アルミニウム1100：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
1100は1xxxシリーズのアルミニウム合金の一部で、商業的に純度の高いアルミニウムとして分類され、アルミニウム含有量は約99%以上です。1xxxシリーズは極めて低い合金成分で定義されており、3xxxや6xxxシリーズと比較して優れた化学的純度が特徴です。
1100の主要な合金元素は管理された微量不純物としてのみ存在し、シリコン、鉄、銅、マンガン、マグネシウム、亜鉛がトレースレベルから0.数%程度で含まれています。強度を高める添加元素をほとんど含まないため、強度向上はほぼ冷間加工（加工硬化）によって達成され、析出硬化熱処理によるものではありません。
1100の主な特長は優れた成形性、大気および多くの化学環境での非常に良好な耐食性、そしてより合金化されたグレードと比べて卓越した熱伝導性と電気伝導性です。焼なまし状態では展性が良いため一般的に溶接性は優秀で、溶接後の熱処理を必要としませんが、加工硬化や熱処理可能な合金と比較すると機械的強度は低いです。
1100が使用される典型的な分野は、化学処理、食品取扱い、看板、建築装飾、電子部品（ヒートシンク）などで、低コストで高い成形性と耐食性を必要とする用途です。エンジニアは最大の展性、導電性、耐食性能とコストパフォーマンスのバランスを重視し、高い静的強度よりもこれらの特性を優先する場合に1100を選択します。
硬さ状態（テンプル）一覧
| 硬さ状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い (20–40%) | 優秀 | 優秀 | 最大の展性を持つ完全焼なましの商業純度状態 |
| H12 | 中程度 | 中程度 (10–20%) | 非常に良い | 非常に良い | 限定的な展性低下を伴う部分的な加工硬化 |
| H14 | 中強度 | 低中程度 (8–15%) | 良好 | 非常に良い | 強度と成形性のバランスを取った一般的な冷間加工状態 |
| H16 | 高い | 低い (6–12%) | 普通～良好 | 良い | 強度は高いが成形性は低下するより強い冷間加工 |
| H18 | 非常に高い | 低い (4–10%) | 制限される | 良い | 冷間加工による商業的に達成可能なほぼ最大強度 |
| H24 | 中程度（安定） | 中程度 | 良好 | 非常に良い | 加工硬化後、部分焼なまし/パッシベーションで安定化 |
1100は熱処理で強化できないため、硬さ状態（テンプル）は材料特性に大きな影響を与えます。冷間加工は降伏強さや引張強さを向上させる一方で、伸びや成形範囲は減少します。適切なH硬さ状態の選択は成形工程と最終部品の強度のトレードオフであり、深絞りにはO、軽量構造用板材にはH14またはH16を選ぶことが多いです。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Al | 残部 (≥ 99.0%) | 主要成分；商用1100では通常99％以上 |
| Si | ≤ 0.95 | 一般的な不純物；微量で電導性をわずかに低下させるが鋳造性を改善 |
| Fe | ≤ 0.95 | 不純物であり、強度や表面仕上げに影響を与える金属間化合物を形成 |
| Mn | ≤ 0.05 | 微量不純物；このレベルでは強化効果はほとんどない |
| Mg | ≤ 0.05 | 1100では無視できる量で、析出硬化の要因ではない |
| Cu | ≤ 0.05 | 耐食性と導電性を維持するため非常に低く抑えられている |
| Zn | ≤ 0.10 | 微量；多すぎると展性と耐食性が低下する |
| Ti | ≤ 0.15 | 結晶微細化剤として存在することが多く、微細組織制御に寄与 |
| その他 | 各 ≤ 0.05、合計 ≤ 0.15 | 商用製造での限界濃度で存在する微量元素 |
基本的に高純度アルミニウム基体が性能を支配します。電気伝導性と熱伝導性は合金不純物の濃度に反比例し、機械的強度は冷間加工やシリコン・鉄からなる金属間化合物の有無に強く影響されます。Tiなどの微量元素は主に鋳造や圧延時の結晶粒制御に使われ、母材強化には寄与しません。
機械的特性
1100の引張特性は、低強度で高展性の面心立方構造金属に典型的です。焼なまし（O硬さ状態）では降伏強さと引張強さは低く、伸びは通常20％以上であり、破断せず大きな塑性変形が可能です。冷間加工により転位密度が増加し、強度は大幅に向上しますが展性と成形性は犠牲になります。
降伏強さと引張強さは硬さ状態および板厚によって大きく変わります。薄板は冷間圧延時の加工歪みが大きいため高い強度を得やすいです。硬さは硬さ状態と相関し、加工硬化シートの生産管理のために使用されることが多いです。ブラネル硬さはO状態で低く、H硬さ状態で予測可能に増加します。疲労特性は一般的に静的強度の低さと表面状態に制限され、研磨やショットピーニングにより疲労寿命を改善可能ですが、サイクル荷重を受ける部品では高強度シリーズに及びません。
板厚は実用上の影響があり、厚板は冷間加工で高硬度に加工しにくく、焼なまし状態の特性を多く残します。設計時には硬さ状態と板厚の相互作用を考慮して強度や成形性を規定する必要があります。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的硬さ状態（例：H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（UTS） | 約55～115 MPa（代表値） | 約110～180 MPa（代表値） | 板厚や加工硬化度合いにより幅広く変動；値は概算 |
| 降伏強さ | 約30～70 MPa（代表値） | 約90～150 MPa（代表値） | 冷間加工により降伏強さが大幅に向上；析出硬化は不可 |
| 伸び | 約30～40% | 約8～18% | 硬さ状態がOから高いH番号に変わるにつれ展性は減少 |
| 硬さ（ブリネル） | 約20～30 HB | 約30～60 HB | 加工硬化による転位密度増加に応じて硬さも増加 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.71 g/cm³ | アルミニウムおよび他の低合金アルミニウム合金とほぼ同じ |
| 融点範囲 | 約660 °C（固相線 ≈ 657～660 °C） | ほぼ純アルミニウムと同程度の融点 |
| 熱伝導率 | 約200～230 W/m·K | 高い熱伝導率；純アルミよりは不純物増加でやや低い |
| 電気伝導率 | 約53～60 % IACS（代表値） | 非純アルミニウム合金として非常に良好；不純物レベルに依存 |
| 比熱 | 約0.9 J/g·K | 周囲温度で純アルミニウムに近い典型値 |
| 熱膨張係数 | 約23～24 µm/m·K | アルミニウム合金として標準的な熱膨張率 |
1100の高い熱伝導率と電気伝導率は、合金元素の低濃度に由来し、これらの特性により熱拡散や導体用途で有利です。比較的高い熱膨張係数は、異種材料との組み合わせにおいて熱応力による変形やシール不良のリスクを避けるために注意が必要です。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 一般的な硬化状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2 mm – 6 mm | 冷間圧延により強度が向上 | O, H12, H14, H16 | 広く流通しており、深絞りや装飾用途に使用される |
| プレート | >6 mm – 50+ mm | 厚板では冷間加工による強度向上は限定的 | O, H18 | 厚板は通常アニーリングされ、圧延後の冷間加工は制限される |
| 押出材 | 複雑な断面から大型プロファイルまで | 後の冷間引きや時効により強度が決まる | O, H12, H14 | 成形性や耐食性が重視される用途で多用される |
| チューブ | 小口径から大口径まで | 成形方法により機械的性質が影響を受ける | O, H14 | 建築用や化学薬品運搬用チューブに一般的 |
| 棒材・丸棒 | 直径最大300 mmまで | 冷間引き加工しない限りは一般的に硬化は低い | O, H16, H18 | 加工やさらに部品成形に使用される |
加工ルートは微細構造や機械的挙動に影響を及ぼす。圧延や冷間引きはひずみ硬化をもたらし強度を向上させ、一方アニーリングは成形のために微細構造をリセットする。製品選択は要求される成形シーケンスを反映すべきであり、深絞りや回転成形にはO硬化状態のシートが好まれ、H硬化状態は熱処理なしで剛性や強度を高めたい部品に選ばれる。
相当品等級
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 1100 | 米国 | 商用純アルミの主要な米国合金指定 |
| EN AW | 1050A / 1100（最も近い） | ヨーロッパ | ENの商用純アルミ指定は重複があり、実務上は1050Aが最も近いことが多い |
| JIS | A1050 / A1100（最も近い） | 日本 | JISにも同様の商用純アルミ区分があるが、不純物の上限によって完全な相当は異なる |
| GB/T | 1060 / 1100（類似） | 中国 | 中国規格は若干異なる上限値で同等の商用純アルミを規定 |
規格間での完全な1対1対応は不可能であり、許容不純物上限や分類の慣習が地域ごとに異なるためである。規格を跨いで代替する際は、化学成分の具体的な上限、硬化状態の定義、機械的性質の保証値を確認し、単にシリーズ番号のみで判断しないことが重要である。
耐食性
1100はアルミ含有量が高く、速やかに薄い保護性のアルミナ（Al2O3）膜を形成するため、優れた一般用途の耐食性を示す。大気環境や軽度腐食性の工業環境下で良好に機能し、多くの高合金材よりもピッティング耐性に優れているのは、攻撃的な合金元素が含まれていないためである。
海洋や塩化物を含む環境下では均一腐食には強いが、隙間腐食やカソード結合が発生する局所的な攻撃を受けやすい。陽極酸化や保護コーティングが厳しい塩害環境での耐用年数を延ばす。1100は高強度微細組織やSCC促進合金元素を含まないため応力腐食割れは大きな問題とはならないが、塩化物環境での高応力状態では割れが発生しうる。
アルミニウムの一般的特徴として、1100はステンレス鋼や銅など高貴金属と接触すると陽極となるため、設計時には絶縁障壁や適合した締結部品を用いて加速されたガルバニック腐食を防止する必要がある。他のファミリーと比較して1100は機械的強度を一部犠牲にして耐食性や導電性を優先しており、5xxx系や6xxx系合金はより強度は高いが異なる局所腐食挙動を示す場合がある。
加工特性
溶接性
1100は適切な管理の下、TIG、MIG（GMAW）、抵抗溶接にて容易に溶接可能であり、高温割れのリスクは非常に低い。使用される代表的な溶接棒はER1100、ER4043、ER5356で、用途により選択される。ER1100は導電性と延性を保持し、4043や5356は接合部の外観や機械的性質を向上させる。熱影響部（HAZ）の軟化は析出硬化がないため大きな問題ではないが、溶接近傍での冷間加工効果の喪失に起因する部分的な強度低下は生じる。
切削性
1100の切削性は自由切削アルミ合金と比較すると軟らかく粘り気があり、長く連続した切り屑を形成しやすいため低～中程度と評価される。硬質合金工具、高回転速度、浅い切り込み量、充分な潤滑・冷却がビルドアップエッジ防止や表面仕上げ向上に役立つ。工具の摩耗は少ないが、切り屑処理やワーク固定に注意しないと振動やこすれを招くことがある。
成形性
O硬化状態の成形性は非常に良好で、極端な曲げ、深絞り、スピニング加工が可能である。多くの板厚で最小曲げ半径はO硬化で1～2倍の素材厚さまで接近できるが、H硬化状態はより大きな半径や段階的成形が必要となる。冷間加工によりひずみ硬化が進み強度が向上するため、熱処理ができない部品には冷間成形が推奨される。
熱処理挙動
熱処理不可能な合金である1100は、6xxx系や7xxx系のような溶解・時効処理による析出硬化は起こらない。典型的な熱処理は冷間加工後の展延性回復を目的としたアニーリングであり、再結晶と応力除去が進む温度で行われる（O硬化）。
機械的性質の向上は主にひずみ硬化によって達成され、冷間加工と応力除去や安定化処理（例えばH24）の制御シーケンスで強度と寸法安定性のバランスを取る。熱安定化処理は不要な粒成長や変形を避けるため慎重に選定すべきであり、溶接後に機械的性質の一貫性を求める部品は熱影響部の軟化を考慮して設計されるべきである。
高温性能
1100は温度上昇に伴い強度が急激に低下する。転位機構による強度保持がなく、合金元素も少ないため常温以上の強度保持能力は乏しい。持続的な機械的荷重がかかる場合、設計者は通常使用温度を100～150 °C以下に制限して機械的一体性を維持する。短時間の200 °Cまでの暴露は許容されるが軟化が確認される。酸化は速やかに修復されるアルミナ被膜により制限されるが、高温での表面酸化物の脆化が成形作業に影響する場合がある。
溶接部の挙動や残留応力の緩和は高温で発生し、ガルバニック保護に使用される元素も微細構造変化で陽極／陰極特性が変わることがある。高温構造用途には1100より熱処理可能な合金や高温合金を選定すべきである。
用途
| 業界 | 代表部品 | 1100が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 内装トリム、遮熱板 | 非構造部品向けの優れた成形性と耐食性 |
| 海洋 | 建築用トリム、化学薬品タンク | 腐食環境下での高い耐食性と加工のしやすさ |
| 航空宇宙 | 継手、化学処理配管 | 成形性、耐食性、軽量さの良好な組み合わせで二次構造に適する |
| 電子機器 | ヒートシンク、EMIシールド | 高い熱・電気伝導性と良好な表面仕上げによる熱管理 |
| 食品・飲料 | カウンタートップ、タンク、器具類 | 無害な酸化被膜、清掃性、各種処理液に対する耐食性 |
1100は成形性、導電性、耐食性を低コストで兼ね備え、多くの二次的構造部品や機能部品の定番材料となっている。高い静的強度を必要とせず、成形や導電性を求める部品では1100が最も効率的な材料選択となる場合が多い。
選定のポイント
最大の延性、耐食性、熱・電気伝導性を最優先し、機械的荷重が比較的軽度な場合に1100を選択する。深絞り、スピニング、複雑成形部品には1100-Oが最も経済的かつ技術的に適切な選択となる。
他の商用純アルミニウム合金（例：1050）と比較すると、1100はわずかに異なる不純物含有上限を持ち、伝導性や表面仕上げに若干の違いが見られる場合があります。選択は性能の飛躍的な向上よりも、在庫の有無やサプライヤーの認証によって左右されることが多いです。一般的な加工硬化合金である3003や5052と比較すると、1100は一般的に強度が低いものの、電気的・熱的伝導性が優れており、成形性にも優れることが多いです。より高い強度や加工硬化特性が求められる場合は3003または5052を選択してください。熱処理可能な合金である6061や6063と比較すると、1100は伝導性、成形性、耐食性がピーク強度よりも重視される場合に選ばれます。より高い構造強度や時効硬化が必要な場合は6061が依然として望ましい選択肢です。
まとめ
1100は、優れた成形性、耐食性、高い熱伝導性および電気伝導性を商用純アルミニウムのマトリックス内で独自に兼ね備えているため、広く利用されている低コストのアルミニウム合金です。ピーク強度よりも加工しやすさや耐久性を重視する部品には、1100が実用的なエンジニアリングの選択肢となり続けています。