環境負荷軽減型新規アルミニウム合金富山大学大学院理工学研究部教授松田健二背景本研究では、地球上で埋蔵量の高い元素、並びに日本で入手が容易な元素を用いて新規な軽量材料、とくに高層建築用あるいは自動車、航空機等に使用可能な高強度で高延性を有し、富山県を発信源とした新たなアルミ材料の創製を目的とする。日本で入手が容易な元素(ユビキタス元素)を主成分としたアルミニウム合金の開発を目指す。従来研究との比較従来のAl合金では、製品に成型した後の熱処理で微細な化合物で覆われるが、結晶と結晶の界面部分は、化合物が局所的に存在するのみで、図１のように結晶粒内部に比較して非常に弱い。これが合金の強度と延性向上を阻害する元凶となる。新提案の合金は、所望の製品に成型した後に、結晶と結晶の粒界部分に、熱処理によって積極的に化合物を析出させ、鎧のように覆う図2 新規提案のAl合金。「ナノヘテロ」構造を形成させる。これによって図２のように結晶粒の内部もナノサイズの化合物図１従来のAl金属。結晶粒界の部分が強化し結晶粒界の部分が弱い。によって強化される。ている。実験結果申請者らは強度に寄与する化合物の内部に積極的に取り込まれる元素の存在を発見した。左上図はその一例であり、同じ化合物の高分解能透過型電子顕微鏡観察像である。左からAl-Mg-X合金、Al-Mg-Si合金、XとY元素を添加したAl-Mg-Si合金中に観察される中間相b’である。この化合物相は合金の強度と強い因果関係をもち、その化学組成は安定な化学量論組成であるMg2Xとされてきた。しかし申請者らとノルウェーの共同研究結果ではMg/Xの比は２ではないことを指摘し、その結晶構造も解明した[Philo. Mag.vol.92, pp.1149-1158,2012]。注目したいのは写真中の数字0.72、0.71そして0.69nmであり、これはそれぞれの合金中の化合物相の格子定数である。つまり、添加元素が化合物に直接入り込んで、格子定数を変化させたのである。図３は化合物相とAl母相の整合性を示したもので、d1～d5で示した中間相の結晶格子面の間隔がAl母相の{200}面とどの程度の格子ミスマッチを持つかを調べると、先に示したわずか0.01nmの格子定数の違いから、0.3%のミスマッチが±2%へと増加する。さらにこの原理を応用して、Al-Mg-Si系合金に数種類以上の元素を適切な比率で、適切な質量を複合して添加することで、図４のように高強度と高延性という相反する２つの性質を併せ持たせることが可能になった。これは図５に示したナノ組織を微細分散させることに成功したことに起因する。Al-Mg-Ge合金及び複数元素の複合添加合金は特許を取得している[特許第4876249号,特許5531176号]。図３結晶格子の説明図図４引張試験結果図５電顕観察結果まとめ・今後の展望本研究が創製を目指す新合金は、所望の製品に成型した後に、結晶粒内部はナノサイズの化合物によって強化するとともに、結晶粒界部分は化合物によるナノヘテロ構造を形成させて強化するというものである。この構造は化合物の融点がAlよりも高いことから、耐熱性も持ち合わせるため、軽量な新規アルミ材料としての新たな用途開発が大いに期待される。【地域社会や産業界での応用分野・活用方法等】この構造を持つ材料は、化合物の融点がAl合金よりも1000℃以上高いことから、耐熱性をも向上させることが期待できる。新しい富山ブランドのアルミ合金としての新たな市場拡大が期待される。連絡先富山大学知財・リエゾンオフィス TEL：076-445-6392 FAX：076-445-6939 Email：[email protected]