圧延・鍛造によるナノ粒子分散耐熱アルミニウム複合材作製
宇都宮大学大学院工学研究科 機械知能工学科
准教授 山本 篤史郎（平成 22 年度一般研究開発助成 AF-2010008）

キーワード：自己伝播高温合成，複合材料，混合エンタルピー

1.

研究の目的と背景

2.

実験方法

燃料電池・水素自動車の走行距離を飛躍的に伸ばすため，厚さが 2 mm の Al 板材 2 枚の間に TiNi 粉末を配置したも高圧水素ガス・液体水素用タンクの高容量化・高圧化・高強のを，大気中ならびに Ar ガス雰囲気中にて 750℃まで加熱し，度化・軽量化が必須である．一方で，自動車事故に伴う火災15 分間保持することにより，Al 中に TiNi 粉末が分散した母合時などに燃料である水素を安全に放出するためには，耐熱性金を作製した．作製した母合金を室温にて鋼鉄製ハンマーでも必要不可欠である．こうした水素タンクには鍛造したアルミニ

鍛造，あるいは，冷間圧延した．鍛造後の試料を走査電子顕

ウム合金製ライナーの外側を炭素繊維で巻いて強化した容器

微鏡ならびに透過電子顕微鏡で観察し，析出物の組成分析が用いられている．水素の漏洩を防いでいるのはアルミニウムをエネルギー分散型 X 線分光器を用いて行った．なお，透過合金であるため，アルミニウム合金の耐熱性向上は重要であ

電子顕微鏡観察用試料は，機械研磨後に Ar イオンを用いたる．ところが，アルミニウム合金の高強度化は加工強化の他にイオン研磨により仕上げた．また，鍛造後の試料断面についGP ゾーンなどの時効析出強化が用いられるが，時効析出強てビッカース硬度測定を行った．一方，Al 中に TiNi 粉末を分化アルミニウム合金の強度は GP ゾーンが粗大化する 300℃以散させた母合金の他に，Cu の粉末を分散させた母合金を作上になると急激に低下する．次世代自動車の燃費向上と安全製し，鍛造後の試料内部組織を TiNi 粉末を分散させた母合性向上のために高強度かつ耐熱性の優れた軽量構造材料が金と比較した．

必要である．
200～300℃付近での時効処理を用いた析出強化を利用している限り，GP ゾーンの粗大化に伴う強度低下を回避するこ

3.

実験結果

3.1. Al 中に TiNi 粉末を分散させた場合とはできない．また，析出強化を生み出す転位も高温では上

図 1 は Al 中に TiNi 粉末を分散させた母合金を作製した直昇運動をするなど，塑性変形を担う転位の運動をナノ析出物

後の断面を走査電子顕微鏡で観察した様子である．Al の融で抑制して高強度化するメカニズムにも限界がある．すると，材料そのものが本来持っている高温強度を活かす必要があるので，Al よりも耐熱性の優れた相を Al と複相化・複合化させることが，耐熱強度を向上させるための解決手段と成り得る．
そこで本研究では，高温で安定に存在する平衡相を Al 中に析出させて耐熱強度を向上させることを目的とした．その目的のために，Al との混合エンタルピーが負で，かつ，その絶対値が大きな元素で構成される粉末を Al 中に分散させたものを母合金とし，これを鍛造・圧延し，その内部組織と機械的特性を評価した．

図 1 鍛造・圧延前の TiNi 粉末分散 Al 母合金の断面組織．

ー 33 ー

点 660℃より高温，かつ，Al と TiNi 粉末が反応する約 800℃ズがサブ μm オーダーのものも多数観察された．この未知相の以下の 750℃まで加熱したことにより，溶解した Al で TiNi 粉組成分析を走査電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型 X末が包まれている．この段階では，Al と TiNi の間には反応は線分光器を用いて試みたが，未知相のサイズが小さすぎるた生じていない．

め上手く行えなかった．

次に，この母合金を室温にて鋼鉄製のハンマーで鍛造した．

一方，TiNi 粉末を分散させた別の Al 母合金を圧延して得鍛造の合間に指で触れて鍛造中に試料温度が上昇することられた試料の断面組織を走査電子顕微鏡で観察した結果がを確認した．鍛造により厚さ約 1mm まで薄くした試料を樹脂埋図 3 である．図 2 ほどの量は観察されなかったが，やはり，明るめして研磨し，断面組織を観察した様子が図 2 である．鍛造

いコントラストを示す微細な未知相が存在した．その一部を拡前の試料中に観察された TiNi 粉末と比較すると，鍛造前の大すると，暗いコントラストを示す Al 相と明るいコントラストを示

TiNi 粉末とは形状ならびにサイズが全く異なり，TiNi 粉末よりす未知相はラメラ状組織を形成し，それを明るいコントラストのも若干暗いコントラストを示す未知相が，試料全体に広く高密未知相が囲んでいた．

度に分布している様子がわかる．特に，微細な析出相はサイ

未知析出相が微細なため X 線回折実験で相同定を行うこと

図 2 TiNi 粉末分散 Al 母合金を鍛造して作製した試料の断面組織．

図 3 TiNi 粉末分散 Al 母合金を冷間圧延して作製した試料の断面組織．

ー 34 ー

ができなかった．そこで，透過電子顕微鏡を用いて未知相の分析結果も考慮すると，析出物は Al9FeNi 相であることが分か同定を試みた．図 3 で観察した圧延試料の一部から作製したった．Al9FeNi 相は 750℃でも安定に存在することが Al-Fe-Ni

透過電子顕微鏡観察用試料の微細組織を観察した様子を図

三元系状態図で報告されていることから，複合則に従って，Al4 に示す．ほぼ平行に斜めに伸びる結晶粒が 3 個存在しておの耐熱強度を向上すると考えられる．

り，ラメラ状組織の断面を観察していると考えられる．これらの塑性加工により Al9FeNi 相が析出した試料についてビッカ結晶粒と周囲の母相について透過電子顕微鏡に付属するエース硬度測定を行った結果を表 2 に示す．塑性加工により薄ネルギー分散型 X 線分光器を用いて組成分析した結果を表くしているため，やむを得ず樹脂中に埋めた試料の断面につ1 に示す．分析結果から，母相が Al 相であること，また，斜めいて硬度測定を行った．従って，Al9FeNi 相が析出したことにに伸びた結晶粒が Al を主成分とした Al-Fe-Ni 三元系析出物

よる硬度の上昇は現在のところ確認できていない．Al9FeNi 相であることが分かった．Al に TiNi 粉末を分散させたにもかかの析出による影響を明らかにするためには，今後，更に高密わらず，Al 母相と析出相のいずれでも Ti がほぼ検出されない

度の Al9FeNi 相を均一に析出させた試料を作製する他に，Alこと，また，析出物に Fe が含まれていることについては後述す

板表面に FeNi 電解めっきを作製して，表層でのみ局所反応る．また，析出物について電子回折実験を行ったところ，組成させるなどして，再現性が高く，硬度測定に適した試料を作製する必要がある．
析 出 物 が Al9FeNi で あ る こ と が 明 ら か に な っ た た め ，Al-Fe-Ni 三元系状態図から Al9FeNi 相の形成過程を考える．
図 5(a)は Al-Fe-Ni 三元系合金の Al 相近傍の液相線図を基に，Al-FeNi 擬二元系状態図を模式的に示したものである．Al

図 4 TiNi 粉末分散 Al 母合金を冷間圧延して作製した試料の内部微細組織ならびに析出物の電子回折図形．

表1TiNi 粉末分散 Al 母合金を冷間圧延して作製した

試料中に観察された母相と析出物の組成分析結果（数字は原子濃度 at.%）．
AlFeNiTi

Al matrix

99.91

0.08

0.00

0.01

Al9FeNi

88.61

1.18

10.190.01

表2TiNi 粉末分散 Al 母合金を鍛造した後に樹脂埋めした試料断面のビッカース硬度測定結果．
平均 Hv

標準偏差

Al+Al9FeNi

35.1

1.3

Al のみ

36.1

2.2

図 5 (a) Al-FeNi 擬二元系状態図（模式図）と，局所溶解領域の組成が(b) C1 ならびに(c) C2 の場合に生じると予想される凝固組織．(b)の破線は局所溶解領域の境界を示す．

ー 35 ー

と Ti，Al と Ni はいずれも混合エンタルピーが負でその絶対値それぞれ-30kJ/mol，-22kJ/mol であるのに対し，Al と Cu の混が大きいので，塑性加工により Al 母相と TiNi 粉末が密着する

合エンタルピーは-1kJ/mol で，絶対値が小さいことから，混合と大量の混合熱が発生する．そこで，仮に，塑性加工中に Alしてもほとんど発熱しない．TiNi 粉末分散 Al 母合金の場合と母相と TiNi 粉末が反応して混合熱が生じ，TiNi 粉末近傍では異なり，Cu 粉末分散 Al 母合金の鍛造中に試料温度が上昇局所的に溶解したとする．すると，溶解後直ちに周囲の母相することはなかった．Cu 粉末を分散させた Al 母合金の鍛造前から冷却されて凝固組織を形成すると考えられる．局所溶解し後の組織観察結果を図 6 に示す．鍛造後の試料中には微細た領域の組成が C1 である場合，その凝固組織は模式的に図化した Cu 粉末が観察された．しかし，Cu 粉末の微細化は鍛5(b)で示す通りになる．また，局所溶解した領域の組成が C2造によって機械的に粉砕されたように見える．仮に，Cu 粉末である場合，その凝固組織は図 5(c)の通りになる．ここで，図の微細化が加工熱によるものであるとすると，図 7 に示すよう5(c)の組織は，図 3 で観察した Al と Al9FeNi のラメラ状組織をな過程が考えられる．

Al9FeNi 相が囲っている形態と酷似している．よって，塑性加初めに，鍛造時に生じる加工熱によって上昇する温度につ工中に Al 母相と TiNi 粉末が反応して混合熱が生じ，TiNi 粉いて検討する．TiNi 粉末を分散させた Al 母合金でも組織変末近傍で局所溶解したと考えることは合理的である．

化が加工熱によって生じたものであると仮定すると，Al の融点

また，塑性加工前に TiNi 粉末中に 50at.%も含まれていたが 660℃，TiNi の融点が 1350℃なので，鍛造に伴う加工熱でTi 原子が，塑性加工後に Al 母相と Al9FeNi 析出相のいずれ粉末近傍は少なくとも 1350℃まで加熱される．よって，Cu の融にもほとんど検出されない理由も，TiNi 粉末近傍で局所溶解点が 1083℃であることから，鍛造に伴う加工熱によって Al 母したと考えれば合理的に説明できる．半径 r の球体内で相と Cu 粉末が局所的に溶解する．続いて，局所溶解領域が50at.%の濃度を占めた Ti 原子が，半径 R の球体全体に広が周囲から冷却されると，Al 相と共に微細化した Cu 相が生じる．って 0.1at.%まで希釈されるためには，R は r の約 8 倍となる．

しかし，鍛造中に加工熱によって局所溶解しているのであれ

ここで，組成分析結果では塑性加工後の Ti 濃度は 0.01at.%

ば，鍛造後に微細化した Cu 粉末は溶解した Al 相によって包であるが，組成分析の誤差を考慮して R が小さくなるよう 10 倍まれているはずである（図 7(c)）．ところが，図 6 の観察結果にとした．塑性加工前の TiNi 粉末の直径 r が 25μm であるとすると，R は約 200μm となる．塑性加工中の短時間にこれほどの距離を Ti が拡散することはないので，Ti は液体中を対流などで移動したと考えられる．よって，この実験結果も，塑性加工中に Al 母相と TiNi 粉末が反応して混合熱が生じ，TiNi 粉末近傍で局所溶解したことを示唆する合理的理由である．同様に，本来，Al 中にも TiNi 中にも不純物としてのみ存在した Fe原子が，Al9FeNi 相を析出させるほど短時間に濃縮された結果も局所溶解で説明できる．

3.2. Al 中に Cu 粉末を分散させた場合
既述の通り，Al 中に TiNi 粉末を分散させた母合金を塑性加工すると，Al と粉末の間で混合熱を生じて局所溶解していることを示したが，そもそも，局所溶解を生じさせた熱が Al と粉末の混合によるものではなく，塑性加工中に生じる加工熱が原因である可能性がある．そこで，Al 中に Cu の各純金属粉末を分散させた母合金について，TiNi 粉末分散 Al 母合金と同様に鍛造を行った．Al と Ti，Al と Ni の混合エンタルピーは

図 6 Al 中に Cu 粉末を分散させた母合金の(a) 鍛造前，ならびに，(b) 鍛造後の組織変化．

ー 36 ーよると，微細化した Cu 粉末は Al に包まれていない．従って，により冷却されて，Al 相と Al9FeNi 相からなる共晶組織を形成

Cu 粉末の微細化は加工熱ではなく，機械的に粉砕されて生する．Al9FeNi 相は 750℃の高温でも安定に存在する平衡相じたものである．以上の結果から，TiNi 粉末を分散させた Alであることから，Al 相と高密度の Al9FeNi 相を複合することに母合金を塑性加工すると生じる組織変化は，加工熱ではなく，より，耐熱強度が向上すると考えられる．

Al 母相と TiNi 粉末の混合熱によって生じていることが明らか謝辞となった．
複数の種類の粉末を混合したものを外部から加熱したり通本研究は公益財団法人天田財団の一般研究開発助成なら電することにより，混合熱を発生させて新たな化合物を作製す

びに日本学術振興会科学研究費補助金若手（B)21760548 のる 方 法 は ， 自 己 伝 播 高 温 合 成 （ Self-propagating

助成を受けて行ったものであり，ここに御礼申し上げる．

High-temperature Synshesis，SHS）として知られている粉末冶

参考文献

金的手法である[1-4]．近年は金属を母相としたセラミックスの複合材料 MMC（Metal Matrix Composite）の作製や，異種金1)

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SHS を利用して Al 合金の複合化を試みる場合は，局所溶解

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Al 中に TiNi 粉末を分散させた母合金を作製し塑性加工す6)

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ると，高密度で微細な Al9FeNi 相が析出することがわかった．

Inoue,

Proceedingsof19thIEEEInternational

塑性加工によって Al と TiNi が接触すると，大きな混合熱を発Conference on Micro Electro Mechanical Systems 2006

生し，TiNi 粉末近傍を局所溶解させる．その後，周囲の固相(MEMS2006), 286-299.

図 7 Al 中に Cu 粉末を分散させた母合金を鍛造したときの Cu 粉末微細化が加工熱によると仮定したときの組織変化．(a)
鍛造前，(b) 局所溶解中，(c) 局所溶解領域の凝固後．

ー 37 ー