アルミニウム4032：化学成分、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

4032は4xxx系アルミニウム合金の一種で、主な合金元素としてシリコンを含むのが特徴です。主に熱膨張係数の低減、優れた耐摩耗性、鋳鉄製シリンダーボアなど異種材料との適合性を求められる用途向けに開発されたAl-Si合金です。

主要な合金元素はシリコン（Si）が二桁の重量％であり、このほかに銅（Cu）、鉄（Fe）、マンガン（Mn）、マグネシウム（Mg）、クロム（Cr）および微量のチタン（Ti）が含まれます。強化は主に熱処理（固溶処理と人工時効）によって達成され、固溶強化や微細なSi粒子分散も寄与していますが、Mg2Si析出だけによる強化ではありません。

4032の主な特徴は、T6系の調質で高い引張強さを示し、多くのアルミ合金に比べて熱膨張が比較的低いこと、優れた耐摩耗性、および大気環境下での中程度の耐腐食性を持つことです。溶接性は適切な溶接材料や加熱処理を行えば実用的であり、成形性はピーク調質では限定的であるため、冷間成形された鋼板としてはあまり使われず、加工や鋳造後の機械加工部品として使用されることが多いです。

主な使用分野は、自動車（ピストンや耐摩耗部品）、航空宇宙のサブストラクチャーや継手、パワートレイン部品、熱管理機器用の特殊加工部品などです。エンジニアは、より高強度や成形性が良い代替材と比べて、強度、耐熱時の寸法安定性、熱膨張の低減、良好な加工性のバランスを求める際に4032を選定します。

調質の種類

調質	強度レベル	伸び	成形性	溶接性	備考
O	低	高	優秀	優秀	完全に焼きなまし済みの状態。最良の成形性と延性を持つ。
H14	中低	中程度	良好	良好	加工硬化状態で、降伏点が向上している。
T5	中	低〜中	制限あり	良好	高温加工後に冷却し人工時効。
T6	高	低	制限あり	良好	固溶熱処理後に人工時効し、ピーク強度を形成。
T651	高	低	制限あり	良好	T6調質に応力除去の引張処理を施し、残留応力を最小化。

調質は4032の強度と延性のトレードオフに大きく影響します。焼なまし状態（O）は最良の成形性と伸びを提供しますが、T6/T651は最高強度と硬さを持つ代わりに冷間成形性は低下します。

適切な調質選択は加工後の工程も考慮すべきであり、大量の成形や深絞りにはOまたは軽いH調質を、機械加工部品や寸法安定性・耐摩耗性が重要な用途にはT5/T6/T651調質を選びます。

化学成分

元素	含有範囲（％）	備考
Si	11.0 – 13.5	主合金元素。熱膨張低減、耐摩耗性と鋳造性を改善。
Fe	0.2 – 1.2	不純物元素。金属間化合物形成に影響し、延性を左右することもある。
Mn	0.05 – 0.5	結晶粒の制御や強度・靭性の向上に寄与。
Mg	0.2 – 0.8	時効硬化能を付与（Siと結合してMg2Siを形成）。
Cu	0.2 – 1.2	強度と硬さを向上させるが、耐食性を若干低下させることがある。
Zn	≤ 0.2	一般に低濃度で、本合金系にあまり影響しない。
Cr	0.05 – 0.35	結晶粒微細化と分散相形成で安定性と強度向上に寄与。
Ti	0.03 – 0.2	鋳造および圧延工程の結晶粒微細化剤。
その他 / Al 残部	残部	製造元により微量のNi、Pb、Biを含む場合がある。

シリコン多量系の化学組成が熱膨張、耐摩耗性、第二相粒子の形態を支配しています。適量のMgおよびCuが熱処理調質時の析出硬化と強度向上を可能にし、クロムやチタンの微量元素は主に結晶粒微細化と熱処理中の特性安定化に寄与します。

機械的特性

引張特性において、4032は焼なまし状態と熱処理状態で顕著に性質が変わります。O状態では中程度の引張強さと高い伸びを示し、成形や曲げに適しています。T6/T651状態では固溶処理と人工時効により引張強さが大幅に向上しますが、延性は低下します。

降伏強さも同様に、焼なまし状態は低め、ピーク強化状態は大幅に高くなります。硬さは調質に相関し、固溶処理と時効処理後にBrinell硬さが大きく向上します。疲労特性は、多くのAl-Mg合金と比較して良好であり、高密度のSi粒子と安定した分散相が繰り返し荷重に対する亀裂発生を抑制します。

板厚、加工履歴、熱処理条件により機械的応答が異なり、薄板は速やかに時効し短時間でピーク特性に達する一方、厚板は固溶強化の勾配を残すことがあります。高温滞留や時効温度超過は過剰時効や析出相粗大化でピーク特性を低下させる可能性があります。

特性	O/焼なまし	主な調質（例：T6/T651）	備考
引張強さ	約140–200 MPa（代表値）	約300–380 MPa（代表値）	T6の値は処理・組成に依存し、代表的な範囲
降伏強さ	約60–120 MPa（代表値）	約220–320 MPa（代表値）	降伏強化がT6/T651処理の主要効果
伸び	約10–20%	約2–8%	高強度調質では延性が著しく低下
硬さ	約40–70 HB	約85–120 HB	硬さは引張強さやSi粒子分布に比例

物理特性

特性	値	備考
密度	約2.70 g/cm³	アルミニウム合金として一般的。質量を重視する設計に有用。
融点範囲	約575–615 °C	シリコンの共晶効果により純アルミより固相線が低い。
熱伝導率	約120–160 W/m·K	合金元素の影響により純アルミより低いが、熱管理用途として十分。
電気伝導率	約25–40% IACS	シリコンおよび合金元素による純アルミ比の低下。
比熱	約0.90 J/g·K	一般的なアルミニウム合金の値。熱伝達の迅速化に寄与。
熱膨張係数	約20–22 µm/m·K	シリコン含有量が多いため、多くのアルミ合金より低い。

高いシリコン含有により、Al-MgやAl-Mn系合金と比べて熱膨張係数が低く、これにより高温時の寸法安定性や鉄系材料との接合部品に適しています。熱伝導率および電気伝導率は高純度アルミより劣りますが、構造強度と熱特性の両立を必要とする用途に適合します。

製品形態

形状	代表的板厚／サイズ	強度特性	一般的な調質	備考
鋼板	0.5 – 6 mm	薄板は成形性により強度が制限される	O, H14, T5	機械加工が少ない用途やクラッド／積層材に利用される
プレート	6 – 50 mm	厚板は時効に際し固溶処理の管理が必要	O, T6, T651	機械加工部品の多くはプレート材より製造される
押出形材	中断面までの形状	冷却速度と時効により特性が異なる	T5, T6	低熱膨張構造部材として利用される
チューブ	直径は多様	肉厚により機械的性能は変化	O, T6	油圧継手や熱交換チューブでの機械加工品に利用されることが多い
丸棒／棒材	直径200–300 mmまで	熱処理後に均質な特性を示す	O, T6, T651	精密加工および高耐摩耗部品の代表的材料

圧延製品は最終用途および要求される機械的特性に応じて選択されます。成形が必要な場合は鋼板や薄板形状が、機械加工・熱処理が予定される場合はプレートや棒材、押出形材が一般的です。

熱間加工後の冷却速度や均一な固溶処理の実施可否などの加工条件により、大断面材の均一なT6特性化は難易度が高くなります。精密部品には、加工性や寸法安定性の面から棒材やプレートが好まれることが多いです。

同等グレード

規格	グレード	地域	備考
AA	4032	USA	このSi含有率の高い圧延合金に関するASTM/AAの標準指定
EN AW	AlSi11Cu（概算）	Europe	大まかに同等のSi含有圧延合金が存在するが、すべての場合において正確な一対一の対応はない
JIS	A4032（概算）	Japan	ピストン用に使用される類似の低膨張Al-Si-Mg系グレードを含むJIS規格体系
GB/T	AlSi11Cu（概算）	China	同等の組成範囲を持つAl-Si-Cu系グレードを含む中国規格

同等グレードの指定は慎重に行うべきです。多くの規格は類似のAl-Si合金について異なる微量元素の制限や製品・加工条件の限定を設けています。Cu、Mgおよび不純物の許容限度や加工方法（圧延とダイカストなど）の違いは性能のばらつきを引き起こす可能性があります。地域規格間で代替する際は、必ず熱処理方法や機械的性質のデータを照合してください。

耐食性

4032はAl-Si合金に典型的な中程度の大気腐食耐性を持ち、ほとんどの工業的都市環境で良好な性能を示します。一般腐食に強く、多くの構造用途において広範な表面保護は不要ですが、過酷な環境や長期暴露が想定される場合は防護コーティングが施されることが多いです。

海洋環境では4032は飛沫ゾーンや大気中の塩分に対して適度に耐性がありますが、より高度な耐食性を持つAl-Mg系合金ほどの強靭さはありません。海水に常時浸漬される場合や酸性塩化物溶液の存在下では、孔食や腐食が促進されるため犠牲防食やバリアコーティングの使用が推奨されます。

応力腐食割れへの感受性は高強度Al-Zn-Mg-Cu系合金と比較して比較的低いものの、塩化物環境下では引張応力のかかる箇所周辺で局所的な陽極溶解が生じる場合があります。ステンレス鋼や銅とのガルバニック腐食を防止するためには、材料の分離や適合するファスナーの使用が必要です。4032は多くの貴金属に対して陽極作用を示します。

1xxx系や5xxx系合金と比較すると、4032は一般腐食性能の一部を強度および熱安定性と交換しています。6xxx系合金とは大気腐食性能で大きな差はありませんが、時効挙動や微細構造の腐食機構には違いがあります。

加工性

溶接性

4032はTIG溶接やMIG溶接など一般的な融接技術で接合可能ですが、適切な対策が必要です。ER4043などのシリコン含有量が高いアルミニウム充填材が推奨され、熱割れの発生を抑制し溶接金属の流動性を改善します。熱処理された状態では熱影響部の軟化が懸念され、局所的な過時効や固溶状態の喪失により溶接部周辺の機械的性質が低下することがあります。

重要用途では予熱、ビード間温度管理、溶接後熱処理を行い性質の回復や安定化を図ります。高品質部品では、熱処理合金の融接に伴う熱影響部の問題を回避するために機械的締結やろう付け接合が好まれる場合があります。

切削性

4032はシリコン含有と安定した微細構造により優れた切削加工性を有します。多くの純アルミニウム合金よりもビルトアップエッジの発生が少なく、カーバイド工具使用時には良好な切り屑形状が得られます。適切な加工条件は中から高速の主軸回転数、正の前角を持つインサート、冷却潤滑（浸霧またはフラッド）による温度管理と切り屑排出の確保です。

工具は生産性向上のためカーバイドまたは被覆カーバイドが推奨され、高速度鋼は軽切削時に使用可能ですが摩耗が早い傾向があります。高強度のT6材の連続切削にはタングステンカーバイド工具が逃げ面摩耗を抑え、仕上げ面の品質を維持します。

成形性

焼なましO状態では成形性が非常に良好ですが、強化処理の進むテンパー状態では著しく低下します。最小曲げ半径はテンパー状態と板厚に依存し、O状態の薄板では狭い半径曲げが可能ですがT6板ではより大きな半径が必要で、しばしば中間の応力除去工程が必要です。T6およびT651の冷間加工は延性が低いため制限され、成形加工は最終固溶処理前かO状態で行うのが望ましいです。

高強度の最終製品に複雑な形状が必要な場合は、O状態で成形後に固溶処理と時効処理（部品形状と工程が許す場合）を行うか、より冷間成形性に優れた代替合金を検討してください。

熱処理挙動

4032は熱処理可能合金であり、そのSi-Mg（および一部Cu）組成を活かした時効硬化を目指した熱処理が設計されています。一般的な固溶処理温度は約510～540 °Cの範囲で、可溶相を溶解しつつSiリッチ相の初期融解を避けます。充分な水冷を行い、過飽和固溶体を保持します。

人工時効は一般に150～200 °Cの範囲で数時間行い、板厚や目標特性によって変わります。T5およびT6テンパーは異なる処理工程を指します。高温または長時間の過時効は析出物の粗大化を招きピーク強度を低下させますが、靭性や熱安定性を向上させる効果もあります。

Tテンパーの管理は慎重を要します。急冷時にひずみや残留応力が発生するため、T651（急冷後伸張処理）は残留応力を最小化したい切削部品で多用されます。大断面の固溶処理には炉内管理が必要で、均一な特性を得るために浸漬時間を延長することがあります。

高温性能

4032は使用温度の上昇に伴い強度が低下し、テンパーと温度・滞在時間によりますがおおよそ150～200 °C以上で顕著な性能低下が見られます。短期の高温暴露は機械的完全性を損なうとは限りませんが、長期高温使用は過時効と微細構造粗大化を引き起こし、降伏強さや疲労耐性を減少させます。

アルミニウムの酸化被膜により通常の使用雰囲気での酸化は抑制されますが、より高温かつ酸化性・硫化性の激しい環境では表面腐食が促進されます。溶接部に隣接する熱影響部は特に軟化や性能劣化を受けやすく、時効温度付近でのサービスには注意が必要です。

設計者は長時間の高温使用に際し、クリープ特性や熱安定性を考慮してください。連続した高温サービスには、高温特性に特化した他の合金のほうが適する場合があります。

用途例

産業	代表部品	4032が選ばれる理由
自動車	ピストン（高性能・ディーゼルエンジン用）	低熱膨張、耐摩耗性、近接公差部品の良好な切削性
海洋	バルブ部品・継手	適度な耐食性と温度変動に対する寸法安定性
航空宇宙	継手、ブラケット、熱管理用ハードウェア	良好な強度対重量比、熱安定性、精密部品の切削性
電子機器	ヒートシンク・筐体	熱伝導性と切削加工の容易さのバランス

4032は最大引張強さよりも寸法安定性、耐摩耗性、高加工性の組み合わせが求められる部品に頻繁に選択されます。自動車ピストンにおける使用は、熱膨張制御と薄肉の精密加工が重要な典型例です。

選択のポイント

比較的高い強度と低熱膨張率、良好な切削性を求める精密部品の設計には4032が適しています。鋳鉄や類似材料との組合せで膨張挙動を合わせ、温度変化による寸法変動を低減したい場合に特に有効です。

商用純アルミ（1100）と比べると、電気・熱伝導率や成形性を犠牲にする代わりに、はるかに高い強度と低熱膨張を持ちます。加工硬化合金（3003、5052など）と比べると、強度と熱安定性が大幅に向上しますが、成形性がやや劣り、腐食挙動も若干異なります。6061、6063のような一般的な熱処理合金と比べると、一部のテンパーで最大引張強さは劣る場合がありますが、低熱膨張や優れた耐摩耗性によりピストンや熱サイクル負荷部品用途に適しています。

4032は6xxx系合金ほど板材・押出材市場で普及していないため、コストと入手性を考慮し、設計段階で供給体制や加工対応力（熱処理および切削加工）を確認することが重要です。

まとめ

4032は低熱膨張、優れた耐摩耗性、熱処理可能な強度レベルと良好な切削加工性を独自にバランスさせており、現代の工学分野でも有用な合金です。熱サイクルによる寸法変動を抑え、信頼性の高い切削加工面が必要な部品においては、4032は現実的で効果的な選択肢となります。