析出組織の傾斜化によるアルミニウム合金の水素脆化抑制

• 研究課題/領域番号: 21K14441
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分26050:材料加工および組織制御関連
• 研究機関: 新居浜工業高等専門学校
• 研究代表者: 真中 俊明 新居浜工業高等専門学校, 環境材料工学科, 准教授 (60805068)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: アルミニウム合金 / 表面組織制御 / 水素脆化 / 表面強加工 / 析出組織

研究開始時の研究の概要

本研究の目的は、Al-Zn-Mg系合金に対して、表面層を耐水素脆化特性に優れる粗大・低密度な粒界析出組織を有するナノ結晶粒層、内部は高強度を発現する微細粒内析出物を有する組織へと傾斜的に制御し、従来の強度を犠牲にした水素脆化防止策から脱却した強度と耐水素脆化特性を両立する新しい組織制御法を確立することである。これを達成するために、表面強加工法によるナノ結晶粒層の形成、湿潤大気中での低ひずみ速度引張試験による水素脆化感受性の評価、金属組織と水素挙動解析に基づいた耐水素脆化特性発現機構の解明に取り組む。

研究実績の概要

Al-Zn-Mg系合金は時効硬化により高強度が得られるが、ピーク強度の時効状態では環境から侵入した水素による水素脆化に対する感受性が高いことが問題となっている。工業的には過時効処理を施して、強度を犠牲にして水素脆化を防止しているが、本合金系のもつ高強度という特性を最大限に活かしきれていないのが現状である。水素脆化をもたらす水素は表面からアルミニウム合金中へと侵入していくため、表面に耐水素脆化特性、内部には高強度を示す組織形成が出来れば、強度を犠牲にすることなく水素脆化を防止できるのではないかと考え、表面強加工と時効処理の併用によって、析出組織の制御を試みている。
2022年度は、前年度にセットアップした表面加工装置を用いて、Al-4.5Zn-1.5Mg合金溶体化処理材に対して、加工速度、加工回数および負荷荷重をパラメータとして加工を行い、表面に形成される加工層の形成状況を調査した。その結果として、表面から約90μmの深さまで光学顕微鏡では識別できない微細粒の領域が形成される条件を見出した。その条件で加工した試料に対して、時効処理を施してから、湿潤大気中で低ひずみ速度引張試験を行い、耐水素脆化特性を調査した。表面強加工と時効処理を施した試料は、通常の時効処理を施した試料よりもやや高強度を示し、さらに湿潤環境中での延性低下度合は減少しており、水素脆化が抑制された。表面強加工と時効処理を施した試料では、破面における粒界割れの面積率が減少していた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2022年度は、Al-4.5Zn-1.5Mg合金の表面加工材に対して、人工時効処理を行い、それから低ひずみ速度引張試験により水素脆化感受性を評価した。その結果、表面強加工と時効を施した試料では、通常の時効処理を施した試料よりも若干の高強度でありながら、水素脆化に対する感受性が低減されていることがわかった。当初予定していた計画に沿って、実験を進められているため、おおむね順調に進展しているものと自己評価した。

今後の研究の推進方策

2023年度は表面強加工後に時効した試料の組織を詳細に観察し、力学特性との関係を調査するとともに、これまでに得られた成果を発表していく。