アルミニウム3105：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
3105は3xxxシリーズの加工用アルミニウム合金の一種で、主にマンガンと少量のマグネシウムを合金元素としています。3xxxシリーズの合金であるため、熱処理はできず、冷間加工による加工硬化によって強度を得る材料です。析出硬化による強化は行いません。
主な合金元素はマンガン（Mn）と制御された少量のマグネシウム（Mg）で、シリコン、鉄および微量元素は低濃度に抑えられています。これらの合金元素により、商業純アルミニウムに対して強度を向上させつつ、優れた耐食性と非常に良好な成形性を維持しています。
3105の主な特性は、中程度の強度、大気腐食に対する優れた耐性、焼なまし状態での高い延性、および良好な一般的溶接性です。代表的な用途には、建築用の外装材や屋根材、一般板金加工、家電パネル、一部のトラック・トレーラーのボディパネルなど、成形性と耐食性のバランスが求められる分野があります。
エンジニアは、1000シリーズ合金よりも機械的性質の向上を求めるが、6xxxや2xxxシリーズのような高強度や熱処理可能な特性は不要な場合に3105を選択します。成形加工が主体で、加工硬化による後加工強度が許容され、コスト効率が重要な場合によく指定されます。
供給状態（テンパー）
| テンパー | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い（≥30%） | 優秀 | 優秀 | 最大延性と深絞り成形のための完全焼なまし状態 |
| H12 | 低〜中 | 中程度（約15〜25%） | 非常に良い | 優秀 | 圧縮または引張による部分加工硬化、良好な成形性を維持 |
| H14 | 中程度 | 中程度（約10〜18%） | 良い | 優秀 | 中程度の強度と良好な成形性を持つ一般的な商用テンパー |
| H16 | 中程度 | H14より低い（約8〜15%） | 良好〜やや劣る | 優秀 | より高い加工硬化による降伏強さと引張強さの向上 |
| H18 | 中〜高 | 低〜中程度（約6〜12%） | やや劣る | 優秀 | より重い冷加工により静的強度を向上 |
| H24 | 中程度 | 中程度（約12〜20%） | 良い | 優秀 | 固溶処理＋部分再加工；一部成形工程における寸法安定性を改善 |
テンパーは3105の延性と強度のバランスに大きく影響します。焼なましのO状態は複雑なスタンピングや深絞りに最適な最高の成形性を提供し、Hシリーズのテンパーは冷間加工や制御された加工硬化により段階的に強度を高めます。
テンパーの選択は、成形工程の順序、最終的に求められる強度、寸法安定性に依存する製造上の判断です。溶接組立の場合、焼なましまたは軽微な冷間加工テンパーは割れのリスクを低減し、歪み制御を容易にします。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | 脆性のある金属間化合物生成を抑え成形性を維持するため制限 |
| Fe | ≤ 0.7 | 残留鉄；延性を低下させる粗大な金属間化合物の形成を抑制 |
| Mn | 0.7 ～ 1.3 | 主な合金元素であり、固溶強化と結晶粒の安定化を提供 |
| Mg | 0.2 ～ 0.7 | 少量のマグネシウムが強度と加工硬化効果を向上 |
| Cu | ≤ 0.25 | 制限された銅；微量で強度向上に寄与するが耐食性低下の可能性あり |
| Zn | ≤ 0.2 | 制御し低いレベルに抑え析出物の制御と耐食性維持に寄与 |
| Cr | ≤ 0.1 | 微量；一部の鋳片における結晶粒制御に使用される場合あり |
| Ti | ≤ 0.15 | 脱酸剤／結晶粒微細化剤として一部加工工程で使用 |
| その他 | 各 ≤ 0.05、合計 ≤ 0.15 | 微量不純物／残留物；安定した特性保持のため厳格に管理 |
3105の化学組成は、冷間加工硬化と耐食性のバランスを実現するよう調整されています。マンガンは主要な強化元素であり、熱処理不要で粒界強化効果を発揮します。適量のマグネシウムは冷間加工後の強度向上と加工硬化反応を改善し、銅と亜鉛を低く抑えることで一般腐食や電食劣化に対する耐性を維持しています。
機械的性質
引張強さに関して3105は典型的な3xxx系合金の傾向を示します。焼なまし時は降伏強さが低く、冷間加工に伴い連続的な加工硬化特性を示します。引張強さと降伏強さはテンパーや板厚に依存し、薄板は圧延・巻き取り工程中の加工硬化により実質的に高い強度を示す傾向があります。疲労性能は高サイクルの重要部品には適していませんが、表面仕上げや成形・溶接による残留応力に強く影響されます。
焼なまし状態（Oテンパー）は降伏強さが低く延性は高いため成形に最適です。H14およびH16テンパーは降伏強さと引張強さを中程度に向上させつつ、適度な延性を維持し、中程度の成形作業に適します。硬さは冷間加工量と相関し、HテンパーはOテンパーよりも高いブリネル硬さまたはビッカース硬さを示します。溶接時は熱影響部で局所的な硬化も観察されます。板厚差は無視できず、厚板は若干延性が低く、ミル加工の違いから単位断面積当たりの強度がやや劣ることがあります。
| 項目 | O／焼なまし | 代表テンパー（H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約90～140 MPa | 約160～210 MPa | メジャーな板厚とミル加工により範囲が広がる。HテンパーはOより約40～80 MPa高い |
| 降伏強さ | 約25～60 MPa | 約90～140 MPa | 加工硬化に伴い急激に上昇。厳密な降伏は冷間加工率による |
| 伸び | ≥30%（薄板） | 約10～18% | テンパーが上がると伸びは低下。厚板は一般的に伸びが低下 |
| 硬さ | HB 20〜40 | HB 40〜70 | 硬さはテンパーと冷間加工量に比例。数値は近似値で測定法に依存 |
物理的性質
| 項目 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.70 g/cm³ | 加工用Al-Mn合金の標準的密度。比強度設計に重要 |
| 融点範囲 | 約630～650 °C | 純アルミニウム（660 °C）よりわずかに低い。鋳造用融点とは異なり加工材には該当しない |
| 熱伝導率 | 約130～170 W/m·K | 純アルミより低いが熱拡散用途に充分優れる |
| 電気伝導率 | 約30～45 % IACS | 合金化により純アルミより低下。EMI対策や導体設計に影響 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 概算値。熱容量・過渡熱解析に有用 |
| 熱膨張率 | 約23～24 µm/m·K | 他のアルミ合金と同等。異種金属との接合で熱サイクルによる応力や変形に注意 |
3105はアルミニウムの低密度、良好な熱伝導性、比較的高い比熱といった有利な物理特性を保持しています。これらにより、軽量化と適度な熱伝達が求められる用途に非常に適していますが、純アルミ系合金より導電率はやや劣ります。
設計者は、鋼材や一部非鉄金属に比べて熱膨張率が高い点を考慮すべきであり、異素材を組み合わせた構造では温度変化による応力発生や部品変形のリスクに注意する必要があります。
製品形状
| 形状 | 標準厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2 – 6.0 mm | H調質で強度が向上 | O, H12, H14, H16 | 建築用パネルや家電パネルで最も一般的な形状 |
| プレート | >6.0 mm | シートに比べてわずかに低い延性 | O, H14, H18 | 厚板が必要な場合に使用されるが、あまり一般的ではない |
| 押出材 | 複雑な断面形状から大型プロファイルまで対応可能 | 押出後の冷間加工により強度向上可能 | O後に時効または冷間加工でH調質へ | Mn合金の押出しは可能だが、構造用押出材としては6xxx系が3xxx系より一般的 |
| チューブ | 小径から大径まで、肉厚は可変 | 製造方法（引抜きまたは溶接）に依存 | O, H14 | 耐食性と成形性を求められる配管に使用される |
| バー／ロッド | 軽構造部品用の丸棒・フラットバー | 控えめな強度で冷間加工により向上可能 | H14, H16 | シートよりは一般的でないが、限定的に成形部品やファスナーに用いられる |
3105においては、シートおよびコイルが支配的な市販形態であり、この合金のクラッディング、屋根材、家電パネル用途での有用性を反映しています。プレートや押出材も存在しますが、あまり一般的ではなく、特定の厚みや断面形状が他の合金より優先される場合に選択されます。
形状ごとの加工差異も重要です。圧延シートは大幅な冷間圧下とコイリングを受け、残留応力や調質応答に影響を与えます。押出材やチューブは押出し状態の特性があり、寸法および強度仕様を満たすために後加工（時効や冷間加工）が必要な場合があります。
相当グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3105 | 米国 | UNS A93105；北米で一般的な指定名 |
| EN AW | 3105 | ヨーロッパ | 一般的にEN AW-3105と記載；化学組成および公差は国際的な軟鋼アルミ標準に準拠 |
| JIS | A3105（一般的形態） | 日本 | 国内規格ではA3105または同等のAl-Mn-Mg組成が規定されている場合がある |
| GB/T | 3105 | 中国 | 中国の鋼・アルミ標準でも軟鋼アルミ系シリーズに同じ数字指定を使用 |
3105指定は世界的な規格で広く使用されており、化学組成や適用意図は地域間で概ね一致しています。地域ごとの許容差、許容不純物レベル、ミル証明書の慣行から小さな差異が生じる場合があります。重要なプロジェクトには、特定の規格参照およびミル証明書の提出を依頼し、組成および機械的特性の適合を確認してください。
耐食性
3105は一般的な大気腐食に対し良好な耐性を示し、典型的な都市部および田舎環境での性能も良好です。制御されたマンガン量と低銅含有量により、表面安定性がバランスされ、均一腐食の発生を減少させます。建築用途では塗装やコーティングにより耐久性がさらに向上します。
海洋環境下では、3105は甲板上や被覆された用途で使用可能ですが、5xxx系の高マグネシウム合金よりも浸漬や飛沫帯での耐久性は劣ります。塩化物による孔食はアルカリ性大気よりも海水曝露で顕著となるため、長期の海洋使用には追加保護（コーティング、陽極酸化、犠牲陽極）が推奨されます。
3105は析出硬化されていないため、通常条件下で応力腐食割れのリスクは低いですが、局所腐食や強い陰極性環境下での水素脆化は発生する可能性があります。ステンレス鋼や銅などのより貴な金属とガルバニック接触すると、3105が陽極として優先的に腐食しますので、電気的に分離するか保護措置を講じる必要があります。設計時には接合材やコーティングを用いてガルバニック電流を抑制してください。
他の合金系と比較すると、3105は1xxx系より強度面で優れている一方、類似の耐食性レベルを維持します。5xxx系のマグネシウムリッチ合金には及びませんが、6xxx系合金と比べると成形性は優れるものの構造強度は低く、陽極酸化の外観も異なります。
加工性
溶接性
3105はTIG（GTAW）やMIG（GMAW）などの一般的な融合溶接法で良好に溶接可能です。推奨フィラー材は、良好な流動性と割れにくさを持つ4043（Al-Si）や、より高い接合強度が必要な場合は5356（Al-Mg）です。フィラー選定は母材の調質や要求される耐食性によります。3xxx系合金は一部のAl-Si鋳造合金に比べて熱割れのリスクは低いですが、接合部のフィットアップや熱入力に注意し、歪みや熱影響部軟化を最小限に抑える必要があります。
切削性
3105の切削性は、フリーマシニングアルミニウム合金や一部の6xxx系合金と比較して中程度からやや劣ります。典型的な切削性指数は6xxx系圧延材より低いため、鋭利な炭化物工具、高いポジティブラケ、切粉排出良好な条件が推奨されます。切削速度は6xxx系の推奨値より低めに設定し、薄肉部品では潤滑やエアブラストによる切粉制御が必要となる場合があります。
成形性
退火O調質では優れた成形性を持ち、深絞り、ストレッチ成形、複雑な曲げ加工が可能です。O調質の最小内曲げ半径は簡単な曲げで厚さの0.5～1.0倍程度まで対応可能ですが、H調質では割れ防止のため1～3倍の厚みが必要となります。バネ性は中程度で予測可能であり、制御された予備ひずみや中間退火を用いて複雑形状を寸法精度よく実現可能です。
熱処理挙動
3105は非熱処理合金であり、強度は主に冷間加工（加工硬化）によって発現します。6xxx系や2xxx系のような実用的な固溶化処理・時効処理による析出硬化はありません。
延性回復および残留応力除去のために焼鈍が用いられます。3xxx系合金の産業的な焼鈍温度は300～415 °Cの範囲で、板厚に応じた浸透時間が設定され、急冷は不要です。T調質（人工時効）は3105の強度向上には意味がなく、ただし一部の商用処理では、固溶化焼鈍後に機械的再ひずみを加えて調質を安定化させる（例：H24調質）方法が取られています。
高温性能
3105の機械的強度は温度上昇とともに着実に低下し、構造用として有効な強度はおおよそ100～150 °Cを超えると大幅に減少します。成形、ろう付け、溶接などでの短時間高温曝露は許容されますが、高温での持続使用は降伏強さおよび引張強さを低減させます。アルミニウムの酸化は薄い保護酸化膜により自己制限的ですが、高温では酸化速度とスケール形成が増加し、長期高温使用時には考慮が必要です。
溶接の熱影響部では、溶接熱サイクルによる焼鈍効果で局所的軟化が生じることがありますが、析出硬化型合金のような著しい強度低下は見られません。高温負荷の大きい部品設計では、使用温度でのクリープや疲労特性の評価を行い、必要に応じてより高温耐性合金の採用を検討してください。
用途
| 産業分野 | 代表的な部品 | 3105採用理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 外板パネル、トリム部品 | プレス成形に適した良好な成形性；加工硬化後の中程度の強度 |
| 海洋 | 体積の大きい構造物、内装部品 | 一般的な耐食性と成形のしやすさ；建築用マリンパーツに最適 |
| 航空宇宙 | 非構造用フィッティング、フェアリング | 軽量で成形性に優れる非主要構造部品向け |
| 電子機器 | 薄型筐体パネル、熱シールド | 熱伝導性と加工性のバランスが良好 |
| 建築 | クラッディング、屋根材、樋 | 耐候性、塗装適性、長期的な外観安定性 |
3105は成形複雑さ、耐食性、コストが中程度の機械的性能要求と競合する用途に特に適しています。その特性の組み合わせにより、高強度の熱処理合金が不要な多くの板金を主体とした用途において信頼できる選択肢として残っています。
選定のポイント
3105は、商用純アルミニウム（例：1100系）よりも強度を必要としつつ、優れた成形性と耐食性を維持したい設計者にとって実用的な選択肢です。1100系と比較すると、3105は電気・熱伝導率がわずかに低下しますが、その分だけ降伏強さと引張強さが向上し、成形中の機械的安定性が改善されています。
3003や5052のような一般的な加工硬化合金と比較すると、3105は強度と耐食性の両面で中間的な位置にあります。Mn/Mg含有量を最適化することで多くのテンパーで3003よりも強度が高いものの、マグネシウム含有量の多い5xxx合金ほど過酷な塩化物環境での耐食性は高くありません。6061や6063のような熱処理可能な材料と比較すると、3105は成形性や最終的な成形のしやすさを優先し、より低コストかつ簡単な加工（溶解処理や時効処理が不要）を重視する場合に選択されますが、最高強度は劣ります。
深絞りや複雑なプレス加工、良好な大気腐食耐性、容易な溶接性、そして経済的な鋼板入手が求められる場合は3105を選んでください。最大構造強度、高温安定性、あるいは優れた海水浸漬耐性が必須の場合は控え、その際はそれぞれ6xxx系または5xxx系合金を検討してください。
まとめ
3105は、成形性、溶接性、耐食性のバランスが取れた万能な3xxx系アルミニウムとして今なお有用です。冷間加工によって得られる中程度の強度と、鋼板・コイル形状での安定した性能、広範な入手性、そして加工のしやすさが、建築、家電、輸送、および一般機械工学の分野で、重量、加工性、ライフサイクルコストを重視する用途に適した仕様となっています。