アルミニウム A357：組成、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

A357は熱処理可能なアルミニウム・シリコン・マグネシウム鋳造合金であり、ヨーロッパ表記ではAlSi7Mg、ASTM/ASMEリストではAA A357として一般的に指定されています。これはAl–Si–Mg系鋳造合金の一種で、主合金元素はシリコンで、マグネシウムが析出硬化を可能にするため添加されています（しばしば3xx/4xx系の圧延材合金と合金特性で概念的に区分されますが、正式には鋳造合金として認識されています）。

A357の強化は主に固溶体熱処理の後に急冷し、人工時効（析出硬化）によってMg2Si析出物を生成することで達成されます。また、修正剤（Sr、Na）や粒子細化剤（Ti、B）による特性調整も可能です。主要な特徴として、T6/T651の調質で有利な比強度、良好な鋳造性および寸法安定性、大気環境下での適度な耐食性、適切なフィラー材を使用した場合の一般的な溶接性が挙げられます。一方で、ピーク時効状態では圧延材に比べ形状成形性は制限されます。

主な用途分野は、自動車のパワートレイン及び構造用鋳造部品、航空機の二次構造部品やブラケット、一般産業用鋳造部品、さらには鋳造部品が好まれる海洋用途や消費財に及びます。設計者は、複雑な形状の鋳造品で高い静的強度、適度な疲労特性、良好な鋳造面仕上げのバランスを求める場合や、高強度の航空宇宙用合金に見られる銅や亜鉛の増加がない熱処理調質（T6/T651）が必要な場合にA357を選択します。

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	完全焼なまし状態で、成形や機械加工に最適。
T4	中	中～高	良好	良好	固溶体熱処理後、自然時効させた中間特性。
T5	中～高	中	普通	良好	鋳造後に冷却し人工時効した状態。固溶体処理を行わない場合に使用。
T6	高	低～中	制限あり	良好（後熱処理を要することが多い）	固溶体処理後、急冷し人工時効してピーク強度を得た状態。
T651	高	低～中	制限あり	良好（後熱処理を要することが多い）	T6に応力除去伸張を加えた調質で、寸法安定性が求められる鋳造品に一般的。
F	可変	可変	可変	可変	加工後の状態。後の処理によって特性が異なり標準化されていない。

調質は機械的特性や加工性に大きな影響を与えます。固溶体処理と時効のサイクルによりMg2Siが析出して強度を向上させる反面、延性が低下します。完全焼なまし（O）状態は延性や成形性、機械加工性を最適化しますが、T6/T651は高い引張強さと降伏強さを最大化する代わりに伸びや成形性が制限されます。溶接時は局所的な再時効または溶接後の熱処理が一般に必要です。

化学組成

元素	含有範囲（％）	備考
Si	6.5–7.5	主合金元素で、鋳造性、流動性、合金強度（共晶シリコン）を決定。
Fe	≤0.20–0.30	不純物で、脆化や延性低下を引き起こすFeリッチ金属間化合物を形成。
Mn	≤0.10	微量元素で、Fe系金属間化合物の形態を修正するのに寄与。
Mg	0.35–0.60	Mg2Si析出による強化をもたらし、熱処理反応を制御。
Cu	≤0.20	通常低含有で、強度は向上するが耐食性低下および応力腐食割れリスク増加あり。
Zn	≤0.10	主に残留成分で、このレベルでは強化効果は限定的。
Cr	≤0.10	粒子構造制御に寄与し、加工中の粒成長を抑制。
Ti	0.02–0.10	凝固時の粒子細化に使用（Ti-B系が一般的）。
その他（各々）	≤0.05–0.15	残留元素および修正剤（シリコン修正用Sr、約0.01％含有）。

合金化学成分は鋳造性、熱処理反応性、および耐食性のバランスを最適化しています。シリコンが共晶組織を形成し流動性を促進、マグネシウムが析出硬化の基盤となり、銅・鉄の低含有により耐食性低下と金属間化合物脆化を抑制しています。

機械的性質

A357は調質と鋳造方法により引張強さおよび降伏強さに大きな差があります。T6/T651条件では、Mg2Si析出物の微細分散と共晶シリコンの粒子細化により、鋳造Al–Si–Mg合金としては比較的高い引張強さ・降伏強さを実現します。一方、焼なまし状態では大幅に高い伸びと低い降伏強さを示します。硬さは引張強さに連動し、時効により顕著に上昇します。Brinell硬さやビッカース硬さはO状態の軟らかく加工しやすいレベルからT6で大幅に向上します。

A357の疲労特性は、制御されたシリコン形態と熱処理により割れ始点が減少するため、より脆い過共晶Al-Si鋳造合金より優れています。ただし、疲労寿命は鋳造欠陥、空隙率、表面仕上げの影響を受けやすいです。鋳造時の厚みや部断面寸法は冷却速度に影響し、微細構造および機械的性質に関わります。厚断面は冷却が遅く、より粗いシリコンと時効後の強度低下をもたらします。

表面状態、鋳造後の修正、空隙低減技術（真空鋳造、脱ガス処理、適切な湯道設計）は、構造部品の機械的均一性と疲労性能を直接向上させます。

特性	O（焼なまし）	代表調質（T6/T651）	備考
引張強さ（MPa）	140–190	260–320	鋳造方法や断面厚みで幅広い範囲。
降伏強さ（MPa）	60–110	200–260	固溶体処理・時効後に大幅に向上。
伸び（％）	10–18	4–8	ピーク時効状態で延性低下。破壊モードは通常延性・脆性混合。
硬さ（HB）	40–70	85–120	時効および共晶シリコン形態の細化によりBrinell硬さ上昇。

物理的性質

特性	値	備考
密度	2.65–2.68 g/cm³	Al–Si鋳造合金として標準的な値で、質量・重量計算に有用。
融点範囲	約560–635 °C	固相線・液相線はシリコン含有量や修正剤量に依存し、共晶が凝固範囲を決定。
熱伝導率	120–150 W/m·K	合金化とシリコン添加により純アルミより低いが、鋼材に対しては良好な放熱特性。
電気伝導率	約30–40 % IACS	純アルミより低下しており、冷間加工や合金元素添加でさらに減少。
比熱	約0.89 kJ/kg·K	アルミ合金として標準的な値で、熱計算に利用される。
熱膨張係数	22–24 µm/m·K	他のAl–Si合金と同程度の線膨張率で、異種材料との接合設計時に重要。

物理的特性は、軽量かつ熱伝導性を備えた金属が求められる用途にA357を適した材料にしています。一方、純アルミのような完全な電気伝導性は必要ない場合に選択されます。熱膨張や熱伝導率は鋼材や複合材料、コーティング材との組み合わせ設計時に必須のデータであり、異膨張に起因する応力やシール不良を防止します。

製品形態

形態	代表的な厚さ／サイズ	強度特性	一般的な調質	備考
シート	稀; 薄型鋳造品 1–6 mm	変動的; 一般的に圧延シートより低い	O, T5	供給が限定的で、特殊な鋳造シート工程に用いられる。
プレート	6–100 mm（鋳造プレートセグメント）	断面に依存した特性	O, T6/T651	プレート状の鋳造品は厚断面で粗大化により特性が低下する。
押出形材	一般的ではない	該当なし	—	A357は押出成形に通常用いられず、組成や鋳造に特化しているため適さない。
チューブ	ビレットから鋳造または機械加工される; サイズは多様	鋳造および熱処理に依存	O, T6	鋳造チューブは圧延チューブよりも稀で、複雑な断面形状に使用される。
バー／ロッド	鋳造ビレットおよび鍛造品	変動的; 熱処理可能	O, T6	しばしばインゴットやビレットとして生産され、後に機械加工されて部品となる。

A357は主に鋳造合金であり、市販される形態は砂型鋳造、恒温鋳造または精密鋳造およびインゴット／ビレットが中心です。処理方法（例：恒温鋳造と砂型鋳造）の違いにより冷却速度が変わり、それが微細構造や最終の機械的性質に影響を与えます。設計時には鋳造方法、断面厚さ、調質を用途の負荷や疲労環境に合わせて選定する必要があります。

相当等級

規格	等級	地域	備考
AA	A357	アメリカ	鋳造用の一般的なASTM呼称で、航空宇宙や自動車規格で使われる。
EN AW	AlSi7Mg	ヨーロッパ	一般的なヨーロッパの相当品。組成の許容差や熱処理手順が異なる場合がある。
JIS	ADC10/ADC12（概算）	日本	ADCシリーズはダイカスト合金でSi含有量が類似。ADC12はCuが高く、特性が異なる。
GB/T	AlSi7Mg（またはA357類似品）	中国	現地規格はENやASTMに類似するが、化学成分や機械的許容差はメーカーにより異なる場合がある。

各規格間の相当は概算であり、鋳造手法、含有不純物の限度、熱処理プロトコルが地域や規格団体により異なります。設計者は重要部品の代替時に機械的性質や熱処理指示をクロスチェックし、機能的な同等性を確保する必要があります。

耐食性

A357はシリコンを多く含むマトリックスと低い銅含有により、一般的な大気環境下のアルミ鋳造合金として良好な耐食性を示します。自然に形成される酸化アルミニウム被膜が基礎的な防護を提供しますが、被膜の破壊が起きる介在物や鋳造欠陥部では局所的な腐食が発生することがあります。

海洋環境や塩化物を含む環境下ではA357は中程度の耐食性を示しますが、Al–Mg系5xxxシリーズなどの専用海洋合金ほどの堅牢さはありません。塩水噴霧や波しぶきが長期にわたる場合には、ピット腐食防止のために保護塗装、アルマイト処理、または陰極保護が必要です。応力腐食割れ（SCC）の感受性は銅含量が低くMgレベルも中程度のため比較的低いものの、高い引張応力と過酷な環境の組み合わせにより重要部品ではSCCが発生する可能性があります。

異種金属接触に起因する電食には注意が必要です。ステンレス鋼や銅合金などより貴な金属と接触した場合、A357は陽極となり、電解質に曝されると選択的に腐食します。加速腐食を避けるために絶縁材料や保護被膜の適用が一般的です。圧延6xxx系合金と比較すると同等の耐食性を持ちますが、鋳造に伴う気孔や介在物分布により局所的な腐食が発生しやすい点は留意が必要です。

加工特性

溶接性

A357はTIG（GTAW）やMIG（GMAW）など一般的な溶接方式で溶接可能で、適切な溶加材を使用します。Al–Si鋳造合金には、シリコンの適合性を促進し高温割れを減少させるためにER4043（Al–5Si）が広く使われています。鋳造合金は固化制約と粗大な共晶組織により高温割れのリスクが中程度であるため、溶接前の清掃、良好な継手設計、熱入力制御が不可欠です。T6材では局所加熱により析出物が溶解して熱影響部（HAZ）が軟化するため、溶接後の固溶化処理および時効処理や局所的な人工時効処理で機械的性質の回復が推奨されます。

切削加工性

A357の切削加工性は多くの高シリコン鋳造合金に比べ良好です。これはシリコン含有量と共晶形態の改善により過共晶合金に比べ工具摩耗が抑えられるためです。陽面角を持つ超硬工具と高速切削が効率の良い加工を可能にします。フラッド冷却やミスト潤滑を併用すると切屑排出と工具寿命が向上します。T6材の大断面加工では硬さや切屑の制御が重要で、ポケットや薄板部はチャタリングや変形を防ぐ設計が望まれます。

成形性

T6／T651などのピーク時効調質では靭性低下により冷間成形性は限定的ですが、焼なまし（O）や固溶化処理状態（T4）では良好な曲げ性や伸展成形性を示します。典型的な推奨最小曲げ半径は板厚や調質に依存し、一般に展延性に優れる圧延合金より大きめです。設計者は通常、O調質で成形し、最終形状や機械的要求を満たすために熱処理を行う工程を指定します。鋳物のインクリメンタル成形も可能ですが、熱と残留応力の厳密な管理が求められます。

熱処理挙動

A357は熱処理可能な鋳造合金で、T6/T651調質を得るために一般的なAl–Si–Mgの熱処理サイクルに反応します。固溶化処理は通常520–540 °C付近で行い、十分な時間でMgを溶解しシリコンネットワークを部分的に変形させます。時間は断面厚に依存し、均質化と低融点成分の部分溶融のバランスをとる必要があります。急冷により溶質元素は過飽和固溶体に閉じ込められ、150–200 °Cで人工時効を行うことで微細なMg2Si析出物が形成され、目標強度が発現します。

T5調質は鋳造冷却後の人工時効で得られ、完全な固溶化処理が難しい場合に用いられます。T651は急冷後に応力除去のための引張伸びを加え、残留応力の低減と寸法安定性を向上させます。これはダイカストや高精度鋳物で重要です。高温過時効や長時間時効は析出物の粗大化を引き起こし、最大強度低下および靭性向上をもたらします。

高温特性

A357の機械的性質は析出物の粗大化と溶質強化効果の低下により温度上昇とともに徐々に劣化します。静的強度は概ね125–150 °Cまで維持され、それ以上の温度では著しい軟化が見られます。高温でのクリープ耐性は控えめで、高温用のアルミニウムやニッケル合金に比べ劣り、約150 °C以上の長期荷重用途には推奨されません。

高温では安定な酸化被膜（アルミナ層）の形成により酸化は制限されますが、長時間露露での表面スケーリングや過酷な雰囲気との反応が課題となることがあります。溶接や局所的な熱処理により熱影響部の微細構造が変化し、該当部に強度低下や高温下でのクリープ・疲労感受性増加が生じることがあります。

用途

産業分野	代表部品例	A357を用いる理由
自動車	トランスミッションハウジング、ポンプハウジング、構造ブラケット	優れた鋳造性、T6後の高強度、複雑形状のコスト効率の良い生産。
海洋	ギアボックスハウジング、ポンプ部品	合理的な耐食性と塗装下での良好な強度対重量比。
航空宇宙	継手、ブラケット、非重要構造ハウジング	T651の熱処理強度と寸法安定性が重要度の低い構造部に適合。
電子機器	ヒートシンクや筐体	熱伝導性と鋳造形状により統合熱管理に寄与。

A357は鋳造による形状自由度を活かし、T6レベルの静的特性を要求される用途や、軽量化と熱性能向上がシステム全体の利点となる領域で好まれます。鋳造品質設計と後加工の適切な管理により、多様な産業で安定した性能を実現しています。

選定のポイント

A357を選定する際は、熱処理による強度と適度な耐食性、優れた鋳造性が求められる鋳造部品に主に適している点を考慮してください。T6/T651の時効処理による中強度かつ複雑形状部品の寸法安定性向上に適した良い選択肢です。展延性や成形性を優先する用途では、OまたはT4硬さ指定をするか、代わりに鍛造合金を選択してください。長期間の高温使用や極端な疲労環境には他の材料を検討した方がよいでしょう。

一般純度アルミニウム（1100）と比較すると、A357は電気伝導性や熱伝導性、優れた成形性を犠牲にする代わりに、熱処理後のはるかに高い強度と優れた寸法安定性を実現しています。3003や5052のような一般的な加工硬化系合金よりも、A357は時効強化によるピーク強度が大幅に高いですが、塩化物環境下では耐食性において同等かやや劣る場合があります。鋳造の複雑さと強度が広範な冷間成形よりも重要な場合にA357を使用してください。6061や6063のような普及した熱処理可能な鍛造合金と比べると、A357はより優れた鋳造性と類似の析出強化機構を持ち、ピーク強度は若干劣るものの複雑な鋳造形状や軽量化が求められる場合に適しています。

まとめ

A357は、優れた鋳造性と堅牢な熱処理応答により、高い静的強度、適度な疲労性能、許容できる耐食性を多くの構造・機械部品に提供するため、現在でも広く利用されている鋳造アルミニウム合金です。適切な鋳造方法、硬さ指定、後加工処理の選定により、成形性や高温性能の制約を管理しつつ、その強みを最大限に活用することが可能です。