| 研究課題/領域番号 |
15K18237
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| 研究機関 | 芝浦工業大学 |
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研究代表者 |
芹澤 愛 芝浦工業大学, 工学部, 助教 (90509374)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 構造・機能材料 / 組織制御 |
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| 研究実績の概要 |
近年、環境問題対策の観点から、輸送機器等の車体重量の低減を目的として、軽量かつ比強度の高いアルミニウム合金の利用拡大に対する社会的かつ経済的な需要が極めて高い。本研究では、容易に作製可能な水蒸気を用いることで、アルミニウム合金に期待される高強度・高耐食化が同時に実現する技術開発ならびにそのメカニズムの解明を行う。具体的には、アルミニウム合金中のナノクラスタ・析出物形成を原子レベルで制御して高強度化を図るとともに、アルミニウム合金そのものの耐食性を改善させ、その上でそのアルミニウム合金に耐食性皮膜を形成させることでさらなる高耐食性を付与する。水蒸気を用いた新たな時効析出制御技術に加え、水蒸気プロセスを用いた耐食性皮膜形成技術を両軸に、トレードオフの関係にあるこれらの特性の向上を1プロセスで両立させることで高付加価値型軽量材料の創製を目指す。
平成28年度は、水蒸気プロセスによってアルミニウム合金母材ならびに表面に生じる現象の理解に取り組んだ。具体的には、H27年度に見出した強度・耐食性が同時に向上する各プロセス条件において、母材のミクロ組織変化ならびに表面に形成する耐食性皮膜の解析を行った。母材は、水蒸気の熱によって母材の内部エネルギーが増加し、時効析出現象が誘起されることを明らかにした。すなわち、本研究で当初から予測していた水蒸気時効による析出が生じ、通常の時効と同様の時効硬化が発現することを確認した。一方、水蒸気プロセスにより表面に形成する耐食性皮膜の結晶学的な解析により、皮膜はAlOOHとLDH（Layard Double Hydroxide；層状複水酸化物）の複合皮膜であることを明らかにした。さらに、AlOOHとLDHの体積率比、AlOOHの結晶系、LDHに含まれる元素種は、合金組成およびプロセス条件によって変化することを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
H28年度は、水蒸気プロセスによりアルミニウム合金母材中に形成されるナノクラスタあるいは析出物の形成挙動の解明、ならびにそれらと合金の強度の関係、水蒸気プロセスによりアルミニウム合金表面に形成される耐食性皮膜の形成挙動の解明、ならびに耐食性皮膜と耐食性の関係を検討した。
ナノクラスタあるいは析出物の形成挙動は、3次元アトムプローブ法（3DAPT）により調べた。水蒸気プロセスを施すことで、通常の時効処理と同じ析出物が形成していることを明らかにした。すなわち、水蒸気の熱によって母材の内部エネルギーが増加し、時効析出現象が誘起されることを明らかにした。析出により強度が変化することに着目し、微小硬さ試験により強度変化を調べた。その結果、析出により強度が向上することを示すことができた。一方、形成した皮膜特性評価には、SEM、XRD、FT-IRにより行った。水蒸気プロセスにより表面に形成する耐食性皮膜のXRDを用いた結晶学的な解析により、皮膜はAlOOHとLDH（Layard Double Hydroxide；層状複水酸化物）の複合皮膜であることを明らかにした。Al-Zn-Mg合金ではMg-Al LDHが形成され、FT-IRからLDHの層間アニオン種は主に炭酸イオンであることを明らかにした。
今回用いたプロセス条件の範囲では、合金系によって20℃程度異なるが、おおよそ160℃～180℃の温度で水蒸気プロセスを行うと、強度・耐食性ともに最適であることを確認した。当初計画した研究項目を全て明らかにできたとともに、当初見出していなかった水蒸気プロセス条件による耐食性皮膜の形態変化を見出したことで、析出物の形成、すなわち母材のミクロ組織が耐食性皮膜の形態に影響を及ぼす可能性を見出した。
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| 今後の研究の推進方策 |
最終年度であるH29年度は、水蒸気プロセスで形成させたナノクラスタあるいは析出物が合金強化および耐食性向上に果たす役割について、強度、耐食性の両面から統合的に解明する。ナノクラスタあるいは析出物の形成が、合金強度のみならず、合金自体の耐食性を向上させることが可能か、さらにはそのメカニズムの解明に関する研究を推進する。具体的には、析出と複合皮膜形成の関係を溶質原子（合金添加元素の原子）の分散や拡散・移動の観点から検討するとともに、さらには、複合皮膜と耐食性の関係を明らかにする計画である。強度については、マイクロビッカース硬さ試験により評価を行う。耐食性については、分極測定、塩水浸漬試験を用いた電気化学的測定により多角的に評価する。
水蒸気プロセスによって形成させたナノクラスタによる、強度増加量ならびに耐食性の変化を定量的に評価することで、高強度化・高耐食性化の同時付与が実現する水蒸気プロセス条件の最適化を図る。本技術の実現により、軽量材料として大きな優位性を持つアルミニウム合金を環境負荷の低い技術で製造できることから、省資源・省エネルギー化に大きく貢献し得る。したがって、本技術が高付加価値軽量金属材料の発信に繋がるような高いレベルでのプロセスの確立を、本研究最終到達地点として設定する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度、他科研費との合算使用により物品等を購入する計画があるため。
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| 次年度使用額の使用計画 |
他科研費との合算使用により物品等を購入する計画である。
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