アルミニウム・マグネシウム・シリコン合金

アルミニウム・マグネシウム・シリコン合金( AlMgSi ) はアルミニウム合金(主にアルミニウムで作られた合金) であり、量的に最も重要な合金元素としてマグネシウムとシリコンの両方を含んでいます。両者を合わせても質量比で 2% 未満です。マグネシウムの含有量はシリコンの含有量より多く、それ以外はアルミニウム・シリコン・マグネシウム合金(AlSiMg) に属します。

AlMgSi は、硬化可能なアルミニウム合金の 1 つで、熱処理によって硬く硬くなる合金です。この硬化は、主にマグネシウムシリサイド(Mg ₂ Si) の排出に基づいています。したがって、AlMgSi 合金は、規格では、硬化できないアルミニウムマグネシウム合金のサブグループではなく、別のグループ (6000 シリーズ) として理解されています。

AlMgSi は、中程度から高強度、高い破壊抵抗、良好な溶接適性、耐腐食性、成形性を備えたアルミニウム合金の 1 つです。押出成形により優れた加工性を発揮するため、このプロセスで建築用プロファイルに加工されることが特に多くあります。加工を容易にするために通常は加熱されますが、副次的な効果として、加工直後に急冷できるため、その後の熱処理を別途行う必要がありません。

AlMg ₂ Si 系は、13.9% Mg _{2 Si および 594 °C で}共晶を形成します。最大溶解度は 583.5 °C および 1.9% Mg ₂ Si で、これが一般的な合金における両元素の合計がこの値より低い理由です。マグネシウムとシリコンの化学量論的組成 2:1 は、1.73:1 の質量比に相当します。溶解度は温度の低下とともに急速に低下し、200 °C では質量比でわずか 0.08 パーセントです。合金元素や不純物をさらに含まない合金は、 -混晶と相 (Mg ₂ Si) の 2 つの相で存在します。後者の融点は 1085 °C であるため、熱的に安定しています。準安定状態のマグネシウム原子とシリコン原子のクラスターでさえ、2つの元素の結合エネルギーが高いため、ゆっくりとしか溶解しません。

多くの標準化された合金にはシリコンが過剰に含まれています。シリコンが過剰に含まれていてもマグネシウムシリサイドの溶解度にはほとんど影響がなく、マグネシウム過剰やMg ₂ Si含有量の増加よりも材料の強度が増し、排泄物の量と数が増え、冷間および熱間硬化中の排泄が促進されます。また、不要な不純物、特に鉄を結合します。一方、マグネシウムが過剰になるとマグネシウムシリサイドの溶解度が低下します。^[1]

標準化された品種には、マグネシウムとシリコンに加えて、他の元素も含まれています。

• 銅は、強度と高温硬化を改善するために 0.2～1% の量で使用されます。Q 相 (Al ₄ Mg ₈ Si ₇ Cu ₂ ) を形成します。銅は、針状の半凝集性排泄物 (マグネシウムとシリコンのクラスター) の高密度分散をもたらします。さらに、アルミニウム銅合金の前の相があります。銅含有量が多い合金 (合金6061、6056、6013 )は、主に航空機で使用されます。
• 鉄は、すべてのアルミニウム合金に 0.05 ～ 0.5% の不純物として含まれています。鉄は Al8Fe2Si、Al5FeSi、Al8FeMg3Si6 の相を形成します。これらはすべて熱的に安定していますが、材料を脆くするため望ましくありません。余剰のシリコンも鉄を結合するために使用されます。
• マンガン（0.2～1％）とクロム（0.05～0.35％）が意図的に添加されています。両方を同時に割り当てた場合、2つの元素の合計は0.5％未満です。焼きなまし後、少なくとも400℃で排泄物の分散を形成し、強度を向上させます。クロムは主に鉄との組み合わせで効果を発揮します。
• 分散形成剤としてジルコニウムとバナジウムが使用されるようになってきました。

分散粒子は強度にほとんど影響を与えません。溶体化後の冷却中にマグネシウムやシリコンが粒子上に排出され、期待どおりにマグネシウムシリサイドが形成されない場合、強度はさらに低下します。それらは抑止力に対する感受性を高めます。しかし、冷却速度が不十分な場合、それらは過剰なシリコンも結合し、そうでなければより粗い排出物を形成し、強度を低下させます。分散粒子は硬化後もさらに活性化します。滑り面、したがって延性が向上し、何よりも粒界破壊を防ぐことができます。したがって、強度の高い合金にはマンガンとクロムが含まれており、抑止力に対する感受性が高くなります。^[2]

分散形成に関する合金元素の効果については、次のことが当てはまります。

• 室温での強度はほとんど変わりません。しかし、高温では流動限界が急激に上昇し、成形性が制限され、最小壁厚が増加するため、押出成形には不利になります。
• 再結晶が困難になり、粗大粒子の形成が防止され、成形性に良い影響を与えます。
• 低温では転位の動きが阻害され、破壊靭性が向上しました。
• AlMnの分散液は、溶体化後の冷却中に過飽和シリコンと結合します。これにより結晶化が改善され、粒界に発生する排出のない領域が回避されます。これにより、脆性から延性、粒内破壊への破壊挙動が改善されます。^[3]
• 硬化には析出シリコンが必要なので、急冷に対する感受性が高まります。したがって、Mn または Cr を含む合金は、これらの元素を含まない合金よりも速く冷却する必要があります。

6000シリーズはマグネシウムとシリコンで合金化されています。機械加工が容易で、溶接が可能で、析出硬化も可能ですが、2000や7000ほどの高強度にはなりません。6061合金は、最も一般的に使用されている汎用アルミニウム合金の1つです。^[4]

粒界では、発芽に問題があるシリコンが排出されることを好みます。さらに、マグネシウムシリサイドも排出されます。プロセスはおそらく AlMg 合金の場合と似ていますが、2008 年まで AlMgSi についてはまだ比較的未調査でした。粒界で排出された相は、AlMgSi の脆性粒界破壊の傾向につながります。

すべての情報は質量パーセントで表記されています。EN は欧州規格、AW はアルミニウム鍛造合金を表します。数字に他の意味はありません。

条件：

• O 軟質（軟質焼鈍、温間成形の有無にかかわらず、同じ強度限界で）。
• T1:熱間成形温度で急冷し、冷間加工
• T4: 溶体化処理および冷間外注
• T5: 熱間成形温度から急冷し、温間外注
• T6: 溶体化処理、急冷、温間外注
• T7: 溶体化処理、焼入れ、熱間外注、過硬化
• T8: 溶体化処理、冷間凝固、熱間外注

AlMgSi は、熱処理によって 2 つの異なる方法で使用できます。熱処理によって硬化させると、硬度と強度が上がり、延性と破断時の伸びが向上します。どちらも溶解焼鈍から始まり、機械プロセス (鍛造) で使用することもできますが、効果は異なります。

1. 溶体化焼鈍: 約 510 ～ 540 °C の温度で、合金元素を溶体化した状態で焼鈍が行われます。
2. ほとんどの場合、すぐに急冷が行われます。その結果、合金元素は最初は室温でも溶解したままになりますが、ゆっくり冷却すると沈殿物を形成します。
   • 冷間硬化: 室温では、徐々に強度と硬度を高める分泌物が形成されます。急冷後の最初の数時間の増加は非常に大きく、次の数日は低下し、その後は徐々に減少しますが、数年経ってもまだ完了していません。
   • 高温硬化: 80～250 °C (通常は 160～150 °C) の温度で、材料をオーブンで再加熱します。硬化時間は通常 5～8 時間です。合金元素がより速く排出され、硬度と強度が増します。温度が高いほど、この温度で可能な最大強度に早く到達しますが、温度が低いほど強度は低くなります。

焼入れおよび熱硬化（いわゆる一時保管）後に時間が経過すると、達成可能な強度は熱硬化中に低下し、その後に低下します。その理由は、一時保管中の材料の冷間硬化による変化です。ただし、この影響は、Mg2Si が 0.8% を超える合金（Mg または Si の過剰分を除く）と、Mg または Si の過剰分が存在する場合は Mg2Si が 0.6% を超える合金にのみ影響します。

これらの悪影響を防ぐために、AlMgSi は 80 °C で 5 ～ 30 分間焼入れした後にアニールすることができ、これにより材料の状態が安定し、一時的に変化しなくなります。その後、熱硬化が維持されます。あるいは、最初に温度を急冷して熱硬化中に適用するステップ焼入れも可能です。温度は数分から数時間 (温度と合金によって異なります) 維持され、その後室温まで完全に冷却されます。どちらの方法でも、ワークピースをしばらくの間、抑止状態で処理できます。待機時間が長くなると、冷間硬化が始まります。処理時間が長くなると、可能な保管期間は長くなりますが、成形性は低下します。これらの手順の一部は特許で保護されています。

安定化には他の利点もあります。材料は定義可能な状態になり、後続の処理で繰り返し可能な結果が可能になります。安定化しないと、たとえば、中間アウトソーシングの時間が曲げ時のリバウンドに影響し、複数のワークピースにわたって一定の曲げ角度を実現できなくなります。

変形（鍛造、圧延、曲げ）により、金属および合金はひずみ硬化します。これは強度を高めるための重要な方法です。ただし、AlMgSi の場合、ひずみ硬化はその後の加熱にも影響します。一方、熱硬化状態での冷間成形は、この状態では延性が低いため不可能です。

焼入れ直後の冷間成形はひずみ硬化により強度が増加するが、ひずみ硬化による強度増加は減少し、変形度 [de]が10%を超えると強度増加が大幅に妨げられる。

一方、部分的または完全に冷間硬化した状態で冷間成形すると強度も増加するため、両方の効果が相乗されます。

冷間成形（焼入れまたは冷間硬化状態）の後に熱間成形を行うと、成形はより迅速に行われますが、達成できる強度は低下します。ひずみ硬化が高いほど降伏点は高くなりますが、引張強度は増加しません。一方、冷間成形が安定した状態で行われると、達成可能な強度値が向上します。^[10]

AlMgSiは、中〜高強度、高破壊耐性、良好な溶接適性、耐食性、成形性を備えたアルミニウム合金の一つです。^[11]

これらは、とりわけ、バンパー、ボディ、鉄道車両製造の大型プロファイルに使用されます。後者の場合、1970 年代の鉄道車両の設計変更に大きく貢献しました。以前は、リベットで留めたパイプ構造が使用されていました。AlMgSi の優れた押し出し適合性により、現在では大型プロファイルを製造でき、それを溶接することができます。^[12]これらは航空機の製造にも使用されますが、AlCuと AlZnMg が好まれますが、溶接可能ではないか困難です。溶接可能で強度の高い AlMgSiCu 合金 (AA6013 と AA6056) は、エアバス モデルA318とA380で使用される航空機の船体のリブ付きシートに使用されており、レーザー溶接により、重量とコストの削減が可能です。^[13]溶接は、航空機製造における通常のリベットよりも安価です。リベット留め時に必要な重なりを溶接中に排除できるため、部品の質量が節約されます。^{[14] [15] [16]}

• Hirsch, Jürgen; Skrotzki, Birgit; Gottstein, Günter 編 (2008)。アルミニウム合金: 物理的および機械的特性。John Wiley & Sons。ISBN 978-3-527-32367-8。
• ガリ、エドワード（2010）。アルミニウムおよびマグネシウム合金の耐食性：理解、性能、および試験。ジョン・ワイリー＆サンズ。ISBN 978-0-470-53176-1。