アルミニウム 3A18：化学組成、特性、調質ガイドおよび用途
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包括的な概要
3A18は3xxx系アルミニウム合金に属し、主にマンガンを含む非熱処理硬化型アルミニウム合金で、強化元素としてMnが中心です。数字の末尾はマンガン含有量が一般的な3000系商用グレードより高いことを示しており、3A18は従来の3003およびより高マンガン含有の特殊合金の中間に位置し、強度および加工硬化特性の面で中程度の性能を持ちます。
主要な合金元素はマンガンで、シリコン、鉄、微量元素が管理されています。マグネシウムおよび銅は非熱処理硬化の特性を維持し耐食性を保つために意図的に制限されています。強化は主に固溶体効果とひずみ硬化（冷間加工）によって達成され、析出硬化を引き起こす溶質の含有は極めて低いため、時効硬化はほとんどありません。
3A18の主な特長は、アルミ・マンガン合金として優れた基礎強度を持ち、気中腐食に対する堅牢な耐性、焼なまし状態での良好な冷間成形性、そして標準的なアルミニウム充填材による溶接性の良さです。成形性、耐食性、適度な強度の組み合わせにより、最高強度や熱処理硬化特性よりも加工性と耐久性を重視する用途に適しています。
この合金系は建築（建築パネルや装飾材）、輸送（自動車内装部品や軽量構造材）、船舶（非重要構造や付属品）、家庭用電化製品などの分野で使用されています。エンジニアは純アルミよりも引張・降伏強さの向上が必要で、なおかつ成形性や耐食性を犠牲にしたくない場合に3A18を選びます。また、熱処理硬化合金よりも複雑な成形やコスト効率の良い加工が優先される場合に有利です。
調質バリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全な焼なまし状態。深絞りや複雑成形に最適 |
| H14 | 中~高 | 低~中 | 良好 | 良好 | 軽度の加工硬化。より高い降伏点を必要とする板材用途に一般的 |
| H18 | 高 | 低 | 制限あり | 良好 | 強い冷間加工。高強度で靭性は低下 |
| T4 | 中 | 中 | 良好 | 良好 | 溶体化処理後の自然時効。ただし、非熱処理型合金では一般的でない |
| T6（存在する場合） | 非典型的 | 該当なし | 不良 | 良好 | Al–Mn非熱処理硬化合金の標準調質ではないが、完全性のため記載 |
| H24/H26 | 中 | 中～低 | 良好 | 良好 | 加工硬化後の部分焼なましで、強度と成形性をバランスさせる |
調質は機械的性質や成形性能に直接かつ予測可能な影響を与えます。焼なまし（O）調質は最高の成形性と伸びを提供し、深絞りや複雑なプレス加工で不可欠です。一方、H系の加工硬化調質は延性を犠牲にして降伏強さと引張強さを向上させ、永久荷重能力を高めますが曲げ性が低下します。
メーカーは中間的な調質（例：H24）を用いて成形耐久性と必要な耐用強度のバランスを取ります。適切な調質の選択は、想定される成形ひずみ、望ましいばね戻り特性、および成形後の溶接・接合作業に応じて行う必要があります。
化学組成
| 元素 | 含有率範囲 | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | 脆い金属間化合物の抑制と延性保持のため管理 |
| Fe | ≤ 0.7 | 一般的な不純物。含有増加で強度は上がるが靭性は低下する場合あり |
| Mn | 1.6–2.0 | 固溶強化および微細分散相形成の主成分 |
| Mg | ≤ 0.10 | 時効硬化を避け耐食性を維持するため低濃度に制限 |
| Cu | ≤ 0.10 | 局所腐食および応力腐食割れ（SCC）の防止のため極力抑制 |
| Zn | ≤ 0.2 | 電気化学的ペナルティを避けるため低レベル。強化には寄与しない |
| Cr | ≤ 0.10 | 加工中の結晶粒制御に小量添加 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造・加工材の結晶粒細化剤。清浄度管理目的で制限 |
| その他 | 合計で≤ 0.15 | Zr、Ni、Srなどの微量残留元素。残りはAl |
組成はマンガンを強化用溶質として明確に位置付けており、銅、亜鉛、マグネシウムの濃度は析出硬化を防ぎ耐食性を保持するため厳格に管理されています。シリコンと鉄は延性や見た目の劣化を抑えつつ、コスト効果の高い溶解を可能にする不純物許容レベルです。
機械的性質
3A18は典型的なAl–Mnの引張特性を示し、焼なまし状態では降伏強さは控えめで引張強さは中程度、伸びは高く、深絞りなどの加工で割れにくい性質を持ちます。冷間加工されH系の調質になると、降伏強さと引張強さは大幅に向上しますが伸びは著しく低下します。靭性は予測可能に低下しばね戻りは増加するため、金型設計での補正が必要です。
硬さも同様の傾向を示し、O調質では低いブリネル硬度から加工硬化により著しく硬くなります。硬度上昇は耐摩耗性や中程度の繰返し応力下での疲労限度向上に関連します。耐疲労性は耐食状態では全般に良好ですが、表面状態やノッチ、溶接による局所軟化および残留応力に影響されやすい面があります。
板厚はひずみ分布の拘束条件により機械的応答に影響します。薄板は高い均一伸びと成形性を許容しますが絶対的な荷重支持力はやや低い傾向です。厚板は静的剛性が向上し成形後の残留荷重に強いものの、ばね戻り補正なく冷間成形は困難になります。
| 特性 | O（焼なまし） | 主な調質（H14 / H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 110–160 MPa | 200–260 MPa | H14/H18の値は冷間加工の程度や最終板厚に依存 |
| 降伏強さ | 40–80 MPa | 140–220 MPa | 軽微な冷間加工で急激に上昇。Al–Mn合金は降伏点の幅広さがみられる |
| 伸び | 20–35% | 6–15% | 調質が硬くなるほど急激に低下 |
| 硬さ（HB） | 30–45 HB | 65–95 HB | 引張強さ向上と相関。硬さは板厚や加工硬化度に依存 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70 g/cm³ | 主な商用Al–Mn合金の典型値 |
| 融点範囲 | 645–655 °C | 固相線〜液相線の範囲は狭く、鋳造用途が主ではない |
| 熱伝導率 | 約140–170 W/m·K | 純アルミに対して低下しているが、中程度の放熱用途に適合 |
| 電気伝導率 | 約30–40 %IACS | 高純度アルミより低く、調質や不純物によりやや変動 |
| 比熱 | 約880–910 J/kg·K | 周囲温度付近の典型的なアルミ合金の比熱 |
| 熱膨張係数 | 23–24 µm/m·K (20–100 °C) | かなりの膨張率。組立設計時に熱伸びの考慮が必要 |
アルミニウム3A18はアルミ合金の利点である熱伝導率と比熱を保持しており、軽量で耐食性も重視される中程度の熱管理用途に適しています。密度と膨張特性は軽量構造部品として魅力的ですが、鋼材や複合材料との接合時には熱膨張差への対策が必要です。
電気伝導率は高純度アルミに比べて低いため、3A18は主たる電気導体としては通常選択されません。代わりに機械的性能と軽量耐食性のバランスが重要な用途で選ばれます。
製品形状
| 形状 | 典型的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2～6.0 mm | O／H系列の性質に良く合致 | O、H14、H18 | 建築用および家電パネルに最も一般的な形状 |
| プレート | 6～50 mm | 断面剛性が高い；冷間成形は制限される | O、H24 | より厚さや剛性が必要な用途に使用 |
| 押出形材 | 最大200 mmの断面 | 断面形状と調質により強度が変動 | O、H12 | フレームや構造用断面材に使用；寸法管理が重要 |
| チューブ | 壁厚0.5～10 mm | 引抜きやシーム管としての良好な成形性 | O、H14 | 熱交換器ハウジングや非加圧の海洋用チューブに使用 |
| バー／ロッド | 直径3～50 mm | 冷間加工や時効履歴により強度が異なる | O、H18 | 機械部品や継手に一般的に使用 |
シート材は最も広く生産される製品形状であり、建築用および家電用途に適した均一な表面品質が特徴です。一方プレートは構造用パネル向けに製造され、限定的な成形を可能にするため通常は軟らかめの調質で販売されます。押出形材やチューブは結晶粒流れと表面仕上げに注意を払って製造されており、押出後に軽微なストレッチングや冷間加工を施して寸法安定性を高め、降伏強度を向上させることが一般的です。
成形方法は製品形状により異なります。シートは一般にロール成形、プレス加工（スタンピング）、深絞りが行われ、押出形材は押し出し後に引き伸ばしや時効安定化、または必要に応じて冷間硬化されます。厚板は通常、深絞りではなく機械的加工と溶接によって加工されます。
相当グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3A18 | 中国／地域 | 国内のサプライチェーンで使用される中国規格の呼称 |
| EN AW | 3003（類似） | ヨーロッパ | EN AW-3003は組成が近いが完全一致ではない。仕様比較に便宜的に使用される |
| JIS | A3003（概算） | 日本 | JISのAl–Mn系グレードは設計上の機能的類似として使用可能 |
| GB/T | 3A18 | 中国 | 国家規格では通常3A18表記が直接対応 |
地域別の規格間で完全な一対一対応は必ずしも存在しません。許容不純物レベルや調質手順に微妙ながら重要な違いがあるためです。エンジニアは仕様変換時にグレード名のみに頼らず、認証された成分および機械的特性データを比較し、Mn含有量やFe含有限度、表面品質の重要な違いを検出するために受入試験条件を明確に定めるべきです。
耐食性
3A18はAl–Mn合金に典型的な密着性のある酸化アルミニウム被膜を形成することで大気中の腐食に強い耐性を示します。この被膜は均一腐食を抑止し、屋外環境での表面外観を保持します。銅および亜鉛含有量が低いため、銅含有合金に比べて局部的なピット腐食や粒間腐食への感受性が低減されています。
海洋や塩化物環境下において3A18は多くの非熱処理系合金と比較して優れた性能を発揮しますが、長期間の浸漬や遊離電流条件では腐食が促進されるため、適切な設計詳細、塗装、異種金属からの絶縁措置が長期使用には推奨されます。Al–Mn系合金は高強度の熱処理アルミ合金に比べて応力腐食割れ（SCC）のリスクは低いものの、残留引張応力が高く、塩化物環境下では不適切に設計された部品で割れの発生を促進する可能性があります。
3A18をステンレス鋼や銅などの高耐食性の金属に接合する際は、ガルバニック腐食を防ぐために絶縁バリア、保護コーティング、または適合したファスナーの使用が重要です。5xxx（Al–Mg）系合金と比較すると3A18は大気耐候性が同等であり、通常は外観が良好で剥離耐性も同程度です。6xxx（Al–Mg–Si）系合金と比べると耐食性は同等ですが、加工性や成形性の面で複雑形状には3A18が有利な場合があります。
加工特性
溶接性
3A18の溶接性は一般的なTIG（GTAW）およびMIG（GMAW）溶接で良好です。適切な洗浄を行えば溶接プールの流動性が良く、ピット等の孔隙も管理可能です。推奨されるフィラー材はAl–Mn系合金または4043（Al–Si）、5356（Al–Mg）など市販の一般的な溶接材料で、溶接後の耐食性や機械的適合性に応じて選択されます。5356は強度が高い一方で特定環境下で耐食性がやや低下する可能性があります。
2xxxや7xxx系合金と比べて化学組成および凝固特性のため熱割れ発生リスクは低いですが、応力集中を避けるため良好な継手設計と隙間管理は必要です。熱影響部では冷間加工調質の部分的な焼鈍が起こり軟化しますが、強化が析出硬化に基づかないため溶接後の熱処理による強度回復はできません。
機械加工性
比較的延性のあるAl–Mn系合金である3A18は加工性は中程度であり、「自由切削」グレードではありません。切りくず制御や工具寿命は鋭利な工具と適切な送り速度で向上します。高い正面ねじれ角を持つ超硬またはコーティング高速度工具を使用し、冷却剤の適用を十分に行うことで良好な表面仕上げが得られます。切削速度はアルミ合金加工で一般的なビルドアップエッジ形成を避けるために適度に制限すべきです。
送りや切りくず排出が不十分だと工具接触面での加工硬化が起こりやすいため、工具や治具は擦れを避け連続的な切りくず排出を可能にする設計が望ましいです。量産加工ではバックストッパー、ブラシ状の切りくず破断装置、定期的な工具点検を用いることで加工安定性が向上します。
成形性
焼なまし状態では成形性が非常に良好で、深絞り、複雑なプレス加工、タイトな曲げ半径を伴うストレッチ成形が可能です。O調質の典型的な推奨最小内曲げ半径は、軽度の曲率で板厚の1～2倍、タイトな曲げでは2～3倍であり、工具構成や表面仕上げによって変わります。H調質の冷間加工材は伸びが著しく低下し、成形は硬化前に行うか、より大きな半径や段階的曲げなどで対応する必要があります。
スプリングバックはH調質や厚板ほど大きくなり、ダイ補正や段階的成形が寸法公差確保に用いられます。引抜きやエンボス加工部品では潤滑や表面処理の選択が工具寿命、摩擦、最終表面の外観に大きく影響します。
熱処理特性
3A18は熱処理不可能な合金に分類され、機械的性質は主に冷間加工と焼なましで調整されます。6xxxや7xxx系のような一般的な固溶処理および時効処理サイクルは効果がなく、主な合金元素であるMnは人工時効によって強化されるメタ安定析出物を形成しません。
焼なましは約300～415 °C（板厚および鋳造手法による）まで加熱し、展延性を回復させ、結晶粒再結晶を促進し、冷間加工で生じた内部応力を低減します。焼なまし後の冷却は変形防止のため制御されます。完全焼なましは加工硬化による強度をほぼO調質と同等レベルまで低下させます。
冷間加工（冷間圧延、引抜き、プレス加工）が降伏点および引張強さの実用的な向上手段であり、その後の部分焼なまし（H24のような中間調質）によりサプライヤーや加工業者は成形性と強度のバランスを調整します。
高温特性
ほとんどのAl–Mn合金と同様に3A18は高温で機械的強度が漸減し、約150～200 °Cを超えると降伏強さおよび引張強さが著しく低下します。そのため高温耐荷重用途には適しません。高温状態でのクリープ耐性も限定的であり、炉内や高温環境下の構造用途では高温用に設計された合金を選択すべきです。
酸化は速やかに形成される薄い保護的な酸化アルミニウム層に限定され、鋼材のような大規模なスケール生成はありませんが、長時間の高温曝露は表面外観や機械的特性に影響を及ぼします。溶接部の熱影響部は使用温度が焼なまし温度に近づくと局所的に軟化する可能性があり、設計者は熱的・機械的荷重の複合条件を考慮する必要があります。
断続的あるいは約100～120 °Cまでの用途では3A18は室温での展延性と強度の多くを維持し、エンジンルーム部品、ハウジング、エンクロージャーなど中程度かつ一時的な温度変動がある箇所に適しています。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 3A18が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 内装パネル・装飾トリム | 純アルミより優れた成形性と強度を備えた打抜き部品に最適 |
| 海洋 | 非構造用デッキフィッティング・ハウジングパネル | 湿潤および飛沫環境下での耐食性 |
| 航空宇宙 | 二次的な取り付け金具・ブラケット | 非重要ハードウェア向けの軽量かつ加工性に優れた強度比 |
| 家庭用電化製品 | 冷蔵庫パネル・乾燥機ドラム | 素晴らしい表面仕上げと打抜き筐体の成形性 |
| 電子機器 | 筐体および中程度の熱拡散部品 | 加工ニーズに応える熱伝導性と耐食性のバランス |
3A18は、優れた成形性、十分な構造強度および高い耐食性をコスト効率良く両立させる合金として最も多く選ばれています。特に、熱処理可能な高強度合金に比べてコストや加工の複雑さを抑えつつ、良好な表面外観と長期露天性能を求められる打抜き・引抜き部品に適しています。
選定のポイント
3A18を選ぶ際には、商業純アルミニウムと高強度・熱処理合金の中間的な特性を求める用途を優先してください。1100よりも降伏強さと引張強さが大幅に向上し、一方で多くの高強度合金よりも成形性と耐食性に優れています。複雑な成形、表面仕上げ、長期大気環境曝露の重要性が最大強度を上回る場合に3A18を推奨します。
1100（商業純アルミ）との比較：3A18は電気・熱伝導性と若干低下する耐食性を犠牲にする代わりに、著しく高い強度と低いばね戻りを実現しており、構造用の打抜き部品に適した選択です。3003や5052など加工硬化合金との比較：3A18は通常、基準強度が高く耐食性は同等で、5052は海洋環境で優れた強度を持ちますが、成形性・接合性に違いがあります。6061や6063など代表的な熱処理合金と比較すると、複雑な成形工程が必要な場合やコスト・耐食性がピーク強度より優先される場合に3A18を選択してください。
まとめ
3A18はアルミニウム合金の中で実用的な位置づけを持ち、純アルミに対して機械的強度を向上させつつ、多くの産業用途で不可欠な成形性と耐食性を維持しています。熱処理を必要としないため加工手順が簡素で、適度な強度、良好な疲労特性、信頼性の高い長期屋外耐候性能を求められる打抜き・引抜き・溶接部品に対してコストパフォーマンスの高い選択肢として適しています。