| Project/Area Number |
23K23093
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| Project/Area Number (Other) |
22H01825 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
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| Research Institution | Shimane University (2023-2024)
Tohoku University (2022) |
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Principal Investigator |
千星 聡 島根大学, 学術研究院機能強化推進学系, 教授 (00364026)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 成男 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (40509056)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
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| Keywords | 導電材料 / 加工熱処理 / 析出 / 強度 / 導電性 / 導電材料（Cu, Al合金） / 転位 / 透過型電子顕微鏡 / 組織制御 / アルミニウム合金 / 複相強化 / 熱処理 / 加工プロセス |
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| Outline of Research at the Start |
熱処理による複相化と強加工を組み合わせた加工熱処理による「ファイバー強化型複相線材」の創製技術をアルミニウム（Al）導電性材料へ展開する．申請者らは，共析変態および析出反応による緻密なin-situ複相材を強加工することによりファイバー強化型のAl合金が創製可能であるという着想を検証するために，① 加工性と導電性を備えたAl系In-situ複相材作製のための組織制御法の確立，② 強加工によるファイバー強化の発現機構の解明の学術的要素課題の解決に取組む．これらを包括して，軽量高導電性合金群の創製に資する加工熱プロセスの基盤学理を開拓する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
カーボンニュートラル社会の実現に向けて，自動車などに搭載されるワイヤーハーネス用素材の軽量化が求められている中，CuやAlを基軸にした導電材料では，強度と導電性が高いレベルで両立した材料の出現が切望されている．ここで、ファイバー強化は「複相化」＋「強加工」の２つのプロセスの組合せで発現されるものであり，加工硬化，結晶粒微細化による強化，分散強化，複合強化などの複数の効果を重畳できる．加えて，母相の組成や第二相の体積分率を調整すれば，導電率も広域で制御可能である．このため，高強度-高導電性線材の強化法として極めて有力である．本研究では，これまでに申請者が獲得したファイバー強化型Cu合金線材の開発指針がAl合金系にも展開可能であることを実証・検証することによって，軽量高導電性ファイバー強化型複相材料の創製のための基盤学理を構築することを目的とした．
Al-Zn合金を対象として研究を進めた．Al-Zn合金は偏析反応を示すため，熱処理により緻密なAl/Znのラメラ組織を形成できる．また，合金組成や熱処理条件によって自由度高く組織制御できるため，各組織的因子が試料の加工性，導電性，強度に及ぼす影響を理解しやすい．一年目（2022年度）はAl-Zn二元系合金の組織と加工性，導電性の関連性を解明することに主眼を置いた．具体的には、Al固溶体単相材のZn組成に伴う特性および組織構造への影響，Al-15 at.% Zn合金の時効に伴う特性および組織構造への影響の把握に取り組んだ．二年目（本2023年度）は、Al-15 at.% Zn合金にて、過飽和固溶体単相からAl/Znのラメラ組織が生成する条件を等温相変態図（TTT線図）として整理した．これを元に試料全体がAl/Znラメラ組織で占有された棒状試料を作製し、これを伸線加工に供し線材の試作し、試作材の組織および特性評価まで進めた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022～2023年度の2年間はAl-Zn合金を研究対象とした．Al-Zn合金は偏析反応を示すため，合金組成や熱処理条件によって自由度高く組織制御できる．初年度は（1）Al固溶体単相合金のZn組成に伴う特性および組織構造への影響を把握し，特に、（2）Al-15 at.% Zn合金の時効に伴う組織構造への影響を等温相変態図（TTT線図）として明確化した．本2023年度は
、これまでに得られた知見をもとに試料中のAl/Znラメラ組織の体積分率を0，20，40，100％と意図的に変化させた棒状試料（φ3 mm）を作製した．これを伸線加工に供し線材の試作を進めた所、Al/Znラメラ組織の体積分率が100％をなる棒材は伸線加工途中で破断したが、その他の試料はΦ0.3mmの線状にまで加工することができた。Al/Znラメラ組織の体積分率が高くなるほど伸線加工に伴い顕著な強化がみられた。ただし、目標の強度特性にまで強化するためには、更なる強加工が必要であり、そのためには素材の加工性向上が必要であるという見解も得た。
Al-Zn二元系では加工性が乏しいため、2～4wt.% Cuを添加した合金試料を研究対象にした実験を進めている。Al－Zn合金はCu添加により、Al母相とZn析出物の界面整合性が著しく改善され、加工性が向上することが知られている。現在は、本合金の加工性と熱処理による組織変化の確認を進めている段階である。
以上の研究進捗状況は研究開始当初から想定していた範囲内であり、現状として概ね研究計画通りに進められていると拝察している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により，Al-Zn合金の組成および組織と加工性，強度，導電性の関連性に関する基本的な知見が蓄積できた．また，Al-Zn合金での偏析反応によるAl/Znラメラ組織の形成条件を把握できた．特に、本年度はAl/Znラメラ組織を有するAl-Zn合金の伸線加工にともなう組織の遷移挙動と強度，導電性の変化を評価し，ファイバー強化型線材の試作を試みることができた．強度-導電性のバランスは伸線加工に伴い増加するという予想通りの結果が得られたものの、目標とする強度には到達できなかった。そのため、今後は特に伸線加工に伴う高強度化を目指すための基礎研究を進める。具体的には、Al-Zn合金にCuを添加した3元系試料を研究対象とする。Cu添加によりAl-Zn合金では加工性が改善するとの報告がある。まずは、Cu添加による合金の強度、導電率、第二相生成挙動を確認することが今後の方針となる。その成果を受けて、次に複相化+強加工（伸線加工）による組織および特性制御の可能性を検証していく予定である．
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