金属与技术株式会社有效运用在有色金属里均匀分散碳的技术,为实现环保社会献力献策。

添加碳的铝铜合金

1. 添加碳的铝铜合金的研发背景

研发背景

近年来,随着全球变暖等环境变化,节能、降耗、减少CO2排放等社会需求,使得有助于汽车和铁路车辆实现减重的新型构造材料的研发成为当务之急。
长期以来,在铁以外的有色金属中添加碳都极为困难。筑波大学名誉教授大岛建一和我公司企业合作伙伴株式会社白金合作,成功地在"无铅焊料合金""纯铜"中添加碳,提高了机械强度,并已取得专利。
此次,通过发展这项技术,在"铝铜合金"中添加碳素粒子并使其均匀扩散,成功地缩小了铝铜合金的组织。这项成果有助于提高机械强度。
我公司目前正在和株式会社白金共同申请"添加碳的铝铜合金"的相关专利。

我公司代表伊藤和筑波大学大岛名誉教授(我公司董事)于筑波大学
<我公司代表伊藤和筑波大学大岛名誉教授(我公司董事)于筑波大学>

2. 添加碳的铝铜合金的特点和组织结构

添加碳的铝铜合金的特点

有望提高机械强度和延展性
在铝铜合金中添加碳,与在铁中添加碳制成的碳钢一样,机械强度和延展性都得到了改善,并有望提高耐腐蚀性。使用万能材料测试机对拉伸强度进行测试的结果,添加碳合金的拉伸强度是无添加合金的一倍以上,达到了与典型的铝合金杜拉铝A2017(※补充材料)相同的数值。根据以上事实,通过添加碳实现简单的结构,能够大幅度提高强度。添加碳合金的强度提高,是由于组织变小后,施加作用力时,小型化组织能够产生阻力。

添加碳AlCu5%合金的组织结构与强度

通过SEM观察未添加碳的AlCu5%和添加碳的AlCu5%C0.3wt%合金的组织表面,发现我公司研发的铝铜合金因添加了碳,组织变得更小(图1)。
为搞清楚碳对组织变小能产生多大的影响,使用X射线显微分析仪(XMA)拍摄各元素的彩色映射图像,观察AlCu5%C0.3%合金中碳的分布状态。结果发现,碳在整个组织中呈均匀分布状态(图2(C))。据推测,是添加碳影响了合金组织的生长,造成组织变小。

图1:合金组织表面对比

与AlCu5%相比,AlCu5%C0.3wt%合金中,灰色的铝和铜合金部分有所增加,组织变小。

(a) AlCu5%(无碳)
(a) AlCu5%(无碳)
(b)AlCu5% C 0.3wt%
(b)AlCu5% C 0.3wt%

图2:AlCu5%C0.3wt% 的EPMA彩色映射图像

在铝的位相和铝铜合金的位相中,碳都呈均匀分布状态。据推测,碳的添加阻碍了位相的生长,使得铝铜合金组织变小,强度上升。

有望通过简单的结构降低生产成本。
有望通过简单的结构降低生产成本。 以实用材料杜拉铝(A2017)和AC2A为代表的铝合金大多含有铜,此外还含有镁和锰等有色金属,因此结构复杂,生产难度大、成本高。而"添加了碳的铝合金"虽然只含有铝、铜、碳等简单成分,但有望获得与传统产品同等或更高的机械强度。

3. 今后的展望

今后的研究开发

在AC2A等传统铝合金中添加碳
碳添加技术已成功应用于汽车引擎零部件上使用的铝合金AC2A中,通过添加碳,强度得到了提升。目前正在研究开发,使这项技术更加先进,找出在已流通的AC2A中添加碳的量和热处理条件的最佳组合,目标是开发出低成本、可靠性强的高强度铝合金。
这项研究开发已入选经济产业省中小企业厅组织的2015年度战略性基础技术进步支援项目(援助项目),以2年为目标,完成碳添加AC2A的开发和产业化。

预测使用范围

发挥"添加碳的铝铜合金"高强度、高延展性的特点,替代目前的汽车构造材料和引擎零部件上使用的铝合金,推动实现车辆减重。
此外,计划在汽车以外的船舶和铁路车辆等运输设备、铝合金窗框、铝箔等发挥铝合金多种用途的领域,把我公司的"添加碳的铝铜合金"作为提升强度的材料加以应用。

补充材料

A2017
一种具有良好的切削加工性和强度的热处理型铝合金,也叫做杜拉铝。
含有Cu(铜)的铝合金具有强度越高、加工性(塑性加工)越差的特点。
在强度方面,某些环境中可与钢铁材料相媲美,但在熔焊性和耐腐蚀性方面,则稍劣于其它铝合金。常用于飞机和油压零部件等。

A2017(铝)的成分
合金编号 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ga,V,
Ni,B,
Zr等
Ti 其它 Al
单独 合计
A2017 0.20至0.8 0.7以下 3.5至4.5 0.40至1.0 0.40至0.8 0.10以下 0.25以下 - 0.15以下 0.05以下 0.15以下 剩余

AC2A
以铸造性强著称的铝铸件,合金通常由Cu和Si组成。
由于含有铜,与不含铜材料相比耐腐蚀性较差。称为铜硅铝合金,拉伸强度非常好。
是一种常用的材料。多用于歧管、差速器载体、泵身、汽缸盖、阀体、曲轴箱等。

AC2A的成分、元素(铝铸件的材质)
合金编号 Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Ti Pb Sn Cr Al
AC2A 3.0至4.5 4.0至6.0 0.25以下 0.55以下 0.8以下 0.55以下 0.30以下 0.20以下 0.15以下 0.05以下 0.15以下 剩余