アルミニウム 3A21：組成、特性、状態ガイドおよび用途
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総合概要
3A21は3xxx系アルミニウム合金の一種で、主な合金元素としてマンガンを含むAl–Mn系に分類されます。熱処理による強化ができない冷間加工硬化型合金であり、強度向上は固溶化や析出硬化ではなく冷間加工（加工硬化）によって実現されます。
典型的な化学組成では、マンガンが固溶強化と分散物生成を促進する範囲にあり、Fe、Si、微量元素がわずかに形成性や耐食性に影響を与えています。この合金は中程度の強度、良好な耐食性、優れた成形性と溶接性のバランスを備え、板材や成形部品に適しています。
3A21は一般製造、車両外装、HVAC、家庭用電化製品、軽量船舶用途などの分野で広く使用されており、中程度の強度と良好な成形性が求められる場合に選定されます。熱処理型合金の高強度よりも、冷間成形性、適度な強度、低コスト、優れた大気腐食耐性の組み合わせが重視される場合にエンジニアに選ばれます。
硬質状態のバリエーション
| 硬質状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い（20〜40%） | 非常に良い | 非常に良い | 完全退火、複雑な成形に最大限の延性を提供 |
| H12 | 低〜中程度 | 中程度（10〜25%） | 非常に良い | 非常に良い | わずかな加工硬化、良好な成形性を維持 |
| H14 | 中程度 | 中程度（8〜18%） | 良好 | 非常に良い | 中程度の強度と成形性を持つ一般的な商業硬質態 |
| H16 | 中〜高 | 低め（6〜14%） | 普通〜良い | 非常に良い | 加工硬化が大きく、成形部品に対してより高い降伏点を持つ |
| H18 | 高い | 低い（3〜10%） | 減少 | 非常に良い | 冷間加工によるほぼ最大の商業的硬化 |
| H111 | 低〜中程度 | 変動 | 良好 | 非常に良い | 軽く加工された状態で、軽度の強化と良好な成形性が必要な用途 |
| H112 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 非常に良い | 代替の商業的加工硬化状態 |
3xxx系合金の硬質状態は冷間加工量の調整によって実現され、従来のT6/T651処理のような意味のある析出硬化は生じません。OからHへの硬質状態の移行は、降伏強さと引張強さを上昇させる一方で、一様伸びと総伸びを低減させるため、設計者は成形性と使用時の荷重要求をバランスさせる必要があります。
非熱処理型合金のため、これらの硬質状態全体で溶接性は優れています。ただし、冷間加工部分は溶接熱影響部で局所的な軟化を示す可能性があり、溶接後の成形性は溶接後の冷間加工または焼鈍処理の選択によって左右されます。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.1〜0.6 | 不純物管理；Siが多いと鋳造性向上だが延性低下の可能性あり |
| Fe | 0.2〜0.7 | 一般的な不純物；析出相形成により延性と表面品質が低下することがある |
| Mn | 0.6〜1.5 | 主要強化元素；再結晶抑制と耐食性向上に寄与 |
| Mg | 0.05〜0.20 | 微量；強度にわずかに寄与するが溶接性保持のため低く抑えられる |
| Cu | 0.05〜0.3 | 低濃度で強度を向上させるが耐食性を低下させる場合がある |
| Zn | 0.05〜0.25 | 通常低濃度；Znが多いと7xxx系に近い性質になる |
| Cr | 0.05〜0.20 | 微量合金元素として結晶粒制御および靭性改善に寄与 |
| Ti | 0.01〜0.10 | 脱酸剤および結晶粒細化剤として一部製品に使用 |
| その他 | 残部Al、残留物は≤0.15% | 微量元素と不純物は特性管理のため低く抑えられる |
マンガン含有量は分散相を形成し、熱処理時の再結晶を抑制して成形後および中程度の熱影響下での強度維持に大きく影響します。制御されたFeおよびSiは不可避で、最終的な表面仕上げと成形特性に影響を与えます。微量のCrとTiは鋳造や熱間加工時の結晶粒制御に役立ちます。
機械的特性
3A21の引張特性は非熱処理型Al–Mn合金に特有であり、退火状態は延性が高く降伏強さは比較的低く、冷間加工による歪みに応じて強度が上昇します。熱処理型合金と比較して降伏点現象は控えめで、応力–歪み曲線はO硬質状態で大きな均一伸びを示し、硬くなるH硬質状態で延性は段階的に低下します。疲労性能は表面が滑らかな部品では概ね良好ですが、析出相粒子の存在や粗い表面仕上げは耐久限界を低下させることがあります。
硬さは加工硬化に伴い上昇し、退火状態では低く、商業的H硬質状態で着実に増加します。板厚の影響は顕著で、薄板は均一に冷間加工され加工後の見かけの強度が高くなる傾向があり、厚板は冷間加工強化が十分に得られず成形性が低下しやすいです。合金は中程度の切欠き感度を持ち、疲労に関係する部品では適切な表面仕上げが有効です。
| 特性 | O退火 | 代表的硬質状態（例：H14/H16） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約80〜140 MPa | 約140〜210 MPa | 冷間加工と板厚に依存；H16/H18で上限に達する |
| 降伏強さ | 約30〜70 MPa | 約80〜160 MPa | 硬質状態により大幅に上昇；硬質状態別の設計が必要 |
| 伸び | 約25〜40% | 約5〜18% | 加工硬化が進むほど延性は低下する |
| 硬さ（HB） | 約20〜40 HB | 約40〜90 HB | 商業的H硬質状態と冷間加工に伴い増加 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70〜2.73 g/cm³ | 純アルミ（2.70 g/cm³）に対しわずかに合金化 |
| 融点範囲 | 約630〜655 °C | 固相線～液相線の範囲は微量合金元素に依存 |
| 熱伝導率 | 約120〜150 W/m·K | 純アルミよりやや低いが、放熱用として十分 |
| 電気伝導率 | 約28〜38 % IACS | マンガンや不純物により純アルミや1xxx系に比べ低下 |
| 比熱 | 約880〜910 J/kg·K | 一般的な工学用アルミ合金と同程度 |
| 熱膨張係数 | 約23〜24 µm/m·K（20〜100 °C） | 一般的なアルミの熱膨張；異種材料構造体での設計配慮が必要 |
比較的高い熱伝導率と低密度の組み合わせにより、3A21は軽量での熱管理を必要とし最高の伝導率が求められない用途に向いています。電気伝導率は合金元素と冷間加工により低下するため、電気的性能を最優先する場合は純度の高い1xxx系合金が好まれます。熱膨張は多材料構造の設計時に考慮する必要があります。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2–6.0 mm | OまたはH硬さ状態で供給可能。硬さにより強度が向上 | O、H14、H16、H18 | 成形部品やパネルに最も広く使用される |
| プレート | 6–25 mm | 冷間加工効果は低く、加工しなければ粒が粗大化する | O、H111 | 厚い断面が必要な構造用または機械加工部品に使用される |
| 押出材 | 直径が数百mmまで | 押出後の冷却や冷間加工により強度が変化 | O、H112 | 6xxx系合金と比べて複雑な薄型断面の成形性は限定的 |
| チューブ | 壁厚0.5–6.0 mm | 薄肉の場合、シートと同様の挙動を示す | O、H14 | HVACダクトや軽量構造用チューブとして一般的 |
| 棒材／ロッド | 直径6–150 mm | 引抜棒の場合、冷間加工により強度が向上 | H12–H18 | 軽量構造用継手や部品に使用される |
加工形態による違いは大きく、シートや薄肉製品は必要な機械的性質レベルまで容易に加工硬化が可能ですが、プレートや厚押出材は加工硬化による強度上昇が小さく、均一な性質を得るためには機械的または熱的な後処理が必要になる場合があります。したがって、形状選定は達成可能な硬さ状態と使用時に求められる強度および成形性を踏まえて行うべきです。
等価グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3003（概算） | アメリカ合衆国 | 組成と性質においてAluminum Associationの最も近い等価品 |
| EN AW | 3.0517 / AW-3003 | ヨーロッパ | 一般用途シートで用いられるAl–Mn仕様に類似 |
| JIS | A3003 | 日本 | マンガン系の一般合金に相当 |
| GB/T | 3A21 | 中国 | 中国独自呼称であり、3xxx系Al–Mn特性と整合性がある |
仕様間のわずかな差異は、通常、不純物の管理、許容される銅含有量、または成形性や表面仕上げに影響する微量元素の限度の違いを反映しています。国際的な供給においては、交差参照名だけに依存せず、正確な組成および硬さ状態を確認するために化学証明書や機械的性質証明書の提出をエンジニアが求めるべきです。
耐食性
3A21は3xxx系列の一般的な大気環境に対する良好な耐食性を示します。安定した酸化膜を形成し、軽度の工業および農村環境に対して保護機能を果たします。沿岸部や塩化物濃度の高い環境でも良好ですが、割れ隙間腐食や塩分の滞留しやすい部分には設計上の注意が必要です。
均一腐食に対する耐性は良好で、過酷な海洋環境での局部的な孔食発生は高強度のAl–Zn合金に比べ限定的です。応力腐食割れは3xxx系合金において一般的な故障モードではなく、主な腐食懸念は汚染環境や高塩化物環境下での局所攻撃です。
異種金属とのガルバニック相互作用にも注意が必要です。銅やステンレス鋼などのより高貴な材料と湿潤環境で接触すると、3A21は陽極として優先的に腐食するため絶縁が望まれます。一方で、より活性な材料と接した場合は陰極として保護されます。典型的な対策としては塗装、バリア設置、犠牲陽極設計などがあります。
加工性
溶接性
3A21の溶接性はTIGやMIGなどの伝統的な融接法で非常に良好です。推奨される充填材はアルミニウム-シリコン（例：4043）およびアルミニウム-マグネシウム（例：5356）系のタイプで、溶接金属の靭性や耐食性に応じて選択します。4043は割れリスクの低減および良好な濡れ性を提供するためよく使用されます。熱割れ感受性は熱処理合金より低いですが、孔隙や不純物包有物を避けるために、接合部の適合性および清浄度に注意が必要です。
切削性
3A21の切削性は中程度で、一般的な加工性アルミ合金よりも粘り強い傾向があり、鋭利な超硬工具と適切なクーラントの使用が望ましいです。切削性はAl–Cu 2xxx系およびAl–Si 3xx鋳造合金より劣り、ビルドアップエッジの形成防止や切り屑形態制御のために送り速度や切削速度を適正に設定する必要があります。切削工具の寿命はコーティング超硬工具および高速加工戦略で連続切り屑を効率良く排出できれば十分です。
成形性
成形性は3A21の大きな強みの一つで、焼なまし（O）状態では深絞りや複雑な打抜き加工が可能です。最小曲げ半径は板厚や硬さ状態に依存しますが、O硬さでは多くの場合R ≤ 0.5tの非常に小さな半径が許容される一方、H硬さでは割れ防止のため大きな半径を必要とします。冷間加工は強度を高める反面、延性を低下させるため、成形工程では最終形状および性能要求を満たすために焼なまし段階や制御された予備歪みが指定されることが多いです。
熱処理特性
非熱処理合金である3A21は、固溶化処理および析出硬化による強度向上は見込めません。熱処理による強度向上は主として組織の調整、焼なまし、残留応力低減に関するものであり、析出硬化効果は期待できません。固溶化処理後の急冷はほとんど有効な効果をもたらさず、粒の粗大化や望ましくない軟化を招く場合があります。
強度増加は主に冷間変形による加工硬化で達成され、安定かつ予測可能なため、設計者は要求される降伏強さに応じたH硬さ状態を選択できます。再焼なまし（完全焼なましのO状態復元）は成形工程間の成形性回復や溶接後・加工後の残留応力除去に用いられます。
高温特性
高温では溶融範囲よりかなり低い温度から強度が漸進的に低下し、概ね150〜200 °C以上で著しい軟化が起こります。耐クリープ性は耐熱性アルミ合金や鋼と比べて限定的であり、高温下での長期荷重下使用は推奨されません。大気中の通常の使用温度ではアルミナ被膜により酸化は最小限に抑えられますが、高温での長期暴露により表面状態や機械的性質の変化が生じる場合があります。
溶接部の熱影響部は析出硬化しませんが、高熱サイクル曝露により局所的な焼なましおよび粒粗大化が生じることがあり、局所的な強度低下を引き起こします。高温用途では熱安定性に優れた他のアルミ合金や非アルミ材料を検討すべきです。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 3A21が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | トリム、チャネル、内装パネル | 良好な成形性、適度な強度、コストパフォーマンス |
| 海洋 | 軽量構造ブラケット、ダクト | 十分な耐食性と加工のしやすさ |
| 航空宇宙 | 非重要継手、フェアリング | 二次構造に適した強度対重量比 |
| 電子機器 | 筐体、ヒートスプレッダ | 優れた熱伝導性と加工の容易さ |
| 家電製品 | 調理器具、パネル | 食品接触部および外装パネル向けの成形性と耐食性 |
3A21は、成形、溶接、適度な強度、耐食性の組み合わせが求められる用途でしばしば選択され、熱処理合金の複雑さやコストを避けたい場合に適しています。その特性バランスは多くの汎用部品や半構造部品の効率的な製造および堅牢な使用性能を実現します。
選定のポイント
優れた成形性および溶接性を持ち、熱処理による最高強度を必要としない堅牢で低コストなAl–Mn合金を求める場合に3A21を使用してください。特にプレスや引抜きシート部品、軽量構造部材、大気環境下で使用される用途に適しています。
純アルミニウム（例：1100）と比較すると、3A21は電気および熱伝導性がやや低下しますが、著しく高い強度と使用中の機械的変形に対する耐性を持ちます。3003や5052など他の加工硬化合金と比べた場合、3A21は同程度の性能帯に位置し、特定のMn含有制御や硬さ状態の指定がある場合に好まれることがあります。5052はMg含有によりより高い強度と優れた海洋耐食性を持ちますが、完全焼なまし3A21に比べて成形性は劣ります。
6061などの一般的な熱処理合金と比較すると、3A21は成形性が優れ溶接も容易でコストが低い一方、6xxx系の最高強度には及びません。複雑な成形操作や溶接性、耐食性を最大強度より優先する場合に3A21が適しています。
まとめ
3A21は、成形性、溶接性、耐食性、コストパフォーマンスのバランスが求められる現代のエンジニアリングにおいて、実用的で広く使用されているAl–Mn合金です。予測可能な加工硬化特性と優れた加工性により、大量生産部品や準構造部品において今なお重要な材料となっています。