アルミニウム A3004：組成、特性、硬質区分ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
A3004は3xxx系アルミニウム合金の一種で、主にマンガンを合金元素とするAl-Mn系に属します。この合金は熱処理不能で、加工硬化性を持ち、3003系の基本組成に対して強度を高めるために適度な銅およびシリコンが添加されていることが多いです。強化機構は主に冷間加工（加工硬化）および微量合金添加による固溶強化および分散相強化であり、析出硬化によるものではありません。典型的な性能特性としては、焼なまし状態での中程度から高い延性、加工硬化済みの調質での室温強度の向上、良好な一般耐食性、および従来のアルミ溶接性と成形性が挙げられます。
A3004は、純アルミや低合金のAl-Mn系よりも高い加工硬化強度と成形性のバランスを必要とする産業分野で選ばれます。代表的な用途としては建築用外装板、熱交換器フィン、調理器具や家電製品、輸送用パネル、プレス加工や深絞りが求められる一般板金があります。設計において成形加工を犠牲にすることなく降伏強さや引張強さを高めたい場合や、表面品質や塗装適性が重要な場合に、より単純な合金よりも好んで選択されます。エンジニアは、1100/3003よりも強度が高く、熱処理型合金の加工上のデメリットを避けられるコスト効率の良い容易成形合金としてA3004を好みます。
この合金は板材、コイル材、ならびに一部押出材で広く供給されており、大量生産に適しています。冷間加工のしやすさ、予測可能なばね戻り、加工中の調質の安定性などの生産上の理由も設計者や生産技術者に好まれています。素材選択は通常、部品形状、成形方法、および成形後の要求強度レベルのバランスに基づいて行われます。
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 | 優秀 | 優秀 | 最大延性のための完全焼なまし状態 |
| H14 | 中 | 中程度 | 非常に良好 | 非常に良好 | 半硬質、適度な成形および中強度に一般的 |
| H18 | 高 | 低 | 可 | 非常に良好 | 全硬質、高強度・剛性を必要とする用途に使用 |
| H24 | 中高 | 中程度 | 良好 | 非常に良好 | 四分硬（加工硬化後に安定化）、成形性と最終強度のバランス |
| H26 | 高 | 低〜中 | 可 | 非常に良好 | より高い降伏強さのための加工硬化強化調質 |
3xxx系の調質は冷間加工の度合いにより強度と成形性のトレードオフを直接制御します。焼なまし（O）は最高の絞り性と伸びを提供し、H調質は強度を段階的に向上させる一方で延性や深絞り性を犠牲にします。
製造現場では、部品の特性を調整するために焼なまし、予備成形、最終冷間加工の順序を組み合わせることが一般的です。安定化H調質（例：H24）は、ばね戻り制御が緩やかで後続の適度な成形段階が求められる場合に多用されます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 最大0.3 | 軽微な脱酸剤；少量が鋳造性および表面仕上げを改善 |
| Fe | 最大0.7 | 通常の不純物；過剰時には結晶粒構造に影響し延性を低下させる可能性あり |
| Mn | 1.0～1.5 | 3xxx系の主要強化元素；加工硬化性を向上 |
| Mg | 最大0.10 | 通常低濃度；多量は5xxx系の性質へシフト |
| Cu | 0.2～0.6 | 3003と比較して強度と引張特性を向上 |
| Zn | 最大0.25 | 軽微な不純物；強度にわずかに影響 |
| Cr | 最大0.10 | 微量添加により結晶粒制御と調質安定化に寄与 |
| Ti | 最大0.15 | 鋳造材やインゴットの結晶粒微細化剤 |
| その他（Zr, Be等含む） | 各最大0.05、合計最大0.15 | 残留元素および微量元素；Alがバランス |
A3004の化学組成は主にMn含有と制御された銅の添加により、3003に対して室温強度を高めるよう調整されています。マンガンは置換型合金元素として加工硬化率を上げ、熱機械的処理中の結晶粒構造を安定化させます。銅は強度をさらに高める一方で耐食性をやや低下させるため、その含有量は大気環境下での性能維持のために制限されています。
微量元素および低不純物限界は脆化を回避し、成形性を維持し、一貫したシート特性を生産ロット間で確保するために重要です。アルミニウムは残余元素として物理特性（密度や熱伝導率など）を支配します。
機械的特性
A3004は典型的な加工硬化型引張挙動を示します。焼なましO調質では降伏強さが低く伸びが高い一方、H調質では降伏強さおよび引張強さが増加し延性が低下します。H調質における降伏強さは冷間加工の度合いとほぼ線形に変化し、段階的な加工硬化により部品の機械的性能を要求に合わせて調整可能です。硬さは調質と共に予測可能に上昇し、製造ラインの品質管理指標として活用されます。
疲労特性は一般的なAl-Mn合金と同様であり、耐疲労限度は鋼材より低いものの、応力集中が管理されれば多くの繰返し荷重用途に適応可能です。疲労寿命は表面仕上げ、成形による残留応力、溶接による局所の熱影響部の影響を受けやすいです。板厚は引張試験で観察される強度と延性に直接影響し、薄板はより高い見かけの成形性を示す場合があり、厚板はより多くのエネルギー吸収能力を維持します。
プレスおよび曲げ加工ではばね戻りや異方性が実用的な考慮事項であり、圧延方向に起因する方向性特性を金型設計時に考慮する必要があります。軽量の構造用途では強度対重量比の利点を活かしますが、高強度の熱処理型アルミニウム合金に比べ、切欠疲労強度が低く破壊靭性が劣る点を設計余裕に反映すべきです。
| 特性 | O/焼なまし | 主な調質（例：H14/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約120～160 MPa | 約200～260 MPa | H調質は冷間加工によりUTSを大幅に向上 |
| 降伏強さ | 約35～70 MPa | 約140～190 MPa | 降伏は調質に比例；0.2%オフセット法で測定 |
| 伸び | 約30～40% | 約3～15% | 全硬質状態で大幅に延性低下 |
| 硬さ（HV） | 約25～40 | 約45～85 | 硬さは加工硬化に伴い上昇し強度に相関 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70～2.74 g/cm³ | 一般的なアルミニウム合金の密度；合金元素により若干変動 |
| 融点範囲 | 約605～660 °C | 固相線から液相線までの範囲で微量合金元素の影響あり |
| 熱伝導率 | 約120～160 W/m・K | 純アルミより低いが熱交換用途には十分良好 |
| 電気伝導率 | 約30～38 %IACS | 合金添加により純アルミより低いが導電部品として許容可能 |
| 比熱 | 約900 J/kg・K | 室温でのアルミニウム合金の典型値 |
| 熱膨張率 | 約23～24 µm/m・K （20～100 °C） | 他の圧延アルミ合金と同等 |
A3004は多くの構造用金属に比べて熱輸送特性が優れており、熱交換や熱管理用途に有用です。合金の電気伝導率はマンガンおよび銅の添加により低下しているため、最大の伝導性が求められる用途には最適ではありませんが、導電性を要する構造部品や低負荷の電流輸送用シートとしては十分受け入れられるレベルです。
熱膨張率と低密度により温度範囲の中程度で寸法安定性と軽量設計が可能ですが、組立設計時には熱膨張や高温時の機械的特性低下を考慮する必要があります。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/寸法 | 強度特性 | 代表的な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2–6.0 mm | H硬さ状態で強度が向上 | O, H14, H24 | 被覆材、フィン、パネルに最も一般的な形状 |
| プレート | 6–25 mm | 入手性は限定的；厚板は冷間加工が困難 | O, H18 | 厚さが重要となる構造部品に使用 |
| 押出形材 | 断面最大200 mmまで | 押出しおよび後続の冷間加工によって強度に影響 | H14, H24 | シートよりも普及度は低く、ブラケットやプロファイル等の特注形状に用いられる |
| チューブ | 壁厚0.5–6 mm | シートと同様の性能；引抜加工を使用 | O, H14 | HVAC、熱交換器コア、小径チューブに使用 |
| 棒材/丸棒 | 直径Ø3–50 mm | 一般的にH硬さ状態で供給；加工用材料 | H14, H18 | 合金が許容される機械加工部品およびファスナーに用いられる |
シートおよびコイルはA3004の商用製品形状として支配的であり、主にプレス加工、引抜き加工、圧延工程で用いられている。押出形材や棒材も存在するが普及度は低く、これらは特別なインゴット成分管理が必要で、断面形状によって設計が左右される用途で使用される。
圧延、焼鈍サイクル、冷間加工の違いにより厚み方向およびコイル幅方向に性質の勾配が生じ、成形用金型や溶接設計で考慮する必要がある。供給者は用途に応じて成形性と最終強度のバランスを取るために硬さ付けシーケンスをカスタマイズ可能である。
同等鋼種
| 規格 | 品種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | A3004 | 米国 | 一般的なAmerican Aluminum Associationの指定 |
| EN AW | 3004 | ヨーロッパ | EN規格におけるAlMn1Cuタイプの組成 |
| JIS | A3004 | 日本 | 国内産業でシートおよびコイルにしばしば参照される |
| GB/T | 3A05 / 3004相当 | 中国 | ローカル指定は異なる場合あり；正確な組成確認推奨 |
規格間の照合品種は標準化団体によって異なる。数値ファミリー（3004/3xxx）は一貫しているが、副成分の上下限は仕様や製造者によって差異がある。規格間で代替する際には特に銅およびマンガンの最小・最大含有量を確認し、強度・耐食性への影響を考慮する必要がある。表面処理、コーティング工程、硬さ定義も地域によって呼称や要求事項が異なることがある。
耐食性
A3004は表面に安定した酸化アルミニウム被膜が形成されるため、一般的大気環境下で良好な耐食性を示す。海洋環境や塩化物を含む環境下では局所的なピッティング腐食を受けやすいため、適切な塗装、シーラントの選択および隙間を避ける設計が推奨される。銅含有量は純アルミや3003合金より若干耐食性を低下させるが、適切な表面保護を施せば十分な耐用寿命を期待できる。
応力腐食割れは通常の使用温度範囲でA3004では大きな懸念材料ではなく、3xxx系Al-Mn合金は高強度アルミ合金に比べSCC耐性は高い。ステンレス鋼や銅などより貴な金属とのガルバニック腐食が、直接電気接触と電解質存在下でA3004の腐食を促進することがあるため、絶縁および適切なファスナー選定でリスク軽減が可能である。5xxx（Al-Mg系）や6xxx（Al-Mg-Si系）と比較すると、A3004は耐海水ピッティング性で劣る代わりに冷間加工性とコスト面で優れる。
加工特性
溶接性
A3004はTIGやMIGなど一般的な溶接方法にて良好に溶接可能であり、高強度アルミ合金に比べて溶接時の割れ発生が少ない。一般的なフィラー材料はAl-Si系（例：4043）や3xxx系と適合するアルミ合金が用いられ、接合部の使用条件や溶接後の耐食性に応じて選定する。溶接部周辺の熱影響部（HAZ）は、元々加工硬化がある場合局所的に軟化するため、重要部品は溶接後の機械的性質の確認が必要である。薄板では予熱は通常不要だが、熱管理と拘束設計により歪み制御を行う。
切削性
A3004は純アルミより機械加工性が良好だが、CuまたはPb含有の切削性に優れた合金ほどではない。炭化物工具で中程度の送り速度によって安定した切りくず制御と表面仕上げが得られる。冷却液や切りくず排出が適切に行われれば高速工具も使用可能。バリ生成はコントロールでき、旋削やフライス加工は他の3xxx系アルミと同様の送り・切削速度範囲で加工できる。ネジ切りおよびタップ加工ではH硬さ状態の加工硬化傾向に注意が必要である。
成形性
A3004はO硬さ状態で優れた成形性、軽度から中程度のH硬さ状態でも良好な成形性を示し、深絞り加工、曲げ加工、ロール成形に適している。最小曲げ半径は硬さ状態と厚みに依存し、焼鈍板は小さい半径が可能な一方で全硬質状態は亀裂防止のため大きめの半径を必要とする。中間焼鈍や伸ばし成形技術を用いたインクリメンタル成形で複雑な形状を強度を損なわずに製作可能である。復元力（スプリングバック）は特にH硬さ状態で降伏強さが高いため考慮が必要である。
熱処理特性
A3004は熱処理による強化を目的とした合金ではなく、6xxx系や7xxx系のような溶体化処理や人工時効効果は示さない。強度向上は主に冷間加工による加工硬化と熱機械的処理中の微細組織制御で達成される。完全焼鈍（O）は延性の回復、残留応力軽減、加工性向上のために実施される。
焼鈍サイクルは結晶粒の過剰成長を防ぐ条件で再結晶を促進する温度で行われ、製造者は性質の均一化を保証する浸漬時間・昇温時間を指定している。冷間加工後の残留応力やスプリングバックを制御するための安定化処理や部分再結晶処理（例えばH24に類似した状態を設定するための焼き戻し）も用いられる。A3004に対して、析出硬化を狙った実用的な溶体化・時効処理は存在しない。
高温特性
A3004は温度上昇に伴い強度が徐々に低下し、概ね150〜200 °Cを超えると降伏強さおよび引張強さが著しく低下するため、高温での長期構造用途には適さない。酸化は付着性の高いAl2O3被膜の形成によって一定の高温保護が得られるが、強度低下は防げない。中程度の温度までの短期曝露では有用な延性を維持するが、クリープやリラクゼーションに対する実用アプリケーション試験が推奨される。
溶接熱影響部（HAZ）は高温曝露後に強度と延性に変化が生じる可能性があり、長期の熱サイクルは冷間加工部分の軟化を加速させる。150 °Cを超える耐久強度が求められる用途には、耐熱合金やより高温特性を持つ特殊アルミ系列の使用が一般的である。
用途例
| 業界 | 代表部品 | A3004が使われる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディパネル、トリム | プレス加工に適した良好な成形性と3003より優れた強度 |
| HVAC / 熱交換 | フィン、コンデンサーコイル | 薄いフィンやコイルにおける熱伝導性と成形性 |
| 建築 | 外装材、軒天材 | 表面仕上げ性、塗装性、耐食性 |
| 消費財 | 調理器具、家電製品 | 成形性、強度、外観品質のバランス |
| 電子機器 | シャーシパネル、筐体 | 軽量かつ熱伝導性に優れた構造パネル |
A3004は加工性とコストパフォーマンスが機能性能と調和する用途で好まれている。複雑形状への成形が可能で、成形後の十分な強度を保持し、表面処理や接合手法にも予測可能な挙動を示す。延性と強度のバランスが求められ、熱処理工程を必要としない大量生産部品に適している。
選定のポイント
A3004を選定する際は、成形性、中程度の強度、コストのバランスに注目することが重要である。1000シリーズの純アルミ（1100）と比べて加工性と溶接性を維持しつつ、より高い降伏強さと引張強さが求められる場合にA3004が適している。1100に比べ電気伝導性や最大延性は若干劣るが、プレス成形または引抜き加工部品に対して実用的な強度優位が得られる。
3003や5052のような加工硬化型合金と比較すると、A3004はその中間に位置します。銅とマンガンの添加により3003よりも強度が高く、腐食耐性も3003とほぼ同等であることが多い一方で、5052は海洋環境下で優れた耐腐食性と多くの硬質状態でより高い強度を提供します。塩素イオン耐性が最優先される場合は5052を選択し、成形加工やコストを重視する場合はA3004を選ぶのが適しています。
6061や6063のような熱処理可能合金と比較すると、A3004は溶体化処理や時効処理の複雑さと加工コストを正当化できない場合に選ばれます。加工性に優れたシート材料として適度な最終強度を必要とする用途にA3004を使用し、高いピーク強度や高温での構造性能を求める用途には6061や6063を使用します。
まとめ
A3004は、高延性の商用純度材料とより複雑な熱処理可能合金の間のニッチを埋める、実用的で広く使用されている3xxx系アルミニウム合金です。管理された化学成分と信頼できる加工硬化特性により、建築用、空調設備、自動車および一般消費財の成形、塗装、溶接部品において経済的な選択肢となっています。量産製造において、加工性、中程度の強度、コストパフォーマンスの最適な組み合わせが求められる場合に設計者はA3004を選択します。