アルミニウム4045：組成、特性、硬化状態ガイドおよび用途
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製品概要
Alloy 4045は、4xxx系アルミニウム合金の一種であり、主成分元素としてケイ素を加えたケイ素系合金です。4xxx系はケイ素添加により融点範囲が低下し、流動性が向上し、溶接性やろう付け性能に影響を与える特徴があります。4045はこの系列に属し、ほぼ純アルミに近い合金よりもはるかに多く、また一般的な4043フィラー合金よりも高いケイ素含有量を持ちます。
4045の主要な合金元素はケイ素であり、通常は微量の鉄、マンガンに加え、チタンやクロムといった微量元素が含まれています。4045は基本的に熱処理不能合金であり、主な強化機構はケイ素による固溶強化と、Htemper条件で加工される際の冷間加工による加工硬化です。
4045の主な特長は良好な溶接性、溶接やろう付け用途での高い流動性、適度な強度、そして多くの大気環境や軽度腐食性環境下で許容される耐食性です。アニール状態では良好な成形性を示しますが、加工硬化が進むと延性は低下します。機械加工性は純アルミに比べて中程度で、ケイ素の存在が切りくず形成の制御に寄与しています。
4045の主な用途は、自動車分野（フィラーまたはクラッド用途）、空調・熱交換器製造、溶接・ろう付けフィラーの適合性が求められる一般製作、および特定の家電部品などです。高強度の熱処理可能合金や非常に純度が高く導電性の高いアルミニウムに比べて、溶接性の向上、低融点挙動、およびケイ素による濡れ性・流動性の効果が求められる場合に4045が選ばれます。
硬さ区分（Temper）
| 硬さ区分 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし状態で最大の延性を持ち、成形に最適 |
| H12 | 低～中 | 中程度 | 良好 | 良好 | 軽度の加工硬化があり、曲げ性は限定的 |
| H14 | 中 | 中～低 | 普通 | 良好 | 一般的な商用の加工硬化板材の硬さ区分 |
| H16 | 中～高 | 低め | 限定的 | 良好 | 剛性向上のための強い加工硬化 |
| H18 | 高 | 低 | 不良 | 良好 | 最大の冷間加工強化、伸び率は最小限 |
| T4 (該当する場合) | 該当なし | 該当なし | 可変 | 可変 | 通常は熱処理不能だが、一部プロセスで溶体化処理に似た状態になることがある |
| T6/T651（稀） | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 4xxx系は古典的な時効硬化合金ではなく、これらの硬さ区分は非典型的 |
硬さ区分は4045の機械的性質や成形性に大きな影響を与えます。焼なまし（O）状態は延性と成形性を最大化し、深絞りや急激な曲げ加工を可能にします。一方で、Hナンバーの冷間加工硬化は強度を段階的に上昇させますが、その代わりに延性や曲げ性は低下します。
4045は時効硬化合金ではないため、6xxxや7xxx系に見られるような時効硬化を伴う“T”区分は同様の効果を示しません。したがって、生産部品の最終特性を調整するためには冷間加工と焼なましの工程管理が主な手段となります。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 9.0–12.5 | 主合金元素；融点範囲、流動性、溶接性を制御 |
| Fe | 0.2–0.7 | 一般的な不純物；金属間化合物形成や強度に影響 |
| Mn | 0.1–0.5 | 微量添加；組織の微細化や若干の強度向上に寄与 |
| Mg | ≤0.10 | 通常は極めて低い；Mgによる固溶強化は限定的 |
| Cu | ≤0.10 | 通常極少；局部腐食や応力腐食割れの抑制に寄与 |
| Zn | ≤0.10 | 極微量；強化効果はなし |
| Cr | ≤0.10 | 結晶粒制御用の微量元素（存在する場合） |
| Ti | ≤0.10 | 鋳造または圧延加工時の粒子細化用成分（意図的に使用した場合） |
| その他（各々） | ≤0.05 | その他管理された不純物；残りはアルミニウム |
ケイ素は溶体の固溶温度（固相線・液相線）を低下させ、溶融状態の流動性を高めることで、溶接プールの流れを改善し、熱脆割れの発生感受性を減少させます。鉄やマンガンなどの微量元素は金属間化合物の形成に影響し、強度、機械加工性、局部腐食傾向に作用します。
化学成分の詳細な規定は製品や規格によって異なり、購入者は該当ロットやミル製品についての認証された組成限界を確認するために、AA、EN、JIS、GB/Tなどの管理仕様書を参照すべきです。
機械的性質
引張特性において、4045の焼なまし状態は中程度の引張強さと比較的高い伸び率を示し、合金元素と時効硬化を伴わない特性を反映しています。冷間加工（H硬さ区分）が進むと、引張強さおよび降伏強さが上昇し、一方で伸び率や靭性は減少します。これは熱処理不能合金の典型的な加工硬化応答です。
O硬さ区分の降伏強さは控えめで、多くの成形部品で十分ですが、H14～H18の硬さ区分はより高い静的剛性や寸法管理が求められる場合に用いられます。硬さ値は加工硬化に応じて変化し、この合金は低硬さ区分で良好な疲労耐性を維持しますが、延性の低下と微細構造欠陥の影響により、冷間加工が進むと疲労寿命は短くなる可能性があります。
板厚も性質に影響します。薄板は圧延による冷間加工が増えるため同じ硬さ区分でも強度が高くなりやすいですが、厚板はやや低く方向性の少ない強度と成形性を示すことがあります。溶接継手は加工条件により母材に対し熱影響部(H A Z)が軟化することがあり、疲労使用品の設計では熱影響部の挙動を考慮する必要があります。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的硬さ区分（例：H14/H16） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 90–150 MPa（典型値） | 140–220 MPa（典型値） | 板厚、冷間加工、製品形状によって変動；メーカー保証データを確認のこと |
| 降伏強さ | 30–70 MPa（典型値） | 80–160 MPa（典型値） | 降伏点は0.2%オフセットによる；冷間加工で大幅に向上 |
| 伸び率 | 20–35％ | 6–18％ | 焼なましで高延性；H18は延び率が低く剛性部品向き |
| 硬さ | HB 約25–45 | HB 約40–80 | ブリネル硬さの目安；引張強さとの標準換算で対応可能 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68–2.70 g/cm³ | Al-Si圧延合金に典型的な密度；ケイ素の含有でわずかに増加 |
| 融点範囲 | 約577–615 °C | ケイ素によりAl-Si合金の共晶固相線が約577 °Cに低下；含有量により変動 |
| 熱伝導率 | 120–160 W/m·K | 純アルミより低いが、放熱部品には十分に高い値 |
| 電気伝導率 | 約30–45 % IACS | 純アルミに比べてケイ素や不純物により低下 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 室温付近の概算値；合金成分でわずかに変動 |
| 熱膨張率 | 22–24 µm/m·K | Al-Si系合金における典型的な線膨張係数 |
4045は密度と熱特性の面で、軽量化や熱管理が重要な部材、例えば熱交換器や筐体に適しています。熱伝導率は純アルミに比べ低下しますが、多くの熱伝達用途で十分な値を保っています。設計者は放熱フィンや薄肉部品の規格化時に伝導率の低下を考慮する必要があります。
電気伝導率は4045の主要な特長ではありません。高伝導性が求められる場合はより純度の高い1xxx系合金の検討が望ましいです。純アルミに比べて低くなる融点範囲は、溶接やろう付け加工の重要な加工特性となっています。
製品形状
| 形状 | 典型的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3–6.0 mm | 冷間圧延により強度が向上 | O, H12, H14, H16 | HVAC、家電パネル、充填クラッドシートの主流形状 |
| プレート | >6.0 mm | 薄板よりも加工硬化率が低い | O, H14 | 4045は薄物向けに最適化されているため使用頻度は低い |
| 押出形材 | 数メートルまでのプロファイル | 押出後の変形により強度が左右される | O, 軽度H硬さ | 装飾部品や小型構造材に使用される |
| チューブ | 直径数mm～100mm以上 | シートと同様の特性；冷間加工オプションあり | O, H14 | 熱交換器やHVAC用配管に使用 |
| バー／ロッド | 3–100 mm | 断面が大きいため冷間加工による強化は減少 | O | ロッドは充填材やろう付けワイヤとしてよく使われる |
4045は、その主要な強みが溶接・ろう付け特性および薄板での成形性にあるため、シートやコイルが最も一般的なミル形状です。押出形材やロッド形状は特殊なプロファイルや充填ロッドが必要な場合に使用されますが、重量対強度の要求が高い厚板用途では他の合金系が好まれるため、4045はほとんど使われません。
加工法の違いが最終物性に影響します：シートは圧延と制御された焼鈍によって良好な表面仕上げと成形性が得られ、押出はシリコンリッチ相の偏析を避けるため熱管理が重要です。充填ワイヤ製造では溶接信頼性向上のため一貫した化学成分と低不純物が重視されます。
相当品
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 4045 | アメリカ | Aluminum Associationの主要な指定；仕様限界はAA規格を参照 |
| EN AW | AlSi9–12（概ね） | ヨーロッパ | 単一の直接的なEN AW相当品はなく、AlSi9またはAlSi11系が近似 |
| JIS | A4045（概ね） | 日本 | 地元規格では類似の4xxx指定が使用されることがあるため、JIS仕様を確認すること |
| GB/T | AlSi10–12（概ね） | 中国 | 中国の鋳造・圧延指定はAlSi系に対応；GB/T表を参照 |
4045の直接的かつ完全な互換品は、各地域の公差や用途（圧延シート、充填ワイヤ、鋳造品など）の違いにより必ずしも一致しません。エンジニアは単に鋼種名だけでなく、公認された化学成分範囲、機械的試験結果、製品形状（シート、ロッド、フィラー）を比較し、同等性を検証する必要があります。
耐食性
4045はアルミニウム合金に典型的な良好な大気腐食耐性を示しており、シリコン添加は自然生成される酸化皮膜の保護効果を著しく損なうことはありません。一般的な屋外および室内環境下で、適切に仕上げられた4045部品は特別な腐食対策なしに長寿命を維持します。
海洋環境では4045の耐性はまずまずですが、5xxx系のようなマグネシウム含有の海洋用アルミ合金ほど耐食性は高くありません。特に不純物やガルバニックカップルが存在する場所では塩素イオンによるピッティングが発生する可能性があるため、設計時には保護塗装や犠牲防食層の指定が望まれます。
応力腐食割れ（SCC）の感受性は低銅4xxx系では一般的に低く、主要な要因となる高い引張応力、腐食性塩素イオン、特定の微細組織は4045で重合強化熱処理合金ほど顕著ではありません。ガルバニック腐食を考慮する必要があり、アルミニウムは銅や鋼をはじめ多くの金属に対して陽極となるため、接触時には絶縁や陰極保護が必要です。
5xxx系合金と比較すると、4045は海洋塩素攻撃下の局所腐食耐性はやや劣るものの、溶接性が良く熱割れ感受性が低い点で優れています。6xxx系や7xxx系と比較すると、4045はピーク強度は低いものの、シリコン含有により溶接関連腐食への感受性が低減される場合があります。
加工性
溶接性
4045は融合溶接に優れ、GTAWやGMAW用途の充填ワイヤとして頻繁に使用されています。シリコンの添加により融点範囲が下がり溶融池の濡れ性と流動性が向上し、多くのアルミニウム合金に比べて熱割れのリスクが低減されます。一般的なアルミ同士の溶接用充填材は4043/4045に類似した合金で、必要なシリコン量に応じて選択されます。異種金属接合の場合はろう付けや専用の充填材使用が求められることがあります。
溶接継手は、基材の強い冷間加工部に比べて熱影響部（HAZ）で軟化が見られる場合がありますが、4045は非熱処理系合金のため、これは析出物の溶解ではなく加工硬化の焼なましによるものです。溶接前後の配慮としては、歪み管理、酸化膜・油成分などの汚染防止、および腐食・機械特性に適合する充填材の化学組成指定が重要です。
切削加工性
4045の切削性は中程度で、低合金または純アルミに比べてシリコンの効果により切屑制御が良好でネバつきが減少します。一般的な加工条件は正面捻れ角が大きい超硬工具の使用、適度な切削速度、そして浸水冷却で熱を管理しビルドアップエッジを防止します。切屑は連続した形状となりやすいため排出を十分に行い、送り速度と切り込みは振動や表面粗さを避けるよう設定します。
旋盤加工やフライス加工でO硬さは良好な表面状態が得られますが、硬いH硬さでは切削力が増大し工具摩耗も早まります。深い穴あけ加工ではシリコン粒子による工具の摩耗を考慮し、コーティング超硬工具や適切なペックドリル加工の採用が推奨されます。
成形性
焼なましO状態での成形性は極めて優れており、4045は深絞り、曲げ加工、伸線加工において厚さに対して小さい曲げ半径が可能です。冷間加工が進むに従い（H14〜H18）、成形性は低下し、ばね返りが増加するため、工程管理を厳密にして曲げ半径を大きくする必要があります。O硬さでの最小内曲げ半径は単純曲げで一般に厚さの1〜2倍から開始し、形状の複雑さや板厚が増すと増大します。
冷間加工は強度を高めますが伸びを減少させ、端部割れのリスクが高まります。厳しい成形作業にはO硬さの指定または中間焼なましを行うことが望ましいです。4045の熱間成形は稀ですが、大変形を要する特殊押出しや曲げ工程で割れ防止のために用いられる場合があります。
熱処理特性
4045は非熱処理系合金に分類され、6xxx系や7xxx系で見られるような溶体化処理や時効硬化による大幅な強度向上は期待できません。従来のT6型熱処理を試みても、主要元素であるMgやCuが不足しているため顕著な時効硬化は生じません。
機械的特性は主に冷間加工（加工硬化）と焼鈍によって制御されます。焼鈍（再結晶焼鈍）は製品やミル工程によりますが一般に300〜415 °Cで行われ、延性を回復させます。溶接時の熱影響部では局所的に冷間加工部の焼鈍が生じるため、設計段階で軟弱部の発生を考慮する必要があります。
応力除去や成型品の均質化のための熱処理では、シリコンリッチ相の粗大化を防ぐため、加熱時間および冷却速度の管理が不可欠で、延性や表面仕上げへの影響を抑えます。
高温性能
高温下では4045はアルミ合金として典型的に強度が徐々に低下し、およそ150〜200 °C以上では機械的特性が著しく悪化し、長期クリープが設計上の課題となる場合があります。低温共晶点およびシリコンリッチ相の存在により、一定温度以上の持続使用では耐熱性の高い一部アルミニウム合金や鉄系合金に劣ります。
酸化は穏やかで一般には薄い酸化アルミニウム被膜の形成にとどまりますが、攻撃的な雰囲気での長時間高温曝露によりスケール形成や外観変化が起こる可能性があります。溶接部の熱影響部は高温曝露により微細組織が変化し、疲労寿命の低下や寸法安定性の変動を引き起こすことがあります。
連続して150 °C超での使用や熱機械的なサイクル負荷がある用途では、高温性能専用の合金やアルミ以外の金属系統の採用が推奨されます。
用途
| 業界 | 代表的な部品 | 4045が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディおよびトリムの溶接用フィラーワイヤー | 良好な溶融プールの流動性と熱割れの抑制、アルミニウム板材との適合性 |
| 海洋・HVAC | 熱交換器のフィンおよびチューブ | 優れた熱伝導性と薄板の成形性 |
| 航空宇宙（非一次構造部品） | 二次的な継手、フェアリング | 中程度の強度対重量比と非重要部品向けの良好な耐食性 |
| エレクトロニクス | ヒートシンクおよびハウジング | 熱性能と成形・接合のしやすさの組み合わせ |
| 一般製作 | 家電パネル、トリム、ろう接組立品 | 成形性と流動性を兼ね備えたコスト効果の高い溶接・ろう付け合金 |
4045の有用性は、最高強度の構造用合金というよりも、接合性および製作性に関わる特徴にあります。良好な溶接性、溶融状態での流動性、適度な機械的性能のバランスが求められる製造可能で保守しやすい部品に選ばれます。
選定のポイント
溶接性および溶融金属の流動性が優先され、シリコン含有量が多い非熱処理型合金の特性が部品の要件に合致する場合に4045を選択してください。特にフィラーワイヤー用途や、接合作業で良好な流動性と濡れ性が必要な薄肉成形部品に最適です。
市販されている純アルミニウム（1100系）と比較すると、4045は電気伝導率や最大成形性の一部を犠牲にする代わりに、溶接・ろう付け特性や冷間加工硬化時の強度をやや向上させています。3003や5052のような加工硬化型合金と比べると、4045は一般に同等かやや低い延性ですが、溶融プールの流動性や特定の熱割れモードへの耐性が改善されています。6061や6063のような熱処理型合金と比べると、4045は最大強度は劣りますが、優れた溶接性と低融点挙動が求められる場合、あるいは析出硬化が必要ない場合に好まれます。
選定にあたっては、製造ニーズ（溶接・ろう付け対構造的強度）、腐食環境、後処理の可否（焼なまし可能か冷間加工に依存するか）を考慮し、供給者からの入手性やコストも必ず確認してください。4xxx系のバリエーションの中にはフィラー金属や特殊用途向けに主に生産されており、在庫形状が限定されるものがあります。
まとめ
アルミニウム4045は、シリコン含有による優れた溶接性、制御された融点特性、焼なまし状態での良好な成形性が求められる実用的なエンジニアリング合金です。非熱処理型であるため、設計者は強度目標達成のために冷間加工や工程管理に注力する必要があり、製造性や耐腐食性を優先するフィラー材、HVAC部品、および製作組立品の選択肢として支持されています。