高強度アルミニウム合金の改質リサイクルと塑性加工性
名古屋大学大学院工学研究科マテリアル理工学専攻教授 金武 直幸（平成 23 年度一般研究開発助成 AF-2011014）
キーワード：アルミニウム合金，リサイクル，強ひずみ加工法

１．研究の背景と目的するための最適加工条件を解明する．

7000 系の高強度アルミニウム合金は航空宇宙産業で広く

以下では，それらの研究成果をまとめて報告する．

用いられており，その多くが機械加工（切削加工）されている．
その際，素材の 80~90%が切削屑や加工残材として廃棄さ

２．実験方法れリサイクルされている．しかし，そのリサイクル過程では，他2.1 供試材料と圧縮ねじり加工種のアルミニウム合金と共に再溶解されるため Zn など 7000

図１に圧縮ねじり加工法の概略図を示す．被加工材を円系特有の合金元素が悪影響し，高価な原素材とは逆に好ま筒コンテナ内に装入し，上下のダイスによって圧縮負荷とねしくない廉価な廃棄物となっている．一方，低炭素化社会のじり負荷を同時に付与する加工法である．静水圧下で短時要求から車両軽量化の極限が求められる自動車産業では，間に大きなせん断ひずみを導入できるため，金属粉末や金航空機と同程度の高強度アルミニウム合金の利用展開が望属チップの緻密固化に有効である．
供試材には 7050 合金（T7451）切削屑を用いた．エタノー

まれるものの，高い材料コストと塑性加工の難しさから，二輪車の一部を除いて満足できる実用化には至っていない．

ル中で超音波洗浄を行い切削油や付着物を取り除いた後，そこで，7000 系合金の切削屑など廃棄材を，合金組成を40g を油圧プレスでφ40mm (高さ約 12mm) の円柱状に予変えることなく同じ合金として再利用することが望まれる．そ備成形した後圧縮ねじり加工を行った．図２に切削屑，予備の一つの方法として，再溶解しないで強ひずみ加工を用い成形体，成形体の外観写真を示す．圧縮ねじり加工条件はる固相リサイクルプロセスが期待される 1),2)．金属材料に巨大圧縮圧力を 100MPa，回転速度を 5rpm で一定とし，加工温ひずみを付与する強ひずみ加工法は，その組織制御や高度を室温～743K（470℃），回転回数を 10～50 回の範囲で機能化の方法として有力であることが認められている．そして，必要に応じて変化させて固化成形を行った．

金属屑を強ひずみ加工して固相のまま素材に再生するリサ

2.2 固化成形過程および成形体の評価
成形中のトルクと金型（コンテナ）温度を測定した．金型温イクル技術では，同時に組織・材質の改善による機械的特度は試料から約 3 mm 離れた場所で測定している．成形途性や塑性加工性の向上も期待できる．
本研究開発では以下の目的の下，独自に開発した「圧縮中および成形後の円柱試料を縦断面で切断し，光学顕微鏡ねじり加工法」3)により各種実験を実施した．

にて微視組織観察を行った．また，一部の試料について，次

1) 7000 系アルミニウム合金の切削屑を，原材料と同等以上のような熱処理を実施した．475℃で 8 時間保持した後に炉の材質を有する同種合金に再生する固相リサイクル技術

冷する高温焼鈍，475℃で 8 時間保持した後に水冷し，そのを確立する．

後 140℃で 16 時間保持する T6 処理を行った．

2) その後の塑性加工（押出し，鍛造加工など）を可能にす

加工後の試料および熱処理後の試料について，微小引張るため，高延性・高加工性を有するリサイクル素材を作成
Compression
Upper dieTorsion

図２ 試料外観写真 (a)切削屑, (b)予備成形体, (c)成形体
Container

TorsionSpecimen

Lower die

図１ 圧縮ねじり加工装置概略図

図３ 引張試験切り出し位置と形状－ 22 －

試験片を切出して引張試験を行った．図３は引張試験片のた．また，このような回転回数による引張特性の変化は，他切り出し位置とその形状を示す．圧縮ねじり加工後の成形体の加工温度においても同様の傾向であり，いずれの温度でから平行部長さ 10mm，幅 5mm，厚さ 2ｍｍの板状試験片をも 30 回転程度で切削屑の固化が完了するとみられる．
図７に，回転回数 30 回転で加工温度を変えた試料の引張5 本切り出し，室温で引張試験を行った．

試験の結果を示す．試験片切り出し位置はすべて最外周部である．加工温度が低い 473K では，同合金の焼鈍材より高３．実験結果
3.1 切削屑の固化成形過程
図４は加工開始温度が室温および 470℃における，回転い引張強度と 20%以上の大きな伸びを示した．加工温度が回数に対するトルクと金型温度を示す．加工開始温度が室はほぼ半分に低下した．そして，743K では強度が大きく上温の場合（図４上），回転直後にトルクが立ち上がるが，その昇する結果となった．このように加工温度が高いほど強度が後 1300 Nm あたりで一定となり，20 回転程度まで変化がない．

高く伸びが低下する結果になったのは，強ひずみ加工中あ

その後，数回転で 3000 Nm を超えるまでトルクが上昇するが，るいは加工後の時効析出によるためと考えられるが，詳細はその後はなだらかに低下している．金型温度は，加工発熱今後の課題である．また，強ひずみ加工のため加工発熱やによって回転回数の増加とともに高くなっていくが，トルクの金型との摩擦発熱もあり，加工(開始)温度が低いほど加工中変化と対応して，20 回転程度（温度は 140℃付近）で一気にの温度変化の影響が顕著となる．いずれにしても全ての加50℃以上の上昇があり，その後は再びゆるやかな温度変化

工条件において同合金焼鈍材の強度である約 220MPa を上573K，673K と高くなると強度が僅かに上昇する一方，伸びとなっている．加工温度が 470℃の場合（図４下），成形中の回るとともに，10%以上の十分な伸びを示し延性的な破壊挙トルクや金型温度に大きな変化は無く，ほぼ一定であった．

動を示していることが確認された．

以上のトルク変化を基に，各図中に示した i から vi までの各3.4段階で成形途中の試料を取出して微視組織を観察した．

前節までの研究結果より，切削屑は 200℃以上の圧縮ねじ微視組織

り加工によって 10％以上の伸びを有するリサイクル素材に固図５は，図４中に示した各成形段階（i～vi）における試料の化できることが分かった．しかしながら，その後の熱処理実験

微視組織写真を示す．なお，図中に示す円柱試料の観察点

4000にて観察を行っている．室温の場合（図５(a)），トルクが一定の段階 i では，いずれの観察点においても屑界面や，大きな空隙が観察される．トルクが立ち上がる直前の段階 ii では，

iv

3000

Torque , τ / Nm

上部（観察部位 3）で屑間の隙間が無くなるほど密になり，一部変形を受けている屑も観察される．トルク立ち上がり途中の段階 iii では，上部では屑界面が無く，組織が変化した固化が起きており，上部から離れた 8 や 13 の観察位置でも屑が密になっている．その後，ピークトルクの段階 iv からトルク

2000

iii

800

TorqueTemperature
v

600vi

Temperature, T / ℃

3.2

固化成形体の熱処理性

400iii

1000200が下降する段階 v にかけて，固化している部位が上部から試0回転後）では，全体が均一な組織となっている．

010203040Number of Revolution, n(-)

470℃の場合（図５(b)），圧縮のみ（0 回転）の段階 i では，屑界面は観察されるものの，空隙は無く，成形段階が ii から

4000iii になるにつれて，屑界面が無くなり，一部には再結晶後に粒成長していると思われる組織も観察されるようになる．そしTorque , τ/Nmて，30 回転後の段階 iv では，結晶粒径が 30 μm 以下の均一な組織が観察された．このように，加工開始温度によって固化成形過程が異なり，成形温度が低い場合は急激なトルクおよび温度変化が固化成形の引き金となっている．
3.3

固化成形体の引張特性

図６に，加工温度 743K（470℃）で各回転回数加工した試

500800TorqueTemperature

Temperature, T/℃

料高さ中心（観察位置 13）へ広がっていき，最終段階 vi（5030006002000ii

1000iii400iv200i

料の引張応力-ひずみ曲線を示す．引張試験片切り出し位0置は最外周部である．回転回数の増加に伴って引張強度や伸びの向上が顕著に表れ，30 回転以降で大きな変化はなく固化は完了したと考えられる．引張試験片の位置によって特性が多少異なり，回転軸に近い試験片では伸びが数%ほど

図４低くなったが，延性的な破面からも切削屑の固化は確認でき010203040
Number of Revolution, n(-)

0

加工トルクと金型温度（加工開始温度，上：室温，下：470℃）－ 23 －50

Consolidation Stage

(a)

iiiii

ivv

vi

138Observation point

3i200μm

Consolidation Stage

(b)

ii

iii

iv

38138Observation point

3i

13Observation point ofprocessed specimen

200μm
図５

各成形段階における試料内の微視組織写真，(a) 加工開始温度：室温，(b)加工開始温度：470℃の過程において，300℃以下の成形体には後述するように加ねじり成形を行った場合のクロスヘッド変位を示している．こ熱後に多数の大きな空隙が発生し，成形体内部に延性を害

こでは，成形温度に達した段階で加圧圧縮し，所定の圧力しない程度の気体が内包していることが予想された．そこで，になった段階でねじり成形を開始している．図では，ねじり加固化成形過程の切削屑の圧密挙動を，成形中の試験機クロ工前の圧縮成形での変位を灰色棒で，ねじり加工開始後のスヘッドの変位によって測定した．図８は温度の異なる圧縮変位を黒色棒で示している．成形温度が高くなると圧縮の段

20Times

30010Times

200743K-50Times
743K-30Times
743K-20Times

100743K-10Times00
図６40050Times
30Times

Nominal stress , σ/MPa

Nominal stress , σ/MPa

4001020Nominal strain , ε(%)

743K673K

300473K

200473K-30Times
573K-30Times
673K-30Times
743K-30Times

1000300

回転回数と引張特性の関係（加工温度：743K）

図７－ 24 －573K

1020Nominal strain , ε(%)
加工温度と引張特性の関係（30 回転）30

階での変位増分が増え，ねじり成形中の変位増分が減少し察された．試料の外周部（観察点 ii）では，それほど多く観察ている．しかし，いずれの条件でも，最終的には緻密な成形されなかったが，その他の部位では非常に多くの空隙が観体を得ているため，トータルの変位増分はほぼ同じであり，察された．一方，成形温度が 470℃では，大きな空隙は無く，成形温度は初期の圧縮時と，ねじり成形時との変位増分の10μm 以下の細かな空隙が多数観察された．熱間圧縮後に割合を変化させている．

ねじり成形を行い，焼鈍を行った場合（図１０右），通常成形

一方，図９は低温での圧縮ねじり成形の前に，470℃で圧の 100℃や 300℃で観察されたような大きな空隙は観察され縮成形する 2 段階加工を，470℃で直接圧縮ねじり成形するなかった．また，470℃成形の場合と比較しても観察される空場合と比較している．この場合は，熱間圧縮時の変位増分隙のサイズは小さくなり，その数も減少していた．

が主となり，ねじり成形中の変位増分はほとんどなくなる．ま以上のように，熱間圧縮後に圧縮ねじり成形を行うことによた，熱間圧縮後の成形温度が変化しても，その傾向は変化り，熱処理後の空隙を大幅に減少することが可能となった．

しなかった．

この理由として，加工前の予備成形体中の空気の残存が影

図１０に，各成形体に高温焼鈍を行った場合の微視組織響していると考えられる．熱間（470℃）圧縮をせずにねじり成写真を示す．なお，いずれの成形体も焼鈍前の状態では，形を行うと，ねじり加工前のクロスヘッド変位が少ないことから緻密かつ目立った空隙は観察されていない．通常の圧縮ねもわかるように，予備成形体中の空気が十分排除できないまじり成形後に焼鈍を行った場合（図１０左），100℃や 300℃でまねじり加工で緻密化していると考えられ，ねじり加工前に予Displacement increment δ/mm

5After uniaxial compression
After compressive torsion process

43210100℃ - 30rev.

300℃ - 30rev.

After uniaxial compression
After compressive torsion process

543210470℃ - 30rev.

470℃ - 30rev.

470℃HP →R.T. -30rev.

470℃HP →100℃ -30rev.

図９ 熱間圧縮後の成形中の圧縮変位量

図８ 各温度で成形中の圧縮変位量

Revolution axis
Observation point ii

100℃ - 30Rev.

Observation point i

iii

組織観察位置
Observation point ii

470℃HP →100℃ - 30Rev.

470℃HP →R. T. - 30Rev

300℃ - 30Rev.

Observation point i

470℃ - 30Rev.

Displacement increment δ/mm

成形した場合，目視でわかるほどの非常に大きな空隙が観

100μm

100μm

図１０ 加工条件の異なる成形体の高温焼鈍後の微視組織－ 25 －

600

470℃HP→R.T.-30rev.+anneal
470℃HP→100℃-30rev.+anneal
470℃-30rev.+anneal
470℃HP→100℃-30rev.+T6Stress , σ/MPa500400300200
10000510Strain , ε(%)

1520

図１１ 成形体の熱処理後の引張特性
備成形体中の空気を十分に減らすことが重要であると考えられる．7000 系の切削屑は時効処理を受けた合金が多く，圧縮ねじり加工で固化成形する前に十分に緻密化しておく加
図１２ リサイクル材と原素材の押出し加工工条件が必要である．
3.5 熱処理材の引張特性

40た試料に高温焼鈍あるいは T6 処理を行った後の引張の応力-ひずみ線図を示す．470℃で成形した試料は焼鈍後には300MPa 弱の強度を示すが．伸びが 7%前後と低い値となっている．一方，熱間圧縮後に室温または 100℃で成形を行った試料の焼鈍後では 200MPa 以上の強度と 15%前後の伸び荷重, W/ton

図１１は 470℃で成形した試料および熱間圧縮後に成形し3020固相リサイクル材

10原素材を示した．伸びの向上は，微視組織中の空隙の減少によると0考えられる．一方，T6 処理を行った試料は，500MPa を超え01020変位, δ/mmる高い強度を示したが，伸びが数%となった．T6 処理後の伸図１３ 押出し荷重－変位線図

びの低下については，不明な点が多く今後の課題である．
3.6 リサイクル材の押出し加工
リサイクル材の塑性加工性を確認するため，押出し加工を行って切削前の原素材と比較検討した．リサイクル材としては，470℃で熱間圧縮後に 150℃で圧縮ねじり成形した試料を用い，比較材として同合金の切削前の溶製材を用いた．
いずれもφ40mm の円柱試料で，焼鈍目的で 470℃8 時間保持ご炉冷した．押出し条件は，押出温度 400℃，押出比7.1（押出後の直径 15mm），押出速度 0.22mm/s である．

図１２は，両材料の押出し後の外観写真であり，押出し先端から後端まで特に差異は見られず，リサイクル材が原材料

加工温度で緻密で延性を有する素材に固化成形することが可能であるが， 300 ℃以下の成形体では，その後の加熱処理で粗大な空隙の発生がみられた．従って，400℃以上の高温加工か，高温圧縮成形後の低温加工が適正な固相リサイクル条件である．成形体は同系合金の焼鈍材を上回る強度と 10%以上の伸びを有し，その後の熱処理（T6 処理など）でも十分な強度が得られるが，延性が多少低い結果となった．
固相リサイクル材は溶製原材料と同等に押出し加工を行うことができ，二次加工も十分可能であると考えられる．と同等の良好に押出し加工ができている．図１３は，両材料謝の押出し荷重－工程線図である．押出し荷重についても両者に差は見られず，同等の加工性であると言える．押出し温度，押出し比，押出し速度の影響などについてさらに検討す４．研究成果のまとめ
圧縮ねじり加工により 7050 合金切削屑を固相のまま固化成形出来ることを確認し，高強度合金切削屑における固相リ辞

本研究は，公益財団法人天田財団の平成 23 年度一般研究開発助成により行われた．ここに感謝の意を表します．

る必要があるものの，固相リサイクル材は溶製原材料と同等に二次加工が可能であると予想される．

30

参考文献1)

千野靖正，馬渕 守：軽金属，57（2007），250.

2)

高橋 崇・久米裕二・小橋 眞・金武直幸：軽金属, 59-7(2009), 354.

3)

サイクルは十分に可能であることが分かった． 200 ℃以上の－ 26 －

金武直幸：塑性と加工, 50-578 (2009), 192.