Aging and fatigue of an aluminium alloy matrix

NDC 501．4

アルミニウム合金複合材料の時効と疲労について

柴 田 政 勝亀 藤 原 敏 西 彰 矩tS

Aging and fatigue of an aluminium alloy matrix

composlte

Masakatsu SHIBATA ， Satoshi FUJIWARA and Akinori NISHI

 A 6061 aluminium alloy matrix composite reinforced with aluminium−borate whisker was fabricated by squeeze

casting and then its aging phenomina and fati №浮?@properties were evaluated． By means of the X−ray microanal−

ys is it was related that Mg aRd Cu concentration in the composites decrease． As solution treated composite

has the highest fatigue l imit and next higher one is the aged compos ites and then as cast compos ite is low．

Fatigue limit of the composite was more accelerated with increasing aluminium−borate whisker． Aging harden−

ability with the composite of which has 30％ volume fraction of alu皿iniu皿一borate whisker is slightly and that of 38％ volume fraction is not obtained．

         1．緒 言

 セラミックウィスカを含むアルミニウム合金複合材料用 のウィスカとしては，すでに炭化けい素（Sic）を用いた ものが一部実用化されているが1） 2） 3），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，その優れ た特性をもつ割には広く普及するまでにいたってない。と ころが最近，四国化成（株）が開発した新しいセラミック ウィスカであるホウ酸アルミニウムウィスカ（2B203・9A12 03）は強度はやや劣るものの，弾性率や硬さ，比重といっ た複合材料として用いる場合に重要な性状はSiCにくらべ，

ほとんど遜色がなく，価格はSiCの約1／10である4）。

 そこでホウ酸アルミニウムウィスカを用いたアルミニウ ム合金複合材料に関する研究が最近いくつか報告され5）・

6）以下の事柄が明らかにされてきた。すなわちホウ酸アル ミニウムウィスカとAC8A合金との複合材料の引張強度は室 温で約430MPa，573Kで250MPaと非常に大きく，さらにヤン グ率は100MPa，熱膨張率は15×10 6／Kと従来のSiCを用いた 複合材料と遜色ない性質を示すことが報告されている。

 しかしながら構造用実用材料として使用する場合，最も 重要な性質のひとつである疲労に関するデータはほとんど 発表されておらず7）・8）・9）・10），したがって実用化される ためには疲労に関する実験データは必要不可欠である。

 一方，母材が本実験で使用した6061合金のようにMgを 含むアルミニウム合金の場合，強化を図る目的で行なわれ る時効処理においては，通常のアルミニウム合金のように

単純な時効効果は得られず，その時効過程は複雑である11）

12）・13）・14）。特にホウ酸アルミニウムウィスカを含むア ルミニウム合金の複合材料の時効過程についての研究は見

当らず，この点についても早急に明らかにする必要がある。

 以上の2点を考慮し，まずホウ酸アルミニウムウィスカ を含む6061アルミニウム合金の複合材料の時効過程を調べ，

次いで得られた複合材料について回転曲げ疲労試験を行な い，ホウ酸アルミニウムウィスカを含む6061アルミニウム 合金の実用化のための基礎的データを得ることを目的とし

た。

       2。実 験 方 法  2．1 複合材料の作成

 複合材料はまずホウ酸アルミニウムウィスカでプリフォ ーム（予備成形体）を作製し，これにアルミニウム合金溶 湯を加圧しながら注湯するいわゆる高圧鋳造法15》によっ て作成した。Table 1に示す性状をもち， P H（塩基度）

Table 1 Properties of aluminium−borate      whisker．

＊  機械工学科

＊＊ 情報工学科

項 目 数   値

平均繊維長

10〜30 ^μm

平均繊維径 0． 5〜ユ．0

μm

真比重 2． 93

引張強さ 8   GPa 弾性率

400  GPa

線膨張係数

42×10−6 deg−1

のみが異なる2種類のホウ酸アルミニウムウィスカ（四国 化成工業製アルポレックスG，M20とM12）4）に蒸留水を加 えてスラリー状にし，常温での成形性を保持させるため，

ポリビニルアルコールを微量添加し，さらに高温での成形 性を附加するため，シリカゾル（旭電化工業製AF−10）と 酢酸を数滴加え中性にする。これらの混合物をよく撹搾し たのち超音波洗浄器で解繊し，真空ポンプを用いて吸引濾 過する。このとき，減圧のため，温度が下がり，ろ過器お よび成形されつつあるプリフォームの付近で溶液の粘度が 増し，ろ過不能になることを避けるため，ドライヤーにて 上記付近を加熱した。この方法により，直径60㎜で高さ30 m（アルポレックスM20を用いた場合）と高さ35TEun（同M12 を用いた場合）の2種類のプリフォームを製作した。この ようにして作成されたプリフォームは水分を除去するため，

まず343〜353Kで一昼夜乾燥したのち，予熱をかねて，鋳 造前に電気炉にて1073Kで1時間焼結した。このプリフォー ムを773Kに予熱した金型に装入したのち，1073Kで溶解し たアルミニウム合金を注湯後直ちに加圧した。加圧方法は 万能試験機を用い，40HPaで5分間予備加圧後，100MPaで 主加圧を行なった15｝。

 2．2 疲労試験

 2．1の方法により得られた複合材料より，Fig．1 に 示すように，疲労試験片を半径方向に切りだした。疲労試 験片形状をPig．2 に示す。切りだした試験片をエメリペ

t一

@ Nk

一． 一

 ．．N一 」．．t   一一 L 一一 t

6061  attoy

compos；te

Fig．1 Sche皿atic figure of the test speci皿en．

〜、  、＿

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oo81ヨ

φ

￡

2 20

20

60

Fig．2 Shape and dimens ion of the spec imen

   for fatigue testing．

一パーおよびアルミナ研磨液を用いて表面を平滑に仕上げ た後，アルゴン封入し，時効処理を行なった。疲労試験は 小野式回転曲げ疲労試験機（容量1．5kg¶）を用いて大気 中で行なった。負荷荷重Pは（1）式によって求めた。

o＝M／Z ・・・・・…  （1）

 ただし，M：曲げモーメントでこの場合は試験機の構造        より（P／2）X100

     Z：断面係数でπd3／32      σ：応力振幅

     d：試験片平行部直径

組織観察および元素分析は日立S2000走査型電子顕微鏡お よびこれに付属しているHORIBA EMAX2200を用いて行なっ

た。

  3．実験結果および考察

 3．1複合材料の組織

 Fig．3 はプリフォームを加圧軸方向に平行に切りだし た断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。Fig．3（a）はアルポ

レックスM20タイプ， Fig．3（b）は同M12タイプより作成され たプリフォームで，ともにウィスカはほぼランダムに配向

していることがわかる。Fig．4 は，これらのプリフォー

〈a）1

灘．

強

腰幽

辮蹴

Fig．3 Scaming electron皿icrographs of the

   prefor皿s， the volume fraction of the

Fig．4 Scanning electron micrographs of the

   composites ，（a） showes that of 38X volume

   fraction and （b） showes that of 30X．

アルミニウム合金複合材料の時効と疲労について  柴田・藤原・西

ムを用いて作成された複合材料の電子顕微鏡組織を示して おり，この組織写真より点算法18）を用いてウィスカの体 積比を求めると，b！20タイプのプリフォームより作成され た複合材料（以下A材とする）では約38％，同H12（以下B 材）では約30％であった。

 次に複合材料から1c皿角のブロックを切り出し，パフ研 磨で鏡面仕上げしたのち，それを金属細綜で縛ってアルキ

メデスの原理を用いて複合材料の密度を（2）式によって 求めた16）が，それらの結果をTable 2に示す。なお，同 一ロットから得られた母材である6061合金について測定し たものも同時に示す。

p＝Wp，／ （W−W ） 十p． ｛1−W／ （W−W ）｝

       ・…  （2）

 ただし，ρ ：複合材料の密度

     W：空気中における試料の重さ      W』：水中における試料の重さ      ρL：測定温度における水の密度      ρA：空気の密度

 母材部である6061合金の密度が2．703であるのに対し，

A材では2． 815．B材では2。791と大きいが，これはホウ酸 アルミニウムウィスカの密度が6061合金に比べて大きいた めで，ウィスカ体積比が大きくなるほど密度が大きくなる のは首肯できる。通常6061合金押出材の密度は2．700であ り17），著者らの高圧鋳造法による値とほぼ一致している。

Table 2 Densities of composite and 6061 alloy．

複合材料 Vf38 複合材料

^Vf30器

2，815

2，791 2，703

 Table 2の結果に基づき，（3）式により複合材料申のウ ィスカ体積比を求めたところ，A材で37．7％， B材で29．6X となり，電子顕微鏡写真より点算法で求めた前述の値と非 常によく一致した。

Vw＝ ｛ （p．一pAi） ／ （p．一 pAi） ｝ ×100 （O／o）

       ・…  （3）

 ただし， Vw：ウィスカ体積比      ρc：複合材料の密度      PAI：6061合金の密度

     ρw：ウィスカの密度（M12．M20いず         れもρw＝3．0004））

 ところで 6061合金も㎏をふくむため，本セラミックウ ィスカとの複合材料もMg濃度の変化を生ずることが予想さ

れる11） 12）。このため，X線マイクロアナライザーを用 いて複合材料の定量分析を行なった。特にウィスカのみを 抽出することなくバルクのまま分析を行なったため，ばら つきが予想されたが，それほどばらつきは大きくはなかっ たため測定箇所は1種類につき5箇所とし，その平均値を Table 3に示した。なお， A材， B材ともいずれの元素に ついてもほとんど差は認められなかった。

Table 3 Chemical analysis of composite and      6061 alloy （mass ％） ．

分析元素 複合材料 6061合金

Mg

Si

Fe

Cu

A1

 複合材料とその母材である6061合金を比較するとSi， Fe 濃度はほとんど差はないが，複合材料ではMg， Cu濃度が約 1／2とかなり減少している。複合材料化による成分元素の 偏析に関する一般的な理由については諸説あり，例えば RibesとSureyら11）によれば複合材料の作成の加圧時に，ウ ィスカが高温溶湯と接触することによって溶湯申のMgと反 応し，スピネル（dgA 1，04）の生成によって母相申のMg濃 度が減少すると報告されているが，Cu濃度の減少について の報告は見当らず，今後検討すべき課題の一つであろう。

 3．2時効過程

 2．1に述べた高圧鋳造法によって作成された複合材料 および母材である6061合金からそれぞれ5×18×3mの板状試 験片を切出し，アルゴン封入した後，803Kで2時間溶体化 処理し，直ちに水申に焼入れし，所定時間シリコン油中に て時効処理を起こなった。それらの硬さ変化をFig．5 に

180

  骸

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Fig．5 Changes of the hardness ofthe compos ites

   and 6061 alloy with aged at 453K．

示す。母材の6061合金についてみると，焼入れ直後H。ニ40 であるが時効開始とともに急激に増加し，1時間でH．＝110 といったんピークに達したのち，10時間を経過した頃から 再度上昇しはじめ，ほぼ24時間でH。＝120となった後，軟化 するといういわゆる2段時効を示す。通常使用されている 押出材の6061合金を同条件で時効した場合，ピークに至ま での時間や硬さの値もほぼ同じで著者らとおなじ時効過程 を示す17｝が，著者らの実験では2段時効が現われ，この 理由としては3．1に示したようにHgやCu濃度が変化する

ことも一因と考えられる。。

 一方，B材では焼入れ直後はすでにH。＝120で同条件の60 61合金よりも3倍の硬さがあり，約1時間でピークになっ た後，ゆるやかに減少するが6061合金と同様に約20時間で 再びピークとなる。A材では焼入れ直後はH．ニ160でB材よ りもウィスカ体積比が多いため，さらに高い値を示してい るが，時効開始とともにすぐに軟化しはじめ，全体的には 減少していくが1時間と8時間で小さなピークが現われる。

 本実験と同一の複合材料の時効に関するデータは見当ら ないが，アルミナ粒子を含むAl−Cu合金やAl−Cu−Mg合金複 合材料ではウィスカ体積比が大きくなると，時効硬化現象 は認められないことが報告されている12） 13）。この原因 として溶体化処理直後の焼入れ時に導入される過剰空孔が 焼入れ中もしくは時効のごく初期にアルミナ粒子と母相と の界面に吸収される結果，母相の空冷濃度が減少し，GP ゾーンの生成が抑制されるためであることや，アルミナ粒 子近傍にスピネルが生成し，母相野のMg原子を優先的に吸 収することにより，野相の凹g濃度が低くなるためであるこ

となどが考えられている13〕。本実験でもウィスカは異な るがCuやMgを含んでおり，3．1に記したように複合材料 にするとCuやHgの濃度が減少することが認められ，同様の ことが原因のひとつと考えられるが詳細については今後の

課題である。

 Fig．6 は6061合金を所定時闇時効した試料の透過型電 子顕微鏡組織である。Fig．6（a）は焼入れ直後のもので，析 出物は見えず黒くみえる転位線が観察されるだけである。

 Fig．6（b）は1段目のピークを示す1時間時効した試料で 微細な析出物が観察されたがこれはGPゾーンと思われる 14｝。Fig．6（c）は2段目のピークを示す24時間時効した試 料で，方向性をもった棒状の析出物が多数現われ，写真上 では直交した2方向に見える。

なお，複合材料の透過型電子顕微鏡用の試料はセラミック を含むため，通常の電解研磨などによっては作成できず，

イオンミリングなど大型の装置を必要とするため，今回は 観察できなかった。

3．3疲労試験

（a）

灘．

冨

−繊颪

（c）

轟1

︑難

．Lg5−y一！t一！：i−jO P M

Fig．6 Trans皿ission electron micrographs of the    6061 alloys aged at 453K for Ohr（a），

   lhr（b）， 24hr（c）．

 Fig．7 に複合材料の回転曲げ疲労試験の結果を示す。

疲労限度が最も大きいものはas quench（溶体化処理直後 のもの）のB材で1301！Pa，ついで時効処理を施したA材が 110）IPa，同6061合金で901EPa，熱処理を施さないas cast のA材が90MPa，最も低いのがas castのB材で50MPaであ った。本合金系の複合材料では疲労限度は as castより も勿論均熱処理を施した試料の方がはるかに良いが，しか し時効処理を施すとかえって疲労限度は低くなってよくな

い。

 しかし，時効処理を施した場合いちがいに耐疲労性が悪 くなるとはいえず，それはウィスカの体積比によって時効 挙動が異なるからである。例えばアルミナ粒子を含むAi−C u合金複合材料はウィスカ体積比が低くなると複合材料で ない通常のアルミニウム合金と同様の時効挙動を示すこと が報告され12）・！3）ており，今後はウィスカの体積比を変 えて調べる必要がある。Fig．7 に示すグラフの傾きはい

アルミニウム合金複合材料の時効と疲労について  柴田・藤原・西

250

0 0 2

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Φ℃3＝α∈o 総︒﹂あ ＼漁

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A6D61 Bhr aged

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1（）4   1（デ   105  107

Fig．7 S−N curves of the co皿posites and 6061 alloy。

10s

ずれもほぼ同じでかつ応力振幅が一定になるまでの破壊に 至る繰り返し回数も変わらないが，これは熱処理条件がこ

となっても複合材料における疲労破壊のメカニズムが同一 であることを示唆している。

 Fig．8はこれらの疲労限度とFig．5に示した硬さとの 関係を求めたものであるが，両者はほぼ比例関係にあり，

硬い材料ほど疲労強さが大きいことがわかる。これは一般 的に金属材料については成り立つ19｝ことであるが一般の 単純な組織である普通の材料にくらべ，軟らかい母相中に 全く異質の硬い相が存在しているという複雑な組織をもつ 複合材料についても同様のことが成り立つことがわかった。

〈a＞

漂『

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50

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① 1

100       120       140       160

蕩膨

︑鰹誰︑・騰建

踊

σ匹Σ＼ ＝ε一Φ︐9ちし

      Micro vickes hardness

Fig．8 Relationship between fatigue limit and

Fig．9，10 は疲労試験による破断後の電子顕微鏡写真を示 している。複合材料では時効処理の有無に関係なくA材，

B材とも破断面に大きな差異はなく，いずれも Fig．9（a）

に示すように表面から0．10．㎞内側に入ったところにク ラックの起点があり，そこからクラックが成長した跡を示 す数㎜のストライエーションが観察された。写真で黒く見 える部分がそれを表している。複合材料は硬脆性なのでク ラックの成長部はわずかであり，破断面の大部分が破断部

になっているがFig．9（b）にストライエーション， Fig．9（c）

臨艶

Fig．9 Fatigue fracture surface of the compos ites，

   （a） showes that of the who le feature ， （b）

   showes striation and （c） showes di皿ple

Fig．10 Fatigue fracture surface of 6061 alloys ，

   showes striation and （c） showes dimple

に破断部それぞれの拡大写真を示す。破断部は通常のディ ンプル2ωに相当するような多角形が観察されるが，この 多角形の直径はほぼウィスカの直径に等しい。複合材料の 破断面の模式図をFig．11 に示す。6061合金では鋳造材の ため典型的なストライエーションは少なく，いくつかの介 在物を起点としてさまざまな方向を向いたストライエーシ ョンが認められ，破断部は複合材料とは違って典型的なデ ィンプルを示している。

St riation

Fig．11 Schematic drawing of fat igue fracture    surface of the compos ite．

         4．結 言

 新しく開発されたホウ酸アルミニウムウィスカを用い，

高圧鋳造法によってウィスカ体積比が30Xおよび38Xの6061 合金複合材料を作成し，時効硬化挙動を調べた後，疲労試 験を行なった。得られた結果を要約すると次のとおりであ

る。

（1）本文中に示す溶解鋳造条件によってウィスカがラン    ダムに配向したホウ酸アルミニウムウィスカと60    61合金との複合材料を作成することができた。

（2）しかしながら，本方法によると複合材料中のMgお    よびCu濃度が著しく減少する。

（3）複合材料は母材の6061合金とは異なる時効挙動を示    し，ウィスカ体積比V，＝30Xでは時効処理によってわ    ずか硬化し，V，ニ38Xではほとんど硬化せず，むしろ    全体としては軟化する傾向が見られる。

（4）複合材料は母材に比べ疲労限度は上昇するが，最    も大きい値を示すのは溶体化処理のままのもので，

   次いで時効処理を施したもの，最も低いのは鋳造の    ままのものでまた，Vfの大きいものの方が高い値    を示す。

（5）複合材料の疲労破面は表面から0．1〜0．4皿1の部分に    クラック発生の核があり，そこからクラックの成長    跡を示すストライエーションがわずかに存在し，大    部分はウィスカ径にほぼ等しい径をもつ通常のディ    ンプルに相当する多角形が認められる。

 最後にホウ酸アルミニウムウィスカを提供して下さった 四国化成（株）岩崎正道氏ならびに実験にご協力頂いた本 校機械工学科卒業生岡田辰也，中村和道，諜脇洋二準工学 士に厚くお礼申しあげます。

参 考 文 献

1）材料技術研究協会編，先端材料技術とその展望，総合  技術出版，1987．

2）材料技術研究協会編，複合材料と界面，総合技術出販

  1986．

3）石川敏功，先端技術3 新素材，日本ビジネスレポー   ト（株），1986．

4）四国化成工業（株）編，アルポレックス 技術資料，

  1992．

5）管沼克昭他3名，ホウ酸アルミニウムウィスカ強化A   C8Aアルミニウム合金複合材料の強度と商熱性評価

  軽金属，41−4（1991），270．

6）管沼克昭他3名，ホウ酸アルミニウムウィスカ／AC   8Aおよび6061アルミニウム合金の界面反応，軽金属，

  41−5（1991），297．

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8）増田千利，複合材料の疲労特性，軽金属，4−8（1991），

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16）新制金属講座編集委員 佐藤知雄他，物理冶金測定    法1，日本金属学会，1960．

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