アルミニウム 4046：組成、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

Alloy 4046は4xxx系アルミニウム合金に属し、主にシリコンを含む合金として溶接用フィラーや一部の加工用途で使用されます。4xxx系の特徴はシリコンを主要合金元素とすることであり、4046では他の多くの4xxx系合金と比較してSi含有量が比較的高いため、融点が低く流動性が向上しています。

4046の主な合金元素はシリコンが支配的であり、鉄、微量のマンガン、マグネシウム、銅、亜鉛、クロム、チタンが副成分として含まれています。本合金は基本的に熱処理が不可能であり、その機械的性能は析出硬化ではなく、合金成分と機械的加工（加工硬化）によって得られます。

4046の主な特性は、溶融時の優れた流動性と低い熱割れ傾向（溶接・ろう付けに有効）、中程度の静的強度、アルミニウム特有の良好な一般耐食性、そして合理的な溶接性です。軟質状態では成形性は良好ですが、シリコン含有量が高くなるほど、また加工硬化が進むほど成形性は低下します。

4046を使用する代表的な業界は、自動車・輸送（フィラー/溶接材料および一部製造部品）、空調・冷凍（ろう付け継手や熱交換器の製作）、海洋（製作と接合）、電子機器（流動性とろう付け適合性が重要）などです。優れたフィラーメタルの流動性が必要な場合や、シリコン含有量の高い合金が低シリコン合金よりも接合部の結束性や凝固割れに対して優れる場合に4046が選択されます。

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	高	優秀	優秀	完全に軟化処理済みで、成形やろう付けに最適
H14	中	中程度	普通	良好	半硬質の加工硬化状態。中程度の強度を必要とする場合に使用
H18	高	低	不良	良好	完全硬質。成形性は限定的で、冷間加工によって高強度を実現
T4	該当なし	該当なし	該当なし	該当なし	非熱処理合金である4046には一般的なT系（固溶化+自然時効）は効果なし
T6	該当なし	該当なし	該当なし	該当なし	人工時効は適用不可。4046の強化は主に加工硬化による

調質は性能に大きく影響し、軟質（O）状態は最大の延性と深絞りや狭曲げに最適な成形性を示します。一方、H調質は冷間加工で強度を高める代わりに伸びが低下します。4046は熱処理が不可能なため、6xxx系や2xxx系合金で見られるようなT5/T6の析出硬化はありません。

化学組成

元素	%範囲	備考
Si	9.0–12.0	主要合金元素。流動性を高め、融解範囲を低減
Fe	0.4–1.0	一般的な不純物。延性に影響を与える金属間化合物を形成
Mn	0.05–0.50	微量。結晶粒構造と粒間腐食耐性向上に寄与
Mg	0.05–0.30	低含有。主要な強化元素ではない
Cu	0.05–0.20	微量。強度をわずかに増加させるが耐食性を影響する可能性あり
Zn	0.05–0.20	微量。4xxx系合金では一般に制限あり
Cr	0.05–0.20	微量。製品形状によって結晶粒制御に寄与
Ti	0.02–0.10	結晶粒微細化添加剤（鋳造・圧延加工用）
その他（各）	最大0.05	Bi、Pb、Ni等の残留元素

シリコン含有量は微細構造と加工挙動に大きく影響し、固相および液相線温度を下げ、微細構造内にSiリッチのネットワークまたは粒子を形成します。これにより溶融流動性が向上し、溶接ビードの外観が改善され、熱割れの軽減に寄与します。鉄とマンガンは金属間相の形態と分布を制御し、副成分は耐食性および延性に悪影響を及ぼさないよう低濃度に抑えられています。

機械的性質

実使用および試験結果から、4046は軟質状態で中程度の引張強さと合理的な延性を示し、加工硬化により引張強さは向上します。降伏強度も同様の傾向を示します。析出硬化がないため、冷間加工（H調質）が証明強さを上げる主な方法です。軟質状態では伸びは高く、硬さが増すと著しく低下します。完全硬質状態では伸びは非常に限られ、曲げ半径は大きく取る必要があります。

硬さは調質および加工硬化に関連し、軟質4046の硬さは低い一方で、H14～H18の状態では降伏強度・引張強度の増加に伴い硬さが上昇します。疲労性能は非構造用の繰返し荷重には許容範囲ですが、フィラーメタルや溶接金属として使用時は表面仕上げや接合品質に敏感です。板厚の影響があり、薄板のほうが成形が容易で溶接後の冷却も速いのに対し、厚板は粗大な微細構造を保持しやすく、溶接条件の調整が必要です。

特性	O/軟質	代表的調質 (H14 / H18)	備考
引張強さ (MPa)	90–130	120–180	板厚、製品形状、冷間加工に依存する。代表的な鍛造品の目安
降伏強さ (MPa)	35–70	80–150	加工硬化により降伏強度は大幅に上昇。析出硬化なし
伸び (%)	20–30	3–12	硬化に伴い伸びは低下。薄板はさらに延性が低下
硬さ (HBまたはHV)	25–50 HB	60–95 HB	硬化状態で硬さが増加。試験規格により値は異なる

物理的性質

特性	値	備考
密度	2.66–2.70 g/cm³	シリコン含有により一部のアルミ合金よりやや低く、一般的なアルミの密度範囲内
融解範囲	約577–615 °C	高シリコンのため共晶影響を受けた範囲。純アルミより液相線温度は低い
熱伝導率	110–140 W/m·K	純アルミと比べて低減。シリコンにより若干減少
電気伝導率	約30–40 %IACS	純アルミより合金元素の影響で低下
比熱	約880–910 J/kg·K	室温付近のアルミ合金として標準的
熱膨張係数	22–24 µm/m·K (20–100 °C)	多くのアルミ合金と類似。シリコン増加で若干低減傾向

これらの物理特性により、4046は熱交換器のろう付け・溶接など、溶融時の流動性や熱伝達が重要な用途に適しています。融解範囲の低さや純アルミに比べた伝導率の低さは、ある加工工程における溶接性・接合性の向上のためのトレードオフとなっています。

製品形状

形状	代表的厚さ／サイズ	強度特性	一般的な調質	備考
シート	0.2–6.0 mm	薄板は焼なましや成形が容易	O, H14	成形用、または被覆材／ろう付けベース材として使用される
プレート	6–50 mm	厚肉部は粗大組織が顕著	O, H18	厚みが必要な構造用または溶接組立材として使用される
押出形材	大断面までのプロファイル	押出時の冷間加工により強度向上	押出後のO、H調質	押出性は良好だが、シリコン含有量が金型摩耗に影響
管材	様々な直径・肉厚	対応する板厚のシートやパイプと同様の挙動	O、H調質	熱交換器やHVAC配管に多用される
棒材／ロッド	数mmから大径まで	冷間加工でH調質化可能	O、H調質	溶接やろう付け用フィラーワイヤー・ロッドとして一般的。高Si含有フィラー材が標準

加工性の違いはシリコン含有量による影響が大きく、4046のような高Si合金は液相での流動性が良くろう付けや溶接に有利だが、高Siにより冷間成形は困難となる。押出や圧延では金型摩耗や冷却制御に注意が必要で、粗大なシリコン粒子の発生を防ぐ。製品供給は接合用のフィラーワイヤー・ロッドや薄板に偏る傾向がある。

相当鋼種

規格	鋼種	地域	備考
AA	4046	USA	一般的な圧延指定およびフィラー配合の基準
EN AW	4046	ヨーロッパ	欧州の圧延製品カタログではEN AW-4046として記載されることが多い
JIS	A4046（または同等品）	日本	国内規格は厳密な数値よりも同等Al-Si組成を参照することがある
GB/T	4046	中国	中国規格はAA 4046に類似したAl-Si合金を含む

相当表は化学成分の名目値を示すが、製造方法や不純物限度は地域・規格ごとに異なる。これにより延性、金属間化合物の形態、及び溶接フィラー性能に差がでるため、設計者は規格間で材料代替する際は必ずサプライヤーの材料証明書と製品データシートを確認する必要がある。

耐食性

4046はアルミニウム合金特有の表面に形成される保護酸化皮膜により、一般的な大気環境下での耐食性は良好である。シリコン添加は均一腐食耐性に大きな影響は与えないが、局所的な電気化学的挙動や金属間化合物の分布を変え、塩化物を含む過酷環境では微小ガルバニックサイトを形成しやすくなる。

海洋環境や塩水噴霧下では、多くの用途で十分な耐食性を示すが、より厳しい耐食皮膜を形成する高Mg合金や、孔食耐性に優れるAl-Mn合金ほどの強靭さは持たない。高強度熱処理合金に比べ応力腐食割れのリスクは低いが、溶接部や接合部に表面汚染や残留応力が存在する場合は局所攻撃が発生することがある。

異種金属と接触した場合、4046は他のアルミ合金同様にステンレス鋼や銅に対して陽極的に働くため、混合金属構造では絶縁バリアや犠牲防食設計が必要となる。5xxx系（Al-Mg）合金に比べ、4046は同等の一般腐食性能を持ちつつ靭性や冷間成形性は若干劣る代わりに、溶接性やフィラー材性能は優れている。

加工性

溶接性

4046はシリコン含有量が高いため合金の凝固範囲が狭まり、溶融流動性が向上することからTIGおよびMIG溶接用のフィラー／ワイヤーとして広く使用されている。適切な遮蔽ガス選択で高品質な溶接が可能であり、Al-Mg系やAl-Si系母材の溶接にはシリコン相性良好なER4046フィラーワイヤーが推奨される。低シリコンフィラー材に比べ熱割れリスクが低減されるが、ビードの多孔質や形状制御のためには熱入力管理が必要。

機械加工性

4046の機械加工性は中程度であり、シリコン添加により低シリコン合金より砥粒性が高く工具摩耗が進みやすい。ポジティブラキおよび剛性の高い超硬工具を推奨し、大断面や断続切削では切削速度は控えめに設定すべきである。適切な切り込みと鋭利な工具を用いれば表面仕上げは良好だが、工具寿命は短くなりやすいため冷却やエアブラストで発熱管理を行うことが望ましい。

成形性

O調質では軽度の成形加工に適しているが、シリコン豊富な微細構造によりH調質では延性が低下し、曲げ加工でのひび割れが生じやすくなる。曲げ半径は軟質アルミ合金より大きく設計する必要があり、重要な成形工程では焼なまし（O調質）を施してから成形することが一般的である。冷間プレスや深絞りでは伸び不足を補うため潤滑やヘミング技術の適用が求められる。

熱処理特性

4046は非熱処理型合金に分類されており、6xxx系や2xxx系のような固溶処理および人工時効による強度向上は期待できない。伝統的なT6処理を施しても典型的な析出強化効果は得られない。高温熱処理では冷間加工による残留応力が緩和され強度低下するが、安定した時効硬化は生じない。

延性回復のための焼なましはアルミの通常の焼なまし温度域（一般的に300–420 °C間）で十分時間保持後、空冷で行い、これによりO調質に戻る。強度向上は冷間加工による機械的加工で実現され（H調質）、焼なましや熱曝露で回復・再結晶が進むまで保持される。

高温特性

4046の機械的強度は温度上昇に伴い徐々に低下し、約150～200 °C以上では著しい軟化が起こる。これらの温度より高温下では長期間の強度保持性は良くない。アルミの酸化は通常の使用温度域では保護膜形成に限定されるが、ろう付けや溶接時にフラックスや不純物が存在すると保護性が損なわれることがある。

溶接熱影響部（HAZ）では熱サイクルや組織粗大化により機械的特性が変化することがあるが、4046は析出硬化型合金ではないため、HAZ軟化は比較的軽微である。ただし冷間加工された母材は溶接熱により部分的に焼なまされる可能性がある。高温構造用途にはクリープ耐性や高温強度に最適化された他の合金の選定が望ましい。

用途例

業界	代表部品	4046の採用理由
自動車	車体、サブフレーム用溶接フィラー	優れた溶接性と流動性、熱割れ低減
海洋	HVAC・熱交換器のろう付け接合部	ろう付けに適した良好な流動性と許容される耐食性
航空宇宙	非重要な継手部・フィラー材	優れた接合強度とアルミ組立材との適合性
電子機器	熱交換器フィンやろう付け接合部	良好な熱伝導性とろう付け性

4046は溶融時の流動性や接合強度が重要視されるろう付けやAl-Mg、Al-Si系の溶接フィラー材として多用される。高強度一次構造材としてはあまり選択されないが、接合・修理加工分野では溶接品質向上や割れ低減の観点から非常に重要な素材である。

選定上のポイント

溶接やろう付け用にシリコン含有の高いアルミ合金が必要で、特に溶融流動性が優れ、凝固割れが少ない材質を選ぶ場合は4046が適している。良好なビードの濡れ性と流動性が求められ、過度な硬さが望ましくない用途に最適である。

純アルミニウム（例：1100）と比較すると、電気・熱伝導率と成形性は若干落ちるが、強度と溶接・フィラー性能は大きく向上する。3003や5052などの加工硬化合金と比較すると、耐食性は同等である一方、溶融流動性と接合性が改善されている。ただし硬調質状態ではこれらより延性は劣る。6061や6063などの熱処理型合金と比較すると最高強度は達成できないが、溶接性、熱割れ低減性、ろう付け適合性が最重要の場合に優先される。

まとめ

合金4046は、シリコン含有量が高いため優れた溶湯流動性、溶接およびろう付け性能、信頼性の高い接合形成を提供し、輸送機器、HVAC、電子機器産業において標準的な充填材および加工用合金として実用的なアルミニウム合金であり続けています。設計者や加工業者は、ピーク硬化能力よりも堅牢な接合特性と適度な強度、そして許容される耐食性を重視する場合に4046を指定します。