6063アルミニウム合金は、低合金Al-Mg-Si系の熱処理可能なアルミニウム合金に属し、優れた押出成形性、良好な耐食性、そして総合的な機械的特性を備えています。また、酸化着色しやすいことから、自動車産業でも広く使用されています。自動車の軽量化の流れが加速するにつれ、自動車産業における6063アルミニウム合金押出材の用途もさらに増加しています。
押出材料の微細構造と特性は、押出速度、押出温度、押出比の複合的な影響を受けます。このうち、押出比は主に押出圧力、生産効率、生産設備によって決定されます。押出比が小さい場合、合金の変形量は小さく、微細構造の微細化は顕著ではありません。一方、押出比を大きくすると、結晶粒が著しく微細化し、粗大な第二相が分解され、均一な微細構造が得られ、合金の機械的特性が向上します。
6061および6063アルミニウム合金は、押出成形中に動的再結晶を起こす。押出温度が一定の場合、押出比が増加するにつれて結晶粒径が縮小し、強化相が微細分散し、合金の引張強度と伸びが増加する。しかし、押出比が増加すると、押出成形に必要な押出力も増加し、熱影響が大きくなり、合金内部の温度が上昇し、製品の性能が低下する。本実験では、押出比、特に高押出比が6063アルミニウム合金の微細組織と機械的特性に及ぼす影響について検討する。
1 実験材料と方法
実験材料は6063アルミニウム合金であり、化学成分を表1に示す。インゴットの元のサイズはΦ55mm×165mmであり、560℃で6時間の均質化処理後にサイズΦ50mm×150mmの押出ビレットに加工される。ビレットは470℃に加熱され保温される。押出バレルの予熱温度は420℃、金型の予熱温度は450℃である。押出速度（押出ロッドの移動速度）V = 5mm / sのままで、5つの異なる押出比のテストを実行し、押出比Rは17（ダイス穴径D = 12mmに相当）、25（D = 10mm）、39（D = 8mm）、69（D = 6mm）、および156（D = 4mm）である。
表1 6063アルミニウム合金の化学組成（重量％）
サンドペーパー研磨および機械研磨の後、金属組織サンプルを体積率40%のHF試薬で約25秒間エッチングし、サンプルの金属組織をLEICA-5000光学顕微鏡で観察しました。押し出されたロッドの縦断面の中心から10mm×10mmの大きさの組織分析サンプルを切り出し、機械研磨およびエッチングを施して表面応力層を除去しました。サンプルの3つの結晶面{111}、{200}、および{220}の不完全極点図を、PANalytical社のX′Pert Pro MRD X線回折装置で測定し、組織データをX′Pert Data ViewおよびX′Pert Textureソフトウェアで処理および分析しました。
鋳造合金の引張試験片はインゴット中心部から採取し、押出後に押出方向に沿って切断した。試験片のゲージ部はΦ4 mm×28 mmであった。引張試験はSANS CMT5105万能材料試験機を用いて、引張速度2 mm/minで実施した。3本の標準試験片の平均値を機械的特性データとして算出した。引張試験片の破壊形態は、低倍率走査型電子顕微鏡（Quanta 2000、FEI社、米国）を用いて観察した。
2 結果と考察
図1は、6063アルミニウム合金の鋳造ままの状態で均質化処理前後の金属組織を示す。図1aに示すように、鋳造ままの組織中のα-Al粒の大きさは一定ではなく、粒界には多数の網状β-Al9Fe2Si2相が集まり、粒内には多数の粒状のMg2Si相が存在している。インゴットを560℃で6時間均質化処理した後、合金デンドライト間の非平衡共晶相は徐々に溶解し、合金元素はマトリックスに溶解し、微細組織は均一になり、平均粒径は約125μmであった（図1b）。
均質化前
600℃で6時間均一化処理後
図1 均質化処理前後の6063アルミニウム合金の金属組織
図2は、異なる押出比で押し出された6063アルミニウム合金棒の外観を示しています。図2に示すように、異なる押出比で押し出された6063アルミニウム合金棒の表面品質は良好で、特に押出比を156（棒の押出出口速度48m/分に相当）に上げた場合でも、棒の表面に割れや剥離などの押出欠陥は見られず、6063アルミニウム合金は高速・高押出比下でも良好な熱間押出成形性能を有していることがわかります。
図2 押出比の異なる6063アルミニウム合金棒の外観
図3は、押出比の異なる6063アルミニウム合金棒の縦断面の金属組織を示す。押出比の異なる棒の結晶構造は、伸長または微細化の程度が異なっている。押出比が17の場合、元の結晶粒は押出方向に沿って伸長し、少数の再結晶粒の形成を伴いますが、結晶粒は依然として比較的粗く、平均粒径は約85μmです（図3a）。押出比が25の場合、結晶粒はより細く引き伸ばされ、再結晶粒の数が増加し、平均粒径は約71μmに減少します（図3b）。押出比が39の場合、少数の変形粒を除いて、微細組織は基本的に不均一なサイズの等軸再結晶粒で構成され、平均粒径は約60μmです（図3c）。押し出し比が69のとき、動的再結晶プロセスは基本的に完了し、粗大な原粒は均一な組織の再結晶粒に完全に変化し、平均粒径は約41μmに微細化されます（図3d）。押し出し比が156のとき、動的再結晶プロセスが完全に進行し、微細組織はより均一になり、粒径は約32μmに大幅に微細化されます（図3e）。押し出し比の増加に伴い、動的再結晶プロセスはより完全に進行し、合金の微細組織はより均一になり、粒径は大幅に微細化されます（図3f）。
図3 押出比の異なる6063アルミニウム合金棒の縦断面の金属組織と結晶粒径
図4は、押出比の異なる6063アルミニウム合金棒の押出方向に沿った逆極点図を示しています。異なる押出比の合金棒の微細組織は、いずれも明らかな優先配向を示していることがわかります。押出比が17の場合、より弱い<115>+<100>集合組織が形成されます（図4a）。押出比が39の場合、集合組織成分は主に強い<100>集合組織と少量の弱い<115>集合組織です（図4b）。押出比が156の場合、集合組織成分は強度が大幅に向上した<100>集合組織で、<115>集合組織は消失します（図4c）。研究によると、面心立方金属は、押出および引抜中に主に<111>および<100>ワイヤ集合組織を形成します。集合組織が形成されると、合金の室温機械的性質は明らかな異方性を示します。押し出し比の増加に伴い、集合組織強度が増加します。これは、合金中の押し出し方向に平行な特定の結晶方向における結晶粒の数が徐々に増加し、合金の縦方向引張強度が増加することを示しています。6063アルミニウム合金熱間押し出し材の強化メカニズムには、微細粒強化、転位強化、集合組織強化などがあります。本実験で使用したプロセスパラメータの範囲内では、押し出し比の増加は上記の強化メカニズムを促進する効果があります。
図4 押出方向に沿って異なる押出比を持つ6063アルミニウム合金棒の逆極図
図5は、6063アルミニウム合金を異なる押出比で変形させた後の引張特性のヒストグラムである。鋳造合金の引張強度は170MPa、伸びは10.4%である。押出後の合金の引張強度と伸びは大幅に向上し、押出比の増加に伴い引張強度と伸びは徐々に増加する。押出比が156のとき、合金の引張強度と伸びは最大値に達し、それぞれ228MPaと26.9%に達した。これは、鋳造合金の引張強度より約34%高く、伸びより約158%高い。 6063アルミニウム合金の引張強度は、大きな押出比で得られたものは、4パス等角押出（ECAP）で得られた引張強度値（240 MPa）に近く、6063アルミニウム合金の1パスECAP押出で得られた引張強度値（171.1 MPa）よりもはるかに高い値です。大きな押出比は、合金の機械的特性をある程度向上させることができることがわかります。
押出比による合金の機械的性質の向上は、主に結晶粒微細化強化によるものです。押出比が増加すると、結晶粒が微細化し、転位密度が増加します。単位面積あたりの粒界数が増えると、転位の移動が効果的に阻害され、転位同士の運動や絡み合いが促進されるため、合金の強度が向上します。結晶粒が微細であればあるほど、粒界はより曲がりくねり、塑性変形がより多くの結晶粒に分散されるため、亀裂の形成はもちろん、亀裂の伝播も抑制されます。破壊過程においてより多くのエネルギーを吸収できるため、合金の塑性が向上します。
図5 鋳造および押出後の6063アルミニウム合金の引張特性
異なる押出比で変形させた合金の引張破壊形態を図6に示す。鋳放しサンプルの破壊形態（図6a）にはディンプルは見られず、破壊は主に平坦部と引き裂きエッジで構成されており、鋳放し合金の引張破壊機構は主に脆性破壊であることがわかる。押出後の合金の破壊形態は大きく変化し、破壊は多数の等軸ディンプルで構成されており、押出後の合金の破壊機構が脆性破壊から延性破壊に変化したことがわかる。押出比が小さい場合、ディンプルは浅く、ディンプルサイズは大きく、分布は不均一である。押出比が大きくなるにつれて、ディンプルの数が増え、ディンプルサイズは小さくなり、分布は均一になる（図6b〜f）。これは合金の塑性が優れていることを意味し、上記の機械的特性試験結果と一致している。
3 結論
本実験では、ビレットサイズ、インゴット加熱温度、および押出速度を一定とした条件下で、異なる押出比が6063アルミニウム合金の微細組織および特性に及ぼす影響を分析した。結論は以下のとおりである。
1) 6063アルミニウム合金は、熱間押出成形中に動的再結晶を起こします。押出比の増加に伴い、結晶粒は連続的に微細化し、押出方向に沿って伸長した結晶粒は等軸再結晶粒へと変化し、<100>線集合組織の強度が連続的に向上します。
2）微細粒強化の効果により、押出比の増加に伴い合金の機械的特性が向上します。試験パラメータの範囲内では、押出比が156のときに、合金の引張強度と伸びはそれぞれ最大値の228MPaと26.9%に達します。
図6 鋳造および押出後の6063アルミニウム合金の引張破壊形態
3) 鋳放し試験片の破壊形態は平坦部と破断縁から構成されていますが、押出成形後は多数の等軸ディンプルからなり、破壊機構は脆性破壊から延性破壊へと変化します。
投稿日時: 2024年11月30日
