アルミニウム356：組成、特性、硬さグレードガイドおよび用途
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総合概要
356（一般的にA356や356.0として指定される）は、アルミニウム-シリコン-マグネシウム系の鋳造合金で、Al-Si-Mg鋳造合金ファミリーに属します。これはシリコン系鋳造合金に分類され、Aluminum Associationの呼称でA356として広く扱われており、各種規格における指定も鋳造性能に最適化された同一のAl–Si–Mg組成を示しています。
主な合金元素はシリコン（Si、約7質量％）とマグネシウム（Mg、通常約0.2～0.5質量％）であり、鉄、銅、マンガンの含有量が管理され、微粉砕および制御のためにチタンとクロムが微量添加されています。本合金は熱処理可能で、強度は主に固溶処理後の急冷と人工時効により形成されるMg2Siの析出硬化によって得られ、共晶組織の修正や結晶粒の微細化による微細組織制御も行われます。
356の主な特徴には、優れた鋳造性と流動性、良好な寸法安定性、T6時効後の良好な強度対重量比、多くの環境における適度な耐食性、放熱部品に適した許容できる熱伝導率が含まれます。溶接性は適切なフィラーおよび前処理・後処理により実用的であり、成形性は鍛造合金に比べて制限されますが、薄肉鋳造品や局所的な加工には対応可能です。
356は、自動車（軽量構造鋳造部品、ホイール、サスペンション部品）、航空宇宙（非重要の鋳造継手およびハウジング）、マリン用途（耐食性鋳造部品）、電子機器（放熱ハウジングや放熱コンポーネント）などの産業で使用されています。エンジニアは、鋳造性、熱性能、良好な時効応答、低～中程度の質量のバランスが求められる場合に、ピーク強度が高いか鍛造性が優れる代替材料と比較して356を選択しています。
熱処理状態のバリエーション
| 熱処理状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| F | 基準の製造状態 | 中程度 | 限定的 | 良好 | 特別な処理なしの鋳造状態 |
| O | 低い | 高い | 鋳造状態では最も良好 | 良好 | 固溶処理後に遅冷し軟化させた退火状態 |
| T5 | 中程度から高い | 中程度 | 限定的 | 良好 | 鋳造後に冷却し人工時効 |
| T6 | 高い | 低～中程度 | 限定的 | 注意を要するが許容範囲 | 固溶化熱処理、急冷後に人工時効（最大強度） |
| T7 | 中程度（安定） | 中程度 | 限定的 | 良好 | 過時効または安定化熱処理で熱曝露耐性向上 |
| T4 | 中程度 | 中程度 | T6より良好 | 許容範囲 | 固溶化熱処理後に自然時効；加工前段階で使用 |
熱処理状態は356鋳造品の強度と延性のトレードオフを強く制御します。固溶処理後の急冷と人工時効（T6）はMg2Siの析出による最高強度と硬度を生む一方、伸びは低下し、局所成形や加工のバリ発生が懸念されます。
一方、OやT4などの低い熱処理状態は成形性や加工時の寸法安定性、溶接やろう付けなどの後加工を優先する場合に使われ、T7はピーク強度を多少犠牲にして熱安定性や応力緩和耐性を求める際に選択されます。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 6.5–7.5 | 主な強化元素および鋳造促進元素；共晶率と流動性を制御 |
| Fe | ≤ 0.20–0.8* | 不純物でβ-AlFeSi相を形成；延性低下防止のため最小限に制御 |
| Mn | ≤ 0.10–0.35* | Fe系金属間化合物の形態を修正；微量添加で効果的 |
| Mg | 0.20–0.45 | 時効硬化元素（時効中にMg2Si析出を形成） |
| Cu | ≤ 0.20 | 強度向上に寄与するが、多量では耐食性低下の原因に |
| Zn | ≤ 0.10 | 鋳造品では極めて少量で影響は限定的 |
| Cr | ≤ 0.10–0.20* | 結晶粒や相を制御し、熱安定性や結晶粒成長抑制に寄与 |
| Ti | ≤ 0.15 | 微細粒化のため少量添加される粒子核生成剤 |
| その他（Sr、B、希土類など） | 微量 | SrはSi共晶組織修正に一般的に使用；BやTiは核生成制御に用いられる |
*注：一部の規格や鋳造技術によって許容範囲は異なる場合があります。上記は市販のA356/356合金の代表的な範囲であり、供給仕様によって変動することがあります。
シリコンは共晶含有率および鋳造特性を決定し、マグネシウムはT6時効による析出硬化応答を与えます。鉄とマンガンは靭性や疲労寿命に影響を与える金属間化合物の形態を制御し、鋳造所では微量元素や修飾剤（Sr、Ti、B）を用いて微細組織および機械的特性の安定化を図っています。
機械的性質
356合金の引張特性は熱処理状態、断面厚さ、鋳造方法により大きく異なります。固溶処理後の人工時効T6状態では、A356はMg2Siの微細析出により比較的高い引張強さおよび降伏強さを示しますが、退火状態に比べて伸びは低下し、空孔や粗大な共晶組織に敏感です。弾性係数は他のアルミ合金とほぼ同様（約69 GPa）で、熱処理状態による変動は少ないです。
硬さは熱処理状態および時効状態に相関し、T6では析出硬化によりOやF状態よりかなり高くなります。疲労性能は表面品質や空孔率、共晶シリコンの形態に影響され、適切に修正・微細化されたA356-T6鋳造品は自動車や航空宇宙用に良好な高サイクル疲労寿命を達成できます。厚みの影響も顕著で、厚肉はより長時間の固溶処理を要し、粗大な微細組織やMg/Siの偏析が残留しやすく、薄肉部に比べ強度が低下します。
| 特性 | O/退火 | 主要熱処理（T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (UTS) | 約120–170 MPa | 約240–320 MPa | 鋳造法、断面サイズ、品質により幅がある；T6はMg2Si析出による最大強度 |
| 降伏強さ (0.2%耐力) | 約70–120 MPa | 約170–260 MPa | 固溶処理・時効後に大幅増加；空孔や鋳造欠陥でばらつく |
| 伸び（50～100 mm） | 約8–18% | 約2–8% | T6で延性減少；空孔や鋳造組織に強く依存 |
| 硬さ (HB) | 約40–70 HB | 約70–100 HB | ブリネル硬さは熱処理に相関；構造用鋳造でのT6硬さ標準 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.66–2.68 g/cm³ | Al–Si–Mg合金として標準的で、鋼材や銅よりやや軽い |
| 融点範囲 (solidus–liquidus) | 約555–615 °C | 共晶リッチ合金；solidus/liquidusはシリコン含有量および微量元素に依存 |
| 熱伝導率 | 約120–140 W/(m·K) | 純アルミより低いが、合金化と共晶シリコンによる；放熱用途に適する |
| 電気伝導率 | 約28–36 %IACS | 純アルミに比べ低下；熱処理状態や組成に依存 |
| 比熱 | 約0.88–0.96 J/(g·K) | 他のアルミ合金に近く、温度依存性あり |
| 熱膨張係数 | 約22–24 µm/(m·K) | 一般的なアルミの膨張率；異種材料との接合時に重要 |
356の密度および熱的特性は、低質量対剛性比および適度な熱伝導が求められる用途に適しています。融解および凝固特性は鋳造技術の核心であり、固溶範囲とシリコン豊富な共晶組織は適切なプロセスによって型充填を促進し、収縮欠陥を抑制します。
製品形態
| 形態 | 代表的な板厚・サイズ | 強度特性 | 一般的な硬質処理 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 砂型鋳造 | 薄肉から非常に厚肉まで多様 | 断面サイズと孔隙率に依存 | F、O、T5、T6 | 大形状かつ少量生産向き。冷却速度が遅く、微細構造に影響 |
| 恒温鋳造（永久型鋳造） | 典型的な壁厚2～50 mm | 砂型よりも高い品質、機械的特性向上 | T5、T6 | 砂型よりも表面仕上げが良好で、孔隙率が低減 |
| ダイキャスト（使用される場合） | 薄肉（＜10 mm） | 高冷却速度、微細な微細構造 | T5、T6 | A356の圧力鋳造が部品によって使用される。孔隙率の制御が必須 |
| 精密鋳造（ロストワックス） | 複雑形状、薄肉から中肉 | 高い寸法精度 | T5、T6 | 稀だが精密部品向けに使用される |
| インゴット / ビレット | 二次加工用原料 | 均質な化学組成 | 鋳造後はO、T6 | 再溶解や二次鋳造プロセスの原料 |
| 鋳造品からの切削部品 | 該当なし | 局所的な強度は硬質処理と熱処理に依存 | O、T6 | 加工余裕や表面品質が最終特性に影響 |
加工経路は最終特性に大きく影響し、恒温鋳造およびダイキャスト品は、通常砂型鋳造品と比べてより微細な微細構造と機械的性能を実現します。鋳造後の熱処理（固溶化＋焼入れ＋時効処理）は、構造用途における強度最大化のために一般的に実施されますが、寸法公差を保持するために焼入れの厳しさと変形制御に注意が必要です。
等価鋼種
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | A356 / 356.0 | USA | キャスト用Al–Si–Mg合金の一般的なAluminum Association指定 |
| EN | EN AC-AlSi7Mg / AlSi7Mg | ヨーロッパ | A356の化学組成に広く相当する欧州の鋳造指定 |
| JIS | ADC12（直接相当ではない）/ AlSi7Mg | 日本 | ADC12はAl–Si–Cu系の鋳造合金であり、AlSi7Mgがより近い相当品 |
| GB/T | AlSi7Mg / ZL104 | 中国 | 複数の国家規格が類似組成に対応し、ZL104は類似鋳造品によく用いられる |
規格間の微妙な違いは鉄や銅の上限値、Sr修正の有無、Mgの許容範囲などに現れ、最終的な機械的性能や鋳造性に影響します。購入者は特定の規格とロット証明書を参照すべきであり、鋳造法（例えばSr修正、結晶粒微細化）や不純物管理が名目上の組成が同じでも特性に大きく影響します。
耐食性
356はAl–Si合金に典型的な大気耐食性に優れ、保護的なAl2O3被膜が速やかに形成され、シリコンリッチの共晶相は比較的安定です。中性または弱腐食性の大気下では局部的なピッティングは限定的で良好な耐食性を示しますが、塩化物を含む海洋環境では、保護膜が損なわれたり孔隙に腐食成分が閉じ込められると鋳造面や金属間化合物部位で局部的なピッティングが発生します。
A356は特定の高強度鍛造成アルミニウム-亜鉛合金と比べて応力腐食割れの主要な破壊モードではありませんが、高局所引張応力、欠陥、あるいは厳しい環境下では感受性が高まることがあります。ガルバニック作用により、356はステンレス鋼や銅などより貴な金属と接触すると陽極となるため、設計時には濡れた条件下での直接接触を避け、絶縁することが望ましいです。
5xxx系のマグネシウム含有鍛造合金と比べると、356は同等かやや優れた一般腐食耐性を示しますが、過酷な海水浸漬では犠牲防食なしに耐える能力は劣ります。高強度の6xxx系鍛造合金と比較すると、多くの使用条件で鋳造用A356は同等の耐食性を持ちますが、特定の合金元素や熱処理差異が最終的な耐食性能を左右します。
加工特性
溶接性
356はTIG（GTAW）およびMIG（GMAW）溶接が可能であり、予熱および溶接順序の管理により熱勾配と水素孔洞のリスクを低減します。補修溶接用フィラーとしては流動性が似て熱割れ感受性を抑えるAl-Si系の4043が一般的です。5356（Al-Mg）は使用されることもありますが、ガルバニック腐食のリスク増大や機械的応答の違いに注意が必要です。熱影響部（HAZ）では、以前にT6処理された鋳造品で局所的な過時効や軟化が生じるため、溶接後の時効処理や再固溶処理が強度回復に推奨されます。
切削性
356は鋳造用アルミ合金のなかで切削性が良好とされ、自由切削性の高い共晶シリコン相を持ちますが、シリコン粒子が工具摩耗を加速し、切削刃に磨耗をもたらします。高正面角の超硬工具、適切なチップブレーカー、冷却剤の使用が推奨されます。中高速の回転数と保守的な送り速度で切削工具寿命を最大化します。表面仕上げは微細構造と孔隙率に依存するため、鋳造品の品質管理と多孔皮の適切な除去が一貫した加工結果に重要です。
成形性
鋳造品は共晶シリコン相を含み脆いため、特にT6処理後は鍛造品に比べ成形性が制限されます。局所的な曲げ加工や打抜きには、固溶化アニーリング状態（O/T4）を用い、曲げ半径は大きく設定することが必要です（薄肉で板厚の2～4倍の内側半径が標準、厚肉品はさらに大きく）。亀裂発生を避けるため、漸進成形、温間成形、局所的な加工成形などの手法がよく用いられます。
熱処理挙動
A356は熱処理可能で、固溶化処理と人工時効に対して予測可能な反応を示します。典型的な固溶化処理は525～545 °C付近で断面厚さに応じて（薄肉で通常2～4時間、厚肉はより長時間）行い、MgとSiを固溶化し、共晶シリコンを球状化します。急冷により過飽和固溶体を保持して析出硬化を可能にします。
T6は通常150～175 °Cで数時間（例6～12時間）人工時効し、微細なMg2Si粒子を析出させて最高硬さと強度を発現します。T5は完全な固溶化処理なしで鋳造冷却後に直接人工時効を行うもので、中程度の強度で、変形抑制が重要な場合に有用です。T7や過時効は高温で処理し、最高強度を低下させる代わりに寸法安定性や熱安定性を改善し、熱脆化への耐性を高めます。焼入れ感受性、断面サイズ、孔隙率が硬さや機械的性能に影響を及ぼします。
高温特性
356は約150～200 °C以上でMg2Si析出相の粗大化および球状化により著しい強度低下を示します。長時間の150 °C超の使用ではT6硬質材の軟化と寸法変化が発生します。通常使用温度での空気中酸化はAl2O3保護膜により軽微ですが、高温により拡散機構が促進され析出相構造が劣化します。溶接部の熱影響部では局所的に軟化および微細構造の粗大化が起こり、熱サイクルによって疲労開始が促進されることがあります。
高温または熱サイクルを伴う用途では、T7または安定化硬質処理を選択し、酸化やガルバニック影響が問題となる場合はコーティングや熱バリアを使用、推奨使用温度以上への長時間暴露を制限する設計が機械的健全性維持に有効です。
用途例
| 産業分野 | 例示部品 | 356が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ブレーキキャリパー、ホイール部品、トランスミッションハウジング | 良好な鋳造性、熱安定性、T6処理後の十分な強度 |
| マリン | ポンプハウジング、ギヤハウジング | 大気および淡水環境での耐食性、複雑形状の鋳造容易性 |
| 航空宇宙 | 非重要フィッティング、フェアリング、ハウジング | 軽量化と複雑形状の鋳造性、高い機械的特性 |
| 電子機器 | ヒートシンクおよびハウジング | 良好な熱伝導性と複雑な冷却形状の鋳造能力 |
| 産業機械 | ポンプおよびコンプレッサーケース | 鋳造品における寸法安定性、耐摩耗性、疲労性能 |
356は良好な流動性、寸法精度、時効硬化性強度、耐食性の組み合わせが、鍛造品に比べた成形性の制限を上回る部品に選ばれます。複雑形状への鋳造が比較的低欠陥率で可能で、後加工や熱処理が受け入れられるため、中～高ボリュームの多彩な用途に適した材料です。
選定のポイント
356は鋳造性、時効硬化による強度、熱特性が主な要件であり、複雑な形状を一度の鋳造工程で製造するのが最適な場合に使用します。後処理による変形が制御可能で最大の強度と剛性が求められる場合はT6を選択し、成形性、寸法安定性、熱安定性がより重要な場合はT5/T7/Oを選択してください。
商業用純アルミニウム（例：1100）と比較すると、356は電気伝導性や優れた成形性を犠牲にして、はるかに高い強度と優れた鋳造挙動を提供します。設計において成形性と電気伝導性が優先される場合は1100を選択してください。一般的な加工硬化型合金（例：3003／5052）と比較すると、356は室温での成形性を犠牲にして高い時効硬化強度を実現し、多くの環境下で同等かやや優れた耐食性を持ちます。一般的な熱処理可能な圧延合金（例：6061／6063）と比較すると、356は優れた鋳造性と複雑な鋳造形状に対する寸法精度を提供しつつ、鋳造部品として競争力のある強度を持ちます。圧延加工や引抜／押出形状での疲労強度がより重要な場合は6061を選んでください。
まとめ
A356（356）は優れた鋳造性、予測可能な時効硬化挙動、良好な耐食性、望ましい熱特性のバランスを備えており、複雑な形状と適度な構造性能が求められる自動車、航空宇宙、海洋、熱管理部品において実用的な選択肢としてアルミニウム鋳造合金の定番となっています。