はじめに
エネルギー転換の時代において、軽量構造は自動車分野、航空分野、輸送分野で中心的な役割を果たしている。エレクトロモビリティに関しては、100kgの軽量化で、乗用車の場合、100kmあたり0.64KW/hまで削減できる[1]。アルミニウム合金は比強度が高いため、構造物の軽量化設計において最も重要な材料群のひとつである。鋼部品をアルミニウム合金で代用することで、最大30％の軽量化が達成できる[2]。
AlMgSi合金は、マグネシウム（0.6～1.2質量％）とケイ素（0.4～1.3質量％）を主合金元素とするアルミニウム材料である[3]。これらは析出硬化合金のグループに属し、例えば成形加工後に特定の熱処理を行うことでさらに強化することができる。関連する熱処理条件の分類は、DIN EN 515 [4]に記載されています。
熱処理中、材料中に微細に分散したケイ化マグネシウムの析出物が形成されます。析出物はアルミニウム母材の結晶格子を歪ませ、転位の移動を妨げる働きをする。しかし、その結果得られる強化効果は、析出物の形態とアルミニウム母材への一体化（コヒーレンス）に大きく依存する。AlMgSi合金の場合、図1に示すような析出順序が温度上昇に伴って存在する[5]。
最初に形成される微細なクラスターとギニエ-プレストンゾーン（GPゾーン1）は、大きな材料強化にはつながらない。その後形成されるコヒーレントな針状β "相により、合金系は最大強度に達する。その後、棒状のセミコヒーレントβ'相が形成される。これはその後平衡β相（Mg2Si）に相転移し、その大きさ（100nm以上）と非干渉性により合金の脆化につながる。[5]
1ギニエ-プレストンゾーンは、特定の温度を超えると合金元素の原子が集合して原子レベルの凝集体を形成し、微細な析出物を形成する偏析プロセスによって金属合金中に形成される。
Differental Scanning Calorimetryによる析出物の形態分析
析出物の形成と溶解は、吸熱（吸熱性）または吸熱（吸熱性）プロセスであり、熱の吸収または放出につながる。示差走査熱量測定（DSC）を用いると、これらの反応熱を温度の関数として記録することができる。DSC測定では、試料を入れたるつぼと、通常は空の参照用るつぼを、対称に設計された温度チェンバー内で、決められた時間-温度プログラムにかける。るつぼは、分析される材料による測定セルの汚染を避ける役割を果たします。実験中、試料とリファレンスの温度は熱電対によって測定されます。試料側と参照側が対称に配置され、その間に熱橋が定義されているため、熱流または反応エンタルピーを決定することができます。このように、DSCは、析出相の形成に必要な温度を決定することができる一方で、測定された変態エンタルピーに基づいて既存の微細構造状態に関する結論を導き出すことができます。
金属材料は通常、高温示差走査熱量計（750℃以上）を用いて、その融解温度を検出する。しかし、材料や分析する効果によっては、低温装置も適しています。
熱電対（通常はタイプEを使用）により、低温装置は、例えばタイプS熱電対を使用した高温装置よりも、それぞれの測定範囲における熱流感度が著しく高いという特徴がある。DIN EN 60584-1 [7]によると、タイプEは300℃の温度でタイプSの約8倍の熱差電圧を示します。このため、低温デバイスは特にsmall の熱影響の解析に適している。
図2は、成形加工で使用されるT4状態2に類似した、不完全硬化AlMgSi試料の30℃から450℃までの温度-ヒートフロー図である。測定は、N2雰囲気下、加熱速度10 K/minで、Concavus® アルミニウムるつぼを使用して実施した。調査温度範囲は30℃～560℃であり、容器だけでなく試料にも不動態化層があるため、両者の間で反応は起こらないと仮定できる。空の容器が基準として選択された。厚さ1.0 mmの半仕上げシートをベースに、切断とその後の研磨工程を経て、試料を円筒形ディスクに調製した。予想される数J/gの比較的small 変態エンタルピーに基づき、比較的large 25mg±0.5mgの初期重量が選択された。統計的安全性のため、測定はすべて3回行った。
2T4状態：DIN EN 515 [3]に準拠した溶体化処理、急冷、自然時効。
不動態化層
不動態化とは、ある種の金属の表面に一種の「保護膜」を形成することである。腐食に対抗し、腐食の引き金となる同じ元素によって形成される。不動態化層は密度が高く、気孔率が低いことが望ましい。同時に、高い相溶性を得るためには、層は非常に薄く、金属表面上に均質に分布していなければなりません。
NETZSCH 低温変調型DSCは、高精度の測定センサー（インジウムのエンタルピー精度は1%未満）を搭載し、使用する冷却システムによっては750℃（モデルによる）、200～500K/min（モジュールによる）の加熱・冷却速度での測定が可能です。さらに、ガス密閉式の測定セルを装備しており、フーリエ変換赤外分光計（FT-IR）や質量分析計（MS）への接続や、定義された雰囲気の設定が可能です。
約150℃から240℃までの最初の吸熱（吸熱性）効果では、small 、微細構造中に存在し核として働くクラスターやGPゾーンが溶解する（図2）。さらに、より大きな析出物が成長し続ける。臨界核生成サイズ以上では、発熱（発熱性）反応が約240℃から340℃まで起こる。これは、コヒーレントβ'相とセミコヒーレントβ "相の形成に起因する。熱量信号の直接的な区別は、測定に基づいてはできない。Fangら[8]とGaberら[6]は、MgとSiの比に依存する2つの析出ピークの重なりを記録しており、これも熱量効果の分離を妨げている。今回調査した合金の正確な組成は不明であるため、これ以上の結論は出せない。約410℃から、インコヒーレントなβ相が形成される。この直後（約500℃から）、これらの析出物は再び溶解し、これが最後の吸熱（吸熱性）効果を説明する。
図3は、180℃および220℃での30分前の熱処理の影響を初期状態と比較して示したものである。この熱処理は、DSCで実現された。図は、その後の560℃までの加熱を示している。180℃で30分間の熱処理は、約220℃の吸熱（吸熱性）ピークを減少させる傾向がある。初期状態と比較して、平均エンタルピーは1.98±0.19J/gから1.77±0.09J/gに減少する（図4 a）。さらに、約270℃におけるβ'相とβ "相の発熱（発熱性）析出のピーク面積も-5.88±0.26J/gから-5.07±0.34J/gへとわずかに減少している（図4 b）。β'相またはβ "相の生成に伴う未臨界クラスターおよびGPゾーンの溶解という両方の反応が、180℃での直前の熱処理中にわずかながら起こったと考えられる。
同じ保持時間で温度を220℃に上げると、効果は拡大する。図4a)と4b)に示すように、吸熱（吸熱性）溶解ピークと発熱（発熱性）析出物形成の両方が著しく減少し、それぞれ0.84±0.09 J/gと-1.26±0.22 J/gの値になる。結論として、large β'またはβ "相の割合がすでに微細構造中に存在している。残存する析出ポテンシャルが材料の強度向上にどの程度寄与するか、あるいは温度プログラムをどの程度最適化できるかは、引張試験などの機械的試験も用いて決定すべきである。重要な点は、いずれの温度処理においても、β相の成長（約410℃における発熱（吸熱性）効果）およびその後の析出物の吸熱（吸熱性）溶解の反応エンタルピーは、実質的に変化しないことである（図3参照）。
概要
AlMgSi合金は、温度誘起析出物形成によって強化できるアルミニウム材料である。微細に分散したマグネシウムシリサイド析出物の形成と溶解は、それによって1桁J/gの範囲の発熱（吸熱）効果を構成する。低温示差熱量計は通常、ポリマーのような低融点物質の分析に使用され、特に高い熱流感度を特徴とする。低温DSCの助けを借りて、これらの影響を正確に定量化することができます。比較測定に基づいて、形成温度とその結果生じる形態に関する結論を導き出すことができる。発生メカニズムの基礎的な分析とともに、一軸引張試験などの他の試験方法と組み合わせて、エネルギー的にも強度的にも最適化された熱処理レイアウトを設計することができます。