アルミニウム 4140：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
「4140」という呼称は、鋼材においてはクロム・モリブデン合金鋼として広く認識されていますが、主要規格で「AA 4140」として単一のアルミニウム合金が定義されているわけではありません。分かりやすさと技術的有用性の観点から、本記事では「アルミニウム4140」をAl‑Si系4xxx族の代表的合金として取り扱います。この合金族はシリコン含有量が高い軟鋼鋳造用合金で、充填材、ろう付け、はんだ付け、及び一部の構造用押出材に広く使われています。
アルミニウム4xxx系合金は主にシリコン（Si）を合金元素としており、Aluminum Associationの4xxxシリーズに分類されます。この合金族の主な強化機構は、シリコンによる固溶強化と冷間加工です。従来の析出硬化による強化は効果がなく、2xxx系／6xxx系／7xxx系合金に見られる意味での熱処理による強化はできません。
Al‑Si系合金の主な特性としては、優れた溶融流動性と濡れ性（これにより溶接・ろう材として好まれます）、純アルミニウムに比べて適度な静的強度、多くの環境下での良好な耐食性、そして優れた溶接性が挙げられます。加工性は焼なまし状態で良好ですが、加工硬化により低下します。加工性に関しては、シリコンの効果で短い切りくず発生が促進され、寸法安定性に優れるため、一般的に好まれます。
自動車産業（熱交換器の溶接・ろう付け）、空調設備（ラジエーター、コンデンサー）、家電製品、充填材としての導電体、および一部の航空宇宙用非主要構造物や治具などでAl‑Si（4xxx系）合金は多用されています。異種アルミ合金の接合や、優れた溶融流動性・濡れ性が求められる場合に4xxx合金が選ばれることが多く、最高峰の機械的強度と引き換えに、接合性能と製造コストの観点でバランスをとっています。
調質のバリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 加工性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし；成形やろう付けに最適 |
| H12 / H14 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 軽度の冷間加工；強度と加工性のバランス |
| H18 / H24 | 中〜高 | 低〜中程度 | 普通 | 優秀 | 加工硬化または部分焼なまし；より高い強度向け |
| H32 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 加工硬化後の安定化処理；寸法安定性が必要な用途に使用 |
| T4（適用される場合） | 低い | 高い | 優秀 | 優秀 | 一部4xxx系合金は低温処理による応力除去を実施 |
焼なまし（O）調質は最高の延性と最良の加工性を持ち、深絞り加工や大規模な冷間加工に適しています。加工硬化（H1x/H2x）調質は転位密度を増加させることで降伏強さや引張強さを向上させますが、延性が低下しバネ性が増加します。調質にかかわらず溶接性は高水準を維持しており、シリコンの効果により凝固割れの発生が抑制されています。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 4.5–12.0 | 主合金元素；融点範囲、流動性、固溶強化を制御 |
| Fe | 0.4–1.5 | 一般的な不純物；塑性低下や表面仕上げに影響する相を形成 |
| Mn | 0.05–0.6 | 粒構造調整剤；強度を適度に向上させ、ショートネスを低減 |
| Mg | 0.0–0.5 | 微量含有の場合あり；特定の化学組成でSiとともに析出を促進 |
| Cu | 0.0–0.5 | 一般に低濃度に管理；強度向上するが耐食性を低下させる場合あり |
| Zn | 0.0–0.5 | 通常低濃度；組立体のガルバニック現象に影響を与えることも |
| Cr | 0.0–0.25 | 微量添加により粒成長や再結晶を制御 |
| Ti | 0.0–0.2 | 微量添加で粒細化剤として機能 |
| その他 | 残部（Al） | B、Srなどの微量元素はシリコンの形態修正に用いられる場合あり |
シリコンはこの合金の主要元素で、含有量が増えるほど流動性が向上し、融点は低下（ろう付けや充填材として有効）しますが、過多になると硬く脆いSiリッチな中間相を形成し延性が低下します。鉄は板状または針状の中間相を形成し、加工性および表面品質を損なうため制御されています。マンガン、チタン、クロムの微量添加は鋳造直後や押出成形の微細構造を改善し、熱変動下での機械的安定性を向上させます。
機械的性質
4xxx系アルミニウム合金の引張特性は、焼なまし状態での耐力は比較的低く、引張強さは中程度です。冷間加工により耐力は大幅に向上しますが延性は低下します。焼なまし状態の伸びは通常高く（成形に適合）、破断モードは一般に延性破壊ですが、シリコンや鉄の含有量が高い場合は一部脆性相が関与することもあります。
硬さは調質とシリコン含有量に相関し、焼なまし4xxx合金は熱処理可能なアルミ合金に比べて軟らかめですが、加工硬化調質では構造用途に適した硬さが得られます。疲労性能は6xxx系や7xxx系のピーク性能より劣る傾向があり、疲労寿命は表面仕上げ、溶接熱影響部、及び中間相粒子の大きさ・分布に敏感です。
板厚も大きく影響し、薄板は深絞りやろう付けに好適ですが、厚板や押出材は製造時の剛性が高い反面、微細構造が粗く靭性が低下することがあります。これらの合金は析出硬化しないため、溶接熱影響部の軟化は通常重大な問題にはなりません。
| 特性 | O／焼なまし | 主要調質（H14/H24） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 80–150 MPa | 150–260 MPa | 幅広い範囲はシリコン含有量と冷間加工度の違い；H調質でUTSが向上 |
| 降伏強さ | 30–90 MPa | 110–200 MPa | 加工硬化により降伏強さが大幅に向上 |
| 伸び | 20–35％ | 6–18％ | 焼なまし状態が最良の成形伸び |
| 硬さ（HB） | 25–60 HB | 60–100 HB | 硬さはシリコン含有量と冷間加工度に依存 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 g/cm³ | Al‑Si軟鋼系合金の典型値；鋼材より軽量 |
| 融点範囲 | 577–660 °C | 共晶Al‑Si系により、Si濃度が高いほど液相温度は低下；Si％によって変動 |
| 熱伝導率 | 110–150 W/m·K | 純アルミより低いが熱移動用途には十分良好 |
| 電気伝導率 | 30–45 % IACS | シリコン含有および他の固溶体により純アルミより低下 |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K（900 J/kg·K） | 室温でのアルミ合金の典型値 |
| 熱膨張係数 | 23–25 µm/m·K | 他のアルミ合金と同程度；接合された組立体で重要な特性 |
比較的高い熱伝導率と中程度の密度により、Al‑Si合金は熱交換器や自動車用ラジエーターのように熱伝導性と軽量化が求められる用途に有効です。純アルミニウム系より電気伝導率は低いため主導体としての用途は限定されますが、電気性能が二次的な構造部品や接合用材料には十分使用可能です。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚み/サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材 | 0.3–6.0 mm | O状態で良好、加工硬化可能 | O, H14, H24 | ろう付け、クラッド、熱交換器フィンに広く使用 |
| プレート | 6–50 mm | 厚みがあると靭性低下、粗大な微細組織 | O, H32 | あまり一般的でないが、溶接性が重要な構造部品に使用 |
| 押出材 | 数メートルの形状断面 | 寸法安定性良好、加工による強化 | O, H14, H18 | シリコンが押出中の流動性を助ける；建築用断面材に利用 |
| チューブ | Ø 6–200 mm | 均一な肉厚、良好な溶接性 | O, H24 | 凝縮器や熱交換器のチューブに一般的 |
| 棒材/丸棒 | Ø 3–50 mm | 良好な加工性 | O, H14 | 溶接・ろう付け用のフィラーワイヤや棒材としてよく供給される |
Al‑Si合金から製造された板材やチューブは、最大静的強度ではなく、接合性や熱伝導性向上のために最適化されています。押出材はシリコンの流動性改善効果を享受し、複雑な断面形状が可能です。棒材や丸棒は、主に溶融特性が要求されるフィラーワイヤの原材料として用いられます。
相当等級
| 規格 | 等級 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | — (AA‑4140はなし) | アメリカ | 4140は標準化されたAAアルミニウム等級ではない；一般的なAl‑SiフィラーにはAA‑4043/4047を使用 |
| EN AW | EN AW‑4043 / EN AW‑4047 | ヨーロッパ | 一般的なシリコン含有のフィラー／ろう付け合金；EN AW表記はAlSi5およびAlSi12系に対応 |
| JIS | A4043 | 日本 | 日本で広く使われる溶接用フィラー、AlSi5に相当 |
| GB/T | AlSi5 / AlSi12 | 中国 | 溶接／ろう付け用シリコン豊富なフィラー合金の国家規格 |
「4140」はアルミニウム協会の正式な指定ではないため、エンジニアは通常、Si含有量と不純物制限が定められた標準化されたAlSi合金（例：AA‑4043やEN AW‑4047）を選択します。規格間の違いは主に不純物制限（Fe、Cu）および許容される微量元素の厳しさにあり、これが靭性、濡れ性、最終部品の表面仕上げに影響します。
耐食性
Al‑Si合金はアルミニウムのネイティブ酸化皮膜により、一般的に大気中で良好な耐食性を示します。農村部や産業環境では良好に機能しますが、Feリッチ相などの金属間化合物粒子が集中する部位では局所腐食が起こりやすく、塩化物の影響下でピッティングを誘発する微小ガルバニックカップルが形成されます。
海洋環境ではAl‑Si合金の耐食性は中程度ですが、長期の海水曝露においてはAl‑Mg 5xxx系合金より劣ります。ピッティングや隙間腐食の抑制には、陽極酸化、樹脂塗装、犠牲陽極保護などの対策がよく用いられます。
応力腐食割れ（SCC）に関しては、Al‑Si合金は7xxx系（Al‑Zn）や2xxx系（Al‑Cu）などの高強度系に比べて比較的感受性が低いですが、腐食環境が厳しく持続的な引張応力がかかる場合には局所的なSCCが懸念されます。ガルバニック作用は慎重に配慮すべきで、Al‑Si合金がステンレス鋼や銅合金と接触すると、それらに比べて陽極として優先的に腐食する場合がありますので、電気的に絶縁するなどの対策が必要です。
加工特性
溶接性
Al‑Si（4xxx）合金はアルミニウム系の中で最も溶接しやすいファミリーの一つです。シリコンは凝固範囲を狭め、ホットクラック発生を低減するため、TIGやMIG溶接のフィラー合金（例えば4043、4047）として優れています。アルミ製品の接合では、母材の化学組成に適合したAl‑Si系フィラーワイヤを選択し、濡れ性を最適化しクラックを最小化します。予熱管理と溶接速度のコントロールで多孔質を抑制します。これらの合金は時効硬化型でないため、熱影響部の軟化はさほど問題になりません。
加工性
Al‑Si合金の加工性は良好で、シリコンによって短く脆い切りくずが形成されます。正コーナー形状の超硬工具と高速切削が推奨されます。ビルドアップエッジを避けるため適切な送り速度や切削速度を選び、冷却剤やエアブラストで切りくず除去と表面仕上げを管理します。Si含有量が高いと工具摩耗が増すため、耐摩耗性の高い工具材料を選択します。
成形性
成形加工は伸びや曲げ性が最大となる焼なまし（O）状態が最適です。板厚に対し1〜2倍の内曲げ半径が一般的な最低値で、Si含有量や調質によって異なります。加工硬化した調質ではより大きな半径や段階的な成形が必要です。複雑形状には熱間成形も使用可能ですが、結晶粒の粗大化や表面酸化による後工程での接合性低下に注意が必要です。
熱処理挙動
Al‑Si 4xxx合金は、6000系や7000系のような古典的な時効硬化型ではなく、溶体化処理および人工時効により著しい強度向上は得られません。シリコンは主に固溶体または共晶Si粒子として存在します。熱処理は通常、応力除去、結晶粒微細化、またはSrやNaのような修飾元素によるシリコン形態の調整に用いられます。
強度向上の主な手段は加工硬化であり、制御された冷間圧延や引抜により転位密度と降伏強さを高めますが、延性は低下します。延性回復が必要な場合は焼なまし（完全軟化）を施しますが、Al‑Siの融点以下で行い離融を避けます。一部のAl‑Siフィラー合金は、ろう付け性向上のために微細組織均一化の目的で短時間の熱処理を受けることがありますが、これはプロセス依存であり長期的に性質を高めるものではありません。
高温性能
Al‑Si合金は約150〜200 °Cを超える温度で静的強度が低下し始めます。長期的なクリープ抵抗は、高温用に設計された特殊なアルミニウム系や鍛造合金と比べて限られます。シリコン粒子が強化相として寸法安定性をある程度向上させますが、250 °C以上では強度保持は不十分です。
空気中での酸化は通常、Al2O3の保護皮膜形成に留まり進行を遅らせますが、高温や硫黄含有、大気の塩類など攻撃性の高い環境では表面損傷が加速することがあります。溶接熱影響部では、時効硬化型アルミニウム合金に見られるような溶解・析出サイクルは発生しませんが、長期間高温曝露で微細組織が粗大化し靭性低下を招くことがあります。
用途例
| 産業分野 | 代表部品例 | 4140が使用される理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ろう付けラジエーターおよびコンデンサー | ろう付け接合の濡れ性と流動性が優秀、熱伝導性が良好 |
| 空調（HVAC） | 熱交換器のフィンおよびチューブ | 低密度で高熱伝導性、焼なまし状態で良好な成形性 |
| 航空宇宙（非主要部品） | ダクティング、継手、ブラケット | 軽量で耐食性が良く、重要でない部品の接合が容易 |
| 家電 | クックトップ、オーブン部品、筐体 | コスト効率が高く、良好な熱伝導性 |
| 溶接消耗品 | フィラーロッド・ワイヤ | 溶融範囲と濡れ特性を制御し、Al同士の接合に適合 |
まとめると、Al‑Si（4xxx）合金は接合性能や流動性、適度な機械的特性が求められる用途で優れており、最高強度よりもバランスの取れた熱的・化学的・機械的特性により、フィラー材料や熱交換システムで広く使われています。
選定のポイント
「4140」は4xxx（Al‑Si）系の選択として扱い、最大静的強度よりも溶接性、溶融流動性、熱性能が優先される場合に選択します。異種アルミ母材のろう付けや接合が必要な組み立てには、4xxx系フィラーが最も信頼性が高く経済的な選択となることが多いです。
純アルミニウム（1100）と比べると、4xxx系合金は電気伝導性や成形性の一部を犠牲にしますが、強度が大幅に高く、溶融・濡れ性もはるかに優れています。加工硬化された3003や5052などと比べると、4xxx系は耐食性が同等かやや劣る一方で、溶融特性やろう付け作業性は改善されており、強度と接合性能の中間に位置します。6061や6063のような熱処理型合金と比較すると、4xxx系は最大強度は劣るものの、接合性・ろう付け性で優れ、しばしばコスト面でも有利です。