マテリアル工学実験 I <金属材料 : 合金設計と組織観察(1)> 東北大学 金属材料研究所 関西センタ（大阪府立大学 客員研究員） 千星 聡 内容 ■ アルミニウムの基礎 - 身の回りのアルミニウム - アルミニウムの性質 - アルミニウムの加工 ■ アルミニウムの合金学 - 状態図の見方・考え方、利用の仕方 - 各種アルミニウム合金 金属材料としてのアルミニウム 日本での主要金属素材の使用比率 * 最新 「鉄」の基本と仕組み(秀和システム) 2010 より ・ 【鐡（鉄）は金の王なる哉】 ・ 【アルミニウムは金属の王子様】 (!?) 身の回りのアルミニウム合金 ＪＲ熊本駅 MacBook Pro アルミボトル 「レゴ」のキーチェイン 水筒 電線 アウディグランドピアノ iphoneアルミジャケット * 東北大学金属材料研究所関西センターHPより ｱｲｽｸﾘｰﾑ用ｽﾌﾟｰﾝ ロンドン五輪トーチ アルミニウム繊維 アルミニウム缶の回収 Al缶の引き取り価格：95円/kg（スチール缶は10円/kg） * スクラップ鉄：20 円/kg, 銅: 500円/kg (2014) 15g/350ml･本より、1kgは67缶で95円。家庭用ポリ袋45lにはAl缶が2kg入るので190円。 それを荷台に2袋、左右に1袋、前に1袋の合計5袋（333缶、10kg）を運んで、950円になる。 これはプレスの場合でバラは81円/kgで810円にととまる。 2011年のAL缶188億本のうち173億本が回収され、リサイクル率は92.5% * 東北大学金属材料研究所関西センターHPより アルミニウムは金属の王子さま !? 西暦 金属に関わる発見・発明・出来事 BC3500頃 「銅」が使われ始めた BC2500頃 「鉄」が使われ始めた 1771 「チタン」の発見 1827 ウェーラー： アルミニウムの実験的製造に成功 （金や銀と同価値） 1886 ホール、エルー： アルミニウムの電解製錬法を発明 1888 バイヤー： アルミナの工業的製造法を開発 → アルミの工業的利用 1906 ウィルム： アルミニウム合金の時効析出現象を発見 1916 ジュラルミンを初めて飛行機に使用 1940 北原五郎、五十嵐勇が超超ジュラルミンを開発 1994 H-2型ロケット打上げ成功 (高力アルミニウム合金の使用) 2007 N700系新幹線車両の営業運転開始 ～130年 !? アルミニウムの存在 元素 クラーク数 順位 O 49.5 1 Si 25.8 2 Al 7.56 3 Fe 4.70 4 酸化物 標準生成自由エネルギー Ca 3.39 5 Ag3O -0.6 Mg 1.93 8 Cu2O -32.7 Ti 0.46 10 CuO -27.2 Ni 0.01 24 FeO -55.3 Cu 0.007 26 Fe2O3 -163.9 Ag 1x10-6 69 SnO -56.8 Pt 5x10-7 75 SiO2 -188.0 Au 5x10-7 76 Al2O3 -361.9 Al: なぜ発見・使用が遅れたか？ Alを「素材」として取出すことが困難 * アルミニウムの基本と仕組み(秀和システム) 2010 より アルミニウムの精錬 NaOH溶液 5t ボーキサイト 焙焼 混合槽 濃縮槽 析出槽 (Al2O3・Fe2O3・SiO2・TiO2) Al(OH)3 焙焼 Al2O3・3H2O 濾過器 <バイヤー法>(1888年) 氷晶石 アルミナ（Al2O3） 0.1 t 2t 1000oCで溶融 溶融塩電解法 1万6000 KWh アルミニウム（99.7％） 1t <ホール・エール法>(1886年) * 総量2万KWh/Al1t の電力が必要 （二次地金では約590 KWh） ← アルミニウムは「電気の缶詰」 基本事項 ■ アルミニウムおよびその合金の基礎 - 身の回りのアルミニウム - アルミニウムの性質 - アルミニウムの加工 ■ アルミニウムの合金学 - アルミニウム合金 - 状態図の見方・考え方、利用の仕方 アルミニウムの基本的性質 * 東北大学金属材料研究所関西センターHPより アルミニウムの物理的性質 各種金属の導電率と熱伝導率 （室温） 純銅の電気比抵抗への添加元素の寄与 [ref] 伸銅品データブック 良好な電気・熱伝導率（実用金属で2番目） 固溶元素、添加量に依存して低導電率化 （熱伝導性も低下） アルミニウムの化学的性質 腐食順位列 • アルミ自体は活性。反応性が高い。 • 実際は不動態皮膜により耐食性◎ • 濃硝酸、水、牛乳、酒類、酢酸には 耐食性が優れる。 • 硫酸、塩酸、アルカリ水溶液、海水 には腐食されやすい。 • 高純度アルミニウムほど耐食性◎ • Alと電極電位差の大きい不純物 （Fe, Cu, Ni）では腐食性が悪化。 • Alと電極電位差の小さい不純物 （Mg, Mn）は腐食性への影響：少。 アルミニウムの機械的性質 強さ-伸びは トレードオフの関係 再結晶温度 ～250℃ 引張強さ：鉄鋼材料の1/10以下 加工硬化してもせいぜい180 MPa ◆ 機械的特性を改善するために… 【固溶強化】 Al-Mn, Al-Mg (耐食性も維持できる) 【析出強化】 Al-Cu, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg * 「非鉄材料」 和泉修ら, 日本金属学会編より アルミニウム・アルミニウム合金 軽量 電気・熱伝導性 光沢性 耐食性 比強度 加工性 一円玉 アルミミラー アルミホィール 基本事項 ■ アルミニウムおよびその合金の基礎 - 身の回りのアルミニウム - アルミニウムの性質 - アルミニウムの加工 （金属加工法の基礎） ■ アルミニウムの合金学 - アルミニウム合金 - 状態図の見方・考え方、利用の仕方 金属加工法 鋳造 固体 ■ 塑性加工(鍛造,圧延,引抜) ■ 切削加工(旋盤,切断,研磨) ■ 溶接/接合 切削加工 粉体 液体 ■ 粉末焼結 接合 ■ 鋳造 ■ 溶解 気体 ■ 物理蒸着(PVD) ■ 化学蒸着(CVD) 塑性加工法 * アルミニウムの基本と仕組み(秀和システム) 2010 より [コラム] アルミニウム缶の作製 内容物 充填方式 容器の種類 3ピース缶 → スチール缶 ミルク入り 飲料 陰圧充填 ・ 残存酸素量が少なく、 内容物の品質保全が良。 巻締接合 圧延/接合 巻締め ・ 缶胴に強度が必要。 ・ 接合部 ・ 底が平面 果汁飲料, お茶など 2ピース缶 → 主にアルミ缶 （+ 窒素ガス） ・ Al-Mg (5000系) 陽圧充填 炭酸飲料, ビールなど (炭酸ガス含有) ・ 缶胴が薄くても強度が 保持される。 打抜き 深絞り/しごき 巻締め ・ Al-Mn (3000系) ・ 底がドーム状 [コラム] アルミニウム缶の作製 深絞り * 神戸製鋼エンジニアリングレポート vol 55 (2005) 75-80 より 鋳造法 溶解 鋳造/凝固 仕上げ 鋳造法の特徴 鋳造技術の特徴 長所 短所 ■ 形状付与性が高い 凝固時の金属の物理的・化学的な変化に 起因して欠陥を生じ易い。 ■ 重量制限が少ない ■ 利用する金属・合金の幅が広い ■ ガス吸収に起因する欠陥 → 気泡 ■ 個数制限が少ない ■ 金属の低粘性に起因する欠陥 ■ リサイクル性が良い … → 湯回り不良、湯境い ■ 体積変化に起因する欠陥 → 引け巣 ■ 偏析に起因する欠陥 → 凝固偏析 欠陥が発生しないよう【プロセスの最適化（鋳造方案）】が重要 鋳造法の種類 （1）砂型鋳造法 （2）金型鋳造法 ■ 重力鋳造法 金型 ■ 低圧鋳造法 加圧ガス ■ ダイキャスト 溶湯の保持炉 給湯管 （ストーク） るつぼ 【図】 低圧鋳造法 模式図 （3）特殊鋳造法 ■ ロストワックス法 ■ 遠心鋳造法 ■ 真空鋳造法 ■ 消失模型鋳造法 … 材質、用途に最適なプロセスの選択が重要 本実験の主旨 材料設計・プロセス 【鋳造法】 アルミニウムの「本質」と「ものづくり」 組織・構造 【組織観察】 機能的特性 【強さ、硬さ】 鋳造用アルミニウム合金 (Al-Si合金) 【Si添加の材料科学的・工業的な意味】 ・ 融点の低下 ・ 流動性の改善 鋳造性の改善 ・ Na同時添加によるSi相の微細化 → 強度の改善 * 「非鉄材料」 和泉修ら, 日本金属学会編より 本日の実験内容 消失模型法によるAl-Si合金の鋳造凝固過程の理解 … 溶解鋳造法の概念を修得し、鋳物の製造工程を理解する。 ◆ 合金原料の秤量 ① 純 Al、 ② Al- 3.0 mass% Si (亜共晶組成)、 ③ Al- 12.6 mass% Si (共晶組成)、④ Al- 20.0 mass% Si (過共晶組成) ◆ 溶解 (～780 oC) ◆ 鋳造準備 (鋳型作製、熱電対・砂型の準備) ◆ 冷却曲線の測定 ◆ 試験片切取り
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