アルミニウム3003：組成、特性、焼き戻し状態ガイドおよび用途
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総合概要
3003は3xxx系展伸鋳造アルミ合金の一種で、主な合金元素としてマンガンを含みます。3xxxシリーズは熱処理非対応で、主に固溶強化と加工硬化によって強度が向上する合金であり、3003はMn添加により強度と加工性のバランスを実現しています。
合金成分はマンガン（約1.0～1.5％）が主成分で、少量の銅と低レベルのケイ素および鉄を含む制御された組成です。この成分構成により、商用純アルミニウムよりも中程度の強度、良好な耐食性、軟質硬化材での優れた成形性、および信頼性の高い溶接性が得られ、板材や押出材用途の汎用合金として適しています。
3003は、成形性と耐食性が重要視される空調設備（HVAC）、調理器具、化学薬品取扱い、建築用クラッディング、一般板金加工に広く使用されています。エンジニアは、1000系純アルミよりも強度を必要としつつ熱処理による強度向上が不要な場合や、曲げ加工、プレス加工、溶接を含む製作工程で3003を選定します。
熱処理対応合金と比較すると、3003は最大引張強さや降伏強さは低くなりますが、加工性の一貫性と焼入れ歪みへの感受性の低さを得ます。その幅広い入手性と特殊合金と比較した低コストも、大量生産や汎用用途での採用を後押ししています。
状態別特性
| 状態（Temper） | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 (20–40%) | 優秀 | 優秀 | 完全に焼きなまし済み、深絞りや成形に最適 |
| H12 | 中程度 | 中程度 (10–20%) | 良好 | 優秀 | 軽い冷間加工によるOよりやや強度増加 |
| H14 | 中 | 中低 (6–12%) | 良好 | 優秀 | 1/4硬化材、プレス加工や中程度の成形に一般的 |
| H16 | 中高 | 低 (4–8%) | 可 | 優秀 | 1/2硬化材、より高い剛性が必要な用途に使用 |
| H18 | 高 | 低 (1–6%) | 限定的 | 優秀 | 完全硬化材、高剛性が求められる用途向け |
状態は析出強化ではなく冷間加工による加工硬化を通じて3003の性能を大きく変化させます。O状態は深絞りや曲げ加工に最大の延性と成形性を提供し、H系状態は加工硬化により強度を高める一方、伸びと一部成形性が犠牲になります。
状態の選択は、製造の容易さと最終用途で求められる剛性や降伏強さの要件との間の直接的なトレードオフです。強化が熱処理依存でないため溶接性は全般に優れていますが、溶接熱影響部（HAZ）で局所的に軟化し、溶接近傍の強度がやや低下する場合があります。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | もろい間隙金属化合物を抑制し成形性を保持するため制御 |
| Fe | ≤ 0.7 | 一般的な不純物、過剰は延性低下と異方性増加の原因 |
| Mn | 1.0–1.5 | 主な合金元素であり、強度向上と微細組織形成を司る |
| Mg | ≤ 0.1 | 通常は残存成分で、3003の主な強化剤ではない |
| Cu | 0.05–0.20 | 強度向上と機械的性質の調整に寄与する少量添加 |
| Zn | ≤ 0.1 | 腐食促進および脆性を防ぐため低レベルに抑制 |
| Cr | ≤ 0.05 | 通常は残存成分、結晶粒構造に影響を与える場合あり |
| Ti | ≤ 0.15 | 不純物または脱酸剤として存在、極微量含むことが多い |
| その他（各々） | ≤ 0.05 | 残存成分、アルミニウムは差分で調整 |
マンガンは固溶強化と微細粒組織によって強度を高めるために意図的に添加されている合金元素です。銅は強度を適度に増加させ、規格上限に近いと耐食性をわずかに低下させる場合があります。
ケイ素と鉄はもろい相発生を最小化し、表面品質と成形性を維持するために厳密に制御されています。これらの元素のバランスは、析出強化ではなく冷間加工反応を促進するために調整されています。
機械的性質
3003の引張特性は、冷間加工硬化型の非熱処理合金に典型的であり、特性は状態や加工量に比例します。焼きなまし状態では、降伏強さと引張強さは低めですが高い伸びを示し、深絞りや複雑な成形が可能です。状態がH12からH18へ進むにつれて、降伏強さと引張強さは上昇し、伸びと曲げ加工性は予測可能な範囲で減少します。
硬さは冷間加工に伴って上昇し、引張特性と相関します。O状態は硬さが低く、H系に進むにつれて上昇します。疲労性能は中程度で、表面状態、冷間加工度合い、成形や溶接で導入される残留応力に大きく依存します。厚板では切欠き感受性が低いため疲労寿命が若干向上しますが、成形性は低下し、プレス加工は困難になる場合があります。
加工硬化率と板厚は最終的な延性や反発力に影響を与えます。薄板は小径曲げが容易ですが、厚板や重量押出材は成形抵抗が大きく、より大きな力や強硬状態を必要とします。溶接は局所的な軟化帯を作りますが、析出硬化を利用していないため顕著な脆化は生じません。
| 特性 | O／焼きなまし | 代表的状態（H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 110–155 MPa (16–22 ksi) | 160–220 MPa (23–32 ksi) | 冷間加工により引張強さが向上し、代表的な状態での範囲 |
| 降伏強さ | 35–70 MPa (5–10 ksi) | 120–170 MPa (17–25 ksi) | 加工硬化によりH系で降伏強さが大幅に上昇 |
| 伸び | 20–40% | 6–12% | 加工硬化に伴い延性が大幅低下 |
| 硬さ（HB） | 25–45 | 40–80 | 硬さは引張強さおよび状態レベルと正相関 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.73 g/cm³ | アルミニウム合金の標準値。質量・重量計算に有用 |
| 融点範囲 | 約 645–660 °C | 狭い融点範囲で明確な共晶無し。はんだ付けや溶接に重要 |
| 熱伝導率 | 約 120–160 W/m·K | 純アルミより低いが熱拡散性は依然優秀 |
| 電気伝導率 | 約 30–40 % IACS | 合金化により1000系より低下。低電圧導体に適合 |
| 比熱 | 約 900 J/kg·K | 他のアルミ合金と同等。熱量計算に重要 |
| 熱膨張係数 | 約 23–24 µm/m·K | 標準的なアルミニウムの係数。組立時の熱ひずみ設計に考慮 |
密度および熱的特性により、3003は軽量で熱伝導性が求められる熱交換器や調理器具に適しています。電気伝導率は純ア ルミニウム複合材より低下していますが、機械的強度を優先する一部の電気・EMI用途には十分です。
熱膨張は異種材料との接合部での歪みやシール不良を防ぐために配慮が必要です。融点範囲と熱伝導率は溶接工程と熱入力制御にも影響し、熱影響部の軟化を抑制するための重要な要素となります。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2–6.0 mm | 調質により強度が変化；薄板は成形性に優れる | O, H14, H16 | パネル、屋根材、家電製品に広く使用される |
| プレート | >6.0 mm | 成形性は低い；H系調質で残留強度が高い | H16, H18 | 剛性や耐摩耗性が求められる用途に使用 |
| 押出形材 | 数メートルまでのプロファイル | 押出しと調質や冷間加工によって強度が決まる | O, H12, H14 | 建築用および構造用の複雑な断面形状に適用 |
| チューブ | 小径から大径まで | 肉厚が剛性や崩壊耐性に影響 | O, H14 | HVAC、配管、軽量フレームに使用 |
| バー/ロッド | 直径3～100 mm | さまざまな冷間加工による典型的な加工材強度を持つ | H14, H18 | 成形性がそれほど要求されない機械加工部品や締結部品に使用 |
3003のシートは最も一般的な商用製品で、コイル巻きおよび打ち抜きやロール成形用にカットされた長さで供給されます。押出断面材は特注プロファイルが必要な場合に使用され、押出し後の成形を可能にするために柔らかい調質で納品されることもあります。
プレートや厚肉断面材は成形性の制約と加工コストの高さからあまり一般的ではありませんが、構造的な剛性が求められる場合や加工・接合が主な製造手段となる用途で選択されます。チューブとロッドは耐食性と適度な強度が求められる機械的および流体取り扱いのニッチ用途に用いられます。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3003 | アメリカ | ASTM/AA指定；北米では一般的な参照 |
| EN AW | 3003 | ヨーロッパ | EN AW-3003が大まかに相当；現地の調質や公差を確認推奨 |
| JIS | A3003 | 日本 | 多くはA3003と表示；AA規格との不純物限度を確認推奨 |
| GB/T | 3A21（概ね） | 中国 | 3A21が中国の同等材として多用されるが成分許容差に若干差異あり |
規格間の同等名称は主に合金成分を対応させていますが、不純物限界、調質定義、表面仕上げ要件の違いにより交換性に影響があります。材料を地域間で代替する場合は、対応する規格の機械的性質表や仕様限界を必ず確認してください。
調達や認証に関する契約事項では、適用規格と必要な機械的・化学的試験を明記し、地域差による微妙な不一致を防ぐべきです。
耐食性
3003はアルミニウム酸化膜の不動態被膜と比較的低い銅・亜鉛含有量により、大気環境下での優れた耐食性を示します。酸化性環境や都市部の雰囲気に対して効果的に耐え、建物のファサード、ダクト、屋外の筐体に多用されます。
海洋環境では、多くの構造用および装飾用途に適していますが、5083や5086のような高合金系の海洋専用材ほど耐食性は高くありません。長期間の海水または塩化物含有環境への浸漬はピッティング腐食を促進するため、長期使用には保護コーティングや犠牲陽極の使用が推奨されます。
3003は高強度の熱処理合金ではないため応力腐食割れのリスクは大きくありませんが、高い残留応力と過酷な環境の組み合わせで局所破壊が発生する可能性はあります。アルミニウムは一般の鋼や銅に対して陽極となるため、異種金属とのガルバニック腐食を防ぐには絶縁やコーティングによる管理が必要です。
1xxx系合金と比較すると3003は強度が向上しつつ耐食性はほぼ同等です。5xxx系や6xxx系合金と比べると強度は低いものの、合金成分や環境条件によって同等もしくはやや劣る海洋耐食性を示します。
加工性
溶接性
3003は析出硬化しないため、TIG、MIG（GMAW）、抵抗溶接で容易に溶接が可能です。一般的なアルミニウム用溶加材としてER4043（Al-Si系）やER5356（Al-Mg系）が多く使用されます。ER4043は流動性に優れ気泡リスクが低減され、ER5356は溶接部の強度を高めます。ホットクラックのリスクは低いですが、清浄さの不足や過剰な拘束、溶接材料選択の誤りで増加するため、熱入力と清掃を適切に管理してください。
溶接部の熱影響部はH系調質とO調質の接合で軟化しますが、析出硬化は発生しません。溶接後の機械的性質は母材の調質と溶加材によって主に決まり、重要な構造用途では試験を行うことを推奨します。
切削性
3003の切削性は普通でフリーカッティング合金とはされません。切削速度は中程度で、剛性のある装置と鋭利な超硬工具の使用で効果的です。延性のある連続切りくずを生成するため、切削速度や送りが最適でないと工具に付着することがあります。切りくず破砕器やポジティブラケット形状が排出管理に有効です。
アルミニウムによる工具の擦り傷発生が中程度にあり、潤滑剤やコーティング超硬、適切な工具形状を用いることで工具寿命を延ばせます。ドリルやエンドミルは高送り、比較的低回転速度とし、ビルトアップエッジの発生を防止してください。
成形性
成形性は3003の大きな強みで、特にO調質では深絞りや小半径曲げが容易に行えます。最小曲げ半径は板厚と調質に依存しますが、O調質では多くの工程で厚さの0.5～1.0倍の半径が可能です。H14/H16調質はより大きな半径が必要で、深成形の場合はアニーリングが必要になる場合があります。
冷間加工は強度を高める一方で延性を低下させます。中間アニーリング（O調質）により、大きな変形後でも成形性を回復可能です。複雑な打ち抜き工程では調質や板厚に応じたバネ戻りの補正計画が必要です。
熱処理挙動
3003は熱処理非適用合金であり、溶体化処理や人工時効による強化は行われません。6xxx系や7xxx系で用いられる溶体化・時効サイクルは3003には効果がなく、特性は組成と冷間加工によって支配されます。
特性制御は主に加工硬化とアニーリングサイクルによって行います。全軟化（O調質）は指定温度範囲への加熱と制御冷却により延性回復を実現し、中間調質（H12–H18）は冷間加工レベルや場合によりH112のような安定化処理で成形されます。
強化は金属学的なものではなく機械的なもののため、局所硬化や選択的強化が必要な部品には冷間加工や局所的な機械的処理が一般的で、全体的な熱処理は用いられません。
高温性能
3003はアルミニウム合金に典型的な温度上昇による徐々の強度低下を示し、およそ150～200 °Cを超えると降伏強さ・引張強さが目に見えて低下します。200 °C以上の長期暴露はクリープや軟化が加速するため荷重支持用途では推奨されません。
高温での酸化は保護性の高いアルミナスケールにより限定的ですが、高温や過酷な雰囲気下での表面変色やスケーリングは発生する場合があります。溶接部の熱影響部は軟化しますが、熱処理合金にみられる調質変化は生じません。
熱サイクルおよび付着する異種金属との熱膨張差は疲労や接合部緩みの原因となるため設計で配慮が必要です。持続的な高温使用には高温強度設計された合金を選択してください。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 3003を選ぶ理由 |
|---|---|---|
| HVAC | ダクトワーク・コイル | 良好な成形性と耐食性が空気調和装置に適合 |
| 家電製品 | 調理器具、オーブンパネル | 熱伝導性と成形性に優れ、引き抜き形状に対応 |
| 建築・建築装飾 | 外装材、軒裏 | 耐候性が高く加工が容易 |
| 化学・プロセス設備 | タンク、配管部品 | 多くの化学薬品に強く溶接性が良好 |
| 電気・熱交換 | ヒートシンク、ラジエーター | 熱伝導性と十分な強度の両立 |
3003は成形性、耐食性、コストパフォーマンスのバランスに優れ、多くの産業分野で主力合金として使われています。冷間加工への予測可能な応答性と、シート・コイル・押出形材の幅広い入手性により、大量生産の加工に経済的な選択肢を提供します。
選択のポイント
3003は、商用純アルミニウム（1000系）よりも優れた強度を必要としつつ、卓越した成形性と耐食性を維持したい場合に選択してください。1100と比較すると、3003は電気および熱伝導性の一部を犠牲にする代わりに、機械的強度が大幅に向上し、成形時の変形に対する耐性も改善されています。
5052のような近接した加工硬化型合金と比べると、3003は一般的に成形性が優れ、耐食性もほぼ同等ですが、強度はやや劣ります。より高い強度と優れた海洋環境での耐食性が求められる場合は5052が推奨されます。6061や6063のような熱処理可能合金と比較すると、3003はピーク強度が重要ではなく、広範な成形および溶接加工が必要な製造プロセスに適しており、コストおよび延性が重視される場合に選択されます。
調達に際しては、成形性や溶接強度が重要な場合は、標準的な合金番号よりも鍛造状態（テンパー）選択やサプライヤーの認証を優先してください。成形後により高い強度が求められる場合は、機械的な冷間加工を検討するか、より高い固有強度と許容できる加工上のトレードオフを持つ合金への切り替えを考慮してください。
まとめ
3003は、純アルミニウムと高強度の熱処理可能合金の中間に位置する、Mnを添加した多用途アルミニウム合金であり、バランスの取れた強度、卓越した成形性、信頼性の高い耐食性を提供します。その非熱処理性により製造選択肢が簡素化され、多くの産業分野でシート材、押出材、成形部品としてコスト効果が高く広く利用可能な材料です。