アルミニウム 3B21：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
3B21は3xxx系アルミニウム合金の一種で、主にマンガンをベースとした合金元素を含み、非熱処理系合金に分類されます。Mnによる固溶強化を活用することを目的としており、一部のバリエーションではわずかなMgが添加されます。強化は主に沈殿硬化による熱処理ではなく、加工硬化によって達成されます。
3B21の主な特性は、純アルミニウムに比べて中程度から良好な強度、焼なまし状態での優れた成形性、一般的な大気腐食に対する良好な耐食性、および標準的なアルミ溶接方法での簡単な溶接性です。3B21の用途としては、輸送・自動車の外板、消費財、成形性と耐食性のバランスが求められる一部の海洋二次構造材などがあります。
エンジニアは成形加工での延性と市販の純アルミニウムよりも優れた機械的性能の組み合わせが必要で、熱処理の複雑さを避けたい場合に3B21を選択します。他の合金に対する競争力は、軽量で安定した加工硬化応答、比較的低コストの製造・加工に由来します。
複雑な成形加工や良好な表面仕上げを維持する必要がある場合は、より高強度の熱処理系合金よりも3B21が選択されることが多く、さらなる構造強度や凹み抵抗が望ましい場合は純アルミや軟らかい合金よりも3B21が好まれます。
硬質状態バリエーション
| 硬質状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い（30–45%） | 優秀 | 優秀 | 完全な焼なまし状態、深絞り・成形に最適 |
| H12 | 低〜中 | 中〜高（20–30%） | 非常に良好 | 非常に良好 | 部分的な機械的加工による軽度の加工硬化 |
| H14 | 中 | 中（10–20%） | 良好 | 非常に良好 | 板材の一般的な市販加工硬化硬質状態；より高い降伏強さ |
| H16 | 中〜高 | 中（8–15%） | 低下 | 良好 | 剛性向上のためのより高い加工硬化度合い |
| H18 | 高 | 低〜中（6–12%） | 制限あり | 良好 | 重い加工硬化、構造用パネル向けの強度増加 |
| H24 | 中〜高 | 中（10–18%） | 良好 | 非常に良好 | 加工硬化および安定処理され、一部成形性を維持 |
| T3（適用例） | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 主要処理方法ではない—3xxx系合金は熱処理非対応；一部規格で溶体化後の安定化用としてT指定を使用 |
3B21の硬質状態指定は従来の3xxx系の取り扱いに準じています：最大の成形性を実現する軟質のO状態と、加工硬化による強度段階的増加を示す各種H硬質状態です。硬質状態の選択は、成形の複雑さ、バネ戻りの制御、使用環境で求められる剛性のバランスを考慮します。溶接修理や成形後の接合では、硬質H状態部材の溶接部に局所的な軟化が生じる可能性があるため注意が必要です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | 典型的な不純物。過剰は延性低下と金属間化合物生成を促進 |
| Fe | ≤ 0.7 | 一般的な不純物。結晶粒構造に影響し、脆い相を形成する場合がある |
| Mn | 0.8–1.5 | 3xxx系の主要合金元素。強度向上と再結晶抑制を促進 |
| Mg | 0.1–0.6 | 一部バリエーションにわずかに添加。固溶強化を増加させ、加工硬化特性を改善 |
| Cu | ≤ 0.2 | 低レベルで存在。若干の強度向上をもたらすが耐食性は低下 |
| Zn | ≤ 0.25 | 通常低濃度。3xxx系としては高濃度は一般的でない |
| Cr | ≤ 0.10 | 微量添加により結晶粒制御および硬質状態の安定性向上 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造品または圧延品の結晶粒微細化のための少量添加 |
| その他（各元素） | ≤ 0.05–0.15 | Ni、Pb、Snなどの残留不純物は脆化や有害相生成を防ぐため低濃度に抑制 |
3B21の合金成分はマンガンを主軸に据え、安定した加工硬化強化と優れた延性を実現します。Mnは再結晶を抑制し、成形や中程度の熱サイクル時に結晶粒を安定化する微細分散相を形成します。適度なMg添加は固溶体強化を増強し加工硬化能力を改善しますが、5xxx系高Mg合金のような脆弱性を避けるため添加量は制限されます。
機械的性質
3B21の引張特性は3xxx系の典型的傾向に従います：焼なまし（O）状態は降伏強さおよび引張強さが比較的低く、均一伸びが高いため厳しい成形が可能です。加工硬化（H状態）により降伏強さと引張強さが大幅に向上しますが、延性と曲げ性は低下し、加工硬化の増加に伴いバネ戻りも増加します。板厚や加工履歴は特性に大きく影響し、薄板ほど冷間圧延による加工硬化の影響で強度が高く見えることがあります。
硬さは硬質状態に密接に連動し、ロックウェル硬さやブリネル硬さはH番号の上昇に伴い予測可能な増加を示します。疲労性能は中程度で、純アルミよりは良好ですが一部熱処理系合金には及びません。表面仕上げ、成形による残留応力、切欠き部の影響が寿命を左右します。降伏強さと引張強さの比率は中程度で、局所的な熱入力（例：溶接）により加工硬化した硬質状態で熱影響部軟化が生じることがあります。
冷間成形限界は硬質状態と結晶粒径に依存します。O状態は深絞り半径をパネル感度の高い寸法まで許容する一方、H18などの硬質状態はより大きな曲げ半径や段階的成形工程を必要とします。以下の典型値は一般的な板厚および代表的な硬質状態での代表範囲を示します。
| 物性 | O／焼なまし | 代表的硬質状態（例：H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 90–130 MPa | 150–220 MPa | 板厚および合金ロットにより変動。H14は中程度の構造パネルに一般的 |
| 降伏強さ | 30–70 MPa | 100–160 MPa | 加工硬化で大幅増加。O状態は低増加 |
| 伸び | 30–45% | 8–20% | 成形時の硬質状態とひずみ経路に依存 |
| 硬さ（HB） | 25–45 HB | 50–85 HB | 硬質状態で硬さ上昇。HRC、HRBへの換算値は様々 |
物理的性質
| 物性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.70 g/cm³ | 圧延アルミニウム合金の典型値。強度対重量の面で有利 |
| 融点範囲 | 約640–655 °C | 純アルミニウム（660 °C）に比べて合金元素によりわずかに低下 |
| 熱伝導率 | 約120–150 W/m·K | 純アルミより低いが、熱拡散用途には依然として高い値 |
| 電気伝導率 | 約28–40% IACS | 1xxx系に比べて合金化により低下。Mn、Mg含有量に依存 |
| 比熱 | 約0.88–0.91 J/g·K | 室温付近のアルミ合金の標準的値 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 ×10⁻⁶ /K（20–100 °C） | ほかのアルミ合金と同様で、多材接合部の熱応力管理に重要 |
3B21はアルミニウムの熱的・電気的利点を維持しつつ、合金化による適度な低減のみを受け入れています。熱伝導率は熱拡散部品や消費者向け熱管理パーツに適した高水準を保持します。熱膨張係数は他のアルミ合金と同等で、多材系接合設計での熱応力対策が求められます。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な硬化状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2–6.0 mm | 硬化状態によって強度が変化し、薄板はやや硬めになることが多い | O, H14, H24 | パネル、筐体、成形部品として広く使用される |
| プレート | 6 mm超〜25 mmまで | 厚いプレートでは冷間加工による強度向上が低くなる | O, H18 | より大断面が必要な用途に使用される。機械加工やプレート成形を考慮 |
| 押出材 | 数メートルまでの形状断面 | 断面冷却条件に依存し、強度は中程度 | O, H112 | 押出時にMnが組織を安定化させるために活用される |
| パイプ | 小径から大径まで | 肉厚と硬化状態が剛性を決定 | O, H16 | 軽量フレーム用に引抜きまたは押出のパイプが使用される |
| 丸棒／棒材 | 径およびフラットバー | 一般に焼なまし状態で柔らかく、冷間引抜き可能 | O, H12 | 機械加工部品や締結部品に適する場合に生産される |
成形および加工経路により製品形状の選択が決まる。シート圧延は良好な表面仕上げと厳密な厚み管理が可能で、見えるパネルに適す。一方、押出は複雑な断面形状を実現できるが、時効やひずみの影響に注意が必要。プレートや厚肉断面は、比較可能な形状を得るために増分成形や熱間成形など異なる成形方法を要することが多い。溶接組立では、薄肉部品の局所的な硬化状態軟化や歪みに考慮が必要である。
相当鋼種
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3B21 | USA | 一部のサプライヤーカタログで使われる呼称。すべてのAAリストで標準化されているわけではない |
| EN AW | 3003 / 3xxx系列 | ヨーロッパ | 最も近い圧延ヨーロッパ等価品は3xxx AWシリーズであり、完全な1対1の互換性は組成の確認が必要 |
| JIS | A3003 / A3xxx | 日本 | 日本の3xxx系グレードは類似のMnベース化学成分および特性を持つ |
| GB/T | 3B21 | 中国 | 中国規格3B21は現地の合金番号付けと組成管理に合致している |
規格間の直接的な相互参照は、名称だけでなく組成限界や機械的要求を用いて行うべきである。許容不純物、Mg含有量、硬化処理の違いにより性能差が生じることがあるため、認証が重要な用途ではミルシートの提出と比較試験の実施を求め、単なる名目上の互換表だけに頼らないことが推奨される。
耐食性
3B21はMn含有の3xxx合金に典型的な大気中での優れた腐食抵抗性を持ち、酸化皮膜が速やかに形成されることで、ほとんどの非腐食性環境下で母材を保護する。都市部や工業地域の大気中で良好に機能し、機械的強度のわずかな向上を必要としつつも環境耐食性を損ないたくない場合に純アルミよりも選択されることが多い。
海洋環境下では、3B21は均一腐食に対しては適度な耐性を示すが、5xxx系アルミニウム合金や特殊被覆合金に比べると塩化物が高濃度の条件下での局部腐食（点食）や剥離に対して脆弱である。表面仕上げ、クラッド加工、および合金の清浄度（特にFeとCuの低減）が海洋曝露時の性能に大きく影響する。
3xxx Mn合金はCu含有合金や高Mg合金に比べて応力腐食割れに対する感受性が一般的に低いが、ステンレス鋼や銅などより貴な材料との電食作用により、電解質で接触するとアルミニウム側で加速腐食が進行する。設計時には犠牲防食や電気的絶縁によるガルバニック腐食防止を検討する必要がある。
加工特性
溶接性
3B21の溶接は、アルゴンガスシールドを使用したTIGおよびMIG溶接で通常の下準備手順を踏めば容易に行える。フィラー材は機械的特性の整合とホットクラック低減のためにAl-MnまたはAl-Si系が好まれる。4043（Al-Si）および5356（Al-Mg）が使用され、要求される伸びと強度のバランスで選択される。強く加工硬化した硬化状態では、熱影響部の軟化と局所的特性低下が見られるため、溶接前後の機械的状態管理が重要である。
機械加工性
機械加工性は中程度で、切削性に優れるCu合金や鋼材より劣るが、適切な工具で加工可能である。正ネガ角を持つ超硬チップ工具、高送り切削、フラッドクーラントが工具寿命と表面仕上げの最適バランスを提供する。切粉は連続的で靭性が高いため、ビルドアップエッジの管理や切粉破砕用の工具形状の設定が大量加工に適する。
成形性
成形性はO硬化状態で非常に良好であり、低硬化状態でも一般的なプレス加工や深絞りに適している。O硬化状態の典型的な最小曲げ半径は単純曲げで0.5〜1.0T（板厚）程度だが、深絞り時はスプリングバックや板厚薄化を考慮する必要がある。冷間加工硬化状態（H16〜H18）は亀裂防止のため大きな曲げ半径や多段成形が求められ、必要に応じて焼なましで成形性回復が可能である。
熱処理の特性
本質的に非熱処理強化型合金である3B21は、溶体化処理と時効処理による顕著な強化効果を示さない。6xxx系や7xxx系合金で可能なような溶体・時効サイクルによる強度向上は期待できない。その代わりに、機械的性質の制御は冷間加工（加工硬化）と制御焼なましにより行う。
延性回復のための焼なましは一般的なアルミニウムの温度範囲で行われ、通常は板厚や望ましい結晶粒構造に応じて約300〜420 °Cの範囲で制御され、冷却も管理される。過焼なましは結晶粒の粗大化を招き、一部の成形操作で成形性を低下させることがある。安定化H硬化状態（たとえばH24）では、適度な熱的安定化または低レベルの応力除去を行い性質変動を最小化する。
冷間加工以上の高強度が必要な設計の場合は熱処理強化型の代替合金を検討すべきであり、それ以外は冷成形工程、プログレッシブダイ加工、加工硬化スケジュールを用いるのが標準的な手法である。
高温特性
3B21は適度な高温下で有用な特性を維持するが、およそ100〜150 °Cを超えると徐々に強度低下が始まり、より高温では降伏強さやクリープ耐性が著しく低下する。連続高温使用やクリープを考慮する場合は、高温合金やステンレス鋼の利用が一般的である。
短時間の空気中曝露ではアルミナ皮膜によって酸化は限定的だが、腐食性の強い酸化環境や塩化物を含む大気の高温長時間曝露では保護皮膜が劣化し腐食が促進される。溶接の熱影響部は機械的性能低下や局所軟化を示すことがあり、熱サイクルや高温荷重条件での考慮が必要である。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 3B21が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 内外装ボディパネル、トリム | 複雑なプレス成形に適した優れた成形性と適度な強度による凹み防止 |
| 海洋 | 副次構造物、トリム | 十分な耐食性と加工性、軽量化 |
| 航空宇宙 | 重要度の低いフィッティング、フェアリング | 形状加工しやすく、適切な強度対重量比 |
| 電子機器 | 筐体、放熱用部品 | 高い熱伝導性と容易な表面仕上げ |
3B21は成形性、耐食性、適度な構造性能のバランスが求められ、コストを抑えたい用途で一般的に選択される。シートと押出両形状に対応する汎用性により、視認性の高いパネル、成形筐体、二次構造部材に適し、軽量化と加工コスト低減を優先する場合に実用的な材料である。
選定上のポイント
3B21を選定する際は、優れた成形性と良好な耐食性、適度な強度が求められる用途に重点を置く。深絞りや複雑な形状の場合はO硬化状態を推奨し、剛性や凹み抵抗を高めたい部品は熱処理に依存しないH硬化状態を使用する。
純アルミ（1100）と比較すると、3B21はやや低い電気および熱伝導度を代償に、著しく高い強度と優れた加工硬化性を持つ。3003や5052などの一般的な加工硬化合金と比べても3B21は中間的な位置にあり、純アルミより強固である一方、耐食性は多くの場合高Mg含有の5xxx系と同等かやや良好である。6061や6063などの熱処理強化型合金と比較すると、3B21は焼なまし状態での成形性に優れ加工が容易だが、最高強度は劣る。成形性と耐食性が最重要で最大強度が不要な場合は3B21が適している。
まとめ
3B21は、優れた成形性、確かな耐食性、予測可能な冷間加工硬化を兼ね備えた実用的なMn系鍛造アルミニウムとして、幅広い軽量構造および成形用途で活用されています。特性のバランスと容易な加工性により、適度な強度と高い加工性が主要な設計要素となる場合に、コスト効率の高い選択肢となります。