7xxx、5xxx、および2xxxシリーズのアルミニウム合金への希土類元素（REE）の添加については、広範な研究が行われており、顕著な効果が得られています。特に、複数の合金元素を含む7xxxシリーズのアルミニウム合金は、溶解および鋳造時に深刻な偏析が発生することが多く、多量の共晶相が形成されます。これにより、靭性と耐食性が低下し、合金全体の性能が損なわれます。高合金アルミニウム合金に希土類元素を添加することで、結晶粒の微細化、偏析の抑制、マトリックスの精製が可能になり、ミクロ組織と全体的な特性が向上します。
最近、ある種の超塑性結晶粒微細化剤が注目を集めています。これらの微細化剤は、LaやCeなどの希土類元素を利用して、結晶粒界および亜結晶粒界の弱化を促進します。これにより、結晶粒が微細化されるだけでなく、析出物の均一分散が促進され、再結晶が抑制され、合金の延性が大幅に向上し、最終的には押出成形工程の生産性が向上します。
7xxx シリーズのアルミニウム合金では、希土類元素は一般に次の 3 つの方法で添加されます。
1.希土類元素のみ
2.Zrと希土類元素の組み合わせ。
3.Zr、Cr、希土類元素の組み合わせ。
希土類元素の総含有量は通常0.1～0.5重量％の範囲で制御されます。
希土類元素のメカニズム
La、Ce、Sc、Er、Gd、Y などの希土類元素は、複数のメカニズムを通じてアルミニウム合金に貢献します。
結晶粒の微細化: 希土類元素は均一に分布した析出物を形成し、これが異種の核形成部位として機能し、樹枝状構造を等軸の微細結晶粒に変換して、強度と延性を向上させます。
偏析の抑制: 溶融および凝固の過程で、希土類元素はより均一な元素分布を促進し、共晶形成を減らし、マトリックス密度を高めます。
マトリックスの精製: Y、La、Ce は溶融金属内の不純物 (O、H、N、S) と反応して安定した化合物を形成し、ガス含有量と介在物を低減して合金の品質を向上させます。
再結晶挙動の改変：特定の希土類元素は、粒界および亜粒界を固定し、転位運動と粒界移動を阻害します。これにより再結晶が遅延し、熱処理中に微細な亜粒組織が維持されるため、強度と耐食性の両方が向上します。
主要な希土類元素とその効果
スカンジウム（Sc）
Scは希土類元素の中で最も原子半径が小さく、遷移金属でもあります。加工したアルミニウム合金の特性向上に非常に効果的です。
アルミニウム合金では、Sc は整合した Al₃Sc として析出し、再結晶温度を上昇させ、結晶粒の粗大化を抑制します。
Zrと組み合わせると、高温で安定なAl₃(Sc,Zr)粒子が形成され、等軸微細粒の形成を促進し、転位運動と粒界移動を阻害します。これにより、強度、耐疲労性、および応力腐食性能が向上します。
Sc が多すぎると Al₃(Sc,Zr) 粒子が粗大化し、再結晶能力、強度、延性が低下する可能性があります。
エルビウム（Er）
Er は Sc と同様に機能しますが、よりコスト効率に優れています。
7xxx シリーズの合金では、適切な Er の添加により、結晶粒が微細化され、転位運動と粒界移動が抑制され、再結晶が抑制され、強度が向上します。
Zr と共添加すると、Al₃(Er,Zr) 粒子が形成され、Al₃Er 単独よりも熱的に安定し、再結晶抑制効果が向上します。
Er が多すぎると Al₈Cu₄Er 相が生成され、強度と延性の両方が低下する可能性があります。
ガドリニウム（Gd）
適度な Gd 添加により、結晶粒が微細化され、強度と延性が向上し、マトリックス内の Zn、Mg、Cu の溶解度が向上します。
結果として生じるAl₃(Gd,Zr)相は転位と亜粒界を固定し、再結晶を抑制します。また、粒表面に活性膜が形成され、粒成長がさらに抑制されます。
Gd が多すぎると結晶粒が粗大化し、機械的特性が劣化する可能性があります。
ランタン（La）、セリウム（Ce）、イットリウム（Y）
La は穀物を精製し、酸素含有量を減らし、穀物の表面に活性膜を形成して成長を抑制します。
La と Ce は GP ゾーンと η′ 相の析出を促進し、マトリックスの強度と耐食性を向上させます。
Y はマトリックスを精製し、主要な合金元素の固溶体への溶解を妨げ、核形成を促進し、粒界と内部の電位差を減らして耐食性を高めます。
La、Ce、または Y が多すぎると、粗い塊状の化合物が生成され、延性と強度が低下する可能性があります。
主要希土類元素の特性とアルミニウムにおけるその特徴
投稿日時: 2025年8月21日
