結果,最高硬さを増加させること をDongらが報告している4)。彼らは硬さが上がった理由とし て,微細な Fe-Si-Al金属間化合物粒子が形成したことに起因 するとした。本研究で使用したAC4C合金も微量のSrとFeを 含んでいるものの,Fe-Si-Al 系の微細粒子は確認されていな い。共晶Si相近傍での針状析出物の数密度が増加が,主とし て硬さの増加に寄与していると考えられる。また,0.16mol% の Fe を添加した Al-1.06mol%Mg2Si 合金において,Fe を添加 していないものに比べ,時効硬化における最高硬さと析出物

Fig. 7 (a) HRTEM image at the region far from eutectic Si

and (b) SAED pattern for granular-shape precipitate in 0.4%Mg-added alloy aged at 473K for 7.2ks.

Fig. 8 (a) Bright field TEM image at the region far from

eutectic Si and (b) SAED pattern in 0.4%Mg-added alloy aged at 473K for 7.2ks.

Fig. 6 HRTEM image at the region near eutectic Si in

(5)

の数密度が増加すること,さらに析出物の種類としてβ 相が 増加する現象を著者らは報告している18)。これはFeが溶質ク ラスターの形成に寄与しているためと考えており,AC4C 合 金においても添加した Fe が針状析出物の数密度を増加させ る同様の効果をもたらしたものと推察される。

5. 結

T5 処理した Al-Si-Mg 系合金の時効析出物の分布および時 効硬化挙動に対する合金組成の影響を調査するために,Al-7mass%Si 合 金 を 基 準 と し て, 0.3mass%Mg 添 加 合 金, 0.4mass%Mg添加合金,AC4C合金を作製し,硬さ測定および 組織観察を行った。得られた結果を要約すると以下の通りで ある。 (1)as castにおいては,0%Mg合金が最も硬さが低く,Mg 添加に伴い硬さが増加した。0%Mg合金では時効硬化がみら れなかったが,Mgを添加することで時効硬化し,添加量が多 いほど最高硬さの値は増加した。AC4C合金と0.4%Mg合金で は,同様の時効硬化挙動を示した。 (2)TEM観察の結果,いずれの合金においてもas castでは 析出物は観察されず,共晶Si相近傍の母相中で転位が観察さ れた。 (3)0%Mg 合金では,473 K で 7.2 ks 時効後,共晶 Si 相から 離れた位置で板状または棒状の析出物が確認された。これら の析出物はSi相であることがわかった。 (4)0.3%Mg合金,0.4%Mg合金およびAC4C合金では,473 K で 7.2 ks 時効後,共晶 Si 相近傍で微細な針状析出物が観察 された。共晶Si相から離れた位置では,粒状および棒状析出 物が観察された。0.3%Mg 合金と比べ,0.4%Mg 合金および AC4C合金では析出物がより微細であり,数密度も高かった。 (5)0.4%Mg合金を用いて,析出物のHRTEM像を解析した。 共晶 Si 相近傍の微細な針状析出物はβ 相であり,共晶 Si 相 から離れた位置でみられた粒状および棒状析出物は,それぞ れSi相とA型析出物であることがわかった。 参 考 文 献 1) 才川清二,森岡竜一,松田健二,寺山清志,池野 進:軽金属, 64 (2014),633-637.doi.org/10.2464/jilm.64.633 2) 才川清二,森岡竜一,松田健二,寺山清志,池野 進:軽金属, 64 (2014),457-462.doi.org/10.2464/jilm.64.457 3) 土屋大樹,牧田悠暉,李 昇原,才川清二,池野 進,松田健 二:スマートプロセス学会誌,8 (2019),155-159.doi.org/10. 7791/jspmee.8.155

4) R. K. Mishra, G. W. Smith, W. J. Baxter, A. K. Sachdev and V. Franetovic: J. Mater. Sci., 35 (2001), 461-468. doi.org/10.1023/ A:1004888831537

5) J. X. Dong, P. A. Karnezis, G. Durrant and B. Cantor: Metall. Mater. Trans. A, 30A (1999), 1341-1356. doi.org/10.1007/s11661-999-0283-6

6) 小宮山芳朗,内田邦彦,郡市政広:軽金属,26(1976),311-319. doi.org/10.2464/jilm.26.311

7) F. J. Tavitas-Medrano, J. E. Gruzleski, F. H. Samuel, S. Valtierra and H. W. Doty: Mater. Sci. Eng. A, 78 480 (2008), 356-364. doi. org/10.1016/j.msea.2007.09.002 8) 軽金属学会 鋳造・凝固部会:軽金属,38 (1988),54-60.doi. org/10.2464/jilm.38.54 9) 北岡山治,藤倉潮三,神尾彰彦:軽金属,38 (1988),426-446. doi.org/10.2464/jilm.38.426 10) 飯泉新吾:鋳物便覧,編者 日本鋳物協会,(1973),1367-1368. 11) 姜 孝 京,來 田 雅 裕,宮 原 広 都,大 城 桂 作:鋳 造 工 学,69 (1997),828-834.doi.org/10.11279/jfes.69.828

12) J. Marfaing and W. Marine: Philos. Mag. Lett., 59 (1989), 87-94. doi. org/10.1080/09500838908214781

13) K. Matsuda, T. Naoi, K. Fujii, Y. Uetani, T. Sato, A. Kamio and S. Ikeno: Mater. Sci. Eng. A, 262 (1999), 232-237. doi.org/10.1016/ S0921-5093(98)00962-9

14) K. Matsuda, S. Tada, S. Ikeno, T. Sato and A. Kamio: Scr. Metall. Mater., 32 (1995), 1175-1180. doi.org/10.1016/0956-716X (95)00121-B

15) K. Matsuda, Y. Sakaguchi, Y. Miyata, Y. Uetani, T. Sato, A. Kamio and S. Ikeno: J. Mater. Sci., 35 (2000), 179-189. doi.org/10.1023/ A:1004769305736

16) H. S. Rosenbaum and D. Turnbull: Acta Met., 6 (1958), 653-659. doi. org/10.1016/0001-6160(58)90160-3

17) 鈴木 寿,菅野幹宏,伊藤吾朗,糸井一博:日本金属学会誌,46 (1982),78-84.doi.org/10.2320/jinstmet1952.46.1_78

18) S. Wang, K. Matsuda, T. Kawabata, T. Yamazaki and S. Ikeno: J. Alloys Compd., 509 (2011), 9876-9883. doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.07.067

Fig. 1 に各合金のas castにおける光学顕微鏡像を示す。いず
Fig. 5  Bright field TEM images for the alloys aged at 473K for 7.2ks.
Fig. 8  (a) Bright field TEM image at the region far from  eutectic Si and (b) SAED pattern in 0.4%Mg-added alloy  aged at 473K for 7.2ks.

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