アルミニウム 4N30：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
4N30は4xxx系アルミニウム合金の一種で、主な合金元素としてシリコンを含むグループに属します。主に溶接ワイヤー、ろう付け合金、加工品に用いられ、流動性の向上、耐摩耗性、または溶融挙動の制御が求められる用途に適しています。
主な合金元素は中程度の単位％で含まれるシリコンであり、鉄、マンガン、微量のチタンおよびクロムが結晶粒の制御や介在物の改質のために添加されています。4N30の強化は主に固溶強化および加工硬化によって達成され、古典的な析出硬化によるものではありません。低シリコン含有量のため、6xxx系（Mg-Si）合金に見られる強い時効硬化効果は発現しません。
4N30の主要な特性は、中程度の強度、他の多くの合金に比べて優れた熱伝導性、適切な処理下での溶接性の良さと高温割れの低い感受性です。耐食性はAl-Si合金として一般的で、大気環境下で良好ですが、塩化物を多く含む海洋環境や陰極金属とのガルバニックカップリングでは設計上の配慮が必要です。
4N30は、自動車分野の充填および接合用途、一般製缶の溶接およびろう付け部品、熱伝導性が求められる電気部品、押出しや成形部品を用いる一部の消費財などで使用されています。エンジニアは、溶接性、中程度の強度、成形性のバランスが必要な場合、またはシリコンの化学組成により溶融金属の挙動が改善される接合や鋳造近接の工程で4N30を選択します。
調質の種類
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 非常に良い | 非常に良い | 最大の延性を実現する完全に焼なましされた状態 |
| H12 | 中程度 | 中程度 | 良い | 非常に良い | 軽い冷間加工による降伏強さの向上 |
| H14 | 中～高 | 低～中程度 | 普通 | 非常に良い | 四分硬の冷間加工、構造用板に一般的 |
| H18 | 高 | 低い | 限定的 | 非常に良い | 最大限の実用強度を得る完全硬化の冷間加工 |
| T451 / T4（適用時） | 中程度 | 中程度 | 良い | 非常に良い | 固溶後に応力除去／限定的な人工時効（4xxx系では稀） |
調質の選択は降伏強さと伸びに大きく影響します。4N30は主に加工硬化で強度を得るため、冷間加工調質（H調質）は降伏強さと引張強さを向上させる一方で、延性や成形性が低下します。構造用板など高強度が求められる用途ではH14やH18が一般的です。
焼なまし（O調質）は深絞りや複雑な曲げ加工時の成形性を最大化し、その後の溶接や成形加工で高い延性とばね戻りの少なさが求められる場合に用いられます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 2.5–4.0 | 主な合金元素。流動性を制御し、融点範囲を狭める |
| Fe | 0.2–0.8 | 不純物元素。延性や加工性に影響する金属間化合物を形成 |
| Mn | 0.1–0.5 | 結晶粒を調整し、局部腐食に対する耐性や強度を向上 |
| Mg | 0.05–0.3 | 微量。上限で析出効果を促進する可能性あり |
| Cu | ≤0.10 | 耐食性保持のため低濃度に抑制。多いと強度は上がるが応力腐食割れ耐性低下 |
| Zn | ≤0.15 | 微量の残留元素。4xxx系では通常Znは多く含まれない |
| Cr | ≤0.05 | 微量で結晶粒微細化および析出物形成に寄与 |
| Ti | ≤0.15 | 鋳造および押出し時の結晶粒微細化のために添加 |
| その他 | 残部Al / 残留元素 | 制御加工グレードではSrやZr等の微量元素も含む |
4N30で性能を左右するのはシリコンで、溶融範囲をわずかに下げ流動性と耐摩耗性を向上させます。鉄とマンガンは金属間化合物の形態を制御し、鉄は脆い相を形成しやすいのに対し、マンガンはそれらの形状を有益に修正します。チタンおよびクロムなどの微量元素は結晶粒の微細化と熱処理・機械加工後の機械的均一性向上に役立ちます。
機械的性質
4N30の引張特性は、比較的低い弾性係数と中程度の引張強さを示し、他のアルミニウム合金に類似しています。焼なまし状態では延性破壊を示し十分な均一伸びが得られる一方、冷間加工調質は均一伸びやノッチ靭性を犠牲にして降伏強さが高まります。疲労特性は合金の微細構造と表面状態に依存し、表面仕上げと成形時の残留応力が疲労寿命の主な制御因子です。
降伏点と引張強さは調質によって大きく変わります。焼なまし（O調質）は降伏が低いものの良好な伸びを示し、H調質は焼なまし値の2〜3倍の降伏強さを達成します。硬さも同様の傾向で、焼なましは柔らかく加工や成形が容易なのに対し、冷間加工は摩耗限界のある部品に有用な高いブリネルまたはビッカース硬さを得ます。
板厚の影響も重要で、厚板は鋳造または押出し時の微細構造の不均一性を保持しやすく、薄板に比べ延性や強度がやや低下する場合があります。溶接および熱影響部（HAZ）では、著しい冷間加工があると局所的な軟化が生じやすく、設計時にはHAZでの強度低下を考慮する必要があります。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的調質（例：H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 110–140 MPa | 200–260 MPa | 正確なSi含有量および冷間加工度合いに依存 |
| 降伏強さ | 30–60 MPa | 140–200 MPa | 冷間加工で大幅上昇。焼なましは低い |
| 伸び | 20–35% | 4–12% | O調質は高延性、H調質は低延性 |
| 硬さ | 30–40 HB | 60–90 HB | 加工により変動する標準的なブリネル硬さ範囲 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.70 g/cm³ | アルミ合金として標準的。シリコン含有量で多少変動あり |
| 融点範囲 | 約610–650 °C | 高シリコン合金より狭く、低シリコンで純アルミに近い固相線 |
| 熱伝導率 | 140–180 W/m·K | 純アルミより低い。シリコンおよび他の固溶元素が低減要因 |
| 電気伝導率 | 38–52 %IACS | 合金元素添加により純アルミより低下 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 室温でのアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張率 | 22–24 µm/m·K | 他のアルミ合金とほぼ同等。熱サイクル設計に考慮が必要 |
物理特性はトレードオフを反映しており、シリコンの添加で融点が下がり鋳造性が向上する一方、純アルミに比べて電気および熱伝導率が低下します。熱管理用途においては、銅よりも低密度ながら良好な伝導性を示すため、軽量で放熱性を求める部品に適しています。密度や熱膨張係数は2xx系・6xx系に近く、多くの設計で比較的容易に置き換え可能です。
製品形状
| 形状 | 代表的厚さ・サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼板 | 0.3–6.0 mm | 冷間圧延なら厚さ方向に均一 | O、H12、H14 | 成形部品および溶接組立に広く使用 |
| 厚板 | 6–25 mm | 若干の強度勾配が存在する場合あり | O、H18 | 厚板は均質性の管理が重要 |
| 押出形材 | 肉厚1–20 mm、形状はカスタム | 冷却状況と加工度により強度が変化 | O、T45、H12 | TiやSr系結晶粒微細化剤の使用で性能向上 |
| 鋼管 | 直径6–300 mm | 寸法安定性良好 | O、H14 | 無縫および溶接鋼管が利用可能 |
| 棒材・丸棒 | 直径3–100 mm | 軟質調質は良好な機械加工性 | O、H12 | 冷間引抜による強度向上も可能 |
加工ルートが最終特性を決定します。冷間圧延や引抜は強度アップと延性低下をもたらし、焼なましや応力除去は成形性を回復します。押出しは複雑断面が可能ですが結晶粒制御が必要で異方性回避に注意が必要です。板厚や厚物は介在物の影響を受けやすく、品質管理を厳格に行う必要があります。製品形状の選択は最終用途環境および必要な接合／加工工程と整合させるべきです。
等価鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 4N30 | アメリカ | 4xxxファミリー内のメーカー・供給者固有の指定 |
| EN AW | 4030（最も近い） | ヨーロッパ | EN AW-4030は類似のSi含有量を持つAl-Si加工材合金で比較可能 |
| JIS | A4043（充填材で類似） | 日本 | JIS A4043は一般的にAl-Si充填材として用いられる。母材合金との完全な等価性は概算 |
| GB/T | 4N30（またはAlSi3） | 中国 | GB/T表記では近似化学成分のAl-Si加工材鋼種がリストされることがある |
製品仕様、含有不純物限度、加工工程は地域やメーカーによって異なるため、完全な一対一の等価品は常に存在するわけではありません。記載のENおよびJIS鋼種はAl-Si系の概算比較種です。代替時には単純な鋼種ラベルの比較だけでなく、詳細な化学成分範囲、機械的性質、認証方法を検討してください。
耐食性
大気環境下では4N30は他のアルミニウム合金同様に良好な自然酸化被膜による保護が期待でき、低銅含有率が一般腐食への耐性維持に寄与します。屋内や農村部の屋外環境での防護効果は十分ですが、表面状態、コーティング、排水性や隙間防止設計などが長期耐久性に大きく影響します。
海洋や塩素イオンを多く含む環境では、4N30の耐食性は中程度ですが、5xxx系列（Mg系）や特別処理された6xxx合金に比べ局所的なピッティングに弱い傾向があります。塩水下での長寿命を要する場合、陽極酸化処理、被覆材、犠牲被覆などの設計対策が一般的です。応力腐食割れは高Cuや高Mg合金に比べAl-Si合金で少ないものの、引張応力と腐食性媒体の組み合わせでSCC様の破壊が発生し得るため、残留応力および外力は最小限に抑える必要があります。
異種金属接触によるガルバニック腐食にも注意が必要です。4N30はステンレス鋼や銅に対しては陽極的ですが、一部Mg合金に対しては陰極的に働くため、湿潤環境で攻撃的なガルバニックセルを形成しないよう素材組み合わせを検討してください。1xxx系（工業用純アルミ）合金と比較すると、4N30は絶対的な耐食性は若干劣る一方で強度アップと良好な溶接性を得ています。5xxx系列と比べると溶接性は改善されますが、純粋な塩素曝露下での耐食性は若干劣る傾向があります。
加工特性
溶接性
4N30はTIGやMIGなどの従来の溶融溶接法で一般的に容易に溶接可能であり、シリコンの効果により熱割れ発生リスクが低減されます。Al-Si系充填材（例：AlSi5）が一般的に用いられ、化学成分の一致と溶融プールの流動性向上を図ります。構造溶接部では母材と充填材の化学成分を揃えることで機械的性質が最適化されます。母材が冷間加工され強化されている場合、ヒートアフェクトゾーン（HAZ）に局所的な軟化が生じることがあるため、重要部の溶接後機械的特性を評価する必要があります。薄板では予熱はほとんど不要ですが、熱入力制御や適切な溶接継手設計で変形・気孔の発生を抑制します。
加工性
焼なまし状態の4N30は硬度の高いアルミ合金に比べ加工性が良好で、標準的なHSSまたは超硬工具での切削加工が容易です。切りくずは連続状で、送り速度や切削速度を適正に制御することで管理可能です。切削油は工具寿命と表面仕上げの向上に寄与します。中間化合物や鉄を含む粒子の存在により超高純度アルミに比べ工具の摩耗が増加するため、大量加工時は工具形状やTiAlN・TiNコーティングなどの適用が推奨されます。
成形性
O材質（焼なまし状態）では深絞りや複雑な曲げ加工に優れ、典型的な最小曲げ半径は工具や表面状態にもよりますが板厚の1〜1.5倍程度です。冷間加工したH材質は成形性が低下し、ばね返りが増大するためH12/H14は単純成形または成形直後の高強度が要求される用途に限定して使用されます。高温成形も可能ですが、表面酸化や工具潤滑に注意しなければ乗り付き（ガリング）を招くことがあります。
熱処理挙動
4N30は実用的な工学用途において非熱処理強化合金と分類され、従来の溶体化・人工時効工程で有意な時効硬化は得られません。溶体化処理は限定的な強化しかもたらさず、これはMg-Si析出系を持つ6xxx系合金のような高い時効強化が得られないためです。
強度は主に冷間加工によって発現し、圧延、引抜、冷間成形の各工程管理により最終的な機械的性能が決まります。標準的な焼なまし（軟化）工程は延性回復に有効で、適切な温度域で加熱し制御冷却することで結晶再生が起こり、変形組織が溶解します。軽微な熱処理（例：応力除去）を実施する場合は、延性を低下させる過時効や中間化合物の粗大化に注意が必要です。
高温特性
4N30は概ね150〜200 °Cを超えると強度が大幅に低下し始め、より高温での回復および固溶体クラスターの粗大化に伴い軟化が進行します。長期の高温曝露は微細組織の変化を促進し、降伏強さや疲労寿命の低下を招くため、高温構造用途には適しません。酸化耐性は一般的なアルミ合金レベルで、保護酸化膜は迅速に形成されますが、高温や塩素や硫黄化合物を含む酸化環境下では用途特有の劣化を防げません。
溶接部は高温長時間曝露によりHAZ軟化が拡大する可能性があり、クリープや長期高温荷重が想定される設計には耐熱性アルミ合金や高温用代替材料の検討が望まれます。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 4N30の採用理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 充填材、小型構造ブラケット | 良好な溶接性とスポット・シーム溶接向けの適度な強度 |
| 船舶 | 非重要部構造物、付属品 | 十分な耐食性と成形性および溶接性 |
| 航空宇宙 | 二次取付け具、クランプ | 非主要構造体向けの優れた強度対重量比と加工のしやすさ |
| 電子機器 | ヒートスプレッダ、筐体 | 熱伝導性と低密度による熱管理 |
| 消費財 | 調理器具の縁、フレーム | 成形性および陽極酸化後の表面仕上げ |
4N30は溶接性、成形性、適度な機械特性のバランスを要する設計ニーズを満たし、特にシリコン含有による接合や鋳造に関連した加工性向上が期待されます。コスト、加工容易性、十分な耐食性が最高強度要求を上回る場合に幅広く利用されています。
選定のポイント
信頼性の高い溶接性、焼なまし状態での良好な成形性、適度な強度と優れた熱伝導性を設計に求める場合は4N30が適しています。特に溶接部品、押出材、シリコンによる流動性や融点特性が接合・鋳造近接工程で有用な構成部材に推奨されます。
工業用純アルミ（1100）と比較すると、4N30は高強度で耐摩耗性と溶融プール挙動が改善される一方で、若干の電気・熱伝導率低下および超高延性の低下を伴います。3003や5052などの一般的な加工硬化合金と比較すると、4N30は同等かやや高い溶接性と同等の成形性を備え、強度は1xxx系と5xxx系の中間程度です。6061や6063などの熱処理強化合金と比較した際は、ピーク時効強度よりも溶接性・成形性を優先する場合や、低合金化による融点特性差が有利に働く際に選択されます。
まとめ
4N30は良好な溶接性、適度な強度、成形性を備え、許容される耐食性と熱性能を両立する実用的なエンジニアリング合金です。Al-Si系として、自動車、船舶、一般製造業の加工・接合部位でバランスの良い特性と信頼性ある加工性が求められる用途に広く適用されています。