■2002.8

財団法人 金属系材料研究開発センター

No.190TODAYとき

アルミ材料の新しい世紀を拓くために

住友軽金属工業株式会社

専務取締役
研究開発センター所長

永 田 公 二スーパーメタル（Al-Mg-Mn合金）を連続焼鈍コイル化

わが国の経済は10年に及ぶ深刻な不況のなかにあ配的です。新規に開発した材料の冶金的特性を十分りますが、アルミ圧延（板、押出製品）業界も例外理解したうえで、安くつくるための設備、生産プロではありません。1980年代の10年間の需要量は、セスの開発こそ重要であり、この分野の技術者、メ年間130万トンから230万トンへほぼ右上がりに増加ーカーのプロジェクトへの参画・協力が不可避であしましたが、90年代の10年間は年間240万トン前後ると実感しました。
″（JRCM理事）

さて、21世紀は、 環境とエネルギー の問題になかにおいても、飲料缶、空調用フィン、自動車熱正面から取り組まねばならない世紀です。この点で交等の分野では着実に需要量を伸ばしました。また、アルミ製品の果たす役割は大きいものと期待されま

IT関連の電解コンデンサー箔も、ここにきて急回す。アルミ飲料缶の回収率は80％、缶への再利用率復の兆しが見えます。

は75％に達しており、同時にLCAの点からも高い″″と横這いで推移しました。このような需要の不振の評価を得ており、まさに 環境にやさしい材料 で経済産業省の助成も受けながら、急冷アルミ合金粉す。さらに、2008年の欧州のきびしい燃費規制をク

末（83年〜）、アルミ複合材料、Al−Li合金（89年

リアーするには、アルミ圧延品をフードやサブフレ〜）、超塑性合金、ハニカムパネル（82年〜：接着、ーム等に多用して、車を軽量化するのが最も有効で96年〜：ロウ付け）等、多くの材料・製造技術の実あると考えられています。

″

一方、新材料・新技術の創製・実用化の分野では、わが国の自動車メーカーも活発にアルミの適用性点では必ずしも成功したとは言いがたい状況です。

について研究しており、アルミ業界もこぞってその優れたシーズを顧客のニーズにマッチさせる 最実現のために、成形、接合、表面処理等の加工技術″用化研究に挑戦してきました。
しかし、事業化というの提供に努めています。

″″

後の一歩 のところで多くの挫折を味わいました。

現在、自動車向けアルミ圧延板の需要量は、自動で言えば、市場の求める費用対効果を満足しえなか

車熱交向けを別にしますと、年間5,000トン程度とった、ということです。

アルミ板総需要の0.5％未満です。今後、仮に車1台″

最後の一歩 をクリアーできなかったのは、一言当たり10kg使用されるとすれば、年間6万トン前後高コストの要因は、高い設備償却費、低い生産性の膨大な需要が生まれることになります。

や歩留まり等、設備と生産技術にかかわるものが支1

わが国でアルミが乗用車のフードに最初に採用さ特性をもつ微細結晶粒アルミ合金の創製に成功しまれたのは85年のマツダRX-7であり、以来20年にわたした。
この優れたシーズに、低コストを実現しうる設り多くの研究開発が繰り返し行われてきましたが、備・プロセスの開発が加われば、アルミ産業にとって本格採用は限定的でした。97年から5年間にわたる長年の夢であった自動車部材への本格採用がかなう

JRCMでのスーパーメタルの研究により、従来にないことになります。関係者の一層の奮起を期待します。

JRCM REPORT

アルミニウム系スーパーメタルの研究開発（終了報告）
住友軽金属工業（株）技術部

伊藤清文

1 はじめに則としてよく知られているように、結富山大学、宇都宮大学、千葉工業大学

晶粒径100nmくらいまではその結晶粒の6大学がこのプロジェクトに参加し、アルミニウム系スーパーメタルの研径が小さくなるにしたがって強度が増産学協同で研究開発を進めてきた。こ究開発は、経済産業省の産業科学技術加する。このプロジェクトはこれを利こでは、スーパーアルミの研究開発の研究開発制度の一環として、JRCMが用して、アルミニウムの結晶粒径を極内容、成果等を簡単に報告する。

新エネルギー・産業技術総合開発機構

微細化することにより、工業的特性（NEDO）からの委託を受けて1997年（強度、耐食性）を高めようとするも2 スーパーアルミの開発目標

度から2001年度まで5年間研究開発をのである。

このスーパーアルミプロジェクトの実施し、2002年3月末に終了した。正

スーパーアルミの総事業費は約8.7

目標は、「3μm程度以下の微細結晶粒式な名称は「アルミニウム系メゾスコ（株）神戸製鋼所、スカイ億円であり、径を有する組織制御材料で、工業的特ピック組織制御材料創製技術」である（株）、住友軽金属工業（株）、
アルミニウム性（強度、耐食性）が現在使用されてが、ここでは単に「スーパーアルミ」

日本軽金属（株）、古河電気工業（株）、三いる同種材料の1.5倍以上、かつ板幅と呼ぶことにする。

（株）の軽金属圧延6社
菱アルミニウムが約200mm以上のアルミニウム系大及び京都大学、大阪大学、九州大学、型素材の創製技術を確立する」ことで一般的に金属材料はホール−ペッチ

スーパーメタル材
料
特性

アモルファス構造

ナノ結晶組織メゾスコピック組織

逆ホール−ペッチ則

アモルファス構造制御

材
料
特性

ホール−ペッチ則メゾスコピック組織制御

ナノ結晶組織制御

溶融金属
金属微粉

従来の組織

蒸気相
結晶組織の大きさ
図−1 スーパーメタルの概念（NEDOのパンフレットより）

JRCM NEWS No.190

2機械特性ある。すなわち、アルミニウム合金の大量のせん断歪を蓄積できる。この方

この材料は通常の同種合金と比較結晶粒径を現状の1/10以下、つまり3法ではすべての合金に対し、加工後1し、耐力と引張り強さがそれぞれ2.5μm程度以下に微細化することによっμm以下の微細結晶粒組織を得ること倍と1.5倍に増加し、伸びも6％程度にて、強度や耐食性を1.5倍以上に向上が可能で、せん断歪の導入が結晶粒微維持されていた。Al-Mg-Si合金では1せしめ、従来以上に広範囲の輸送機材、細化に有効であることが確認された。

μmの結晶粒径を達成したが、溶体化構造物等に使用することを目標として③ARB法は イ 2枚の薄板素材を積層し処理時に著しい粒成長が生じた。このいる。そのために、量産するための基て約200℃で圧延接合し、ロ 素材を長対策として、微量のSc添加が粒成長

礎データをも得る目的で200mm以上手方向に2分割、 ハ これを再度積層しの抑制に大きな効果を示した。の板幅の製造を挙げている。て イ へ戻ることで、各サイクルの圧

このように異周速圧延法は微細結晶

3 研究開発内容及び下率を50％にすることにより理論的に粒組織を得るための有効な手段と考え無限の大きさの歪を付加できる。このられる。しかしながら、せん断歪付与

方法によりAl-Mg合金、Al-Mg-Si合金のために無潤滑で圧延加工を行わざる（1）高歪蓄積技術の研究及びAl-Zn-Mg合金で加工後1μm以下を得ないため、ロール表面へのアルミ

１）基礎研究の微細結晶粒径が実現した。圧延におニウムの焼付きによる表面性状の低下

その結果の概要

一般的に、加工歪エネルギーが大量いても高歪蓄積が結晶粒微細化に有効が問題となる。オンラインでアルミニに蓄積されると再結晶後の結晶粒径がであることが判明した。

ウムの焼付きを除去あるいは防止する

小さくなるが、アルミニウム合金は他

２）極低温圧延技術の開発が必要と考えられる。の金属に比べて、通常の常温加工では新規に導入したコイル用極低温圧延（2）結晶粒微細化技術の研究と加工中に歪が回復（動的回復）し、投機（詳細は後述）で、Al-Mn合金及び加工プロセス技術の開発入されたエネルギーの大半が熱エネ

Al-Mg合金を極低温圧延した。結果は

１）大圧下圧延による結晶粒微細化

ルギーとなってしまい、歪が蓄積されAl-Mn合金が9μm、また、Al-Mg合金

高歪エネルギーを有効に活用するたにくい。その対策として、低温加工、が7μmであり、目標を達成できなかめに、圧下率99％以上の大圧下圧延をECAP（Equal-Channel Angular Press-った。また、構造材に適するAl-Mg合検討した。この方法で、Al-Mg合金でing）法及び繰り返し重ね圧延（ARB：

金に関しては室温圧延で5μmまで微結晶粒径3μｍを達成でき、耐力が1.5

Accumulative Roll-Bonding）法を基礎細化でき、基礎試験と同様、極低温圧倍に増加し、絞り加工性及び耐食性が研究として実施し、以下の結果を得た。

延の効果は認められなかった。したが向上することが確認できた。

①被加工材を液体窒素で冷却した低温って、本方法による結晶粒微細化は困加工では、結晶粒微細化に効果がある難と判断した。

れば、製品板厚は0.8mm程度が要望さ

合金（純アルミニウム、Al-Mn合金、Al-３）異周速圧延れ、その場合の出発板厚は80mm以上

しかしながら、自動車用材を想定すMg-Si合金）と効果のない合金（Al-Mg

異周速圧延は、図−2に示すようにとする必要があるため、量産を前提と合金、Al-Zn-Mg-Cu合金）が存在した。

互いに周速が異なるロールで圧延するするコイルフォームの圧延が不可能と判Mgを多く含む合金では、低温で加工方法で、圧延材は通常の圧延変形に加断し、実用化には難があると判断した。

するとMg原子が拡散しにくいため転えて板厚全体にせん断変形を受ける。

２）溶湯圧延による結晶粒微細化位と固着しにくく、常温付近の温度にその結果、結晶回転が促進され亜粒界なると歪が開放されてしまう。一方、から大角粒界への常温以上の加工ではMg原子の拡散が変化が促進されて容易なため転位と固着して歪蓄積量を微細結晶粒が生成増大させるため、常温で加工したほうする。この方法はが微細な結晶粒になったと考えられた。

冷間加工でも効果②ECAP法は準静水圧下で強制的にせがあるが、温間加ん断歪を導入する方法で、同一断面積工のほうが効果がをもち、ある角度で屈曲した孔に材料大きく、Al-Mg合を通すことで材料にせん断歪を導入す

金で1.5μmの結晶る。この工程を何回も繰り返すことで粒径を達成した。 図−2 異周速圧延の概念図

3

本プロジェクトでは、添加元素を含JRCM NEWS No.190

む第2相粒子を微細・均一に制御するれた温間圧延によって、航空機用に用窒素で冷却された材料の圧延終了後のための手段として溶湯圧延機を導入しいられるAl-Zn-Mg-Cu系合金において材料温度は、圧延後の板厚によって変化た。溶湯圧延法は鋳造時の冷却速度が2〜3μmの結晶粒が得られ、目標の結するがすべての条件で−20℃以下に制

通常の半連続鋳造に比べて大きいた晶粒径を達成できた。また、強度と伸御することが可能であった。

め、上記のことが可能となる。

びのバランスもよく、耐応力腐食割れ

種々の加工により蓄積された高歪感受性は従来材に比べ3〜10倍以上には、急速加熱により高温まで高歪状態向上した。

を保持し、加熱温度で一気に開放する

Mnを添加したAl-2.5%Mg合金溶湯圧延材を冷間圧延し、急速加熱焼鈍することにより、3μｍ以下の結晶粒を有

また、200mm幅の広幅材の試作にと結晶粒が微細化する。コイルフォーする板厚1mm、幅200mmのコイル材

成功し、得られた広幅材を調査するとムでそれを可能にするため誘導加熱式の試作に成功した（写真−1参照）。こランクフォード値（r値）が通常材よの急速加熱装置を開発した。本装置はの合金の耐力は結晶粒径が20μm程度りも大きくなっており、絞り加工性がアンコイラー・加熱部・コイラーで構の同組成材や通常法で製造したAl-優れると考えられた。このことは温間成されており、板厚：0.1〜2mm、板2.5%Mg合金のそれよりも50%以上上圧延中に形成されたBrass方位の集合

幅：200mmの板を最大ライン速度：回り、Al-4.5%Mg合金よりも高い値が組織が発達していたことによると推定30m／min、昇温速度：最大150℃／得られた。また、疲労強度も優れ、成形された。また、耐応力腐食割れ性に優sec、板幅方向の温度分布は（例えば性、抵抗スポット溶接性にも優れていた。

れた理由は、熱的に安定な小角粒界で475℃で）±7℃での加熱が可能である。

３）温間圧延はPFZ（無析出帯）が形成されにくい温間圧延を安定して実施するために圧延前の熱処理条件により析出物粒ことによるものと考えられた。

ロール加熱装置を開発した。この装置

子の分散状態を制御したAl-Zn-Mg合

そこで、ロール加熱可能な圧延機をはワークロールにカートリッジヒータ

金材料に対し、おおむね200〜400℃で用いて、温間圧延によって歪を導入し、を埋め込み、ロールチョックにも同様加工する温間圧延による微細結晶粒発

その後の回復によって微細結晶粒を得のヒータを埋め込んでいる。電熱でロ現の可能性を検討した。本方法においるための検討を行った。Al-4.5%Mg合ール及びチョックを加熱することによては、析出物粒子の分散状態の最適化

金を250℃で温間圧延し、275℃で180って軸方向の温度勾配を極力小さく並びに温度、圧下率、歪速度等温間圧秒熱処理することによって、約1.5μmし、ロールの熱クラウンを抑制してい延条件の最適化により、動的回復の制の微細な結晶粒が得られた。

る。上下のロール及びチョックは個別御を行うことが重要であった。制御さ

写真−1 焼鈍されたAl-Mg-Mn合金コイル

JRCM NEWS No.190

本試作材は、一般的な加工材硬化材に温度制御が可能であり、ロールはであるH34調質の材料と比450℃まで加熱が可能である。

較すると、耐力は同等であ（4）トータルプロセスの開発ったが、伸びが向上した。

本研究開発で得られた成果より、鋳ｒ値は1.2であり、一般材の造−（均質化処理）−圧延−熱処理（焼約0.6よりも大きくなって鈍）までの最適な一貫プロセスを構築いた。成形性は曲げ、張出して、開発目標を達成した。遷移元素

しについては一般材とほぼを含む合金に対しては、溶湯圧延−冷同等であったが、絞り成形間圧延−急速加熱焼鈍が有効であるこ性は若干向上した。とがわかった。温間圧延法は熱的に安（3）結晶粒微細化のための定な小角粒界の形成による微細結晶粒各種加工装置の開発の生成に有効であり、異周速圧延法は液体窒素で冷却されたア大角粒界を有する微細結晶粒の生成にルミニウムを圧延するため有効であることを把握した。の極低温圧延装置を開発した。この圧延機は面長4 今後の方向性

300mmの2段／4段両用圧

溶湯圧延法はわが国においても純ア延機であり、ロール冷却装ルミを主体に実用化されており、また置を備え付けている。液体

電磁誘導加熱による急速加熱も一部実4用化されているため、溶湯圧延−冷間適化、温度制御等解決すべき課題も残当初の目標を達成して終了することが圧延−急速加熱焼鈍の工程による量産っている。しかしながら、本法によりできたが、このことはプロジェクト参加に当たっては、新たに設備導入が必要

自動車ボディパネル等、難加工部品に者のみならず経済産業省製造産業局非であるが、今回開発した合金の需要が対して優れた性能を発揮する板材の製鉄金属課、NEDOをはじめとする関係あれば実現が最も近いと考えられる。

造が可能と思われるため、実用化に有各位のご協力によるところが大きく、改ロールを加熱して行うアルミニウム望なプロセスの一つであると判断される。

めて感謝の意を表させていただきたい。の温間圧延は、世界的にみてもまだ本研究開発以外で検討された例はない。

5 おわりにまた、実用化のためには加工条件の最以上述べたように、本プロジェクトはこの内容はNEDOからJRCMへの委託研究「スーパーメタルの研究開発」の一部を紹介したものである。

異業種交流セミナー「材料と設計シリーズ」

第177・178回西山記念技術講座

構造物の余寿命評価

結晶粒超微細化技術の進歩−寿命の迫る社会インフラ、リスクを減らす劣化予測−（社）
日本鉄鋼協会主催（JRCM他協賛）で、下記のとおり技術講座が開催されます。

（社）
日本鉄鋼協会主催（JRCM他協賛）で、下記のとおりセミナーが開催されます。

日時：平成14年10月18日（金）第177回 東京
10月25日（金）第178回 神戸場所：（東京）
工学院大学 新宿校舎3階0312号室東京都新宿区西新宿1―24―2（TEL 03―3342―1211）（神戸）西山記念会館 5階会議室
兵庫県神戸市中央区脇浜町3―4―16（TEL 078―221―1746）
内容：「結晶粒超微細化鋼の基礎理論」「実用鉄鋼材料における結晶粒超微細化の動向」「凝固過程における初期結晶粒微細化技術」「結晶粒超微細化の次世代型加工熱処理−Ⅰ（相変態を活用して）」「結晶粒超微細化の次世代型加工熱処理−Ⅱ（再結晶を活用して）」「超強加工方法での結晶粒微細化と特性の極限化」「結晶粒超微細化鋼の諸特性と応用」
事前申し込み：不要
参加費：会員5,000円、一般7,000円（講演テキスト代込み）
問い合わせ先：（社）
日本鉄鋼協会 学会・生産技術部門事務局
育成グループ 佐藤
TEL 03―5209―7012 FAX 03―3257―1110
E-mail educact@isij.or.jp

日時：平成14年10月7日（月） 10：00〜18：00
場所：工学院大学 新宿校舎（新宿駅西口より徒歩5分）
東京都新宿区西新宿1―24―2（TEL 03―3342―1211）
内容：「安全工学の立場からの余寿命評価に関する基調講演」「腐食課題と材料の防食技術について」「化学プラントの寿命予測と腐食について」「船舶での寿命予測と腐食・疲労について」「局地統計を活用した構造物の劣化予測技術」「中電浜岡の漏水事故の原因について」「橋梁における腐食・疲労の状況について」「耐候性鋼の腐食のメカニズムと腐食予測」
申込締切日：9月27日（金）
定員：100人
参加費：一般6,000円、学生3,000円（資料代込み）（社）
日本鉄鋼協会 総合企画事務局
問い合わせ先：総務グループ 皆川
TEL 03―5209―7011 FAX 03―3257―1110
E-mail minakawa@isij.or.jp

5JRCM NEWS No.190

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS／第190号

発 行 2002年 8 月 1 日
発行人 小島 彰
発行所 財団法人 金属系材料研究開発センター〒105-0003 東京都港区西新橋一丁目5番11号 第11東洋海事ビル6階

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