アルミニウム-シリコン合金

アルミニウム - シリコン合金またはシルミンは、アルミニウム-シリコン系 (AlSi)に基づく軽量で高強度のアルミニウム合金のグループの総称であり、主にアルミニウムで構成され、量的に最も重要な合金元素はシリコンです。純粋なAlSi合金は硬化できませんが、一般的に使用されている合金AlSiCu (銅を含む) とAlSiMg (マグネシウムを含む) は硬化できます。硬化メカニズムは、AlCuおよびAlMgSiに対応します。

AlSi 合金は、すべてのアルミニウム鋳造材料の中で、群を抜いて最も重要なものです。あらゆる鋳造プロセスに適しており、優れた鋳造特性を備えています。重要な用途分野は、エンジン ブロックやピストンなどの自動車部品です。さらに、電気自動車の高エネルギー蓄熱用の機能材料としての使用にも現在注目が集まっています。

アルミニウムシリコン合金には通常、3%～25%のシリコンが含まれています。^[1] アルミニウムシリコン合金の主な用途は鋳造ですが、急速凝固プロセスや粉末冶金にも利用できます。鋳造ではなく粉末冶金で使用される合金には、最大50%のシリコンが含まれる場合があります。^{[1]シルミンは}耐腐食性が高く、湿気の多い環境で役立ちます。

アルミニウムにシリコンを加えると、液体の状態では粘性が低くなり、低コスト（両方の構成元素の抽出コストが比較的安いため）と相まって、非常に優れた鋳造合金になります。^[2]鋳造性に優れたシルミンは、鋳造が難しいが強度が潜在的に高い合金よりも強度の高い鋳造品になる可能性があります。^[1]

すべてのアルミニウム合金には、鉄も混入されています。鉄は強度と破断伸びを低下させるため、一般的には望ましくありません。Al と Si とともに、AlFeSi 相を形成し、小さな針の形で組織に存在します。ただし、鉄はダイカストで鋳物が金型にくっつくのを防ぐため、特殊なダイカスト合金には少量の鉄が含まれ、他の合金では鉄は可能な限り避けられています。 ${\displaystyle \beta}$

マンガンも固着傾向を低下させますが、機械的特性への影響は鉄ほどではありません。マンガンは他の元素と相を形成し、球状（丸い）粒子を形成します。

銅は、少なくとも混合物として、ほぼすべての工業用合金に含まれています。銅含有量が 0.05% を超えると、耐食性が低下します。約 1% の銅を合金に添加すると、固溶強化によって強度が向上します。これにより、加工性も向上します。AlSiCu 合金の場合、銅の添加量も増加し、材料を硬化させることができます (アルミニウム銅合金を参照)。

マグネシウムはシリコンとともに、アルミニウム-マグネシウム-シリコン合金（AlMgSi）と同様に、硬化性の基礎となるMg ₂ Si（マグネシウムシリサイド）相を形成します。これらではMgが過剰であるため、マグネシウムとMg ₂ Siを含むアルミニウム混晶の構造となります。一方、AlSiMg合金ではシリコンが過剰であるため、アルミニウム混晶、シリコン、Mg ₂ Siの構造となります。^[3]

シリコン粉末はアルミニウムシリコン合金に使用され、強度と鋳造性を高め、高応力条件下での耐久性を向上させます。^[4]また、溶融アルミニウムの流動性も向上し、欠陥の少ない複雑な形状の鋳造が容易になります。^[5]

チタンとホウ素を少量添加すると粒子が微細化される。^[6]

アルミニウムはシリコンと共晶を形成し、577 °C で Si 含有量は 12.5% ^[7]または 12.6% ^[8]になります。この温度では、最大 1.65% の Si をアルミニウムに溶解できます。ただし、溶解度は温度とともに急速に低下します。500 °C でも 0.8% Si、400 °C では 0.3% Si、250 °C では 0.05% になります。室温では、シリコンは実質的に不溶性です。アルミニウムはシリコンにまったく溶解できず、高温でも溶解しません。溶融状態でのみ、両方とも完全に溶解します。固溶強化による強度の増加はごくわずかです。^[7]

純粋なAlSi合金は一次アルミニウムから製錬され、他の元素を含むAlSi合金は通常二次アルミニウムから製錬されます。純粋なAlSi合金は中程度の強度があり、硬化できませんが、塩水環境でも耐腐食性があります。^[9]

正確な特性は、合金の組成が共晶点より上か、共晶点に近いか、または共晶点より下かによって異なります。鋳造性は Si 含有量が増加すると向上し、約 17% Si のときが最適で、機械的特性は 6% ～ 12% Si のときが最適となります。

• 金型充填能力はSi12%で最大になりますが、他の含有量でも良好です。
• 空洞形成の傾向は 6% ～ 8% Si で最も低く、全体的に低いと考えられます。
• Si が 6% 未満の場合、高温割れの傾向は低くなります。

それ以外の点では、AlSi合金は一般的に鋳造特性が良好で、収縮率はわずか1.25％で、壁厚の影響は小さい。^[10]

Alusilなどのシリコン含有量が16～19%の過共晶合金は、ピストン、シリンダーライナー、内燃機関ブロックなどの高摩耗用途に使用できます。鋳造後に金属をエッチングすると、硬くて耐摩耗性のあるシリコン析出物が露出します。表面の残りの部分はわずかに多孔質になり、油を保持します。全体的に、これは優れたベアリング表面となり、従来の青銅ベアリングブッシュよりも低コストです。^[11]

亜共晶合金（亜共晶ともいう）のシリコン含有量は 12% 未満です。亜共晶合金では、最初にアルミニウムが凝固します。温度が下がり、凝固したアルミニウムの割合が増加すると、残留溶融物のシリコン含有量が増加し、共晶点に達します。その後、残留溶融物全体が共晶として凝固します。その結果、微細構造は、多くの場合デンドライトとして存在する一次アルミニウムと、その間にある残留溶融物の共晶によって特徴付けられます。シリコン含有量が低いほど、デンドライトが大きくなります。

純粋なAlSi合金では、共晶はしばしば退化した形態をとる。共晶の典型的な機械的特性に優れた微細構造の代わりに、AlSiはゆっくりと冷却すると粗粒構造となり、シリコンが大きな板状または針状になる。これらは肉眼で確認できる場合があり、材料を脆くする。冷却速度が十分に速いため、退化を回避できるため、チル鋳造ではこれは問題にならない。^{[7] [12]}

特に冷却速度が遅い砂型鋳造では、変質を防ぐために溶融物に追加の元素が添加されます。ナトリウム、ストロンチウム、アンチモンが適しています。^{[13] [14]}これらの元素は約720℃から780℃で溶融物に添加され、過冷却を引き起こしてシリコンの拡散を減らし、共通の微細共晶を形成し、破断時の強度と伸びを高めます。^[15]

11%から13%のSiを含む合金は共晶合金に分類されます。焼鈍処理により伸びと疲労強度が向上します。未処理の合金では凝固がシェル状に、精製された合金では壁が滑らかになるため、鋳造性が非常に高くなります。何よりも流動性と鋳型の充填性が非常に優れているため、共晶合金は薄肉部品に適しています。^[16]

• 
  構造、未精製
• 
  構造、洗練された

13% を超える Si を含む合金は、過共晶または過共晶と呼ばれます。Si 含有量は通常 17% までですが、特殊なピストン合金では20% を超えることもあります。過共晶合金は熱膨張が非常に低く、耐摩耗性に優れています。他の多くの合金とは対照的に、AlSi 合金は共晶付近では最大の流動性を示しませんが、14 ～ 16% Si で最大流動性を示します。過熱の場合は 17% ～ 18% Si で発生します。10% ～ 14% の範囲では、高温割れの傾向は最小限です。過共晶合金の場合、最初にシリコン結晶が溶融物で凝固し、残りの溶融物は共晶として凝固します。結晶粒を微細化するために、銅リン合金が使用されます。硬くて脆いシリコンは、その後の機械加工中に工具の摩耗を増加させるため、ダイヤモンド工具が使用されることがあります ( 「機械加工性」も参照)。^[17]

マグネシウムを少量添加した AlSiMg 合金 (0.3 ～ 0.6% 未満の Mg) は、冷間および温間の両方で硬化できます。マグネシウムの割合は、5% Si ～ 10% Si のシリコン含有量が増加するにつれて減少します。これらはAlMgSi合金に関連しています。どちらも、マグネシウムシリサイドMg ₂ Si が沈殿するという事実に基づいています。これは、材料中に微細な粒子の形で存在し、強度を高めます。さらに、マグネシウムは破断時の伸びを高めます。硬化可能な AlSiCu とは対照的に、これらの合金は耐腐食性があり、鋳造が容易です。ただし、一部の AlSiMg 合金には銅が不純物として含まれており、耐腐食性が低下します。これは、二次アルミニウムから溶解された材料に特に当てはまります。^{[18] [19]}

AlSiCu合金も熱硬化性があり、強度も高いが、腐食しやすく、鋳造性は劣るが、それでも十分に優れている。二次アルミニウムから製錬されることが多い。硬化のメカニズムはAlCu合金と同じである。銅含有量は1%～4%、シリコン含有量は4%～10%である。マグネシウムを少量添加すると強度が向上する。^{[20] [21]}

すべてのデータは質量パーセントです。残りはアルミニウムです。

鍛造合金^[22]

鋳造合金^[23]

4000 シリーズはシリコンと合金化されています。鋳造用に設計されたアルミニウム - シリコン合金のバリエーション (したがって 4000 シリーズには含まれません) は、シルミンとも呼ばれます。

アルミニウム協会の数値指定システムでは、シルミンは2つのシステムの合金に対応しています。3xxxはマグネシウムや銅も含むアルミニウム-シリコン合金、4xx.xは2元アルミニウム-シリコン合金です。銅は強度を高めますが、耐食性は低下します。^[1]

一般的に、AlSi合金は主に鋳造所で使用され、特に自動車製造に使用されます。鍛造合金は非常にまれです。これらはフィラーメタル（溶接ワイヤ）として、またはろう付けのはんだとして使用されます。場合によっては、鍛造AlSiピストンが航空機用に製造されることもあります。^[25]

AlSi共晶鋳造合金は、機械部品、シリンダーヘッド、シリンダークランクケース、インペラー、リブ付きボディに使用されます。過共晶（高シリコン）合金は、熱膨張率が低く、強度と耐摩耗性が高いため、エンジン部品に使用されます。これには、約25％のSiを含む特殊なピストン合金も含まれます。^[26]

マグネシウムを添加した合金（AlSiMg）は、熱処理によって硬化させることができる。使用例としては、強度、耐腐食性、破断伸びに優れているため、低圧鋳造で製造されるホイールリムが挙げられる。約10％のSiを含む合金は、シリンダーヘッド、スイッチハウジング、吸気マニホールド、変圧器タンク、ホイールサスペンション、オイルパンに使用されている。5％～7％のSiを含む合金は、シャーシ部品やホイールに使用されている。9％レベルでは、構造部品やボディノードに適している。^[27]

銅含有AlSiCu合金は耐熱性と硬化性に優れているため、ギアハウジング、クランクケース、シリンダーヘッドなどに使用されています。^[28]

AlSi合金は、機械的特性が最も重要である構造材料として使用されるほか、潜熱蓄熱という用途もある。合金の相変化は577℃で起こり、熱エネルギーは融解エンタルピーの形で蓄えられる。したがって、AlSiは金属相変化材料（mPCM）としても使用できる。他の相変化材料と比較して、金属は高い比エネルギー密度と高い熱伝導率を特徴とする。後者は、蓄熱材料への熱の急速な出入りに重要であり、蓄熱システムの性能を向上させる。AlSiなどのmPCMのこれらの有利な特性は、車両用途にとって特に重要である。なぜなら、ここでは質量と体積が小さく、高い熱性能が主な目標だからである。mPCMに基づく蓄熱システムを使用することで、トラクションバッテリーから熱エネルギーを取り出す代わりに、加熱に必要な熱エネルギーをmPCMに蓄熱することで、電気自動車の航続距離を延ばすことができる。^[29]

ほぼ共晶のAlSi溶融塩も溶融亜鉛めっきに使用されます。連続ストリップ亜鉛めっきのプロセスでは、鋼帯に10～25μmの厚さの耐熱金属コーティングが施されます。溶融アルミニウムめっき鋼板は、熱応力を受ける部品用の安価な材料です。亜鉛コーティングとは異なり、このコーティングは大気条件下では陰極保護を提供しません。^[30]

• 高い鋳造性、流動性、耐腐食性、延性、低密度。
• 大きな負荷がかかる状況でも稼働する大型鋳物に使用可能です。
• 熱処理可能な合金ではないと考えられていますが、Mg と Cu を添加すると熱処理が可能になります (例: AΠ4 合金)。
• 溶解処理によって強化され、例えば鋳造直前に溶融物に0.01%のナトリウム^{[31] （}フッ化ナトリウム[NaF]と塩化ナトリウム[NaCl]の形で）を添加する。 ^[32]
• 欠点としては、鋳造品に多孔性が生じやすく、鋳造品が泡状になる可能性があることです。これは、オートクレーブで加圧鋳造することで回避できます。

• ロブレス・ヘルナンデス、フランシスコ・C。エレーラ・ラミレス、ホセ・マルティン。ロバート・マッケイ (2017)。Al-Si合金。チャム：シュプリンガー・インターナショナル・パブリッシング。土井：10.1007/978-3-319-58380-8。ISBN 978-3-319-58379-2。