アルミニウム合金鋳物の熱処理【T5/T6】

アルミニウム合金鋳物には、機械的性質の向上のために熱処理をされることがあります。T5、T6、時効、溶体化といろいろな単語がでてきてなかなか難しい現象かもしれません。その小難しいアルミニウム合金鋳物の熱処理において、その目的、強化メカニズム、今後の熱処理技術などを説明します。

アルミニウム合金鋳物の熱処理は、機械的性質の向上のため施されることが多いです。
機械的性質とは、引張、圧縮、伸びなどの力学的特性を意味します。構造部材において、これら力学的特性が上がればその分だけ軽量化できますので、設計上のメリットを享受できます。
その他、残留応力の除去、寸法安定化のために熱処理されることもあります。

以下にアルミニウム合金鋳物の熱処理において使われる用語を説明します。
すべてを覚えていただく必要はありません。ダイカスト、アルミニウム鋳物を扱う方はひとまず、T5処理、T6処理、溶体化処理、人工時効処理を覚えていただければ問題ないかと思います。

用語説明の項の繰り返しになりますが、アルミニウム合金鋳物は時効析出によって強度が向上します。析出物によって転位の移動が抑制されることで強度が上がる、というのが強化メカニズムですが転位という言葉が難解ですよね。物質の変形は原子が移動することで生じるのですが、この移動を析出物が妨げる、つまり動き難くするので強度があがります。なんとなくご理解いただけたでしょうか。

ちなみに析出は、合金中の過飽和固溶体から別の固相が形成される現象のことです。これは溶質原子の固体拡散による拡散相変態といえます。状態図と標準生成自由エネルギーによってこれを説明できるのですが、こちらも極めて難解です。ですので、
「アルミニウムという固体の中に析出物という固体が生成する」
と覚えていただければひとまず問題ないかと思います。
アルミニウム合金の強化は熱処理単独でできるのではなく、材料から鋳造と熱処理前の工程が重要となってきます。こちらを模式的に表すと以下のようになります。

ダイカストの場合、鋳造時に急冷がかかりますので、ある程度の過飽和固溶体が形成されます。そのためダイカスト後にT5処理をかけると、多少の強度アップがみられます。また、ダイカストはガス含有が多く、ブリスター不良となるために溶体化処理(T6処理)を一般的に施せません。
参考にADC12ダイカストのTEM画像を記載します。熱処理前には見られなかった析出物ですが、熱処理後(T5処理後)には析出物がみられます。こうしたナノオーダーの微細な析出物によってアルミニウム合金の強度は決まります。
TEMとは透過型電子顕微鏡の略です。析出物はナノオーダーのものですので、数百万倍の倍率で観察できる特殊な顕微鏡が必要になります。ダイカスト、アルミニウム鋳物のこうした析出組織は未だ未解明な部分がある学術領域となっています。

「鉄とアルミの熱処理って同じじゃないの？」
と稀に相談をいただきます。かなり違います。アルミニウム合金は拡散相変態、鋼は無拡散変態(マルテンサイト変態)に分類され、熱処理の強化機構が異なります・・・と、これを語りだすと長くなりますので割愛して、熱処理の違いを極力シンプルに説明します。

金属の強化機構は、実は4つだけです。固溶強化、転位強化、析出強化、粒界強化の4つに分類されるのです。
アルミニウム合金は主に析出強化によって強度をあげます。1つの強化機構です。
鋼は主にマルテンサイト変態によって強度をあげます。マルテンサイト変態は4つすべての強化機構が含まれています。
アルミニウム合金にも粒界強化をさせたりできるのですが、熱処理によって簡単にできるのは析出強化のみになります。他方、マルテンサイト変態は熱処理でさまざまな強化機構を織り込むことができます。これらが決定的に違うのです。

熱処理条件は鋳物の状態、合金成分、そして熱処理炉によって異なります。軽金属学会発行のアルミニウムの組織と性質によれば、AC4CHの熱処理条件は以下のようになります1)。

その他、代表的な合金のT5、T6の熱処理条件に関して、以下リンク先にまとめました。ぜひご覧ください。

熱処理のようなエネルギーを使う製造工程には、これまでも逆風が吹いていました。そして「2050年カーボンニュートラル！」と日本政府から宣言2)されて以降、さらに風速は増し、すでに暴風のようになっています。しかしながら、熱処理は材質を変化させることができ、設計次第では製品サイクルの中でのCO2を減らすことが可能です。
自動車において、高強度化ができれば軽量化が可能となります。これは実使用時のCO2を減らすことと同義です。例えば、ハイドロアルミのHirschさんは以下のように述べています2)。

100 kg saved on the mass of a car can save about 9 grams of CO2 per kilometer, so a reduction of vehicle mass is mandatory, as the most effective measures to reduce CO2 emission and at the same time maintain performance, driving quality and —most of all— safety.

自動車の100kgの軽量化は、9g-CO2/kmの低減になると指摘しています。CO2低減も重要ですが、使うエネルギーが減ればバッテリーを小さくすることもできますので、自動車全体としてメリットを享受できるでしょう。したがって、熱処理は今後も必要とされる技術かと考えています。

少しでも熱処理によるCO2排出を抑制するため、これまでも熱処理の時短が検討されています。溶体化処理に8時間1)かかっているのであれば、時間を50%以下に短縮することも可能です。材質、設備、条件など、複合的に考える必要がありますので、ご相談いただければ幸いです。

出典
1) アルミニウムの組織と性質, 軽金属学会(1991)
2) 環境省
3) J. Hirsch, Materials Transactions, 52(2011), 818