超々ジュラルミン前史

 C. M. HallとP. L. T. Héroultがアルミニウムの電解精錬法を発明した1886年の翌年には，少量のアルミニウムが陸軍砲兵工廠に輸入され，貴重品扱いで金庫に保管されたようである。その後，軍需用器物として使用されたのは1894年からである。住友伸銅場は1897年安治川に開設され，翌年，陸軍砲兵工廠から地金を受取り，アルミニウムを圧延して納入した。1913年7月，住友伸銅所（同年6月に伸銅場から伸銅所と改称）は農商務省技師で金属製品の分析・試験に従事していた杉浦稠三（しげぞう）氏を招いて試験係に任じた。

1916年には，杉浦氏は「自身で研究開発しなければ,何時までたっても外国の下位に立たねばならない」，「工場に研究が専属することによって，官立の試験所では出来ないような工場規模の研究が行える」と発案し研究課が設けられた。日本で工場に研究課が設置されたのはこれが最初である。1916年末海軍艦政本部，大阪海軍監督官長経由で図１に示すようなZeppelinの骨材が住友伸銅所に持ち込まれ，翌年この材料の調査を行ったのが研究課の杉浦氏であった。その分析結果や英国金属学会誌JIMの文献をもとに，工場における試作研究を開始し，1919年工場試作が完了し，「住友軽銀」（ジュラルミンとルビがふられた）と命名された。この住友軽銀の成分はCu 4%, Mg 0.5%, Mn 1.0%, Al残である。

海軍から住友伸銅所にこの調査依頼した経緯は明らかでないが，杉浦氏は「当時は金属に関する研究機関が少なく，住友伸銅所は一つの独立した金属専門の研究部門を持っていたためではないか」と述べている。1921年伸銅所は初めてジュラルミンの工業生産を行い，横須賀海軍工廠において国産化した英国Vickers社製ＳＳ型軟式飛行船（第三航空船）の吊り船やそのほかの構造材料として板管棒計1トン余りを受注した。

当時のジュラルミン製造技術はきわめて初歩的なものであったため，海軍は飛行艇を建造するため招聘した技術者の中で， T.W. Paganを伸銅所に推薦してきた。彼はNPL （National Physical Laboratory）のRosenhainに師事していて英国のアルミニウム製造技術を把握していたことによる。1922年1月から8ヶ月間，住友伸銅所に嘱託として採用され，鋳造，圧延，押出，抽伸の各部門と波板と形材の製造方法について指導した。また，従来造塊方法である図２に示すような鋳型に鋳込み，湯道は凝固後タガネで落とし，中央部の押し湯を切削して圧延に供する「平流し法」や，鋳型を立てて上から鋳込む「縦流し法」は，傾斜鋳造法に改められた。 傾斜鋳造法は，Rosenhain博士の考案によるもので，図３にNPLの当時の鋳造実験室と傾斜鋳造機を示す。

図４のように鋳型を傾斜させ，溶湯を注ぎ込みながら徐々にハンドル操作で機械的に鋳型を立てていく方式である6)。鋳型には当初aのように湯道をつけたが，切断ロスや切断工数がかかるため，bのように端面を屋根形状にした。Paganはハンドル操作の代わりに鋳型の下の隅にチェインブロックをつけて傾斜させた。これによりジュラルミン鋳塊は板用が厚さ57 mm(2.25 in)，棒用が直径89 mm(3.5 in)となった。焼入れにも彼の指導で硝石炉を使用するようになった。

この年の4月中島式Breguet型飛行機の機体構造にはじめて伸銅所製ジュラルミンが使われ，「軽銀」号と命名された（図5上）。ジュラルミンの本格的採用は1930年以降の全金属製の機体となってからである。九二式重爆撃機（図５下）および九三式重爆撃機，九三式双軽爆撃機は，Junkers社の機体をベースに設計されたためにJunkers式の波板構造の全金属機で，波板外板によって覆われていた。

1922年，第一次世界大戦が終わり，日本は戦勝国としてドイツから賠償の1つとして何百台かの飛行機を受け取ることになっていたが，「飛行機を得るのは全くの一時の利得であり，むしろ，その製作技術，例えば機体の設計とか軽合金の製法を習得する方が国家百年の大計である」とされ，その結果ジュラルミン製造技術習得団が派遣されることになった。1922年3月，習得団は，海軍造機大佐石川登喜治（ときじ）（図６，注）を団長とし，陸海軍それぞれ若干名と住友伸銅所の技術者4名をもって組織された。1922年４月20日出発，7月下旬Dürenに到着し，9月中旬まで， Dürener Metallwerke A.G.でジュラルミン製造技術を実習，その後ドイツ，英国の工場を見学して，翌年2月23日帰国した。Dürener Metallwerke A.G.では「同社の作業員と同様に勤務して習得した内容を毎週取りまとめ，同社提供のジュラルミン製造方法習得書と照合検討の上，疑問点は質問して技術の真髄を習得するように努めた」とのことである。なお,ジュラルミンは同社がWilmの特許を工業化したもので，当時，英米仏等の諸国に特許を分譲していた関係から，一行の技術習得に関して住友の名において有償契約の締結が要望され，その結果，陸海軍関係者も形式上は住友派遣員として実習した。なお，ジュラルミン製造技術習得団とともに金属機体製造技術習得団も渡独している。

 桜島移転に伴い，プロペラ翅素材やクランクシャフトなどの大型鍛造品，薄板を板曲げとダイ抽伸で製造するプロフィル品，また鋳造，圧延，押出ならびに抽伸に関する設備の拡充と新技術の採用が行われた。当時の飛行船などの骨組みに使用されたのはジュラルミン板を曲げ加工しその後ダイス抽伸を数回繰り返して製造するプロフィルである。大量生産になるとロール成形に置き換わった。図7上はジュラルミン・プロフィルの断面形状である。押出形材の最小肉厚は3 mmが限度であったため，板からのプロフィルが用いられた。プロフィルは厚さが0.4～0.6 mm程度，長さが4～5 mである。図7下に示す引抜機には４段のペアに配置されたロールが設置されている。1939年頃になると押出最小肉厚は1.2 mmとなり，これより薄くする場合には圧延と抽伸で仕上げた。

この桜島新工場の鋳造設備は，可傾炉4基，坩堝炉48基である。最初は80 kg角型鋳塊，直径140 mmの40 kg鋳塊が傾斜鋳造法で鋳込まれたが，1931年には，鍛造素材用に280～330 mm(11～13 in)角型鋳塊(110～120 kg)が，管用には直径150 mmの30 kg鋳塊または直径230 mm(9 in)の50 kg鋳塊が造塊され，逐次大型化に移行した。鋳型も図8のように，湯口付き鋳型で湯口から注がれた溶湯は金網を通過して徐々に底部から鋳型内に流入するDüren方式（左）から予め鋳型片面に金網付湯口をつけた方式（右）に改良された。いずれもフィルターとして金網が用いられている。溶解炉はAlcanと協議した結果9トン反射炉を初めて採用した。

 反射炉の前には図9のように傾斜鋳造機が4列，計16基が配置され，朝8時半から鋳込み開始し午後3時半鋳込み終了，炉内清掃し，夜間に11トン溶解する一日一溶解方式であった。鋳型はブックモールドで，鋳造方法は反射炉より溶湯を取鍋に入れ，60度傾斜している鋳型に鋳込み始め，鋳型を徐々に回転させ垂直になって鋳込みが終了する。この当時の板用鋳塊寸法は110x280x610 mm(4.5x11x24 in)（約53 kg）であった。

図10は当時のAlcoaでの圧延用インゴットを製造する様子を示した写真である。

1928年，プロペラ翅素材の鍛造が始まり，大型鋳塊の必要が生じた。プロペラ翅鍛造用鋳塊はバケツ型で，1931年頃は上部直径330 mm，下部直径305 mm，高さ483 mm，110 kgで，これが次第に大きくなって，1942年頃には，上部直径が600 mm，下部直径が800 mm，500 kg鋳塊が用いられている。材質は25S(Al-4.5%Cu-0.8%Si-0.8%Mn)である。

1931~1940年，鋳型を木炭で加熱後，反射炉から注湯し，空タンク内に入れ，鋳型の下部を周囲から放水して冷却し，逐次，放水を鋳型上部に移して凝固させる方式を採用しており，水冷鋳型法と称した。問題は鋳塊の中心に巨大金属間化合物が生じやすいことである。これを改良するために図11に示すような加熱水冷式鋳造法（SKS−Ⅱ式）が開発された。溶湯を入れた鉄製取鍋を木製水槽の中に徐々に降下させ冷却させるが，水槽に入るまでをガスバーナーと水スプレーで冷却速度を調節する方式である。

 板工場の主要設備は三段熱間圧延機1基，大型二段圧延機10基，小型二段圧延機12基，板引張矯正機1基，石炭炉10基であった。内，新設したものは幅1230 mm(4 ft) 迄圧延可能なKrupp社製三段熱間圧延機，英国Robertson社製小幅用圧延機，石炭炉はRockwell社から購入した特許に基づいて製作された炉であった。三段熱間圧延機は現在でも使用している会社もあるが，その外観と圧延方式の模式図を図12に示す。ロール回転を逆回転しなくてもよいので，二段熱間圧延機より効率がよいことが特徴である。鋳塊はすべて傾斜鋳造法によるものであり，1931～32年頃の60 kg鋳塊から80 kgへ，さらに鋳塊端面が丸型の70，90 kg，1939年頃には120 kg鋳塊が使用された。

熱間圧延の工程は，ジュラルミンの場合，500℃，8時間の均質化処理を施したのちに，440℃で鋳塊厚さ120 mmを75 mmまで圧延し，その後面削したのちに再加熱し，同じく440℃で熱間圧延して6.4 mm まで圧延する工程である。この工程を図13に示す。ここで特徴的なことは，鋳塊をまずその厚さの2/3程度までに圧延し,面削で疵を除去後再加熱し，通常の熱間圧延を行う圧延方式である。通常圧延の前の圧延を「押え圧延」と称した。押え圧延の考え方は，戦後の高靭性高強度合金の開発の中で提唱された中間加工熱処理の考え方の原型となるもので，鋳造組織を予備圧延（鍛錬）によって如何に壊すかということが課題である。他社では押え圧延の代わりにプレフォージングと称して熱間鍛造が行われた。

クラッド材については，鋳塊の両面に所定の厚さに圧延した皮材を被覆し，鉄のバンドで締め付けたあと熱間圧延で圧着したが，その後，鋳造時に皮材を溶着させてからは皮付き鋳塊を用いて前述の工程で熱間圧延された。

冷間圧延では，大板は910x1830 mm(3x6 ft)，1220x2440 mm(4x8 ft)，1520x3050 mm(5x10 ft)ならびに1000x2000 mmの4種類，小板は400x1200 mm，500x1200 mmの2種類が標準寸法で，大板の最小板厚は0.5mm，小板は0.3 mmであった。大板の圧延には二段圧延機660x1670 mm(26x66 in)が用いられ，6.4 mm(0.25 in)熱間圧延板を焼鈍後圧延し，中間焼鈍を施してから途中で2枚合わせにし，0.8mmまで圧延した。0.6mm，0.5mm板は3枚重ねの圧延である。焼入れ後は冷間スキンパス上がり（T3）が主で，引張矯正は必要に応じて行った。板厚1.0～1.5 mmのものはすべてロール矯正である。小板圧延には，Schmitz社製2基とFarrel社製1基の小型帯板圧延機を用いた。プロフィル用素板には長さ5000 mmに切断後，引張矯正したがコイルで出荷したものもあった。

 当時（1929年頃）の住友伸銅所のジュラルミンを表1に示す。D2が一般にジュラルミンと称されて，引張強さは410〜440 MPa程度である。この強度レベルを超える合金は合金系に拘らずどれも超ジュラルミンと呼ばれた。

住友伸銅所では日本で初めて工場に研究課を新設した杉浦稠三氏を継いで，ジュラルミンや伸銅などの研究を行ってきたのが，松田孜（つとむ）博士である。さらに松田博士の後を受けて田邊友次郎博士，その後に五十嵐勇博士が登場してくる。

　日本においても，1931，32年頃になると飛行機の性能向上につれて，材料の比強度の向上が要求された。1933年10月の陸軍航空本部技術部（立川）への出張報告（松田，研究報告No.2270，1933.10）や「超Duralumin見本提出ニ至ルマデノ二・三ノ試験」（五十嵐，中田，研究報告No.2363，1933.12）をみると，この当時，二種類の「超」ジュラルミンが記されている。五十嵐博士らの報告書では第一種超ジュラルミンとして，Al-4.2%Cu-0.70%Mg-0.65%Mn-0.65%Si-0.45%Fe合金が，第二種超ジュラルミンとして，Al-6.0%Mg-4.0%Zn-0.45%Mn-0.15%Si-0.36%Fe合金の試験結果が報告されている。前者の第一種超ジュラルミンは含ケイ素超ジュラルミンで，後者の第二種超ジュラルミンはAl-Mg-Zn系合金である。後者の合金は海軍技術研究所の五百旗頭（いおきべ）中佐の指示によるものである（「五百旗頭式超Duralumin製作に関して海軍技術研究所へ出張報告」，五十嵐，研究報告No.2167，1933.8.7）。この五百旗頭中佐の下に，二年後超々ジュラルミンを五十嵐勇博士と一緒に開発することになる北原五郎技手がいた。

 焼入れ焼戻し型の超ジュラルミンSD合金は，その後，24Sに代わることとなった。社内の研究報告書の調査からは，年表にあるように「24S系の工業化の研究に移り，昭和10年（1935年）4月ころ，それに成功した」といえるのかわからなかったが，24S型超ジュラルミンT3はSD，その合わせ板T3CはSDCと称されるようになった。SDCの皮材はSA3（Al-1.5%Mn-0.55%Mg）合金で，Alcoaの24SCより高強度の合わせ板となった。

　押出形材については，住友は1924年頃，Krupp社製1000トン横型水圧押出機を用いて，一辺が50 mm，肉厚3 mm以上のジュラルミンL型形材の製造に成功し，川西機械㈱の水上機のフロートの小骨に使用されたのが実用化の最初と言われている。1928年安治川から桜島に新工場を移転してからも前述の一基のみで需要がなかった。当時は大凡の形状を作り圧延と抽伸で仕上げたようである。1935年，Schloemann社製2000トン横型水圧押出機（複動型）が設置された。このことで住友の超ジュラルミンSD（24S）は，1936年，全金属製低翼単葉機の九六式艦上戦闘機（図14）に採用され，軍用機全盛時代の需要期を迎えることになった。

 ここでは超ジュラルミンの研究に関して，主として住友の五十嵐博士と京都大学の西村教授との研究を紹介する。奇しくも，両氏は同年（1892年）の生まれである。

　五十嵐博士は，1937年，「住友金属工業，研究報告」に「超ジュラルミン“SD”及超ジュラルクラッド“SDC”に就て」を報告している。社内の研究報告書を見ると，研究自体は1935年頃行われている。丁度，住友が超ジュラルミンとして24S に舵を切った頃である。五十嵐博士は99.8%地金を使用し，Mn量は0.6％と固定して，Cu量，2.4～5％，Mg量を0.5～3.8％と変化させ，505～515℃から水焼入れ後7日間時効したときの強度マップを図15に示す。この図から，Cu，4.1～4.7％，Mg，1.2~1.8％で引張強さ50 kg/mm2が得られることがわかる。

京都大学の西村秀雄教授（図16）も，1925年頃，銅マグネシウムを含んだ合金を調べようとして，状態図の研究を始めたが，その頃まだ日本にマグネシウムはできておらず純粋なものが手に入るのが困難な状況で研究は中断したことを述べている。

この当時「ジュラルミンの時効の原因は（NPL のGayler女史らの研究で），Al2CuとMg2Siという化合物の析出に関係したものと考えられていた。硬化の機構はとにかく，この化合物がアルミニウムに固溶していたものが時効によって析出する過程に硬化が生じる，と信じられていた。

しかし，実際Al2Cuのみを含むアルミニウム銅合金も，Mg2Siのみを含むアルミニウム合金も，どれも焼入れして常温では時効をあまりしない。Mg2Siを含む合金などは全く硬化を示さないのである。これが両方の化合物を含んだ時に，どうして常温で硬化が著しいのか不思議でならなかった。アルミニウム，マグネシウム，銅の三元系合金になると，どうしてジュラルミンのように常温時効が進むのか，この疑問に答えるような研究はなかった」ので，1934年頃，状態図の研究を再開した。「その結果Alと平衡すべき三元化合物にSと名称を与え，その固溶度が24Sの時効の原因をなすことを提唱した」と述べている。

西村教授は日本金属学会誌第1巻第1号（1937）に「Alを主成分とせるAl-Cu-Mg-系合金の状態図に就て」，同第2号に「Alを主成分とせるAl-Cu-Mg-系合金の時効硬化に就て」,同第７号に「超ジュラルミンの研究（第１報）」を立て続けに発表している。1941年にはこれらの研究成果も入れて，「アルミニウム及其合金」（図16）を上梓している。この本は，アルミニウムの歴史から製錬，各種アルミニウム合金の状態図と性質，鋳造から加工（表面処理，溶接）まで，基礎からわかりやすく書かれている。これだけ全般にわたり，一人で執筆されていて，アルミニウムに関して幅広い関心があったと推察される。この関心の広さは随筆「軽合金史」にも反映されている。この本では一章を割いて「ジュラルミン及超ジュラルミン」について解説している。図17は西村教授の研究によってできたAl-Cu-Mg系三元状態図である。Cu:Mgの量比を変えた実験を行い，Al固溶体からAl2CuおよびS化合物の析出する区域の合金では常温時効による硬化の割合が大きく，Cu量4%を標準とするとMg量0.5~1.0%を含む合金の常温時効硬化の割合が高く，Mg量が1.5~2.5%程度を含む合金では時効硬化によって硬度が最高値に到達することを明らかにした。

 Siの影響については図18に示す。図18は西村教授の著書に掲載された古河電工の鳥羽安行氏のデータをもとに作成した図で500℃，30分加熱後焼入れし，7日後の引張特性である。Siが多く含まれると常温時効後の引張強さも伸びも低くなる。超ジュラルミンにSiが多く含まれると，Mg2Siを形成するためS化合物を形成するMg量が減少し時効硬化が阻害されてくる。

S化合物は今日ではAl2CuMgと表記されている。S相を見出しAl-Cu-Mg系合金の時効析出現象を解明したことは西村教授の大きな業績であり，日本の金属学のレベルの高さを示したものである。しかしながら残念なことに，西村教授，五十嵐博士，鳥羽氏などの研究はいずれもAlcoaの24Sが発表された後のことである。