Cu を添加した Al-Mg-Zn 系鋳造合金の強度特性

平成 26 年度
修士論文要旨
機械プロセス・エネルギー工学領域
6625032
田辺晃弘
Cu を添加した Al-Mg-Zn 系鋳造合金の強度特性
1 緒言
現在，AC7A を母材とし Zn 添加と熱処理にて強
度特性を改善したホイール向け Al-Mg-Zn 系合金
の開発が行われている(1)．ホイールは繰返荷重のか
かる部材であるが，開発材の疲労強度は従来材に
比べ劣っており(2)，疲労強度向上が課題である．こ
こで合金成分である Mg は粒界強度低下因子であ
ることから(3)，Mg 添加量の削減による疲労強度の
向上を検討した．Mg 添加量の減少に伴い，強度の
低下(4)や，融点の上昇(5)による鋳造性の低下が想定
される．そこで，Mg 添加量を減らした上で新たに
Cu を添加し，強度および鋳造性を維持したまま疲
労強度向上を試みた．一般的に Cu の添加は耐食性
を低下させる(6)ことが知られており，腐食環境下に
おける限界強度についても調査した．
2 理論
密度汎関数法に基づく局所密度近似と擬ポテン
シャル法を用いたプログラムパッケージ CASTEP
による第一原理計算を行った．原子核と内殻電子
の影響についてはウルトラソフト擬ポテンシャル
法(7)で表した．平面波のカットオフエネルギは 400
eV とした．交換相関項の評価には密度勾配展開法
を採用し，Perdew らにより提案(8)されている関数
系を使用した．原子配置の最適化には BFGS 構造
最適化法を用いた．k 点は Monkhorst-Pack(9)のス
ペシャルポイントで Al の慣用単位胞を基準に 12
×12×12 点とした．また，すべての計算は三次元
周期境界条件で行った．
3 解析および実験方法
3.3 供試材
AC7A（Al-4.5wt%Mg）と比較して Mg 添加量を
1.0wt%削減し，Zn を 2.5 および 3.0wt%，Cu を
1.0wt%添加した試料を，各純金属インゴットより
鋳造した．それぞれ Cu-Zn2.5 材，Cu-Zn3.0 材と
表記する．比較材として，AC7A+3.0wt%Zn（Zn3.0
材）および従来材 AC4CH を使用した．
3.4 熱処理条件の検討
Zn3.0 材における，適切な溶体化処理温度は 703
K である(11)．材料設計用ソフト Thermo-Calc(12)を
用いて Al-Mg-Zn-Cu 系の四元系状態図を作成し，
Zn3.0 材と比較したところ，固相線温度において
50 K の上昇が見られた．このことより，Cu 添加
材の溶体化処理温度を 753 K，時間を 6h に設定し
た．処理後，時効硬化処理を施し T6 調質材とした．
時効硬化処理温度は 453 K とし，処理時間 t を 2, 5,
8h の 3 条件に設定した．Zn3.0 材においては既報
(13)を参考に時効硬化処理温度 453 K，処理時間 5h
とした．
3.5 引張試験
試験片は JIS Z 2201 14A 号に準拠した標点間距
離 50 mm の形状とした．油圧サーボ式疲労試験機
を用い，
引張速度 0.025 mm/s にて試験を行った．
3.6 疲労試験
油圧サーボ式疲労試験機を用い，室温大気下に
て応力比 0.1，繰返速度 10 Hz で 107 回の疲労試験
を行った．試験片寸法は引張試験と同様である．
3.7 水素発生観察
試料に引張負荷を与えた状態にて 1wt%NaCl 水
溶液に浸漬させ，試料表面からの水素発生の様子
を観察し，水素気泡の発生量を比較した．荷重条
件は無負荷および 100 MPa とした．
3.1 Cu 安定位置の検討
3.8 水素脆性試験
Al-Mg-Zn-Cu 系合金中での Cu 安定位置評価の
ため，108 個の Al 原子からなる完全結晶を模擬し
たモデルを基準とし，偏析を模擬した Mg，Zn お
よび Cu 原子を Al 原子と置換した結晶をモデル化
した．これらのモデルを構造最適化することで，
各系のエネルギを求め，安定位置を評価した．
平行部中央に V 字の円周切欠きを有する直径
3.6 mm，切欠底直径 3 mm，平行部長さ 15 mm の
ダンベル形試験片を用いた．切欠き部に腐食媒体
として 1wt%NaCl 水溶液 12h ごとに 1 ml 滴下し，
試験時間 720h の定荷重引張試験を行った．
3.2 結晶粒界の解析
結晶粒界および破壊によって生じた自由表面を
モデル化した．解析モデルは 48 個の Al 原子から
なる粒界，Mg，Zn，Cu のうち 1 つもしくは複数
からなる偏析を模擬した粒界である．これらの粒
界の割れやすさを評価するために，粒界凝集エネ
ルギ(10)の評価を行った．
4 結果および考察
4.1 Cu 安定位置
Al 完全結晶中に Mg，Zn，Cu 原子を導入し構造
最適化を行った．Cu 原子が Mg，Zn 両原子と最近
接にある場合，系のエネルギが低く安定であった．
これは，Mg，Zn，Cu が粒界付近に相を形成し偏
析するという報告(14)に一致する．
4.2 粒界凝集エネルギ
250
0.2 proof stress  0.2 [ MPa ]
いずれのモデルについても，Cu 原子が粒界に存
在する場合，粒界凝集エネルギは高い結果となっ
た．このことより，Cu を添加することで粒界強度
が向上し，粒界は割れにくくなると言える．
4.3 引張試験結果
200
150
t[h]
2
100
Fig.1
3
Weight fraction of Zn [ wt% ]
4
100
Cu-Zn3.0
Zn3.0
AC4CH
0
4
5
6
7
10
10
10
10
Number of cycles to failure N [ cycles ]
図 2 に，最大応力で表した S-N 線図を示す．図
中（→）は試験中に破断を起こさなかったことを
示す．107 回の疲労限は，AC4CH では 92 MPa，
Zn3.0 材では 70 MPa であった．一方，Cu-Zn3.0
材の疲労限は 92 MPa であった．このことより，
Mg 添加量を削減し，Cu を添加したことで疲労限
は向上した．これは，前節で述べた粒界強度の向
上の効果であると考えられる．
0 100 [ MPa ]
Cu−Zn3.0
Zn3.0
0.1
0.05
0
0
300
200
100
4.6 水素脆性試験結果
0
0
10
Fig.4
50 100 150 200 250 300 350
Time [ min ]
Hydrogen generation test results.
Nominal Stress [ MPa ]
Fig.3
S-N diagram.
0.15
2
2
Normalized area of bubbles [ m /m ]
Fig.2
4.5 水素発生観察結果
図 4 に定荷重引張試験で得られた Cu-Zn3.0 材，
Zn3.0 材および AC4CH の負荷応力と破断までの
時間との関係を示す．図中（→）は試験中に破断
を起こさなかったことを示す．Cu-Zn3.0 材，Zn3.0
材は，ともに腐食環境下で強度が低下したが，
Cu-Zn3.0 材は 236 MPa の条件で 720 h 経過後も
破断しなかった．このことより，Cu-Zn3.0 材の限
界応力は 236 MPa であり，耐食性は低下するが水
素脆化特性は AC4CH と同程度である．限界応力
が 0.2%耐力の目標値 200 MPa を超えていること
から，Cu-Zn3.0 材は腐食環境においても従来材と
同等の設計基準での使用が可能である．
8
200
4.4 疲労試験結果
図 3 に画像処理によって求めた，Cu-Zn3.0 材お
よび Zn3.0 材の水素発生に伴う気泡投影面積の時
間変化を示す．Cu-Zn3.0 材は Zn3.0 材に比べ気泡
発生量が多い．この主たる原因は，Cu 添加による
耐食性の低下と考えられる．しかし，荷重負荷時
には両材ともに気泡面積は減少しており，この減
少量は材料内部に吸蔵されたと推察される．両材
の減少量に有意な差は見られないことから，材料
中に吸蔵される量は Cu 添加の有無には影響され
ないと推察される．
2
5
𝜎0.2 with respect to Zn addition.
Maximum stress max [ MPa ]
図 1 に Cu 添加材における 0.2%耐力と Zn 添加
濃度の関係を示す．AC4CH の引張試験結果であ
る 0.2%耐力 200 MPa を目標値とし，図中に基準
線として示す．Zn 添加濃度の低い Cu-Zn2.5 材で
はいずれの条件においても目標値を満たさなかっ
た．ここで，図は省略するが，引張強さ，破断ひ
ずみに関してはいずれの試料においても AC4CH
の引張試験結果により決定した目標値 250 MPa，
8%を満たした．これらのことから，Cu-Zn3.0 材に
おいて， t = 5h にて時効硬化処理を施すことで
AC4CH の代替材とすることが可能である．以降の
試験では，この Cu-Zn3.0 T6-5h のみを試験対象と
し，試験を行った．
Cu Addtive
Cu−Zn3.0
Zn3.0
AC4CH
10
1
2
10
Time [ h ]
10
3
Hydrogen embrittlement test results.
5 結言
Al-Mg-Zn 系鋳造合金より，Mg 添加量を削減し
新たに Cu を添加したことで，粒界強度は向上した．
その結果，疲労限が向上し，AC4CH と同等の値を
示した．また，腐食環境における限界強度は
AC4CH の 0.2%耐力を超えており，腐食環境下に
おいても従来材と同等の基準で使用が可能である．
（参考文献省略）

Download Report