アルミニウム 1199：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 1199は1xxxシリーズのアルミニウムに属し、商業的に純粋かつ超高純度アルミニウムの分類に入ります。一般的にアルミニウムの残留量が99.9%以上で（半導体や電気グレード材料では99.99% Alと規定されることが多い）、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Znおよびその他の元素がppm～数百ppmの微量で含まれています。
1199の強度は主に純度と冷間加工によるもので、熱処理は適用されない非熱処理合金です。機械的性能は機械的加工（加工硬化）および結晶粒構造の制御によって決まります。主な特徴は、優れた電気伝導性および熱伝導性、多くの環境下での優れた耐食性、軟化（O）状態での卓越した成形性、薄板において非常に良好な溶接性です。代表的な用途は電気・電子（バスバー、導体、フォイル）、化学・食品加工（耐腐食性が重要な設備）、航空宇宙・極低温用途（純度と伝導性重視）、特殊建築部材などです。
エンジニアは、電気的・熱的伝導性や耐食性能が最優先であり、中程度の機械的強度で十分な場合に1199を選択します。接合や成形、電気的連続性が重要なときには、強度の高い熱処理合金よりも1199が選ばれ、純度の低い1xxx系と比較して伝導性や清浄度でわずかな向上が必要な場合、あるいは過酷な環境での使用に際しても好まれます。
調質の種類
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高（35–50%） | 非常に良い | 非常に良い | 完全軟化状態で最大の延性と伝導性を持つ |
| H12 | 低〜中 | 中〜高（25–40%） | 非常に良い | 非常に良い | 軽いひずみ硬化で良好な成形性を保持 |
| H14 | 中 | 中（15–30%） | 良い | 良い | 強度向上のための典型的な冷間加工調質 |
| H16 | 中〜高 | 中〜低（10–25%） | 可 | 良い | より高い冷間加工、適度な強度向上用 |
| H18 | 高（1xxx系として） | 低（8–18%） | 限られる | 可 | 高度に冷間加工され、曲げ加工と成形に制約あり |
| T5 / T6 / T651 | 該当なし／非適用 | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 1199は非熱処理合金であり、人工時効調質は通常使用されない |
1199は析出硬化を受けないため、調質は延性と強度のトレードオフを直接制御します。冷間加工は転位の蓄積と加工硬化により降伏強さと引張強さを向上させる一方で、伸びや成形のしやすさを低減します。中間的な調質（H12～H14）を選択することが多く、適度な強化を得つつ成形性や伝導性の低下を抑えることが一般的です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤0.005 | 典型的な不純物で伝導性や鋳造挙動への影響を最小化 |
| Fe | ≤0.01 | 1xxx系の主要な不純物で、伝導性維持のため極力低く抑制 |
| Mn | ≤0.002 | 最小限に管理。多いと強度や耐食性に影響 |
| Mg | ≤0.005 | 固溶強化を起こさないように制御 |
| Cu | ≤0.001 | 耐食性と伝導性保持のため低減 |
| Zn | ≤0.005 | 低Znで脆化や電気化学的影響を回避 |
| Cr | ≤0.001 | 微量にとどまり、強度寄与はわずか |
| Ti | ≤0.002 | 鋳造や押出し材の結晶粒微細化に稀に使用 |
| その他 | ≤0.01（総和） | Ni、V、Bi、Pb、Snなどを含み、純度重視の用途で極力低減 |
1199の成分はアルミニウムの残留量を極力高め、不純物レベルを非常に低く抑えることで電気・熱伝導性を最大化し、延性や耐食性を低下させる金属間化合物の析出を抑制しています。ppmレベルの微量元素であっても結晶粒構造や再結晶挙動、微小な機械的性質の変化に影響を及ぼすため、化学成分の管理は特殊用途において非常に重要です。
機械的性質
軟化（O）状態の1199は、高純度アルミニウム特有の低い降伏強さ・引張強さに加え、非常に高い伸びと優れた曲げ加工性を示します。引張挙動は延性で、加工硬化挙動は緩やかであり、応力–ひずみ曲線は長い均一伸びと低い耐力が特徴です。硬さはO調質で低く、これは転位密度の低さと析出物の極小量と相関します。
冷間加工はO状態に対して降伏強さと引張強さを大幅に向上させますが、伸びや成形性を犠牲にします。疲労性能は中程度で、未欠損試験片では延性のために実用的な寿命を示しますが、表面欠陥、加工硬化度、厚さが強く影響します。厚みの影響は主に疲労および曲げ特性に現れ、薄板は容易に成形でき伝導性を保ち、厚板は強度がやや高くなる一方で曲げ性が低下します。
| 特性 | O/軟化 | 代表的調質（例：H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 30–65 MPa | 80–140 MPa | 厚さや冷間加工度で変動 |
| 降伏強さ | 10–30 MPa | 60–120 MPa | 0.2%オフセット降伏強さは調質に大きく依存 |
| 伸び | 35–50% | 10–30% | 軟化材は非常に延性が高く、冷間加工で均一伸びが減少 |
| 硬さ | 15–30 HB | 30–70 HB | O調質で低硬さ、加工硬化で増加 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70 g/cm³ | 他の商用アルミニウムと同等。質量・剛性計算に用いる |
| 融点範囲 | 660–660.5 ℃ | 純アルミの狭い融点範囲。はんだ付けやろう付け設計に有用 |
| 熱伝導率 | 220–240 W/m·K | 非常に高く、ヒートシンクや熱管理用途に有利 |
| 電気伝導率 | 約60–65 %IACS（約35–38 MS/m） | 超低不純物含有により商用合金中で最も高い水準 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | アルミニウム標準値で、熱容量計算に関連 |
| 熱膨張率 | 23.0–24.0 µm/m·K | 他のアルミ合金と類似。熱ひずみや接合設計で重要 |
1199の高い純度は熱的および電気的輸送特性を最大化し、理論上の純アルミニウムに非常に近い物理挙動を示します。これにより、ヒートシンク、バスバー、極低温用途など、熱伝導性と低密度が求められる用途に特に適しています。設計者は、熱膨張率の高さを考慮し、低膨張材料との接合時には熱応力を防ぐ対策が必要です。
製品形状
| 形状 | 一般的な厚さ・サイズ | 強度の挙動 | 一般的調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.1–6.0 mm | 低～中（調質に依存） | O、H12、H14 | 電気用ストリップ、フォイル原料、成形パネルに広く使用 |
| プレート | 6–25 mm | 純度のため厚さ当たりの強度は低め。大型プレートは限定的 | O | 純度が重要な特殊な厚板用途で使用 |
| 押出材 | 壁厚0.8–12 mm | 冷間加工度による強度差。形状の複雑さに対して良好な延性 | O、H14 | 電気部品向けに結晶粒制御と表面仕上げが重要 |
| チューブ | 外径6–150 mm | O調質で良好な耐つぶれ性および成形性、冷間加工で剛性向上 | O、H16 | 流体搬送や特殊導電チューブに使用 |
| バー・丸棒 | 径3–50 mm | 低〜中強度。冷間引き抜きに対応 | O、H14 | 導電性が要求されるコネクタ、リベット、ファスナーの機械加工用 |
1199は、高純度のメリットが最も活かされる伝導性、表面品質、成形性が求められる薄板や薄板形状が商業的に大半を占めます。複雑な形状や機械加工部品が必要な場合は押出材やバーが製造されますが、高伝導性と低介在物含有を維持するために厳密な化学管理が必須です。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 1199 | USA | Aluminum Associationシステムにおける超高純度アルミニウムの指定 |
| EN AW | 該当なし | ヨーロッパ | 正確なEN AWの対応鋼種なし。商用純度最寄りはEN AW-1050/1060 |
| JIS | 該当なし | 日本 | 純度の近い比較材料としてJIS A1050またはA1070 |
| GB/T | 該当なし | 中国 | 中国規格には高純度鋼種はあるが一対一の対応は一般的でない |
1199は特殊な超高純度組成と用途を対象としているため、一部の国際規格においては正確な対照は存在しません。実務上は1100、1050、1060ファミリーの鋼種が一般的用途の機能的代替品として使用されますが、これらの鋼種は通常、不純物含有量がやや高く導電率が若干低いです。厳格な純度や元素上限が求められる場合は、AA 1199またはメーカー指定の高純度鋼種の指定が必要となります。
耐食性
合金1199はアルミニウム含有量が非常に高く、活性な間接合金を形成しうる合金元素が最小限であるため、優れた大気環境下の腐食抵抗を示します。ほとんどの非攻撃的環境においては安定した保護性アルミナ皮膜を形成し、均一腐食速度を抑制して長寿命かつ最低限のメンテナンスで使用可能です。表面仕上げ、不純物、冷間加工は局所的腐食傾向に影響を与えるため、重要な用途では加工管理や表面処理が重要です。
海洋環境や塩化物含有環境では、銅やピッチング腐食を促進する元素含有が低いため、多くの合金鋼より優れた耐食性を示します。ただし、厳しい塩化物曝露時には銅やステンレス鋼などの貴金属との電気化学的相互作用を考慮する必要があり、絶縁バリアや犠牲陽極の使用が一般的です。応力腐食割れは溶質元素がほとんど存在しないため稀ですが、加工や溶接による高い引張残留応力は予期せぬ破損を防ぐため管理が必要です。
5xxx系や6xxx系と比較すると、1199は一般耐食性と導電率が優れていますが、機械的強度は低いです。1xxx系の他の合金と比較しても不純物管理が厳しいため挙動が若干良好であり、化学処理、衛生設備、電気用途など腐食と混入リスクを最小化する必要がある分野に適しています。
加工性
溶接性
1199はほぼ純アルミニウムであるためTIGやMIGなど一般的な融接プロセスで容易に溶接でき、薄板では熱割れ感受性が低いです。フィラーは導電率調整用に商用純アルミニウム（例：Al 1100）を使用したり、機械的特性向上が必要な場合は4043や5356を選択します。選択は使用条件や溶接後の導電率許容度によります。熱入力制御によって結晶粒成長や熱影響部の局所軟化を最小化し、強度や成形性を保持するために溶接前後の機械的処理が利用されます。
切削性
非常に軟らかく伸びやすい金属である1199は加工が容易ですが、工具や切削速度の最適化が不足するとビルトアップエッジや表面粗さの悪化が起こりやすいです。高ポジティブラケの超硬工具やセラミック工具、鋭い刃形状が摩擦低減と連続切りくず形成を促進し、適切な潤滑剤やフラッド冷却は切りくず排出および工具寿命に貢献します。切削条件は高送りと適切な回転速度を推奨し、仕上げ加工は軽切削で表面粗さを低減し導電率も保持します。
成形性
焼きなまし状態での成形性は非常に高く、より強い合金で割れが生じる深絞りやロール成形、狭半径曲げなどの過酷な成形にも対応可能です。O状態の最低曲げ内側半径は通常0.5～1.0×板厚の範囲で、厚板や複雑な絞りの場合はより大きな半径が推奨されます。冷間加工反応は予測可能かつ制御可能で、中間硬さ（H12～H14）では成形能力を完全に犠牲にせずに強度を段階的に向上させられます。
熱処理特性
1199はほぼ純アルミニウムであるため、2xxx系・6xxx系・7xxx系合金のような析出硬化型の熱処理はできません。溶体化処理や人工時効による年齢硬化効果はありません。そのため熱処理はアニーリングサイクルに限定されます。全アニーリング（O）温度は350～415 °C付近で、冷間加工を除去して延性を最大化し、結晶粒サイズを調整するために断熱冷却を行います。
強度向上と特性調整の主な方法は冷間加工による加工硬化です。冷間作業の反復と部分的なアニーリングや復元処理により、プレス加工や成形工程に適した機械的特性制御が可能です。溶接を伴う製作では局所的なアニーリングや溶接後の機械的処理で熱影響部の延性回復や最終硬さ調整を行います。
高温性能
1199は合金元素による高温安定化がほとんどないため、周囲温度を超えると機械的強度が比較的速やかに低下します。実用上の上限使用温度は荷重支持用途で約150～200 °Cが目安で、それ以上では著しい軟化やクリープが発生します。酸化は薄い保護性アルミナ皮膜の形成に限定され、強酸化性の溶融環境やガス発生環境を除き表面劣化が進行しません。
電気伝導率および熱伝導率は中温域まで許容範囲ですが、熱膨張差や継続負荷下での機械的緩和に注意を要します。溶接部の熱影響部は結晶粒粗大化や軟化を示すため、機械的性能が要求される部分では高温曝露時間の最小化が設計・製作上重要です。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 1199が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 電気・電力 | バスバー、コネクタ、箔 | 高い電気伝導率とプレス・曲げ加工に適した成形性 |
| 電子・熱管理 | ヒートシンク、サーマルストラップ | 優れた熱伝導率と低密度の組み合わせ |
| 化学・食品加工 | 耐食タンク、ライナー | 高純度と耐食性により汚染リスクを低減 |
| 航空宇宙・低温技術 | 低温容器、継手 | 低不純物含有および低温での良好な靭性 |
| 建築・美術 | 装飾パネル、成形ファサード | 優れた表面仕上げ、成形性および耐食性 |
1199は導電率、成形性、耐食性の組合せにより機械的強度が控えめでも機能的なメリットが得られる場合に選択されます。薄板部品や特殊用途部品で純度や輸送特性を重視し、構造物としての荷重支持性能を二次的に考慮する場合に多用されます。
選定のポイント
1199と他のアルミニウム鋼種の選択では、必要な導電性、成形性、強度のバランスを考慮してください。商用純アルミ（1100など）と比較すると、1199は不純物管理が厳しく導電率・清浄度で優れた点があり、特定の加工条件では強度が同等かやや低い程度です。3003や5052といった一般的な加工硬化合金と比較すると、1199は強度の一部を犠牲にして優れた電気・熱伝導性と多くの環境での耐食性を実現しています。導電率や汚染感受性が重要な場合は1199を選択してください。
6061や6063など熱処理型合金と比較した場合、1199ははるかに高い導電率と良好な成形性を持ちますが、ピーク強度は低めです。溶接品質、導電率、成形の複雑さが強度より優先される場合に1199を選んでください。調達面では1199は特殊鋼のため一般的な1xxx系や5xxx系より高価または納期が長くなる場合があり、独自の特性を活かせる用途に限定して使用するのが望ましいです。
まとめ
合金1199は超高純度アルミニウム、優れた電気・熱伝導率、卓越した耐食性に加え優れた成形性と溶接性を同時に求められる場面で依然として重要です。強靭な合金とは補完的な関係にあり、輸送特性、清浄度、延性成形を最大限に活かす必要がある場合にエンジニアは1199を選択します。