アルミニウム A360：組成、特性、焼き戻しガイドおよび用途
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総合概要
A360は主に鋳造および圧延形態で使用されるアルミニウム合金で、一般的にシリコン含有のAl‑Si‑Mg合金群に分類されます。その化学成分はシリコンとマグネシウムを主な合金元素としており、これにより析出硬化と鋳造性を実現しています。この合金は熱処理が可能であり、冷間加工によらず溶体化処理、急冷および人工時効によって強度を高めます。主な特性は優れた鋳造性、良好な強度対重量比、多くの環境での良好な耐食性、適切な溶接材料と技術を用いた場合の許容できる溶接性です。
A360を指定する代表的な業界は、自動車（トランスミッションやハウジング鋳物）、家庭用電化製品の筐体、産業用部品、海洋機器などで、鋳造性と妥当な機械的性能の組み合わせが求められる用途です。設計者は複雑な形状を経済的に鋳造で製造しつつ、鋳造後の熱処理による強度向上を期待してA360を選択します。強度の高い圧延合金と比べてコストが低く鋳造性に優れ、純アルミニウムと比較すると導電性や成形性は犠牲にするものの、時効後の強度ははるかに高くなります。
硬質状態の種類
| 硬質状態 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼きなまし後の状態で、溶体化処理とゆっくり冷却後に最大の延性を持つ |
| T4 | 中 | 高 | 良好 | 良好 | 溶体化処理後自然時効した状態で、良好な成形性を維持 |
| T5 | 中〜高 | 中程度 | ふつう | 良好 | 鋳造後に冷却し人工時効した状態で、鋳型から直接取り出した鋳物に使用 |
| T6 | 高 | 中〜低 | 制限あり | 良好 | 溶体化処理後に人工時効しピーク強度に達した状態 |
| T651 | 高 | 中〜低 | 制限あり | 良好 | T6の応力除去処理として伸び加工を行ったもので、変形制御が必要な場合に使用 |
| Hxx (例：H14) | 中 | 低減 | 制限あり | 良好 | 圧延材に適用されるひずみ硬化および部分焼戻しの状態 |
硬質状態はA360の強度と延性のバランスを予測可能に変化させます。焼なまし（O状態）は成形のための最大伸び率を与え、T6/T651は成形性を犠牲にして高い降伏強さおよび引張強さをもたらします。鋳造部品では、鋳造と最小限の機械加工および機械的性能を実現する人工時効を組み合わせられるため、T5およびT6が最も一般的な生産硬質状態です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 6.5 – 9.5 | 主要合金元素で流動性、鋳造性、時効後の強度を向上 |
| Fe | 0.2 – 0.8 | 不純物であり析出物を形成。脆性を抑えるため管理 |
| Mn | ≤ 0.5 | 晶粒構造制御と有害なFe相の抑制を目的に添加 |
| Mg | 0.2 – 0.6 | Mg2Si析出硬化を可能にし、強度に寄与 |
| Cu | ≤ 0.3 | 少量添加で強度増加も耐食性低下の可能性あり |
| Zn | ≤ 0.2 | 通常低濃度で、過剰なZnは熱割れや応力腐食割れリスクを低減するため避ける |
| Cr | ≤ 0.25 | 特定硬化状態で晶粒構造および再結晶の制御に寄与 |
| Ti | ≤ 0.2 | 鋳造および圧延製造で主要組織の微細化を促進 |
| その他 | 残部Al、微量元素管理 | Ni、V、Srの微量含有により共晶修正や特性調整が行われる場合あり |
シリコンはAl‑Si共晶組織の基体を形成し、A360の鋳造性と寸法安定性を向上します。マグネシウムはシリコンと結合してMg2Si析出物を形成し、人工時効中の主な強化メカニズムとなります。微量元素や不純物は晶粒径、鋳造組織の形態および二次相析出を左右し、それが靱性、切削性および粒界欠陥の発生感受性を制御します。
機械的性質
A360は典型的な析出硬化型の挙動を示し、焼なまし状態では低強度ですが溶体化処理と人工時効により強度が上昇します。T6状態ではMg2Si析出物により転位の動きが抑制され、設計された引張特性を獲得します。降伏強さおよび引張強さは断面厚さと冷却速度に依存し、薄肉部品ほど急冷され高強度を達成しやすい傾向にあります。
延性（破断伸び）は硬質状態の上昇およびシリコン含有率の増加とともに硬くなる共晶シリコン粒子の存在により低下します。硬さは引張強さと同様の傾向をとり、鋳造品では時効状態を確認するためにブリネル硬さ（HB）やロックウェル硬さ（HRC）で測定されることが多いです。疲労性能は鋳造時の気孔、表面仕上げおよび熱履歴に敏感であり、気孔は主要な疲労亀裂発生源となって焼なまし状態では耐久限度を大幅に低下させます。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的硬質状態（例：T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 120 – 180 MPa | 250 – 360 MPa | 断面厚さ、気孔率、組成の違いで変動 |
| 降伏強さ | 60 – 120 MPa | 170 – 260 MPa | 降伏強さはMg含有量と時効スケジュールに強く依存 |
| 伸び率 | 10 – 25％ | 4 – 12％ | 時効進行およびシリコン粒子の成長に伴い低下 |
| 硬さ | 40 – 60 HB | 80 – 120 HB | 硬さは析出物密度および共晶シリコンの形態に相関 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.68 g/cm³ | Al‑Si合金として典型的な密度。合金元素で僅かに変動 |
| 融解範囲 | 約575 – 655 °C | シリコン含有量により共晶部およびα‑Alの液相線と固相線が分布 |
| 熱伝導率 | 約120 – 150 W/(m·K) | シリコンおよび二次相が純アルミより熱伝導率を低下させる |
| 電気伝導率 | 約30 – 45 %IACS | 合金化により純アルミより低下。硬質状態により変動 |
| 比熱 | 約0.88 – 0.92 J/(g·K) | 純アルミニウムに近い値 |
| 熱膨張係数 | 約21 – 24 ×10⁻⁶ /K | 比較的高い熱膨張率。熱サイクルを伴う組立設計での考慮が必要 |
A360の密度と比熱は多くのアルミ合金に近く、軽量かつ適度な熱容量が要求される用途に適しています。熱伝導率は多くの熱管理用途に十分ですが、シリコン粒子および相が純アルミや高伝導性圧延合金に比べて熱伝導率を低下させます。融解範囲と凝固挙動はシリコン含有量および共晶組成に直接依存し、鋳造収縮や給餌設計に影響を与えます。
製品形状
| 形状 | 一般的厚さ・サイズ | 強度特性 | 代表的硬質状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材 | 0.5 – 6 mm（限定的） | 加工制限のため比較的低い | O、T4 | A360の圧延板はあまり一般的でなく、圧延後に薄肉化が可能 |
| 鋳造プレート | 6 – 50 mm | 厚肉部では冷却遅延により強度が低下 | O、T5、T6 | 厚い鋳造プレートは軟化芯発生を避けるため熱処理に注意が必要 |
| 押出形材 | 断面最大約200 mm | 形状の肉厚と急冷に依存 | T4、T6 | 押出品はあまり一般的でなく、A360は主に鋳造またはダイカストで使用 |
| チューブ | 鋳造に適した直径 | 変動 | O、T6 | 鋳造によるハウジング用途の管形状で、構造用シームレス管ではない |
| 棒材／丸棒 | 多様 | 時効後に良好な強度 | T6 | 小型機械部品向けに棒材が生産される場合あり |
加工方法は機械的性能に大きく影響します。A360の鋳造品は鋳型設計、急冷、気孔制御により安定性を高める一方、圧延および押出品は溶体化処理および時効を経て強化されます。設計者は製品形態を製造能力に合わせる必要があり、薄肉の複雑な鋳物は流動性を活かせますが、大型で厚肉部品は特別な熱処理・急冷戦略を要します。
同等品等級
| 規格 | 等級 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | A360 | USA | Aluminum Associationによる合金系統の指定 |
| EN AW | AC‑42100 / AlSi9Mg? | Europe | 正確な化学組成によりAlSi9Mg系で近似等価品が存在 |
| JIS | ADC9/ADC12変種 | Japan | Si‑Mgバランスが類似する日本の鋳造用鋼種を機能的等価品として使用 |
| GB/T | ZL102 / AlSi9Mg? | China | 中国の鋳造規格には同等の性質を持つAlSi9Mg系鋼種を含む |
正確な一対一の等価品は特にMgおよびCu含有量の組成に依存し、また鋳造品か鍛造品かの用途によって異なります。欧州のEN規格および中国のGB/T規格では、通常はシリコンおよびマグネシウム含有量の範囲や機械的性質の目標値を基準とし、単に標準的な合金名だけで判断しません。
耐食性
A360は適切に仕上げおよびコーティングを施すことで、Al‑Si‑Mg合金に典型的な大気中一般耐食性を示します。微細組織中のシリコン存在は自然の保護被膜である酸化アルミニウム膜を大きく損なうことはありませんが、樹枝状組織間相や鋳孔の露出部分は局所的な陽極部位を形成する可能性があります。表面処理や鋳孔の封止は長期的な大気耐久性のために重要です。
海水および塩素イオン環境下ではA360は一定の性能を発揮しますが、より高いMg含有量を持つAl‑Mg系鍛造合金（例えば5052）に比べ局所的腐食に対して脆弱です。応力腐食割れは通常の使用条件下ではA360で顕著な破損機構ではありませんが、ステンレス鋼や銅などより貴な金属との接触で電気化学的腐食が加速することがあります。保護コーティング、陽極酸化処理、陰極防食設計がこれらのリスクを軽減します。
6xxx系鍛造合金と比較して、A360はCu不純物および鋳孔の影響で同等または若干低い耐食性を示すことがあります。鋳造部品は隙間形状を避け、鋳孔の環境への露出を最小限に抑える設計が望まれます。
加工性
溶接性
A360は一般的な溶接法（MIG/GMAW、TIG/GTAW）で溶接可能ですが、フィラー材の選定と熱入力には注意が必要です。ER4043（Al‑Si）などのAl‑Si系フィラーが基本材のシリコン含有量に適合し、熱割れリスクを低減するため標準的に使用されます。厚肉部や高シリコンが低融点の共晶を促進する場合、熱割れが発生することがあります。予熱や熱入力制御で残留応力と割れを抑制します。
切削性
A360の切削性は他のアルミ鋳造合金に比べ良好で、シリコンが摩耗耐性と切りくず制御を助けます。正の切れ角を持つ超硬工具、剛性の高い固定、適切な切削速度で最良の表面仕上げが得られます。シリコン粒子は工具摩耗を促進するため、大量加工時には工具寿命管理や冷却剤の使用が重要です。
成形性
A360の鍛造品における成形性は、低合金で高延性の鋼種に比べ制限されます。OおよびT4状態が最も良好な冷間成形性を示し、曲げや絞り加工に適します。鋳造部品の場合は小規模な修整にとどまり、設計者は正確な形状の鋳造と最小限の後加工を推奨します。
熱処理特性
A360はAl‑Si‑Mg系析出硬化型の熱処理が可能です。固相線近傍（520～540 °C）で固溶処理を行い、Mg2Siの溶解および組織の均質化を目的とします。この時、過融解を避ける必要があります。固溶処理後は急冷し、マトリックス中にMgとSiの過飽和状態を保持します。
人工時効（T6）はおよそ150～185 °Cの範囲で、最適な硬さおよび引張強さを得るための時間で行います。過時効は強度低下と延性向上をもたらし、熱安定性を改善します。T系熱処理状態（例：T5からT6への変遷）は析出物の大きさおよび分布を変化させ、設計者は強度、変形抑制、切削性のバランスで選択します。
非熱処理用途ではA360を最大の延性を得るためにアニーリング（O状態）できます。加工硬化での強化は限定的であり、この合金群では析出硬化が主な高強度獲得手段です。
高温特性
A360は温度上昇に伴い強度が著しく低下し、荷重支持用途では概ね150 °C以下の連続使用に限定されます。これを超える温度では析出物の粗大化および過時効が進行し、降伏強さ・引張強さが低下しクリープ耐性も悪化します。短時間の高温曝露は許容されますが、繰り返し熱サイクルは微細組織の変化を促進します。
空気中の酸化は保護的な酸化アルミ被膜により抑制されますが、高温に長時間曝露すると表面酸化物の化学組成が変化し、微細組織の粗大化を通じて疲労耐性が低下します。溶接の熱影響部はピーク時効状態の基材の場合、局所的に軟化します。溶接後の固溶処理および時効処理や適切なフィラー材の選択で性能を回復できます。
用途例
| 産業 | 代表部品 | A360が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 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 | 優れた鋳造性、時効後の良好な強度、複雑形状のコスト効率 |
| 海洋 | 小型構造鋳造部品、ブラケット | 適度な耐食性と軽量で重量制約部品に適切 |
| 航空宇宙 | 非重要フィッティング、ハウジング | 重量対強度が良好で複雑形状の鋳造が容易 |
| 電子機器 | エンクロージャーおよびヒートスプレッダーハウジング | 鋳造による良好な熱伝導率と寸法精度 |
| 家庭用電化製品 | モーターハウジング、ポンプボディ | 低コスト、良好な鋳造表面仕上げと十分な機械的性能 |
A360は経済性、鋳造性、十分な機械的強度の組み合わせが求められる用途に使用されます。特に高強度鍛造合金での製造が高コストまたは困難な複雑な鋳造形状部品に好適です。
選択のポイント
鋳造可能で時効処理により有効な強度を得つつ良好な寸法安定性と許容される耐食性を持つアルミニウム合金が必要な場合にA360を選択してください。中量〜大量生産の複雑かつ正確な鋳造部品に実用的な選択肢です。
市販純アルミ（1100）と比較すると、A360は電気および熱伝導率や成形性を若干犠牲にする代わりに、時効後に大幅に高い引張強さと降伏強さを提供します。3003や5052など加工硬化型合金に対しては、A360は熱処理による高度な強度獲得が可能ですが、延性は一般に劣り、シリコンや鋳孔が影響する異なる耐食挙動を示します。6061などの代表的な熱処理型鍛造合金に比べると、A360はピーク強度は劣るものの、鋳造コストおよび複雑形状部品の生産においては加工・製作費用を抑えられる利点があります。
総括
A360は優れた鋳造性と析出硬化能力を融合し、経済的に強度、寸法精度、耐食性を兼ね備えたエンジニアリング合金として有用です。特に自動車、海洋、消費財分野でコストに敏感な複雑形状部品に価値を発揮します。