アルミニウム合金エレメントの衝撃を探る

1.アルミニウム合金における合金元素の影響

銅（Cu）
アルミニウムと銅の合金では、アルミニウムに対する銅の最大溶解度は548℃で5.65%であり、302℃で0.45%まで低下する。銅は固溶体強化において重要な役割を果たしている。時効処理中のCuAl₂の析出は、時効硬化に大きく寄与する。通常、銅の含有量は2.5%から5%の範囲であり、最適な強化は4%から6.8%の間で観察される。ほとんどの硬質アルミニウム合金はこの範囲内で銅を含んでいます。

アルミニウム-シリコン（Si）合金
アルミニウム-シリコン合金において、アルミニウムリッチ相へのシリコンの最大溶解度は、共晶温度577℃で1.65%である。温度が下がると溶解度は低下しますが、これらの合金は一般的に強化のための熱処理はできませんが、優れた鋳造特性と耐食性を示します。

アルミニウム-マグネシウム-シリコン合金は、マグネシウムとシリコンを組み合わせ、MgとSiの比率が約1.73:1の強化Mg₂Si相を形成する。エンジニアは、強度を最適化するためにこれらの元素のバランスを注意深くとる。いくつかの合金は、強度を高めるために銅を含み、耐食性に対する銅の悪影響を緩和するためにクロムを含んでいます。

マグネシウム (Mg)
アルミニウムに対するマグネシウムの溶解度は温度とともに低下する。ほとんどの工業用変形アルミニウム合金は6%未満のマグネシウムと低シリコンを含んでいます。これらの合金は熱処理はできませんが、良好な溶接性、耐食性、適度な強度を提供します。マグネシウムは引張強さを著しく向上させ、1%添加につき約34MPa増加させる。マンガン(<1%)の添加は合金をさらに強化し、Mg₅Al₈の均一な析出を促進することで耐食性と溶接性を向上させる。

マンガン (Mn)
Al-Mn合金では、マンガンの溶解度は658℃で約1.82%である。合金の強度はマンガン含有量と共に増加し、伸びは0.8% Mnでピークに達する。これらの合金は非熱処理性であるが、マンガンが再結晶を抑制し、MnAl₆粒子を介して結晶粒組織を微細化し、(Fe, Mn)Al₆化合物を形成することによって鉄不純物の影響を低減する能力の恩恵を受けている。マンガンは、アルミニウム合金において単独または他の元素と共に広く使用されている。

亜鉛
アルミニウムに対する亜鉛の溶解度は275℃で31.6%ですが、125℃では5.6%に低下します。亜鉛単独では強化効果は限定的で、応力腐食割れを起こす傾向があります。しかし、マグネシウムと亜鉛を添加すると、MgZn₂相が形成され、引張強度と降伏強度が大幅に向上します。超硬アルミニウム合金は、Zn：Mg比（～2.7）を制御して耐応力腐食割れ性を最大化する。Al-Zn-Mg-Cu合金シリーズは、アルミニウム合金の中で最も高い強度を提供し、航空宇宙、航空、および電力産業において不可欠となっています。

2.微量元素の影響

鉄とケイ素（Fe-Si）
鉄とシリコンはアルミニウム合金の特性に大きな影響を与える一般的な不純物である。Al-Cu-Mg-Ni-Fe系鍛造合金では鉄が意図的に添加され、Al-Mg-S系鍛造合金やAl-Si系溶接棒・鋳造品ではケイ素が含まれる。Fe-Si比が不適切だと、B-FeSiAl₁₃やα-Fe₂Si₈のような相が形成され、過剰になると鋳造割れや脆性につながる。

チタンとホウ素（Ti-B）
チタンは、しばしばAl-TiまたはAl-Ti-Bマスター合金として添加され、鋳造および溶接組織を微細化する核生成コアとして作用するTiAl₂粒子を形成する。臨界チタン含有量は約0.15%で、ホウ素の存在により0.01%に減少する。

クロム（Cr）
クロムはAl-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金に多く含まれる。600℃での溶解度は0.8%で、室温では無視できる。クロムは(CrFe)Al₇や(CrMn)Al₁₂のような金属間化合物を形成し、再結晶を妨げ、靭性を高め、応力腐食割れを減少させるが、急冷感度を高め、陽極酸化皮膜の色を変化させる可能性がある。クロム含有量は一般的に0.35%未満に抑えられている。

ストロンチウム
ストロンチウムはアルミニウム合金の金属間化合物を改質し、塑性加工性と最終製品の品質を向上させる。ストロンチウムはその改質効果の長さと再現性の良さから、近年Al-Si系鋳造合金においてナトリウムに代わって使用されています。0.015%-0.03%ストロンチウムを押出合金に添加すると、β-AlFeSiがα-AlFeSiに変換され、均質化時間が短縮されます。

これらの合金元素や微量元素の役割を理解することは、アルミニウム合金の特性を最適化し、製品性能を向上させ、航空宇宙、自動車、建築などの産業における製造プロセスを進歩させるために不可欠である。

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