学位論文内容の要旨

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氏名呉紹華

授与した学位博士

専攻分野の名称工学

学位授与番号博甲第６４９７号

学位授与の日付２０２１年９月２４日

学位授与の要件自然科学研究科産業創成工学専攻

（学位規則第４条第１項該当）

学位論文の題目 Microstructural Control for Creation of High Strength Cast Aluminum Alloys

（組織制御による高強度アルミニウム合金鋳物の作製）

論文審査委員教授岡安光博教授多田直哉准教授竹元嘉利准教授仁科勇太

学位論文内容の要旨

In recent years, weight reduction of automobiles was carried out to reduce emission gas, so lightweight aluminum alloys are expected instead of ferrous alloys. However, the mechanical properties of aluminum alloys are lower than those of ferrous alloys. Therefore, improvement of the mechanical properties of Al alloys is required. In this thesis, an attempt was made to create the high mechanical properties of cast Al alloys via controlling the microstructural characteristics. The results obtained are summarized as follows:

Firstly, solidification control was carried out to make an adjustment of the size and shape of the grain and eutectic structure of Al-Si-Cu alloy. The samples were created by an original unidirectional casting process with a controlling cooling. The microstructural properties of the cast sample depended on the cooling rate: relatively finer and coarser grain size obtained with cooling rates of 0.14 Ks^-1 and 0.02 Ks^-1, respectively. Due to the fine grain size and unidirectionally formed crystal structure, excellent mechanical properties of ultimate tensile strength (UTS) 330 MPa and fracture strain 12% were obtained.

Secondly, the microstructure was controlled by heat treatment to make precipitation hardening. Artificial aging was performed under various conditions after solution treatment. Two cast samples were employed: gravity casting (GC) and heated mold continuous casting (HMC). Hardness changed with aging conditions which affected the density and size of the precipitation of the θ'(Al2Cu) metastable phase in α-Al phase. With the high-density fine precipitation and the formation of small microstructures, the highest UTS (approximately 390 MPa), was obtained with an HMC sample aged at 448 K for 13 h.

Thirdly, rare-earth (RE) elements such as Sr, Sb and Bi were added to Al-Si-Cu (ADC12) alloy to refine the eutectic Si phase. The samples with the addition of three RE elements: 0.04 ~ 0.06Sr, 0.25 ~ 0.75Sb, 0.5 ~ 1.5Bi were prepared by the HMC process. The addition of RE elements significantly changed the size and shape of the eutectic Si phase. The high UTS (approximately 380 MPa) was obtained for ADC12-0.06Sr alloy. On the other hand, the ductility increases with the increasing addition of Bi, and the high fracture strain was obtained for the ADC12-1.5Bi alloy.

In this thesis, the mechanical properties of cast aluminum alloys created by microstructural control were systematically investigated. From this work, the mechanical properties can be improved and the high UTS 390 MPa was obtained, which is closed to some ferrous foundry alloys. We believe that this work may contribute to new applications of casting Al alloys in automobile parts.

(2)

論文審査結果の要旨

この研究は，自動車から排出されるCO2を低減させるための自動車部品の軽量化の取り組みである。

これを実現するため，高強度アルミニウム合金鋳物を開発している。すでにアルミニウム合金鋳物は，シリンダーブロック，ホイールなど一部の自動車部品に適用されているが，アルミニウム合金鋳物の機械的性質は鉄系材料より低いため，使用できる部品は制限されている。そこで，一般的なアルミニウム合金鋳物（Al-Si-Cu系）の引張強度（約250MPa，破断伸びは約2%）を，対象となるダクタイル鋳鉄（FCD350）

や一般構造用圧延鋼（SS400）の機械的性質（引張強さ350MPa～400MPa，破断伸び25%程度）レベルまで向上させることを目的としている。特に，アルミニウム合金のミクロ組織を「凝固プロセス」，「析出」，「合金元素の添加」などで制御し，高強度化に取り組んでいる。以下に得られた研究成果をまとめる。

凝固プロセスでは，凝固速度及び凝固方向を制御し，アルミニウム合金のミクロ組織の微細化及び結晶方位の均一化に取り組んでいる。冷却速度0.14K･s^-1で一方向凝固させることにより，原子配列が乱れることなく制御でき，かつ微細なミクロ組織構造を得られている。この結果，引張強度330MPaおよび破断伸び12％の改善が確認されている。

析出強化の取り組みでは，様々な条件で時効処理を施し，高強度化に最適な熱処理条件を検討している。実験の結果，時効温度 448K－13 時間において，アルミニウム合金は最も高い引張特性を示している（引張強度390MPa，破断伸び20%）。この高強度化には微細なCuAl2 の析出相が関係していると考察している。さらに時効時間を100時間で行った場合，引張強度が低下するが，破断伸びが30%以上になることを確認している。

合金元素の添加によりミクロ組織を制御し高強度化に取り組んでいる。様々な添加元素の中から特に Sr（0.04〜0.06%），Sb（0.25〜0.75%），Bi（0.5〜1.5%）がアルミニウム合金の高強度化に寄与することを確認している。これは共晶Si相などのミクロ組織の微細かつ球状化が関係している。球状化率はSr が最も強い効果を示し，0.06%Srで引張強度は380MPaに増加している。

以上より，一般的なアルミニウム合金の機械的特性を鉄系材料レベルまで，さまざまな組織制御により向上させており，今後の自動車部品の軽量化に貢献できると考えられる。この研究成果は有益な知見といえ，工学的･工業的価値が高い。よって本研究は博士（工学）の学位に値するものと認められる。