アルミニウムおよびアルミニウム合金の熱処理 - 解決策

寧波ハーシンはアルミニウムとアルミニウム熱処理を行う際には、現在直面している問題を認識することが不可欠であり、なぜプロセスの変動や設備の逸脱を厳しく管理することが重要なのかを理解する必要があります。熱処理分野の同業者を支援するため、寧波ハーシンは、最も一般的に遭遇するプロセス問題を要約し、それらを解決するための的を絞った提案を数多く提唱しています。次に、これらのトピックについてさらに詳しく説明する。

熱処理に関する問題

アルミニウムの熱処理に関して、最も報告されている問題は以下の通りである：

1) 部品の間違った配置

不適切な配置 - 固溶体化時の温度が高くなると、製品の剛性が低下し、重力の力で容易に押しつぶされたり変形したりする。正しい配置（図1）をすることで、このような問題を避けることができる。

地図1. 正しい部品配置

2) 加熱／温度上昇が速すぎる-これは熱歪みの原因となるため、防ぐ必要がある。部品を正しく配置することで、均等に加熱することができます。

3) 予想以上の残留応力レベル--熱処理は機械的特性を変化させるだけでなく、残留応力レベルにも直接影響を与える。

原因として考えられるのは、急冷時（凝固後に鋳物を冷却する場合を含む）の表面と内部の冷却速度の差が大きいこと、昇温速度が適切でないこと、中間工程で温度変化が生じていること、などである。

残留応力は、冷却速度の(大きな)違い、部品の断面厚さ、断面寸法の急激な変化、材料の強度などの要因に関係しています。焼入れによって誘発される応力は、鋳造を含む他のプロセスによって誘発される応力よりもはるかに大きいことを忘れてはなりません。

4) 時間／温度／急冷パラメータの変動-部品間やバッチ間の機械的・物理的特性のばらつきにつながる。

原因としては、部品搬送時間が長すぎる、硬化が不適切（遅すぎる）、過熱、加熱不足、析出硬化中の時間-温度パラメータの変化などがある。例えば、時間が長すぎたり温度が高すぎたりすると、より大きな粒子（析出物）が析出する。

5) 過度の加熱--初期融解または共晶融解が起こりやすい場合である。一例として、固溶化熱処理は多くのアルミニウム合金（特に2xxxシリーズは融点より数度低い程度であることが多い）の融点に近い温度で実施される。適切な温度は、固体合金元素の溶解を促進するために必要である。

6) 加熱不足--過飽和が不十分なため、機械的特性が損なわれる。エージング温度が低すぎたり、エージング時間が短すぎたりすると、溶質原子凝集帯（GPゾーン）が形成されにくくなり、エージング後の強度が低くなる。

7) 焼入れ不足による変形--この領域で問題となるのは、特に手動で焼入れを行わなければならない場合の、焼入れ液中への部品の移動である。

部品はクエンチャントにスムーズに入らなければならない。熱処理業者の専門用語では、クエンチャントに対して部品を「パタパタ」させないようにします。部品全体に均一な熱伝達を行うことで、冷却差やひずみ差を防ぐことができます。

水平方向の熱伝達の変化は、通常、垂直方向の変化よりも不利である。急冷剤を適切な温度に保つこと、加温をコントロールすること、均一な流れを確保すること、最適な急冷剤（空気、水、ポリマーなど）を選択することなどが重要である。

例えば、ポリマーの冷却速度は、濃度、温度、攪拌の強さを変えることによって、特定の用途に合わせて調整することができ、核の沸騰段階での熱伝達と急冷速度を均一にすることができる。急冷剤のメンテナンスも重要である。鍛造品、鋳造品、衝撃押出品、薄板部品などの複雑な形状の部品には、変形挙動を改善するために低い焼入れ速度を使用することができます。

8) 表面剥離／高温酸化--この問題については「高温酸化-ケーススタディ」で詳しく述べている。

9) 過剰な処方--機械的特性が損なわれる可能性がある。時効温度が高すぎたり、時効時間が長すぎたりすると、過飽和固溶体中の析出相の臨界核サイズが大きくなり、時効後の強度指数が低下する。

10) 不十分な時効--機械的特性が損なわれる可能性もある。

11) 不適切な自然制限--自然時効期間は、2xxx系で約5日、その他の合金で約30日と幅がある。6xxx系と7xxx系は室温での安定性が低く、機械的性質の変化は何年も続くことがある。

18℃以下での極低温処理後、自然時効が抑制されるか、数日間遅延する合金もある。

成形、矯正、スタンピングは、材料特性が時効によって変化する前に完了するのが一般的である。例えば、極低温処理は、良好なリベット特性を維持するために2014-T4リベットでしばしば取られる措置である。

12) 不適切な人工的制限--人工時効処理（析出熱処理とも呼ばれる）は、より長時 間の低温処理である。温度管理は非常に重要であり、±6˚C (±10˚F)の温度均一性は厳密に保証されなければならない。温度均一性の最適目標は±4˚C（±7˚F）である。

13) 保持時間不足- その結果、望ましい機械的特性が得られない。時間が短すぎると過飽和が不十分になり、長すぎると部品が変形する傾向がある。

14) 温度均一性の悪さ--その結果、機械的特性が達成されなかったり、変 化したりすることさえある。プロセス温度の均一性に対する一般的な要件は、±6˚C（±10˚F）であるが、ほとんどの航空宇宙用途では、±3˚C（±5˚F）が期待されている。

15) 固溶化処理後の不適切な冷間加工--これは通常、処理される合金の反応に対する理解不足が原因である。例えば、2○○系合金を焼き入れ状態で冷間加工すると、その後の析出処理に対する反応の程度が著しく増大する。

(16) 溶体化熱処理品の焼鈍時の冷却速度不足-最大冷却速度は、温度が290˚C（555˚F）に下がるま で、1時間当たり20˚C（40˚F）を維持すること。この温度以下の冷却速度はあまり重要ではありません。

キャスティングに関する問題

ちなみに、工場出荷状態のアルミ地金には、その後の熱処理や機械的特性に影響を及ぼす可能性のある、以下のような多くの欠陥があることを述べておく：

1) 穴/センターの疎らさ-収縮不足、水素偏析、表面酸化（多くの場合、気泡が原因）を引き起こす。

2) 含有物--炭化物、ホウ化物、酸化物などの形の鋳造不純物（粒状精錬剤や気泡によるもの）

3) マクロまたはミクロのバイアス- 溶質成分や高硬度の金属間化合物粒子、第二相粒子が均一に分散されていない。適切な均質化はこの問題を解決するのに役立つ。

4) 変形・収縮-冷却による応力/ひずみの原因

5) 熱裂傷--主に収縮の問題による

6) 圧延（薄板、厚板）または延性（押出材、棒材、板材） より高い機械的特性を得るための問題。しかし、より高い性能が要求される場合は、二次熱処理は避けるべきである。

結語

アルミニウムの熱処理に関連するほとんどの問題の解決策は、次のとおりです：

可能な限りリアルタイムでプロセスを監視し、熱処理炉の操作と時間-温度プロファイルを記録して、意図した操作が実際に行われていることを確認する。

最後に、部品が要件を満たし、実際の使用において信頼できる性能を発揮することを確認するために、適切な試験方法を用いることが重要である。

熱処理業者は以前からこのような要件を認識していましたが、アルミニウムとアルミニウム合金の熱処理では、他の分野よりも重要です。