アルミニウム383：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 383（ダイカストの呼称で一般的にA383と参照される）は、Al–Si–Cu鋳造系合金に属するアルミニウム-シリコン-銅合金で、多くの場合3xx.x鋳造シリーズに分類されます。その化学成分は比較的高いシリコン含有量を中心に、強度向上と時効硬化を可能にするための銅添加が意図的に加えられています。残りは鋳造性を最適化するためのトレース合金元素を含むアルミニウムが占めます。
383の強化は主に銅による析出/時効硬化と少量のマグネシウムによるものに加え、凝固および熱処理時の微細組織の洗練によって達成されます。この合金はしたがって、ダイカスト部品の一般的な工学的実務において熱処理可能と分類されます。典型的な特長として、良好なダイカスト流動性と寸法安定性、時効後の中程度から高い静的強度、適度な熱伝導性、そして大気環境下での妥当な耐食性が挙げられます。成形性は主設計対象ではなく、383は板材成形よりも鋳造形状を想定した材料です。
383を主に使用する産業は、自動車（構造用ハウジング、トランスミッションおよびエンジン部品）、民生用電子機器（構造用ハウジングおよびコネクタ）、および複雑な薄肉鋳造形状に中程度の強度が求められる一部の産業機械です。エンジニアは、伸び性や鍛造品の仕上げよりも、ダイカスト製造性、寸法公差、及び鋳造後の熱処理による高強度達成能力を優先するときに383を選択します。
調質（Temper）バリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O（鋳放し・焼なまし） | 低い | 高め（一般的に3～8%） | 悪い～普通 | 普通 | 応力除去済みまたは鋳造組織そのまま；鋳造部品で最も高い靭性 |
| T5（人工時効） | 中程度 | 低め（1～4%） | 悪い | やや劣る | 急冷後または緩冷後に直接時効処理されるダイカスト向け一般的調質 |
| T6（溶体化処理および人工時効） | 高い | 低い（1～3%） | 悪い | 制限される | 溶体化、急冷、時効により最高強度を達成 |
| T7（過時効・安定化処理） | 中～高 | 低～中程度 | 悪い | 制限される | ピーク強度を多少犠牲にして安定性と靭性を向上 |
| HT（特殊熱処理） | 可変 | 可変 | 悪い | 可変 | 寸法や機械的特性最適化のための独自安定化サイクル |
調質の選択は383の性能に大きく影響します。T6は伸び率を犠牲にして最高の静的引張強さを提供しますが、一方T5は完全な溶体化処理を避ける生産に優しい妥協案です。鋳放し（O）状態は最も高い靭性を保持し歪みリスクを減少させますが、T5/T6条件と比較して強度と硬さは大幅に低くなります。
化学組成
| 元素 | 含有率範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 8.5–11.5 | 主要合金元素；流動性制御、収縮低減および強度調整に寄与 |
| Fe | 0.6–1.5 | 不純物元素；高濃度だと粒界を脆化させる金属間化合物を形成 |
| Mn | 0.2–0.6 | Fe系金属間化合物の修飾および強度・靭性の軽微な向上を助ける |
| Mg | 0.05–0.30 | Cuと組み合わされ析出硬化に寄与；鋳造グレードではしばしば低含有 |
| Cu | 2.0–3.5 | 時効硬化の主な強化元素；強度を高めるが耐食性を低下させることもある |
| Zn | 0.1–0.5 | 微量元素；通常低濃度で管理され、強度への影響はわずか |
| Cr | 0.05–0.25 | 粒子細化および金属間化合物の形態制御に寄与 |
| Ti | 0.02–0.15 | 溶融および鋳造時の粒子細化剤として使用 |
| その他（Ni、Pb、Sn、残部Al） | 微量 | 制御された微量添加または残留物；アルミニウムが合金成分の大部分を占める |
383の化学成分は鋳造性と時効硬化に最適化されています。シリコンは流動性を向上させ収縮を低減し、銅は強力な析出強化機構を提供します。鉄とマンガンは金属間化合物の制御や靭性に影響を与え、チタンとクロムなどの微量元素は粒子細化および凝固中の給餌性向上に寄与します。
機械的特性
383の引張挙動は鋳造品質、断面厚さ、調質に大きく依存します。鋳放し材は一般的に空孔と粗大なシリコン粒子に起因して中程度の引張強度と比較的低い靭性を示します。T5/T6熱処理後には析出物が形成され、降伏強さおよび最大引張強さが向上しますが伸び率は低下します。
降伏強さは時効状態と断面サイズに比例します。薄肉のダイカスト部品は人工時効に速く反応し、冷却速度の速さと微細な微細組織のために厚肉部品より高い降伏強さを示します。硬さはO状態からT6状態で顕著に向上し、Cuを含む析出相の出現を反映します。ブリネル硬さは比較的低硬度の鋳放しから熱処理により中硬度へと変化します。
383の疲労耐性は、鋳造時の空孔や金属間化合物が亀裂発生点となるため鍛造アルミ合金に劣ります。疲労設計には厳密な鋳造管理および後工程の密実化や表面処理が必要です。厚肉部は冷却が遅く、共晶シリコンや金属間化合物が粗大化して強度や疲労寿命が低下し、薄肉鋳造品に比べて性能が劣ります。
| 特性 | O／焼なまし | 代表的調質（例：T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（UTS） | 120–200 MPa | 260–350 MPa | 断面厚さ、空孔、熱処理により幅が大きい |
| 降伏強さ（0.2%オフセット） | 70–140 MPa | 180–300 MPa | T6で銅析出により大幅上昇 |
| 伸び率 | 3–8% | 1–4% | 強度・時効に伴い延性低下 |
| 硬さ（HB） | 50–80 HB | 80–110 HB | 時効と空孔低減で硬さ向上 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70–2.78 g/cm³ | Al–Si鋳造合金として一般的な範囲、空孔により若干変動 |
| 融点範囲 | 約515–615 °C（固相線-液相線） | 共晶および一次シリコンが融点域に影響、工程管理が重要 |
| 熱伝導率 | 約120–150 W/m·K | 純アルミより低いが放熱性としては良好 |
| 電気伝導率 | 約20–35% IACS | 銅やシリコンなどの合金元素により低下 |
| 比熱 | 約0.85–0.95 J/g·K | アルミニウムの標準的値、温度により若干変動 |
| 熱膨張率 | 21–24 µm/m·K | 多くのAl–Si鋳造合金と類似した熱膨張係数 |
これらの物理特性により、383は比較的軽量で良好な熱放散が求められる部品に適しています。融解および凝固挙動はダイカストプロセス設計の中核であり、共晶構造および一次シリコンの形態が機械的性質や収縮傾向を左右します。
製品形態
| 形態 | 典型的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 主な時効処理 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| ダイカスト（主に） | 壁厚 1〜12 mm | 薄肉部：時効後の強度が高い；厚肉部：強度が低い | O, T5, T6 | 383で最も一般的な形態；複雑な形状、薄い壁厚 |
| 砂型／永久型鋳造品 | >10 mm | 粗大な微細構造で機械的特性が低い | O, HT | ダイカストが困難な大型部品に使用される |
| インゴット／スラブ | 鋳造用原料サイズ | 該当なし | 生鋳状態 | ダイカスト業者や鋳造工場に再溶解用として供給される |
| 機械加工部品 | 鋳造後のサイズに応じて多様 | 強度は元の鋳造材と熱処理に依存 | T5/T6 | 重要な部分に対しては鋳造後の加工が一般的 |
| 鍛造／押出し | 稀 | 押出し／鍛造での加工は通常行われない | 該当なし | 合金成分と鋳造に最適化された設計のため、押出しは一般的でない |
383は主にダイカスト部品として生産・消費されており、板材・プレート材・圧延材での加工は一般的でなく、通常は避けられます。これは合金が凝固制御に最適化された特性を持つためです。設計と加工では、断面厚さやゲート設計によって気泡を最小限に抑え、完成鋳造品での機械的性能の予測性を確保する必要があります。
相当鋼種
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 383 / A383.0 | 米国 | Al–Si–Cu系ダイカストとして一般的なAluminum Associationの鋳造指定鋼種 |
| EN AW | AlSi9Cu3(Fe) / 類似 | ヨーロッパ | 類似化学成分系の代表的なEN相当名称 |
| JIS | ADC12（近似相当） | 日本 | ADC12はダイカストにおけるA383の対比鋼種として一般的に参照される |
| GB/T | AlSi9Cu3 / 類似 | 中国 | 中国の鋳造標準で同等のAl–Si–Cu合金を類似特性で規定 |
相当性は機能的なものであり完全な一致ではありません。成分範囲や不純物限度（特に鉄や鉛）、および許容される熱処理レシピは地域や規格によって異なります。代替を行う場合は、CuやSiの割合、不純物許容範囲、規定される機械的性質の違いを検討し、名称の相当だけに頼らないことが重要です。
耐食性
383は大気環境下で、保護性のアルミナ被膜形成により合理的な耐食性を示します。一般的な腐食速度は緩やかですが、塩素含有環境や酸性環境では腐食が促進されます。強度向上のための銅添加は局部腐食抵抗性を低下させるため、銅の高い表面含有部位は攻撃的環境でピッティング腐食のリスクが高くなります。
海洋環境や高塩素環境下では、Cuがマイクロガルバニックセルやピッティングを促進するため、5xxx系Al–Mg合金に劣ります。海水への曝露が予想される場合は、コーティング、アルマイト処理、陰極防食の採用を検討すべきです。応力腐食割れ（SCC）は高強度の圧延材に比べて主要な破損モードではありませんが、粗大な金属間化合物や鋳造欠陥が局所応力集中を引き起こし、繰返し応力と腐食環境で亀裂発生を促進する可能性があります。
ガルバニック腐食の観点では、鋼材、ステンレス鋼、銅部品との接触時に383は一般的に陽極となり、導電性の電解液中で優先的に腐食します。接触する金属や接合設計、絶縁バリア、保護コーティングの採用が推奨されます。総じて、他の合金系と比べ383は鋳造性と強度のバランスを重視しているため、Al–Mg系に比べ海洋環境下の耐食性とピッティング耐性はやや劣ります。
加工性
溶接性
383の溶接は可能ですが困難です。ダイカストの微細組織、気孔、そして高シリコン含有は熱割れのリスクを高め、熱影響部(H A Z)での軟化を不均一にします。TIGやMIGは修理や付加に利用できますが、母材の準備、専用フィラー合金（4043などAl–Si系合金でシリコン含有を合わせることが多い）、トラップガス除去の前後処理が必要です。多用すると機械的特性の低下やT5/T6状態より強度が劣るHAZ生成が生じるため、重要な荷重部の溶接は最小限に留めるべきです。
機械加工性
鋳造383の機械加工性は多くの圧延材に比べて良好です。Al–Si微細組織により短く脆い切りくずが生成され、折れやすく、中程度から高速の切削送りで加工可能です。カーバイド工具の適切なコーティングが推奨され、冷却剤は深いキャビティの温度管理と切りくず排出に有効です。表面仕上げは気孔や金属間化合物の影響を受けるため、精密加工では振動防止の治具と控えめな送りで工具振動や表面欠陥の発生を防ぎます。
成形性
鋳造合金としての383は広範な冷間成形向きではありません。鋳造後の曲げ半径は大きくし、局所的な気孔や金属間化合物による延性低下に配慮する必要があります。最良の成形結果は、鋳造後の焼鈍条件で最小限の成形変形で行うか、鋳造形状を最終形状に近づけることによるポスト成形の回避です。限定的な成形を行う場合は、低温の温間成形と適切な工具形状の組み合わせで亀裂リスクを軽減できますが、ネットシェイプダイカスト設計が推奨されます。
熱処理特性
383の熱処理はAl–Si–Cu鋳造合金における典型的な溶体化処理および時効処理シーケンスに従います。溶体化処理は断面および仕様に応じて495〜540 °Cの範囲で行い、可溶相を溶解しマトリックスを均質化、急冷により過飽和固溶体を保持します。人工時効（T5/T6）は約150〜220 °CでCuおよびMg含有相を析出させ、降伏強さと引張強さを大幅に向上させます。時効サイクルは強度と靭性のバランスを考慮して調整されます。
T7や過時効サイクルは、寸法安定性や使用・加工中の特性劣化耐性が求められる場合に適用します。過時効はピーク強度を犠牲にして熱曝露による軟化耐性を高めます。鋳造383では、断面厚さや閉じ込められた気孔により安定した溶体化処理が難しいため、多くの量産品では歪みリスクを避けるため溶体化を省略し、生鋳状態から直接T5時効処理を行い剛性を得るケースが多いです。
高温特性
383の機械的強度は温度の上昇に伴い徐々に劣化します。概ね120〜150 °Cを超える持続的な使用では、時効相の消失により降伏強さおよび引張強さが大幅に低下します。高温での酸化は主にアルミナ被膜で制限されますが、長時間の曝露や熱サイクルで被膜特性が変化し、厳しい環境下でスケールの成長が促進されることがあります。溶接熱影響部では局所的な軟化と析出相の粗大化が進み、局所的な高温強度や疲労寿命が低下します。
短期間の高温曝露では、適切な時効条件と合金安定化により特性低下を抑制できますが、383は連続使用の高温構造材としては推奨されません。150 °C以上の持続的な強度が求められる場合は、高温用アルミ合金や他材料の検討が必要です。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 383が用いられる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | トランスミッションハウジング、バルブボディ | ダイカスト性、薄肉寸法管理、時効後の強度 |
| 民生用電子機器 | 筐体、構造フレーム | 優れた熱伝導性、複雑形状、高ボリューム鋳造の経済性 |
| 産業機械 | ポンプハウジング、コンプレッサーカバー | 中性環境での耐食性、鋳造自由度 |
| 空調／熱管理 | ヒートシンクハウジング、ブロワ部品 | 熱伝導性、一体成形されたフィン成形の可能性 |
| 電気コネクタ | コネクタハウジング | 寸法安定性、嵌合部の機械加工性 |
383は複雑な薄肉鋳造形状、高齢後の適正な機械的強度、およびコスト効率の高い大量生産が求められる用途で指定されることが多いです。鋳造性と時効後の強度のバランスが良いため、統合された特徴を持ち中程度の機械的荷重に耐えるハウジングや部品にしばしば選ばれます。
選定のポイント
383を選定する際には、ダイキャストによる複雑形状の成形および中程度から高い時効強度が求められる用途に適している一方で、延性や耐食性の一部犠牲を受け入れる必要があることをエンジニアは考慮すべきです。商用純アルミニウム（1100）と比較すると、383ははるかに高い強度と優れた寸法安定性を提供しますが、合金添加およびキャスティングによる微細組織の影響で電気伝導性や成形性は劣ります。
一般的な加工硬化系合金である3003や5052と比較すると、383は鋳造部品において大幅に高い時効強度を発揮しますが、Mg含有の圧延合金が示す海洋環境下での耐食性や板材の成形性には及びません。6061や6063のような熱処理可能な圧延合金と比較した場合、383はネットシェイプでの鋳造および複雑な一体成形形状が最優先される場合に適しており、6xxx系合金の圧延材が多くの構造用途で優れるピーク強度や疲労耐性を示す点は考慮する必要があります。
まとめ
合金383は、ダイキャストの経済性、薄肉形状の複雑さ、鋳造後の時効硬化能力を組み合わせて部品性能の目標を達成する場面で依然として有効です。その化学組成とプロセスの柔軟性により、設計者に対して鋳造性、強度、熱的性能の実用的な妥協案を提供します。適切な硬化材の選択、鋳造条件の管理、および表面保護への配慮が使用寿命を延ばし、自動車、電子機器、一般工業用途における実働部品としての信頼性を高めます。