アルミニウム3033：組成、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

3033はアルミニウム合金の3xxx系に属し、マンガンを主成分とする非熱処理型の加工硬化性合金です。マンガンが主要な強化元素であるMn優勢ファミリーに位置し、主に冷間加工によって強度を高めます。

3033の主な合金元素にはマンガンが含まれ、シリコン、鉄、銅、マグネシウム、亜鉛、クロム、チタンが少量添加されています。これらの微量元素は強度、成形性、耐食性のバランスを取るために調整されています。本合金はMnおよび微量元素による固溶強化と加工硬化（ひずみ硬化）に依存しており、析出硬化を伴わないため、機械的性能は主に材質の硬さ（Temper）と冷間加工履歴に左右されます。

3033の主要な特徴は、商業的純アルミと比較して中程度の強度、焼なまし状態での良好な成形性、多くの環境下での適度な耐食性、そして標準的なアルミ溶接プロセスにおける一般的に良好な溶接性です。使用分野としては建築・建設、自動車ボディ・トリム、HVAC、消費財、そして中程度の強度と良好な成形性が求められる一部の海洋・電子部品が挙げられます。

エンジニアは、純アルミより強度が高く、O材の優れた成形特性と経済的な加工を求める場合に3033を選択します。深絞りや複雑な成形が必要な場合や、溶接後の強度保持が最大限の降伏強さより重要な場合には、高強度の熱処理型合金より優先されます。

硬さ（Temper）のバリエーション

硬さ（Temper）	強度レベル	伸び率	成形性	溶接性	備考
O	低	高	非常に良好	非常に良好	完全に焼なまし済み；最も成形・絞り加工が容易
H12	低〜中	中程度	非常に良好	非常に良好	軽い加工硬化、寸法安定性あり
H14	中	中〜低	良好	非常に良好	一般的な板材の硬さ；成形性と強度のバランス
H16	中	中〜低	良好	非常に良好	H14より強度が高く伸び率は低下
H18	中〜高	低い	可	非常に良好	より強い加工硬化で高い降伏強さ
H22	中	中程度	良好	非常に良好	加工硬化および部分的に焼なまし、成形制御用
H24	中〜高	中〜低	可	非常に良好	加工硬化および安定化、ばね戻り制御用
H111	可変	可変	可変	非常に良好	O材とH1x材の間の熱・機械的状態；軽度の加工硬化

硬さ（Temper）は機械的性質に大きく影響します。3033はほぼ完全に塑性変形と転位蓄積によって強度が増加するためです。焼なましのO材は深絞りや複雑な成形に用いられ、H1x硬さはより高い降伏強さと寸法制御が必要な場合に使われます。

3033は析出硬化型合金ではないため、溶接性は一般的に硬さにかかわらず高いですが、強く冷間加工された硬さでは溶接熱影響部で局所的な軟化が起こり、溶接近傍の強度低下を招くことがあります。そのため、適切な硬さの選定は成形性、最終製品の強度、製造後の加工プロセスのバランスを考慮する必要があります。

化学成分

元素	含有範囲（％）	備考
Si	0.10–0.60	鋳造時の流動性調整および強度にやや影響
Fe	0.20–0.70	一般的な不純物。高濃度では延性を低下させる
Mn	0.6–1.5	3xxx系合金の主要な強化元素
Mg	0.02–0.20	強度や耐食性に少量寄与
Cu	0.02–0.20	微量添加で強度増加も耐食性低下の可能性
Zn	0.02–0.25	強度に少量影響、多量は性能低下を招く
Cr	0.01–0.10	結晶粒制御および再結晶防止に寄与
Ti	0.01–0.15	鋳造または圧延製品の結晶粒微細化剤
その他（各元素）	最大0.05	微量添加および残留元素；総量制御あり

上記の成分範囲は3033型合金の一般的な産業範囲であり、個別のサプライヤー仕様や規格によって異なる場合があります。マンガンは固溶強化と結晶粒制御の支配的元素であり、微量元素は加工性、表面品質、耐食性を調整します。

マグネシウムと銅のわずかな添加は強度を高めますが、耐食性が一部損なわれることがあります。鉄とシリコンは不純物として許容されますが、成形性や疲労性能を損なう脆い間相の形成を避けるために制限されます。

機械的性質

非熱処理合金である3033の引張特性は主に硬さと板厚の影響を受けます。焼なましのO材では比較的低い降伏強さと中程度の引張強さ、高い伸び率を示し、絞り加工に適しています。加工硬化した硬さ（H14〜H18）では降伏強さと引張強さが向上し、伸び率は低下します。加工硬化指数とr値は板材の成形性やばね戻り挙動に影響を与えます。

硬さは硬さレベルと冷間加工度に相関し、焼なまし時は低く、H1x系硬さで大幅に向上します。疲労性能は表面仕上げ、成形・溶接による残留応力、腐食の有無に大きく依存し、研磨された冷間加工部品はラフで焼なまし部品よりも耐疲労限度が高い傾向があります。板厚の影響は一般的で、薄板は冷間加工面積当たりの加工度が高いため強度が高く見えますが、厚板は加工硬化への感応度が低く、柔らかい硬さのみの取り扱いとなる場合もあります。

特性	O/焼なまし	代表的な硬さ（例：H14/H18）	備考
引張強さ	約110–150 MPa	約160–230 MPa	冷間加工度と板厚により幅あり
降伏強さ	約35–80 MPa	約120–200 MPa	H1x硬さで大幅に向上
伸び率	約25–40％	約6–20％	焼なましは高延性；H18は大幅に低下
硬さ（HRB）	約20–40	約40–75	加工硬化レベルに比例

上記の数値は3033の板材および押出材の代表的な範囲です。設計計算には必ずサプライヤーの認証データを用いてください。設計者は溶接後の熱影響部での強度低下や、硬さ特有の降伏強さ・弾性率に基づくばね戻りを考慮して成形条件を指定する必要があります。

物理的性質

特性	値	備考
密度	2.70 g/cm³	アルミ合金として標準的。重量・剛性計算に使用
融点範囲	約640〜660 °C	固相線から液相線の範囲。合金元素により影響
熱伝導率	約120〜160 W/m·K	純アルミより低いが、非重要な放熱用途に適す
電気伝導率	約30〜45 % IACS	合金化により純アルミより低下。適度な導電部品に使用可
比熱	約896 J/kg·K	室温付近の参考値
熱膨張係数	約23〜24 µm/m·K（20〜100°C）	加工性アルミ合金として標準的な等方膨張

3033は密度約2.70 g/cm³とアルミニウムの軽量性を保持しており、軽量化が重要な用途で魅力的です。熱伝導率や電気伝導率は純アルミより低いものの、多くの放熱や中程度の導電性が求められる用途には十分です。高性能ヒートシンク用途では、より伝導性の高い合金や純アルミが選ばれます。

熱膨張率は他のアルミ合金と類似しており、異種材料との組み合わせでは温度変化による応力や寸法ずれを避けるために適切な設計上の配慮が必要です。

製品形状

形状	代表的な厚さ・サイズ	強度挙動	一般的なテンパー	備考
シート	0.2–6.0 mm	冷間加工に良く反応する	O、H14、H16、H18	パネル、HVAC、エンクロージャに使用
プレート	>6.0 mm	降伏硬化の反応は低い	O、H111	厚物は一般的に軟らかい状態で供給される
押出形材	断面に依存	形状によって冷間加工は制限される	O、H112	構造用や装飾用の複雑な断面形状
チューブ	肉厚0.4–6.0 mm（変動あり）	引抜チューブは強度が向上する	O、H14、H16	家具、HVAC、熱交換器に使用
バー／ロッド	直径Ø3–Ø60+ mm	押出後の加工硬化は限定的	O、H111	機械加工用素材、ファスナー、シャフト

3033のシートおよび薄板製品は高い成形性を持ち、構造用および装飾用の多くはOまたは軽いHテンパーのシートを使用しています。押出形材やチューブは寸法安定性を管理するために急冷および自然時効を厳密に制御する必要があり、厚板は厚物の加工硬化効果が低いため、一般的に軟らかい状態で販売されます。

加工方法の違いも重要です。シートは深絞りやロール成形が容易に可能ですが、押出形材は複雑な断面形状を実現できる一方で追加の機械加工を必要とする場合があります。溶接性やその後の仕上げ（アルマイト処理、塗装）も製品形状の選択に影響します。

同等鋼種

規格	鋼種	地域	備考
AA	3033	米国	Aluminum Association登録の合金に対する業界指定
EN AW	3033	ヨーロッパ	EN規格における一般的な商業指定
JIS	—	日本	厳密な1対1のJIS相当はなく、Al-Mn系3xxxシリーズ合金の挙動に近い
GB/T	—	中国	多くの公開されたGB規格に直接対応する鋼種はなく、3A21/3xxxファミリーに類似

3033はAluminum Associationで標準化されており、欧州ではEN AW-3033として識別されることが多いですが、国ごとの規格で厳密な1対1の相当品が存在しない場合があります。直接の同等品が公表されていない場合、エンジニアは化学成分やテンパーの挙動を近しい3xxxシリーズ合金（例：3003、3004）と比較し、サプライヤーデータを用いて性能を検証する必要があります。

置換の際は、Mn含有量、不純物許容限界、テンパー反応、およびサプライヤーの加工管理など主要な指標を確認し、成形性、耐食性、溶接性に予期せぬ差異が生じないよう留意してください。

耐食性

3033はAl-Mn合金特有の一般的な大気中耐食性に優れており、自然に形成される酸化被膜が都市部および農村部の環境で保護機能を発揮します。SO2や酸性汚染物質の多い工業環境では、より耐食性の高い合金や特殊な被覆システムと比較して性能が劣るため、表面保護や適切な塗装が一般的に指定されます。

海洋または高塩素環境下では、3033は中程度の性能を発揮しますが、海水暴露に特化した5xxxシリーズ（Al-Mg合金）ほどの耐久性はありません。軽度の腐食環境におけるピッティング耐性はまずまずですが、長期間の浸漬や飛沫帯域での使用には、5xxxシリーズ合金や適切な防護塗装が推奨されます。

応力腐食割れの感受性は低いです。3033は熱処理非対応合金であり、割れを促進する沈殿硬化組織を持たないためです。ただし、成形や溶接による残留引張応力と特定環境の組み合わせにより局所的なリスクが生じる場合があります。ガルバニック腐食は一般的なアルミニウムの挙動に従い、より貴金属（金属銅、特定条件下のステンレス鋼等）と接触するとアルミニウムが陽極となって選択的に腐食します。電気的に絶縁するか陰極防食を施すことが重要です。

加工特性

溶接性

3033はTIG（GTAW）やMIG（GMAW）など一般的なアルミ溶接法で容易に溶接可能です。推薦される母材と同系合金の溶接材は、流動性が良く割れにくいAl-Si系（例：4043）や、より高強度で母材の延性に近いAl-Mg系（例：5356）があります。高強度合金程ではないものの熱割れのリスクは低いため、適切な接合設計、清浄度の確保、熱入力の管理が孔食や熱影響部軟化防止に重要です。

切削加工性

3033の切削加工性は3xxxシリーズ合金と概ね同程度で、中程度です。自由切削性アルミ合金より難しく、熱処理強化合金よりは加工しやすいです。ポジティブレイクの超硬工具、剛性の高いセットアップ、フラッド冷却により安定した切りくずと工具寿命が得られます。切削速度は中程度、送りはビルドアップエッジ防止に調整してください。表面仕上げと寸法精度はテンパーに左右され、加工硬化の強いテンパー程切削力が増し、バリ発生傾向が低減します。

成形性

成形性は3033の強みのひとつで、焼きなましのOテンパーでは深絞りやストレッチ成形、複雑な曲げ加工にも割れが少なく対応可能です。最小曲げ半径はテンパーや板厚に依存しますが、一般的に中程度の引き曲げで板厚の約1～3倍、H18/H24テンパーではそれ以上が推奨されます。冷間加工により強度は増しますが伸びが低下しばね戻りが増加するため、設計者は成形性と最終的な機械的特性のバランスを考慮してテンパーを選ぶ必要があります。

熱処理挙動

3033は熱処理非対応合金であり、2xxx/6xxx/7xxx系合金で用いられる溶体化処理・時効処理のような沈殿硬化は発生しません。人工時効を試みても、自然時効の小さな効果を超える強度向上は見られません。そのため熱処理は材料を硬化させる目的ではなく、主に焼なましや軟化を目的として使用されます。

加工硬化が主要な強化機構であり、冷間圧延、引抜、曲げ等による転位密度の増加で降伏強さおよび引張強さが高まります。完全焼なまし（Oテンパー）は再結晶および回復により延性を回復します。安定化テンパー（H112、H22、H24）は冷間加工と低温熱処理の組み合わせにより、降伏後のばね戻りや寸法安定性を制御しつつ、沈殿硬化に依存しない状態で達成されます。

高温性能

3033の使用強度は温度上昇に伴い低下します。概ね100～150 °Cを超えると回復およびクリープ機構が加速し、降伏強さや引張強さが顕著に減少します。高温での連続運転が想定される場合は、強度保持性に優れた高温用合金の選択を検討してください。

酸化挙動はアルミニウムとして良好で、保護酸化膜が迅速に形成されますが、高温の湿潤環境や塩素含有環境下での長時間曝露は腐食を促進する可能性があります。溶接部や重度の冷間加工部は熱的ストレスにより局所軟化やクリープ抵抗の低下が起こりやすいです。

用途例

業界	代表例部品	3033が選ばれる理由
自動車	インテリアトリム、装飾パネル	良好な成形性、適度な強度、コストパフォーマンス
海洋	非構造用ハウジング、トリム	中程度の耐食性と軽量性
航空宇宙	内装金具およびブラケット	非重要構造部品に適した比強度
電子機器	シャーシ、中程度負荷の放熱板	成形性と熱伝導性のバランス

3033は複雑な成形が要求される部品、非重要な海洋環境での信頼性の高い耐食性能、経済的なシート部品での使用が多い合金です。良好な溶接性、軽量性、および予測可能な加工硬化挙動の組み合わせにより、中程度の負荷を受ける構造部材や外観部品に幅広く適用されています。

最高強度が必須でないが、成形性や加工後の品質維持が重要な多くの用途で、3033はコストと性能の現実的なバランスを提供します。

選定のポイント

純アルミより高い強度を必要としつつ、優れた成形性と容易な溶接性を維持したい場合は3033が適しています。3xxxシリーズの中で実用的な折り合いの合金です。深絞り成形後に冷間加工による強化を計画している場合、Oテンパーの3033は最大の成形性と予測可能な硬化挙動を可能にします。

一般的な純アルミニウム（例：1100）と比較すると、3033は電気伝導性および熱伝導性をやや犠牲にする代わりに、強度が向上し、へこみや疲労に対する耐性が高まっています。通常の加工硬化系合金（例：3003や5052）と比較すると、3033はマンガン系ファミリーの中で強度と耐食性のバランスが良く、3003より強度が高くても類似した成形特性を維持することが多いです。熱処理可能な合金（例：6061や6063）と比較すると、3033は同じピーク強度には達しませんが、深絞り成形や時効を気にせずに溶接を行う場合、またはコストの低い板材の入手が優先される場合に好まれます。

まとめ

3033は、成形性、耐食性、コストのバランスを保ちつつ、製造性や溶接性、適度な強度を求めるエンジニアにとって依然として有用なアルミニウム材です。加工硬化挙動が予測可能であり、板材や押出材として広く流通しているため、多くの産業用途および消費者用途において耐久性のある選択肢となっています。