アルミニウム銅合金

アルミニウム銅合金( AlCu ) は、主成分としてアルミニウム(Al) と微量の銅(Cu)からなるアルミニウム合金である。重要な等級には、マグネシウム、鉄、ニッケル、シリコン( AlCu(Mg, Fe, Ni, Si) ) の添加物も含まれており、強度を高めるためにマンガンが含まれることも多い (アルミニウムマンガン合金を参照) 。主な用途は航空機製造である。この合金は中強度から高強度で、時効硬化が可能である。どちらも鍛造合金 [de]である。鋳造合金としても入手可能である。腐食しやすく、溶接性が悪いのが欠点である。

ジュラルミンはこのグループの中で最も古い種類で、 1903年にアルフレッド・ウィルムが発見したものです。アルミニウムは、アルミニウム銅合金のおかげで、幅広い建築材料として使用できるようになりました。純粋なアルミニウムは、アルミニウム銅合金や、アルミニウムマグネシウムシリコン合金(AlMgSi) などの他の硬化可能な合金、または自然に硬い (硬化できない) 合金には柔らかすぎるためです。

アルミニウム銅合金は、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（IADS）によって2000シリーズに標準化されました。2000シリーズには、機体製造に使用される 2014合金と2024合金が含まれます。

アルミニウムを主な合金金属とする銅合金はアルミニウム青銅と呼ばれ、アルミニウムの含有量は通常 12% 未満です。

ジュラルミンは、最も古いタイプの時効硬化型 アルミニウム合金の1つの商標です。この用語は、デューレナーとアルミニウムを組み合わせたものです。商標としての使用は廃止されています。ジュラルミンは、デューレナーメタルヴェルケAGのドイツの冶金学者アルフレッドウィルムによって開発されました。1903年、ウィルムは、 4％の銅を含むアルミニウム合金を急冷した後、室温で数日間放置すると硬化することを発見しました。さらなる改良により、1909年にジュラルミンが導入されました。^{[1]この名前は、主に}ポップサイエンスですべてのAl-Cu合金システムを説明するために 使用されます。

アルミニウム銅合金は、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 (IADS) によって 2000 シリーズに標準化されました。2000 シリーズには、機体製造に使用される 2014 合金と2024合金が含まれます。

すべてのAlCu合金は純粋なAlCu合金のシステムに基づいています。^[2]

アルミニウムは547 °C で銅と共晶を形成し、銅の含有量は 33質量パーセントとなり、これが最大溶解度に相当します。温度が低いと溶解度は急激に低下し、室温ではわずか 0.1% です。

銅含有量が多いと、金属間相であるAl ₂ Cuが形成される。これは正方晶構造で存在し、アルミニウムの立方晶系とは大きく異なるため、 -相は非整合相としてのみ存在する [de] 。部分的に整合した-相と-相も存在する。^[2]${\displaystyle \theta}$${\textstyle \theta ''}$${\textstyle \theta '}$

鋳造後、材料は通常、過飽和状態（混合結晶）になり、室温で実際に溶解できる量よりも多くの銅が含まれます。

• その後、80 °C 未満の温度で GP ゾーン (GP(I) ゾーン) が形成され、銅の濃度が増加しますが、まだ構造が形成されず、独自の相も形成されません。
• 250 °C までのやや高い温度では、β 相 (GP(II) ゾーンとも呼ばれる) が形成され、強度が増加します。${\textstyle \theta ''}$
• さらに高い温度では、部分的にコヒーレントな- 相が形成されます。${\textstyle \theta '}$
• さらに高い約 300 °C の温度では、非整合相が形成され、強度が再び低下します。${\textstyle \theta }$

個々の温度範囲は重なり合っている。低温でも- 相または- 相が形成されるが、これらは GP(I/II) ゾーンよりもはるかにゆっくりと形成される。各相は温度が高くなるほど速く形成される。^{[3] [4]}${\textstyle \theta '}$${\textstyle \theta }$

GP(I) ゾーンの形成は自然硬化と呼ばれ、80 °C までの温度で発生します。これらは、厚さが原子 1 個分、直径が 2 ～ 5 ナノメートルの小さな円盤状の層です。時間の経過とともにゾーンの数が増え、ゾーン内の銅濃度も増加しますが、直径は変わりません。これらはアルミニウム格子と整合しており、{100} 面上に形成されます。^{[5] [6]}

GP(II)ゾーン（-相）は、AlCu合金の強度増加に大きく関与しています。^[5]これらはアルミニウム結晶と整合しており、アルミニウムと銅の交互層で構成され、層の厚さは約10ナノメートル、寸法は最大150ナノメートルです。GP(I)ゾーンとは対照的に、これらは3次元の析出物です。その層はアルミニウム{100}面と平行です。-相から-相が形成されますが、重なりがあります。 ${\textstyle \theta ''}$${\displaystyle \theta ''}$${\displaystyle \theta '}$

GP(II)ゾーンは成長のために空孔を必要とするため、これらが不足すると（例えばマグネシウムによる）、成長が遅れる。^{[5] [7]}

相はアルミニウム格子と部分的にしか整合しておらず、150℃から300℃の温度で形成される。これはプレートレットの形をしており、GP(II)ゾーンから発生する可能性がある。しかし、混晶からの沈殿として直接発生することもある。前者の場合、増加する表面張力は転位によって減少し、後者の場合、沈殿物は転位で優先的に形成される。^{[8] [9]}${\textstyle \theta '}$

β相は混晶の格子と整合しません。β相は 300 °C 以上の温度で形成されます。通常、β相は他の相よりも大きな間隔で大きな粒子を形成するため、強度の増加にはつながらず、他の相を犠牲にしてβ相が形成される場合は強度の低下さえも引き起こしません。β相は 150 °C から 250 °C の温度でも粒界での析出として発生し、表面張力が低下します。 ${\textstyle \theta }$${\textstyle \theta }$

β相は部分的な粒界破壊を引き起こしますが、破壊挙動は全体的に延性のままです。破壊挙動の変化は、粒界の析出のない領域によって引き起こされます。 ${\textstyle \theta }$

β相は混晶に比べて電位差が大きいため、層状腐食や粒界腐食が発生する可能性があります。焼鈍時間が長くなると、粒の内部でもβ相が分離し、電位差はさらに低くなります。^[10]${\textstyle \theta }$${\textstyle \theta }$

ほとんどすべてのアルミニウム合金と同様に、圧延と鍛造用の鍛造合金 [de]と鋳造用の鋳造合金 [de]が区別されます。

銅の含有量は通常3～6%です。0.3%～6%の合金は溶接不可能または溶接が非常に困難（溶融溶接）とみなされますが、銅の含有量を増やすと再び溶接可能になります。ほとんどのタイプには、強度を高めるためにマグネシウム、マンガン、シリコンの添加物も含まれています。鉛とビスマスは低温で溶ける小さな介在物を形成し、快削鋼と同様に切りくずの形成を改善します。ニッケルと鉄を加えると耐熱性が向上します。 ^[11]

鉄はエンジニアリング合金の不純物として存在し、ひずみ硬化を妨げますが、マグネシウムを加えると、前述のプロセスが再び可能になります。マグネシウムを最大 1.5% まで添加すると、強度と破断時の伸びが向上します (アルミニウム - マグネシウム合金を参照)。マンガンも強度を高めるために使用されます (AlMn を参照)。ただし、多量に添加すると副作用があるため、マンガンの含有量は 1% 程度に制限されています。鉄を結合させるために少量のシリコンが追加されます。鉄は AlFeSi 相を形成する傾向があるためです。一方、Al ₇ Cu ₂ Fe の形成により、材料から大量の銅が除去され、実際に望ましい相 (特に Al ₂ Cu、銅アルミナイド^[12] ) が形成されなくなります。多量のシリコンはマグネシウムと合金化して Mg ₂ Si (マグネシウムシリサイド) を形成し、アルミニウム - マグネシウム - シリコン合金と同様に、強度と硬化性が向上します。^[13]

一部の合金にはリチウムが 1.5% ～ 2.5% 添加されています。リチウムの密度は非常に低いため (アルミニウムの 2.7 g/cm³ に対して 0.53 g/cm³)、部品の軽量化につながり、特に航空分野で有利です。詳細については、 アルミニウムリチウム合金を参照してください。

鋳造合金には約4%の銅と、鋳造性を向上させるチタンやマグネシウムなどの少量の添加物が含まれています。出発材料は一次アルミニウムです。他の鋳造アルミニウム合金とは対照的に、二次アルミニウム（スクラップから作られる）は、伸びと破断時の靭性が低下するため使用されません。AlCu鋳造合金は高温割れを起こしやすいため、T4およびT6硬化状態で使用されます。^[14]

次の表は、DIN EN 1706に従ったいくつかのグレードの組成を示しています。すべてのデータは質量パーセントで示されており、残りの材料はアルミニウムです。^[15]

AlCuMg合金はAlCu合金の中で最も重要なグループであり、その中には他の多くの相も形成される可能性がある：^{[16] [17]}

• Al ₈ Mg ₅（-相、AlMg  [de]を参照）${\displaystyle \theta}$
• Al ₂ CuMg、S相
• Al ₆ Mg ₄ Cu、T相

マグネシウムを添加すると、冷間硬化のプロセスが加速されます。どの相が形成されるかは、主に銅とマグネシウムの比率によって決まります。比率が 1/1 未満の場合、Cu と Mg を含むクラスターは除去されます。ほとんどのエンジニアリング合金の場合、比率が 1.5/1 を超えると、優先的に相が形成されます。このような合金は、硬度と強度が大幅に高くなります。

条件：

• O 軟質（軟質焼鈍 [de]、同じ強度限界値で熱間成形も可能）
• T3:溶体化処理、焼入れ、加工硬化、自然時効
• T4: 溶体化処理、急冷、人工時効処理
• T6: 溶体化処理、急冷、人工時効処理
• T8: 溶体化処理、冷間加工、人工時効処理

2000シリーズは以前はジュラルミンと呼ばれていました。

アルミニウム銅合金は主に航空機の製造に使用されている [de]が、その耐食性の低さは副次的な役割を果たしている。耐食性は、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大幅に向上することができる。今日でもアルクラッド材は航空機産業で広く使用されている。^{[31] [32]}合金は、圧延、鍛造、押し出し、および部分的に鋳造によって加工される。^[33]鍛造Al-Cu合金の一般的な用途には以下が含まれる。 ^[34]

• 2011年:自動旋盤​​製品用のワイヤー、ロッド、バー。優れた加工性と強度が求められる用途。
• 2014 :航空機の装備品、車輪、主要構造部品、宇宙ブースターのタンクと構造、トラックのフレームとサスペンション部品用の頑丈な鍛造品、プレート、押し出し品。高温での使用を含む、高い強度と硬度が求められる用途。
• 2017年またはAvional（フランス）： Si約1％。機械加工性良好。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。 ^[35]また、1960年代からはモーターレース用途でも使用されていた。 ^[36]これは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である。
• 2024年：航空機構造、リベット、ハードウェア、トラックホイール、スクリューマシン製品、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

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 International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認される可能性がある。^[37]英国の技術者がジュラルミンにほとんど関心を示さなくなったのは、戦後になってからであった。^[38]

空気より重い航空機の構造にジュラルミンを使用する最も古い試みは、1916 年にヒューゴ・ユンカースがユンカース J 3の機体にジュラルミンの使用を初めて導入したときに起こりました。これは単発単葉機の「技術実証機」であり、ユンカースのトレードマークであるジュラルミンの波形外板が初めて使用された機体です。ユンカース社は、J 3 の覆われた主翼と管状の胴体フレームのみを完成させた後、開発を断念しました。 1917年に登場した、IdFlieg の呼称のみを持つ 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、実験的で飛行可能な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製造されていました。この設計は、ユンカース DI低翼単葉戦闘機につながり、 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。

気体静圧機体フレームで最初に使用されたのは、硬式飛行船フレームで、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に使用されました。イギリス製のR-100、ドイツの旅客用ツェッペリン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）です。^{[39] [40]}

2000 シリーズはかつて最も一般的な航空宇宙用合金でしたが、応力腐食割れの影響を受けやすいため、新しい設計では 7000 シリーズに置き換えられつつあります。

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ジュラルミンが使用されていました。フランスのサンテティエンヌにあるいくつかの企業は、ジュラルミンをいち早く革新的に採用したことで際立っていました。1932 年に Verot et Perrin が初の軽合金クランクアームを開発し、1934 年に Haubtmann が完全なクランクセットをリリースしました。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、ハンドルバーがいくつかの企業によって製造されました。

完全なフレームセットもすぐに続き、その中には、人気の高い Meca Dural シリーズのモデルを製造する Mercier (および Aviac と他のライセンシー)、レースに適した La Perle モデルの Pelissier 兄弟、そして 20 世紀半ばの美しい「Barralumin」作品を製造した Nicolas Barra などが含まれました。ここで挙げられる他の名前には、美しい Caminargent 作品とそのエキゾチックな八角形のチューブを製造する Pierre Caminade、そして第二次世界大戦後にオートバイ、ベロモーター、自転車にも多角化した航空機エンジン製造業者としての長い歴史を持つ Gnome et Rhôneも含まれています。

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庄喜朗によって設計された。^[41]

自転車製造におけるジュラルミンの使用は、1970年代から1980年代にかけて衰退しました。それでも、自転車メーカーの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、薄壁の5083/5086チューブをスリップフィットし、乾熱活性化エポキシを使用して接着した、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。^[42]

• Grushko, Olga; Ovsyannikov, Boris; Ovchinnokov, Viktor (2016)。Eskin, DG (編)。アルミニウム-リチウム合金: プロセス冶金、物理冶金、溶接。金属合金の進歩。第 8 巻。CRC Press/Taylor & Francis Group。doi :10.1201 / 9781315369525。ISBN 9781498737173. OCLC  943678703.

• デビッド・ラフリン、ホノ・カズヒロ。アルミニウムハンドブック：第1巻：物理冶金学とプロセス。ISBN 9780444537713 
• アルミニウムペーパーバック - 第 1 巻。第 16 版、アルミニウム出版社、デュッセルドルフ 2002 年、101 ページ以降、114～116 ページ、121 ページ、139～141 ページ
• フリードリヒ・オステルマン：アルミニウム応用技術。第3版、Springer、2014年、ISBN 978-3-662-43806-0、pp. 117–124