銅
アルミニウム銅合金のアルミニウム含有量が548の場合、アルミニウム中の銅の最大溶解度は5.65％です。温度が302に低下すると、銅の溶解度は0.45％になります。銅は重要な合金元素であり、一定の固溶強化効果があります。また、時効によって析出するCuAl2には明らかな時効強化効果があります。アルミニウム合金中の銅含有量は通常2.5％～5％で、銅含有量が4％～6.8％のときに強化効果が最も高くなるため、ほとんどのジュラルミン合金の銅含有量はこの範囲内です。アルミニウム銅合金には、シリコン、マグネシウム、マンガン、クロム、亜鉛、鉄などの元素が少なく含まれている場合があります。
シリコン
Al-Si合金系のアルミニウムに富む部分の共晶温度が577℃の場合、固溶体中のシリコンの最大溶解度は1.65％です。溶解度は温度低下とともに低下しますが、これらの合金は一般に熱処理によって強化することはできません。アルミニウム - シリコン合金は鋳造性と耐食性に優れています。マグネシウムとシリコンを同時にアルミニウムに加えてアルミニウム - マグネシウム - シリコン合金を形成する場合、強化相はMgSiです。マグネシウムとシリコンの質量比は1.73：1です。Al-Mg-Si合金の組成を設計するときは、マグネシウムとシリコンの含有量をマトリックス上でこの比率に設定します。一部のAl-Mg-Si合金の強度を向上させるために、適切な量の銅が添加され、耐食性に対する銅の悪影響を相殺するために適切な量のクロムが添加されています。
Al-Mg2Si合金系の平衡状態図におけるアルミニウムに富む部分におけるMg2Siのアルミニウムへの最大溶解度は1.85%であり、温度低下に伴う減少は小さい。変形アルミニウム合金において、アルミニウムへのシリコン単独の添加は溶接材料に限られており、アルミニウムへのシリコン添加は一定の強化効果も有する。
マグネシウム
溶解度曲線は、アルミニウム中のマグネシウムの溶解度が温度低下とともに大幅に低下することを示していますが、ほとんどの工業用変形アルミニウム合金中のマグネシウム含有量は6％未満です。シリコン含有量も低いです。このタイプの合金は熱処理によって強化することはできませんが、良好な溶接性、良好な耐食性、および中程度の強度を備えています。マグネシウムによるアルミニウムの強化は明らかです。マグネシウムが1％増加するごとに、引張強度は約34MPa増加します。1％未満のマンガンを添加すると、強化効果が補われる可能性があります。したがって、マンガンを添加するとマグネシウム含有量が減り、高温割れの傾向が軽減されます。さらに、マンガンはMg5Al8化合物を均一に析出させるため、耐食性と溶接性が向上します。
マンガン
Al-Mn合金系の平坦平衡状態図の共晶温度が658℃のとき、固溶体中のマンガンの最大溶解度は1.82％である。溶解度が増加するにつれて、合金の強度は増加する。マンガン含有量が0.8％のとき、伸びは最大値に達する。Al-Mn合金は非時効硬化合金であり、つまり、熱処理によって強化することはできない。マンガンは、アルミニウム合金の再結晶プロセスを防ぎ、再結晶温度を上げ、再結晶粒を大幅に微細化することができる。再結晶粒の微細化は、主にMnAl6化合物の分散粒子が再結晶粒の成長を妨げるという事実による。MnAl6のもう一つの機能は、不純物鉄を溶解して（Fe、Mn）Al6を形成し、鉄の有害な影響を減らすことです。マンガンはアルミニウム合金の重要な元素です。マンガンを単独で添加してAl-Mn二元合金を形成することもできますが、多くの場合、他の合金元素と併用されます。そのため、ほとんどのアルミニウム合金にはマンガンが含まれています。
亜鉛
Al-Zn合金系の平衡状態図のアルミニウムに富む部分では、アルミニウムへの亜鉛の溶解度は275で31.6%であるが、125では5.6%に低下する。アルミニウムに亜鉛を単独で添加しても、変形条件下でのアルミニウム合金の強度向上は非常に限られており、同時に応力腐食割れが発生しやすいため、その用途は限られている。亜鉛とマグネシウムをアルミニウムに同時に添加すると、合金に大きな強化効果をもたらす強化相Mg / Zn2が形成される。Mg / Zn2含有量を0.5%から12%に増やすと、引張強度と降伏強度を大幅に増加させることができる。マグネシウム含有量がMg / Zn2相を形成するのに必要な量を超える超硬質アルミニウム合金では、亜鉛とマグネシウムの比率を約2.7に制御すると、応力腐食割れに対する耐性が最大になる。例えば、Al-Zn-Mg系合金に銅元素を添加すると、Al-Zn-Mg-Cu系合金が形成されます。この合金は、アルミニウム合金の中で最も大きな母材強化効果を有しており、航空宇宙産業や電力産業においても重要なアルミニウム合金材料となっています。
鉄とシリコン
Al-Cu-Mg-Ni-Fe 系の鍛造アルミニウム合金には鉄が合金元素として添加され、Al-Mg-Si 系の鍛造アルミニウム、Al-Si 系の溶接棒、アルミニウム - シリコン鋳造合金にはシリコンが合金元素として添加されています。 ベースアルミニウム合金において、シリコンと鉄は一般的な不純物元素であり、合金の特性に大きな影響を与えます。これらは主に FeCl3 と遊離シリコンとして存在します。シリコンが鉄より大きい場合、β-FeSiAl3（または Fe2Si2Al9）相が形成され、鉄がシリコンより大きい場合、α-Fe2SiAl8（または Fe3Si2Al12）が形成されます。鉄とシリコンの比率が適切でないと、鋳造に亀裂が生じます。鋳造アルミニウムの鉄含有量が高すぎると、鋳造が脆くなります。
チタンとホウ素
チタンはアルミニウム合金によく用いられる添加元素であり、Al-TiまたはAl-Ti-Bマスターアロイの形で添加されます。チタンとアルミニウムはTiAl2相を形成し、結晶化中に非自発的な核となり、鋳造組織および溶接組織の微細化に寄与します。Al-Ti合金がパッケージ反応を起こす場合、チタンの臨界含有量は約0.15%です。ホウ素が存在する場合、反応速度の低下はわずか0.01%です。
クロム
クロムは、Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、およびAl-Mg系合金によく添加される元素です。600℃におけるアルミニウム中のクロムの溶解度は0.8%で、室温では基本的に不溶です。クロムはアルミニウム中で(CrFe)Al7や(CrMn)Al12などの金属間化合物を形成し、再結晶の核生成および成長過程を阻害し、合金に一定の強化効果をもたらします。また、合金の靭性を向上させ、応力腐食割れ感受性を低減します。
しかし、この部位は焼入れ感受性を高め、陽極酸化皮膜を黄色く変色させます。アルミニウム合金に添加されるクロムの量は、通常0.35%を超えず、合金中の遷移元素の増加に伴って減少します。
ストロンチウム
ストロンチウムは表面活性元素であり、金属間化合物相の結晶学的挙動を変化させることができます。そのため、ストロンチウム元素を用いた改質処理は、合金の塑性加工性と最終製品の品質を向上させることができます。ストロンチウムは、改質有効時間が長く、効果と再現性が優れているため、近年、Al-Si鋳造合金においてナトリウムの使用に取って代わっています。押出用アルミニウム合金に0.015%～0.03%のストロンチウムを添加すると、インゴット中のβ-AlFeSi相がα-AlFeSi相に変化し、インゴットの均質化時間を60%～70%短縮します。これにより、材料の機械的特性と塑性加工性が向上し、製品の表面粗さも改善されます。
高シリコン（10%～13%）の加工アルミニウム合金にストロンチウム元素を0.02%～0.07%添加することで、初晶を最小限に抑え、機械的性質も大幅に向上します。引張強度（бb）は233MPaから236MPaに、降伏強度（б0.2）は204MPaから210MPaに、伸び（б5）は9%から12%に向上します。過共晶Al-Si合金にストロンチウムを添加すると、初晶シリコン粒子のサイズが縮小し、塑性加工性が向上し、熱間圧延および冷間圧延がスムーズになります。
ジルコニウム
ジルコニウムもアルミニウム合金によく使用される添加剤です。アルミニウム合金への添加量は一般的に0.1％～0.3％です。ジルコニウムとアルミニウムはZrAl3化合物を形成し、再結晶プロセスを阻害し、再結晶粒を微細化します。ジルコニウムも鋳造組織を微細化しますが、その効果はチタンよりも小さいです。ジルコニウムの存在は、チタンとホウ素の結晶粒微細化効果を低下させます。Al-Zn-Mg-Cu合金では、ジルコニウムはクロムやマンガンよりも焼入れ感受性への影響が小さいため、再結晶組織を微細化するためにクロムやマンガンの代わりにジルコニウムを使用するのが適切です。
希土類元素
希土類元素は、アルミニウム合金鋳造時の成分過冷却を高め、結晶粒を微細化し、二次結晶間隔を狭め、合金中のガスや介在物を減らし、介在物相を球状化させるためにアルミニウム合金に添加されます。また、溶融体の表面張力を低下させ、流動性を高め、インゴットへの鋳造を容易にし、プロセス性能に大きな影響を与えます。各種希土類元素を約0.1％添加するのが最適です。混合希土類元素（La-Ce-Pr-Ndなどの混合希土類元素）を添加すると、Al-0.65％Mg-0.61％Si合金における時効G?Pゾーンの形成臨界温度が低下します。マグネシウムを含むアルミニウム合金は、希土類元素の変成作用を促進する可能性があります。
不純物
バナジウムはアルミニウム合金中でVAl11耐火化合物を形成し、溶解・鋳造工程において結晶粒を微細化する役割を果たしますが、その役割はチタンやジルコニウムに比べると小さいです。また、バナジウムは再結晶組織を微細化し、再結晶温度を上昇させる効果もあります。
アルミニウム合金中のカルシウムの固溶度は極めて低く、アルミニウムとCaAl4化合物を形成します。カルシウムはアルミニウム合金の超塑性元素です。約5%のカルシウムと約5%のマンガンを含むアルミニウム合金は超塑性を示します。カルシウムとシリコンは、アルミニウムに不溶性のCaSiを形成します。シリコンの固溶量が減少するため、工業用純アルミニウムの導電性はわずかに向上します。カルシウムはアルミニウム合金の切削性を向上させることができます。CaSi2は熱処理によってアルミニウム合金を強化することはできません。微量のカルシウムは、溶融アルミニウムから水素を除去するのに役立ちます。
鉛、スズ、ビスマスは低融点金属です。アルミニウムへの固溶度は低いため、合金の強度はわずかに低下しますが、切削性能を向上させることができます。ビスマスは凝固時に膨張するため、送り込みに有利です。高マグネシウム合金にビスマスを添加すると、ナトリウム脆化を防ぐことができます。
アンチモンは主に鋳造アルミニウム合金の改質剤として使用され、加工アルミニウム合金ではほとんど使用されません。Al-Mg系加工アルミニウム合金では、ナトリウム脆化を防止するためにビスマスの代替としてのみ使用されます。一部のAl-Zn-Mg-Cu系合金には、熱間プレスおよび冷間プレス工程の性能向上を目的としてアンチモン元素が添加されています。
ベリリウムは、アルミニウム合金の変形加工時に酸化皮膜の構造を改善し、溶解・鋳造時の焼損や介在物の発生を低減します。ベリリウムは人体にアレルギー中毒を引き起こす可能性のある有毒元素です。そのため、食品や飲料と接触するアルミニウム合金にはベリリウムを含有させることはできません。溶接材料中のベリリウム含有量は通常8μg/ml以下に管理されています。溶接基材として使用されるアルミニウム合金においても、ベリリウム含有量を管理する必要があります。
ナトリウムはアルミニウムにほとんど溶けず、最大固溶度は0.0025％未満です。ナトリウムの融点は低い（97.8℃）ため、合金中にナトリウムが存在すると、凝固中にデンドライト表面または粒界に吸着され、熱間加工中に粒界上のナトリウムが液体吸着層を形成し、脆性割れを引き起こし、NaAlSi化合物が形成され、遊離ナトリウムは存在せず、「ナトリウム脆性」は生成されません。
マグネシウム含有量が2%を超えると、マグネシウムはシリコンを奪い、遊離ナトリウムを析出させ、「ナトリウム脆性」を引き起こします。そのため、高マグネシウムアルミニウム合金ではナトリウム塩フラックスの使用は禁止されています。「ナトリウム脆性」を防ぐ方法としては、塩化処理（ナトリウムをNaClとしてスラグ中に排出する）、ビスマスを添加してNa2Biを形成し、金属マトリックスに浸透させる方法などがあります。また、アンチモンを添加してNa3Sbを形成する方法や、希土類元素を添加することでも同様の効果が得られます。
MAT AluminumのMay Jiangによる編集
投稿日時: 2024年8月8日
