アルミニウム1090：組成、特性、硬さ区分ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
1090アルミニウムは、1xxx系鍛造アルミ合金に属し、商業的に純度の高い素材で、アルミニウムの含有量が質量比で99.90%となっています。1xxx系は合金元素の添加が非常に少なく、電気的・熱的特性や耐食性を維持するために微量元素のみを厳密な不純物限度内に抑えています。
1090の主要な合金元素は実質的に不純物であり、シリコン、鉄、銅、マンガン、マグネシウム、亜鉛、クロム、チタンは微量しか含まれておらず、それらが機械的特性にわずかに影響します。1090の強度は熱処理によるものではなく、非熱処理合金であるためほぼ完全に加工硬化（ひずみ加工）によって得られます。冷間圧延と制御された焼なましが主な特性制御手段です。
1090の主な特徴は、高い電気・熱伝導率、多くの大気および軽度腐食環境下での優れた耐食性、ならびに焼なまし状態での優れた成形性です。溶接性も一般的な融接および抵抗溶接に対して非常に良好であり、合金系に比べて機械的強度は低いものの、純度および伝導性が求められる板材や箔材用途には十分な強度を有しています。
1090が指定される代表的な業界としては、電力伝送用のバスバーやバスダクト、化学処理装置、反射面や照明、箔およびコンデンサ材料、建築用・装飾用パネルなどがあります。設計者が最大の伝導率、きれいな表面仕上げ、高い成形性を優先し構造強度の低さを許容する場合に、エンジニアは1090を選択します。
調質の種類
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い (30–45%) | 優秀 | 優秀 | 最大の延性を得るための完全焼なまし状態 |
| H12 | 低〜中 | 中程度 (15–30%) | 非常に良い | 非常に良い | 軽度の加工硬化による、中程度の調質で成形部品向け |
| H14 | 中程度 | 中〜低 (8–20%) | 良好 | 非常に良い | 剛性を必要とする板材に一般的なハーフハード調質 |
| H16 | 中〜高 | 低い (5–12%) | 普通 | 非常に良い | より高い強度とバネ性を得るための強い加工硬化 |
| H18 | 高い | 低い (2–8%) | 限定的 | 非常に良い | 全硬調質で成形性が重要でない用途向け |
| H24 | 中程度 | 中程度 (10–25%) | 良好 | 非常に良い | 加工硬化に部分焼なましを加え、延性と強度のバランスをとる |
調質は1090の性能に直接的かつ予測可能な影響を与えます。繊維状析出強化ではなく冷間加工により特性が得られるためです。OからH18に移行することで降伏強さや引張強さは上昇しますが、その代わりに伸びや成形性が低下します。したがって、バネの戻り、成形の複雑さ、最終強度の目標とのバランスを考慮して選択されます。
この合金は固溶化処理・時効処理に反応しないため、調質選択は冷間加工の度合いや中間焼なましの有無に注目されます。設計者は複雑な曲げや深絞りに対しては適切なH調質やOの焼なまし状態を指定して成形と最終形状を制御します。
化学成分
| 元素 | 質量％の範囲 | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.10 (一般的値) | 延性と伝導率維持のためにシリコンは低く抑える |
| Fe | ≤ 0.40 (一般的値) | 鉄は主な不純物。強度はわずかに向上させるが伝導率と延性は低下 |
| Mn | ≤ 0.05 | 二次相の形成抑制のため極めて低濃度 |
| Mg | ≤ 0.03 | 不要な強化や伝導率低下を防ぐため最小限に抑制 |
| Cu | ≤ 0.05 | 耐食性と伝導率維持のために銅は最小限 |
| Zn | ≤ 0.03 | 金属間化合物および応力腐食傾向抑制のため制限 |
| Cr | ≤ 0.05 | 一部の加工で晶粒構造制御のため微量添加されることがある |
| Ti | ≤ 0.03 | 鋳造や押出時の晶粒細化に少量使用されることがある |
| その他 (各) | ≤ 0.05; 合計で他元素は≤ 0.15 | 商業的純度分類を維持するために微量不純物は管理されている |
1090の化学的特徴は合金元素を微量に抑え、金属がほぼ純アルミニウムのように振る舞うことです。微量の鉄とシリコンが最も影響し、鉄は強度をわずかに高める金属間化合物を形成しますが、延性や伝導率が低下する原因にもなります。シリコンは含まれると鋳造性や凝固挙動に影響します。微量元素の管理は電気および熱の輸送特性を保持しつつ、機械的インテグリティを確保するために重要です。
機械的性質
引張荷重下で1090は、完全焼なまし状態で降伏強さおよび引張強さが比較的低く、高い総伸びを示し、深絞りや成形加工が可能です。材料が冷間加工されてH系調質になると、引張強さと降伏強さは大幅に向上しますが、延性および伸びは低下し、バネ戻りが増加して曲げ性が低下します。
硬さは冷間加工度合いと連動し、焼なまし1090は純アルミニウムに典型的な低硬さを示しますが、H18や類似の調質では耐摩耗性や剛性が求められる用途に適したかなり高い硬さを示します。疲労強度は控えめで、表面仕上げや調質に大きく影響されます。研磨された高伝導性部材は、粗い加工面のものよりも良好な性能を示しますが、構造用疲労部品に使われる合金系アルミニウムには及びません。
板厚は機械的応答に影響を与えます。数µmから数百µmの極薄箔は冷間圧延と製造の影響で見かけ上の強度が高くなる一方、厚板は明確に冷間加工されていない限り、かさ密な焼なまし特性に近くなります。成形に伴う表面欠陥や残留応力は引張および疲労性能に強く影響します。
| 特性 | O／焼なまし | 代表的調質（例：H14／H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約60–110 MPa（典型値） | 約100–160 MPa（加工硬化度に依存） | 板厚や冷間加工度合いにより変動 |
| 降伏強さ | 約20–60 MPa | 約70–130 MPa | H調質で大幅に上昇 |
| 伸び | 約30–45% | 約2–20% | Oで高く、加工硬化で減少 |
| 硬さ | 約20–35 HV | 約30–60 HV | 冷間加工度により硬さ上昇 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.71 g/cm³ | アルミニウムの典型値。重量や剛性計算に利用 |
| 融点 | 約660 °C（融点） | 純アルミの融点。合金微量元素は凝固挙動をわずかに変える |
| 熱伝導率 | 約220–235 W/m·K | 非常に高く、商業用アルミ合金中でも優れた値 |
| 電気伝導率 | 約55–65% IACS | 高伝導率によりバスバーや導体に適する |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K（900 J/kg·K） | 熱設計に有用な熱容量 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 µm/m·K | 室温でのアルミニウムの典型的な線膨張係数 |
1090の物理特性は、放熱や電気伝導を主目的とする設計に適しています。規格で許容された微量不純物により熱・電気伝導率はわずかに抑えられますが、多くの熱管理用途において純アルミニウムと同等に振る舞います。
比重の低さと良好な熱特性の組み合わせにより、軽量熱設計における比熱伝導率および比剛性が優れます。設計時には、異種材料の接合や温度変化に伴う厳密な寸法管理が必要な場合にアルミニウムの比較的高い熱膨張を考慮すべきです。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材 | 0.2–6.0 mm | 冷間加工に敏感で、圧延厚みが強度に影響 | O, H14, H16 | 被覆材、リフレクター、装飾仕上げに広く使用 |
| プレート | 6.0 mm以上 | 一般的に焼鈍または軽度の冷間加工で供給 | O, H12 | 伝導性や耐食性が求められる厚板に使用 |
| 押出形材 | 数メートルまでの形状断面 | 低合金成分に制限され、押出時に加工硬化 | O, H12 | 単純断面に多く用いられ、熱処理による結晶粒制御が可能 |
| チューブ | 溶接・無縫管で各種直径 | 成形と溶接により機械的性質が影響を受ける | O, H14 | 軽量フレーム、コンデンサ、HVAC部品向けの配管 |
| 棒材／丸棒 | 直径2–50 mm | 冷間引抜で高強度化 | O, H14, H18 | 導電リード、ファスナー、機械加工部品に使用 |
製品形状による加工特性の違いは、合金の冷間加工や焼鈍への反応に起因します。板材・箔の圧延は焼鈍状態で高い延性を実現し、制御された冷間圧延により強度を高めます。一方で押出形材は結晶粒成長と表面品質の制御に特別な熱処理サイクルを要する場合があります。
各製品形状の用途は製造コストや機械的要求に応じて変わります。薄板・箔は高い伝導性と成形性を活かし、厚板や押出形材は中程度の構造荷重での耐食性を活用します。溶接、ろう付け、成形の手法は、ひび割れ防止や性能低下回避のために形状や硬さ状態により異なります。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 1090 | 米国 | ASTM/AA指定で純アルミニウム99.90％名目値 |
| EN AW | 1090 | ヨーロッパ | ヨーロッパ規格で同等の化学成分範囲を持つことが多いが、EN標準のバリアントを確認必須 |
| JIS | A1090 | 日本 | 類似した純度目標を持つ日本規格。微細な公差差異あり |
| GB/T | Al99.9 | 中国 | 中国規格は名目99.9％Al純度の等価品を示す |
地域ごとの規格細部の違いとしては、不純物許容限界、表面状態要件、機械的性質の試験方法などが挙げられます。契約に際しては鉄分・ケイ素含有量や微量元素管理の違いにより、導電率や成形期待値が変わるため、適用規格の確認が重要です。重要な電気・熱部品には、該当規格に基づくミルシートの要求や、高信頼性部品向けの事前認証試験も検討してください。
耐食性
1090は安定した保護性アルミナ膜の迅速な生成により、優れた大気耐食性を示します。農村部や都市部の環境では非常に良好な性能を示し、不純物の微量増加も長期的な表面安定性を損なうことは通常ありません（有害汚染物質がない限り）。
海洋環境では、1090は一般的な腐食に対して良好な耐性を持ちますが、停滞した塩化物含有環境や電解結合下で局部腐食を受けやすいです。海水や波しぶき帯で使用する場合は、洗浄や表面コーティング、異種金属からの絶縁措置などがピッティングや空洞腐食防止に一般的に施されます。
応力腐食割れは1090では稀です。これは低強度で感受性のある析出物が存在しないためですが、高強度アルミ合金に関連する水素脆化や応力腐食割れは主要な懸念事項ではありません。一方で、1090は多くのステンレス鋼や銅合金に比べて陽極として作用するため、異種金属接合部では絶縁や犠牲陽極の採用が推奨されます。
より合金化されたシリーズと比較して、1xxx系（1090を含む）は優れた一般耐食性を提供しますが、局部腐食抑制に特化した合金には及びません。選定は使用環境と接合方式に基づくべきです。
加工性
溶接性
1090はTIG、MIGなどの一般的な溶接方式や抵抗溶接で容易に溶接可能であり、純度の高さから熱割れの感受性は低いです。機械的バランス向上や気孔低減のため、接合形状や使用条件に応じてER4043やER4047などのマッチングまたはやや高合金の溶接棒を使うことが推奨される場合があります。
溶接熱影響部では析出物による軟化は起こらないものの、結晶粒成長や局所的な機械的性質変化が生じます。薄板では変形低減のため熱入力を抑える溶接パラメータが重要です。高伝導率が要求される用途では、溶接前の清掃やフラックス管理により水素混入や気孔を防止することが大切です。
切削性
1090の切削性は純アルミに類似し、比較的加工しやすいものの、切削条件が最適でない場合はチップがねばりやすくなります。推奨工具は鋭利な超硬または高速度鋼で、フルートを鏡面仕上げにしたものです。切削速度を高め、浅切り込みで切削面を良好にする一方、工具温度上昇によるビルドアップエッジに注意が必要です。
1090は軟らかいため、切屑排出や工具形状が詰まりや傷付きを防止する上で重要です。冷却剤使用や正の切れ角で加工性能を向上させます。被削性指数は自由切削合金と比べて中程度で、一部メーカーはわずかな添加元素で加工性向上を図りますが、その場合は伝導率が低下します。
成形性
焼鈍状態（O）での1090の成形性は非常に優れており、深絞り、ストレッチ成形、複雑な打抜き加工が亀裂なく行えます。最小曲げ半径は焼鈍材で小さく、硬化材ほど大きくなります。重要な曲げではバネ戻りを抑え破損を最小限にするため、OやH12硬さ状態が推奨されます。
冷間加工への反応は予測可能で、制御された減肉で引張強さが向上し、中間焼鈍で多段成形の延性を回復可能です。厳しい成形には温間成形を用いて流動応力低減および頸縮遅延を図りつつ表面品質を保持することができます。
熱処理特性
1090は熱処理による強化ができない非熱処理型合金です。強化析出物の形成に十分な合金成分を含まないため、古典的な固溶化処理や時効処理は効果がありません。そのため、機械的性質の制御は主に塑性変形による加工硬化と焼鈍による回復・再結晶に依存します。
典型的な1090の焼鈍は約300–415 °Cの温度範囲で再結晶と完全軟化を実現し、浸漬時間は板厚やサイズに応じて調整されます。部分焼鈍（例：H24相当の処理）は延性と残留強度のバランスを制御し、中間硬さ状態を得るのに有効です。完全焼鈍（O）は最大の成形性を復元します。
高強度追求のための熱的時効処理は意味がなく、要求性能達成には冷間加工工程の調整、中間応力除去焼鈍、または設計変更が適切な手段です。成形後の安定化処理でバネ戻り抑制と残留応力軽減が可能です。
高温性能
1090は温度上昇とともに剛性と強度が段階的に低下します。約100–150 °C以上で機械的強度減少が顕著となり、長時間荷重下では高温クリープの考慮が必要です。一般に、構造用として150 °C以上の長期使用は推奨されません。
高温での酸化耐性は良好で、アルミニウムの保護酸化膜が迅速に形成されますが、高温では表面のスケーリングや色変化が生じ、外観や接触抵抗に影響を与える場合があります。機械的性質の熱安定性は限定的で、析出強化機構が存在しないため、高温時効による硬さ回復もありません。
高温での溶接熱影響部は析出物劣化はほとんどありませんが、長時間高温暴露による結晶粒成長や軟化は設計上考慮が必要です。繰り返し熱変動環境では、1090の高い熱膨張率に起因する拘束構造体への応力発生や熱疲労が設計上の課題となります。
用途
| 業種 | 代表部品 | 1090が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 電気 | バスバー、導体、コンデンサホイル | 高い電気伝導性と成形性 |
| 海洋・化学 | タンクライナー、ダクト、クラッディング | 耐食性と加工のしやすさ |
| 照明・反射 | リフレクター、ランプ部品 | 高い反射率と良好な表面仕上げ |
| 電子・熱管理 | ヒートシンク、熱拡散体 | 高い熱伝導性と低密度 |
| 建築 | 装飾パネル、ファシア | 成形性、仕上げ性、耐食性 |
1090は、高純度や伝導性、表面品質が高い構造強度の必要性を上回るニッチ用途に用いられます。低密度で成形が容易なため、薄板用途や溶接・ろう付けが多い部品においてコスト効果に優れています。
選定のポイント
電気的または熱的伝導性と良好な成形性を優先する用途では、1090は商用純アルミニウム1100よりアルミ含有量が高く、わずかに優れた伝導性と表面外観を持ちながら成形性も許容範囲内であるため選ばれます。ただし、強度向上は合金化によるものに比べて限定的です。
3003や5052などの一般的な加工硬化合金と比較すると、1090は電気・熱性能で優れ、多くの環境下で耐食性も良好ですが、強度や特定の機械的摩耗に対する耐性は劣ります。伝導性や仕上げを重視し、荷重耐性が小さい場合は1090がおすすめです。
6061や6063などの熱処理可能合金と比べると、1090は析出硬化合金が達成するピーク強度には及びませんが、伝導性や成形性に優れ、コストも低いことが多いです。軽量で導電性が高く高い成形性が求められ、最大構造強度が必要でない場合に1090を選択してください。
まとめ
1090アルミニウムは、高い電気・熱伝導性、優れた成形性、優れた耐食性を低コストで実現できるため、現在も有効なエンジニアリング選択肢です。予測可能な冷間加工特性と幅広い一般的製造加工への適合性により、電気・熱・装飾・化学用途の部品材料として信頼性の高い素材となっています。