アルミニウム413：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
アルミニウム合金413は4xxx系に属し、シリコンを主な合金元素とするシリーズです。このシリーズは、一般的に熱処理による高強度化よりも、流動性の向上、溶解温度範囲の低減、耐摩耗性の強化に重点が置かれています。
413は主にシリコンによる固溶強化効果と加工硬化によって強度が向上しており、6xxx系や7xxx系のような従来の熱処理で強化される合金ではありません。シリコン以外の典型的な合金元素としては、鋳造性、強度、機械加工性を調整するために制御された量の鉄、マンガン、微量元素が含まれています。
413の主な特長は、中程度の強度、多くの大気環境ややや過酷な環境下での良好な耐食性、優れた溶接性、柔らかい調質での適度な成形性です。これらの性質により、自動車の二次構造部品、家庭用金物、一部の船舶用部品など、信頼性の高い接合や成形を必要としつつ合理的な機械的性能を求められる分野で重宝されています。
エンジニアは、溶接性、接合時の熱挙動の予測可能性、及び加工・溶接を含む費用対効果の高い製造（成形・機械加工・溶接）を重視し、析出硬化合金に伴うコストや歪みリスクを回避したい場合に413を選択します。熱影響部の安定性とフィラー金属の適応性が高いため、溶接組立品やろう付け部品の選定理由となることが多いです。
調質の種類
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼きなまし、最大の延性で成形に適する |
| H14 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 部分的加工硬化、板材で一般的 |
| H18 | 高（冷間加工） | 低 | 劣る | 優秀 | 高い伸び防止のための強冷間加工 |
| T4* | 低〜中程度 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 従来型熱処理ではなく、特殊品種での溶体処理後の自然調質 |
| T5/T6/T651 | 通常は該当しない | 該当なし | 限定的 | 優秀 | 4xxx系には一般的に効果が薄く、機械的特性は限定的 |
| カスタムHx/Tx | 可変 | 可変 | 可変 | 優秀 | 押出やろう付け向けに多くの商用ロットで独自の調質が施される |
413は主に熱処理非対応合金であるため、調質は通常、冷間加工度合い（H番号）や成形・機械加工に適した商用調質を指します。複雑な成形にはO調質や軽度のH調質が好まれ、高度なH調質は成形性を犠牲にして伸びと剛性を向上させます。
シリコンを多く含む相が熱サイクル中に析出するため、従来のT5/T6型の人工時効処理による強化効果は限定的です。特殊な工程（溶体化後の制御冷却や複合熱機械処理）が時折使用されますが、一般的には稀です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 4.5–6.5 | 主な合金元素。融点範囲の低減、流動性の向上、固溶強化をもたらす |
| Fe | 0.4–1.2 | 一般的な不純物。鋳造性や機械加工性に影響を与える金属間化合物を形成 |
| Mn | 0.1–0.6 | 結晶粒制御に寄与し、強度や耐食性の改善にも効果あり |
| Mg | 0.05–0.40 | 微量含有。強度や表面仕上げに影響するが、溶接性を損なわないよう低く抑えられる |
| Cu | 0.05–0.25 | 耐食性低下を避けるため制限された量。存在すれば強度向上に寄与 |
| Zn | 0.05–0.30 | 通常は低含有。過剰な亜鉛は耐食性を低下させる |
| Cr | 0.03–0.20 | 微量添加により微細組織を安定化させ、粒成長を抑制 |
| Ti | 0.01–0.15 | 鋳造および押出製品の晶粒細化剤として機械的特性を向上 |
| その他 | 0.05–0.50 | 微量元素や不純物（V、Zr、Srなど）を含み、鋳造性や組織調整に寄与 |
残部はアルミニウムで構成されており、上記の成分範囲は4xxx系の商用製錬製品かつ鋳造合金としての413の一般的な調合例です。シリコンは融点および凝固範囲の低減と耐摩耗性向上により性能の中心となります。マンガン、クロム、チタンの微量元素は粒径制御、金属間化合物の形態調整、強度・加工性改善に貢献しつつ、溶接性や耐食性の大幅な低下を避けるため調整されています。
機械的性質
引張特性として、413は焼なまし状態で適度な引張強さを示し、伸びも比較的良好です。冷間加工が進むほど延性は低下します。降伏強度はH調質で上昇し、一方で靭性や伸びは犠牲となります。加工硬化の挙動は予測可能であり、成形品や引抜部品で目標強度の達成に活用されています。
硬さは調質と相関し、O調質ではブリネルまたはビッカース硬さが低く、H14～H18調質では転位増殖により硬さが向上します。疲労性能は非重要な繰返し荷重においては十分ですが、高強度熱処理合金に比べて応力集中や表面状態の影響が大きく寿命を左右します。厚みは鋳造や押出後の冷却速度および取得できる冷間加工度に影響を与え、厚肉部は一般に粗大な微細組織のために実効強度と延性が低下します。
設計者は、応力-ひずみ曲線が滑らかで適度な加工硬化指数となり、H調質に上げるほど強度と成形性のトレードオフが明確になることを想定すべきです。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的調質（例：H14/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約120～190 MPa | 約180～260 MPa | 板厚、加工、具体的成分によって異なる |
| 降伏強さ | 約60～120 MPa | 約140～220 MPa | 冷間加工により大幅に向上 |
| 伸び | 約20～35％ | 約3～12％ | 焼なましは高延性、加工硬化が進むと伸び低下 |
| 硬さ | 約30～55 HB | 約60～95 HB | 冷間加工や合金化により硬さ向上 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.65～2.70 g/cm³ | アルミ合金として標準的で、合金元素により若干の変動あり |
| 融点範囲 | 約570～650 °C | シリコンの影響で純アルミより凝固範囲が狭くなる |
| 熱伝導率 | 120～160 W/m·K | 純アルミよりやや低いが依然として高く、放熱用途に適する |
| 電気伝導率 | 約30～45 % IACS | 合金元素のために純アルミより低いが、導体や接合用途に十分 |
| 比熱 | 約0.88～0.92 J/g·K | 熱容量計算に用いられる標準的なアルミの比熱値 |
| 熱膨張率 | 22～24 µm/m·K（20～100 °C） | 多くの鍛造合金に類似。熱サイクルや寸法管理で重要 |
物理的特性は413を汎用アルミ合金カテゴリーに位置付けます。鋼材や多くの合金に比べて軽量かつ高熱伝導率ですが、1xxx系に比べると電気伝導率は低いです。溶接やろう付け時の熱挙動は良好であり、シリコンの影響で融点範囲が狭まり、多くの接合プロセスで熱割れの発生が抑えられます。
設計者は異種材料と413部材を組み合わせる際、熱膨張率や熱伝導率の差異を考慮する必要があります。高い熱伝導率は中程度の強度を許容する放熱部品において有用です。
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 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3–6.0 mm | 均一で、加工硬化に伴い強度が変化 | O, H14, H18 | 成形パネルや溶接組立に広く使用 |
| プレート | 6–150 mm | 厚肉では生産性低下及び粗いマイクロ構造 | O, 軽度のH硬さ | 厚板は粒径制御のため特別な処理が必要な場合あり |
| 押出形材 | 数メートルまでの断面形状 | 様々な断面形状で製造可能；硬さによる強度調整 | O, Hxx | シリコンの効果で押出性良好；粒度細化が重要 |
| チューブ | 外径は小径から大径まで | 強度は肉厚および加工による | O, H14 | 構造用チューブやろう付け熱交換器ヘッダーに多用 |
| バー／ロッド | 直径最大約200 mm | 冷間伸線により強度向上 | O, H | 機械加工部品や非重要用途のファスナーに使用 |
413の用途では、シートや薄板が最も一般的な納品形態であり、プレス加工や深絞りが可能です。プレートや押出形材では熱履歴に注意が必要で、シリコン含有による凝固過程で厚肉部に粗大相（粗粒相）が形成されやすく、靭性や機械加工性に影響を及ぼすことがあります。
押出形材はシリコンの流動性の恩恵を受けますが、粒度細化（Ti、B添加）や冷却制御が求められ、均一な機械的特性を実現することが重要です。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 413 | アメリカ | 4xxx系の商用圧延品の指定；供給元により組成が異なる場合あり |
| EN AW | 直接の単一同等品なし | ヨーロッパ | 単一のEN AW指定で完全に一致するものはないが、EN AW-4043/4047系と一部の性質で類似 |
| JIS | 直接の単一同等品なし | 日本 | JIS規格には413の直接対応品は一般的に存在せず、組成による比較が必要 |
| GB/T | 直接の単一同等品なし | 中国 | 中国規格には類似の4xxx系組成品があるが、1対1同等は稀 |
413は4xxx系合金として、用途に応じて溶接用フィラー、ろう付け合金、加工用など多様に設計されているため、多くの国際規格間で完全なクロスリファレンスは存在しません。代替時には数値グレードだけに頼らず、詳細な組成表や認証済みの機械的性質表を比較してください。特にシリコンや鉄の含有量の小さな違いが溶融挙動や溶接熱影響部の性能に影響を与えます。
耐食性
413はアルミナ被膜による自然な保護と、不純物の低減により、多くの4xxx系合金と似た良好な大気中耐食性を示します。やや腐食性の強い環境でも良好な性能を発揮しますが、塩化物が多い海洋環境では局部的なピッチング腐食に注意が必要で、特により貴な金属とのガルバニックカップリングが発生すると局部腐食が促進されます。
海洋用途では腐食余裕やコーティング、犠牲陽極の使用により構造金具への適用が可能で、シリコン含有は5000系マグネシウム合金と比較して著しい耐食性低下をもたらしません。応力腐食割れ感受性は高強度の2xxxや7xxx系より低いものの、残留応力やキズがあると、サイクル荷重と腐食環境が重なる場合に局部破損を引き起こすことがあります。
ガルバニック腐食の考慮も必要です：ステンレス鋼や銅合金と接合されると、413は陽極的に作用して優先的に腐食するため、電気的に絶縁するか保護措置が必要です。1xxx/3xxx系の加工硬化合金と比較すると、413は成形性の一部を犠牲にする代わりに、溶接接合部の高温安定性や接触部の耐摩耗性が向上しています。
加工特性
溶接性
413はTIG、MIG/GMAWなどの従来の融合溶接法に対して高い溶接性を示し、良好な融通性と低ホットクラック傾向が求められる用途で選定されます。シリコンが溶融温度範囲を下げ、溶融池の流動性を高めています。母材に合わせたフィラーまたは4xxx系フィラーの使用が一般的です。銅や亜鉛の多い合金に比べホットクラックのリスクは低いですが、フィラー選定時は接合機能と耐食性を考慮してください。熱影響部（HAZ）は前加工硬化の程度により軟化することがあり、構造公差を維持するには溶接後の機械加工や応力除去処理が必要になる場合があります。
機械加工性
413の機械加工性は中程度で、多くの高シリコン鋳造合金より優れます。適切な工具と切削条件で退火および中程度のH硬さでクリーンな切削が可能です。持続的な生産には超硬工具の使用が推奨され、中程度の切削速度と正面逃げ形状で切粉制御を行います。シリコンリッチな金属間化合物が工具の摩耗を促進するため、工具材料やコーティングは工具寿命を考慮して選定してください。制御された送り速度と冷却剤使用で表面仕上げと公差は優秀です。
成形性
成形性はO硬さまたは軽度加工硬化のH硬さ条件で最良となり、加工硬化が進むと劣化します。単純な曲げなら退火シートで板厚の1～2倍の曲げ半径が可能です。複雑なプレスや深絞りには、シリコンに由来する表面ひび割れ防止のため、金型設計と潤滑管理が要求されます。冷間成形は加工硬化によって強度を高める標準的な方法で、高機械的性質を達成する手段となります。
熱処理挙動
4xxx系合金として、413は従来の析出硬化による強化ができない非熱処理強化合金です。溶体化処理や人工時効を試みても、6xxxや7xxx系ほどの強度向上は得られません。特定の熱機械的処理（固相線近辺からの制御冷却や特殊なスプレークエンチ）でわずかな強度向上は可能ですが、標準的な生産方法ではありません。
主な強度向上手段は加工硬化であり、冷間圧延、伸線、曲げにより降伏強さ・引張強さが安定して上昇します。硬さは変形量に基づいて選択されます。焼鈍処理は合金をO状態に戻し、延性と成形性を回復します。焼鈍サイクルは他のアルミニウム合金に準じますが、過度の粒成長防止のため温度と時間を管理する必要があります。
高温特性
413は約100～150 °C以上で段階的に強度が低下し、荷重支持用途の実用上の温度限界は一般的に約150 °C以下です。高温での酸化は保護性アルミナ膜によって抑制されますが、長時間の高温暴露でシリコンリッチ粒子の拡散凝集が進み、機械的性能が低下します。
溶接構造物では、熱影響部で軟化と粗大化が局所的に見られ、特に事前に冷間加工された領域で顕著です。設計者は溶接接合部強度の低下を考慮に入れて設計する必要があります。高温使用や繰返し熱曝露には、熱処理による高強度2xxx/7xxx系や高温対応アルミ合金の方が適しています。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 413が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 二次構造パネル、溶接ブラケット | 良好な溶接性、適度な強度、コスト効率の良い成形性 |
| 海洋 | ブラケット、リギング部品 | 耐食性と加工容易性；良好な熱影響部安定性 |
| 航空宇宙 | 非重要付属部品、シュラウド | 軽量構造に適した強度対重量比と溶接性 |
| 電子機器 | 放熱板、筐体 | 熱伝導性と成形性に優れ筐体向け |
| 民生用製品 | 家電パネル、フレーム | 成形性、仕上げ性、コストのバランスが良い |
413は中程度の機械的特性セットと信頼できる製造特性（溶接、成形）を求められる用途で広く指定されています。シリコンによる熱的・溶融挙動の改善と予測可能な加工硬化挙動の組合せにより、多様な非重要構造部品やエンクロージャ用途に適した汎用性の高い合金です。
設計者はその溶接性や機械加工性を活かし、析出硬化合金と比較して組立の簡素化や総製造工程数の削減に利用しています。
選定のポイント
413は溶接性と柔らかい硬さ条件での良好な成形性がピーク強度より優先される場合の合理的な選択肢です。純アルミニウム系1100と比較して、電気伝導性と成形性がやや劣る代わりに、強度と耐摩耗性が大幅に向上します。伝導性や耐食性が主目的で強度を必要としない場合は1100の使用を推奨します。
一般的な加工硬化型合金である3003や5052と比較すると、413は同一の調質条件においてやや高い強度を持ち、耐食性は同等かやや劣ります。海水に対する優れた耐食性を求める場合は5052を、導電性や接合があまり重要でない場合は優れた成形性を持つ3003を選択してください。熱処理型合金である6061や6063と比較すると、413は溶接および熱影響部（HAZ）の安定性が最高の析出強化特性よりも重視される用途に適しています。6061は最大強度で優れますが、溶接時により複雑な熱管理が必要となる場合があります。
製造工程で溶接組立、ろう付け、または広範な成形を重視し、中程度の強度でコスト効果に優れ、熱変化による変形や一部高強度合金に見られるHAZの脆化を許容しない場合には413を選択してください。
まとめ
アルミニウム413は、実用的な4xxx系合金として、良好な溶接性、焼きなまし状態での安定した成形性、中程度の機械的強度を幅広い産業用途向けにバランスよく備えています。シリコンを主成分とした融点および熱特性は、接合や加工を容易にし、適度な冷間加工により析出硬化熱処理を必要とせずに強度を調整できます。設計上のトレードオフで、製造のしやすさ、HAZの安定性、コスト効果が絶対的な最高強度よりも優先される場合、413は信頼できる材料選択肢です。