アルミニウム3004：組成、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

Alloy 3004は3xxx系鍛造アルミニウム合金の一部で、特に3xxx系Mn-Mgグループに分類されます。主な合金元素はマンガン（Mn）とマグネシウム（Mg）で、鉄、シリコン、微量元素が少量管理された形で含まれています。

3004は熱処理不能な加工硬化合金であり、強化は主に冷間加工（加工硬化）によって達成され、析出硬化によるものではありません。この機構により、テンパー（加工度および/または焼鈍度）を変化させることで、強度と延性の組み合わせを選択可能です。

3004の主な特徴は、3xxx系合金として中程度から良好な強度を有し、焼鈍状態での成形性が向上していること、一般的な大気環境における耐食性が十分であること、そして接合特性も概ね良好であることです。飲料缶の胴体、熱交換器、建築用板材、および成形性と強度のバランスが必要なその他の板材用途で一般的に使用されています。

エンジニアは、3xxx系ファミリーの深絞りや成形特性を損なわずに3003よりも強度を高めたい場合に3004を選択します。激しい成形やコスト重視で加工性の高い板材が必要な場合には、高強度熱処理可能合金よりも3004が選ばれます。

テンパーの種類

テンパー	強度レベル	伸び	成形性	溶接性	備考
O	低	高（20～30%）	優秀	優秀	最大の成形性を得るための完全焼鈍状態
H14	中程度	低～中程度（6～12%）	良好	良好	1/4硬化の加工硬化状態。絞り成形部品によく使われる。
H18	高	低（3～8%）	制限あり	良好	完全硬化。より高い強度と剛性が必要な用途に使用される。
H24	中程度	中程度（10～18%）	良好	良好	加工硬化後に部分焼鈍。成形性と強度のバランス。
H26	中～高	中程度（8～14%）	やや劣る	良好	機械的特性の中間を達成するための二段階テンパー。
H28	高	低（4～10%）	制限あり	良好	より強い冷間加工で降伏強さと引張強さを高める。

3004の特性は、強化に変形を利用しているため、テンパーによる影響が顕著です。OテンパーからHシリーズに移行することで降伏強さおよび引張強度は増加しますが、延性や伸ばし成形性は低下します。これらは深絞りや複雑な曲げ加工時に考慮すべき重要な点です。

3004は熱処理不能であるため、ほとんどのテンパーで溶接性は良好ですが、熱影響部の局所焼鈍や加工硬化テンパーでの溶接後強度低下を考慮したジョイント設計が必要です。

化学成分

元素	含有範囲（%）	備考
Si	0.05–0.6	脆い間質化合物を抑制するため管理される。ほかの合金では鋳造性向上に効果的。
Fe	0.2–0.7	一般的な不純物。高含有量は延性をわずかに低下させる間質粒子を形成。
Mn	1.0–1.5	主な強化元素。結晶粒の安定化と加工硬化能を向上させる。
Mg	0.8–1.3	加工硬化と補助的な固溶強化に寄与。
Cu	0.05–0.2	耐食性維持のため低く抑えられ、わずかに強度を高める。
Zn	0.05–0.2	微量。これらのレベルでは影響は限定的だが、粒間腐食抑制のため監視される。
Cr	0.05–0.20	微量で結晶粒細化と耐食性の若干の改善に寄与。
Ti	≤0.15	脱酸および製造工程での結晶粒微細化に利用。微量が結晶粒サイズを制御。
その他	各≤0.05、合計≤0.15	残留元素および微量元素。アルミニウムは残部（約96.2～98.8%）。

マンガンとマグネシウムが主要な性能向上因子であり、Mnはマイクロ構造の安定化および再結晶抵抗性を高め、Mgは加工硬化能と適度な固溶強化を促進します。鉄やシリコンなどの不純物は間質相を形成し、延性低下や表面外観に影響を与えるため、深絞りや装飾仕上げ用板材では厳格な管理が重要です。

機械的性質

3004の引張挙動は、冷間加工された熱処理不能アルミ合金の典型的な特性を示します。焼鈍状態では、降伏強さおよび引張強度は比較的低く均一伸びは高いため、深絞りや成形が可能です。中程度の冷間加工後は降伏強度が大きく上昇し延性は低下し、構造用板材部品として有用な強度域が得られます。

降伏強さと引張強さは板厚およびテンパーに敏感です。薄板は表面加工硬化や製造工程のテクスチャによって見かけ上の降伏値が高くなる傾向があり、逆に厚板や押出材は加工硬化効果が低くなり、同じテンパーでも強度はやや低くなることがあります。

疲労性能は中程度で、表面仕上げや成形・溶接による残留応力に依存します。表面の傷や切欠は疲労寿命を大幅に低下させます。硬さは引張特性に連動し、テンパー状態や加工度の簡易検査に有用です。

特性	O／焼鈍	代表テンパー（H14）	備考
引張強さ（UTS）	110–145 MPa	170–230 MPa	板厚や加工履歴、正確なテンパーにより範囲あり。
降伏強さ（0.2%オフセット）	35–75 MPa	120–170 MPa	H14テンパーは加工硬化により焼鈍値から大幅に増加。
伸び（A50 mm）	20–30%	6–12%	冷間加工の増加で大幅に低下。
硬さ（ブリネル硬さ、概算）	30–45 HB	55–85 HB	テンパーと連動し、品質管理や使用中のチェックに有用。

物理的特性

特性	値	備考
密度	2.70–2.73 g/cm³	鍛造アルミ合金の典型値。質量および剛性計算に影響。
融点範囲	約640～650 °C	固相線と液相線が近接。一般的な商用アルミ合金の溶融挙動。
熱伝導率	約120～160 W/m·K	合金元素による純アルミより低いが、熱伝達用途として良好。
電気伝導率	約30～40 % IACS（約17～23 MS/m）	純アルミに比べ低下。回路設計では抵抗増加を考慮すべき。
比熱	約900 J/kg·K	熱解析で用いられるアルミ合金の標準値。
熱膨張係数	約23～24 µm/m·K（20～100 °C）	比較的高い値。異種材料との接合設計時に重要。

これらの物理定数は、熱伝導性および低密度が重要で極端な耐熱性が不要な用途における3004の有用性を示しています。熱伝導率と電気伝導率は純アルミより低いものの、多くの鋼材と比較すれば依然として優れており、強度と成形性が求められる熱交換器フィンや導電性エンクロージャーに適しています。

熱膨張率と熱伝導率のデータは異材接合に不可欠であり、3004を大きく異なる熱膨張係数をもつ金属に接着・機械的固定する場合には、差熱膨張を考慮する必要があります。

製品形状

形状	代表的な厚さ／サイズ	強度の挙動	一般的な調質	備考
シート	0.2–4.0 mm	良好な冷間加工応答性；薄板は容易に成形可能	O, H14, H24	飲料缶のボディストックや建築用パネルに広く使用される。
プレート	4.0 mm超～約12 mmまで	厚みあたりの加工硬化量が減少；応力除去処理される場合あり	O, H18, H26	より大きなパネルや浅絞り部品が許容される用途で使用される。
押出材	中程度の断面積までのプロファイル	圧延板に比べて加工硬化は制限される；押出後の調質が必要	H14, H26	複雑な押出しには他の合金よりも少ないが、単純な形状には適している。
チューブ	典型的外径6–200 mm	冷間引抜きと焼鈍により肉厚特性を制御	O, H14	熱交換器用チューブや構造用途に使用される；耐食性が重要。
丸棒／ロッド	直径最大約100 mm	冷間引抜きにより強度向上；切削性は変動的	H14, H18	中程度の強度を要求される加工部品や機械部品に使用される。

成形製品の選択は合金の加工硬化性と意図する成形加工によって決定されます。シートや薄板製品が主流であるのは、3004が焼鈍状態で優れた絞り性を持ち、冷間加工による強化が制御可能だからです。

プレートや丸棒など厚みのある製品は均一な特性を得るために異なる加工方法（熱間圧延、固溶化／焼鈍サイクル）が必要な場合が多く、形状や剛性の要求が深絞り性よりも優先される用途で選ばれます。

等価グレード

規格	グレード	地域	備考
AA	3004	USA	調達時に一般的に使用されるAluminum Association指定。
EN AW	3004	ヨーロッパ	EN AW-3004に相当；化学成分許容差と機械試験方法はEN規格準拠。
JIS	A3004（類似品）	日本	日本規格はアルミニウム-マンガン-マグネシウム合金で名称に若干の違いがある。
GB/T	3A04 / 3004	中国	中国の名称は一般的に3A04と表記；組成の許容差に若干の差異あり。

等価規格はおおむね互換性がありますが、不純物許容限度、指定調質、試験手順に差異がある場合があります。購入者は常に特定の規格（AA、EN、JIS、GB/T）および調質証明を要求すべきであり、機械的特性の受入基準や板厚範囲が地域によって異なることに留意する必要があります。

製造工程（圧延条件、焼鈍パラメーター、最終表面処理）も、化学組成が同一グレードであってもテクスチャや成形性に有意な違いをもたらすことがあります。

耐食性

大気暴露下では、3004は他のAl-Mn系合金と同様に良好な一般耐食性を示します。自己修復性の酸化皮膜を形成し、通常の環境下で基材を保護します。マグネシウムの存在は局所腐食傾向にわずかな影響を与えますが、建築用被覆材や飲料缶ボディなどの用途における大気環境での一般耐食性を著しく損なうものではありません。

海水や塩化物含有環境では、3004はAl-Mg系（5xxx）合金に比べて孔食や隙間腐食にやや敏感です。露出したエッジ、溶接部、隙間部は設計上の配慮が必要であり、可能であれば保護被膜や陽極酸化処理を施すことが望ましいです。長期間の海水浸漬には、より高マグネシウム含有の5052合金や保護クラッド材が通常推奨されます。

応力腐食割れ（SCC）は、高強度熱処理合金と比較して3004では大きな問題にはなりません。非熱処理性で比較的低強度であるためSCC感受性は低いです。異種金属接触の場合、3004はステンレス鋼や貴金属よりもアノード的に反応しやすいため、電気的絶縁や適合したファスナー・被覆材の使用がガルバニック腐食の抑制に推奨されます。

1xxx系列の普通純アルミニウムと比較すると、3004は伝導率をやや犠牲にして強度を高めつつ同等の一般耐食性を維持します。5xxx系と比べると通常、孔食耐性は劣りますが、焼鈍調質での成形性は優れています。

加工性

溶接性

3004はGTAW（TIG）やGMAW（MIG）などの一般的な融接法で容易に溶接可能です。抵抗スポット溶接のような固相接合もシート組立てで実施可能です。使用される代表的な溶接棒はAl-Mg-Si系またはAl-Si系（ER4043やER5356など）で、溶接性、耐食性、母材との機械的適合性のバランスを考慮して選定されます。

高強度熱処理合金に比べて熱割れの傾向は低いですが、接合構造の設計や熱入力には注意が必要で、過度の局所的焼鈍による加工硬化調質部分の軟化を避ける配慮が求められます。溶接後の機械的特性は、冷間加工された母材の熱影響部で軟化する場合があり、強く加工された部品の局所的降伏強さ低下を設計で考慮すべきです。

切削性

3004の切削性は中程度で、鉛やビスマス系切削改良添加剤を含むアルミニウム合金よりも劣ります。比較的延性が高く、切りくずが長く粘る傾向があり、工具形状や断続切削で切りくずを破砕する工夫が求められます。ポジティブラケ角と切りくず破砕装置を備えた超硬工具の使用が推奨されます。

切削速度や送りは調質や断面寸法に応じて調整すべきで、切削油やフラッドクーラントの使用で工具寿命および仕上げ面が向上します。高速加工が要求される精密部品では、加工性改良型熱処理合金や添加剤入りの製品が好まれる場合があります。

成形性

成形性は3004の焼鈍状態（O調質）における最大の強みの一つであり、容器製造に一般的な深絞り、肩すき、複雑プレス加工に適しています。最小曲げ半径は調質や厚みに依存しますが、O調質では厚さの1～2倍（t）、H14などの加工硬化調質では割れ防止のため2～4倍の半径が必要です。

冷間加工により強度が上がる反面、伸びは減少します。バネ戻りは中程度で、金型設計時に考慮が必要です。中間焼鈍、潤滑制御およびストレッチ成形などの手法が複雑形状の成形性向上に有効です。

熱処理挙動

3004は非熱処理性であり、6xxxや7xxx系合金のような固溶体化処理や人工時効による強化効果はほとんどありません。固溶化処理を施してもMnやMgは主に加工硬化および固溶強化に寄与し、析出硬化効果は限定的です。

特性の制御は冷間加工と焼鈍サイクルによって行い、完全焼鈍（O調質）は通常300～420℃の温度域で再結晶させ、最大の延性を得るために加熱保持後急冷します。部分焼鈍（H2x、H3x調質）は冷間変形後の中間的な強度・延性バランス設定に用いられます。

T系調質（T5、T6など）は3004には一般的に適用されず効果も乏しいため、調質の指定と選択は予測可能な結果を得るためにH系およびO系に限定することが推奨されます。

高温性能

3004の強度は温度上昇とともに低下し、融点よりずっと低い温度でも顕著な軟化が生じます。約100～150℃を超えると持続強度は減少し、クリープが無視できなくなります。断続的な高温使用ならば適温域まで使用可能ですが、150℃以上の連続構造用途は推奨されません。

アルミニウムが保護酸化皮膜を形成するため、通常の高温サービス条件での酸化は最小限ですが、高温多湿や腐食性大気が継続する環境では保護被膜や継手シールの使用が望ましいです。熱暴露は冷間加工状態を緩和し、以前に加工された調質で機械的特性を変化させることがあるため、使用部品の熱履歴を考慮する必要があります。

溶接熱影響部は冷間加工があった部分で局所的軟化を示し、これにより強度低下が生じるため、高温環境用溶接構造の設計時にはこの点を考慮しなければなりません。

用途例

業界	代表的な部品	3004が選ばれる理由
包装・飲料	缶胴体およびシェル	薄板缶製造に適した優れた深絞り性と強度のバランス
空調・熱交換	フィン、コイル、チューブ	フィン材およびチューブ向けの良好な熱伝導性と成形性
建築	外装材、軒天材	成形性、表面仕上げ性、適度な耐食性
自動車	内装パネル、非構造用トリム	成形性と打抜き部品の軽量化
電子機器	ヒートスプレッダ、エンクロージャー	熱管理性と製造性、コストパフォーマンスの両立

3004はシート材の成形性と、3003に比べて適度に向上した強度を要求される場合に広く使用されており、製造性を損なわずコストの大幅な増加も避けられます。特に飲料缶胴体への適用は、安定した絞り性、表面仕上げ、重量当たりコストが重要となる過酷な生産環境を示す好例です。

より高い耐食性や高温時の持続強度が求められる部品には他の合金系が選ばれますが、大量生産される成形シート用途においては3004が経済的で堅牢な選択肢として根強く支持されています。

選定のポイント

商用純アルミニウム（1100）よりも高い成形強度が必要で、かつ1100が持つ加工性や優れた表面仕上げ性をできるだけ維持したい場合は3004を選択してください。1100に対しては電気伝導率や最大延性の一部を犠牲にする代わりに、降伏強さや引張強さが向上しており、その結果として成形部品の薄板化が可能になります。

3003や5052のような近傍の冷間加工合金と比較すると、3004はその中間に位置します。3003より強度が高く、同程度の成形操作が可能で、一般的な耐食性は3003の一部ロットより優れています。一方で5052は海洋環境における優れた耐食性とより高い強度を提供する一方、絞り性はやや劣ります。6061や6063のような熱処理合金と比べると、3004は成形性および低コストの板材生産を重視し、最高強度を必要としない場合に選ばれます。熱処理が困難な深絞り部品や連続生産には特に適しています。

まとめ

3004合金は実用的な用途分野を担っており、基本的な3xxx系合金に対し信頼性の高い深絞り成形性と有用な強度向上を両立する加工硬化型Al-Mn-Mg合金です。バランスの取れた耐食性、良好な接合特性、そして生産コスト面の有利さにより、飲料容器、空調部品、成形建築外装板材など、製造性とコスト管理が最重要となる領域で主要な選択肢として位置づけられています。