アルミニウム 3N21：組成、特性、調質ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
3N21は、3xxx系アルミニウム合金の中でもマンガン強化系の圧延合金に属します。主な強化元素としてマンガンを含み、微量のシリコン、鉄、銅、マグネシウム、亜鉛および微量元素を含むことで、組織制御と加工特性が調整されています。本合金は熱処理不可であり、冷間加工および慎重な微細組織制御により強度を得ています。引張強さは中程度で耐食性に優れるバランスが特徴です。優れた成形性、一般的な硬さ状態での卓越した溶接性、同系統合金としては比較的良好な疲労強度、さらに銅や亜鉛含有合金よりも優れた耐食性を有しているため、海洋用途や建築用途に適しています。
3N21がよく使用される産業分野としては、輸送機器（ボディパネル、軽量構造部材）、海洋およびオフショア構造物製造、建物のファサードや部品、適度な強度と耐食性が重視される電子機器シャーシなどが挙げられます。エンジニアは、熱処理のコストや影響を避けつつより高い機械的性能を求める場合に純度の高い合金より3N21を選択し、逆に高度な強度が必要な熱処理合金よりも優れた成形性・溶接性が求められる場合に本合金を選びます。成形加工（深絞り、曲げ、溶接）と耐環境性を兼ね備えつつコスト効率の良い、中程度負荷の構造部材に適した材料です。
硬さ状態（Temper）種類
| 硬さ状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 非常に良好 | 非常に良好 | 完全焼なまし、最大の延性と成形性 |
| H12 | 中程度 | 中程度 | 非常に良好 | 非常に良好 | 冷間加工による部分的硬化、中程度の強度向上 |
| H14 | 中〜高 | 中程度 | 良好 | 非常に良好 | 中強度シート向けの一般的な冷間加工硬化硬さ状態 |
| H16 | 高 | やや低 | 普通 | 非常に良好 | 強めの冷間加工、高い強度が必要な場合に使用 |
| H18 | 非常に高 | 低 | 限定的 | 非常に良好 | 3xxx系冷間加工での商業的最大硬化 |
| H111 | 変動 | 変動 | 良好 | 非常に良好 | 製品加工後のある程度のひずみ硬化状態 |
硬さ状態は3N21の特性に大きな影響を与えます。冷間加工が増えるほど降伏強さと引張強さが向上する一方で、伸びや成形性は低下します。製造現場では、深絞り工程にはO状態を採用し、打抜きや構造部品では成形性と強度のバランスを取るためにH1x系の硬さ状態がよく使われます。
化学成分
| 元素 | 含有率範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | 鋳造・成分偏析欠陥の低減および延性保持のため制御 |
| Fe | ≤ 0.7 | 一般的な不純物；過剰は延性および耐食性低下を招く |
| Mn | 0.8 – 1.8 | 主要合金元素で固溶強化と析出強化をもたらす |
| Mg | ≤ 0.5 | 微量添加で強度向上およびひずみ硬化性改善 |
| Cu | ≤ 0.20 | 耐食性と溶接性を維持するために制限 |
| Zn | ≤ 0.30 | 強度とガルバニック腐食のバランスを考慮し低く抑制 |
| Cr | ≤ 0.10 | 微量添加で結晶粒および再結晶制御に寄与 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造・押出材の粒径細化剤、性質への影響は小さい |
| その他（各元素） | ≤ 0.05 | 不純物（Ni、Pb、Bi、Sn）管理が延性と溶接性に重要 |
成分はマンガンを主軸合金元素として、銅、亜鉛、マグネシウムを抑制しながら優れた耐食性と溶接性の維持を重視しています。微量元素と不純物管理は主に再結晶挙動、粒径および冷間加工対応に関与し、これらは成形性および疲労特性を決定づけます。
機械的性質
3N21の引張挙動は、マンガン含有の熱処理不可合金の典型で、焼なまし状態では比較的低強度ですが冷間加工により顕著に強度が向上します。降伏強さはH系硬さ状態で大きく上昇し、強く冷間加工された状態では構造用アルミの中〜高強度域に近づく一方、延性は低下します。硬さは硬さ状態と相関し、現場でのひずみ硬化状態の簡易指標として活用可能です。硬さは累積冷変形にほぼ線形に増加し、実用的な成形限界まで上昇します。
疲労特性は、銅や亜鉛含有高合金よりも良好であり、マンガンをベースとした固溶体が局所腐食促進割れの感受性を低減するためです。板厚は主に冷間加工効率および残留応力状態を通じて強度に影響を与え、厚板は均一なひずみ硬化が困難で、同じ硬さ状態でも延性が高くなる傾向があります。溶接では、冷間加工状態で局所的な軟化が発生しますが、通常は脆化を伴いません。溶接部近傍の疲労寿命は応力集中および熱影響部（HAZ）の状態を考慮して評価する必要があります。
| 特性 | O（焼なまし） | 代表的硬さ状態（H14/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（MPa） | 100 – 140 | 190 – 260 | 板厚や冷間加工度合に依存する一般的な範囲 |
| 降伏強さ（MPa） | 30 – 70 | 120 – 220 | 冷間加工による大幅な上昇、硬さ状態で値が変動 |
| 伸び（％） | 20 – 35 | 5 – 15 | 焼なましで高い延性、強冷間加工で大幅低下 |
| 硬さ（HV） | 30 – 50 | 60 – 95 | ひずみ硬化度合いを反映、ビッカース指標値 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 – 2.70 g/cm³ | Al-Mn合金として標準的で、多くの鋼種に比べ質量は軽い |
| 融点範囲 | 640 – 653 °C | 微量合金元素により変動、アルミ合金として標準レンジ |
| 熱伝導率 | 140 – 170 W/(m·K) | 純アルミより低いが熱拡散性に優れる |
| 電気伝導率 | 約30 – 45 % IACS | 純アルミより減少、合金濃度が高いほど低下 |
| 比熱 | 約0.90 J/(g·K) | 近似値で、熱管理設計に有用 |
| 熱膨張率 | 23 – 24 ×10⁻⁶ /K | 多くのアルミ合金と同様、熱応力や組み付けに考慮が必要 |
物理定数から3N21は軽量金属構造材料に分類され、低密度かつ適切な熱・電気伝導性を要する用途に向いています。伝導率・熱伝導率は多くの放熱や伝導制約のある環境に対応可能ですが、純アルミ基準では確認が必要です。熱膨張率はアルミ合金標準値であり、異種材料との組み合わせでは熱応力に注意が必要です。
製品形態
| 形態 | 代表的板厚・寸法 | 強度特性 | 主な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼板 | 0.3 – 6.0 mm | 冷間加工により強度発現。薄板は成形性が良好 | O、H14、H16 | パネル、ファサード、深絞り品に広く使用 |
| 厚板 | 6 – 25 mm | 工業的用途は限定的。成形性の限界によりあまり一般的でない | O、H18 | 厚板は均一な冷間加工が難しい |
| 押出材 | 最大200 mmプロファイル | 押出材段階で固溶化後にサービス中に冷間加工可能 | O、H112/H116 | 寸法安定性を高めるため押出材インゴットは粒度細化済み |
| 鋼管 | 外径 6 – 100 mm | 引抜き・硬さ状態により機械的性質が変わる | O、H14 | 耐食性が求められる構造用配管や導管に使用 |
| 丸棒・棒鋼 | 直径 4 – 60 mm | 引抜き・冷間加工状態により強度変動 | O、H12/H14 | 加工部品や小型構造部品向けに供給されることが多い |
製品形態は機械的特性に影響を与えます。製造工程中の冷間加工が最終硬さ状態や異方性を決めるためです。鋼板や薄押出材は3N21の経済的加工形態であり、厚板も製造されますが成形性は制約が大きく、均一な機械的特性を得るには特別な工程管理が必要です。製品形態の選択は後工程を考慮する必要があり、深絞りや打抜きにはOおよびH1x系硬さの薄板が適し、構造部材には高荷重対応の冷間加工硬さ状態を用いることが多いです。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3N21 | USA | 一部のサプライヤーカタログで使用される呼称で、3xxx系Mn合金規格に準拠 |
| EN AW | 3003 / 3N21類似 | Europe | 完全な1対1対応はないが、実務上はEN AW-3003が最も近い一般的な同等品 |
| JIS | A3003類似 | 日本 | JISの組成および状態は類似しているが、直接のクロスリファレンスには化学成分の確認が必要 |
| GB/T | 3N21 | 中国 | 中国規格では一部材料仕様で3N21呼称を使用 |
規格間での直接的な相当品扱いには、化学成分と機械的特性の慎重な比較が必要です。いくつかの規格は、関連の近いMn合金を共通番号（例：3003）でまとめている場合があります。微妙な違いは不純物の許容限界、降伏強さや引張強さの目標値、加工履歴の許容範囲から生じるため、重要な用途ではクロス認証やサプライヤー認証を推奨します。異なる地域で3N21を置き換えや調達する場合は、名称だけでなく状態のマッピングや機械的受入基準を必ず検証してください。
耐食性
3N21は、低銅含有のマンガン系合金に典型的な良好な大気中耐食性を示し、保護性のある密着性の高い酸化膜を形成することでさらなる劣化を抑制します。海洋環境では、銅や亜鉛含有量が限定的なため、多くの高強度の熱処理合金に比べて良好な性能を発揮しますが、長期間の浸漬や塩化物への曝露には、塗装、犠牲陽極、陰極防食などの設計配慮が必要です。Mn系の非熱処理合金においては応力腐食割れ（SCC）は主な破壊モードではありませんが、溶接部、隙間、堆積物下などで局所的な腐食が促進され、ピッティングや疲労き裂の発生が加速する可能性があります。
異種金属とのガルバニック作用にも注意すべきで、3N21はステンレス鋼や銅合金に対してアノード側に位置するため、接触しているとアルミニウム側が優先的に腐食します。電気的に絶縁するか、ガルバニック電流を考慮したシステム設計が必要です。5xxx系マグネシウム含有合金と比較すると、3N21は類似またはやや良好な溶接性および耐食性を示しますが、5xxx系は溶接が重要でない場合により高い強度を提供します。6xxx系熱処理合金に対しては、最大強度は劣るものの、特定の局所腐食耐性と加工性、溶接性に優れています。
加工性
溶接性
3N21は、MIG（GMAW）、TIG（GTAW）、抵抗溶接といった一般的な溶接法で、多くの状態において低銅および管理された不純物のため良好に溶接可能であり、良好な靭性を持つ溶接部を形成します。推奨される充填材は、腐食性能および機械的要求に合致するアルミニウム-Mn/Cu低合金系（場合によってはAlSi系充填材も）です。高銅合金に比べて割れのリスクは低いですが、冷間加工状態（H系）では熱影響部（HAZ）の軟化が一般的であり、接合設計や溶接後の処理時に考慮が必要です。
切削加工性
3N21の切削加工性は、Al-Mn系合金として典型的で、良好な切りくず形成、低切削力、カーバイド工具使用時の良好な表面仕上げが得られます。自由切削材に比べて加工性指数は中程度であり、ビルトアップエッジやバリ発生を避けるため、状態や断面寸法に合わせた回転数と送り速度の調整が必要です。チップ排出や熱膨張制御のため、重切り込み時は冷却液やエアブラストの使用が推奨されます。
成形性
冷間成形は3N21のO系および軽度H系材の強みの一つであり、適切な潤滑および段階的な金型設計により、狭い曲げ半径や深絞りが可能です。推奨曲げ半径は状態と板厚に依存しますが、O系では多くの板金部品で板厚の1～2倍程度の小半径が可能である一方、H18では割れ防止のためより大きな半径が必要です。複雑な成形が求められる場合はO系またはH12系から開始し、制御された加工硬化工程を経て最終機械的特性を達成してください。
熱処理挙動
3N21は非熱処理合金のため、6xxxや7xxx系のような固溶処理や人工時効処理による強化は適用されません。強化は主に冷間加工（H系）、加工硬化および必要に応じた安定化処理による粒界制御と焼なまし反応の調整に依存します。焼なましサイクルは再結晶により延性（O系）を回復し、コイル材や深絞りが必要な部品に対して産業的な焼なまし処理が行われます。製造中や使用中の熱履歴（溶接など）による局所軟化や部分的再結晶が起こり、残留応力や寸法公差に影響することがあります。
高温性能
高温下では3N21の強度は徐々に低下し、概ね150～200 °C以上で持続荷重を受ける構造用材としての使用は推奨されません。酸化はアルミナ皮膜により抑制されますが、高温条件では拡散や微細構造の回復が進み、冷間加工による強化効果が減少します。熱影響部は回復現象により軟化が生じやすく、設計者は繰返し熱負荷下でのクリープや応力緩和挙動の検証が必要です。断続的な高温曝露であれば短期的な性能は許容されますが、長期的高温使用は高温安定性を重視した合金の選定を推奨します。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 3N21が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディパネル、内側リインフォースメント | 成形性、耐食性、中程度の強度のバランスが優れるため |
| 船舶 | 上部構造用パネル、トリム部品 | 塩化物環境耐性と製造時の溶接性が良好なため |
| 航空宇宙 | 二次装備品、非重要構造部材 | 副次構造向けの優れた強度対重量比と疲労特性 |
| 電子機器 | シャーシ、ブラケット、ヒートスプレッダー | 熱伝導性、成形性、耐食性のバランスが優秀 |
3N21は最大強度よりも製造性と環境耐久性の経済的なバランスが求められる用途に適しています。優れた成形性、溶接性、耐食性能の組み合わせにより、板金加工品で成形や接合が頻繁に行われる場面で主力素材として活用されています。熱処理工程を避けたいが、商用純アルミより高い構造性能が必要な設計にも適しています。
選定のポイント
一般的な選定基準としては、熱処理が不要で、商用純アルミより高い強度と疲労耐性を持ちつつ、優れた成形性および溶接性を必要とする場合に3N21を選択してください。1100系と比較すると、電気・熱伝導性や純アルミ特有の延性は若干犠牲にするものの、大幅に高い降伏強さと引張強さを得られます。3003や5052のような加工作硬化材と比較すると、同等かやや高い強度で同様の耐食性を示すため、熱処理材に移行せず中間強度のアップグレードを求める場合に適しています。
6061や6063などの熱処理合金と比較すると、最大強度は劣るものの溶液処理や時効処理が不要で加工が簡便であり、特に溶接や成形品においては優れた加工性と耐食性を維持できます。成形性・接合性の効率化や安定した耐食性能、中程度の構造能力が優先される場合に3N21を推奨します。
まとめ
3N21は、3xxx系マンガン合金ファミリーの実用的利点である良好な耐食性、優れた成形性、容易な溶接性を、冷間加工による適度な構造強度という経済的手段で実現しています。そのバランスのとれた特性と加工の柔軟性により、輸送機器、船舶、建築、軽航空宇宙用途など、製造性と環境耐久性が求められる多くの分野で合理的な選択肢として引き続き評価されています。