アルミニウム 4N01：組成、特性、硬さ区分ガイドおよび用途

総合概要

4N01は4xxx系アルミ合金群に分類される合金で、主にシリコンを制御添加元素とし、優れた溶接性と熱安定性を持つ合金として設計されています。実務上、4N01は加工時の組成調整により、伝統的な3xxx系（Al–Mn系）と4xxx系（Al–Si系）の中間的な特性を示す加工合金として用いられ、成形性と適度な強度、信頼できる加工性能のバランスを実現しています。

4N01の主要な合金元素は、添加目的のシリコンとマンガンであり、残留鉄や微量のチタン、クロムが結晶粒制御や微細構造の安定化に用いられています。その強化効果は主に固溶強化と加工硬化によるものであり、析出硬化型ではないため、熱処理はできず加工硬化型合金として機能します。

4N01の主な特長は、中程度の引張強さ、大気環境下での良好な耐食性、多くの熱処理合金に比べ優れた溶接性、そして焼なまし材状態での非常に良好な冷間成形性です。利用分野としては、輸送機器（ボディパネルや非構造部材）、建築外装、軽機器、成形性と耐食性の両者が求められる押出し材や鋼管市場などが挙げられます。

設計者は、部品に良好な加工性（深絞り、ヘミング、溶接）と適度な強度・軽量化を求め、かつ最高強度よりも溶接組立後の安定した性能を優先する場合に4N01を選択します。コストや入手性、溶接熱影響部（HAZ）の予測可能な挙動が選定の重要要素となることも多いです。

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	完全焼なまし、深絞り・成形に最適
H12	低～中程度	中程度	非常に良い	優秀	圧延による部分硬化、良好な延性を保持
H14	中程度	中～低	良い	優秀	補強板材向けの一般的な商用調質
H24	中～高	中程度	良い	優秀	加工硬化・安定化処理による強度向上
H32	中程度	中程度	良い	優秀	加工硬化＋安定化、軟化に対する耐性
T4（限定的）	中程度	中程度	良い	優秀	溶体化後の自然時効、主に非熱処理合金のため利用は限定的

4N01は析出硬化ではなく加工硬化で強度を高めるため、調質は強度と延性のバランスに大きく影響します。焼なまし（O）状態は最大の成形性と絞り特性を提供し、H系列の調質は制御された冷間加工および安定化処理により、降伏強さと引張強さを伸ばす代わりに伸びや曲げ加工性を犠牲にします。

化学成分

元素	含有範囲（％）	備考
Si	0.4～1.0	シリコンは鋳造時の流動性向上と溶接性改善に寄与。適度な含有で融点範囲を狭め、熱影響部の安定性を助長。
Fe	0.3～0.8	鉄は一般的不純物で金属間化合物を形成。含有が多いほど延性低下と脆性粒子の増加を招く。
Mn	0.6～1.2	マンガンは固溶強化と再結晶抑制、耐腐食性向上に寄与。
Mg	0.02～0.20	マグネシウムは時効硬化促進を避けるため低く抑えられ、微量で強度と加工硬化速度に影響。
Cu	0.02～0.20	銅は通常低含有。含有増加で強度向上も耐食性と溶接性の低下を招く。
Zn	0.02～0.20	亜鉛は制限され、含有増加でわずかに強度向上するが、海洋環境での耐食性低下を招く。
Cr	0.02～0.15	クロムは結晶粒の微細化と粒界析出物抑制に微量使用。
Ti	0.01～0.10	チタンは脱酸剤および結晶粒微細化剤。強度向上とスラグ制御に寄与。
その他	各0.15以下	Zr、Ni、Pbなどの微量元素は最小化され、総不純物は性能維持のため制限。

4N01の化学組成は、冷間成形性と溶接性を重視しつつ、MnとSiによる中程度の強度を発揮するよう調整されています。シリコンは融点範囲を狭め、溶接やろう付けに有利であり、マンガンは焼なましに対する微細構造の安定化と強度向上に寄与し、熱処理サイクルなしで性能を確保します。

機械的性質

4N01の引張特性は調質と板厚に大きく依存し、焼なまし材は低降伏点と高伸び、H調質は高降伏点および縮小した延性を示します。引張強さは熱処理合金に比べ中程度であり、冷間加工が進むに従い延性低下とバネ性（ばね戻り）が増加する点を考慮する必要があります。

降伏強さはO状態で低く、H系列の冷間加工により予測可能に上昇します。合金は中程度の歪みレベルまで線形の加工硬化特性を示し、その後は加工時効による安定化が起こります。疲労性能は非重要な繰返し荷重に対して十分ですが、表面仕上げや加工・溶接からの残留応力、板厚などが耐疲労限度に強く影響します。

硬さは焼なまし状態で比較的低く、調質と冷間加工により増加します。硬さは降伏点や引張強さに相関し、工場の品質管理指標として利用されます。板厚の影響も大きく、薄板は圧延・成形工程で高い実効強度を得やすく、急冷を伴う工程での均一な冷却効果が良好です。

特性	O（焼なまし）	代表的調質（例：H14/H24）	備考
引張強さ	80～120 MPa	150～220 MPa	板厚・冷間加工度により幅あり。H24で特にOより強度向上。
降伏強さ	30～60 MPa	90～170 MPa	加工硬化により顕著に上昇。設計時は厚板で下限値を使用推奨。
伸び	25～40％	8～20％	焼なまし材は高延性。調質で伸びは低下。
硬さ	20～40 HB	40～75 HB	H調質で硬さ向上。硬さは調質確認の品質管理指標。

物理的性質

特性	値	備考
密度	2.70 g/cm³	標準的なアルミニウム密度。質量や剛性計算に有用。
融点範囲	約600～660 °C	純アルミニウムに比べ合金元素で融点範囲が拡大。シリコンは凝固範囲を狭める。
熱伝導率	120～150 W/m·K	比較的高い熱伝導率。合金添加により純アルミよりやや低い。
電気伝導率	約30～45 % IACS	純アルミより低下するが、多くの電気用途に適する。
比熱	約0.90 J/g·K	放熱用途の熱変動計算に有用。
熱膨張係数	23～24 ×10⁻⁶ /K（20～100 °C）	一般的なアルミの熱膨張率。異種材料との熱膨張差設計で重要。

これらの物理的特性により、4N01は熱輸送性と低密度を重視する用途に適している一方、純粋な電気伝導性を最優先としない場面で有効です。異種材料を含む組立品では、熱膨張差や熱伝導率の差異が熱応力やガルバニック腐食の要因となるため注意が必要です。

製品形状

形状	代表的な厚さ・サイズ	強度の特性	一般的な硬質状態	備考
シート	0.2–6 mm	均一で、薄板ほど有効強度が高い	O, H12, H14, H24	ボディワーク、パネル、ファサードに広く使用
プレート	6–25 mm	通過ごとの加工硬化はやや低く、板厚方向の制約が大きい	O, H32	構造用カバーや厚板の製作品に使用
押出材	肉厚 1–20 mm	溶体化処理や伸びによって強度が変わる	O, H14, H24	溶接性や押出表面品質が重要な複雑断面に適する
チューブ	Ø 6–300 mm	周方向特性は加工に依存し、溶接管・シームレス管の選択肢あり	O, H14	油圧ハウジング、建築用チューブ、軽構造材に使用
棒材・丸棒	Ø 3–80 mm	冷引き材は加工硬化により強度が向上	H12, H14	機械加工部品や安定した製作が求められる継手に使用

加工経路は最終的な機械的性質に大きく影響します。シート圧延では成形性や剛性に影響する優先結晶配向が得られ、押出では摩擦熱と制御された冷却により均質な微細組織が実現します。製作の際、溶接管・押出形材の選択は寸法公差、表面品質、塗装やアルマイト処理など後加工の要求によって決まります。

相当鋼種

規格	鋼種	地域	備考
AA	4N01	米国	現地調達や仕様書で用いられる商業表示
EN AW	4xxx（概算）	ヨーロッパ	EN AW 4xxxシリーズ内に類似合金あり。正確な化学組成での照合が必要
JIS	A4xxx（概算）	日本	日本規格にも類似のSi/Mn系合金が存在。組成による確認が必須
GB/T	4N01	中国	地域のサプライチェーンで使用される中国GB/T表示で、化学成分・硬質状態が対応

地域ごとの規格・番号体系は必ずしも一対一対応ではありません。微量不純物の限界値やCu・Mnの最大含有量の差が腐食性や機械的性質に影響を及ぼすことがあります。代替や同等品指定時には、名称だけに頼らず、化学成分や機械的性質、硬質状態の定義、供給者の熱処理履歴を十分に比較検討する必要があります。

耐食性

4N01は、アルミニウムの不動態酸化皮膜と、組織の粒界腐食を抑制するマンガンの安定効果により、大気環境下で良好な耐候性を示します。田園地帯や都市部の環境では、他の非熱処理アルミ合金と同等の性能を有し、低合金鋼に比べメンテナンスフリーの寿命が長い傾向にあります。

海洋環境では、4N01は中程度の耐食性能を持ち、多くの銅含有合金よりも一般腐食に強いものの、塩化物の多い条件下では適切な表面処理がなければ局部的なピッティング腐食を受けやすいです。海洋や沿岸用途では、アルマイト処理、変換被膜、適切な塗装システムなどの保護表面処理が一般的に指定され、使用寿命の延伸に寄与します。

応力腐食割れに関しては、4N01は高強度熱処理合金に比べ低感受性です。これは、応力腐食割れを促進する析出物組織を形成しないためです。ただし、銅や非活性状態のステンレス鋼などより貴な金属との接触腐食（ガルバニック腐食）には注意が必要で、アルミは陽極側となるため電気的に絶縁するか適切な被覆で保護しなければ選択的に腐食する可能性があります。

他の合金系列と比較すると、4N01は多くのCu含有合金より優れた耐食性をもち、非海洋環境では3xxx系および5xxx系に匹敵する性能を示します。6xxx系や7xxx系に比べると、耐海水性には一般に優れる一方で、熱処理による最高強度には及びません。

製造性

溶接性

4N01はMIG（GMAW）やTIG（GTAW）など一般的な溶接法で優れた溶接適性を示します。比較的融点帯が広く、適切な溶接条件を守れば割れがほとんど発生しません。推奨される溶接棒・溶接ワイヤは延性と耐食性を兼ね備えたものが望ましく、ER4043（Siリッチ）がよく用いられ、より高い耐力が必要な場合はER5356も選択されます。ただし、溶接金属組成は耐食性や機械的バランスに影響を与えます。HAZの軟化は析出硬化系合金に比べて限定的で、適切な継手設計と熱入力制御により溶接後の機械的性質変化は予測可能かつ管理可能です。

切削加工性

4N01は比較的展延性が高く加工硬化性のあるアルミ合金であり、鍛造材としての一般的なアルミ加工性を有します。強度と剛性が高まるH硬質状態での切削がチャタリングを抑え良好です。高速度切削にはTiAlNやTiNコーティングの超硬工具を推奨し、中程度の送り速度と高速回転で短く制御された切り屑を生成します。切削液と切り屑排出の工夫がビルドアップエッジや工具つまりの防止に重要で、事前焼入れや硬質状態の選択が工具寿命や仕上げ面にも大きく影響します。

成形性

完全焼なまし（O状態）では優れた成形性を示し、深絞り、伸ばし、ヘミング、複雑な多工程プレス加工でも割れにくいです。O状態における典型的な最小内曲げ半径は、単純な曲げで板厚の1〜2倍、より厳しい成形条件では2〜4倍程度です。一方、H硬質状態の部品は大きな曲げ半径が必要で、予熱や中間焼きなましが求められる場合があります。合金は冷加工に対し予測可能な応答を示し、設計者は重い成形後にバネ戻りを軽減し、延性を回復するための焼なましを仕上げ前に指定することが多いです。

熱処理挙動

4N01は実質的に熱処理型ではなく、6xxx系や7xxx系で用いられる人工時効による顕著な析出強化を受けません。標準的な溶体化処理および人工時効を行ってもMg–SiやZn–Mg系の析出物が形成されないため、強度向上は限定的です。

したがって強度調整は、制御された冷間加工（加工硬化）と熱安定化処理（低温焼なまし）によって行います。完全焼なまし（O）により最大の延性を回復し、一部焼なましや安定化処理（適用される場合T硬質状態指定）により残留応力を除去し、前加工の影響を緩和します。

高温性能

4N01の機械的強度は温度上昇とともに漸減し、連続使用温度は降伏強さや疲労強度の著しい低下を避けるためおおむね150 °C以下に制限されます。短時間の高温曝露（最大約250 °C）は許容されますが、軟化や微細組織の回復により加工硬化強度が低下します。

アルミは保護酸化皮膜を形成するため、多くの使用条件で酸化は最小限です。ただし高温曝露が長時間続くと酸化膜が厚くなり、表面仕上げや塗装の付着性に影響があります。熱処理型合金と比較して、溶接時の高温局所部のHAZ挙動は安定的ですが、溶接部周辺での一時的な強度低下や変形の可能性には設計上の配慮が必要です。

用途例

産業分野	代表部品	4N01を使う理由
自動車	外板パネル、内張補強パネル	プレス成形性に優れ、良好な溶接性と耐食性を備え、コストパフォーマンスに優れる
船舶	非構造用デッキ、付属品	耐食性と製造性のバランスが良く、沿岸や軽海洋用途に適する
航空宇宙	二次部品、フェアリング	主要構造部材でない軽量部品に適した高強度対比重量と良好な接合性
電子機器	ヒートスプレッダープレート、ハウジング	高い熱伝導性と軽量性、信頼性ある製造性
建築・建設	外装材、軒天、窓枠	成形性、意匠性の高い表面仕上げ、耐候性能

4N01は複雑な熱処理サイクルを必要とせず、成形性、溶接性、十分な強度の組み合わせが求められる用途でよく採用されます。コスト効率や耐食性を重視する場合に、より高強度合金を補完する役割を果たします。

選定のポイント

4N01を選定する際は、最大強度よりも成形性、溶接性、耐食性を優先する用途に適しています。非熱処理型の性質は製作を簡便にし、HAZの脆化リスクを減らし、析出硬化型合金と比べて加工コストを抑制できます。

商用純アルミニウム（1100）と比較して、4N01は電気伝導率でわずかな妥協があるものの、強度が明らかに高く、成形性もやや低下しています。そのため、荷重を受ける板材用途に適しています。加工硬化した合金（3003や5052）と比較すると、4N01は同等かやや高い強度を持ち、耐食性は同等、さらに一部の接合形態においては溶接性が向上しています。

熱処理可能な合金（6061や6063）と比べると、4N01は溶接が容易で、熱影響部（HAZ）の性能予測が良好である反面、最大強度は劣ります。最大強度や剛性よりも、加工の簡素化、優れた成形性、コスト重視の生産が優先される場合に4N01を選択してください。

まとめ

4N01は熱処理の複雑さを伴わずに成形性、耐食性、信頼性の高い溶接性のバランスを求められる実用的なエンジニアリング材料であり、最大強度よりも予測可能な加工性やライフサイクル性能が重視される多様な産業分野で引き続き活用されています。