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SiC粒子分散Al鋳造合金複合材料の機械的性質に及ぼす鍛造の影響
Effect of Forging on Mechanical Properties of SiC Particle Dispersed
Aluminum Casting Alloy Composites
山本 匡昭* 上田 泰** 桜井 市蔵***
Masaaki Yamamoto, Yasushi Ueda, Ichizo Sakurai
 SiC粒子分散Al合金複合材料の鍛造実験を行った。供試材は、9.0wt%Si-0.55wt%Mg-Al合金中に20vol%のSiC粒子
を含有させた複合材料鋳物から作製した。この鋳物材料に据込率および据込圧力をかえて鍛造を行った後、溶体化処理
および時効処理(T6,T71)の熱処理を施し材料強度を測定した。その結果、鋳造材に較べT6処理したものは引張強さに、
T71処理したものには伸びに顕著な効果が見られた。特に伸びは大きく改善され、組織観察の結果から初晶Alデンドラ
イトを取り囲む共晶セルが鍛造時の変形によって壊れ、隣り合う初晶デンドライト同士が連結し伸びの向上に寄与した
と推察される。
 A forging test of SiC particle dispersed Al casting alloy composites has been performed.The sample material for the test was
made of 9.0wt%-0.55wt%Mg-Al alloy containing 20 vol% SiC particle. This casting composite was forged with different
upsetting ratios and upsetting pressure and then was solution treated and subsequently aged(T6 or T71),and the material
strength of these samples was measured. As a result, the sample that treated by T6 process showed remarkable enhancement in
the tensile strength and another sample treated by T71 process improved the elongation, both compared to those of the cast.
Especially, the elongation has been improved significantly. It is guessed, from the result of observation of the microstructure,
that the eutectic cell surrounding the primary phase (α) was broken by the deformation during the forging and that theαwhich
were adjacent to one another were connected and the structure thus formed contributes to the improvement of the elongation.
論文・報告
SiC粒子分散Al合金複合材料の機械的性質に及ぼす鍛造の影響

開発室 素形材技術センター
開発室 ABプロジェクト
開発室 素形材技術センター兼ABプロジェクト
*
**
***
24





鍛造前寸法
φ108.4×t70.0
φ125.2×t52.5
φ132.8×t46.7
φ136.5×t44.2
φ140.0×t42.0(非鍛造材)
鍛造後寸法
φ140.0×t42.0
素材№
表1 供試材の寸法
Table 1 Sample size 単位㎜
 鍛造用素材は、9.0wt%Si-0.55wt%Mg-Al合金中に
20vol%SiCを含有したSiC粒子分散アルミニウム合金を
電気抵抗式るつぼ炉で溶解し、下型に金型、上型に砂型
を配した鋳型に鋳造した。鋳造後、表1に示す4種類(A
~D)の寸法に機械加工し鍛造用の供試材とした。供試
材の寸法は、鍛造後寸法(金型寸法)をφ140.0×
t42.0(㎜)一定とし、これを基準として据込率が5、10、
20、40%となる寸法とした。また、比較材として非鍛
造材も作製した。
2.2 鍛造条件および熱処理条件
 鍛造実験には、600t油圧鍛造プレス(KURIMOTO製
HED-600)を使用した。鍛造用素材を電気抵抗式加熱炉
内で773K×0.9ks加熱保持した後、鋳造時の金型冷却
面を下にして鍛造金型に配置し表2に示す条件で鍛造を
行った。据込圧力は、10、20、40MPaの3水準で加圧
保持時間を5s一定とし、据込率(鍛造前素材肉厚に対
1. はじめに
 近年、アルミニウム合金中に硬質のセラミックス粒子
を分散強化した種々のアルミニウム合金複合材料1)~3)が
開発されている。これら複合材料は、従来のアルミニウ
ム合金にくらべ比強度,比剛性が高く、耐摩耗性や高温
特性に優れていることから航空機をはじめ自動車や鉄道
の軽量化部材として注目され、一部適用されている4)、5)。
当社では、鉄道用ブレーキディスクへの応用が図られ実
用化が期待されている。
 複合材料の成形法の中で鋳造法は最も安価で合理的な
方法であるが、セラミックス粒子などを溶湯中に分散さ
せると従来のアルミニウム溶湯に比べ粘性が高くなり鋳
造性を悪化させると同時に鋳造欠陥(ミクロポロシティ)
を助長するため材料強度の低下が予想される。
 そこで本研究は、アルミニウム合金中に20vol%の
SiC粒子を含有した複合材料鋳物を鍛造する6)ことによっ
て組織の緻密化を図り材料の機械的性質をどの程度向上
させることができるか実験すると同時に、熱処理条件を
変えてそれらの効果との関係について検討を行った。
2. 実験方法
2.1 供試材の作製
論文・報告
クリモト技報 No.41 (1999.9)
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40(A)
20(B)
10(C)
 5(D)
 0(E)
据込圧力(MPa)
0
-
E(1~3)
10(L)
AL(1、2、3)1)
BL(1、2、3)
CL(1、2、3)
DL(1、2、3)
-
20(M)
AM(1、2、3)
BM(1、2、3)
CM(1、2、3)
DM(1、2、3)
40(H)
AH(1、2、3)
BH(1、2、3)
CH(1、2、3)
DH(1、2、3)
据込率
(%)
表2 鍛造条件
Table 2 Forging conditions
1)記号説明:
  例)AL(1、2、3)→据込率40%(A)、据込圧力10MPa(L)を3個作製
   (1、2、3)の内1:As forged材、2:溶体化+T71処理材、3:溶体化+T6処理材
表3 引張試験結果
Table 3  Result of tensile test
40(A)
20(B)
10(C)
 5(D)
 0(E)
熱処理

1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
据込圧力(MPa)
0
-
-
-
-
*181.5(1.2)
*240.7(1.0)
*281.3(0.1)
10(L)
*177.3(1.2)
*236.3(1.5)
*305.3(0.3)
*175.3(1.6)
*230.7(1.4)
*331.0(0.4)
*197.3(1.6)
*236.0(0.9)
*308.0(0.3)
*214.3(1.1)
*251.0(1.0)
*294.0(0.2)
-
20(M)
*210.7(2.3)
*239.0(2.1)
*348.7(0.7)
*201.7(2.1)
*240.3(1.9)
*351.0(0.5)
*211.7(1.1)
*236.7(1.5)
*345.7(0.4)
*184.0(1.0)
*229.0(0.8)
*336.0(0.4)
40(H)
*215.7(2.4)
*241.0(2.9)
*342.7(0.7)
*206.0(1.0)
*239.7(1.6)
*350.0(0.4)
*255.0(1.4)
*240.0(1.7)
*347.7(0.3)
*222.7(1.3)
*236.3(0.9)
*347.0(0.4)
据込率
(%)
*表中の数字は、引張強さ(N/㎟)、( )内は伸び(%)を示す。
ロ組織観察は、熱処理を施していない鍛造試料AH1(据
込率40%、据込圧力40MPa)およびDH1(据込率5%、
据込圧力40MPa)と鍛造をしていないE1(非鍛造材)
の3試料について観察を行った。マクロ腐食は、フッ酸
-塩酸-硝酸水溶液(15%HF-45%HCl-15%HNO2-
25%H2O)に約60s浸責後、十分に水洗し観察用の試料
とした。マクロ組織観察後、上記3試料を同図に示す上部、
中心部、下部の位置から試験片を切り出し光学顕微鏡を
用いてミクロ組織観察を行った。
3. 実験結果
3.1 引張試験結果
 引張試験結果を表3および図3~図5に示す。図3~
図5は鍛造後に施した熱処理ごとに分類したもので図3
は非熱処理材、図4はT71処理材、図5はT6処理材を
示す。
3.1.1 引張強さに及ぼす据込率および据込圧力の影響
 引張強さに及ぼす据込率の影響は、非熱処理材(図3)
については一定の傾向を示さないが、T71処理材(図4)
では、据込率に対し引張強さはほぼ一定であった。しかし、
T6処理材(図5)では据込率を40%まで増加させると若
干強度の低下が見られた。据込圧力の影響は、非熱処理
材ではばらつきが多く一定の傾向を示さない。一方、強
度重視のT6処理材は、据込圧力の増加に伴い引張強さ
は大きくなり、圧力が20MPaで最高値に達した。また、
延性重視のT71熱処理材では、引張強さに大きな変化は
見られなかった。
する鍛造後素材肉厚の減少率)を5、10、20、40%の4
水準に変化させた。各条件で3個ずつ鍛造試料を作製し、
1つは鍛造のまま、残り2つについては一方が溶体化処
理後、T71時効処理(以下、T71処理材と略す)を、他方
には溶体化処理後、T6時効処理(以下、T6処理材と
略す)の熱処理を行った。
2.3 引張試験
 引張試験には、油圧サーボ式アムスラー型万能試験機
を用い、鍛造条件および熱処理の条件を変えて作製した
試料から図1に示す部位でJIS4号試験片を3本採取し
引張試験を行った。試験後、3本の平均を引張強さおよ
び伸びの値として評価を行った。
図1 引張試験片採取位置 
Fig.1 Location of tensile test specimen
2.4 マクロおよびミクロ組織観察
 マクロおよびミクロ組織観察位置を図2に示す。マク
図2 マクロおよびミクロ組織観察位置
Fig.2 Observational location of macro and micro structure
論文・報告
SiC粒子分散Al合金複合材料の機械的性質に及ぼす鍛造の影響
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図3 各鍛造条件における引張強さおよび伸びの関係 
Fig.3 Relationship between each forging conditions and tensile
strength, elongation of specimens without heat treatment
図4 各鍛造条件における引張強さおよび伸びの関係(T71処理材) 
Fig.4 Relationship between each forging conditions and
tensile strength, elongation of T71 specimens

図5 各鍛造条件における引張強さおよび伸びの関係(T6処理材)
Fig.5 Relationship between each forging conditions and
tensile strength, elongation of T6 specimens

図6 マクロ組織観察結果
Fig.6 Result of observation of macrostructure

3.1.2 伸びに及ぼす据込率および据込圧力の影響 
 伸びに及ぼす据込率の影響は、As forged材(図3)
では、一定の傾向が見られなかった。一方、T71,T6
処理材(図4、図5)ともに据込率を高くすると伸びは
向上することがわかった。特に延性重視の熱処理を施し
たT71熱処理材でその傾向は著しくなった。据込圧力の
影響は、As forgedでは一定の傾向が見られないが、
T71、T6処理材は共に据込圧力を高くすると伸びが向
上した。したがって、据込率および据込圧力を高くする
と鋳造材に較べ伸びを向上させることができた。
3.2 マクロ組織観察結果
 マクロ組織観察結果を図6(a)~(c)に示す。据込率
40%、据込圧力40MPaのAH1試料は、鍛造特有の鍛流
論文・報告
クリモト技報 No.41 (1999.9)
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図7 ミクロ組織観察結果(No.AH1:据込率40%、据込圧力40MPa) 
Fig.7 Result of observation of microstructure
(No.AH1:Upsetting ratio 40%,Upsetting pressure 40MPa)

図8 ミクロ組織観察結果(No.DH1:据込率5%、据込圧力40MPa)
Fig.8 Result of observation of microstructure
(No.DH1:Upsetting ratio 5%,Upsetting pressure 40MPa)

DH1の試料では、明瞭な鍛流線が確認できなかった。
 また、鍛造をしていない鋳造材のE1を観察すると上
部砂型面の組織が粗く、下部金型面に近づくにつれて組
織が細かくなる傾斜組織になっていた。
線が縞状に観察された。試料断面の上部中心付近には半
円状のデッドゾーンが観察され、その外側を沿うように
鍛流線が観察された。この観察結果から上部は鍛造によ
る塑性流動が無く下部およびサイド部が流動し大きく展
伸されたと思われる。一方、据込率,据込圧力の低い
論文・報告
SiC粒子分散Al合金複合材料の機械的性質に及ぼす鍛造の影響
28
図9 ミクロ組織観察結果(No.E1:非鍛造材) 
Fig.9 Result of observation of microstructure
(No.E1,Specimen without forging)

図10 ミクロ組織模式図
Fig.10 Schematic diagram of microstructure
られた模式図(図8)によって説明する。素材鋳造後の凝
固組織は、デンドライトAおよびBの周囲にSiC粒子と
共晶Siが押しやられるように凝集する。これら隣り合う
デンドライトA,Bは、鍛造による圧力を受け延性のあ
る初晶デンドライトが横方向に展伸されると同時に、そ
の周囲を取り囲むSiC粒子と共晶Siの境界を破り初晶デ
ンドライトA,Bが相互に連結し粗大化する。この結果、
横方向に引張試験を行うと、延性のある連続した初晶デ
ンドライトが破断されずに伸びるため、伸びを増大させ
るが、強度にはあまり寄与しないと考えられる。一方、
強度を重視したT6処理材では、据込率よりも据込圧力
の効果が大きく、据込圧力を上げると引張強さは向上する。
一般的に鋳造組織には初晶デンドライト間の共晶セル内
にミクロポロシティがあり、これが鍛造圧力によって低
減する。引張強さが向上した理由は、ミクロポロシティ
3.3 ミクロ組織観察結果
 ミクロ組織観察結果を図7~図9に示す。据込率,据
込圧力の高いAH1(図7)では、試料中心から下部にかけ
て初晶デンドライトの形態が鍛造によって横楕円状に変
形していた。この変形によって隣り合うデンドライト同
志が連結し、同時にSiC粒子および共晶Siは、それに押
しやられ層状に並んだ様相を呈していた。一方、据込率、
据込圧力の低いDH1(図8)では、断面の上部、中心部お
よび下部にはそれほどの変化は観察されずE1(非鍛造材)
(図9)の素材に近い組織形態をしていた。
4. 考察
 本研究では、SiC粒子分散アルミニウム合金複合材料
に鍛造プロセスおよび熱処理を施すことによって延性重
視の材料には伸びに、強度重視の材料には引張強さに効
果が見られた。
 非熱処理材では、据込圧力,据込率の変化に対して引
張強さや伸びに明確な影響が見られなかった。一方、熱
処理材でははっきりとした傾向が得られた。これは、非
熱処理材が鍛造時に溶体化処理温度に近い温度まで被熱
を受け、その後、常温まで放冷する間に一部時効が進行し、
それらの熱履歴が一定でなかったために材料強度にばら
つきを生じたと思われる。
 熱処理材の内、延性を重視したT71処理材では、引張
強さは鋳造材とほぼ同等であったが、伸びは据込圧力,
据込率を増加させることによって鋳造材に較べ大幅に大
きくなっている。この特性についてミクロ組織観察で得
論文・報告
クリモト技報 No.41 (1999.9)
29
に起因する切り欠き欠陥の減少が主要因と思われる。据
込圧力20MPaと40MPaはほぼ同等の強度まで上昇して
おり、20MPaの最大値351N/㎟は、ミクロポロシティ
による切り欠き欠陥の影響が無くなった時の強度である
と思われる。
 また、据込率が40%になると、引張強さが少し減少し
ているが、この原因と伸びが著しく増加している現象と
は裏腹の関係にあり、上記模式図で説明されているように、
横方向に組織の粗大化を生じた結果であると推察する。
5. まとめ
 本研究において鋳造で得られたSiC粒子分散Al合金複
合材料に鍛造プロセスを実施した結果、以下の事が明ら
かになった。
1)強度重視のT6処理材では、引張強さおよび伸びと
もに向上し、引張強さは据込率20%据込圧力20MPaの時、
最大25%高くなった。伸びは据込率、据込圧力ともに高
くするほど大きくなった。
2)延性重視のT71処理材では、伸びが改善された。据
込圧力より据込率の影響が大きく、据込率40%、据込圧
力40MPaの時、伸びは倍以上となった。しかし、引張
強さへの影響は見られなかった。
3)非熱処理材は引張強さ伸びともにばらつきが大きく
なった。鍛造時の熱履歴のばらつきが原因と思われる。
4)ミクロ組織観察の結果、初晶デンドライトは鍛造時
の変形によって共晶セルを破り、隣り合うデンドライト
同士が連結することで伸びの上昇に寄与したものと推察
される。
謝辞
 本研究に協力いただいた㈱栗本鐵工所 機械事業部 
鍛圧機グループならびに開発室 ABプロジェクトの方々
に深謝する。
参考文献
1)熊井、胡、石倉、肥後、布村:SiC粒子強化鋳造ア
ルミニウム合金複合材料の引張特性に及ぼす凝固組織
の影響、軽金属、Vol.44、No.4(1994)、pp.222-228
2)河部、押田、小林、戸田:溶湯撹拌法によるナノサ
イズSiC粒子のアルミニウム合金への複合化、軽金属、
Vol.49、No.4(1999)、pp.149-154
3)深浦、砂田、横山 塚口:SiC粒子強化Al複合材料
の硬さと摩耗特性、「粉体および粉末冶金」Vol.44、
No.2、pp.198-201
4)菅沼 克昭:コストパフォーマンスに優れた鋳造に
よる金属セラミックスの複合材料、マテリアルインテ
グレーション、Vol.12 、No.1(1999)、pp.23-31
5)大久保、渋江:粒子分散アルミニウム基複合材料の
製造とその利用、住友金属技報、Vol.35、No.3、
No.4(1994)、pp.184-198
6)姚、小林、戸田、堀:鋳造鍛造アルミニウム合金鋳
物の破壊靭性に及ぼすミクロ組織の影響、軽金属、
Vol.47、No.11、pp.613-619
執筆者
山本 匡昭
Masaaki Yamamoto
平成9年入社
新材料の研究・開発に従事
上田 泰
Yasushi Ueda
昭和62年入社
金属材料技術部,鋳物技術部を経て
現在アルミ複合材の生産技術に従事
桜井 市蔵
Ichizo Sakurai
昭和41年入社
鉄管生産技術,新素材研究開発を経て
現在アルミ複合材の研究開発に従事

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