アルミニウム4043：組成、特性、材質区分ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
4043は4xxx系アルミ合金の一種であり、主に溶接用途および溶融状態での流動性向上のために設計されたシリコン含有合金です。4xxx系は熱処理による強化を行わないシリーズであり、合金元素の固溶体強化および冷間加工による加工硬化によって強度が得られます。
4043の主な合金元素はシリコン（Si）で、通常は4.5～6.0 wt%の範囲で含有し、鉄は少量、さらに粒子細化剤としてチタン（Ti）などが微量添加されています。シリコンは融点範囲の低下、鋳造性および溶接金属の流動性向上をもたらし、融接における熱割れ感受性の低減に寄与します。
4043の主な特長は、適度な引張強さ、優れた溶接性、良好な耐食性、ならびに焼鈍状態での合理的な成形性です。アルミニウムのMIG/TIG溶接用充てん合金として広く使用されるほか、ピーク強度よりも溶接性や耐食性が重視される非構造部品向けに圧延材として供給されます。
4043を多用する業界には、自動車部品製造（溶接ワイヤおよびろう付け）、家電製造、一般製缶、および良好な導電性ときれいな溶接が求められる電気・電子組立て業界などがあります。エンジニアは、最大の機械的特性よりも流動性、熱割れの低い傾向、酸化アルミニウム制御の溶融プールとの相性が優先される場合に4043を選択します。
硬質状態のバリエーション
| 硬質状態 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い（15～30%） | 優秀 | 優秀 | 完全焼鈍、最高の成形性と延性を持つ |
| H14 | 中程度 | 低～中程度（3～10%） | 普通 | 優秀 | 冷間加工で四分硬化状態に、降伏強さが上がる |
| H18 | 中程度～高い | 低い（約3%） | 制限あり | 優秀 | 最高硬化の冷間加工状態でより高強度 |
| T4 | 低～中程度 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 固溶熱処理後自然時効。4043では一般的ではないが一部圧延製品に見られる |
| T5 / T6 / T651 | 該当なし／変動あり | 該当なし | 該当なし | 優秀 | 4043は典型的な時効硬化合金ではないためT5/T6硬質状態は標準ではない。限定的または特殊な処理を示すことがある |
硬質状態は4043の延性、降伏強さ、成形性に主な影響を及ぼします。焼鈍（O）は最高の伸び率と最も容易な成形性を提供し、H系や冷間加工硬質状態は延性を犠牲にして強度と硬さを向上させます。
硬質状態は溶接特性や残留応力感受性にも影響し、軟質状態は溶接部の割れ発生リスクを低減するため溶接前の複雑な成形に好まれます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 4.5～6.0 | 主合金元素。流動性向上と融点範囲低下に寄与 |
| Fe | ≤0.8 | 一般的不純物。硬質相を形成し、表面仕上げや機械的性質のばらつきに影響 |
| Mn | ≤0.05 | ほとんど含まれず、強化への寄与はほぼ無い |
| Mg | ≤0.05 | 少量。4043はMg系析出強化用ではない |
| Cu | ≤0.2 | 耐食性や溶接性の維持のため低レベルに抑制 |
| Zn | ≤0.25 | 微量不純物として性質への影響はほぼ無い |
| Cr | ≤0.05 | 微量。純度管理に使われることがある |
| Ti | ≤0.20 | 鋳造品や溶接充填材で粒子細化剤として添加されることが多い |
| その他 / Al バランス | バランス | アルミニウムがバランスを占め、微量元素が規格に従って管理される |
4043の性能はシリコンの影響が極めて大きく、液相線温度の低下と溶融金属の流動性向上により、融接時の凝固割れ感受性を低減します。微量元素は有害な硬質相の生成抑制と耐食性維持のために管理され、チタンや微量添加元素は粒子細化剤として鋳造物や溶接部の微細組織改善に用いられます。
機械的性質
4043は非熱処理型Al-Si合金として典型的な引張項目の挙動を示します。焼鈍状態では中程度の引張強さと降伏強さで比較的高い延性を持ちます。降伏強さは硬質状態や冷間加工によって大きく変化し、H硬質状態の冷間加工材は構造用非重要部品向けの実用的な降伏強さを示します。一方、成形が必要な場合は焼鈍材が用いられます。
延伸率はO硬質状態で高く、冷間加工増加に伴い大幅に低下します。硬さは硬質状態と冷間加工割合に依存し、焼鈍状態では低く、H系硬質状態は高硬さで延性が低下します。疲労性能は中程度であり、表面状態、溶接熱影響部、鋳造や溶接に起因する空洞の有無に強く影響されます。
板厚も影響し、薄板は冷間圧延や加工履歴の影響で若干高い引張強さを示すことがありますが、厚板や溶接被覆は低い特性と組織の不均一性が顕著になります。表面状態や成形・溶接から生じる残留応力は疲労寿命や割れ発生に大きく影響します。
| 特性 | O／焼鈍 | 主要硬質状態（例：H14/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約80～140 MPa | 約120～200 MPa（冷間加工度合いによる） | 加工方法で幅広い。溶接金属の強さは異なる場合もある |
| 降伏強さ | 約30～80 MPa | 約90～160 MPa | 冷間加工で降伏強さが著しく向上 |
| 伸び率 | 約15～30% | 約3～10% | 冷間加工により延性は低下 |
| 硬さ（HB） | 約25～50 HB | 約50～85 HB | 硬質状態および冷間加工に依存して変化 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 g/cm3 | アルミ合金の典型値で、質量計算に利用 |
| 融解範囲 | 約577～613 °C（固相線～液相線） | 純粋アルミより低めの固相線を示し、Si含有量により範囲変動 |
| 熱伝導率 | 約120～160 W/m·K | 合金化により純アルミより低いが熱管理用途に十分 |
| 電気伝導率 | 約30～45 %IACS | 純アルミより低く、溶接被覆や微細組織も影響を与える |
| 比熱 | 約0.9 J/g·K（900 J/kg·K） | 典型的なアルミの比熱。合金元素による影響は小さい |
| 熱膨張係数 | 約23～24 µm/m·K（20～100 °C） | アルミ合金で一般的な線膨張係数。熱応力計算に重要 |
4043の物理特性は、適度な導電性と低密度が利点となる熱および電気用途に適しています。熱伝導率は純アルミより低いものの、多くの放熱や熱伝搬用途に十分であり、精密な熱解析には純アルミとの差異を考慮する必要があります。
シリコンによる融点範囲の低下と流動性の向上が溶接や鋳造の鍵となっており、これらの熱物性は融接時の凝固速度や熱割れ感受性に影響を与えます。
製品形態
| 形態 | 代表的厚さ・サイズ | 強度挙動 | 一般的硬質状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3～6.0 mm | O硬質状態で強度は低め。加工硬化可能 | O、H14 | パネル、ハウジング、成形性が求められる用途に使用 |
| プレート | 6～50 mm | 中程度の強度。厚板は組織の勾配が顕著 | O、圧延状態 | ピーク強度が限定的なため構造用板としてはあまり使用されない |
| 押出形材 | 複雑形状、断面1～50 mm | 形状と冷間加工により異なる | O、H系列加工 | 溶接性と形状精度が重要な場合に使用 |
| チューブ | 直径数mm～大径 | 壁厚と硬質状態により強度変動 | O、H | 流体輸送や非重要構造用チューブに使用 |
| バー・丸棒 | 2～50 mm | 一般的に中程度の強度。充てんワイヤとしても使用 | O、引抜き状態 | 溶接ワイヤやろう付け棒として一般的な形態 |
4043の圧延形材は溶接性・成形性を重視して加工され、シートや押出材は成形とそれに続く溶接を容易にするために焼鈍処理されることが多いです。非重要構造部材向けに強度向上を目的とした冷間加工も行われますが、延性低下のバランスが必要です。
溶接用グレードおよびワイヤ・ロッド製品は、溶融時の流動性最大化、多孔質低減、融接およびろう付け接合における凝固割れ管理のため、化学成分と粒子細化が厳密に管理されています。
同等材質
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 4043 | USA | Aluminum Association指定；仕様で一般的に参照される |
| EN AW | 4043 | Europe | EN AW-4043またはAlSi5として類似の化学組成で参照されることが多い |
| JIS | A4043 / AlSi5 | Japan | 日本工業規格は類似のAl–Si系記号を使用；正確な指定は異なる場合がある |
| GB/T | 4043 | China | 中国のGB/T規格はAA/ENのAl–Si溶接合金の化学組成にほぼ対応 |
同等性はあくまで概算であり、製造方法、不純物限界、許容される微量添加元素は地域標準により差異があります。エンジニアは重要用途でサプライヤーの分析証明書を確認し、Fe、Ti、および微量元素のごくわずかな変動が溶接や鋳造の挙動に影響を与えることを認識しておくべきです。
耐食性
4043は、空気や中程度の腐食環境に曝された場合、アルミニウム合金特有の優れた一般的な大気腐食耐性を示します。安定した酸化アルミニウム皮膜を形成し被動化が促進され、通常条件ではシリコンの存在が被膜の耐食性を著しく低下させることはありません。
海洋環境や塩化物を含む環境では、4043は中程度の耐性を持つものの、より貴な金属とのガルバニックカップリングがあったり、塗装が損なわれると局所的な腐食が生じやすくなります。銅含有量が低いためピッティング耐性は高強度合金より優れますが、活性の塩水噴霧条件下での専用海洋合金ほどは耐久性がありません。
応力腐食割れの感受性は、熱処理された高強度アルミ合金と比べると低いですが、溶接熱影響部や引張残留応力がある部分では腐食誘発割れが発生しやすくなります。異種金属が存在する場合は、塗装、陰極防食、絶縁などの対策によりガルバニック腐食を抑制することが設計上重要です。
2xxx系や7xxx系合金と比較すると、4043は低銅、高シリコンのため一般的な耐食性に優れます。5xxx系と比較すると、多くの大気環境では同等の性能ですが、マグネシウム含有量が高い5xxx系は構造用として海水耐性がより優れる場合があります。
加工性
溶接性
4043はシリコン含有量が高いため流動性に優れ、熱割れの発生が少ないことからアルミ溶接用の代表的なフィラー材の一つです。MIG（GMAW）およびTIG（GTAW）溶接に適しており、柔らかく靭性のある溶接金属が要求されるアルミ同士の溶接で標準的に使用されます。多くのフィラー材や母材組み合わせに比べて熱割れリスクは低いものの、溶接孔や水素吸収の管理は必要です。
切削加工性
加工性は中程度で、高強度の熱処理合金よりは加工しやすいですが、シリコンの硬質粒子の影響で純アルミよりはやや硬くなっています。予測可能な切り屑制御のためには、正面角のある超硬工具と剛性の高い設備が推奨されます。切削速度や送りは、不良なビルドアップエッジを防ぎ、微細なシリコン粒子による磨耗に対応できるよう調整してください。
成形性
退火（O材状態）では非常に良好な成形性を持ち、薄板では狭い曲げ半径が可能です。通常の最小内面曲げ半径は工具と硬さにより板厚の1〜3倍程度となります。冷間加工により強度は向上しますが成形性は低下するため、成形加工は一般的にO材か中間退火で行います。高度な成形時はバネ戻りとH系素材の冷間加工による表面亀裂発生に注意が必要です。
熱処理挙動
4043は原則として熱処理非対応合金であり、6xxx系や7xxx系のような溶体化処理＋人工時効の効果は期待できません。T6相当の時効処理をしても、MgやCu含有量が低いため顕著な時効硬化は得られません。
溶体化処理は鋳造製品の組織均一化および偏析除去に有効ですが、後続の時効での性能変化は控えめです。退火（O材化）は靭性回復と残留応力除去のための標準熱処理であり、製品形態と求める軟化度に応じて300〜400 °Cのサイクルが一般的です。
冷間加工（H系材質）は成形後の強度アップの主要手段であり、加工硬化により降伏強さと硬さが向上しますが、伸びの低下や繰り返し荷重下での破壊感受性増加とのバランスを考慮する必要があります。
高温性能
多くのアルミ合金同様、4043は使用温度が周囲温度を上回ると著しい強度低下を示します。おおよそ150〜200 °Cを超えると構造的有用性が明瞭に低下し、溶融域近辺での長期曝露は機械的強度を損ないます。高温酸化は安定な酸化アルミ層の形成に限定されますが、激しい環境ではスケーリングやもろ化も考慮が必要です。
溶接部の熱影響部では組織の変化や局所的な軟化、粗大化が見られます。4043の溶接金属自体は靭性がありますが、熱影響部の強度低下が高温荷重保持能力の制限となります。継続的な高温使用にはクリープ耐性を持つ専用合金の使用が望ましいです。
用途
| 産業分野 | 代表部品 | 4043が使用される理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 装飾トリムおよび溶接組立体 | 優れた溶接性と溶接後の良好な表面仕上げ |
| 海洋 | 非構造用ハウジング、組立の溶接フィラー | 良好な耐食性と溶接中の熱割れ低減 |
| 航空宇宙 | アルミ溶接用フィラー材、修理棒 | アルミ母材との相性良好で溶接金属組織の制御が可能 |
| 電子機器 | バスバー、ハウジング、ヒートスプレッダ部品 | 導電性と軽量性のバランスが有用 |
| 家庭用機器 | 調理器具やキャビネット部品 | 成形性、溶接性、耐食性のバランスが良い |
4043は主に溶接ワイヤーやロッドとして多用され、構造用の主要合金としてではなく、信頼性の高い接合を実現し熱サイクルに耐える靭性のある溶接金属を供給する役割を担います。流動性、割れ感受性の低さ、適度な耐食性の組み合わせにより、非重要構造部やエンクロージャ部品に広く適用されています。
選定のポイント
溶接の相性、溶融金属の流動性、耐食性を優先し、最高強度が必須でない場合に4043を選択してください。汎用アルミ溶接用フィラーとして優秀であり、成形性や靭性溶接肉盛りが求められる部品に適しています。
商用純アルミ（例：1100）と比較すると、導電率や成形性を若干犠牲にして強度向上と大幅な溶融池流動性改善を実現しています。加工硬化合金（3003、5052など）と比べると強度は同等かやや低いものの、溶接性が向上し熱割れの発生も減少します。耐食性は環境依存で同等かやや良好です。熱処理合金（6061、6063など）と比べると、最高強度は劣りますが、溶接性、肉盛り相性、割れリスク低減が選択理由になります。
調達や設計検討では、溶接用フィラー形態の入手性、溶接作業コストメリット、溶接後の機械的要求の有無や高強度代替案の必要性も考慮してください。
まとめ
4043は、予測可能で熱割れリスクの低い溶接金属を提供し、優れた耐食性と十分な機械的特性により、非重要な構造およびエンクロージャ用途に適した広範な適用性を持つことから、現代のエンジニアリングにおいても溶接・加工・汎用アルミ部品の定番合金として重要な地位を占めています。