ジュラルミン
1937年5月6日、ニュージャージー州レイクハースト海軍航空基地の墜落現場から回収された、ツェッペリン飛行船ヒンデンブルク号（DLZ129）の火災で損傷したジュラルミン製のクロスブレース。
ジュラルミンの腐食

ジュラルミン（duraluminum、duraluminium、duralum、dural(l)ium、duralとも呼ばれる）は、最も初期の時効硬化型アルミニウム銅合金の一つの商標である。この用語は、 Düren（デューレン）とaluminium（アルミニウム）を組み合わせたものである。商標としての使用は廃止されている。今日では、この用語は主に、国際合金呼称システム（IADS）で2000シリーズとして指定されるアルミニウム銅合金、および機体製造に使用される2014および2024合金を指す。

ジュラルミンは1909年にドイツで開発されました。ジュラルミンは優れた強度と硬度で知られており、特に航空宇宙産業において様々な用途に適しています。しかし、腐食しやすいという欠点があり、アルクラッドジュラルミン材を使用することで腐食を軽減できます。

歴史

ジュラルミンは、ノイバベルスベルクの民間軍事産業研究所Zentralstelle für wissenschaftlich-technische Untersuchungen（科学技術研究センター）で、ドイツの冶金学者アルフレッド・ヴィルムによって開発されました。1903年、ヴィルムは4%の銅を含むアルミニウム合金を急冷すると、室温で数日間放置すると硬化することを発見しました。さらなる改良が重ねられ、1909年にジュラルミンが発表されました。[ 1 ]この名称は、もともとヴィルムの特許を取得してこの材料を商品化したデューレナー金属工業株式会社の商標であり、主にポップサイエンスでは、1970年にアルミニウム協会によって最初に作成された国際合金指定システムによって指定されるすべてのAl-Cu合金システム、または「2000」シリーズを指すために使用されています。

構成

ジュラルミンの主成分は、アルミニウムのほかに、銅、マンガン、マグネシウムです。例えば、ジュラルミン2024は、アルミニウム91～95%、銅3.8～4.9%、マグネシウム1.2～1.8%、マンガン0.3～0.9%、鉄<0.5%、シリコン<0.5%、亜鉛<0.25%、チタン<0.15%、クロム<0.10%、その他の元素は合わせて0.15%以下で構成されています。[ 2 ]銅を加えると強度は上がりますが、この合金は腐食しやすくなります。アルクラッド・ジュラルミンと呼ばれる高純度アルミニウム表面層の冶金結合によって、耐腐食性は大幅に向上します。アルクラッド材は、今日でも航空機産業で広く使用されています。[ 3 ] [ 4 ]

微細構造

ジュラルミンの優れた強度と耐久性は、熱処理プロセスによって大きく影響される独特の微細構造に由来します。

初期の微細構造

固溶体：初期の凝固後、ジュラルミンは単相固溶体として存在し、主にアルミニウム原子と分散した銅、マグネシウム、その他の合金元素で構成されます。この初期状態は比較的柔らかく延性があります。

熱処理と微細構造の変化

溶体化処理：ジュラルミンは溶体化処理を受けます。溶体化処理は、合金元素をアルミニウムマトリックスに溶解し、均質な固溶体を形成する高温熱処理プロセスです。

焼入れ：溶体化処理後の急速冷却（焼入れ）により高温固溶体が凍結し、強化相の析出が防止されます。

時効（析出硬化）：時効処理により、過飽和固溶体は不安定になります。アルミニウムマトリックス内にCuAl2やMg2Siなどの微細析出物が形成されます。これらの析出物は転位の移動を阻害する役割を果たし、合金の強度と硬度を大幅に向上させます。

最終的な微細構造

ジュラルミンの最終的な微細組織は、主にアルミニウムを母材とし、微細な析出物（CuAl2、Mg2Si）が粒界に分散した構造をしています。析出物のサイズ、分布、および種類は、ジュラルミンの機械的特性を決定する上で重要な役割を果たします。最適な時効条件は、微細に分散した析出物の形成につながり、最高の強度と硬度をもたらします。

アプリケーション

析出硬化が可能な銅とアルミニウムの合金（AlCu合金）は、国際合金指定システム（IALLO）において2000シリーズとして指定されています。鍛造AlCu合金の代表的な用途は以下のとおりです。[ 5 ]

  • 2011年：ねじ加工用線材、ロッド、バー。優れた加工性と強度が求められる用途
  • 2014年：航空機部品、ホイール、主要構造部品、宇宙ブースターのタンクおよび構造、トラックのフレームおよびサスペンション部品向けの高強度鍛造品、板材、押出成形品。高温での使用を含む、高強度と高硬度が求められる用途。
  • 2017年またはAvional（フランス）： Si約1％。 [ 6 ]良好な機械加工性。空気中での耐腐食性と機械的特性は許容範囲内。フランスではAU4Gとも呼ばれる。戦間期のフランスとイタリアでは航空機用途に使用された[ 7 ]。 1960年代からはモーターレース用途にも使用された。 [ 8 ]比較的単純な設備でプレス成形できる耐性合金であるため。
  • 2024年：航空機構造、リベット、金物、トラックホイール、ねじ機械製品、その他の構造用途
  • 2036 :自動車ボディパネル用シート
  • 2048 :航空宇宙用途および軍事機器の構造部品のシートおよびプレート

航空

1931年飛行船USSアクロン（ZRS-4）のジュラルミンサンプル

ドイツの科学文献には、1914年の第一次世界大戦勃発前に、ジュラルミンとその組成および熱処理に関する情報が公開されていた。それにもかかわらず、ドイツ国外でのこの合金の使用は、 1918年の戦争終結後まで行われなかった。第一次世界大戦中のドイツでの使用に関する報告は、 Flightなどの技術雑誌でさえ、その主要な合金成分が銅ではなくマグネシウムであると誤って特定される可能性があった。[ 9 ]イギリスの技術者は、戦後までジュラルミンにほとんど関心を示さなかった。[ 10 ]

ジュラルミンを多用した最初の量産機は、第一次世界大戦の装甲機ユンカースJIセスキプランである。

重航空機の構造にジュラルミンを使用するという最古の試みは1916年、ヒューゴ・ユンカースが単発単葉機の「技術実証機」であるユンカースJ3の機体にジュラルミンを採用した際に遡ります。この機体は、ユンカースのトレードマークであるジュラルミン製の波形外板を初めて採用した機体でした。ユンカース社はJ3の開発を断念する前に、主翼と管状の胴体フレームのみを完成させました。 1917年に登場した、わずかに後の、イドフリーグ社によってのみ命名されたユンカース JI装甲三葉機は、工場ではユンカース J 4 として知られていましたが、その全金属製の主翼と水平安定板は、実験的で耐空性のある全ジュラルミン製のユンカース J 7単座戦闘機の設計と同様に、J 3 の主翼と同じ方法で作られており、これがユンカース DI低翼単葉戦闘機へとつながり、1918年にドイツ軍航空に全ジュラルミン製の航空機構造技術を導入しました。

気体静圧機体への最初の使用は、硬式飛行船のフレームで行われ、最終的には1920年代から1930年代の「偉大な飛行船」時代のすべての飛行船、すなわちイギリス製のR100、ドイツの旅客飛行船LZ 127グラーフ・ツェッペリン、LZ 129ヒンデンブルク、LZ 130グラーフ・ツェッペリンII、およびアメリカ海軍の飛行船USSロサンゼルス（ZR-3、旧LZ 126）、USSアクロン（ZRS-4）、USSメイコン（ZRS-5）が含まれるようになりました。[ 11 ] [ 12 ]

自転車

ジュラルミンは1930年代から1990年代にかけて、自転車の部品やフレームセットの製造に使用されていました。フランスのサンテティエンヌには、ジュラルミンをいち早く革新的な方法で採用した企業がいくつかありました。1932年には、Vero et Perrin社が初の軽合金製クランクアームを開発し、1934年にはHaubtmann社がクランクセット一式を発売しました。1935年以降、ジュラルミン製のフリーホイール、ディレイラー、ペダル、ブレーキ、ハンドルバーが複数の企業で製造されました。

フレームセットはすぐに完成品として登場し、その中にはメルシエ（およびアビアック、その他のライセンシー）による人気モデル「メカ・デュラル」シリーズ、ペリシエ兄弟によるレース仕様の「ラ・ペルル」、そしてニコラ・バッラによる20世紀半ばの精巧な「バラルミン」シリーズなどが挙げられます。他にも、ピエール・カミナードによる美しい「カミナルジャン」シリーズとエキゾチックな八角形のチューブ、そして航空機エンジンメーカーとして長い歴史を持ち、第二次世界大戦後にオートバイ、ベロモーター、自転車へと事業を拡大したノーム・エ・ローヌなども挙げられます。

米軍占領下で航空機の製造を禁止されていた三菱重工業は、1946年に戦時中の余剰ジュラルミンから「クロス」自転車を製造した。「クロス」は、三菱G4Mを担当した元航空機設計者の本荘喜朗によって設計された。[ 13 ]

1970年代から1980年代にかけて、自転車製造におけるジュラルミンの使用は衰退しました。しかし、 Vitusは1979年に由緒ある「979」フレームセットを発売しました。これは「Duralinox」モデルで、サイクリストの間で瞬く間に定番となりました。Vitus 979は、薄肉の5083/5086チューブをスリップフィット方式で接合し、その後、乾熱硬化型エポキシ樹脂で接着した、世界初の量産アルミフレームセットでした。その結果、非常に軽量でありながら非常に耐久性の高いフレームセットが誕生しました。Vitus 979の生産は1992年まで続きました。[ 14 ]

自動車

2011年、BBSオートモーティブは世界初のジュラルミン製自動車ホイールRI-Dを製造しました。[ 15 ]同社はその後もRZ-Dなど他のジュラルミン製ホイールを製造しています。[ 16 ]

参考文献

  1. ^ J. Dwight著『アルミニウムの設計と施工』Routledge、1999年。
  2. ^ 「United Aluminum – ALLOY 2024」 。 2018年10月8日閲覧。
  3. ^ J. Snodgrass、J. Moran. アルミニウム合金の耐食性. 『腐食：基礎、試験、保護』ASMハンドブック第13a巻. ASM、2003年.
  4. ^パーカー、ダナ・T. 『勝利を築く：第二次世界大戦中のロサンゼルス地域での航空機製造』 pp. 39, 87, 118、カリフォルニア州サイプレス、2013年。ISBN 978-0-9897906-0-4。
  5. ^ ASMハンドブック。第2巻、「特性と選択：非鉄合金および特殊用途材料」ASM、2002年。
  6. ^ John P. Frick編 (2000). Woldman's Engineering Alloys . ASM International. p. 150. ISBN 9780871706911。
  7. ^ 「イタリアの航空機：マッキC.200」。フライト：563。1940年6月27日。
  8. ^サッキー、ジョー (2008). 『ランボルギーニ・ミウラ・バイブル』 . ヴェローチェ出版. p. 54. ISBN 9781845841966。
  9. ^ 「ツェッペリンかシュッテ・ランツか？」。フライト: 758、1916 年 9 月 7 日。
  10. ^ Thurston, AP (1919年5月22日). 「航空機の金属構造」 .フライト: 680–684 . 2011年6月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  11. ^バートン、ウォルター・E.（1929年10月）「ツェッペリン号の成長」『ポピュラーサイエンス・マンスリー』 26ページ。
  12. ^ "「偉大な飛行船」飛行の世紀。 2018年4月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年9月6日閲覧。
  13. ^石動龍仁 (2013年9月3日). 」「風立ちぬ」塔上人物と鳥人間コンテスト。本庄綺郎の戦争」 [「風も吹く」の字形と日本鳥人間集会：本庄綺郎の戦後]. news.yahoo.co.jp (日本語). Yahoo! Japan . 2020年11月2日閲覧。
  14. ^ Anschutz, Eric (2020年10月31日). 「ジュラルミンの歴史と自転車製造における使用」 . Ebykr . Anschutz Media . 2020年11月1日閲覧。ジュラルミンは1930年代から1990年代にかけて、自転車の部品やフレームセットの製造に使用されていました。
  15. ^ 「RI-D | BBS OFFICIAL WEBSITE ENGLISH」（日本語） . 2023年4月3日閲覧。
  16. ^ "RZ-D | BBS OFFICIAL WEBSITE ENGLISH" . 2023年4月3日閲覧。
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