れているその後 1921 年に初めて住友伸銅所でジュラルミンの工業生産が行われ 1922 年には中島式ブレゲー型飛行機 B-6 型の構造体に国産ジュラルミンが使用されこの飛行機は軽銀と命名された 1930 年以降の全金属製の機体となってからジュラルミンが本格的採用されたの24Sは焼入れ後

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みりあたけはな
5 years ago
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1 輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦航空機用アルミニウム合金展伸材の歴史株式会社UACJ 技術開発研究所八太秀周吉田英雄この合金は従来の合金よりも強度が高いために１はじめに早速ツェッペリン飛行船の骨組みに採用されそアルミニウム合金の時効硬化現象がウィルム 1 Alfred Wilm によって発見されて以降アルのツェッペリン飛行船は第一次世界大戦ではロンドンなどの空襲等に用いられたミニウム合金の大幅な高強度化が可能となり輸送機器用の構造体としても用いられるようになっ 100 たアルミニウム合金を用いた軽量化によって 90 輸送機器の高速化燃費向上や快適性等の向上が 80 かたさ図られてきた特に航空機用構造体として用いられてきたアルミニウム合金はジュラルミン超 70 ジュラルミン超々ジュラルミンというように 60 まさにアルミニウムの高強度化の歴史でもある 50 ここではこれらの材料開発の歴史を振り返り将来のアルミニウム合金の開発について考えるホール C.M.Hall とエルー P.L.Heroult にかたさ２ジュラルミンの発明時効時間 hr (b) ４日時効後れ3 その後アルミニウムの本格的な工業生産が元素を添加して焼入れを行えば鋼のように硬さが増 0 70 よって1886年にアルミニウムの電解精錬法が発明さ始まった 1903年頃からドイツのウィルムは適当な (a) 焼入直後焼入温度図１銅及びマグネシウムを含むアルミニウム合金の時効硬化 Cu3.5 Mg0.5 Al残 Wilm 1 すのではないかと考え試験を繰り返したものの全く硬くはならなかったところが1906年９月のある一方日本国内では 1916年ロンドン駐在の海土曜日に銅を４マグネシウムを0.5 含むアル軍監督官が墜落したツェッペリン飛行船から骨材ミニウム合金を焼入れして硬さの測定を午後１時まを入手し海軍が住友伸銅所に調査依頼したとこで行いその続きを翌々日の月曜日に行ったところから航空機用アルミニウム合金の開発が始まっろ著しく硬くなっていたこれが時効硬化現象のたこの入手した材料の分析結果や英国金属学会発見である図１に示すような時効硬化が発表され誌の文献をもとに試作研究が行われ 1919年には 1 ているこれをデュレナメタルヴェルゲ社に工場試作が完了したと言われているそのツェッよって Al-4.2 Cu-0.5 Mg-0.6 Mnの組成の合ペリン飛行船の残材の一部は現在も図２に示す金として製品化した合金がジュラルミンであるよう形で株 UACJの技術開発研究所で保管さ 28 J FA 2014 JANUARY No.45

れているその後 1921 年に初めて住友伸銅所でジュラルミンの工業生産が行われ 1922 年には中島式ブレゲー型飛行機 B-6 型の構造体に国産ジュラルミンが使用されこの飛行機は軽銀と命名された 1930 年以降の全金属製の機体となってからジュラルミンが本格的採用されたの24Sは焼入れ後室温時効でジュラルミンを超える強度に達する合金であり人工時効を施さずとも高強度が得られた

5 3% の引張加工をすることで強度も向上するこの合金は17Sに比べて強度が高いためにすぐに17S-T4に替わって航空用材料として採用された現在では一般にこの24Sが超ジュラルミンと呼ばれているそして耐食性の良好な純アルミニウムを皮材としたクラッド材 Alclad24S-T3が開発され図 3に示すDC-3などの胴体用材料として採用された 5)

2 れているその後 1921 年に初めて住友伸銅所でジュラルミンの工業生産が行われ 1922 年には中島式ブレゲー型飛行機 B-6 型の構造体に国産ジュラルミンが使用されこの飛行機は軽銀と命名された 1930 年以降の全金属製の機体となってからジュラルミンが本格的採用されたの24Sは焼入れ後室温時効でジュラルミンを超える強度に達する合金であり人工時効を施さずとも高強度が得られたジュラルミンの17S-T4 は代表値で引張強さ44kg / mm2 耐力 28kg / mm2に対し 24S-T3は引張強さ49kg / mm2 耐力 35kg / mm2であり 17Sに比べ耐力が20% 高い合金であるさらに焼入れ後矯正あるいは残留応力を最小限にするために1.5 3% の引張加工をすることで強度も向上するこの合金は17Sに比べて強度が高いためにすぐに17S-T4に替わって航空用材料として採用された現在では一般にこの24Sが超ジュラルミンと呼ばれているそして耐食性の良好な純アルミニウムを皮材としたクラッド材 Alclad24S-T3が開発され図 3に示すDC-3などの胴体用材料として採用された 5) 現在の航空機にもAlclad24S-T3は使用されている 4) 3. 超ジュラルミンの開発その後さらに高強度が求められジュラルミンの強度を超えるいわゆる超ジュラルミンの開発が進められた 1928 年にケイ素を添加した 14S (Al-4.4%Cu-0.4%Mg-0.9%Si-0.8%Mn) をアルコア社が開発したこの 14S は焼入れした後に人工時効処理 (T6 調質 ) することで耐力 42kg/ mm2が得られ 17S の耐力を上回ったしかし伸びが 13% と低いために板材としてよりも鍛造品として多く用いられるようになった当時はジュラルミンの強度を超える合金はどれも超ジュラルミンと呼ばれ 14S のようにケイ素を多く含有した超ジュラルミンは含ケイ素型超ジュラルミンと言われていた 1931 年にはアルコア社がジュラルミンのマグネシウム量を 1.5% まで増加した 24S (Al-4.5%Cu-1.5%Mg-0.6%Mn) を開発したこ日本国内でも年頃になり飛行機が全金属製の機体になると同じように軽くしかもさらに強度の高い材料が要求された当時の住友で 1935 年には 24S 型超ジュラルミンの SD その合わせ板は SDC と称される材料が開発され SDC の皮材はアルコア社の 24SC よりも高強度の合わせ板となったと言われている 4) 4. 超々ジュラルミンの開発将来戦闘機の性能を飛躍させるには軽くしかももっと強力な引張強さ kg / mm2を有するアルミニウム合金が必要ということで海軍からの要請を当時住友では受けている住友において材料の開発を担当した五十嵐博士は強度と加工 JFA 2014 JANUARY No.45 29

輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦性から予備検討を行ない最終的には表１に示すを同様に添加して 7075合金を完成させ現在でようにサンダーのS合金超ジュラルミンのD合も航空機用材料として用いられている金

D Duralumin Alcoa 24S 超ジュラルミン S Sander合金 W. Sander氏の開発 E Zinc Duralumin W.

25 Crとなったこの合金は1936年６月に鍛錬用強力軽合金として出願され図５に示すように1940年２月に特許になっている7 1936年５６月頃にはベースとなったＥ合金Ｓ合金Ｄ合金の頭文字をとっ

3 輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦性から予備検討を行ない最終的には表１に示すを同様に添加して 7075合金を完成させ現在でようにサンダーのS合金超ジュラルミンのD合も航空機用材料として用いられている金そして英国ローゼンハインのＥ合金をベースに合金成分が検討された最大の懸念事項である応力腐食割れに対して図４に示すような各種試験方法を確立し6 クロムの微量添加が非常に有効であることを明らかとしている表１開発に用いた合金の組成 D Duralumin Alcoa 24S 超ジュラルミン S Sander合金 W. Sander氏の開発 E Zinc Duralumin W. Rosenhain博士の開発図５図４超々ジュラルミンESDの特許7 応力腐食割れの各種試験方法6 その結果新合金のAl-8 Zn-1.5 Mg-2 Cu0.5 Mn-0.25 Crとなったこの合金は1936年６月に鍛錬用強力軽合金として出願され図５に示すように1940年２月に特許になっている7 1936年５６月頃にはベースとなったＥ合金Ｓ合金Ｄ合金の頭文字をとってESD ExtraSuper-Duralumin 超々ジュラルミンと命名された超々ジュラルミンESDの押出形材は図６示す零式艦上戦闘機いわゆる零戦の主翼桁材に適用された零戦は各型合計すると約10400機生産されたその後アルコア社でも超々ジュラルミンにおいて応力腐食割れに効果があるクロム 30 J FA 2014 JANUARY No.45 図６零戦の翼構造と超々ジュラルミンの使用部位

4 8) 5. 戦後の高強度アルニムニウム合金戦後しばらくは日本国内では航空機の研究開発および製造が禁止されたことからアルミニウム産業においても民需転換が進んだしかし1950 年頃には朝鮮戦争と関連して米国極東空軍からの発注で再び24S 75S 等の航空機用高強度合金が生産されるようになった戦後欧米および日本国内ともさらに高強度アルミニウム合金の材料特性の改良が行われた 75Sでは応力腐食割れを防ぐために微量のクロムが添加されているが図 7に示すように焼入れ感受性がクロムより低く応力腐食割れの抑制にも効果的な元素としてジルコニウムの添加が有効であることが明らかとなり 9 10) 鉄道車両などの分野でAl-Zn-Mg 三元合金系にジルコニウムを添加したAA7003が実用化されたまた銅を含むAl-Zn-Mg-Cu 系合金においてもAA7050やAA7150 等のジルコニウムを添加した合金がアメリカで開発され現在の航空機にも多く使用されているさらに応力腐食割れを抑制する熱処理方法として過時効処理が有効なことが見出され適用されてきたが過時効処理ではピーク時効に比較して強度が低くなることから最近ではRRA(Retrogression and Re-Aging) 処理を用いたAA7055-T77511のような材料も実用化されている一方加工熱処理方法の工夫もいくつか行われている例えばボーイングの B767 機体の製造では 7075 のストリンガーの重量を低減するために板材を圧延により長手方向で肉厚を変動させる必要があったしかし弱加工およびその後の熱処理によって結晶粒の粗大化が生じ疲労強度の低下が懸念されたためその対策として図 8 に示すように連続焼鈍炉を用いた急速加熱および急速冷却で結晶粒を 50μm 以下に微細化しその後適正な析出処理による軟化を施すことによって結晶粒の粗大化を抑制するプロセスが見出された 11) このように合金組成のみならず加工方法の検討 11 JFA 2014 JANUARY No.45 31

しかし靭性などの問題から工業的に広く使用されるには至らなかった最近のAl-Li 合金ではリチウム添加量を2% 以下と少なくすることによって多少密度は犠牲になるものの靱性などの材料特性の改善が行われ実用化されているもう一つの傾向は AA2013 合金などのコスト低減材の開発である 2024や2014などの2000

5 も盛んに行われてきた 6. 最近の開発最近の航空機用材料の開発としては Al-Li 合金等の軽量で高剛性の材料さらにAA2013 合金などのコスト低減に寄与できる材料がある Al-Li 合金の開発は最近欧米で復活しつつある図 9にAl-Li 合金の開発の変遷を示す 12) 開発当初はリチウム添加量が比較的多く密度も小さい合金となっていたしかし靭性などの問題から工業的に広く使用されるには至らなかった最近のAl-Li 合金ではリチウム添加量を2% 以下と少なくすることによって多少密度は犠牲になるものの靱性などの材料特性の改善が行われ実用化されているもう一つの傾向は AA2013 合金などのコスト低減材の開発である 2024や2014などの2000 系合金ではポートホール押出が出来ないことならそれぞれの部品形状に押出し機械締結するためコスト高になるしかし表 2に示す合金組成の AA2013 合金はその合金組成が調整され押出性が改善されていることから 2000 系合金でありながらポートホール押出が可能な合金となっているそのため図 10のようにAA2013 合金では組み立てコストが削減できるメリットがある 13 14) さらに今後の材料開発の方向性としては更なる高強度化高靭性化合金の開発である航空機の軽量化による燃費向上や設計の自由度のさらなる向上を図るためには現状のAA7150やAA7055の強度および靱性を超える材料の開発が必要であるこのような新しい材料を創成することでますます輸送機器の性能向上も可能になるであろう JFA 2014 JANUARY No.45

6 < 参考文献 > 1)A.Wilm:Metallurgie 8(1911) ) 吉田英雄 : 住友軽金属技報 53(2012) 60. 3) 大澤正 : よくわかるアルミニウムの基本と仕組み秀和システム (2010) 12. 4) 吉田英雄 : 住友軽金属技報 54(2013) ) 6) 五十嵐勇北原五郎 : 高力 Al 合金の時期割れ其防止に就て日本金属学会誌 3(1939) ) 特許第号鍛錬用強力軽合金五十嵐勇北原五郎昭和 15 年 2 月 28 日. 8) 吉田英雄 : アルトピア 1(2013) 14. 9) 寺井士郎馬場義雄 : 住友軽金属技報 10(1969) ) 馬場義雄 : 金属学会誌 31(1967) ) 住友軽金属技報 : 新製品紹介航空機ストリンガー用微細結晶粒 7075 合金板 23(1982) ) 航空機国際共同開発促進基金解説概要 24-2 航空機用アルミリチウム合金および航空機産業の動向 ) 日本航空宇宙工業会 : 航空機部品素材産業振興に関する調査研究高強度成形 6000 系新合金の研究住友軽金属工業川崎重工業成果報告書 No.806(1994) No.904(1995). 14) 日本航空宇宙工業会 : 航空機部品素材産業振興に関する調査研究新 6000 系合金の航空機用鍛造 / 押出材の開発住友軽金属工業川崎重工業成果報告書 No.1004(1996) No.1102(1997). JFA 2014 JANUARY No.45 33

平成22年度事故情報収集調査結果について（概要速報）

平成22年度事故情報収集調査結果について（概要速報） Product Safety Technology Center 製品事故解析に必要なアルミニウム合金の引張強さとウェブ硬さ及びバーコル硬さとの関係について九州支所製品安全技術課清水寛治説明内容目的アルミニウム合金の概要硬さの測定方法引張強さとビッカース硬さの関係ビッカース硬さとウェブ硬さバーコル硬さの関係引張強さとウェブ硬さバーコル硬さの関係効果と活用事例 2 1. 目的