アルミニウム4044：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 4044は4xxx系アルミニウム合金の一種であり、加工品ファミリーに属する主成分がシリコン（Si）の合金です。1xxx〜3xxx系合金に比べてシリコン含有量が高く、熱処理による強化ができない非熱処理系合金で、主に固溶体強化と加工硬化によって機械的特性が向上します。
主な合金元素はシリコンで、鉄、マンガン、微量元素が小さく制御されて添加されています。銅およびマグネシウムの含有量は一般的に非常に低いです。シリコン含有量が多いため、鋳造性と溶接性が向上し、合金の融解挙動や接合特性にも影響を与えます。
4044の主な特長は、適度な強度、多くの大気および軽度の水溶液環境下での優れた耐食性、優秀な溶接性、および焼なまし状態における良好な成形性です。一般的な用途は、自動車の車体部品やろう付け/充填材用途、熱交換器、電気部品、流動性やフィラーの適合性が重要な一般構造用押出材などにわたります。
技術者は溶接性、ろう付け性能、耐食性のバランスが求められる場合に、熱処理可能な多くの合金で生じるコスト増加や工程の複雑化、靭性低下を避けるため4044を選択します。シリコン含有により流動性が向上し、溶接およびろう付け時の熱割れを低減するため、接合材や充填材用途に多く選ばれています。
調質バリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、最高の靭性と成形性 |
| H12 / H14 / H16 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 非常に良い | 加工硬化調質。軽度から中程度の加工硬化状態 |
| H18 / H24 | 高い | 低下 | やや不良 | 良い | 成形性が犠牲になるが高強度の重加工硬化調質 |
| T (例：T4/T5/T6) | 該当なし / 限定的 | 該当なし | 限定的 | 該当なし | 4xxx系は一般に熱処理による強化ができず、T調質は稀または特殊加工によるもの |
4044は非熱処理系合金であり、その性能は主に冷間加工による増強に依存するため、調質は性能に強くかつ予測可能な影響を与えます。O調質からH調質に進むにつれ降伏強さと引張強さは向上しますが、靭性と成形性は低下し、曲げ半径や引張成形の限界に直接影響します。
溶接およびろう付け作業では、接合前の成形と溶接部の残留応力低減のために焼なまし（O）材が好まれます。高い成形後の強度が必要で成形後の加工が限られる場合はH調質が用いられます。
化学成分
| 元素 | 含有率（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 4.0 – 6.0 | 主合金元素。流動性向上、融点範囲低減に寄与 |
| Fe | ≤ 0.7 | 一般的な不純物。強度や析出物形成に影響 |
| Mn | ≤ 0.5 | 微量添加により組織細化とわずかな強度向上が可能 |
| Mg | ≤ 0.20 | 通常は低含有。4044には高Mgは特徴的ではない |
| Cu | ≤ 0.20 | 耐食性維持と溶接性のため低含有 |
| Zn | ≤ 0.10 | 低含有。強化元素ではない |
| Cr | ≤ 0.10 | 結晶粒安定化のための微量元素 |
| Ti | ≤ 0.20 | 一部製品形状で結晶粒微細化剤として存在 |
| その他（各） | ≤ 0.05 | 残留物および微量元素。残りはアルミニウム |
シリコンの濃度が4044のミクロ組織や固相線・液相線挙動、Siリッチ相の形成を支配します。小量の鉄やマンガンは高温物性や加工性に影響を与える析出物を生じ、低Mg・Cuは耐食性と溶接性保持に寄与します。全体の性能はシリコンによる固溶強化と熱機械的処理による組織制御の組み合わせによって決まります。
機械的特性
4044の引張特性は非熱処理系Al–Si合金として典型的であり、焼なまし状態では比較的高靭性を示し、加工硬化に伴い降伏強さと引張強さが段階的に上昇します。O調質では降伏強さが低いですが、H調質で著しく上昇し、伸びはO調質で最大であるのに対し、加工硬化により低下します。硬さも同様の傾向を示し、H調質では転位蓄積や微細な不純物相の析出により硬さが向上します。
疲労性能は中程度であり、表面仕上げ、板厚、成形や溶接による残留応力状態に強く依存します。薄板ではバリ取りや応力除去が不十分な場合、疲労寿命が低下しやすく、溶接部の熱影響部や加工由来の介在物は疲労亀裂の発生源となります。設計時は板厚依存性および溶接やろう付け継手が繰返し寿命に与える影響を考慮する必要があります。
鋳造や押出しによる微細組織の不均一性、例えばシリコン粒子の分布は加工性や耐摩耗性に影響し、厚肉部材は薄板で製造・冷間圧延したH調質品に比べて粗大なシリコン粒子を保持し靭性が低下します。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的調質（例：H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 70 – 110 MPa（典型値） | 130 – 180 MPa（典型値） | 調質や板厚により異なり、H調質は著しく高い |
| 降伏強さ | 30 – 60 MPa（典型値） | 100 – 150 MPa（典型値） | 冷間加工により降伏強さが急激に上昇 |
| 伸び | 20 – 35% | 5 – 15% | 加工硬化により延性が低下 |
| 硬さ（HB） | 25 – 40 HB | 55 – 75 HB | ブリネル硬さ指数として比較。加工硬化で変動 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70 g/cm³ | アルミニウム合金として標準的で、質量および剛性計算に利用 |
| 融解範囲 | 約 577 – 635 °C | シリコン含有による共晶影響。具体的な範囲はSi濃度による |
| 熱伝導率 | 約 120 – 160 W/m·K | 純アルミニウムより低い。シリコンと不純物が伝導率を低減 |
| 電気伝導率 | 約 35 – 55 % IACS | 1xxx系と比べ合金元素添加により低下 |
| 比熱 | 約 880 – 910 J/kg·K | 室温でのアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張率 | 約 23 – 24 ×10⁻⁶ /K | 他のアルミ合金と同等であり、熱膨張ミスマッチ設計に重要 |
これらの物理特性により、4044は良好な熱伝導性が求められるが絶対的な電気伝導率はさほど重要でない用途に適しています。熱膨張率や熱伝導率は熱交換器、電子機器筐体、多材質組み立て時の熱膨張差問題を管理する設計において重要です。またシリコン共晶による比較的低い融点開始は溶接、ろう付け、鋳造・接合の工程条件にも影響を及ぼします。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3 – 6.0 mm | 均一で冷間加工に対し良好に反応 | O, H14, H24 | パネル、ヒートシンク、ろう付け用シートに使用 |
| プレート | 6 – 25 mm | 冷間加工の反応はやや低下 | O, H18 | より厚板でSiの粗大分布が靭性を低下させる場合あり |
| 押出材 | 数メートルまでのプロファイル | 良好な方向性強度 | O, H14 | 押出型内での流動性と表面仕上げにSiが寄与 |
| チューブ | 様々な外径／肉厚の組み合わせ | シートに類似した挙動 | O, H14 | ろう付け熱交換器や構造用チューブに使用 |
| 丸棒／棒材 | 直径最大約100 mm | 押出し後の強度が高い | O, H12 | 加工や鍛造が行われる用途が多い |
シート、押出材、プレート間の加工差異は冷却速度や加工工程のスケジュールによって制御され、Si粒子の分布や結晶粒径に影響を与えます。薄板の冷間圧延によるH硬さ状態は、焼なまし状態のプレートよりも高強度かつ低伸びを示します。押出形状はSiによる流動性向上効果を活かし、複雑な薄肉断面を良好な表面仕上げと寸法安定性を保ったまま成形・接合に適した状態で製造します。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 4044 | USA | Aluminum Association指定 |
| EN AW | 4044 | ヨーロッパ | 一般的な欧州の呼称。組成の許容範囲がわずかに異なる場合あり |
| JIS | A4044（概算） | 日本 | 類似のAl–Si呼称を用いる場合あり |
| GB/T | Al4044（概算） | 中国 | Si含有量が近いAl–Si合金を規定 |
同等グレード表記は大まかに類似する化学組成を示していますが、地域ごとの規格で不純物や微量元素の許容範囲に差異があります。これらの許容差は電気伝導性、切削性、ろう付け性能などの特性に影響を与えるため、エンジニアは調達や適合の最終決定時に各規格の詳細な表を参照するべきです。代替品使用時は、Si含有量や引張特性、追加合金元素の影響などの証明試験報告を必ず確認してください。
耐食性
4044は、多くの汎用アルミニウム合金に匹敵する大気環境下での一般的な耐食性を持ちます。これはアルミニウム表面に自然に形成される保護性の高いAl2O3被膜によるものです。Si添加は受動膜の保護性を大きく損なわず、工業地域や農村部の汚染が中程度の環境で優れた性能を発揮します。
海洋環境下では、均一腐食に対しては合理的な耐性がありますが、局部的な腐食は隙間や滞留海水部で、より貴な材料（例えばステンレス鋼や銅合金）とのガルバニックカップリングがある場合に発生することがあります。長期間の厳しい海水曝露では、表面処理、コーティング、陰極／陽極保護対策が必要です。
4044の応力腐食割れに対する感受性は、強度がより高く熱処理可能な2xxx系や7xxx系に比べて低いです。これは中程度の強度レベルかつSiが同様の粒界腐食機構を助長しないためです。ただし、溶接やろう付け接合部は異質微細構造や残留引張応力が局所的な腐食進行を早めることがあるため、設計に注意が必要です。
加工特性
溶接性
4044は非常に溶接性が高く、Siの効果により流動性が向上し割れ傾向が低いため、アルミ溶接やろう付けのフィラー材料としてもよく使用されます。一般的なGMAW（MIG）やGTAW（TIG）では、適切なフィラー材（ER4043／ER4044）を選択することで良好な結果が得られます。ER4044は特に自動車産業やろう付け用途で広く用いられています。熱影響部には冷間加工硬化状態で局所的な軟化が見られることがあり、残留応力低減のために予熱や溶接後処理が行われる場合があります。
切削性
4044の切削性は中程度です。Si粒子が工具との安定したかみ合わせを促進し、純アルミに比べて切りくず制御を改善しますが、非常に軟らかい合金に比べて工具摩耗は増加します。TiNまたはTiAlNコーティングを施した超硬工具、正バイトの刃形が中速加工での安定切削に推奨されます。切りくずが適切に排出されれば表面仕上げは良好で、銅含有合金ほどのビルドアップエッジ形成の問題は少ないです。
成形性
O状態では良好な成形性があり、Si粒子分布や結晶粒径が制御されれば小半径曲げや深絞りも可能です。H硬さ状態では加工硬化により成形性が低下するため、通常は焼なまし状態で成形し、その後必要に応じて加工硬化させて所定の強度を確保します。最小推奨内側曲げ半径は板厚や硬さに依存し、工具やロールバッチに応じた実証試験が望ましいです。
熱処理挙動
4044は熱処理不能合金に分類され、6xxx系や7xxx系のような溶体化処理および人工時効による強化は期待できません。主な強化機構は冷間加工（加工硬化）とSiによる固溶強化です。T系熱処理の適用は限定的で、強化よりも特定加工条件に関わる場合がほとんどです。
焼なましおよび再結晶は靭性回復に有効で、完全焼なまし（O状態）は加工による転位構造を解消し、微細析出物やSi分散体を粗大化させて成形性を向上させます。工業的には残留応力の制御目的で安定化や応力除去処理が行われますが、これは強度向上ではなく溶接・ろう付け・成形後の処置として使用されます。
高温性能
4044の強度は温度上昇に伴い低下し、一般的な構造用途での連続使用温度は概ね～150 °C以下が推奨されます。これ以上の温度では転位の移動性が増加し、固溶強化および加工硬化による強度寄与が急速に減じるため、設計者は継続使用温度を低く設定するか、補強のために断面厚さを増やす必要があります。
アルミ合金では中温域での酸化はAl2O3被膜により大きな問題とはなりませんが、高温での長期曝露により酸化物の成長やSi相の拡散による微細構造の粗大化が進行します。高温使用される溶接・ろう付け接合部は熱影響部の軟化が生じるため、クリープや応力緩和の評価が必要となる場合があります。
用途
| 産業分野 | 代表部品 | 4044が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ろう付けフィラー材、熱交換器フィン | 優れた流動性と溶接・ろう付け適合性、耐食性 |
| 海洋 | HVACダクト、非重要構造部品 | 耐食性と加工のしやすさ |
| 航空宇宙 | なし |