アルミニウム4145：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
合金4145は4xxx系アルミニウム合金の一つで、主にシリコンを主要合金元素とするファミリーに属します。4xxx系は流動性の向上、融点の低下、耐摩耗性の強化が求められる用途に一般的に使用されます。4145もこれらの特性を有し、構造用および接合用途向けに加工材として供給されることが多いです。
4145の主要合金元素はシリコンであり、鉄、マンガン、微量元素としてチタンやクロムが微量に添加され、結晶粒構造や機械的特性の調整に寄与しています。4145の強度は主にシリコンによる固溶強化と加工硬化（ひずみ硬化）によって得られます。従来型の熱処理による析出硬化が効果的なアルミニウム合金ではないため、T6のような時効処理は限定的な効果しかありません。
4145の主な特徴は、Al-Si合金として中程度から良好な強度を持ち、熱処理可能な合金に比べて溶接部での軟化に対する耐性が優れていること、放熱用途向けに良好な熱伝導性があること、ならびに軟化状態では成形性が一般に良好であることです。適切なフィラー材を用いれば溶接性は非常に良好で、大気中や海水環境での耐食性は実用に耐えますが、攻撃的な海水環境下では高Mg系合金に劣ります。
4145を多用する主な業界は、自動車の構造部品や接合部材、溶接・ろう付け用消耗品、熱性能が重要な消費財、経済的な強度と成形性を求められる軽構造用途などです。エンジニアは、溶接部の高温軟化に対する耐性を重視しつつ、純アルミや5xxx系とのバランスで成形性と強度の妥協が必要な場合に、4145を選択します。
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 | 低い | 高い | 優秀 | 優秀 | 完全に焼きなまし済み、成形やろう付けに最適 |
| H12 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 部分的な加工硬化、降伏強さがやや向上 |
| H14 | 中～高 | 低～中程度 | やや劣る | 優秀 | 四分の一硬さ、板材用途に一般的 |
| H18 | 高い | 低い | 劣る | 良好 | 完全硬化、冷間加工による最大強度が必要な場合に使用 |
| T4* | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 4xxx系では従来の固溶時効処理は効果がない |
| T5* | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 高温からの冷却後の人工時効処理は一般的でない |
ここに示した調質カテゴリは、4145のようなAl-Si加工合金で実際に見られる調質状態を反映しています。4xxx系は6xxx系や7xxx系のように時効硬化に反応しないため、H系の加工硬化調質とO軟化が主な製造状態となります。より硬いH調質を選択すると延性と成形性は低下しますが、降伏強さと引張強さは向上し、その後の成形工程が制限されます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 4.5～12.5（代表値） | 主な合金元素。融点挙動と固溶強化を制御 |
| Fe | 0.4～1.3 | 不純物レベルで介在物を形成し、強度と延性に影響 |
| Mn | 0.05～0.6 | 結晶粒精製剤、腐食に大きな影響なく強度向上に寄与 |
| Mg | 0.05～0.6 | 微量添加で強度と加工硬化特性を改善 |
| Cu | ≤0.25 | 耐食性低下を防ぐため通常低濃度に制御 |
| Zn | ≤0.25 | わずかな強化効果を与えるが耐食性悪化を避け低濃度に |
| Cr | ≤0.25 | 結晶粒制御と加工中の再結晶抑制に利用 |
| Ti | ≤0.15 | 鋳造・加工での結晶粒精製剤 |
| その他（Al残部含む） | バランス | アルミニウムをバランスとし、Ni、V、Zrなどの微量残留元素を制御 |
シリコン含有量が4145の特性を大きく決定します。Siが単桁半ばから低二桁の範囲にあることで、融点低下とろう付け・溶接時の流動性向上に寄与する共晶および準共晶凝固構造を形成します。鉄とマンガンは介在物の形態と再結晶挙動に主に影響を与え、靭性や成形性の制御に重要です。マグネシウムやクロムの微量添加は冷間加工特性や熱変動中の結晶粒安定性を調整するために利用されます。
機械的性質
4145の引張特性はシリコン量と調質に依存します。軟化状態（O調質）の材料は中程度の引張強さと良好な伸びを示し、準静的荷重下で延性を発揮します。加工硬化状態（H系調質）は降伏強さと引張強さを上昇させますが、その分延性が低下し、激しく圧延や押出した場合は異方性が現れることがあります。
軟化状態の4145の降伏強さは控えめですが、冷間加工によって大幅に向上します。本合金は顕著な析出硬化を示さないため、加工後の強度向上は塑性変形に依存します。硬さも同様の傾向を示し、ひずみ硬化でHB値は増加するものの、ピーク時効処理された6xxx系合金には及びません。疲労特性は表面仕上げとシリコンを含む介在物の存在に影響を受け、ショットピーニングや鏡面仕上げによって疲労寿命が著しく改善されます。
板厚は機械的特性に大きく影響します。処理中の冷却速度がシリコン粒子の大きさと分布を決定するためであり、急冷や冷間圧延によって製造された薄板は細かなシリコン分散体を持ち、強度がやや高くなる傾向があります。溶接や熱影響によってH調質では熱影響部で軟化が生じることがあるため、加工条件の適切な設計と溶接後の機械的処理によって軟化を抑制する必要があります。
| 特性 | O/軟化 | 代表的な調質（H14/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 120～170 MPa（代表値） | 200～270 MPa（代表値） | Si含有量と加工硬化度に強く依存 |
| 降伏強さ | 60～110 MPa（代表値） | 140～220 MPa（代表値） | H系調質はひずみ硬化による降伏強さの大幅増加 |
| 伸び | 18～30％ | 5～14％ | 加工硬化とSi介在物の増加で延性は低下 |
| 硬さ（HB） | 30～55 | 65～95 | 調質とシリコン形態に相関 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.68～2.72 g/cm³ | シリコン含有量により変動があるが純アルミニウムに近い |
| 融解範囲 | 約577～640 °C | 共晶Al–Siの融点は約577 °C。固相線～液相線はSi％や微量元素に依存 |
| 熱伝導率 | 約120～180 W/m·K | シリコン添加により純アルミより低いが放熱部品に適する |
| 電気伝導率 | 約25～45 %IACS | 合金元素存在により純アルミより低下 |
| 比熱 | 約880～910 J/kg·K | 常温域のアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張係数 | 約22～24 µm/m·K（20～100 °C） | 他のアルミ合金とほぼ同等。異種金属との熱膨張差に注意 |
物理的特性はシリコン添加のトレードオフを示しています。密度や伝導性は多くの金属と比較して有利なままですが、純アルミニウムよりは熱・電気伝導率が低下します。シリコンによる融点低下は鋳造性やろう付けの特性を向上させますが、溶接や熱処理時には局所融解や共晶生成を防ぐため、熱管理に慎重を要します。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な硬質状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3–6.0 mm | 硬質状態および圧延減少によって強度が変化 | O, H12, H14 | 広く生産されており、成形パネルやろう付け組立部品に使用 |
| プレート | 6–25 mm | 厚板ではやや均一な加工硬化が低い | O, H18 | 厚い断面では粗いシリコン粒子が靭性に影響を及ぼす場合あり |
| 押出形材 | 断面最大200 mm | 冷却および押出後伸ばしにより強度が変わる | O, H12 | 構造部材や熱交換器用に押出形状が使用される |
| チューブ | 外径6–150 mm | 肉厚が機械的安定性に影響 | O, H14 | ろう付け・溶接を必要とする熱交換や流体処理に一般的 |
| バー／ロッド | 径3–60 mm | 冷間引抜きにより強度および表面仕上げが向上 | O, H18 | 機械加工部品やSiが摩耗耐性を向上させるファスナーに使用 |
加工方法の違いが最終特性に影響する：シート・帯鋼はより均一な圧延と薄肉化により細かいシリコン分散が得られるのに対し、プレートや厚い押出材は粗い微細構造を保持しやすく靭性を低下させる。押出材やチューブはしばしば残留応力を減らし寸法安定性を高めるために押出後伸ばし処理が施される。製品形状の選定は求められる断面剛性、成形工程、後加工の接合方法に基づく。
相当鋼種
| 規格 | 品種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 4145 | 米国 | アルミニウム協会システムにおけるAl-Si加工合金の指定 |
| EN AW | 直接の相当品なし | ヨーロッパ | 単一のEN AW等級は正確に対応しないが、近似のAl-Si加工合金としてAW-4043/4047が含まれる |
| JIS | 直接の相当品なし | 日本 | Al-Si組成に対する地域的指定が存在する場合があるが4145と完全に一致はしない |
| GB/T | 直接の相当品なし | 中国 | 中国規格にはAl-Si加工合金があるが、4145は専用仕様で供給されることがある |
4145に対して国際規格間で必ずしも一対一対応が存在しないのは、組成範囲や用途意図が地域により異なるためである。正確な互換性が必要な場合は、詳細な化学成分・機械的性質の比較や供給者からの認証取得を推奨する。多くの場合、EN AW-4043や4047などのAl-Si合金は溶接や充填材用途で機能的に類似するが、Si含有量や機械的バランスに違いがある。
耐食性
大気環境下では、4145は自然生成する酸化アルミニウム被膜により良好な耐性を示す。微量のシリコンや合金元素は一般的な大気耐食性を著しく低下させない。局所腐食（孔食）は高シリコン鋳造合金に比べて通常軽減されるが、高マグネシウム系5xxx系合金の海水耐久性には及ばない。
海洋環境においては、飛沫帯上部や犠牲防食および定期検査が行われる部品に対しては許容される腐食挙動である。連続的に湿潤かつ塩化物含有量の高い環境では、局所的腐食や異種金属接触による電食を受けやすく、保護塗装や適切な絶縁措置が一般的な対策となる。
応力腐食割れは、低銅Al-Si合金の4145では主な破壊モードではないが、冷間加工や溶接による残留応力と過酷な環境の組み合わせで高拘束部位にSCC様挙動が発生する場合がある。特に海水下でステンレス鋼や銅合金などより貴な材料と組み合わせる際は、アルミが犠牲的に腐食するため絶縁処理を考慮すべきである。
6xxx系や7xxx系の熱処理合金と比較すると、4145は溶接熱影響部での軟化抵抗は優れるが、海洋曝露における5xxx系よりは耐食性は劣る。耐食性と溶接性の双方を設計基準とする場合に実用的な妥協点となる合金である。
加工性
溶接性
4145の溶接性は、適切なシールドガスと充填材を用いればTIGおよびMIG双方で非常に良好である。シリコン含有により溶融溶接やろう付け時の濡れ性と流動性が促進され、溶け不足欠陥の発生が減少する。推奨される充填材はAl-Si系ロッドやワイヤー（例：AlSi合金）であり、シリコン含有を保ち熱割れを防ぐために銅リッチ充填材は避けるべきである。熱影響部の軟化は時効硬化合金より軽微だが、過熱により局所的な溶融や共晶析出が発生するため温度管理が不可欠である。
切削性
4145の切削性は中程度で、シリコン含有によって純アルミニウムより工具摩耗が増加するが、切りくず制御性能や加工の安定性は向上する。カーバイド工具で表面を研磨したリード角の良い形状が推奨され、切削速度は他のアルミ合金と同程度だがビードの付着を避けるため送り速度の管理が必要である。シリコン含有量が高い場合、工具寿命保護と表面仕上げ維持のため潤滑がしばしば必要となる。
成形性
アニーリング状態（O）の成形性は優秀で、4145は深絞り、曲げ加工が可能で、厚手のアルミ合金に比べて小さい曲げ半径での成形にも対応する。H系硬質状態への冷間加工により延性が著しく低下し、ばね戻りが増加するため、通常は軟質状態で成形後に軽い加工硬化を行う。重要な曲げ箇所はO硬質状態で板厚の1〜2倍の内曲げ半径が実用的だが、寸法や金型により異なる。
熱処理挙動
主にAl-Si合金であるため、4145は従来の析出硬化熱処理により効果的な強化は得られない。固溶熱処理や人工時効は強度向上効果がわずかである。T6型処理はシリコンが6xxx系のMg2Siのように析出強化しないため限定的な反応となる。
したがって熱処理の実務は軟化（焼鈍）と熱処理による結晶粒構造制御に焦点を当てる。完全焼鈍（O）は再結晶温度以上での十分な保持と制御冷却により延性のある微細組織を生成する。強度向上は主に加工硬化によって行われ、硬質転換は機械的変形後の安定化により達成される（例：Oから制御された冷間加工でH14への変換）。
高温特性
約150〜200 °C以上でリカバリーや再結晶が進行し、軟化およびシリコン豊富相の粗大化が起きて著しい強度低下がみられる。200 °C以上の連続使用は耐荷重用途で一般に避けられるが、ろう付けや溶接の一時的な加熱は溶融特性の優位性により対応可能である。
高温での酸化は酸化アルミナ被膜により制限されるが、シリコン豊富相が局所的に酸化膜の密着性を変化させる。長期の高温曝露は脆化や酸化膜の剥離を熱サイクル条件下でもたらすことがある。溶接熱影響部では微細構造変化により高温挙動が異なるため、使用温度限界付近で運用される部品は考慮が必要である。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 4145を選ぶ理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 熱交換器フィンやブラケット | 良好な熱伝導性と成形性、ろう付け・溶接に適合 |
| 海洋 | ブラケットや非重要構造部品 | 経済的な強度と十分な耐食性 |
| 航空宇宙 | 二次構造用フィッティングやクリップ | 軽量比強度と溶接性が非主要構造部品に向く |
| 電子機器 | ヒートシンクやシャーシ | 熱伝導性とフィンや組立品への成形の容易さ |
| 家庭電化製品 | 調理器具筐体や熱交換器 | 成形性と熱挙動のバランスが良好 |
シリコン成分に起因する熱特性、溶接性、妥当な機械的特性の組み合わせにより、4145は熱管理を必要としつつ経済的製造が求められる部品に適した選択肢である。特性バランスにより、設計者は機械加工を最小限に抑え、成形またはろう付け組立工程を活用できる。
選定のポイント
4145はろう付け・溶接性に優れ、良好な熱伝導性を持つAl-Si合金を求める場合に適している。成形性と強度の中間特性を持ち、特に熱交換器部品、成形筐体、溶接組立部品において、T硬質の時効強化を必要としない用途に適合する。
商用純アルミニウム（1100）と比較すると、4145は電気伝導性および熱伝導性がやや低下する代わりに、高い強度と優れた耐摩耗性・ろう付け性を実現しています。加工硬化した合金（3003や5052など）と比べると、4145は一般的に熱性能が高く、耐食性は同等かやや劣るものの、冷間加工後の強度は競合製品に匹敵します。熱処理可能な合金（6061や6063など）に比べると、4145は最高のピーク強度を求めるよりも、優れた溶接および熱影響部（HAZ）の安定性と良好なろう付け性が重視される場合に適しています。
調達においては、必要な硬さ状態に対して入手性とコストのバランスを考慮してください。4145は時効硬化ではなく冷間加工で硬化させるため、O状態と1つのH状態の在庫がほとんどの設計要求をカバーでき、サプライチェーンの物流を簡素化できる可能性があります。
まとめ
アルミニウム合金4145は、シリコンによる利点である優れたろう付け性、良好な熱伝導性、堅牢な溶接熱影響部挙動が、機械的特性や成形性の合理的な性能と共に求められる実用的なエンジニアリング選択肢として存在します。その特徴は最大の時効強度を追求するのではなく、耐久性のあるAl–Siの妥協点を必要とする用途に適しており、経済的で溶接性に優れ熱伝導性の高いアルミニウム材料を求める業界で依然として重要な役割を果たしています。