Extra Super Duralumin and Zero Fighter -History of Extra Super Duralumin- Part 2
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住友軽金属技報一解… 第54巷第1号一説… (2013) 264-326 超々ジュラルミンと零戦 -超々ジュラルミン開発物語- (その2) * 雄権移 青 田 英 Sumitomo Light Metal Technical Reports， Vol. No. l (20 13)， pp. 264. 326 54 Extra Super Duralumin and Zero Fighter -History of Extra Super Duralumin- Part 2 Hideo Y oshida The history of the development of the Extra 8uper Duralumin is divided in three stages; first pre-history before the invention of the E8D， next， the invention of the E8D and its commerCial production during World War!I， and finally， the development of high strength aluminum alloys after World War 1L The pr・e-history was summarized in a preceding issue. In this issue， the second and third stages are summarized. ln the second stage， aluminum was introduced into Japan in 1886 and 8umitomo began to produce aluminum sheets in 1898. 1n World War 1， 8umitomo received part of the frame of the Zeppelin airship from the Japanese Navy in 1916 and produced Duralumin in 1919. To produce the Duralumin， 8umitomo sent engineers to Dürener Metallwerke after the World War 1 as compensation for the war. Sumitomo also cooperated with Alcoa on manufactur ing equipment and it was possible to produce 8uper Duralumin (8D) ， similar to 248， which was used in the Mitsubishi Navy Type 96 Carrier-Based Fighter. The Japanese Navy demanded a higher strength aluminum alloy than 248. Dr. 19arashi and his cooperators invented Extra Super Duralumin (E8D) with a tensile strength of 60kgfjmm ' within 1936 within a short time of period 1mmediately， this new alloy， E8D， was applied to the main wing of the Zero Fighter， which be came the main fighter for J apan in World War 1L To produce Duralumin， 8D and E8D in large amounts， Sumitomo developed a new continuous casting facility， and b山lt a new pl出1t in Nagoya and then introduced new rolling mills， new extruding presses， etc. E8D was invented by so1ving the problem of season cracking (now called stress corrosion cracking) ， which was prevented by the ad dition of chromium to the AI-Zn-Mg-Cu alloys. However， U8 forces found the secret of E8D by in vestigating a downed Zero Fighter. Based on E8D， Alcoa developed the 7075 alloy in 1943， which is even now a typical aluminum alloy for aircrafts and is available all over the world. After World War II， high strength aluminum alloys were needed for railway cars， motorcycles and automobiles instead of aircraft in Japan. 1n the railway cars， weldable Al-Zn-Mg alloys were noted in Europe and USA， which were already developed as good extruding alloys during the war and known as Honda Duralumin (HD) in Japan. 1n 8umitomo， Dr. Baba found through basic research that zir conium decreases the quench sensitivity compared to chromium in the AI- Zn-Mg alloys and pre vents the weld crack and stress corrosion cracking， and he and his coworker invented a new AI-Zn Mg alloy containing zirconium instead of chromium for the first time in the world. He then invented a new extruding AI-Zn-Mg alloy， 7003， with a good extrudability and medium strength the s田ne as the 6061 alloy by air cooling. These alloys were used for the body structure of railway 阻四回d rims， frames of motorcycles and the bumper reinforcement of automobiles. On the other hand， high strength aluminum alloys for aircrafts were used for the front fork of motorcycles and 264 Vol.54 No.1 超々 ジュラJレミ ンと零戦 …超々 ジュラJレ ミ ン開発物語 (その 2) 265 baseball bats. For airplanes， Dr. Baba and his coworkers invented the 7075 alloy sheet with fine grains for the taper-rolled stringer of the B767. Recently， the 2013 alloy with a good workability was invented in cooperation with Kawasaki Heavy Indus七ries. This alloy sheet is formed in T4 and it is possible to omit the quenching after forming and correction processinιMoreover it is possi ble to extrude hollow section and form integrated structures with this alloy. Therefore， this alloy has contributed to saving processing costs and reduce the weight. Hereafter， we are expected to de velop aluminum alloys av剖lable for the Japanese aircraft industries in cooperation with govern ment and academia， taking over the tradition of ESD. きた。 彼は NPL (National Physical Laboratory) の 3. 超々ジュラルミンの開発 ローゼンハイ ン (W. Rosenhain) に 師事 していて英国 3. 1 アルミヱウムの日本への導入1，2，3) の7;レミニウ ム製造技術を把握していたことによる。 ホ ーノレとエノレーが7;レ ミニウムの霞解精錬法を発明 し 1922年1月から 8 ヶ月間， 住友伸鋼所に嘱託と して採 た1886 年の翌年には， 少量の アノレ ミニウ ムが陸軍砲兵 用され， 鋳造， 圧延， 押出， 抽伸の各部門 と波板と形材 工廠に輪入 され， 貴重品扱いで金庫に保管さ れたよ うで の製造方法について指導 した。 また， 初めて傾斜鋳造法 ある。 その後， 箪需用器物と して使用されたのは 1894 が紹介され， 従来造塊方法である 「平流 し法J あるいは 年か らである。 住友伸銅場は1897 年安治川 に関設され， 「縦流 し法」 が改め られた。 傾斜鋳造法は， ローゼンハ 翌年一 陸軍砲兵工廠から地金を受取 り， アノレミニウムを イン博士の考案によるもの で， Fig. 1に示すよ うに傾斜 圧延 して納入 した。 1913年7月， 住友伸鋼所 (同年 6 させた鋳塊をハ ンドノレ操作で機械的に立てながら鋳込む 月に伸銅場か ら仰鋼所と改称) は農商務省技師で金属製 方式である。 ベーガン氏はハンド ノレ操作の代わ りに鋳型 品の分析 ・ 試験に従事 し ていた杉浦湖三 (しげぞう) 氏 の下の隅をチ ェイ ンブロ ックで吊 り下げ， 鋳裂を傾斜さ を招いて試験係に任 じた。 1916 年には， 杉浦氏 は「自 せ， 格湯を注ぎ込みながら徐々 に鋳型を立ててい くよう 身で研究開発 しなければ， 何時ま でたっても外国の下位 に改良 した。 これによりジュラノレ ミ ン鋳塊は板用が厚さ . に立たねばな らないJ， ， 工場に研究か専隠することによっ 2.25" (57mm)， 捺用が直径 35"(89mm) となった。 焼 て， 官立の試験所では出来ないような工場規撲の研究が 入れにも彼の指導で硝石炉を使用するようになった。 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， この年の 4月中島式ブレゲー型飛行機の機体構造には 海軍艦政本部， 大阪海軍監督官長経由でツェッペリ ンの じめて伸鋼所製ジュラノレミ ンを使った。 「軽銀」 号と命 残骸が住友伸縮所に持ち込まれ， 翌年 この材料の調査を 名された。 ジュラノレミ ン使用 の全金属機が生産されたの 行ったのが研究課の杉浦氏であ った。 その分析結果や英 は1925年のことである。 Fig. 2は東京上野で開催され 罰金属学会誌 JIM (Journal Institute of Metals) 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 L， 1住友軽銀J， .ラルミ ン (ジュラルミ ンとノレピ がふ ら れた) と命名された。 この当時のジュラノレミ ンの 』。百EO制宮古ωzc。ωbwoE苦ω』自主 成分 はCu 4 %， Mg 0.5%， Mn l.0%， Al 残である。 \ 海軍か ら住友伸鋼所にこの調査依頼 した経緯は明らかで ないが， 杉浦は「当時は金属に関する研究機関が少なし 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 年伸鋼所 ‘、、 は初めて ジュ ラノレミ 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 ピッカース社製SS型軟式飛 Shaft for opening mold 行船の 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4，5 )。 当時のジュ ラノレミ 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轄 した技 術者の中で， ベーガン (Pagan) 氏を伸鋼所に推薦 して 本稿はア ルトピア， Vol.42 (201幻， No.12， Vol.43 (初回)， No.1 � 7に掲載したものに加筆して転載したも白 日研究開発センター 顧問， 工学博士 Inclined Casting1) Fig.l 265 266 住友軽金属技報 2013 L， この鋳塊を 1000 トン竪型水圧機で鍛造後， 帯状圧 延しようとする製造法である。 しかし， この計画は工場 移転の議が起こ り， 1928 年の桜島新工場移転まで持ち 越された。 この間， 1926 年住友合資会社よ り分離して 住友伸銅鋼管株式会社が設史され， アノレコア社との提携 が1928 年成立した。 7Jレコアネ土は地金販路拡大のため， 日本の加工会社と の提携を模索 しており， 1925 年株式 Fig.2 Breguet 14も ype aircraft， named "Keigin" 会社住友電線製造所 との提携が成立， この関係か ら{申銅 fabricated by Nakajima Aircraft Indus� 七n e喝ltd 鋼管 もアノレコアと提携し， 溶解炉とアノレミ板専用の圧延 (http : /fw ww.ne.j p/ asahif airpl田 e/ 工場を建設す る こととなった。 なお， アノレコ7は1928 museumjnakaj imajnakaj ima.html) 年5月， カ ナダ法人の アノレミニウム ・リミティッド (ア ノレキ ャン) を設立したため提携先も海外事業を主とする た平和博覧会に展示古れたジュラノレミ ンを使用した 「中 アノレキ ャンに変わ った。 1930 年， アノレキ ャンとの合弁 島式 B-6型 (ブレゲー 14 型) 軽銀号J である6)。 で桜島の板工場 と八尾の箔工場を母体に住友アル ミニウ ム株式会社 〔現， 東洋アルミ ニウム) が設立された。 同年， 第一次世界大戦が終わり， 日本は戦勝国 として 桜島移転に伴い， プロペラ麹素材やク ランクシャフ ト ドイ ツから賠償の lっとして何百台かの飛行機を受け取 などの大型鍛造品， 薄板を板曲げとダイ 拙伸で製造す る ることになっていたが， í飛行機を得るのは全く の一時 プロフィノレ品， また鋳造， 庄延， 押出ならびに抽伸に関 の利得であり， むしろ， その製作技術， 例えば機体の設 する設備の拡充と新技術の採用が行われた。 当時の飛行 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 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 る」 とされ， その結果ジュ ラノレミ ン製造技術習得団が派 加工 したプロ フィノレで， 押出形材の最小肉厚は3mm 遣される ことになったロ 1922年3月， 習得団は， 海軍 が限度であ ったため， 板か らのプロフィノレが用いられた。 造機大佐石川登喜治を団長 とし， 陸海軍それぞれ若干名 プロフィノレは厚さが 0.4-0.6mm 程度， 長さが4- 5m と住友伸鋼所の技術者 4名をもって組織 された。 住友伸 である。 1939 年頃になると押出最小肉厚は 1.2mm とな 鋼所か らは， 工作諜の藤井成美氏， 管棒工場の野本徳次 り， これよ り薄くする場合には圧延と抱伸で仕上げた。 郎氏， 小板工場の柴田吉三郎氏， 鋳造工場の山本正雄氏 (1) 鋳造技術 が参加 した。 1922年4月初 日出発， 7月下旬デュ レン この桜島新工場の鋳造設備は， 可傾炉 4基， t甘禍炉 に到着 し， 9月中旬まで， デュ レ ナ・メタノレヴェノレケ社 48 基であ る。 最初 は80kg 角型鋳塊， 直径 140mm の (Dürener Metallwerke A. G.) でジュラJレミ ン製造技 40kg 鋳塊が傾斜鋳造法で鋳込まれたが， 1931 年には， 術を実習， その後ドイツ， 英国の工場を見学して， 翌年 鍛造素材用 に11- 13" 角型鋳塊 (110- 120kg) が， 管 2月 23日帰国 した。 デュ レ ナ・メタノレヴェノレケ社では 用には直径 150mm の 30kg 鋳塊または直径 9 " の 50kg 「向社の作業員と同様に勤務して習得 した内容を毎週取 鋳塊が造塊され， 逐次大型化に移行した。 溶解炉はアノレ りまとめ， 同社提供の ジュラノレミ ン製造方法習得警 と照 キャンと 協議 した結果9 ト ン反射炉を初めて採用 した。 合検討のよ，疑問点は質問 し て技術の真髄を習得す るよ 反射炉の前には傾斜鋳造機が 4列， 計16基が配霞され， うに努めた」 とのことである。 なお，同社は ウイJレムの 朝8時半か ら鋳込み開始 し午後 3 時半鋳込み終了， 炉内 特許を工業化L， 当時， 英米仏等の諸国に特許を分譲 し 清掃 し， 夜間に 11 トン溶解する一日ー溶解方式であっ ていた関係か ら， 一行の技術習得に関 して住友の名にお た。 鋳型は ブッ クモール ドで， 鋳造方法は反射炉よ り 溶 いて有償契約の締結が要望され， その結果， 陸海軍関係 湯を取鍋に入れ， 60 度傾斜している鋳型に鋳込み始め， 者も形式上は住友派遣員 として実習した。 なお， ジュラ 鋳型を徐々に閉転させ垂直にな っ て鋳込みが終了する。 ノレ ミ ン製造技術習得団と ともに金属機体製造技術管得団 この当 時の板用鋳塊寸法は 4.5" (厚み) 11" 24" (約 x x も渡独している。 ジュラJレミ ンに関しては， 古河電工も 53kg) であった。 1931 年には反射炉を利用 してジュラ 1922 年研究を開始 し 1926 年陸軍か ら試作品の製造を命 ノレ ミ ンの祷解 ・ 鋳造の実験が行われた。 じられた。 1928 年， プロペラ麹素材の鍛造が始ま り， 大型鋳塊 の必要が生 じた。 プロペラ麹鍛造用鋳塊はバケ ツ型で， 3. 2 住友 におけるジュラルミン製造技術の確立 1931 年頃は上部直径 330mm， 下部直径 305mm， 高さ (桜 島新工場建設) 483mm， 110kg で， これが次第に大 きくなっ て， 1942 1，2，3) 1923 年， ベーガンの指導と 「ジュ ラノレミ ン製造技術 年頃には， 上部直径が 600mm， 下部直径が 800mm， 習得回」 によってもたらされた技術を組み合わせること 500kg 鋳塊が用 いられている。 材質は 25S(Al-4.5%Cu によって， 新しい製造設備を起業す る計画が立て られた。 0.8%Si-0.8%Mn) である。 圧風式可傾炉を用い 8 "角型鋳塊を傾斜鋳造機で造塊 1931- 1940 年， 鋳型を木炭で加熱後， 反射炉か ら注 266 Vo1.54 No.l 超々ジュラルミンと零戦ー超々ジュラルミン開発ド物語一(そ白2) 267 /易 L， 空タ ンク内に入れ， 鋳型の下部を周囲か ら放水し ここで特徴的なことは， 鋳塊を その厚吉の2/ 3程度 て冷却 し， 逐次， 放水を鋳裂上部に移して凝固させる方 に圧延 し，面自Ijし庇を除去後再加熱し， 通常の熱悶圧延 式を採用 しており， 水冷鋳型法と称した。 問題は鋳塊の を行う 押え圧延である。 押え圧延の考え方は， 戦後の高 中心に巨大金属関化合物が生じやすいことである。 こ れ 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 を改良す るためにFig.3 に示すよ う な加熱水冷式鋳造 の考え方の原型となる もので， 鋳造組織を鍛錬によ って 法 (SKS- II式， SKS: Sumitomo Kinzoku Shindosho 如何に壊すかというこ とが課題であ る。 当時， 他社では の目的が開発された。 溶湯を入れた鉄製取鍛を木製水槽 熱間鍛造で行われていた。 クラッ ド材については， 鋳塊 の中に徐々に降下させ冷却 させるが， 水槽 に入 るまでを の両面に所定の厚さ に圧延 し た皮材を被捜 し， 鉄のバ ン ガスバーナーと水スプレ で冷却速度を調節す る方式で ドで締め付 けたあと熱悶圧延で圧着 したが， 後に鋳造時 ある。 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 (2)庄延技術 程で熱間庄延された。 な お新設の三段熱隠圧延機は主に 板工場の主要設備は三段熱間圧延機 1基， 大型二段圧 銅及び黄鋼板に用いられたが， プロ フィル用にも用いら 延機 10 基， 小型二段圧延機 12 基， 板引張矯正機 l基， れた。 石炭炉 10 基であ った。 内， 新設 したものは幅 4' 迄圧 冷問圧延では， 大板は 3'X6'， 4'X8'， 5'XlQ'な 延可能 なKrupp 社製三段熱間圧延機， 英国 Robertson らびに 1000 2000mm の4種類， 小板は 400 1200mm， x x 社製小稿用圧延機， 石炭炉は