アルミニウム 4048：成分、特性、硬さ状態ガイド＆用途
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総合概要
Alloy 4048は、4xxx系アルミニウム合金の一種で、主成分としてシリコンを多く含むシリコンリッチ合金です。この合金は、溶接用フィラー、ろう付け、および流動性、低融点、耐摩耗性が求められる特定の押出成形品に使用される他のAl-Si合金とともに分類されることが一般的です。
4048の主要合金元素は、シリコン（Si）が一桁台後半から二桁台前半の百分率で含まれ、少量のマンガン、マグネシウム、銅、および鋳造性や機械的特性を調整する微量元素が加えられています。シリコンが支配的な合金元素であるため、強化は主に熱処理ではなく、微細構造の制御、固溶強化効果、そして加工硬化（軟鋼形状の場合）に依存します。6xxx系や7xxx系に比べ、時効硬化（析出硬化）は限定的です。
4048の主な特長は、優れた流動性と低い融点範囲（フィラーおよびろう付けに有用）、多くの大気・工業環境における良好な耐食性、適切なフィラー合金との組み合わせにより実現される合理的な溶接性、そして軟らかい状態での適度な成形性です。主な用途としては、自動車用溶接フィラーおよびクラッド層、ろう付け合金、特定の押出部品、およびシリコンリッチ表面やろう付けに適した化学組成が求められる用途が挙げられます。
エンジニアは、溶接プールの流動性向上やホットクラックの低減、ろう付けや接合のためのシリコンリッチ表面付与を目的として4048を選択します。最大強度よりも流動性、Al-Siフィラーとの適合性、または耐摩耗性の向上が必要な場合、強度の高い熱処理可能合金よりも4048が優先されます。
硬質状態の種類
| 硬質状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 成形およびろう付け用の完全焼なまし状態 |
| H12 / H14 | 中 | 中程度 | 良好 | 良好 | 軽度から中程度の加工硬化；押出成形で一般的 |
| H18 / H22 | 高 | 低 | 可 | 可 | 高い加工硬化、さらなる強度が必要な場合に適用 |
| T4（使用される場合） | 中 | 中程度 | 良好 | 良好 | 固溶化後の自然時効；4xxx系では効果限定的 |
| T6（希少） | 限られた向上 | 中程度 | 中程度 | 中程度 | 人工時効は限定的な効果；主要な強化方法ではない |
硬質状態は4048の延性、強度、成形性に大きな影響を与えます。軟らかいO硬質は伸びと冷間成形性を最大化し、加工硬化によるH硬質は降伏強さおよび引張強さを高める一方で伸びと曲げ加工性を犠牲にします。
4048は主に熱処理非対応合金であるため、T硬質状態は6xxx系合金に比べて変化は控えめであり、実際の特性調整は通常、機械的変形および焼きなましのサイクルにより行われ、従来の固溶処理および時効処理はあまり用いられません。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 8.0 – 12.0 | 主な合金元素。融点範囲、流動性、耐摩耗性を制御。高Si含有は融点低下とろう付け特性向上に寄与 |
| Fe | 0.3 – 1.0 | 不純元素。鉄リッチ介在物を形成し、延性や加工性に影響を与える |
| Mn | 0.1 – 0.8 | 少量添加で結晶粒精製、強度・耐食性のわずかな向上 |
| Mg | 0.05 – 0.6 | 強度や析出挙動に影響。過剰Mgはシリコン共晶の改質作用を低減する |
| Cu | 0.05 – 0.5 | 少量で強度増加や耐食性低下をもたらす可能性。ホットクラック感受性を抑制するため管理が必要 |
| Zn | ≤ 0.2 | 低濃度に管理。4xxx系合金では役割が限定的 |
| Cr | ≤ 0.1 | 微量添加で粒子構造制御や再結晶抑制 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造品や押出品における粒子微細化剤として用いられる |
| その他（Sn, B, Ni等含む） | 合計0.15まで | 望ましくない介在物形成を避けるために残留元素や微量元素は低濃度に維持 |
4048の化学組成は特性を決定付けます。シリコンは共晶特性を制御し、固相点および液相点を低下させて溶接やろう付けの流動性を高めます。マンガンおよび微量の遷移元素は微細構造を精製し、局所腐食に対する耐性を向上させます。マグネシウムや銅は強度調整に使用されますが、有害相の形成を避けるために控えめに添加されます。
機械的性質
引張特性において4048は、焼なまし状態で中程度の引張強さと良好な延性を示します。冷間加工（H硬質状態）により引張強さおよび降伏強さは大幅に向上するものの、伸びは低下します。硬さも同様の傾向を示し、焼なまし材料は比較的軟らかく成形しやすいのに対し、加工硬化状態ではブリネル硬さやビッカース硬さの値が増加します。
4048の疲労特性は典型的なAl-Si合金の特性を示します。疲労強度は冷間加工および表面粗さの低減により向上しますが、シリコンリッチ相および金属間化合物粒子は亀裂の発生源となることがあります。板厚は機械的特性と成形性に強く影響し、薄板は引きや曲げ加工が容易で加工硬化も均一に進みますが、厚板では鋳造状態の金属間化合物が多く残存して剛性が高い一方、延性は低下しやすくなります。
設計にあたっては、静的強度は特定の硬質状態と製品形状の実測データに基づき、疲労や環境影響に対しては適切な安全率を設けるべきです。溶接やろう付け加工では熱投入量やフィラーの適合性によって局所的に軟化または脆化が生じるため、重要部品では後処理後の機械試験が推奨されます。
| 特性 | O／焼なまし | 代表硬質（H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 80 – 130 MPa | 160 – 260 MPa | 板厚、加工方法、加工硬化度合いにより範囲が変動 |
| 降伏強さ | 30 – 70 MPa | 110 – 200 MPa | H硬質で降伏強さが著しく上昇 |
| 伸び | 18 – 30 % | 6 – 18 % | 焼なまし状態は高い延性を持つが、冷間加工で伸びが減少 |
| 硬さ（HB） | 20 – 35 HB | 45 – 90 HB | 硬さは硬質状態と加工硬化度に比例 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 – 2.72 g/cm3 | アルミニウム-シリコン合金として典型的。Si含有量にわずかに依存 |
| 融点範囲 | 約565 – 620 °C | シリコンリッチ組成により純アルミに比べて固相点・液相点が低下 |
| 熱伝導率 | 110 – 140 W/m·K | 純アルミに比べ低いが、熱管理用途には十分良好 |
| 電気伝導率 | 約28 – 40 % IACS | 合金化により純アルミより低下。シリコン量が増えるほど伝導率低下傾向 |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K | 周囲温度での一般的なアルミニウムの比熱 |
| 熱膨張率 | 22 – 24 µm/m·K（20–100 °C） | 他のアルミ合金に近い値。シリコン含有で熱膨張率はやや低減 |
物理特性はシリコンリッチ組成により特徴付けられます。融点範囲の低下と優れた熱伝導率により、ろう付けや熱用途に適しています。一方、電気伝導率は1xxx系合金より低いため、電気的または熱的経路設計時には考慮が必要です。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3 – 6.0 mm | 冷間加工に反応しやすく、薄板は成形性良好 | O、H14 | クラッド板やろう付け用シート、熱交換フィンによく使用 |
| プレート | 6 – 50+ mm | 厚板は鋳造時の金属間化合物含有量が高くなる傾向 | O、H22 | 質量や耐摩耗性が求められる用途に適用 |
| 押出材 | 数メートルまでの断面形状 | 加工硬化と押出ひずみによって強度を制御 | O、H12/H14 | シリコン強化表面を活かした複雑な断面形状に適合 |
| チューブ | 0.5 – 10 mm厚の壁厚 | 形状が冷間加工応答や破裂強度に影響 | O、H18 | 低圧流体システムやろう付け組立に用いられる |
| バー・ロッド | 3 – 100 mm | 通常、加工や引抜き用に軟らかい硬さで供給 | O、H14 | 直材は加工や二次成形に適する |
様々な製品形状は、4048のシリコンによる特性を活かすために加工されます。薄板はろう付けや熱伝達面に、押出材は複雑断面に、バー・ロッドは機械加工向けに使われます。押出温度、冷却速度、押出後の冷間加工などの加工条件が最終的な機械的特性や微細構造に大きく影響します。
等価鋼種・合金
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 4048 | アメリカ | シリコン含有量が多い4xxx系のバリアントとして供給者文献に記載 |
| EN AW | AlSi9Cu（おおよそ） | ヨーロッパ | 1対1ではないが、Si含有は似ているもののCuやMg含有量に差異あり |
| JIS | A4048（非公式） | 日本 | 国内呼称は様々で、製造証明書で化学成分を確認推奨 |
| GB/T | 4048 | 中国 | 地域標準鋼種が存在する場合があり、国の規格で成分範囲を確認 |
地域間の等価鋼種はあくまで近似であり、4xxx系は成分範囲が広くMg、Cu、Mnのわずかな差異で特性が変わります。重要部品の交換性を判断する際は、必ず製造元の化学成分証明と機械的特性証明を確認してください。
耐腐食性
4048はAl-Si合金に典型的な良好な大気腐食耐性を示します。表面の不動態アルミナ皮膜が維持され、シリコンは表面の消極化を著しく低減しません。産業・都市環境下で良好に機能し、陽極酸化処理や保護塗装により耐用年数がさらに向上します。
海洋環境では4048の耐食性能は中程度であり、無保護の表面では特に応力が掛かる部位や隙間で塩化物による孔食が懸念されます。隙間を回避した適切な設計、塗装や陰極防食措置が海水腐食対策として有効です。長期の海水暴露が想定される場合は、純アルミのクラッド層や塗装システムが一般的に使用されます。
応力腐食割れは高強度の熱処理型合金に比べて4048の主要な破損モードではありませんが、溶接部やろう付け部に近い局所的な脆化は、微細構造の不均一性や残留応力が高い場合に発生する可能性があります。異種金属との電食も評価が必要で、4048はステンレス鋼に対して陽極性、より貴な金属に対して陰極性を示すため、絶縁材の使用や締結部品の選定が重要です。
他の合金系と比較すると、4048は高強度なCu系合金より耐食性に優れる一方、1xxx系高純度合金よりはやや劣ります。シリコン含有は表面処理やろう付けプロセスに有利に働き、組立体の耐食性能に好影響を与えます。
加工性
溶接性
4048は高いシリコン含有により、溶融池の流動性が向上し、割れ発生を低減するため、TIGやMIGの充填材として広く使われます。母材として使用する場合は、GTAW/GMAWでマッチドワイヤやER4043系の充填材を用い、シリコンの混入を制御して機械的特性を調節します。熱影響部の軟化や微細構造変化は母材の硬さや熱入力に依存するため、重要接合部ではパス間温度管理や予熱・後熱処理が推奨されます。
機械加工性
4048の機械加工性は中程度で、シリコン含有合金は砥粒性が強く断続性の切りくずとなり、純アルミニウムより工具に対して厳しくなります。TiNやTiAlNなどのコーティング付き超硬工具を用い、剛性の高い加工体制で中～高切削速度、充分な冷却液使用が最適です。切りくずコントロールや控えめな送り速度で工具摩耗を抑えます。表面仕上げは硬さ状態とシリコン粒子の分布に影響されます。
成形性
成形性は焼なまし（O）硬さで最も良好で、小半径曲げや深絞りが可能です。H硬さのような冷間加工硬化が増すほど曲げ半径を大きくし、段階的成形を導入しないと割れが生じやすくなります。高度な成形作業では中間焼なましを挟み靭性を回復させることが一般的で、設計者は板厚と硬さに応じた最小曲げ半径を念頭に置く必要があります。
熱処理特性
4xxx系合金である4048は、一般的な時効硬化型の熱処理がほとんど効果を示しません。固溶処理および人工時効による強度向上は限定的で、シリコンは6xxx系や7xxx系で強化相を析出させる元素ではないためです。T6様の処理を試みても効果は微小で、コスト対効果は低いことが多いです。
強度向上の主な手段は加工硬化であり、冷間加工（H硬さ）により降伏強さおよび引張強さが上がる代わりに延性が低下します。靭性回復や残留応力除去には焼なましが用いられ、典型的な焼なましサイクルは鋳造温度より若干低い温度で実施され、粗大な結晶粒化や表面粗さの悪化を防ぎます。ろう付けや充填材使用では、全面的な固溶処理の代わりに局所加熱と制御冷却が行われます。
高温特性
4048は温度上昇に伴い強度が徐々に低下し、約150～200 °C以上では顕著な減少が見られます。300 °C前後またはそれ以上の使用温度では機械特性と寸法安定性が大幅に劣化します。高温での酸化は主にアルミナの成膜に限定され、典型的な使用環境で厚い酸化膜（スケール）はまれですが、長期高温使用では考慮が必要です。
溶接熱影響部は局所的な軟化や脆化を引き起こす場合があり、高温曝露はシリコン分布の拡散変化を加速し、脆い金属間化合物粒子の粗大化も進行します。高温安定性が求められる部品には、クリープ耐性に特化した合金の選択が推奨され、4048は適していません。
用途例
| 業界 | 例示部品 | 4048採用の理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディ・構造継ぎ目用溶接充填材 | 高Si含有により溶融池の流動性向上と割れの抑制 |
| 海洋 | ろう付け熱交換器及び継手 | 良好なろう付け性と適切な塗装による耐食性 |
| 航空宇宙 | 非主要継手、シーラント材、クラッド層 | Al-Siろう付けとの適合性と適度な強度・軽量性 |
| 電子機器 | ヒートシンクフィン及びろう付け組立体 | 熱伝導性とろう付け性が熱管理に適するため |
4048は接合・ろう付け性能や溶接充填材の適合性が重要な場面で頻繁に選択されます。軟らかい硬さでの成形性と冷間加工硬化硬さでの強化性能のバランスにより、純アルミと高強度熱処理合金の間で独自のニッチを形成しています。
選定のポイント
溶接・ろう付けの流動性向上やホットクラック耐性、良好な耐食性を重視し、ピーク時効強度を求めない場合に4048を選択してください。特にシリコンを多く含む表面処理やろう付け化学組成が必要な用途、充填材やクラッド材に効果的です。
商業用純アルミ（1100）と比較すると、電気・熱伝導率や成形性の一部を犠牲にしつつ、強度向上と優れたろう付け・溶接性を獲得しています。3003や5052のような加工硬化合金と比べると延性は同等か若干劣るものの、溶接・ろう付けの流動性や多くの大気条件下での耐食性は向上しています。6061や6063のような熱処理合金と比較すると、最高強度は劣りますが接合適合性とホットクラック抑制、シリコン強化表面の特性が最大引張特性より優先される場合に推奨されます。
材料選択の際はトレードオフを考慮してください。熱処理後の高強度を求めるなら6xxx系合金、卓越した成形性や伝導性が必要な場合は1xxx系合金、接合およびろう付け性能と堅実な耐食性を求める場合は4048が実務的な選択です。
まとめ
アルミニウム4048は、シリコンによる特性—溶接・ろう付け時の流動性向上、熱割れの低減、優れた耐環境性—が求められる一方で、適度な強度と成形性も必要とされる用途で依然として有効です。フィラー材、クラッド材、特殊な圧延合金としての役割を持ち、最高の熱処理強度よりも接合性能と信頼できる耐腐食性を重視する組立てにおいて実用的なソリューションとなります。