アルミニウム 3203：組成、特性、熱処理状態ガイドおよび用途
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総合概要
3203は、主な合金元素としてマンガンを含む3xxx系アルミニウム合金の一種です。このシリーズは熱処理による強化ができない非熱処理合金に分類され、主に固溶強化と加工硬化（ひずみ硬化）によって強度が向上します。析出硬化による強化はほとんどありません。
3203の主な合金元素はマンガンで、鉄や銅、マグネシウム、クロム、チタンなどの微量元素が強度や成形性を調整するために制御されています。強化機構は主にマンガンおよび微量元素による固溶強化に加えて加工硬化であり、従来の熱処理（T-temper）による析出硬化はこの合金にはほとんど効果がありません。
3203の主な特徴は、適度な強度のバランス、さまざまな大気環境や軽度の腐食環境における優れた耐食性、ならびに焼なまし状態での非常に良好な成形性です。アルミ・マンガン系合金としては溶接性も一般的に優れており、深絞りや複雑な成形、熱処理を必要としない溶接組立品に適した合金として選ばれることが多いです。
3203を使用する主な業界は、自動車用板金部品、建築用パネル、家電製品や消費財、そして一部の海洋・輸送関連のサブコンポーネントです。設計者は、純度の高い商用アルミニウムより強度を必要としつつ、6xxx系や7xxx系熱処理合金よりも成形性と溶接性を重視し、熱処理を必要としないバランスの取れた冷間加工性と耐食性を求める場合に3203を選択します。
加工硬さ状態（Temper）バリエーション
| 加工硬さ状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 (≥25%) | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし状態；深絞りに最適な最高の延性 |
| H14 | 中高 | 低～中 (6～12%) | 良好 | 良好 | 半硬化の冷間加工；成形パネルに一般的 |
| H18 | 高 | 低 (3～7%) | 限定的 | 良好 | 全硬化の冷間圧延；剛性・強度が求められる用途 |
| H24 | 中 | 中程度 (10～18%) | 良好 | 良好 | ひずみを低減した状態；限定的な加工後に成形性が向上 |
| T5 / T6 / T651 | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 3203は非熱処理合金であり、T系加工硬さ状態は析出硬化を起こさない |
3203の機械的性能には加工硬さ状態が第一の影響を与えます。これは主に冷間加工によって強化されるためです。O状態からH系に移行することで、降伏強さと引張強さは大幅に上昇しますが、伸びや成形範囲は減少します。
実際には、設計者は複雑な成形や引きの多い部品にはOを指定し、寸法安定性や剛性が必要な最終製品にはH14/H18を、成形性と残留強度（加工硬さ後の状態）の妥協点としてH24を選択することが多いです。
化学成分
| 元素 | 含有範囲 (%) | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.10–0.40 | 脆性の原因となる金属間化合物を最小限に抑えるため制御。高濃度ではシリコンが鋳造性を向上。 |
| Fe | 0.20–0.70 | 典型的な不純物レベル。鉄の増加により表面仕上げや延性に影響を与える金属間粒子が形成される。 |
| Mn | 0.6–1.5 | 主要合金元素。固溶強化と結晶粒構造の改善に寄与。 |
| Mg | 0.05–0.25 | 微量の強化元素。ただし過量は耐食性を低下させる可能性あり。 |
| Cu | 0.05–0.25 | 強度をわずかに増加させるが、過剰になると耐食性および溶接性が悪化する。 |
| Zn | ≤0.25 | 脆化防止のため低レベルに制限し、成形性と耐食性を保持。 |
| Cr | 0.03–0.20 | 結晶粒構造を制御し、熱間加工後の強度向上に寄与。 |
| Ti | ≤0.10 | 鋳造や凝固時の結晶粒微細化剤として微細組織形成を助ける。 |
| その他（各元素） | ≤0.05 | V、Zrなどの微量元素を含む。残りはアルミニウム（バランス）。 |
マンガンの含有量が3xxx系合金の強度調整の主な要素であり、鉄とシリコンは残留物として粒子形成や表面品質に影響します。微量の銅やマグネシウムは強度を若干向上させますが、耐食性や加工性を保つために厳密に管理されています。
機械的性質
3203の引張特性は加工硬さ状態に強く依存します。焼なまし状態（O）では降伏強さや引張強さは比較的低いものの、高い伸び性能と優れたネック耐性を示します。一方、冷間加工された加工硬さ状態では、引張強さは大幅に向上しますが延性は低下します。降伏点および最大引張強さは冷間加工の度合いによって変化し、板厚の違いによっても厚さ方向の加工硬化の差により大きく変動します。
硬さは引張強さの傾向に沿って変化し、加工硬さレベルを推定するために製造中の品質管理に有効です。疲労性能は表面仕上げ、繰返しの平均応力、金属間粒子の存在に影響を受けます。適切な表面処理と安全率の高い設計により、3xxx系の他合金と同等の疲労寿命を得ることが可能です。
板厚と加工履歴も重要です。薄板は冷間圧延でより高い強度・低い延性となりやすい一方、厚板は同じ冷間加工でも延性を比較的多く保持します。溶接組立品では、冷間加工された加工硬さ状態において熱影響部で局所軟化がみられ、これを構造設計で考慮する必要があります。
| 物性 | O/焼なまし | 代表的な加工硬さ（H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 110–140 MPa | 180–240 MPa | 典型的な範囲；厚さや冷間加工度合いで変動 |
| 降伏強さ | 35–60 MPa | 120–190 MPa | 冷間加工により降伏強さが大幅に向上；成形部品にH14が一般的 |
| 伸び | 25–35% | 6–12% | 加工硬さが高くなるほど延性は大幅に低下；深絞りにはOが使用される |
| 硬さ（HB） | 30–45 HB | 60–95 HB | 硬さは加工硬さと相関し、製造管理に役立つ |
物理的性質
| 性質 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70 g/cm³ | アルミ・マンガン系合金に典型的で、質量計算に有用 |
| 融点範囲 | 約600–650 °C | 固相線・液相線は成分によってわずかに変動；鋳造合金と比べ狭い範囲 |
| 熱伝導率 | 120–160 W/m·K（25 °C） | 合金化のため純アルミよりやや低いが熱管理に適している |
| 電気伝導率 | 約30～45 % IACS | 純アルミに比べ低下し、冷間加工でさらに減少 |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K（900 J/kg·K） | 熱計算に利用される典型的なアルミの比熱 |
| 線膨張係数 | 約23–24 µm/m·K（20–100 °C） | 他のアルミ合金と類似。異種金属接合時の設計に重要 |
比較的高い熱伝導率と電気伝導率、低密度の組み合わせにより、3203は極端な伝導性を必要としない軽量化重視の熱用途に適しています。線膨張係数や熱伝導率の数値は、異種材料との組立設計時に接合部の応力や熱変形のミスマッチを防ぐために活用してください。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚み／サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ（テンパー） | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材（シート） | 0.3–4.0 mm | 冷間圧延により硬化し、薄板ほど高硬度が得られる | O, H14, H24 | パネルや成形部品に広く使用。O硬さでの深絞りが可能。 |
| 板厚材（プレート） | 4–25+ mm | 非常に厚い部材では冷間加工性が限定的 | O, H24 | 厚みが必要な構造部材に使用。厚みが増すと成形性は低下。 |
| 押出形材（エクストルージョン） | 断面寸法最大1000 mmまで | 押出比率とその後の冷間加工により機械的性質が決まる | O, H12/H14 | 建築用フレームやチャンネルなどの押出形材。 |
| 管材（チューブ） | 肉厚0.5–6.0 mm | 成形方法（シーム溶接管か無縫管か）により強度が異なる | O, H14 | HVACや低圧流体システムで一般的に使用。 |
| 丸棒・棒材（バー／ロッド） | 3–50 mm | 冷間引抜されない限り焼なまし状態の特性を維持 | O, H18 | 機械加工部品、ファスナー、加工用材料として使用。 |
加工の違いが用途の決定を左右します。シートは最も一般的でコイル加工の恩恵を受けますが、プレートや押出形材はより長い熱サイクルと冷間加工の軽減が必要です。溶接組立品は多くの場合、OまたはH24の素材から始まり、最終寸法公差を得るために冷間加工されることがあります。
等価鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3203 | 米国 | Aluminum Associationのこの合金の指定番号。 |
| EN AW | —（最寄り：EN AW-3003 / EN AW-3105） | ヨーロッパ | 厳密なEN等価は存在しないが、3003/3105が組成と特性で最も近い市販の代替品。 |
| JIS | A3003（概算） | 日本 | 日本規格では3203を特に指定しないが、A3003が組成的に類似。 |
| GB/T | 3xxxシリーズ（最寄り3003） | 中国 | 中国の指定は3xxx合金の一般組成を反映。3203の直接等価は稀。 |
各規格間の微細な違いは、不純物の許容限度やクロムやチタンなどの微量添加元素による結晶粒構造や成形性への影響によるものです。代替時は正確な認証済み化学成分範囲、機械的性質表、および硬さを比較し、重要用途での単純な一対一置換が必ずしも妥当でないことに注意が必要です。
耐食性
3203はAl-Mn合金特有の良好な一般大気耐食性を示し、安定で付着性の高い酸化皮膜を形成して、多くの都市部や工業環境における基材の保護に寄与します。湿乾周期に対する耐性に優れ、陽極酸化処理などの一般的な仕上げが外観および耐食性を向上させます。
海洋環境や塩素イオンを多く含む大気中では、3203は多くの構造用および非構造用用途において十分な耐食性を発揮しますが、高Mgを含む5xxxシリーズほどの塩水浸漬耐性はありません。保護膜や陽極処理が施されない露出面では局所的なピッティングが発生することがあり、溶接部は継手部のクリービッジ腐食を防ぐために保護する必要があります。
応力腐食割れ（SCC）感受性は、特定の高強度熱処理合金に比べて低いものの、設計時には攻撃的環境に晒される部品の引張残留応力や鋭利な応力集中を極力避けるべきです。ガルバニック作用はアルミニウムの一般原則に従い、貴金属との直接接触は絶縁が必要であり、鋼や銅と接触する場合は犠牲陽極や絶縁材の使用により腐食促進を防止します。
加工特性
溶接性
3203はTIG（GTAW）やMIG（GMAW）などの従来の溶融溶接法で容易に溶接可能で、清掃と接合準備が適切に行われれば、靭性の高い溶接金属と良好な融合が得られます。一般的なフィラー材は4043（Al-Si）や5356（Al-Mg）があり、靭性や耐食性の要求に応じて選択されます。4043は熱割れリスクを抑えるために多く用いられます。Al-Mn合金は熱割れが少ないですが、接合部設計、熱入力、後処理の歪み管理が重要です。冷間加工硬化状態のものは熱影響部で軟化が見られ、構造設計時に考慮する必要があります。
機械加工性
3203の機械加工性は中程度で、高ケイ素自由切削アルミ合金よりは劣ります。カーバイド工具と剛性の高い工作機械による加工が良好です。推奨される加工条件は、鉄鋼より高速な切削速度だが自由切削アルミよりは遅め、ポジティブラケットインサートの多用、大量のクーラントまたはエアーブラストを用いてビルドアップエッジや長条状の切りくず発生を防止します。切削くずの管理と工具摩耗の制御により、表面仕上げと寸法精度は良好に維持できます。
成形性
成形性はO硬さで非常に良好であり、深絞り、ストレッチ成形、および複雑な曲げ加工において亀裂発生を最小限に抑えます。曲げ加工における推奨の内曲げ半径は、O硬さで板厚の約1～2倍、H14/H18硬さで3～4倍で、亀裂を防止します。ばね戻りは中程度で、金型設計時に補正が必要です。大きな冷間加工後に中間焼鈍を行って靭性を回復させる設計もあります。
熱処理特性
非熱処理型合金のため、3203は6xxx系や7xxx系のような溶体化処理および時効硬化に反応しません。人工時効による析出硬化はほとんど期待できません。一般的なTテンパーの温度での時効は、熱処理性合金に見られるような強度の急激な向上をもたらしません。
冷間加工後の靭性回復には焼鈍（再結晶焼鈍）が主に用いられます。通常の全焼鈍温度は350～415 °Cの範囲で、制御冷却によりO硬さが得られます。部分焼鈍や応力除去焼鈍はH24や歪み除去硬さを得る際に使われ、完全に軟化することなく材質を調整します。
高温性能
3203は温度上昇に伴い段階的に強度が低下し、約100～150 °Cを超える長期間の連続使用では降伏強さと引張強さが顕著に低下します。短期間の断続使用であれば約200 °Cまでの高温に耐えられる場合もありますが、設計時には弾性率の低下、クリープ現象、および冷間加工硬化状態の微細組織回復の可能性を考慮する必要があります。
酸化抵抗はアルミ合金として標準的であり、薄い酸化皮膜が速やかに形成されて追加の酸化を遅らせます。3203の通常用途温度範囲内では表面のスケーリングは問題になりません。溶接熱影響部および冷間加工部は温度に最も影響を受けやすく、軟化または機械的性能の低下が起こりうる部分です。