アルミニウム-マグネシウム合金

アルミニウム-マグネシウム合金（AlMg）は、5000番台に標準化されており、主成分としてアルミニウム、主合金元素としてマグネシウムを含むアルミニウム合金です。ほとんどの標準化合金には、少量のマンガン（ AlMg(Mn)）も添加されています。純粋なAlMg合金とAlMg(Mn)合金は、中強度の天然（熱処理による硬化処理なし）合金に属します。その他のAlMg合金には、アルミニウム-マグネシウム-銅合金（AlMgCu）とアルミニウム-マグネシウム-シリコン合金（AlMgSi、6000番台）があります。

アプリケーションと処理

アルミニウム-マグネシウム合金の発見は19世紀後半に遡る^[1] 。AlMg合金は、建築材料として最も重要なアルミニウム合金の一つである。AlMg合金は、圧延と鍛造によって冷間保圧変態し、マグネシウム含有量が3%以上の場合、容易に溶接可能である。AlMgは、押出成形後の強度変化を避ける必要があるため、押出プレスで加工されることはほとんどない。AlMg合金の大部分は、圧延製品のほか、パイプ、棒材、ワイヤー、自由成形部品やドロップフォーミング部品に加工される。また、単純な断面を持つ押出成形品にも加工される。^[2]

AlMgは優れた耐食性と低温強度を有するため、造船、化学装置やパイプラインの建設、冷凍技術、自動車などに使用されています。優れた溶接性は航空機製造において極めて重要であり、溶接性を向上させるためにスカンジウムとジルコニウムが添加されています。^[3]

マグネシウムの溶解度と相

マグネシウムのアルミニウムへの溶解度は非常に高く、450℃で最大となり、文献によっては14%から17%の範囲となります。溶解度が34.5%になると、Al ₈ Mg _{5 （Al 3} Mg ₂と呼ばれることもある）との共晶相（金属間化合物相）が形成されます。マグネシウムの溶解度は温度の低下とともに急激に低下し、100℃でも2%、室温では0.2%となります。 ${\displaystyle \beta}$

純粋なAlMg合金では、 α相の除去は4段階のプロセスを経て行われます。他の合金元素や不純物を含む工業的に使用される合金の場合、プロセスははるかに複雑になります。^[4]${\displaystyle \beta}$

• まず、アルミニウムの場合はGPゾーンと呼ばれるクラスターが形成されます。これはアルミニウム格子中のマグネシウム原子の局所的な集積であり、まだ独自の相を形成しておらず、規則的な配列を保っていません。
• コヒーレント [de] 相の形成。これらの結晶は、アルミニウム混合結晶と同じ空間配向を有する。${\displaystyle \beta ''}$
• 半コヒーレント相の形成。Al混晶の格子に対して部分的にのみ配向している。${\displaystyle \beta '}$
• 非整合相の形成。Al混晶とは空間配向性を持たない。${\displaystyle \beta}$

工業用合金の場合、排出は次の理由によりこれとは異なります。^[5]

• アルミニウム中のマグネシウムの拡散が低い
• GPゾーンとβ相の形成には、7%以上のMg過飽和が必要ですが、ほとんどの合金ではこの過飽和度は達成できません。AlMg _4.5 Mn _0.7では、250℃までの温度で長時間グロー加熱した後でもGPゾーンは形成されず、β相は確認されませんでしたが、わずか数日後にはβ相が形成されました。${\displaystyle \beta ''}$ ${\displaystyle \beta ''}$ ${\displaystyle \beta}$
• 転位は、α相、β相、またはβ相の形成を説明するのに十分な用語ではありません。その理由は、これらの相と母相の体積差が小さいためです。${\displaystyle \beta ''}$ ${\displaystyle \beta '}$ ${\displaystyle \beta}$

構造

_{AlMg 3}製の円形試験片（2×）

_{AlMg 3}製の丸形試験片、粒度不均一

アルミニウム中におけるマグネシウムの拡散は非常に小さい。これは、アルミニウム原子とマグネシウム原子の半径の差が大きいためである（）。^[6]そのため、水処理後、混晶から除去されるマグネシウムはごくわずかで、大部分はアルミニウム中に過飽和状態で存在する。長時間の焼鈍処理を行っても、この状態は解消できない。 ${\displaystyle r_{Al}:r_{Mg}=1.43:1.6}$

過剰のマグネシウムは、主に粒界および粒内の分散粒子上に排出されます。このプロセスの速度はマグネシウム含有量と温度に依存し、両者の上昇とともに増大します。粒界では、最初にいわゆるプラークと呼ばれる薄板が排出されます。これは連結されていない、つまり粒界の周囲に連続層を形成していない状態です。70℃では3ヶ月後、100℃では3日後、150℃では1～9時間後にプラークが形成されます。さらに高温で時間が経過すると、プラークは互いに成長して連続した膜を形成します。これは耐食性に悪影響を及ぼしますが、熱処理によって溶解させることができます。420℃で1時間焼鈍した後、20℃/hで徐冷するか、または200℃～240℃で焼鈍を開始するのが適しています。β相のプラークは、専門文献では「ビードライン状」と呼ばれる多数の小さな粒子に変化します。それらはもはや一貫した映画を形成していない。^[7]${\displaystyle \beta}$

標準化された品種の構成

いくつかの標準化された合金の組成は、以下の表に記載されています。合金元素の割合は質量パーセントです。入手可能な合金には、MgおよびMn含有量の細かい段階があります。Mnを含まない合金は非常にまれです。標準合金はAlMg ₃ Mn、AlMg _4.5 Mn _0.7、および車体用AlMg _4.5 Mn _0.4です。鍛造合金には、マグネシウム含有量が最大5%、マンガン含有量が最大1%の合金が使用されます。^{[8] [9]}

鋳造合金ではマグネシウム含有量が10％まで可能ですが、含有量が7％以上になると鋳造性は低下します。^[10]

数値的に	略語	シ	鉄	銅	マン	マグネシウム	Cr	亜鉛
EN AW- 5005	–	0.3	0.7	0.2	0.2	0.5～1.1	0.1	0.25
EN AW- 5052	AlMg2.5	0.25	0.4	0.1	0.1	2.2～2.8	0.15～0.35	0.1
EN AW- 5083	AlMg4.5Mn0.7	0.4	0.4	0.1	0.4～1.0	4.0～4.9	0.05～0.25	0.25
EN AW- 5454	AlMg3Mn	0.25	0.4	0.1	0.5～1.0	2.4～3.0	0.05～0.2	0.25

5000シリーズ

5000シリーズはマグネシウムを合金化しています。5083合金は、熱処理なしの合金の中で最も高い強度を誇ります。ほとんどの5000シリーズ合金にはマンガンも含まれています。

5000シリーズアルミニウム合金の公称組成（重量％）と用途

合金	すべての内容	合金元素	使用と参照
5005と5657	99.2	マグネシウム0.8	シート、プレート、ロッド
5010	99.3	マグネシウム0.5;マンガン0.2;
5019	94.7	Mg 5.0; Mn 0.25;
5024	94.5	マグネシウム4.6;マンガン0.6;ジルコニウム0.1;スケルトン0.2	押出成形品、航空宇宙[11]
5026	93.9	マグネシウム4.5; Ｍｎ１；Si 0.9; Fe 0.4;銅0.3
5050	98.6	マグネシウム1.4	ユニバーサル
5052と5652	97.2	マグネシウム2.5;クロム0.25	ユニバーサル、航空宇宙、海洋
5056	94.8	マグネシウム5.0;マンガン0.12;クロム0.12	箔、棒、リベット
5059	93.5	マグネシウム5.0; Ｍｎ０．８；亜鉛0.6;ジルコニア0.12	ロケット極低温タンク
5083	94.8	マグネシウム4.4;マンガン0.7;クロム0.15	ユニバーサル、溶接、海洋
5086	95.4	マグネシウム4.0;マンガン0.4;クロム0.15	ユニバーサル、溶接、海洋
5154と5254	96.2	マグネシウム3.5;クロム0.25;	ユニバーサル、リベット[12]
5182	95.2	Mg 4.5; Mn 0.35;	シート
5252	97.5	マグネシウム2.5;	シート
5356	94.6	Mg 5.0; Mn 0.12; Cr 0.12; Ti 0.13	ロッド、MIGワイヤ
5454	96.4	マグネシウム2.7;マンガン0.8;クロム0.12	ユニバーサル
5456	94	マグネシウム5.1;マンガン0.8;クロム0.12	ユニバーサル
5457	98.7	マグネシウム1.0;マンガン0.2;銅0.1	シート、自動車用トリム[13]
5557	99.1	マグネシウム0.6;マンガン0.2;銅0.1	シート、自動車用トリム[14]
5754	95.8	マグネシウム3.1;マンガン0.5;クロム0.3	シート、ロッド

腐食

アルミニウム-マグネシウム合金は耐食性が非常に高いと考えられており、海洋用途に適していますが、これはα相が非連続相として存在する場合に限られます。したがって、マグネシウム含有量が3%未満の合金は常に耐食性を有しますが、含有量が多い場合は、適切な熱処理によってα相が粒界に連続膜として存在しないようにする必要があります。^[15]${\displaystyle \beta}$

α相とβ相はアルミニウムに比べて非常に塩基性が高く、陽極酸化特性を有する。そのため、AlMgは[ ^16]${\displaystyle \beta '}$ ${\displaystyle \beta}$

1. 相は粒界で連続膜として排出され、同時に${\displaystyle \beta}$
2. 材料は攻撃的な環境にあります。

粒界腐食の影響を受けやすい状態にある合金は、200℃～250℃の温度で徐冷しながら焼鈍処理（不均質化焼鈍）される。これにより、 α相皮膜が球状α相に変化し、材料は粒界腐食に対する耐性を持つようになる。^[17]${\displaystyle \beta}$ ${\displaystyle \beta}$

機械的特性

テーブル

数値[18]	略語	状態	伸長限界 [N/mm ^2 ]	抗張力 [N/mm ^2 ]	破断時の伸び [%]	ブリネル硬度	ビッカース硬度	曲げ強度 [N/mm ^2 ]	ヤング率[N/mm ^2 ]
5005	AlMg1(B)	O（軟質焼鈍） HX2（冷間固化、1/4硬度） HX4（冷間固化、1/2硬度）	45 125 145	120 140 160	27 13 12	30 40 45	46 50 55	80	69500
5052	AlMg2.5	お HX2 HX4	90 175 200	195 225 250	25 15 14	50 65 70	50 70 75	105 110 120	7万
5083	AlMg4.5Mn0.7	お HX2 HX4	145 240 275	300 330 360	23 17 16	70 90 100	75 95 105	140	71,000
5454	AlMg3Mn	お HX2 HX4	110 205 235	235 265 290	25 15 14	60 75 80	60 80 85	115 120 130	70,500

引張試験における破断強度と伸び

マグネシウムを合金化することで強度は向上します。マグネシウム含有量が少ない場合、強度の増加は比較的大きく、含有量が増えるにつれて強度は弱くなります。しかし、マグネシウムは他の元素と比較して強度を非常に効率的に増加させます。マグネシウム含有量の割合が高いほど、他の元素よりも強度が向上します。マグネシウム含有量が中程度であっても、マンガンを合金化することによる強度の増加はマグネシウムを追加する場合よりも大きく、これがほとんどのAlMg合金にマンガンが含まれている理由の一つでもあります。マグネシウムの強度が大幅に増加する理由の一つは、マグネシウム原子の空孔の結合エネルギーが高いことです。これらの空間は自由空間として利用できなくなりますが、塑性変形には有利です。^[19]

降伏強度はMg 含有量の増加とともに直線的に増加し、1% Mg では約 45 N/mm ^{2ですが、4% Mg では約 120 N/mm 2}になります。引張強度も直線的に増加しますが、勾配は急になります。1% Mg では約 60 N/mm ²、4% Mg では 240 N/mm ²になります。^[20]破断伸びについてはさまざまな見解があります。最も純粋な合金に関する研究では、破断伸びは 1% Mg での約 20% 伸びから 5% Mg での 30% 伸びへと増加することが示されています。破断伸び: 最初は 38% 伸びおよび 1% Mg から 34% 伸びおよび約 1.8% Mg へと急激に低下し、3% Mg では 32% の伸びで最小値に達し、その後再び上昇して 5% Mg で約 35% 伸びになります。^{[21] [22]}

AlMgの流動曲線は、真伸びまたは成形度が増加するにつれて流動電圧が増加するという金属材料に典型的な挙動を示している。すべての合金において、低伸びでは増加が比較的大きく、高伸びでは増加は小さい。しかし、高合金種の曲線は常に低乾燥度よりも高い。例えば、真伸びが0.2の場合、AlMg0.5の流動電圧は約100 N/mm ²、AlMg 1では150 N/mm ²、AlMg ₃では230 N/mm ²、AlMg4.5Mn0.4では約300 N/mm ²である。合金含有量が高く、伸びが大きいほど、結果として生じるPLC効果とリューダース効果は大きくなる。^[23]

粒径の影響

純アルミニウムの場合、結晶粒径は金属の強度にほとんど影響を与えません。合金の場合、合金含有量の増加に伴い、その影響は大きくなります。マグネシウム含有量が5%の場合、結晶粒径50μmの材料では均一伸びは約0.25、250μmでは約0.28となります。AlMg8は、結晶粒径200μmで既に均一伸び0.3を達成しています。結晶粒径が大きくなるにつれて、リューダースひずみとリューダース効果はともに減少します。^[24]

冷間成形と熱処理

高度に加工硬化した合金において、非常に大きな変形量を与えると、室温でも軟化が起こる可能性があります。50年を超える長期研究では、強度の低下が測定されました。この低下は、変形量が大きいほど、また合金含有量が多いほど大きくなります。軟化自体は初期に非常に顕著ですが、すぐに消失します。この影響は、120℃から170℃で数時間、安定化焼鈍を行うことで回避できます。^[25]

参考文献

1. Thurston, RH (1900). 「アルミニウム-マグネシウム合金」. Science . 11 (281): 783– 785. doi :10.1126/science.11​​.281.783. ISSN  0036-8075. JSTOR  1626342. PMID  17801079.
2. フリードリヒ・オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. オーフラージュ。シュプリンガー、2014 年、 ISBN 978-3-662-43806-0、S. 102 f.
3. フリードリヒ・オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. オーフラージュ。シュプリンガー、2014 年、 ISBN 978-3-662-43806-0、S.103。
4. オスターマン、S. 104。
5. オスターマン、S. 105。
6. オスターマン、S. 105。
7. オスターマン、S. 105。
8. オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium、安行。
9. アルミニウム・タッシェンブッフ、安行市。
10. Andreas Bühring-Polaczek、Walter Michaeli、Günter Spur (Hrsg.): Handbuch Urformen、Hanser、2014、S. 67.
11. Mogucheva A, Babich E, Ovsyannikov B, Kaibyshev R (2013年1月). 「背圧の有無にかかわらずECAP処理した5024アルミニウム合金の微細構造変化」. Materials Science and Engineering: A. 560 : 178–192 . doi : 10.1016/j.msea.2012.09.054.
12. 「POPマイクロリベット」。STANLEYエンジニアードファスニング。
13. ASMハンドブック、第5巻：表面工学 CM Cotell、JA Sprague、FA Smidt、Jr.編、p. 490 DOI: 10.1361/asmhba0001281
14. “Woldman's Engineering Alloys, 9th Ed. (#06821G) ALLOY DATA/17”. 2017年10月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年2月28日閲覧。
15. オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium、S. 103
16. オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium、S. 106
17. アルミニウム・タッシェンブッフ、S. 136.
18. オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium、安行
19. オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium、S. 106.
20. オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium、3. Auflage、S. 106–108。 (Verwiesen wird auf folgende Studien: Falkenstein, H.-P., Gruhl, W., Scharf, G.: Beitrag zum Umformen von Aluminiumwerkstoffen. Metall. 37, 1197–1202 (1983); sowie: 柳川 M.、大家 S.、古賀 S.、日野 M.: 制御因子Al-Mg 合金の延性に関する研究、コベルコ テクノロジー Rev. 16、25–30 (1993))
21. Aluminium-Taschenbuch、16. Auflage、S. 135. (mit Verweis auf Scharf、G; Einfluss der chemischen Zusammensetzung von AlMgSi-Knetwerkstoffen. Aluminium 58 (1982)7、S. 391/397)
22. George E. Totten, D. Scott MacKenzie著『アルミニウムバンドハンドブック1：物理冶金学とプロセス』Marcel Dekker, Yew York, Basel. 2003, 1296 S. 165.
23. オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium、S. 107.
24. オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium、S. 109 f.
25. オスターマン: Anwendungstechnologie Aluminium、S. 109 f.

さらに読む

• エドワード・ガリ（2020年5月5日）. ウィンストン・レヴィ（編）. アルミニウムおよびマグネシウム合金の耐食性：理解、性能、および試験. ジョン・ワイリー・アンド・サンズ. doi :10.1002/9780470531778. ISBN 9780470531761。
• ヴィーザー、ディートリッヒ。シュッツェ、マイケル。ベンダー、ローマン編。 (2010-12-28)。アルミニウムおよびアルミニウム合金の耐食性。ワイリー。ISBN 978-3-527-33001-0。