アルミニウム357：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
357（一般的にはA357またはAlSi7Mg系として知られる）は、3xx系の熱処理可能なアルミニウム-シリコン-マグネシウム合金鋳造合金です。主な合金元素はシリコンとマグネシウムであり、シリコンは鋳造性と耐摩耗性を、マグネシウムはMg2Si析出による時効硬化を可能にします。
この合金は主に固溶体化熱処理後に人工時効（T6/T651）を行うことで強化され、微細なMg2Si析出物が生成されます。また、特定の形状で冷間加工すると加工硬化も見られます。主な特徴として、中～高い引張強さと鋳造合金として良好な延性、銅含有合金に比べて向上した耐食性、適切な溶接技術と充填金属を用いた場合には許容できる溶接性が挙げられます。
357は自動車（構造用鋳造部品、サスペンション部品、ホイール）、航空宇宙（継手やハウジング）、モータースポーツ、高性能マリン用途など、軽量・強度・耐食性のバランスが求められる分野で利用されています。詳細な鋳造形状が必要で、Siによる流動性向上と熱処理によるピーク強度が求められる場合に、より銅含有量の高い合金に見られる亀裂感受性を避けるために選択されます。
調質の種類
| 調質 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし; 応力除去および熱処理前の加工用 |
| H14 | 中 | 中 | 可 | 良 | 鍛造形状での加工硬化状態; 鋳造品には限定的 |
| T5 | 中～高 | 中 | 可 | 良 | 熱間加工後の冷却および人工時効; 鋳造品の高速生産ルート |
| T6 | 高 | 低～中 | 可 | 良 | 固溶化熱処理＋人工時効; 多くの鋳造部品のピーク強度調質 |
| T651 | 高 | 低～中 | 可 | 良 | T6に応力除去／伸び寸法補正を加えたもの; 航空宇宙用鋳造品で一般的に指定される |
357で選択される調質は、強度、延性、および残留応力の状態に大きく影響します。T6/T651調質はMg2Si析出によって最大の引張強さと硬さを実現しますが、焼なまし状態のO調質に比べて伸び率と成形性は低下します。
製造においては、OおよびT5は最終時効前の加工性や成形性に優れ、T6およびT651は寸法安定性とピーク機械的性能が求められるサービス部品に用いられます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 6.5–7.5 | 主合金元素; 流動性を向上し、収縮率を低減し、耐摩耗性を高める |
| Fe | 0.2–0.6 | 溶解過程での不純物; 高Feは脆い金属間化合物を生じて延性を低下させる |
| Mn | 0.05–0.35 | Feの金属間化合物の形態を制御し、強度を若干向上させる場合がある |
| Mg | 0.25–0.45 | 時効硬化元素でMg2Si析出を形成; T6応答を制御 |
| Cu | 0.15–0.6 | 鋳造グレードでは通常制限される; 強度は上がるが高濃度で耐食性は低下 |
| Zn | 0.05–0.2 | 微量不純物; 強化元素として意図的添加は一般的にない |
| Cr | 0.02–0.2 | 一部系統で結晶粒構造や再結晶を制御するために微量添加 |
| Ti | 0.02–0.15 | 粒子細化剤で鋳造構造や機械的均一性を改善 |
| その他 | ≤0.15合計 | 微量元素および残留物; 耐食性・機械特性を保つため低濃度に制限 |
シリコンとマグネシウムは鋳造性および熱処理応答を制御する機能的ペアです。シリコンは共晶組織を形成し凝固挙動を決め、マグネシウムはAlマトリックスに溶解して人工時効中にMg2Siとして析出し、引張強さと降伏強さを向上させます。
機械的性質
T6熱処理を施した鋳造合金としての357は、一般的な鍛造で熱処理非対応の合金に比べて格段に高い引張強さと降伏強さを示し、鋳造品としては適度な延性を持ちます。応力-歪み曲線は明確な降伏点を示し、その後に加工硬化して最大引張強さ（UTS）に達します。T6調質では伸び率が焼なまし材に比べて制限されますが、多くの構造用鋳造部品では十分です。硬さはT6/T651処理によりMg2Siの微細分散に伴い大幅に向上し、引張特性の指標としてブルネル硬さ（HB）やビッカース硬さと相関します。
疲労特性は鋳造欠陥（気孔、収縮巣）や微細構造の影響を受けます。密度の高い鋳造品と適切なゲーティング設計により欠陥起点の疲労破壊を最小化します。断面厚さの影響は顕著であり、大きな断面は冷却が遅れて共晶シリコンが粗大化し気孔率が増すため、静的強度および疲労強度が低下します。
薄肉部と急冷鋳造品ではT6の特性が上限に近づきますが、厚肉部やO調質の鋳造品では強度・硬さは低下し、延性が増加します。
| 特性 | O/焼なまし | 代表調質 (T6/T651) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (UTS) | 130–220 MPa | 300–360 MPa | T6値は断面厚さや凝固速度に依存 |
| 降伏強さ (0.2%YS) | 60–150 MPa | 240–300 MPa | 固溶化＋時効により降伏強さが急上昇 |
| 伸び率 (El%) | 10–18% | 4–10% | T6で延性は低下; 形状や気孔率の影響あり |
| 硬さ (HB) | 50–90 HB | 90–130 HB | 硬さは時効応答および断面冷却履歴に連動 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.67–2.68 g/cm³ | Al-Si-Mg鋳造合金として標準的; 高い比強度 |
| 融点範囲（固相線-液相線） | 約520–615 °C | 共晶および一次シリコンにより凝固範囲が変動; 成分に依存 |
| 熱伝導率 | 110–140 W/m·K | 純アルミニウムより低いが多くの工学合金より高い |
| 電気伝導率 | 約30–40 % IACS（約17–23 MS/m） | 合金元素により低下; 放熱・電気部品に設計余裕を持って使用可能 |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K (900 J/kg·K) | 室温での典型的なアルミニウム合金値 |
| 熱膨張係数 | 21–24 µm/m·K | 比較的高いため異種材料との組み合わせに注意が必要 |
比較的高い熱伝導率と低密度の組み合わせにより、357は放熱性や軽量化が求められる部品に適していますが、純アルミに比べて導電率は下がります。熱膨張や温度サイクルによる寸法安定性は、異種金属との組み合わせではガルバニック腐食や機械的応力を防ぐため特に考慮が必要です。
断面厚さや気孔率は熱的応答に影響を与えます。粒度が細かく密度の高い鋳造品は安定した熱特性と優れた疲労寿命を示します。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 砂型鋳造品 | 多様（5〜200 mm以上） | 冷却が遅いため強度は低め；微細組織は粗大 | O, T5, T6 | 大形で複雑な形状に使用；多孔質低減のためHIP処理が必要な場合あり |
| 恒久型・グラビティダイキャスト品 | 2〜60 mm | 冷却が速いため機械的特性が良好 | T5, T6, T651 | 構造部品など高精度寸法が要求される用途に適する |
| 精密鋳造（インベストメント鋳造）品 | 薄肉〜中肉程度 | 高い一体性と良好な表面仕上げ | T6 | 航空宇宙や高性能部品に使用 |
| 鍛造・熱間加工品（限定的） | 形状により様々 | 357では一般的でなく、加工および時効硬化からの特性を持つ | H系 | ほとんど見られず；成分は鋳造用に最適化されている |
| インゴット・ビレット | バー形状／インゴット | 下流の鋳造や押出加工の原料 | 加工前はO調質 | 特殊鋳造向けに低多孔質の原材料を供給 |
357の使用は鋳造製品形態が主であり、恒久型および精密鋳造は冷却が速く多孔率が低いため、最良の機械的性質および疲労性能を示します。砂型鋳造は大形部品に経済的ですが、内部欠陥を閉鎖するために工程管理や二次処理（例：HIP）が必要です。製品形態や冷却速度の選択は、得られる調質特性や最終組織に直接影響します。
相当鋼種・合金
| 規格 | 鋼種／合金名 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 357 | アメリカ | 業界で一般的に使用されるAl-Si-Mg鋳造合金のASTM/AA指定 |
| EN AW | AlSi7Mg0.6 | ヨーロッパ | 化学組成と特性が最も近い欧州の合金；直接の相当品として用いられることが多い |
| JIS | AlSi7Mg | 日本 | 類似したAl-Si-Mg組成の日本の鋳造分類 |
| GB/T | AlSi7Mg | 中国 | 一般的にA357の化学組成に対応する中国規格の鋳造合金 |
各規格間で化学成分や機械的目標は類似していますが、不純物限度（Fe、Cu、Ti）や要求される機械試験の違いにより性能に差異が生じる場合があります。欧州EN規格は特定鋳造プロセス用にMgやSiの最低値が若干異なることがあり、購入時には安全性を担保するために仕様書や熱処理適合証明書の提示を求めることが推奨されます。
耐食性
357は比較的低い銅含有量と保護性のある酸化アルミニウムの皮膜により、大気中での耐食性は概ね良好です。工業的および農村環境でも他のAl-Si-Mg鋳造合金と同等の性能を示し、高銅系アルミ合金よりも孔食に強い特性を持ちます。
海洋環境では、357は飛沫や大気曝露条件下で満足できる耐食性を示しますが、長時間の海水浸漬ではとくに堆積物や隙間部でガルバニック腐食や孔食が促進されます。冶金的な純度、多孔率の制御、表面仕上げが海洋環境での寿命に大きく影響し、保護塗装およびアルマイト処理が一般的な対策です。
応力腐食割れ（SCC）に対しては、高強度Al-Cu合金より感受性は低いものの、高応力かつ腐食性環境下の部品には注意が必要です。より貴な金属と接触する場合はガルバニック腐食のリスクがあるため、電気的絶縁や犠牲陽極の設置が推奨されます。
加工特性
溶接性
357鋳造品の溶接は、TIGおよびMIG溶接が可能で、溶接割れを抑制し溶融池の流動性を高めるAl-Si系のER4043や低シリコンのER4047等の添加材が推奨されます。予熱は熱勾配および多孔質の低減に有効ですが、熱影響部は時効過剰や固溶状態の喪失により部分的に軟化することがあります。重要部位では機械的特性回復のため適正な後熱処理が必要です。
加工性
357の切削加工性は中程度で、シリコン含有により切粉の断片化や寸法安定性が良く、多くの高強度鍛造合金より優れています。ポジティブラケ角の超硬工具と適切な送り速度が最良の結果をもたらし、高速鋼はシリコン硬質相による研磨摩耗に苦戦します。板厚や多孔質を考慮した加工速度調整によりチャタリングや表面損傷を防止します。
成形性
鋳造用合金として357の冷間成形性は鍛造アルミ板合金より劣ります。薄肉の精密鋳造品はO調質であれば限定的な曲げや打抜きが可能です。複雑な成形は鋳造時に機能を組み込むか機械加工の方が一般的で、後加工成形は通常推奨されません。成形が必要な場合は、アニーリング（O調質）や部分的な固溶化処理後の制御変形および最終時効を組み合わせた特殊工程が用いられます。
熱処理特性
357の固溶化処理は通常、板厚や合金変種に応じて約500〜540 °Cに加熱し、MgおよびSiを固溶体に溶解させた後に急冷します。急冷により過飽和固溶体を保持し、人工時効の前段階とします。冷却速度および板厚によって残留溶質量と析出挙動が制御されます。
人工時効は155〜190 °C、4〜12時間で行われ、強度と靭性のバランスに応じた調整がなされます。T6調質ではピーク強度と許容可能な靭性を目指します。過時効や長時間の高温曝露はMg2Si析出物の粗大化を招き強度低下をもたらし、T7調質は高温安定性や変形低減が求められる場合に用いられます。
鋳造形態では熱処理による非時効強化は限定的ですが、鍛造や圧延材では冷間加工により強度をある程度向上可能です。アニーリング（O調質）は応力除去および加工性改善のために最終時効前に使用されます。
高温特性
約150〜200 °Cを超える温度では、Mg2Si析出物の粗大化と溶解により人工時効強度の大部分を喪失し始めます。この範囲を超える持続荷重は合金固有の耐熱性評価なしには推奨されません。アルミニウムの酸化は通常の使用温度では自己制限的ですが、長時間の高温曝露は劣化促進や表面粗さ・酸化皮膜の増加を招きます。
溶接部では熱影響部が高温に曝されると強度低下や微細組織変化が顕著で、後熱処理は有効ですが過時効が生じた場合は完全回復できません。使用温度が合金の限界に近い場合は設計余裕や定期的な検査が重要です。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 357が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 構造用鋳造部品、サスペンションハウジング | 良好な鋳造性、T6強度、軽量 |
| 海洋 | 舵およびストラットの鋳造品、ハウジング | 耐食性と適切な強度の両立 |
| 航空宇宙 | ギアボックスハウジング、継手部品 | 高強度・軽量および寸法安定性（T651調質） |
| 電子機器 | 放熱用ハウジング | 熱伝導性と軽量性 |
357は鋳造性、熱処理により強化可能な強度、耐食性の組み合わせが重要な用途で選ばれます。荷重を受ける鋳造部品として使用する際は、多孔質を最小化し、固溶化および時効処理による機械的性能の安定化を図る工程管理が前提となります。
選定のポイント
鋳造形状及び熱処理によるピーク強度が必要な場合に357を選択すると、純アルミニウム材（1100など）に比べ高い強度と寸法安定性を得られますが、電気伝導率は低く成形性も若干劣ります。そのため構造用鋳造部品に適しますが、導体用途には不向きです。
一般的な加工硬化系合金（3003、5052など）と比べると、357はT6時効後の強度が大幅に高い一方で延性は低く、冷間成形は難しいです。耐食性は銅入り合金と同等かやや優れますが、5052は加工成形を伴う過酷な海洋板材用途に好まれる場合があります。
6061や6063といった熱処理可能な鍛造・押出材と比較すると、357は鋳造性が良くより複雑な形状が製造可能で、十分な強度を持ちます。鋳造の経済性やほぼ仕上がった形状の製造を優先する場合に好適で、6061/6063の峰値強度や幅広い加工性よりも鋳造特性が重視される場合に選択されます。
まとめ
357は、Al-Si系の鋳造性の利点と、強力なT6時効硬化応答を兼ね備え、高い強度対重量比を実現する構造用鋳物向けオプションとして引き続き有用です。工程管理によって気孔を抑制し、適切な熱処理を施すことで、357は自動車、航空宇宙、海洋、高性能産業部品において、強度、耐食性、加工性のコストパフォーマンスに優れた妥協点を提供します。