アルミニウム4047：組成、特性、硬質状態ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 4047は4xxxシリーズのアルミニウム合金に属し、このシリーズは主成分としてシリコンを含むことが特徴です。4xxxシリーズは伝統的に充填材や溶接、ろう付けに使用され、シリコンによって流動性が向上し、溶融範囲が狭まる用途に適しています。4047は比較的高いシリコン含有量（通常は二桁パーセント台）を持ち、鉄、銅、マンガン、チタンなどの微量元素が少量含まれています。この組成は4047を析出硬化による強化が一般的でないAl-Si合金のクラスに位置づけています。
4047の主な強化機構は時効硬化によるものではなく、性質はミクロ構造（シリコン粒子の分布）、鋳造・押出組織、そして冷間加工により制御されます。焼なまし状態では比較的軟らかく高い成形性を有し、冷間加工（H硬さ状態）によって延性を犠牲にして強度を上げることが可能です。主要な特性は優れた流動性と溶接やろう付け時の熱割れの低減、Al-Si合金に典型的な良好な耐食性、そして高強度Al合金に比べて適度な加工性です。
4047を使用する代表的な業界は、自動車（接合用充填材や鋳造部品）、HVACおよび冷蔵（熱交換器とろう付け）、建築および窓枠（溶接またはろう付けされたフレーム）、電子機器（はんだ付け可能な接続部や一部の包装材）などです。溶融範囲の低さ、高流動性の充填材、または熱割れ防止やろう付け作業時の充填材流動性の向上を必要とする場合によく採用されます。設計者は最大の構造強度よりも溶接適合性、ろう付け性能、あるいは充填材特有の特性が重視される用途で4047を選択します。
硬さ状態バリエーション
| 硬さ状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし状態；成形およびろう付け用充填材として最適 |
| H14 | 中 | 低～中程度 | 普通 | 優秀 | 半硬化状態まで応力硬化され、剛性が向上 |
| H18 | 中～高 | 低 | 限定的 | 非常に良好 | 完全硬化まで応力硬化され、最大の冷間加工強度 |
| H32 | 中 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 応力硬化および安定化処理；強度と延性のバランス型 |
| F | 可変 | 可変 | 可変 | 優秀 | 製造時または鋳造状態；性質は加工に依存 |
| ER4047 (充填材) | 流動性重視、強度は高くない | 該当なし | 該当なし | 優秀 | 溶接・ろう付け用のワイヤー／棒材として販売 |
4047は時効硬化しない合金であるため、硬さ状態によって機械的性質が大きく変わります。主に応力硬化と微細構造制御によって制御されます。焼なまし（O）材は最高の延性・成形性を示し、成形やろう付け充填材に最適です。一方、H硬さ状態では冷間加工によって降伏強さや引張強さが向上する代わりに伸びが低下します。
実際には硬さ状態の選択は、各製造工程において成形性と強度のトレードオフとなります。溶接後の成形が必要な組立品にはO硬さがよく選ばれ、非熱処理の構造部品で剛性向上が求められる場合はH14やH18が指定されることがあります。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 11.0–13.5 | 主成分；溶融範囲を低減し流動性を向上 |
| Fe | ≤ 0.95 | 一般的不純物；靭性に影響を与える金属間化合物を形成 |
| Mn | ≤ 0.20 | 微量添加；結晶粒を細かくし微細構造を安定化 |
| Mg | ≤ 0.05 | ほぼ含まれない；析出硬化による強化効果は小さい |
| Cu | ≤ 0.30 | 微量で強度を多少向上させるが耐食性は低下 |
| Zn | ≤ 0.10 | 微量不純物；強化目的の添加ではない |
| Cr | ≤ 0.05 | 微量元素；鋳造時の結晶成長抑制作用がある |
| Ti | ≤ 0.10 | 鋳造・押出材料の結晶粒微細化剤 |
| その他（各） | ≤ 0.05 | 残留元素；合計で0.15以下 |
高いシリコン量がこの合金の性能領域を規定します。シリコンは分散二相（共晶および一次シリコン）を形成し、鋳造の微細構造、流動性、凝固特性を支配します。鉄や他の残留成分は金属間化合物を作り、制御が不十分な場合は疲労負荷や加工時に割れの起点になる可能性があります。マグネシウムと銅の含有が低いため、4047は析出強化の効果はほとんどなく、設計者は冷間加工および微細構造制御によって機械的特性を調整します。
機械的性質
4047の引張挙動はシリコンの形態や冷間加工度に左右され、従来の析出強化によるものではありません。焼なまし状態では降伏強さと引張強さは中程度で、伸びは比較的高く、成形作業や溶接接合の充填材として使いやすい性質です。冷間加工は降伏強さと引張強さを大幅に向上させる一方、延性は低下します。最も高い実用強度は、充填材内部のシリコン粒子相互作用と変形硬化が支配する完全冷間加工硬化硬度帯で得られます。
焼なまし4047の降伏強さは熱処理可能合金に比べて低いですが、延性条件下での破壊靭性は多くの接合や非構造用途には十分です。硬さは硬さ状態に密接に連動し、焼なまし材は軟らかく（低ブリネル硬さ/HV）、H硬さ状態は冷間加工度に応じて大幅な硬さ向上を示します。疲労性能は中程度で、疲労寿命は表面状態、シリコン粒子分布、鋳造欠陥や金属間化合物クラスターに敏感です。
板厚や断面形状も強度値に影響し、薄板のO硬さ状態は見かけの延性が高く絶対強度は低めですが、より厚い鋳造または押出材には一次シリコン粒子や孔隙が含まれ、延性や疲労寿命を低下させることがあります。溶接およびろう付け工程では通常ER4047充填材を使用し、良好な靭性と熱割れ低減特性を持つ接合が得られますが、H部（熱影響部）の局所微細構造は繰返しまたは高応力用途では考慮が必要です。
| 特性 | O／焼なまし | 代表硬さ状態（例：H14/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約60–110 MPa | 約120–170 MPa | 冷間加工度や断面によって変化；広い範囲の工学値を示す |
| 降伏強さ | 約25–50 MPa | 約90–140 MPa | 応力硬化硬さ状態で顕著に上昇 |
| 伸び | 約10–25％ | 約2–8％ | 硬さ上昇で延性低下；成形にはO硬さが最適 |
| 硬さ | 約20–35 HB | 約35–70 HB | 冷間加工度およびシリコン分散により硬度が変動 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.67 g/cm³ | Al-Si合金の典型値；多くの鉄系材料よりわずかに軽い |
| 溶融範囲 | 固相線 約555–565 °C；液相線 約615–625 °C | 純アルミより広い凝固範囲をシリコンがもたらす |
| 熱伝導率 | 約120–160 W/m·K | 純アルミより低いが、シリコンや金属間化合物の影響；硬さ状態による変動あり |
| 電気伝導率 | 約30％ IACS（約17–18 MS/m） | 合金化により純アルミに比べて低下 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 室温でアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張係数 | 約21–24 µm/m·K | 他のアルミ合金と類似；シリコン含有量により若干の変動あり |
4047の密度と比熱は他のアルミ合金に近く、重量や熱容量が設計上重要な場合に有利です。熱伝導率は純アルミより低いものの、多くの構造金属よりは高く、低溶融範囲の充填材を必要とする熱伝達用途に適しています。
溶融・凝固挙動はこの合金の特性を決定付けています。高シリコン含有による溶融範囲の低下と流動性の向上が、ろう付けや修理工程で活用されます。電気伝導率は商業的純アルミより低いものの、良好な接合性能と共に中程度の伝導性が求められる用途には十分です。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3〜6.0 mm | O調質は低強度；H系調質あり | O, H14, H32 | ろう付け材料や軽加工向けに広く使用される |
| プレート | 6 mm超 | 加工履歴と断面サイズにより強度が変わる | O, F | 厚板は鋳造品において一次シリコンや気孔が生じることがある |
| 押出材 | 数メートルまでの形状材 | 押出し・時効履歴によって強度が影響を受ける | O, H32, H14 | 複雑な形状や充填材の適合性が必要な場合に使用される |
| チューブ | 外径6 mm〜200 mm | シートに類似；肉厚が特性に影響 | O, H18 | 成形・曲げ加工のためにアニーリング状態で供給されることが多い |
| バー／ロッド | 直径1〜25 mm | 充填ワイヤやロッドとして販売されることが多い | F, O, ER4047 | 溶接・ろう付け用ワイヤ（ER4047）として一般的で、流動性を制御するためにシリコン含有量が管理されている |
形状は微細構造に影響し、それが機械的特性に反映されます。鋳造品は一次シリコン相や圧延シートや押出材には存在しない金属間化合物を含むことがあります。シートおよび押出材はより均質で、H調質の加工硬化によって強度を高めることが可能です。充填ワイヤ・ロッド形状（ER4047）は化学組成と溶融挙動の安定を確保するために特殊処理されています。
製品形状の選択は、成形性の要件、板厚（冷却やシリコン偏析に影響）、構造用途か充填材かによって異なります。曲げ加工、打抜き、溶接などの製造工程では、欠陥を最小限に抑えるために推奨される開始調質や厚みがあります。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 4047 | 米国 | Aluminum Associationの指定で、充填材および圧延素材によく用いられる |
| EN AW | 4047 | ヨーロッパ | 圧延品や充填材を示すEN AW-4047として参照されることが多い |
| JIS | A4047 / A4047S | 日本 | ろう付け・溶接消耗材としてJISの充填材・ワイヤ指定が存在する |
| GB/T | 4047 | 中国 | 中国規格でも類似の合金分類と典型的な化学組成を提供している |
規格間の差異は通常微細で、指定された不純物限度、ロット間変動許容、形状別の処理要件によります。溶接・ろう付け用消耗材は、地域規格によりシリコン範囲や残留物の管理が異なり、流動性や気孔率を最適化しています。地域間の鋼種を代替する際は、化学成分限界、機械的要求、認証などの仕様書を必ず確認してください。
耐食性
4047は大気環境下で一般的に良好な耐食性を示します。これは保護性のある酸化アルミニウム層と、ピッティングを著しく促進しないシリコンの存在によるものです。中程度の屋外環境での性能は良好で、一般的なMgやCuを多量に含まないアルミニウム合金に似た陽極特性を持ちます。金属間化合物の集積や鋳造時の孔隙部位で局所的腐食が発生することがありますが、銅含有量の多い合金ほど顕著ではありません。
海水環境での挙動は多くの用途で許容範囲ですが、海洋グレードの5xxx系（マグネシウム含有）合金ほど耐久性は高くありません。浸漬やしぶき帯の用途では、犠牲防食、コーティング、または長期海水曝露が予想される場合は別合金の検討が推奨されます。ガルバニック作用は典型的なアルミニウムの特性に従い、より高貴な金属（ステンレス鋼、銅）と接触すると、電気的に絶縁されていない限りアルミニウムが優先的に腐食します。
シリコン含有量が高く非熱処理型の4047は、高強度Al-Zn-Mg合金に比べ応力腐食割れの感受性が低いです。しかし、溶接・冷間加工・表面欠陥由来の残留応力は、引張および腐食環境下での長期性能に影響を与えます。一般的な合金群と比較すると、4047は優れた溶接性・ろう付け性を持ちますが、特に塩素環境下では特殊に調整された海洋合金に比べややピッティング耐性が劣ります。
加工性
溶接性
4047は、高いシリコン含有により融点が低く流動性が向上するため、ER4047として充填合金に広く用いられています。これにより多くのアルミニウム母材の高温割れ傾向が抑えられます。特に6xxx系母材の溶接充填材として適しており、シリコンリッチな充填材が固溶体割れを軽減します。一般的な溶接方法は、ER4047ワイヤを用いたTIGおよびMIG/GMAW、ならびに制御された溶融範囲が必要なろう付け・はんだ付けです。過度なシリコン偏析や不適切な継手設計は、脆性相や気孔を引き起こすため、適切な継手準備と溶接速度管理が重要です。
切削性
4047の切削性は中程度で、硬質のシリコン粒子が純アルミニウムに比べ工具摩耗を増加させますが、一部の軟合金よりは切屑分断性が良好です。高速・高送り加工には超硬工具および鋭い刃形状が推奨されます。切削速度は鉄系材料より高く設定可能ですが、圧延アルミニウムの高速加工ほどではありません。クーラント使用や切屑排出を適正に管理し、ビルドアップエッジや表面の加工硬化を防止してください。鋳造品や一次シリコンが粗大な押出材はより研磨性が高く、工具交換頻度が増えます。
成形性
成形性はアニーリング（O調質）状態で非常に良好で、シートや薄肉部材の曲げや深絞りがしやすいです。最小曲げ半径は調質および厚さに依存し、O調質では一般的に材料厚さの2〜3倍が目安ですが、H調質ではより大きな半径が必要で、急曲げでは割れが生じることがあります。冷間成形により材料が加工硬化するため、複数工程には中間アニーリングが行われます。高度な成形が必要な場合はO調質を選定し、シリコン粒子周辺の表面割れ防止には工具半径や潤滑の管理が重要です。
熱処理特性
4047は従来の溶体化・時効処理によって著しい析出硬化を得られない非熱処理型合金に分類されます。T6タイプの熱処理を試みてもMgやCuの含有量が不足しているため強化効果はほとんどありません。溶体化処理や人工時効は微細構造の均質化や鋳造偏析緩和にとどまり、機械的特性の大幅な変化はありません。
アニーリングが主な熱処理方法であり、全軟化処理は使用部位・仕様により350〜420 °Cの加熱後、制御冷却して延性回復・加工硬化の軟化を行います。H32などの安定化処理は自然時効を抑え、強度と延性のバランスを制御するために用いられます。充填材・溶接用途では、溶接時の熱入力コントロールが後熱処理より重要であり、合金特性は主に微細構造と加工硬化に依存します。
高温特性
4047は他のアルミニウム合金同様、高温では強度が徐々に低下します。特に150〜200 °C以上で降伏強さおよび引張強さの著しい低下が見られます。クリープ耐性は特殊な高温合金に比べ限定的であり、高応力下での高温連続使用は推奨されません。酸化は酸化アルミニウム被膜によって抑制されますが、酸化性雰囲気に長時間曝露すると表面外観や接合部の信頼性が劣化する可能性があります。
溶接組立体における熱影響部は、析出硬化がないため一般に安定ですが、長時間の熱曝露で軟化と微細構造の粗大化が起こり得ます。ろう付けや低温接合プロセスでは良好に機能しますが、合金の溶融温度域に近い運用や、シリコン豊富な相に起因する粒界粗大化・脆化を引き起こす繰返し熱サイクルを避けるべきです。
用途
| 業界 | 代表的な部品 | 4047が使用される理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ろう付け熱交換器、車体部品の溶接用フィラー | 優れたフィラーの流動性とホットクラック低減による接合作業の安定化 |
| 空調・冷凍 | 蒸発器および凝縮器（ろう付け） | 低融点範囲と優れた流動性によりろう付け接合の製造に適合 |
| 建築・建具 | 溶接窓枠およびドア枠 | 優れた溶接性と耐食性により組立品に適合 |
| 電子機器 | はんだ接合部、一部のヒートスプレッダー部品 | 良好な熱伝導性とフィラー特性による接合性向上 |
| 一般製造 | アルミニウム修理・製作用フィラーワイヤー/ロッド | ER4047が広く利用され、溶融挙動が予測可能なフィラーとして信頼性が高い |
4047は、接合品質とフィラー挙動が優先される用途で特に価値があります。本合金は高シリコン含有、良好な流動性、ホットクラック耐性の低さが特徴であり、熱交換器メーカーやろう付け組立、生産修理・溶接工場で安定したフィラー性能を求められる場面で定番の選択肢です。熱処理可能合金に比べ構造用合金としての使用は限定的であり、多材料組立における補完的な役割を果たします。
選定のポイント
ピークの構造的強度よりも、接合やろう付けの性能および流動性が重視される場合に4047を選択してください。6xxx系基材と溶接する際のホットクラック低減用フィラーとして、またシリコンリッチなフィラーが接合品質向上に寄与する場合の標準的な選択肢です。
純アルミニウム（例えば1100）と比較すると、4047は電気伝導率や基本的な成形性を多少犠牲にしている一方で、溶融時の流動性とろう付け・溶接用フィラーの特性に優れています。3003や5052などの加工硬化合金と比較すると、構造強度は同等かやや劣りますが、溶接・ろう付け適性が向上しておりホットクラックの発生が少ないのが特徴です。6061や6063などの一般的な熱処理合金に比べるとピーク強度には及びませんが、低融点フィラーまたはシリコンリッチ合金を用いることで接合部の完全性と流動性を確保したい場合に優先されます。
まとめ
アルミニウム4047は、シリコン含有による流動性向上とホットクラック抑制が重要なフィラーおよびろう付け材料として特化されたアルミニウム-シリコン合金として今なお有効です。熱処理不能な性質から、高強度構造用よりも接合・修理、および特定の圧延形材や鋳造品向けに使用され、多くの製造接合課題に対し実用的かつ広く入手可能なソリューションを提供しています。