アルミニウム3103：組成、特性、硬さ区分ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
Alloy 3103は3xxxシリーズのアルミニウム-マンガン系合金に属し、商業的に合金化された非熱処理型の軟質圧延合金として位置づけられています。主要な微量合金元素はマンガンであり、強度と成形性を調整するためにシリコン、鉄、銅、マグネシウムを少量添加し不純物を管理しています。
3103の強度は主に固溶体強化と冷間加工による加工硬化によって生み出され、析出硬化による熱処理ではありません。この合金は中程度の強度と非常に良好な延性、多くの大気環境下での優れた耐食性、さらに板材や押出材の溶接性と成形性の容易さを両立しています。
3103を使用する主な産業分野は、建築用クラッディング、一般製缶、空調部品、深絞りや大きな成形が求められる消費財などです。エンジニアは、純度の高い合金よりも成形性を損なわず機械的性能を適度に向上させたい場合、一般的な1xxxや3xxx合金と比較してコスト増を抑えつつ3103を選択します。
状態変化（テンパー）バリエーション
| テンパー | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 焼なまし状態；成形における最大の延性を有する |
| H14 | 中程度 | 中程度 | 非常に良好 | 優秀 | 軽度の加工硬化；絞り部品で一般的 |
| H18 | 高 | 低め | 良好 | 優秀 | より強い加工硬化で剛性向上 |
| H24 | 中程度 | 中程度 | 非常に良好 | 優秀 | 加工硬化後部分焼なましでバランス調整 |
| H22 / H26 | 中～高 | 中～低 | 良好 | 優秀 | 中間的な硬化レベルで一般的に供給される |
3103のテンパー状態はほぼ冷間加工の度合いで特性が変化します。O（焼なまし）は最も優れた延性と成形性を示し、H系テンパーでは降伏強さおよび引張強さが段階的に増加します。Al-Mg-SiやAl-Cu系とは異なり、3xxxマンガン合金は熱処理可能なTテンパーを持たないため、テンパー選択は冷間加工と復元焼なましの組み合わせが中心となります。
化学組成
| 元素 | 含有率範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.20–0.60 | 不純物レベル；シリコンが多いと強度はやや増すが延性は低下 |
| Fe | 0.40–1.20 | 一般的な不純物で、相間化合物を形成し伸びを減少させることも |
| Mn | 0.80–1.50 | 主合金元素；固溶強化および結晶粒制御を担う |
| Mg | 0.05–0.50 | 少量添加で強度を助けるが、主要な硬化機構ではない |
| Cu | 0.05–0.20 | 局所腐食の影響を抑制するために制御された低濃度 |
| Zn | 0.05–0.30 | 微量で析出硬化を起こさないよう低く抑えられている |
| Cr | 最大0.05 | 一部製品の再結晶制御のための痕跡添加 |
| Ti | 最大0.05 | 鋳造品や特定の圧延処理での結晶粒微細化剤 |
| その他 | 残部Alおよび残留物 | Pb、Snなどの痕跡元素は規格に従い管理 |
マンガンの含有量は3103の特徴的な組成管理であり、純粋なグレードとの差異の大部分の機械的特性をもたらします。シリコンと鉄は原材料および製造工程由来の典型的な残留元素であり、それらの相の形態と大きさが深絞り部品の延性や成形性に影響を与えます。
機械的性質
焼なまし状態の3103は引張強さと降伏強さが控えめで、延性は比較的高く成形や絞り加工に適しています。Hテンパーの冷間加工により降伏強さと引張強さが向上しますが、その分延性は犠牲となります。硬さはテンパーに対応し、O状態で低めのブリネル硬さ域、Hテンパーでより高くなります。疲労強さは中程度で表面仕上げや冷間加工の影響を受けます。
厚さは機械的特性に影響し、薄板は均一に加工硬化しやすく絞りやすい一方、厚板や押出材は結晶粒が大きく成形後に残留応力が高くなる傾向があります。溶接による熱影響部は析出硬化に依存しないため脆化しにくいですが、溶接近傍の冷間加工部の焼なましによる局所的な軟化は発生することがあります。
| 特性 | O/焼なまし | 主要なテンパー（例：H14/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 100–145 MPa | 140–190 MPa | 板厚・テンパーで変化；H18は上限近く |
| 降伏強さ | 40–80 MPa | 90–140 MPa | 加工硬化により大幅増加 |
| 伸び | 20–38% | 6–18% | 焼なましは非常に高い延性；Hテンパーは低下 |
| 硬さ | 25–50 HB | 50–85 HB | ブリネル硬さ概算；加工硬化により増加 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70 g/cm³ | 軟質アルミニウム-マンガン合金として標準的；重量設計に有用 |
| 融点範囲 | 645–660 °C | 軟質アルミ合金特有の固相線-液相線範囲 |
| 熱伝導率 | 120–150 W/(m·K) | 純アルミより低いが熱管理には十分高い |
| 電気伝導率 | 30–40 % IACS | 合金化により純アルミより低減；バスバーや導体に部分的に適用可 |
| 比熱 | 0.90 kJ/(kg·K) | 常温で設計熱容量の代表値 |
| 熱膨張係数 | 23.5 ×10⁻⁶ /K | 一般的なアルミ合金の線膨張係数に近い |
3103はアルミの優れた熱伝導率および比熱を多く保持しており、良好な成形性が求められる中程度の熱管理用途に適しています。電気伝導率は純アルミ比で低いものの、最大伝導率を必要としない機械的特性および成形性重視の用途では十分な性能を示します。
製品形態
| 形態 | 代表厚さ／寸法 | 強度特性 | 代表的テンパー | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼板 | 0.2–6.0 mm | 均一な薄板の加工硬化 | O、H14、H18 | 絞り、打抜き、外装ファサードに広く使用 |
| 厚板 | 6–25 mm | 成形性は低め；大きな結晶粒 | O、H22 | 構造用パネルや製缶用途 |
| 押出材 | 肉厚1–10 mm | 方向性の強度；異方性の可能性あり | O、H14 | 建築用型材やチャンネル形状に使用 |
| 鋼管 | 外径6–168 mm | シームレス・溶接管とも良好な絞り性 | O、H14 | 空調ダクトや装飾用管材 |
| 丸棒・棒材 | 直径3–50 mm | 用途は限定的；加工性は中程度 | O、H14 | ファスナーや旋盤部品で成形性重視でないもの |
3103の主な製品形態は鋼板およびコイルであり、この合金の主な特徴である成形性と表面仕上げの容易さを最大限に活かせます。押出材や鋼管は熱間・冷間変形時の流動特性を利用し、一方で厚板や丸棒は成形要求が低く寸法安定性や剛性が重要な用途に使われます。
相当グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3103 | USA | 米国アルミニウム協会指定名称 |
| EN AW | 3103 | 欧州 | 欧州の軟質指定；類似の化学組成と特性 |
| JIS | A3103 | 日本 | Al-Mn系合金ファミリーに準ずるJIS指定 |
| GB/T | 3103 | 中国 | 中国の軟質Al-Mn合金規格 |
3103の各地域規格は組成や許容不純物は大きく整合されていますが、FeやSiの許容範囲やテンパー定義に若干の違いがあります。これらの微細な差異は最終的な微細組織、特に相間化合物の形態に影響し、建築用途での深絞り性能や外観品質にも影響を及ぼします。
耐食性
3103は他のAl-Mn合金と同様に大気環境下で非常に良好な耐食性を示します。マンガンによるガルバニック腐食の感受性増加はほとんどなく、農村部や都市部では基材を保護する安定した酸化皮膜を形成します。工業地域の雰囲気下では硫黄系や酸性の汚染物質により局所攻撃が促進されやすくなりますが、一般的には許容範囲内の性能を発揮します。
海洋環境や塩化物が多い過酷な環境下では、3103は中程度の性能を示しますが、海洋用途に特化した5xxx系Al-Mg合金ほどの耐久性はありません。3103は時効硬化しないため応力腐食割れのリスクは低いものの、ステンレス鋼や銅などより貴な材料とのガルバニック作用により、設計上で電解液が閉じ込められると局部腐食が促進されることがあります。1xxx系（CP-Al）と比較すると、3103合金は機械的性能が向上し、耐食性は同程度かやや低下する傾向にあります。一方、5xxx系合金と比べると、成形性を優先する代わりに耐食性の一部を犠牲にしています。
加工性
溶接性
3103は従来の溶融溶接法（TIG/MIG）で容易に溶接でき、非時効硬化性のため熱割れの感受性は低いです。推奨される充填材は3xxx系合金や、延性向上を目的とした汎用Al-Mg系充填材が多く、溶接後の成形要件を考慮して選択する必要があります。隣接する冷間加工領域の過度な軟化を防ぐため熱入力の管理が重要ですが、時効硬化合金ほど熱影響部の軟化は問題になりにくいです。
切削性
3103の切削性は中程度で、鉛やビスマスを添加した自由切削アルミ合金よりやや劣ります。鋭利な超硬工具の使用、適切な切削速度、良好な切りくず排出により安定した表面仕上げが得られます。薄肉部の切削では送り速度がバリ発生に影響します。連続的な切りくず形成を促進し、ビルドアップエッジの発生を抑制する工具形状が、旋削および穴あけ加工の生産性向上に寄与します。
成形性
3103の最大の利点の一つは成形性であり、O材質の低～中程度の降伏強さにより深絞り、ロール成形、複雑な曲げ加工が可能です。最小曲げ半径は材質や板厚に依存しますが、O材質では内部曲げ半径が板厚の0.5～1.0倍程度で亀裂なく加工できるのが一般的です。厳しい成形条件では、ばね性を制御するためにH14または中間H材質を選択し、複数段階の成形時には中間焼鈍で延性を回復させます。
熱処理挙動
3103は非時効硬化性合金であり、溶体化処理や時効サイクルによる強度調整はできません。強度調整は冷間加工と制御焼鈍によって行います。通常の焼鈍（O材質）は、再結晶と加工硬化の除去に十分な温度で行い、その後の成形作業に必要な延性を回復させます。強化相の析出を目的とした人工時効はこの合金群には効果がないため、熱処理は主に回復と粒成長制御に重点を置きます。
生産工程では、目標とするH材質を得るために焼鈍と冷間加工を交互に行います。部分焼鈍（H24スタイル）は、限られた再結晶を許容して成形性を保持しつつ降伏強さを高めるバランスを提供します。加工や溶接中の熱暴露を厳密に管理し、不意の軟化や粒の粗大化による機械的特性や表面仕上げの悪化を避けることが必要です。
高温特性
3103の強度保持性は温度上昇とともに徐々に低下し、約150～200 °C以上で著しい軟化が始まります。そのため高温下での構造用荷重には一般的に適しません。これらの温度ではアルミナ酸化皮膜により酸化は抑制されますが、長時間曝露により粒成長や析出物の粗大化が促進され、延性と疲労耐久性が低下します。本合金は短期的な熱変動や中低温度範囲での使用に適しており、常時高温の構造用には不向きです。
溶接部の熱影響部は局所的に焼戻し効果を受けることがありますが、時効硬化型合金ではないため、これらの変化は主に冷間加工強化の減少や局所的な粒構造の変化として現れ、過時効とは異なります。設計者は、継続的に高温に晒される部品の許容応力を減額し、200 °C超えの連続使用には代替合金の検討が推奨されます。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 3103を使用する理由 |
|---|---|---|
| 建築 | 外装パネル・軒天パネル | 複雑形状における優れた成形性と表面仕上げ |
| 空調 / ダクト | 送風ダクト・プラナム | 容易な加工性、耐食性、軽量性 |
| 家庭用品 | キッチン家電、調理器具外装 | 深絞り性能と表面処理適合性 |
| 自動車 | 内装トリム、非構造用ボディパネル | CP-Alに対する成形性と強度のバランス |
| 電子機器 | 放熱器ハウジング | 良好な熱伝導性と容易なプレス加工 |
3103は成形性と適度な強度、耐食性を兼ね備え、複雑な成形や美しい表面仕上げを必要とする非構造部品に実用的な選択肢です。加工しやすいため、大量生産のプレスや深絞り部品の製造で工程の複雑さとコストを削減します。
選定のポイント
工学的に1100のような商用純アルミニウムと3103を比較する場合、3103は引張強さや降伏強さが高いものの、電気伝導性や熱伝導性がやや低下します。複雑な成形性と適度な強度向上を優先する場合は3103を選択してください。
3003や5052などの他の加工硬化合金と比べると、3103は一般的に強度や耐食性で3003と5052の中間に位置します。1100や3003より強度は高く、Mg含有量が多い5xxx系より成形性が優れています。3003以上の強度が必要で、深絞り性や表面仕上げも維持する必要がある場合に3103が適しています。
6061や6063のような時効硬化性合金と比較すると、3103は最高強度には達しませんが、複雑成形やコスト低減、耐食性と成形性のバランスを重視する際に好まれます。ポスト成形で熱処理が困難なプレスや深絞り形状には3103を選ぶと良いでしょう。
まとめ
3103合金は、成形性、耐食性、コスト効率の良い加工性を重視し、純アルミニウムに比べて適度な強度向上を必要とする部品に実用的なエンジニアリングアルミニウムです。非時効硬化性のため、製造工程が簡素化され、建築、空調、家庭用品分野でのプレス、深絞り、押出部品のスタンダードとして広く用いられています。