アルミニウム 4A30：組成、特性、調質ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
4A30は4xxx系アルミニウム合金に属し、シリコンを主合金元素とするアルミ材料のファミリーに位置します。このシリーズは多くの他系列と比較して鋳造性の向上、熱膨張の低減、および溶接性の改善が特徴です。4xxxの呼称はシリコンが主要合金元素であることを示し、通常は強度、伸び、加工性を調整するために少量のマグネシウム、マンガン、微量元素が加えられています。
4A30の主要な合金元素は、主にシリコンであり、それに加えて制御された鉄、マンガン、少量のマグネシウムおよび銅が含まれます。シリコンは流動性と熱的安定性を向上させ、マンガンは結晶粒の微細化と熱割れの抑制に寄与し、マグネシウムは一部の調質状態で固溶強化と加工硬化の改善をもたらします。
4A30は大きな強度向上をもたらす従来の時効硬化処理による強化ではなく、主に固溶強化と加工硬化の組み合わせにより強化されます。そのため、実質的に熱処理による大幅な強度向上は期待できません。適度な強度、大気環境での良好な耐食性、シリコン含有の充填材との優れた溶接性、並びに軟質状態での良好な成形性を兼ね備え、多様な加工部品に対応可能な汎用性の高い合金です。
4A30が使用される主な業界は、自動車の車体およびトリム製造、輸送および海洋用構造部品、一般産業用製造部品、そして伝熱部品など、熱伝導性と機械的性能のバランスが要求される用途です。設計において適度な強度と良好な溶接性・成形性が求められる場合、特にシリコンの効果（熱歪みの低減、鋳造・押出品質の向上）がピークの時効強度の必要性を上回る場合に4A30が選択されます。
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 | 高 | 優良 | 優良 | 最大の延性を得るための完全焼なまし状態 |
| H12 | 低中 | 中程度 | 良好 | 優良 | 部分的に加工硬化、引き抜きは限定的 |
| H14 | 中 | 中程度 | 普通 | 優良 | 適度な加工硬化により強度向上 |
| H16 | 中高 | 低下 | 普通 | 良好 | より高い加工硬化により伸び成形性は低下 |
| H24 | 中高 | 低中 | 普通 | 良好 | 加工硬化後の熱的安定化処理 |
| T4 (限定的な反応) | 中 | 中程度 | 良好 | 優良 | 固溶処理および自然時効処理；析出反応は限定的 |
| T5 (該当する場合) | 中高 | 低下 | 普通 | 良好 | 熱間加工後の冷却と人工時効処理；適度な強度向上可能 |
| T6 (4xxx系では稀) | 中高 | 低下 | 悪～普通 | 可変 | 固溶処理後の人工時効処理；すべての4A30組成で強いT6応答が得られるわけではない |
4A30の調質は成形性と強度に顕著な影響を与えます。焼なまし（O）状態は延性と曲げ性能を最大化し、H系調質は加工硬化によって強度を高める一方で、延性および伸び成形性を犠牲にします。
T4やT5といった熱処理は、4A30のようなシリコン含有合金では6xxx系合金に比べ析出硬化効果が限定的で、通常は大幅な強度向上よりも残留応力や寸法安定性の調整を主目的として用いられます。
化学成分
| 元素 | 含有率範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.7 – 1.3 | 主合金元素；流動性の向上、熱膨張の低減、溶接特性に影響 |
| Fe | 0.2 – 0.7 | 不純物/強化元素；高濃度では延性を低下させる金属間化合物を形成 |
| Mn | 0.3 – 0.9 | 結晶粒の微細化および強化を助ける分散相および亜結晶粒形成 |
| Mg | 0.2 – 0.8 | 適度な固溶強化と加工硬化反応の改善を提供 |
| Cu | 0.05 – 0.25 | 少量添加で強度を向上させるが、多量は耐食性を低下 |
| Zn | 0.05 – 0.25 | 応力腐食割れの感受性を避けるため通常は低濃度に維持 |
| Cr | 0.02 – 0.2 | 再結晶制御および結晶粒構造の調整のための微量合金元素 |
| Ti | 0.02 – 0.12 | 鋳造または押出製品での結晶粒微細化を目的とした微量添加 |
| その他（それぞれ） | 0.01 – 0.05 | 製造所によって調整される微量不純物および意図的な微合金元素 |
4A30の化学組成はシリコンの有益効果を活かすために意図的にバランス調整されており、脆い金属間相を形成しやすい鉄や銅の高濃度は避けられています。シリコンとマグネシウムの組み合わせは適度な析出現象を可能にしますが、組成や熱処理が特別に最適化されていない限り、6xxx系合金のような強いT6時効反応は発現しません。
マンガンおよび微量のクロムやチタンの管理は、熱間加工および冷間成形時の微細で安定した結晶粒構造の実現に重要であり、これにより靭性が向上し異方性が低減、溶接や押出し加工での熱割れを抑制します。
機械的性質
4A30の引張特性は、軟質状態で延性破断モードを示しながら適度な引張強さを持ち、加工硬化により降伏点が段階的に上昇します。降伏強さと引張強さの比率はエネルギー吸収構造物に適しており、強度が増すほどH系調質では伸びが低下します。板厚や加工履歴が引張特性に大きく影響し、薄板は冷間圧延の影響により見かけの降伏値が高くなる傾向があります。
硬さの傾向も引張特性に類似し、軟質材料は低いブリネルまたはビッカース硬さを示し、H調質や人工時効処理された状態では明確な硬さの増加が見られます。疲労性能は表面仕上げが滑らかで安全率の高い設計条件下では良好ですが、表面欠陥、溶接熱影響部の組織不均一性、粗大な金属間化合物粒子により疲労寿命が低下することがあります。
板厚は延性と強度の両方に影響し、薄肉部品は冷間成形が容易で、圧延によりより高い加工硬化強度を達成可能です。一方、厚肉部品は鋳造や押出し由来の組織的不均一性を多く保持し、延性は若干低下します。溶接では局所的な熱影響部の軟化や組織不均一性が生じ、疲労に敏感な設計では考慮が必要です。
| 特性 | O（軟質） | 主な調質（例：H14/T5） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約80 – 140 MPa | 約160 – 260 MPa | 板厚、冷間加工度合い、バッチの化学組成により大きく変動 |
| 降伏強さ | 約35 – 70 MPa | 約120 – 200 MPa | 加工硬化により降伏強さが急激に上昇；軟質状態では低い |
| 伸び | 約25 – 35% | 約6 – 18% | 強度増加に伴い延性は低下；H調質の範囲は加工条件により変動 |
| 硬さ（HB） | 約20 – 45 HB | 約50 – 95 HB | 冷間加工および人工時効処理の有無に比例して増加 |
上記値は典型的な生産データに基づく指標的な範囲であり、重要部品設計には材料試験成績書や製造所のデータにより詳細な確認が必要です。
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 g/cm³ | アルミニウム-シリコン合金として標準的；質量計算や剛性評価に有用 |
| 融点範囲 | 約555 – 640 °C | シリコンの添加により純アルミニウムより若干固相線が低くなる；融解範囲はSi含有量に依存 |
| 熱伝導率 | 約120 – 170 W/m·K | 純アルミニウムより低いが、多くの合金と比べて熱放散性は良好 |
| 電気伝導率 | 約25 – 45 % IACS | シリコンやその他合金元素が純アルミより伝導率を低下；多くのバスバーや熱伝導用途で許容範囲 |
| 比熱 | 約880 – 920 J/kg·K | アルミニウム合金として標準的；過渡熱解析用途に利用 |
| 線膨張係数 | 約22 – 24 µm/m·K（20–200 °C） | 1xxx系より若干低減され、寸法安定性に有利 |
これら物理特性により、4A30は熱伝導性と寸法安定性のバランスが求められる換熱器や適度な温度勾配を受ける溶接組立品などに適した材料となっています。熱伝導率は鋼よりは高いものの純アルミより低下していますが、これは機械的性能や加工性の向上を図る上で妥当なトレードオフといえます。
中程度の融点範囲とシリコン含有量は、特定の加工工程における鋳造およびろう付特性の改善にも寄与しますが、通電部品設計時には電気伝導率の低下を考慮する必要があります。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚さ・寸法 | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼板 | 0.3 – 6 mm | O材で良好な成形性、H14/H16で高い強度 | O、H12、H14 | パネルや成形部品によく使用され、薄板は冷延加工に適する |
| 厚板 | 6 – 50 mm | 厚肉部で延性が低下、厚み方向に特性差異が発生 | O、H24 | 構造用部材に使われる厚肉部材で、加工後にアニーリングが必要な場合あり |
| 押出形材 | 肉厚 1 – 20 mm | 優れた寸法安定性、特性制御が可能 | O、T5、H12 | シリコンが押出し性を助け、ホットティアのリスクを低減 |
| チューブ | 直径 6 – 200 mm | 鋼板・パイプと類似、冷間引抜で強度向上 | O、H14 | 構造用チューブや熱交換器コアに使用される |
| 丸棒・棒材 | 直径最大 200 mm | 冷間引抜または圧延により強度が上昇 | H14、H16 | 中程度の強度を必要とする機械部品に用いられる |
4A30の主な製品形態は鋼板と押出形材で、しばしばコイルまたはカット長さで供給され、打抜きや成形加工に適しています。厚板や重量材では特に鍛造や鋳造元素材に由来する析出相の均質化のために、追加の熱・機械的処理が必要な場合があります。
押出加工はシリコンの流動性向上効果により複雑な断面形状を少ない欠陥で製造可能ですが、最終加工前には残留歪みを最小化するために押出し後の矯正や応力除去処理が一般的に行われます。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 4A30 | 米国 | ミルの資料に使われる呼称であり、全てのカタログでAIAG公認のAA番号には該当しない場合あり |
| EN AW | ~AlSi1MgMn | 欧州 | 概ね低シリコンのAl-Si-Mg-Mn系圧延材に対応。正確な一致はEN合金表を確認してください |
| JIS | A### | 日本 | 日本規格では異なる番号で同等成分の低シリコン圧延合金がリストされることがある |
| GB/T | 4A30 | 中国 | 中国国内の呼称。組成・機械的特性確認にはGB/T証明書を利用 |
一対一の完全な同等品は必ずしも存在せず、地域ごとに合金元素の配分や調質方法の試験基準に差異があるためです。合金替えの際はミル証明書を照合し、特に引張強さ、耐食性、溶接性の性能比較を慎重に行う必要があります。
認定用に正確な同等性が必要な場合、供給者から認証済みの組成・機械的試験成績書を取り寄せ、必要に応じて腐食・疲労が懸念される部品について用途別試験を実施してください。
耐食性
4A30はシリコンと適度なマグネシウムの存在により安定した酸化皮膜を形成し、大気中の耐食性に優れています。工業・農村地域の大気環境では他の4xxx系合金と同等の性能を示し、塗装または陽極酸化処理により長期耐久性を発揮します。
海洋環境はより厳しい条件ですが、4A30は均一腐食には比較的強いものの、停滞した海水や塩分濃度の高い環境下では部分的な孔食や隙間腐食のリスクがあります。海洋用途では保護コーティング、陰極絶縁、隙間を避けた設計が標準的な対策です。
応力腐食割れ（SCC）の感受性は銅や亜鉛含有高強度合金より低い傾向にありますが、高い引張応力や特定の不純物の存在でリスクが増加します。異種金属間でのガルバニック作用（特に鋼材や銅合金）を絶縁層や犠牲陽極で遮断し、直接接触部の局所的な腐食促進を防ぐ必要があります。
3xxx（Mn系）や5xxx（Mg系）合金と比較して、4A30は絶対的な耐食性をやや犠牲にしつつも熱安定性および溶接性に優れます。最大の海水耐久性より溶接性や熱サイクル下での寸法安定性が重視される用途に好まれます。
加工性
溶接性
4A30はシリコンが凝固温度範囲を狭めることでホットクラックの発生を抑えられ、TIG（GTAW）およびMIG（GMAW）溶接が良好に行えます。ER4043やER4047など一般的なシリコン含有充填材が推奨され、化学組成の整合と割れ・多孔性低減に効果的です。高強度調質では熱影響部（HAZ）の軟化が生じやすいため、綿密な接合設計や溶接後の安定化処理が必要となる場合があります。
切削性
4A30の切削性は中程度で、銅や亜鉛含有の高強度アルミ合金よりも良好です。TiAlNやTiNのコーティングを施した超硬工具を用い、中～高速回転で十分な冷却を行うことで良好な表面状態が得られます。切りくず制御は概ね良好ですが、析出物の影響で変動する場合もあり、ビルドアップエッジを防ぐ条件設定や鋭利な工具の使用が生産性向上に寄与します。
成形性
アニーリング済みのO調質では優れた曲げ性と深絞り性を示し、タイトな曲げ半径や複雑な打抜き成形が可能です。冷間加工してH系調質とすると強度が上がりますが成形性は低下します。最小内部曲げ半径は板厚および調質によりますが、O調質で板厚の1–3倍程度、H系ではより大きくなる傾向があります。厚板やばね戻り制御が必要な場合は温間成形で成形性の拡大が期待できます。
熱処理特性
4A30は6xxx系や2xxx系のような著しい析出硬化反応を示す非完全熱処理可能合金です。マグネシウム-シリコン析出物に最適化されていない組成では、溶体化処理＋急冷（T4）により微細構造の均質化と自然時効がやや得られますが、人工時効（T5/T6）の効果は限定的です。
熱処理を行う際の溶体化温度は510～540 °C範囲が多く、その後急冷して過飽和固溶体を保持します。150～200 °Cでの人工時効により硬さ・強度がやや向上する場合もありますが、実務上は主に成形や溶接後の応力除去や特性安定化を目的としています。
非熱処理型の生産では加工硬化と制御アニーリングが主な手段です。約300～400 °C（またはミルの指示に従う）でのアニーリングは延性回復と微細構造均質化に有効で、部分的なアニーリングにより中間的な強度・延性を持つH調質を得ることも可能です。
高温性能
4A30の機械的特性は温度上昇に伴い低下し、約100～150 °C以上で顕著に減少、250～300 °C接近で強度損失が大きくなります。長期高温環境では析出物や析出相の粗大化が進み、降伏強さ低下やクリープ感受性の増加を引き起こします。
高温酸化抵抗は一般的に良好で、アルミニウム酸化皮膜により保護されますが、シリコン含有が高い合金では混合酸化物層が形成され、放射率や表面特性に影響を与えます。高温環境に近い溶接部では熱影響部の軟化や残留応力集中が生じ、クリープや疲労損傷の促進要因となります。
中程度の高温連続使用や熱サイクルを伴う用途では、補正係数の適用やより耐熱性の高い2xxx系や7xxx系合金の選択も検討しますが、4A30は熱伝導性や寸法安定性が強度保持より重要な断続的高温使用に適しています。
用途
| 産業分野 | 代表的な部品 | 4A30が使われる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディパネル、内装構造部品 | Oテンパーでの優れた成形性、溶接性および制御された熱膨張 |
| 海洋 | 上部構造パネル、中負荷用ブラケット | 合理的な耐食性とコーティング対応可能な溶接性 |
| 航空宇宙 | 二次的な付属部品、フェアリング | 主要構造部材以外に適した良好な強度対重量比と熱安定性 |
| 電子機器 | ヒートスプレッダー、筐体 | 熱伝導性と加工のしやすさを両立 |
| 一般産業 | 熱交換器、配管およびダクト | シリコンが押出し成形性および熱特性を向上 |
4A30は、成形性、溶接性、そして複雑な時効処理を必要としない合理的な機械的性能のバランスを求められる部品において頻繁に選ばれています。押出し形材や板材への適用が多く、中程度の強度を持つ構造部品や熱管理部品に対してコストパフォーマンスに優れた選択肢となっています。
選定のポイント
4A30を選ぶ際は、溶接性や熱安定性、退火状態での良好な成形性が重要で、中程度の強度が求められる用途に優先的に検討してください。シリコン含有により、低シリコン合金と比較して熱変形の低減や押出し成形性・溶接性の向上が期待できます。
純アルミニウム(1100)と比較すると、4A30は電気伝導率や最大延性はやや劣りますが、より高い強度と熱サイクル時の寸法安定性を実現しています。3003や5052のような加工硬化型合金と比べると、4A30は熱安定性や溶接性が同等かやや優れており、テンパーや加工条件によって中程度の強度も備えています。6061や6063などの時効硬化型合金と比較した場合、4A30は一般的に最大時効強度は劣りますが、溶接時の流動性、低熱膨張率および押出し・成形の容易さを重視する場合に好適です。
部品形状や溶接要件、加工コストの面で最高強度よりも優先順位が高い場合に4A30を選択し、特に腐食や疲労が重要な設計では、必ず仕入先のミル証明書を確認し、用途に応じた試験を実施してください。
まとめ
4A30は、中程度の性能を持つアルミニウム合金として、幅広い加工部品に対して成形性、溶接性、熱的特性のバランスを保った選択肢として依然として有効です。シリコンを主とした合金設計と微細な合金元素の制御により、最大の時効強度よりも安定した寸法性能と信頼性の高い加工特性を求めるエンジニアにとって、実用的かつ経済的な素材となっています。