アルミニウム443：組成、特性、焼き戻し状態ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 443は、主成分元素としてシリコンを含む4xxx系アルミニウム合金に分類されます。4xxx系は通常、シリコン含有量が中程度で、溶融範囲を下げるとともに耐摩耗性やろう付け性を改善するのが特徴です。443もこの傾向に従いながら、鉄、マンガンおよび微量元素を制御して強度や加工特性を調整しています。
443の主な合金元素はシリコン（Si）、鉄（Fe）、少量のマンガン（Mn）であり、さらに銅（Cu）、マグネシウム（Mg）、クロム（Cr）、チタン（Ti）が微量添加されて結晶粒を微細化し強度を制御しています。本合金は基本的に熱処理非対応であり、固溶強化効果と冷間加工による加工硬化で実用強度を得ています。微量元素の添加とシリコンリッチ相により、ほぼ純アルミと比べて剛性と寸法安定性が向上しています。
443の主な特長は、アルミ合金として中程度から良好な強度（純度の高いアルミニウムより優れる）、良好な熱伝導性、加工性に優れ、一般的な大気環境下で合理的な耐食性を持つ点です。溶接性も一般的な融合溶接プロセスには良好ですが、局所的なガルバニック腐食や気孔を避けるためにフィラー選定に注意が必要です。443は自動車ボディパネルや構造部材、船舶用金具、民生用電子機器の筐体や部品など、成形性、溶接性と純アルミより高い強度のバランスが求められる分野で使用されています。
エンジニアは、1xxx系や3xxx系よりも強度と熱特性が向上し、高強度熱処理合金よりも加工が容易で経済的な、コストパフォーマンスに優れたシリコン含有アルミを求める場合に443を選択します。溶融範囲の低下とシリコン含有により、ろう付けや局所溶融加工が必要な場合や、加熱時の熱伝導と寸法安定性が重要な用途にも適しています。
状態別特性
| 状態（Temper） | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い（20～35%） | 優秀 | 優秀 | 完全にアニーリングされた状態で最高の成形性 |
| H12 | 低～中 | 中程度（10～18%） | 非常に良好 | 非常に良好 | 軽度の加工硬化で適度な延性を保持 |
| H14 | 中程度 | やや低い（6～12%） | 良好 | 非常に良好 | パネル用途向けの中間程度の加工硬化 |
| H16 | 中～高 | 低い（4～10%） | 普通 | 良好 | 引張強さを高めるための強い冷間加工 |
| H18 | 高い | 低い（2～6%） | 悪い | 良好 | 最大の加工強化強度を実現する重い加工硬化 |
| T4（安定化処理時） | 低～中 | 中～高 | 非常に良好 | 良好 | 成形後の応力除去および自然安定化処理 |
状態は443の強度と延性のバランスに大きな影響を与えます。O状態は最大の伸び率と成形のしやすさを提供し、H状態は制御された冷間加工により延性を犠牲にして降伏強さや引張強さを向上させます。加工の際は最終製品の形状や工程フローに応じて状態を選択し、OやH12で成形した後、必要に応じて冷間加工でより高いH状態にダウンスプリングさせます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.8 – 2.0 | 主な合金元素；溶融点を下げシリコンリッチ相を形成 |
| Fe | 0.4 – 1.2 | 不純物安定化介在物；強度や靭性に影響 |
| Mn | 0.05 – 0.6 | 結晶粒構造制御；強度と耐食性を改善 |
| Mg | 0.02 – 0.20 | 微量；固溶により強度を若干向上 |
| Cu | 0.01 – 0.20 | 強度向上のため少量添加、過多は耐食性低下の原因 |
| Zn | 0.02 – 0.25 | 微量；限定的な固溶強化 |
| Cr | 0.01 – 0.15 | 再結晶および粒成長抑制を制御 |
| Ti | 0.01 – 0.10 | 鋳造品・圧延品の結晶粒微細化剤 |
| その他（残部Al含む） | バランス | ミルの製造慣行により微量のNi、V、Zrなどが含まれる場合あり |
443の組成はシリコンを主要合金元素として維持しつつ、鉄とマンガンのバランスで靭性、押出成形性および析出挙動を調整しています。シリコンは耐摩耗性と熱特性を提供し、鉄とマンガンは介在物相を形成して合金を強化しますが、多量は延性低下の原因となります。クロムやチタンなどの微量元素は結晶粒微細化と成形・溶接時の特性安定化のため低濃度に制御されています。
機械的性質
443は熱処理非対応のシリコン含有アルミとして典型的な引張特性を示します。比較的線形の弾性領域の後に中程度の塑性と良好なエネルギー吸収性を持ち、アニーリング状態では特に加工性に優れます。降伏強さと引張強さは冷間加工により大幅に向上しますが、延性や破壊靭性は同時に低下します。薄い板厚ほど冷間加工による強化効果が大きく、局所的なひずみ集中を伴う強度上昇が見られます。
硬さは状態と冷間加工度に直結し、アニーリング状態では低く加工・成形が容易ですが、H18相当の硬質状態は剛性を要する部品に適します。疲労特性は中程度の耐久用途に十分であり、表面仕上げの適正化や鋭い切欠き・溶接欠陥の回避により向上します。板厚の影響も顕著で、厚板は屈曲時に残留する微細組織の不均一性により見かけ強度がやや低くなることがあります。製造時の冷却速度は局所的な析出相分布に影響を与えます。
| 特性 | O / アニーリング | 主要状態（H14/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強度 | 80 – 130 MPa | 180 – 260 MPa | 冷間加工により強度が向上、数値はSi含有量と加工条件による |
| 降伏強度 | 30 – 70 MPa | 110 – 170 MPa | 加工硬化により大幅に上昇、設計上の制限値となることが多い |
| 伸び率 | 20 – 35% | 2 – 12% | 強度向上に伴い延性は低下、成形にはアニーリング状態が最適 |
| 硬さ（HB） | 30 – 50 | 60 – 95 | ブルネル硬さ値はおおよそ、硬さは状態レベルに比例 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70 g/cm³ | 典型的なアルミ合金密度、優れた強度対重量比 |
| 融点範囲 | 約570 – 640 °C | 純アルミよりもシリコンの影響で固相点が低下、Si含有量で範囲は変動 |
| 熱伝導率 | 120 – 160 W/m·K | 放熱や熱管理に適した良好な熱伝導性 |
| 電気伝導率 | 30 – 45 % IACS | 合金元素添加で純アルミより低下するが、多くの非重要導体用途に十分 |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K | 純アルミに近く、熱容量計算に有用 |
| 線膨張係数 | 22 – 24 µm/m·K | 多くのアルミ合金に共通の熱膨張係数 |
443は比較的低密度と良好な熱伝導性を組み合わせており、熱放散と軽量化の両面が重要な用途に適しています。低い融点範囲は局所的な接合やろう付けに有利ですが、シリコンリッチ相の溶融や局所的な分離を防ぐために温度管理が必要です。電気伝導率は高純度アルミに劣りますが、多くの非精密な導電用途には十分な性能を発揮します。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度の挙動 | 一般的な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3 – 6.0 mm | 冷間加工に敏感で、薄板は迅速に強度が向上 | O, H12, H14 | ボディパネルやヒートシンクに一般的。O状態で優れた成形性を発揮 |
| プレート | 6 – 25 mm | 冷間加工が少なく、加工しなければ焼なまし特性を保持 | O, H16 | 厚さによる剛性を活かす構造部品に使用 |
| 押出し材 | プロファイル最大200 mm | 押出後に冷間引抜することで強度向上が可能 | O, H14, H16 | レールやフレーム等で寸法安定性に優れる |
| チューブ | Ø 6 – 150 mm | 肉厚が潰れ強度や曲げ性に影響 | O, H12, H14 | 軽量構造用パイプや熱交換器コアに広く使用 |
| バー／ロッド | Ø 3 – 50 mm | 冷間加工で高強度化が可能 | O, H14, H18 | ファスナー、シャフト、機械部品に利用される |
443は形状および断面厚さによって加工方法や最終特性に大きく影響します。シートや薄押出材は通常、成形用に焼なまし状態で供給され、目標強度まで加工硬化されます。一方、厚板は成形中の割れを防ぐためにやわらかい硬さで指定されることが多いです。押出成形では、ビレットの化学成分管理や加熱プロファイルの制御が重要で、シリコンの偏析防止と安定した寸法公差の達成が求められます。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 443 | アメリカ | 北米で商業的に使用される主要な数値指定 |
| EN AW | 直接の標準相当なし | ヨーロッパ | 単一のEN AW番号での直接対応なし。類似はAlSi-Mn系合金 |
| JIS | 直接の相当なし | 日本 | Si/Fe/Mnのバランスが近似した地域別バリアントあり |
| GB/T | 直接の相当なし | 中国 | 中国規格で近似するAl-Si系圧延品が存在 |
AA 443には国際規格上で完全に1対1の相当鋼種は存在しません。代替する場合は、詳細な化学成分や機械的特性表を比較することが重要です。地域の製造所では、微量元素の限度や加工履歴が異なる独自の443バリアントを生産する場合もあるため、国際調達時には組成公差、硬さ状態、加工経路の仕様が厳密に求められます。
耐食性
大気環境下では、443はシリコン含有アルミニウム合金に典型的な中程度の耐食性を示し、均一腐食を抑制する保護的な酸化アルミ膜を形成します。シリコンと適度な鉄含有により、銅含有の2xxx系合金と比べて一般腐食への感受性が低減されますが、環境によってはマグネシウム含有量の多い5xxx系に劣る場合があります。
海洋環境での使用は、応力がかからない部品では実用的ですが、塩化物攻撃や隙間腐食の可能性がある場合は慎重な設計が必要です。ピッティング耐性は5xxx系や海洋用に最適化されたクラッド6xxx系ほど高くなく、長寿命を図るために犠牲防食、絶縁コーティング、または陰極設計上の工夫が一般的に適用されます。
応力腐食割れ（SCC）感受性は、高強度熱処理合金より低くなっていますが、溶接部や高度に冷間加工された領域では攻撃的環境下で引張荷重による局所劣化が生じることがあります。ステンレス鋼や銅などの陰極金属と接触する場合は直触を避け、コーティングやシール材で絶縁する必要があります。443は多くの工学用金属より陽極性が高いためです。総じて443は耐食性と成形性、コストのバランスが取れた合金ですが、過酷な塩化物環境の海水構造には保護措置なしでは選択されません。
加工特性
溶接性
443は適切なフィラー合金を選択すればTIGやMIGなど一般的な溶融溶接で良好に溶接可能です。基材組成に合わせたシリコン含有フィラーはホットクラックの発生を抑え、良好なビード外観を実現します。溶接熱入力とインターパス温度の管理は重要で、シリコンリッチ相の局所溶融や熱影響部の軟化による局所強度低下を防止します。強度回復のための溶接前後処置は稀ですが、応力除去や適正な接合設計が歪みや溶け込み孔の発生防止に寄与します。
切削性
443は中程度の強度とシリコン含有により、より高強度のアルミ合金と比較して通常良好な切削性を示します。モデレートな切削速度で硬質炭化物工具を用い、剛性の高い固定で良好な表面仕上げが可能です。送り速度や切削速度は切削径や切込み深さに合わせて調整し、ビルドアップエッジを防止します。クーラント使用により工具寿命や加工部品の温度管理が向上し、軟らかい硬さ状態の延性チップ対策としてチップブレーカーの使用が長尺旋削で効果的です。
成形性
焼なまし（O状態）では非常に優れた成形性を示し、板厚と工具次第で小さい曲げ半径の成形が可能です。推奨される最小曲げ内半径は中強度硬さで通常板厚の1～2倍です。OおよびH12硬さで深絞りやロール成形を含む冷間成形に優れ、シリコン含有によりスプリングバックが抑制されます。過度な成形の場合、熱処理や温間成形により割れリスクを軽減し、表面仕上げを向上させる手法が用いられます。
熱処理特性
443は析出硬化型としては実質的に熱処理効果がなく、T6型の人工時効による大幅な強度向上は期待できません。これはシリコン優勢相がAl-Mg-Si系合金のような析出相形成を行わないためで、溶体化処理と時効サイクルを施しても主に微細構造の粗大化が生じるだけで、ピーク強度の大幅な増加は得られません。
物理的な強化手段は主に加工硬化および制御焼なましです。完全焼なまし（O状態）は再結晶を促進し最大の延性を回復、部分焼なましや冷間加工により降伏強さや引張強度を予測可能に向上させます。成形後の寸法変化を抑制する目的で低温焼き入れまたは自然時効（T4様処理）が行われることがありますが、大幅な強度向上は見込めません。
高温暴露により回復や結晶粒成長が進み局所的な軟化が生じるため、溶接や局所的なろう付けなどの熱サイクルを受けた部品は熱影響部の特性低下評価が必要です。熱サイクル後の強度回復には析出硬化より冷間加工やショットピーニングなどの機械的処理が用いられます。
高温特性
ほとんどのアルミ合金同様、443は周囲温度を超えると強度が著しく低下します。100～150 °Cで降伏強さの明確な低下が始まり、200～300 °Cではさらに顕著な軟化が見られます。長期的な高温暴露はクリープや応力緩和を促進し、持続的な高温荷重下での使用を制限します。設計段階では、サービス条件下での部品試験がない場合、温度時の強度低下に対して保守的な低減係数を適用すべきです。
高温でのアルミ合金の酸化は主に表面の酸化膜成長に限られます。443は保護的な酸化皮膜を維持しますが、酸化雰囲気下で機械的荷重が加わると劣化が加速する場合があります。熱膨張による応力を考慮し、特に異種金属接合部では膨張差に起因する疲労や割れを悪化させないよう設計段階で配慮が必要です。
溶接部や熱影響部は高温暴露により局所的に組織が粗大化し、析出物が溶解して疲労耐久性および降伏強さが低下しやすいです。断続的な高温使用の場合は設計上の安全率や定期点検を推奨します。
用途
| 業界 | 例示部品 | 443を使用する理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディパネル、内側構造部品 | Oテンパーでの優れた成形性、冷間加工後の強度向上、コストパフォーマンスが高い |
| 海洋 | ブラケット、非重要構造付属品 | 適度な耐食性と組立てに適した良好な溶接性 |
| 航空宇宙（非主構造） | 内装付属品、ハウジング | 二次構造向けの良好な強度対重量比と熱的安定性 |
| 電子機器 | ヒートシンク、シャーシ | 熱伝導性と良好な加工性の両立 |
| 一般消費財 | 家電パネル、トリム部品 | 仕上げ性、成形性、コストのバランス |
443は、成形性、熱特性、及び商用純アルミニウムより高い強度の折衷が求められる部品で特に適しています。加工のしやすさと熱伝導性に優れるため、極端な強度を要求しない筐体、放熱部品、成形構造パネルに多く選ばれています。
選定のポイント
1xxx系合金よりも強度と熱性能を向上させつつ、加工コストと複雑さを抑えたい場合に443を選択してください。この合金は純アルミニウムに比べて電気伝導性や最大延性を若干犠牲にし、その代わりに剛性、機械加工性、熱変形耐性が向上しています。
商用純アルミニウム（1100）と比較すると、443はより高い強度と剛性を持ちつつ電気伝導率や伸びの成形性はやや低下します。一般的な加工硬化合金である3003や5052と比べると、443は同等かわずかに高い強度と類似した成形性を持ち、耐食性は異なります：5052は極めて海洋環境に優れますが、443の方が機械加工やろう付けがしやすい場合があります。6061や6063のような熱処理合金と比べると、443はT6処理によるピーク強度には及びませんが、溶接性、ろう付け性、加熱時の寸法安定性、コストを重視する用途で好まれます。
成形加工が多く、その後に冷間加工による局所的な強化が必要な場合や、ろう付けなどの熱処理が伴う工程では443の使用を推奨します。他の合金と置き換える際は、品質の一貫した性能を確保するために化学成分や調質を厳密に管理してください。
まとめ
アルミニウム合金443は、成形性、適度な強度、優れた熱伝導性、経済的な加工性をバランス良く求めるエンジニアリング部品において、依然として実用的で有効な選択肢です。シリコンを主成分とする化学組成と加工硬化性は、自動車、海洋、熱管理用途において、加工性と寸法安定性が最大強度よりも重要視される環境で特に有用です。