アルミニウム4004：組成、特性、硬さ区分ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 4004は4xxx系アルミニウム合金に属し、Al-Si系のシリコン含有の圧延合金です。4xxx系合金はシリコンを主な合金元素とし、鋳造性や熱特性を調整するために微量の鉄、銅、マンガンおよびその他の不純物が含まれています。
4004の主要な強化メカニズムは、シリコンによる固溶体強化とシリコンリッチな金属間化合物の分散によるものであり、主に非熱処理型合金で、歪み硬化（H硬化処理）および制御された冷却によって特性を調整します。4004の主な特長は、非熱処理合金としては中程度から良好な強度、非常に純粋な等級と比べて摩耗性および熱安定性の向上、多くの環境での良好な耐食性、そして一般的に優れた溶接性と成形性です。
4004を含む4xxx系合金をよく使用する産業分野には、自動車（ボディ部品やフィラーワイヤ）、家電、熱交換器・電子機器（熱伝導性と鋳造性が重要な用途）、成形性と高温性能のバランスが求められる輸送分野などがあります。エンジニアは、より高価または加工が複雑な高強度熱処理合金と比較して、商業的に純粋なアルミよりも優れた耐高温寸法安定性や熱的特性が必要な場合に4004を選択します。
4004は、低合金の等級よりも実用的なトレードオフを提供するため、シリコン含有量が増加し、高温安定性が向上し熱膨張が抑制される一方で、冷間成形性と溶接性を維持できます。中程度の強度と熱伝導性、溶接やろう付け時の熱脆性の低減、成形および接合工程での安定した性能が設計上の要件の場合に好まれます。
硬質状態（テンパー）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 | 非常に良好 | 非常に良好 | 最大の延性を得る完全焼なまし状態 |
| H12 | 低〜中 | 中 | 非常に良好 | 非常に良好 | 軽度の歪み硬化、成形回復は限定的 |
| H14 | 中 | 中〜低 | 良好 | 非常に良好 | 板材用途で一般的な冷間加工硬化状態 |
| H18 | 高 | 低 | 不良 | 良好 | 完全硬化、バネ特性が必要な場合に使用 |
| T4* | 低〜中 | 中 | 非常に良好 | 非常に良好 | 限定的な溶体化状態。適用は正確な化学組成による |
| T5* | 中 | 中〜低 | 良好 | 良好 | 鋳造冷却後に人工的に時効処理。硬化効果は限定的 |
| T6* | 中 | 中〜低 | 適度 | 適度 | 一部の4xxx合金は析出硬化反応が限定的。効果は控えめ |
表の後に示すように、4004の硬質状態選択は主に加工硬化と焼なまし状態の比較にあり、Oは最大の延性を提供し、H硬質状態は降伏強さおよび引張強さを段階的に引き上げます。わずかな熱処理（Tタイプ）が指定される場合、その硬化能力は2xxx系または6xxx系の熱処理合金に比べ限定的で、主に微細構造の安定化や残留応力の除去に使用され、大幅な強度向上は期待されません。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.7–1.6 | 主合金元素。固溶体強化と熱特性を制御 |
| Fe | 0.2–0.8 | 不純物元素。強度と加工性に影響する金属間化合物を形成 |
| Mn | 0.05–0.5 | 粒界構造の修飾剤。強度と耐食性をわずかに改善 |
| Mg | 0.02–0.25 | 低量で加工硬化性を向上。析出硬化は限定的 |
| Cu | 0.02–0.25 | 少量添加で強度向上だが、高すぎると耐食性低下の可能性 |
| Zn | 0.02–0.15 | 一般に低濃度に抑え、脆化や応力腐食割れ抑制のため制限 |
| Cr | 0.01–0.10 | 微量元素で、硬さや再結晶を制御 |
| Ti | 0.01–0.10 | 粒子微細化剤。鋳造品やビレット加工で特に添加 |
| その他 | 残部Al | 機械的性質と耐食性に適合するように残留元素およびトランプ元素を管理 |
シリコンと適度な鉄およびマンガンの組み合わせが4004合金の機械的・熱的特性を決定し、シリコンは主に局所的な融点低下と固溶体および金属間化合物による強化をもたらします。TiやCrの微量元素は粒度を微細化し靭性や成形性を向上させますが、銅や亜鉛の濃度は耐食性の維持と溶接性を損なわないよう意図的に低く制限されています。
機械的特性
4004の引張特性は典型的な非熱処理Al-Si合金に一致し、中程度の降伏強さと引張強さを備えています。これらは冷間加工により向上可能ですが、時効硬化型合金のピーク強度には達しません。焼なまし状態の伸びは高く、複雑な成形が可能で、H硬質状態の強度上昇に伴い予測可能に低下します。硬さおよび引張特性は板厚、加工履歴、シリコンリッチ金属間化合物の存在に影響され、後者は荷重繰り返し条件で強化効果または亀裂発生源となることがあります。
疲労特性は多くの構造用途に十分ですが、加工溝や溶接欠陥がある場合は高サイクル疲労に注意が必要で、シリコン金属間化合物が応力集中を招く可能性があります。板厚の影響は顕著で、薄板は均一な冷間加工硬化を受けて相対的に高強度を発揮しますが、厚板は内部に軟らかいコアを残し、曲げや深絞りで延性が低下します。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的硬質状態（例：H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (MPa) | 90–140 | 140–220 | 引張強さは冷間加工と板厚で変動。板材形状の目安値 |
| 降伏強さ (MPa) | 40–80 | 80–160 | H硬質状態で著しく向上。H14は構造用板材の標準 |
| 伸び (%) | 20–35 | 6–18 | 焼なまし状態が最大の延性。H硬質状態は強度向上に伴い延性低下 |
| 硬さ (HB) | 20–40 | 40–90 | ブリネル硬さは冷間加工により上昇。硬さは強度と相関 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68–2.71 g/cm³ | 一般的なアルミニウム合金の密度。合金成分によって若干変動 |
| 融点範囲 | 約577–652 °C | シリコンの添加で純アルミより局所的な融点が低下。固相線・液相線範囲はSi量に依存 |
| 熱伝導率 | 120–165 W/m·K | 純アルミより低いが鋼材に比べて高く、放熱用途に適する |
| 電気伝導率 | 30–45 %IACS | 純アルミ（60％以上）に比べ合金化で低下 |
| 比熱 | 約0.88–0.90 J/g·K | 他のアルミ合金とほぼ同等。熱容量計算に有用 |
| 熱膨張率 | 22–24 µm/m·K | 純アルミよりやや低く、Al-Si合金での温度変化による寸法安定性向上 |
これらの物理的特性により、4004は軽量性、熱伝導性、そして適度な電気伝導性のバランスを要する用途に適しています。熱伝導率は多くのヒートシンクや熱分散用途で十分に高く、熱膨張の低減と凝固特性の改善により溶接やろう付けによる歪みを抑制する組み立てにも適しています。
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 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3～6.0 mm | 厚さ依存性が強く、加工硬化が予測可能 | O, H14, H18 | ボディパネル、熱交換器、家電外装に主に使用される形状 |
| プレート | 6～50+ mm | 厚板は大きく加工しない限り軟らかい内部を維持 | O, H12, H14 | 剛性向上が必要な箇所に使用されるが、深絞り性は限定的 |
| 押出材 | 断面2～80+ mm | 押出後に安定化熱処理や冷間加工が可能 | O, H11, H22 | 構造用プロファイルやフレームに一般的に使用 |
| チューブ | 直径6～300 mm | 溶接管・シームレス管があり、強度は肉厚と硬さに依存 | O, H14, H18 | 流体搬送や軽量構造フレームに使用される |
| 丸棒・棒材 | 直径3～100+ mm | 冷間引抜きで強度向上が可能。機械加工性は良好 | O, H12, H14 | 加工部品やファスナーブランクに使用される |
4004の代表的な納入形態はシートと押出材であり、圧延、焼鈍、冷間減厚、ストレッチレベリングなどの加工ルートが最終的な機械的特性を決定します。プレートや厚板は成形性が低く、前加工や段階的成形が必要な場合が多い一方、押出材は冷却制御やビレットの状態調整により結晶粒の流れや表面仕上げを管理できます。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 4004 | アメリカ | Aluminum Association指定で、地域のカタログで使用されることがある |
| EN AW | 4xxx（概ね） | ヨーロッパ | EN指定はAl-Si系合金を大まかに分類し、具体的な番号は異なる場合がある |
| JIS | A4xxx（概ね） | 日本 | 日本工業規格はAl-Si系合金の類似化学組成の鋼種をリストアップしている |
| GB/T | 4xxx（概ね） | 中国 | 中国規格は複数のAl-Si系加工合金を包含し、特性が重複するものもある |
異なる規格間での同等性は注意が必要で、4xxx系ファミリーはシリコン含有量および微量元素の添加により性能特性が変動します。相互参照には正確な化学成分範囲と硬さの定義が不可欠であり、性質確認なしの直接代替は成形性、溶接性、耐食性に予期せぬ違いをもたらす可能性があります。
耐食性
4004の大気環境下での耐食性は、一般的な屋内および軽度汚染の屋外使用において良好です。銅および亜鉛含有量が比較的低いため、電食促進が限定的です。シリコンや鉄の金属間化合物が攻撃的環境下で局所的な陰極サイトを形成することがありますが、全体として安定した不動態酸化被膜を形成し、均一腐食から材料を保護します。
海洋および塩化物含有環境では、4004は一部の銅含有合金より耐食性に優れていますが、高Mg系5xxxシリーズ合金と比較すると、機械的損傷や溶接不連続部での孔食発生の可能性が高くなります。海洋用途では、適切な表面処理、シーラントの使用、排水設計により、割れ隙間腐食や孔食の抑制が推奨されます。
ストレス腐食割れ（SCC）耐性は、高強度熱処理合金と比較して低リスクですが、溶接や冷間加工による局所的残留応力と腐食性環境の組合せではリスクが増加します。異種金属接触部の設計時にはガルバニック腐食対策が必要であり、4004はステンレス鋼や貴金属に対して陽極となるため、絶縁または犠牲防食処理が求められます。
加工特性
溶接性
4004はシリコン含有により熱割れ発生傾向が低いため、MIG、TIG、抵抗溶接など標準的な溶接方法で良好な溶接性を示します。フィラー材は一般的にAl-Si系（例：Al-5Si）を選択し、凝固制御や気孔低減を図ります。前加熱や適切な熱入力管理により接合部の品質が向上します。母材に加工硬化があると熱影響部で軟化することがあるため、溶接後の機械的処理や設計補正が必要な場合があります。
機械加工性
4004の機械加工性は、柔らかい純アルミに比べて良好～普通の評価です。シリコンと微細な金属間化合物の存在により切りくずは破砕されやすい一方で、工具摩耗は純アルミよりやや早まります。ポジティブラケットと高速加工対応が可能な超硬工具が最適で、多量の切削液がビルドアップエッジ発生を抑制します。ドリル加工やねじ切りは工具振動に注意が必要で、疲労性能が重要な部位では仕上げ加工で表面品質を確保します。
成形性
Oおよび軽度H硬さの状態では成形性が良好で、適切なバネ戻り制御により深絞りや複雑な曲げ加工が可能です。最小曲げ半径は硬さや厚さに依存し、焼鈍シートでは1～2×厚さ程度まで狭く設定できる一方、H18や高度加工硬化材では3～6×厚さ以上が必要です。厳しい成形条件では、OまたはH12の使用後に時効安定化や応力除去熱処理を行うことで寸法管理を最適化し、裂け欠損のリスクを軽減します。
熱処理挙動
4004は代表的な4xxx系合金であり、熱処理性は限定的で、2xxx系や6xxx系のような従来の固溶化および人工時効による大幅な強度向上は期待できません。T6相当の処理を試みてもわずかな改善にとどまり、熱処理は主に鋳造組織の均質化、応力除去、または靭性調整用途に用いられます。
主な強化手段は加工硬化であり、計画的な冷間圧延や加工経路（H1x/H2x/H3x）により降伏強さ・引張強さを段階的に高めます。フルアニーリング加工は加工前の延性復元のために多用され、成形や溶接後の特性変動を抑制するための低温時効処理（安定化処理）も行われます。
高温特性
高温下では、シリコンリッチ相の粗大化と固溶強化の低下により降伏強さ・引張強さが徐々に低下します。使用可能な構造耐力はおおよそ150～200 °C程度の中温域までで、荷重・環境条件に依存します。鉄系合金と比較し酸化は少ないものの、長時間の高温曝露により軟化や寸法変化が発生し、クリープを考慮した設計が求められます。
溶接継手は残留応力や局所微細組織変化により高温耐性が低下しやすく、溶接後熱処理や荷重分散設計が一般的対策です。熱サイクル用途では、4004は比較的安定した熱膨張係数と良好な熱伝導率により熱勾配を抑制しますが、応力集中部での熱疲労発生には注意が必要です。
用途例
| 産業分野 | 例示部品 | 4004が使われる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 内装パネル、遮熱板 | 成形性、熱安定性、溶接性のバランスが良い |
| 海洋 | 非主要構造部品、トリム部品 | マリン大気に適した耐食性と加工性 |
| 航空宇宙 | 二次装備品、フェアリング | 優れた強度対重量比と熱寸法安定性 |
| 電子機器 | ヒートスプレッダ、筐体 | 鋳造Al-Si合金より加工性が容易で高熱伝導率を持つ |
4004は、純アルミや高銅合金と比較して成形性、適度な強度および優れた熱特性を兼ね備えた設計が求められる場面で一般的に採用されます。自動車や電子機器用途においては、加工性（成形・接合）と熱・耐食性の調和がニーズとなっています。
選定のポイント
簡潔な選定メモとしては、純アルミに比べて中程度の強度と優れた成形性・熱特性を求め、溶接性および熱割れ感受性の低さが必要な場合に4004を選ぶべきです。特に熱伝導率や熱サイクル下での寸法安定性が設計上の重要項目である場合に有利です。
1100（純アルミ）と比較すると、電気伝導率や成形性はやや低下しますが、強度と熱安定性は大幅に向上します。3003や5052のような加工硬化材と比べると、熱特性が同等かやや良好で成形性も似ていますが、5xxx系マグネシウム含有合金に比べると塩素イオン環境下での耐食性は若干劣ります。6061や6063のような熱処理系合金と比較すると、ピーク強度は低いものの溶接性や熱特性に優れており、最高の引張特性を求めず、接合や成形のしやすさを重視する場合の選択肢となります。
まとめ
Alloy 4004は、実用的なニッチを埋める素材として依然として重要です。シリコン強化型の非熱処理型アルミニウムであり、優れた成形性、確かな溶接性、そして幅広い産業用途に対応した良好な熱特性を兼ね備えています。バランスの取れた特性セットと予測可能な加工挙動により、製造性と熱的安定性を重視する設計者にとって信頼性の高い選択肢となります。