アルミニウム4028：組成、特性、硬さ指標および用途
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総合概要
Alloy 4028は、主な合金元素としてシリコンを含む4xxxシリーズのアルミニウム合金の一種です。シリコンを豊富に含む微量合金化合金で、マグネシウムや遷移元素を管理された量だけ含み、強度、溶接性、成形性のバランスを実現しています。
この合金は、制御された固溶強化効果、微細なシリコン分散相、及びMg-Siクラスターからの限定された析出によって強化されており、実際には半熱処理型合金として機能し、溶体化処理と人工時効に良好に反応し、加工硬化にも良く応答します。代表的な特性としては、時効処理された状態での中程度から高い引張強さ、大気環境下での良好な耐食性、Al-Si系溶接棒を用いた優れた溶接性、軟化状態での良好な成形性などが挙げられます。
4028は、自動車の構造部品やトリム部品、船舶用金具・ハウジング、家電製品、ならびに成形性と強度対重量比のバランスが求められる航空宇宙の二次構造部品などで広く使用されています。純アルミ系合金よりも強度が高く、溶接性や押出成形性を損なわずに使用したい設計者に選ばれます。
1000/3000シリーズよりも高い強度と寸法安定性が必要な場合に4028が選ばれ、6xxxシリーズよりも優れた溶接性やシリコンをベースとした鋳造・押出性を重視する場合にも用いられます。半熱処理性のため、加工後の時効処理が可能で極端な最高強度を必要としない場合に魅力的です。
硬質化状態（Temper）バリエーション
| 硬質化状態 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い (20–30%) | 非常に良い | 非常に良い | 完全軟化状態、最大の塑性と成形性 |
| H14 | 中 | 中程度 (12–18%) | 良好 | 非常に良い | 単段階の加工硬化による中程度の剛性付与 |
| H24 | 中高 | 中程度 (10–15%) | まあまあ良い | 非常に良い | 加工硬化かつ部分的な安定状態、バネ戻りの制御良好 |
| T4 | 中 | 中程度 (12–18%) | 良好 | 非常に良い | 溶体化処理後の自然時効、バランスの良い特性 |
| T5 | 中高 | やや低い (8–14%) | 普通 | 非常に良い | 高温から冷却後、人工時効、速い生産時効 |
| T6 / T651 | 高 | やや低い (8–12%) | 普通～悪い | 非常に良い | 溶体化処理と人工時効による最高強度；T651は応力除去処理含む |
硬質化状態は4028の強度と伸びのトレードオフに直接影響し、プレス加工や深絞り成形の成形性を制御します。軟化状態のO-temperは最大の伸び率と最低の降伏強さを示し、一方でT6/T651は曲げ性の低下とバネ戻り増加を伴いながら最高の実用強度を実現します。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.9–1.8 | 主要合金元素；流動性向上、溶融範囲の低減、溶接性向上に寄与 |
| Fe | 0.4–1.0 | 不純物であり、金属間化合物を形成；延性低下を抑制するため管理される |
| Mn | 0.05–0.50 | 結晶粒構造調整剤および分散相形成に寄与し、強度と靭性を向上 |
| Mg | 0.15–0.60 | 限定的な析出強化（Mg-Siクラスター）を可能にし、強度を増加 |
| Cu | 0.02–0.30 | 低濃度で強度向上に寄与も、耐食性を保つため制限 |
| Zn | 0.02–0.25 | 微量添加、応力腐食割れ（SCC）防止のため一般的に制限される |
| Cr | 0.01–0.10 | 結晶粒構造制御および加工中の再結晶遅延を抑制 |
| Ti | 0.02–0.12 | 粗大粒を防ぐための粒子細化剤として使用 |
| その他 | 各元素0.05以下 / 総和0.15以下 | Zr、Srなどの微量元素を含み、有害相形成を防止するため低濃度を維持 |
シリコン濃度が4028の特性の多くを決定します。鋳造性や溶接充填材との適合性を向上させ、凝固範囲を狭めます。マグネシウムとマンガンは相乗効果で中程度の時効硬化を可能にし、加工後の微細組織を形成します。一方、鉄や他の不純物は粗大な金属間化合物を形成しやすく、延性や疲労寿命を低下させるため厳密に管理されます。
機械的性質
引張特性において、4028は軟化状態（O）と時効状態（T5/T6）で顕著な差を示します。軟化状態は低引張・低降伏強さながら高伸びを示し、深絞りや複雑成形に適しています。時効硬化状態は降伏と引張強さの差が小さく、構造部品に適した高い強度を示します。
降伏強さは溶体化処理と人工時効で大幅に上昇し、T6相当状態では通常、引張強さの60〜70%に達します。疲労特性は表面状態や冷間加工の影響を受け、表面研磨やショットピーニングを施した部品は耐疲労限度が向上します。鉄分の高い粗大金属間化合物はクラック発生部位となることがあります。
硬さは硬質化状態と相関し、軟化状態は柔らかく加工性が良い一方、T6状態の表面は転位密度増加と析出強化により高いブリネル硬さやビッカース硬さを示します。板厚は硬化の応答性や溶体化処理時の冷却速度に影響を与えるため、数mmを超える部品は均一な特性を得るために熱処理サイクルの厳密な管理が必要です。
| 特性 | O/軟化 | 主要硬質化状態 (T6/T651) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 95–140 MPa | 210–270 MPa | T6は断面厚みと時効曲線に依存 |
| 降伏強さ | 35–60 MPa | 140–200 MPa | 人工時効で降伏が大幅に向上 |
| 伸び率 | 20–30% | 8–12% | 強度が高くなると伸びは減少 |
| 硬さ (HB) | 25–40 HB | 60–90 HB | 硬さは引張強さに連動し、加工性に影響 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70–2.73 g/cm³ | アルミニウム合金として標準的、優れた強度対重量比 |
| 溶融範囲 | 約570–640 °C | 合金添加により純アルミに比べて溶融範囲が低減かつ拡大 |
| 熱伝導率 | 120–150 W/m·K | 純アルミより低く、シリコンや合金元素により若干減少 |
| 電気伝導率 | 約28–42 % IACS | 硬質化状態や合金元素による影響で純アルミや1xxxシリーズより低い |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 典型的なアルミニウムの比熱で熱管理に有用 |
| 熱膨張率 | 22–24 µm/m·K (20–100 °C) | 他のアルミ合金と同等、異種金属との接合設計に重要 |
4028の物理特性は、熱管理が必要な部品や軽量化構造に適しています。熱伝導率はヒートシンク的用途に十分である一方、電気伝導率は純アルミより低いため、最高の伝導性を求める用途にはあまり向きません。
熱膨張係数や溶融範囲は溶接組立や高温加工時に考慮が必要であり、異膨張による変形を防ぐための設計余裕や熱処理時の加熱・冷却速度制御が求められます。
製品形態
| 形状 | 代表的な板厚・寸法 | 強度特性 | 代表的硬質化状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材（シート） | 0.2–6.0 mm | 圧延により均一、OやT4で良好な成形性 | O, H14, T4, T5 | プレス部品やハウジングに広く使用 |
| 厚板（プレート） | 6–50 mm | 冷却効率低下により溶体処理に長時間を要す | O, T4, T6 (限定的) | 肉厚部は目標特性達成に向けて特殊時効処理が必要 |
| 押出材 | 200 mmまでの断面形状 | 時効後に良好な強度と寸法安定性を発揮 | O, T5, T6 | シリコンが押出流動性と表面仕上げに寄与 |
| チューブ | 壁厚0.5–10 mm | 板材と類似の挙動；軟化状態での曲げ加工や油圧成形が可能 | O, H24, T6 | 車両シャシ部品や配管に多用 |
| 棒材/丸棒 | 直径Ø3–100 mm | 軟化状態で良好な機械加工性；時効状態の棒材は継手に使用 | O, T6 | 引抜き・矯正加工で精密部品に |
板材や押出材は、流動性と強度のバランスの恩恵を受けており、薄板部品は溶体化処理および急冷による優れた時効応答が可能です。肉厚の厚板は中心部の軟化や特性むらを防ぐために、より長時間の溶体化処理サイクルと冷却管理が必要です。
押出形材はシリコンを活用して金型の摩耗を低減し、表面仕上げを向上させています。一方、チューブや丸棒は一般に成形用の焼きなまし状態または機械部品用の時効硬化状態で供給されます。加工工程の選択は最終的な微細構造に影響を与え、部品の形状や求められる特性セットに適合させる必要があります。
対応鋼種
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 4028 | USA | 加工用4xxx微合金化バリアントの業界呼称 |
| EN AW | AlSi1MgMn | ヨーロッパ | 化学組成の概ね同等品。地域別の熱処理コード適用 |
| JIS | A4028 (概算) | 日本 | 局所的な呼称の差異あり。地域に応じた熱処理条件 |
| GB/T | 4028 | 中国 | 同様の化学組成で生産されることが多いが、現地製造許容差あり |
地域ごとに異なる合金番号の慣例や公差が用いられるため、直接の代替には化学組成範囲や機械的性質保証の詳細な確認が必要です。不純物の許容限界や晶粒微細化方法、許容される微量元素の違いは疲労寿命や溶接性に影響を与えるため、設計上の相互参照には仕様書や試験データを含めるべきです。
耐食性
大気環境下では、4028はシリコンや低銅含有による電位差の低減効果から良好な一般耐食性を示します。保護酸化膜が早期に形成され、屋外の通常曝露条件下での均一な薄化に対して優れた耐性を持ちます。
海洋環境では、停滞領域や塩化物の局所濃縮場所においてピッティングや割れ隙腐食のリスクがあります。Cu含有合金より耐性は高いものの、長期間の浸漬や波しぶきがかかるゾーンでは表面処理や犠牲被膜が必要です。
応力腐食割れの感受性は、銅や亜鉛含有量が低く残留応力も控えめなため、2xxx系や7xxx系の高強度合金と比較して低いです。ただし、引張残留応力を持つ溶接部や金属組織の不均一性を伴う部品は、SCCリスクを低減するために慎重に設計・加工されるべきです。
4028とステンレス鋼や銅などより貴な金属との接合時には、ガルバニック腐食への注意が必要であり、絶縁や犠牲陽極を用いることで加速腐食を防止できます。Mgを多く含む5xxx系合金と比べ、4028は溶接性が優れ、大気耐食性は同等程度ですが、塩化物による局所的なピッティングには若干弱い傾向があります。
加工性
溶接性
4028はTIGやMIGなどの標準的な融接プロセスにおいて非常に良好な溶接性を示し、ER4043やER4047のようなAl-Si系フィラー材との相性も良好です。シリコンの影響で凝固温度範囲が狭くなり、熱割れの発生は低減されますが、不適切なフィラー選択や継手設計は気孔や熱影響部軟化を招くことがあります。熱入力は熱影響部の過時効硬化や機械的特性低下を抑制するため適切に管理される必要があります。
切削性
焼なまし状態では中程度から良好な切削性を持ち、一部の市販品では無鉛の切削性向上剤を少量含むことで性能が向上します。ポジティブレークの超硬工具と適切な冷却によって安定した切りくず制御と表面仕上げが可能です。推奨切削速度は中程度で、送り速度を上げるとビルドアップエッジは減少しますが最適化しないと表面粗さが増加する場合があります。
成形性
O材（焼なまし）では優れた成形性を示し、複雑な深絞りやプレス加工、水圧成形においても鋭角半径で対応可能です。H材やT材の強度が高い場合は最小曲げ半径やスプリングバックが増加し、T6材では大きめのフランジや半径の余裕が通常必要です。段階的な成形工程の場合はT4での予時効後に最終時効処理を行い、成形性と最終特性のバランスをとることが可能です。
熱処理特性
4028は半熱処理性合金であり、溶体化処理後の急冷と人工時効により強度が意味のあるレベルで向上します。溶体化温度は断面厚さにより510～540 °Cの範囲で制御され、可溶相を溶解させ水冷することで過飽和固溶体を保持します。
人工時効は一般に160～190 °Cで4～10時間行い、微細なMg-Siクラスターやシリコン分散物を析出させます。時効曲線は断面厚に敏感で、過時効状態になると強度が低下し延性が向上します。T5（高温からの直接冷却＋人工時効）は、完全な溶体化処理が困難な場合の生産性に優れた選択肢です。
工場内での焼なましや焼きならしでは、O材は370～400 °C付近の加熱による応力除去や軟化後に炉内冷却を制御して実現します。熱処理が不可の場合は、特にH系材料において加工硬化による強化が依然有効です。
高温特性
約120～150 °Cを超えると析出物の安定性が低下し、転位–析出相相互作用が弱まるため動作上の強度が低下します。連続使用時は150 °C以下に制限されることが一般的で、室温付近の強度を一定割合保持します。
耐酸化性は他のアルミ合金と同程度で、保護酸化皮膜が速やかに形成され、非攻撃性大気下での高温劣化を抑制します。200 °Cを超える長時間曝露は強化相の粗大化を促進し、永久的な軟化や寸法変化を引き起こす可能性があり、特に薄肉部品ではクリープが顕著になることがあります。
溶接熱影響部は高温曝露で特に強度低下が著しいため、設計要件に応じて適切な溶接後時効処理や溶体化＋時効処理が推奨されます。
用途例
| 産業分野 | 代表的部品 | 4028採用理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 内装パネル、取付ブラケット | O材の良好な成形性とT5/T6材の高強度で接合構造に最適 |
| 船舶 | ブラケット、ハウジング、トリム部品 | 適度な塩化物耐性とAl-Si系フィラーとの優れた溶接性 |
| 航空宇宙 | 二次装備品、ダクト類 | 重量あたり強度が有利で複雑形状の押出成形が可能 |
| 電子機器 | ヒートシンク、筐体 | 十分な熱伝導性と時効後の寸法安定性 |
4028は、製造性や溶接性とともに低合金加工材以上の機械的特性を要求される場面での指定が多く、適度な強度、良好な耐食性、加工性というバランスの取れた特性により、複数の輸送機器や産業分野で広く利用されています。
選定のポイント
商用純アルミ（1100番）より優れた強度を保持しつつ、十分な成形性と溶接性を維持する設計には4028が適しています。1100番と比較して導電性や熱伝導性は若干劣りますが、引張強さや降伏強さが大幅に向上します。
一般的な加工硬化型合金（3003や5052など）と比べ、4028は時効状態で高い強度を発揮し、大気耐食性もほぼ同等ですが、非常に塩化物の厳しい環境下では損傷許容性が若干劣る場合があります。6061や6063といった典型的な熱処理合金と比較すると、4028は溶接性とシリコンによる押出成形特性が優れる反面、最大達成強度はやや劣ります。
調達面では、Al-Si系フィラー材での融接加工を伴う製造工程、押出し表面品質が重要な場合、最高強度が不要で半熱処理合金により生産が簡略化できるケースで4028の優先度が高まります。
まとめ
合金4028はシリコン添加と制御されたマグネシウム含有で半熱処理可能な材料を実現し、成形性、溶接性、耐食性および中高強度をバランス良く併せ持つ実用的なアルミ合金として位置付けられます。高強度の銅含有または亜鉛リッチ合金に伴うコストや応力腐食割れリスクなしに、信頼性の高い加工性と使用性能を設計者に提供し続けています。