アルミニウム A1100：組成、特性、焼き戻し状態ガイド＆用途
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総合概要
A1100は1000系アルミニウム合金に属し、商業的に純アルミニウムと分類され、一般的にアルミニウム含有率は約99.0%以上です。「11xx」系に属し、非常に低合金元素含有で微量元素以外の添加がほとんどないことが特徴です。
主要な合金元素は微量で、シリコン、鉄、銅、マンガン、マグネシウム、亜鉛、クロム、チタンが残留物として存在します。これらの微量添加は不純物管理、結晶粒構造、機械的一貫性に影響を与えますが、熱処理可能な合金に変えるものではありません。
A1100は熱処理できない合金であり、強度はほぼ完全に加工硬化（冷間加工）および選択的な熱軟化処理によって得られます。主な特性は、電気および熱伝導率の高さ、優れた成形性と耐食性、合金化したグレードに比べて一般的に低い機械的強度です。
A1100は化学プロセス設備、電気・電子部品（バスバー、フォイル、ヒートシンク）、反射板や建築部材、包装材や食品接触用途、一般的な板金加工などで使用されます。エンジニアは最大の延性、表面仕上げ、導電性、耐食性を求める場合に、3xxx、5xxx、6xxx合金に比べてピークの強度や剛性を犠牲にしてA1100を選択します。
硬質状態の種類
| 硬質状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼鈍、最大の延性 |
| H12 | 低～中 | 中～高 | 非常に良い | 優秀 | 1/4硬化、やや強度上昇 |
| H14 | 中 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 1/2硬化、中程度の成形に一般的 |
| H16 | 中～高 | 中～低 | 普通 | 優秀 | 3/4硬化、強度上昇 |
| H18 | 高 | 低 | 限定的 | 優秀 | 全硬化、最大の圧延強度 |
| H22/H24 | 低～中 | 良好 | 非常に良い | 優秀 | 加工硬化後安定化処理済み；成形性維持 |
A1100の硬質状態選択は、時効硬化がないため沈殿処理ではなく加工硬化レベルで決まります。焼鈍O硬質は深絞りやスピニング加工に最適な成形性と最高の延性を提供します。加工硬化(Hシリーズ)は強度増加の代わりに延性を犠牲にし、成形が制限される場合や合金化材料を使わずに剛性を高めたいときに選ばれます。
化学成分
| 元素 | 含有率範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | 通常は残留物として存在；鋳造性への影響は小さい |
| Fe | ≤ 0.95 | 主要不純物；強度および表面外観に影響 |
| Mn | ≤ 0.05 | 極めて微量；強化効果は無視可能 |
| Mg | ≤ 0.05 | 非常に低い；固溶強化効果なし |
| Cu | ≤ 0.05 | 腐食抵抗と導電性維持のために低く制御 |
| Zn | ≤ 0.10 | 残留物；機械的特性への影響は限定的 |
| Cr | ≤ 0.05 | 微量のみ；結晶粒制御に使用 |
| Ti | ≤ 0.03 | 鋳造および圧延加工時の結晶粒細化剤 |
| その他 | 合計 ≤ 0.15 | 純度規格を満たすため他の残留物を低く抑制 |
A1100の性能は高いアルミニウム純度に支配されており、電気および熱伝導性、耐食性を維持するために微量不純物や少量添加元素を厳重に管理しています。鉄は異方性や表面仕上げに影響を与える主な残留物で、微量のチタンは鋳造および一次加工時の結晶粒細化に重要です。
機械的性質
A1100の引張特性は、焼鈍状態で比較的低い引張強さと非常に良好な伸びを示します。降伏強さはO硬質で低く、加工硬化に比例してH硬質で増加しますが、時効硬化はありません。O硬質の伸びは高く、H番号の増加に伴い低下します。H18や全硬化は深絞りには不向きですが、剛性の必要な部品には適しています。
硬さは引張特性と同様の傾向を示し、冷間加工レベルと密接に関連します。Rockwell硬さやビッカース硬さはO硬質で控えめで、H硬質で向上します。疲労特性は低強度アルミ合金の典型的な挙動で、疲労限度は明確ではありませんが、表面仕上げや冷間加工、応力集中除去で疲労耐久性は向上します。板厚は機械的特性に大きく影響し、薄板は冷間加工が容易で、圧延および切断端の加工硬化後により高い見かけの強度を示すことがあります。
| 特性 | O/焼鈍 | 代表的硬質（H14 / H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約65–110 MPa | 約110–180 MPa | 硬質状態と板厚で幅あり；H18が上限に近い |
| 降伏強さ | 約10–35 MPa | 約40–150 MPa | 加工硬化により降伏が著しく増加；O硬質は非常に低い |
| 伸び | 約35–45% | 約3–20% | O硬質は高延性；硬質で加工硬化度により低下 |
| 硬さ | 約20–35 HB | 約40–60 HB | 硬さは冷間加工で上昇；測定尺度と硬質状態に依存 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.71 g/cm³ | 商用純アルミニウムの典型値 |
| 融点範囲 | 約660 °C（固相線/液相線は約660 °C） | ほぼ純アルミに近い挙動で、狭い融点範囲 |
| 熱伝導率 | 約220–235 W/m・K | 構造用金属で高値；不純物でわずかに減少 |
| 電気伝導率 | 約45–65 % IACS | 高い導電率；不純物濃度や冷間加工に依存 |
| 比熱 | 約0.897 J/g・K（897 J/kg・K） | 常温での典型的な比熱 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 µm/m・K（20–100 °C） | 金属設計上、適度な熱膨張 |
高い熱伝導率と電気伝導率により、A1100は成形性が求められる熱管理や導体用途に適しています。適度な密度と優れた熱拡散特性は、非構造部品の軽量化と強度のバランスに寄与します。異種材料との組み合わせでは、熱膨張差による応力蓄積を防ぐため設計時に注意が必要です。
製品形状
| 形状 | 代表的板厚・サイズ | 強度挙動 | 代表的硬質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2–6.0 mm | 冷間加工後に低～中 | O、H14、H16、H18 | 被覆材、反射板、一般板金加工に広く使用 |
| 板材 | ＞6.0 mm | 厚板では冷間加工での硬化が困難で低強度 | O、H22 | 使用頻度は少なく、機械加工や成形は限定的 |
| 押出材 | 壁厚は可変 | 低強度；押出材は加工硬化可能 | O、H12/H14 | 6xxx系合金と比較して限定的；純度と導電性優先時に使用 |
| チューブ | 薄肉～中肉厚 | 低強度；溶接および引抜が可能 | O、H14 | 熱交換器フィンや配管に一般的 |
| バー／ロッド | 小～中径 | 低強度；加工性は普通 | O、H14 | 耐食性と導電性が必要なロッドやピンに使用 |
シートおよびフォイルは特に包装材、被覆材、熱伝導用途で最も一般的な形状であり、圧延により優れた表面仕上げと薄板化が可能です。押出材やバーは導電性と耐食性が求められる用途で製造されますが、高強度構造用押出材には6061や6063など他の合金が好まれます。板材や厚肉部品は、低い降伏強さのため設計上強度が重要な場合はほとんど指定されません。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | A1100 | USA | 商業的に純度99%のアルミニウムの主要指定 |
| EN AW | 1100 / 1050A* | ヨーロッパ | ENの同等品は概算であり、実務ではAW-1050AとAW-1100がしばしば互換的に使用される |
| JIS | A1050 / A1100* | 日本 | JISでは高純度アルミニウムに対してA1050とA1100系列を用いており、化学成分が重複している |
| GB/T | 1100 | 中国 | GB/T指定は成分および用途においてAA A1100と密接に対応している |
規格間の同等性は、おのおのの地域で微量不純物の許容値や小元素の制限が若干異なるため概算です。クロスリファレンスする場合は、エンジニアはグレード名だけでなく実際の化学成分規格書や機械的性質表を必ず確認してください。電気的・熱的・食品接触用途など重要な用途では、製造元証明書を要求し組成および熱処理状態の詳細を確認することが重要です。
耐食性
A1100は自己修復型の酸化皮膜を形成し表面を保護するため、大気中での優れた一般耐食性を示します。多くの化学環境に強く、化学プロセス機器や食品接触用途で広く使用されています。海洋環境では、大気曝露条件での耐食性は良好ですが、5xxx系の高Mg合金などよりも海水浸漬耐性は劣ります。塩化物濃度が高い場合は局部的なピット腐食が課題となることがあります。
低強度で高強度微細組織相が存在しないため、応力腐食割れに対する感受性は低いです。ガルバニック腐食の管理は必要で、A1100は多くのステンレス鋼や銅合金に比べて陽極的であり、電解質中で電気的に接続されると優先的に腐食します。設計者は被覆、絶縁材、犠牲陽極を用いて異種金属接合におけるガルバニック攻撃を抑制します。
加工性
溶接性
A1100は高純度かつ低合金であるため、TIG（GTAW）、MIG（GMAW）、抵抗溶接などの一般的な溶接方法で非常に良好に溶接可能です。使用する充填材は継手の要求および使用環境に応じて1100、4043、または5356が推奨され、充填材の選択は溶接後の耐食性や延性に影響します。A1100は熱割れがまれであり、熱影響部の軟化は非熱処理合金のため問題になりにくく、一般的に母材の延性を保持します。
機械加工性
A1100の機械加工性は概ね中〜良好とされます。低強度により切削力は抑えられますが、高延性のため長く連続した切り屑が発生し、制御が必要です。割れやすい加工には超硬工具と鋭利な刃先形状が好まれ、軽加工では高速度鋼も使用可能です。適切な切削速度、正の切込み角、および切り屑破砕器やピッキングを併用してビルトアップエッジを防ぎ寸法安定性を確保します。
成形性
A1100はO番状態（アニーリング）では最も成形性の高いアルミ合金の一つであり、深絞り、スピニング、複雑な曲げ加工が常用されます。アニーリング鋼板の最小曲げ半径は極めて小さく、多くの工程で内曲げ半径は板厚の0.5～1.0倍が目安です。冷間加工されたH番状態は伸びが減少し大きな曲げ半径や段階的成形が必要であり、複雑成形時は温間成形や中間焼鈍が延性回復に用いられます。
熱処理の挙動
A1100は非熱処理合金であり、固溶処理や人工時効による析出強化に応答しません。主な強化機構は塑性変形（冷間加工）による転位密度増加で、H番状態では強度が向上します。アニーリング（O番）は回復および再結晶を促進し延性を回復、成形や溶接による残留応力を除去して軟化させます。
典型的な処理工程は焼鈍 → 冷間加工 → 安定化処理（一部H2x番）であり、固溶処理や時効は行いません。安定化されたH22/H24番は軽度の熱処理で歪み時効効果を低減し、析出硬化せずに寸法安定性を確保します。より高強度が必要な場合は、加工硬化状態の選択や合金元素添加・熱処理可能な合金への切り替えが必要です。
高温性能
A1100は温度上昇に伴い著しい強度低下が見られ、実用上は150 °C以下の荷重支持用途が一般的です。これを超える温度では回復作用により加工硬化強度が低下し、意図しない軟化が発生します。鉄系合金に比較して酸化は最小限で、自動酸化皮膜の保護効果がありますが、長時間高温曝露は表面仕上げの劣化や熱・電気伝導率のわずかな低下をもたらします。
溶接熱影響部では析出溶解による軟化は起きませんが、再結晶温度を超える熱曝露で局所軟化する可能性があります。高温や繰返し熱負荷の条件下では、塑性変形によるクリープや寸法変化、残留強度の低下を考慮する必要があります。
用途例
| 産業 | 代表部品 | A1100が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 内張りパネル、リフレクター | 優れた成形性と表面仕上げが求められる外観部品に適する |
| 海洋 | ダクト、継手 | 大気中海洋環境で良好な耐食性を示す |
| 航空宇宙 | 非構造用継手、シュラウド | 高い伝導率と耐食性を低重量で実現 |
| 電子機器 | ヒートシンク、バスバー、箔 | 高熱伝導性・電気伝導性と優れた成形性を兼備 |
A1100は電気・熱伝導率、表面仕上げ、成形性が高い構造強度を必要としない場合の定番合金です。製造の容易さと形成・接合加工での安定した性能により、非荷重支持部品でコスト効率の良い選択肢となります。
選定のポイント
最大の延性、伝導性、耐食性が要求され、降伏強さや引張強さが低くても許容できる設計の場合にA1100を選択します。フォイル、被覆材、ヒートシンク、及び合金元素による性能悪化が懸念される化学的に厳しい環境で特に適しています。
高純度の商用品（例：1050や1060）と比較すると、A1100はほぼ同等の伝導性と成形性を持ちますが、許容される不純物がやや多く、これが表面仕上げや機械的特性のばらつきに影響する場合があります。3003や5052のような加工硬化型商用合金と比べると、A1100は伝導性が優れ、場合によっては耐食性も高い反面、大幅に低い強度と疲労耐性が犠牲となります。6061や6063のような熱処理合金に比べると、A1100は成形性、コスト、伝導性が重視される非荷重重要部品で選択され、剛性や高荷重使用が求められる場合は適しません。
まとめ
A1100は純度、延性、成形性、伝導性を機械的最高性能に優先する場合に幅広く用いられる実用的な合金です。低コストな加工性、安定した冷間加工応答、そして一般的な製造技術との高い親和性により、現代の工学における熱的・電気的・耐食性が要求される用途で多用途に選ばれています。