アルミニウム A380:組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
A380は、3xxx系、6xxx系、7xxx系のような従来の鍛造系列ではなく、Al-Si-Cu系に属する商業用ダイカスト用アルミニウム合金です。主にADC12やEN AC‑46000と並んで言及されることの多いAl–Si鋳造合金に分類され、複雑な形状や寸法精度が要求される大量生産向けのダイカスト用途に適しています。
主な合金元素は、共晶から過共晶範囲のシリコン(Si)と、析出硬化を可能にする銅(Cu)です。鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、微量のチタン(Ti)やマンガン(Mn)は鋳造特性と微細組織の制御に寄与します。強化機構は、鋳造時の微細組織(共晶Siおよび金属間化合物)、Cu/Mgによる限定的な析出硬化、および二次加工による若干の加工硬化効果の混合であり、A380は純粋な鍛造加工で加工硬化させる合金ではありません。
A380の主な特長は、良好な鋳造性、ダイカスト時の優れた寸法安定性、鋳造合金としては中程度から高い静的強度、多くの筐体・ハウジング用途に適した適度な熱伝導性および電気伝導性、そして一般的な大気環境での許容できる耐食性です。溶接性や成形性は、鍛造アルミニウム材種と比較してやや制約があり、溶接修理や鋳造後熱処理も可能ですが、工程管理が必要です。
A380を使用する代表的な業界は、自動車(トランスミッションケース、ハウジング、ブラケット)、家電(筐体)、小型エンジンやポンプのハウジング、形状やコストが重視される一般産業用鋳造部品などです。エンジニアは、鋳造性、寸法精度、十分な強度、低単価のバランスが、高い延性や高温耐性よりも重要な場合にA380を選択します。
硬化状態のバリエーション
| 硬化状態 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O(焼鈍状態) | 低い | 高い | 限定的な成形に適す | 良好(注意が必要) | 炉内焼鈍により軟化;最終的なダイカスト部品としては稀に使用 |
| As‑Cast(鋳造状態) | 中程度 | 低~中程度 | 限定的 | 普通 — 気泡の問題あり | ダイカスト納入時の代表的コンディション;微細組織が強度を制御 |
| T5(人工時効) | 中〜高い | 低い | 限定的 | 普通 — フィラー材の選択が重要 | 完全な固溶処理なしで機械的性質向上に用いられる |
| T6(固溶処理+時効) | 高い | 低い | 不良 | 困難 — 熱影響部軟化あり | 強度向上は可能だが、変形や気泡開口のリスクあり |
| H(冷間加工、限定的) | 中程度 | より低い | 不良 | 該当なし | ダイカスト品には稀;局所変形に限定的に使用 |
硬化状態は、微細組織の変化と析出挙動により、強度と延性の相対的バランスを変化させます。鋳造状態は寸法の忠実度が最も良く、T5は変形を抑えつつ強度を高め、完全なT6は強度を最大化しますが、処理工程の増加、変形リスクの上昇、鋳造孔隙の影響で効果は限定されます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲(%) | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 7.5–9.6 | 流動性と収縮を制御する主要元素;共晶・微細Si相を形成 |
| Fe | 0.6–1.3 | 不純物で金属間化合物(β‑AlFeSi)を形成し、延性や孔隙許容度に影響 |
| Mn | ≤0.35 | Fe系金属間化合物の形態を制御;靭性をわずかに向上 |
| Mg | 0.1–0.45 | Cuと組み合わせて時効硬化に貢献;小さな強化効果 |
| Cu | 1.5–3.5 | 時効硬化と強度向上の主要因子 |
| Zn | ≤0.2 | 微量;固溶強化にわずかに寄与 |
| Cr | ≤0.1 | 一部変種で結晶粒や再結晶制御に微量添加 |
| Ti | 0.02–0.2 | 鋳造時の結晶粒細化剤として使用 |
| その他 | 残部Al(微量Pb/Sn ≤0.05) | アルミニウムがバランス;鋳造の清浄度管理のため微量元素を制御 |
Si含有量は鋳造特性(流動性、給餌性、収縮)を制御し、Si粒子の大きさ・形態が強度と疲労耐久性に影響を与えます。CuとMgは人工時効による析出硬化を可能にしますが、鋳造欠陥や金属間化合物が延性や疲労寿命を鍛造材より低下させるため、熱処理の効果は限定的です。
機械的性質
A380は中程度のダイカスト合金に典型的な引張挙動を示し、鋳造品としては比較的高い引張強さに対し、降伏強さは低~中程度、伸び率は限られています。引張強さと降伏強さは鋳造条件、孔隙率、硬化状態に強く依存し、水素や酸化物の封入が抑制された密度の高い鋳造品は耐久性と強度が向上します。
伸び率は鍛造アルミと比べて一般に低く、伸び破断は鋳造・熱処理状態で通常1~6%の範囲で、焼鈍により僅かに向上しますが強度は低下します。硬さは硬化状態や熱処理に連動し、焼鈍状態で中程度からT5/T6時効後に高くなりますが、脆い金属間化合物と粗大Si相が靭性と疲労耐久性を制限します。
疲労性能は表面状態と鋳造欠陥に敏感であり、同等の静的強度を持つ鍛造合金と比べて低いことが一般的です。ホットアイソスタティックプレス、ショットピーニング、表面欠陥除去のための機械加工により改善可能です。板厚や断面寸法は冷却速度と微細組織に影響し、薄肉部は急冷で微細組織が細かくなり多少良好な機械的性質を示すのに対し、厚肉部品は孔隙や粗大な共晶組織の影響を受けやすいです。
| 特性 | O/焼鈍 | 主要硬化状態(鋳造/ T5 / T6) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (UTS) | 135–220 MPa | 250–340 MPa | 鋳造条件や孔隙率で幅広く変動;上限はT5/T6 |
| 降伏強さ (0.2% オフセット) | 55–125 MPa | 110–210 MPa | T6では析出により降伏強さ向上;鋳造状態は微細組織に依存 |
| 伸び率 | 4–12% | 1–6% | 鋳造品の延性は限定的;焼鈍で改善するが強度は低下 |
| 硬さ (HB) | 50–85 HB | 75–110 HB | 人工時効で硬さ向上;金属間化合物による局所的なばらつきあり |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.78 g/cm³ | Si、Cu、Feの含有で純アルミニウムよりやや高い |
| 融点範囲 | 約500–575 °C | 共晶温度付近で部分融解・共晶開始;合金成分により固相線・液相線の範囲が存在 |
| 熱伝導率 | 約90–120 W/m·K(25 °C) | Siや金属間化合物の影響で純アルミより低いが、筐体や放熱用途には良好 |
| 電気伝導率 | 約20–35 % IACS | 純アルミより低く、CuやSiの増加で伝導率低下 |
| 比熱 | 約0.88–0.92 J/g·K | アルミ合金として標準的;熱管理設計に関連 |
| 熱膨張率 | 約21–23 µm/m·K | 他のAl–Si鋳造合金と類似;異材接合の熱的ミスマッチ設計に配慮が必要 |
これらの物理特性により、A380は寸法安定性、中程度の放熱性、電気接地が求められる部品に適しており、軽量化も可能です。熱伝導率や比熱は熱放散用途に適しますが、純アルミと比べ熱伝導率が低いため、熱放散が主な機能の場合は設計時に考慮が必要です。熱膨張率はアルミニウム系として典型的であり、多材質組み立てでは熱応力や電食劣化を避けるための配慮が欠かせません。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材 | ほとんど供給されない | 一般的ではない | 該当なし | A380は加工板として一般的に製造されない。板材用途には5xxx/6xxx系が使用される。 |
| プレート | 限られる(薄い鋳造プレート) | 厚さにより変動 | As‑Cast / T5 | 一部に鋳造またはシキソキャストプレートがあるが稀であり、通常は機械加工が必要。 |
| 押出材 | 該当しない | 該当なし | 該当なし | A380は鋳造合金であり、押出加工には適していない。 |
| チューブ | ほとんど供給されない | 該当なし | 該当なし | ダイカストによる管材は非常に限られており、鋳造ブランクからの溶接管が時折使用される。 |
| 棒材/ロッド | 再溶解用の鋳造棒材/インゴット | 鋳造品と同等 | As‑Cast | 主にインゴットまたはショットとしてダイカスト再溶解用に供給され、加工用の棒材としては供給されない。 |
A380は基本的にダイカスト用合金であり、高圧ダイから直接製造される鋳造部品が主な製品形態です。板材、プレート、押出材などの加工材は、合金組成および鋳造微細組織が加工に最適化されていないため一般的ではなく、これらの製品形態には通常、加工用合金が選ばれます。機能的要件がある場合は、鋳造品を最終寸法まで機械加工するか、インサートや二次加工と組み合わせて、成形に依存しないことが多いです。
相当グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | A380 | アメリカ | ダイカスト業界および鋳造仕様で一般的な呼称。 |
| EN AW | EN AC‑46000 (AlSi8Cu3(Fe)) | ヨーロッパ | ほぼ相当。化学的ファミリーとFe含有量を強調した命名。 |
| JIS | ADC12 | 日本 | アジアで広く参照される相当品。Si/Cu含有量および鋳造特性が類似。 |
| GB/T | AlSi9Cu(概略) | 中国 | ローカル規格ではAlSi9Cu3または類似品が実用的相当品とされているが、化学成分がやや異なる場合がある。 |
地域間の微妙な違いは、Cu、Si、Feの許容範囲や不純物レベル、機械的性質試験方法の差異によるものです。ADC12およびEN AC‑46000は設計および調達でA380のほぼ同等品として扱われることが多いですが、化学成分範囲、一時的な熱処理オプション、機械的性質証明を確認した上で相互活用してください。
耐食性
A380はアルミニウム酸化膜による自然被膜のため一般的な大気耐食性は許容範囲であり、ピッティング因子が少ない屋内や管理された環境下で良好に機能します。銅の存在により、低銅の加工用合金と比較して耐食性は劣り、特に塩化物を含む環境や水分が滞留する堆積物がある部位で局所的な腐食が発生します。
海洋環境や高塩素環境下では、銅含有量の少ない5xxx/6xxx加工合金よりもピッティング腐食や割れ込み腐食に対する感受性が高く、長期使用には保護塗装やシーラントの指定が一般的です。応力腐食割れは一般的な使用環境では報告例が少ないものの、引張応力、高塩素活性、温度上昇が重なる場合はリスクが増加するため、構造海洋用途では保守的な設計が推奨されます。
電気化学的にはA380は多くの鋼や銅合金に対し陽極性を示し、海水や苛酷な電解質中で接触すると電気的に絶縁やコーティング、防食犠牲陽極がない限りアルミニウム成分が優先的に腐食します。耐食性を多少犠牲に寸法安定性と鋳造性を優先した合金ファミリーであり、耐食性が重要な場合は低銅合金や保護系の選定が適切です。
加工性
溶接性
ダイカストA380の溶接は可能ですが課題があります。気孔、内包ガス、酸化物を含む鋳造微細組織が溶接欠陥のリスクを高めます。TIGおよびMIG溶接はSi含有の溶接ワイヤ(ER4043やER4047など)が推奨され、シリコン豊富な母材とマッチし熱割れ傾向を抑制します。ER5356は強度向上に使用されますがAl–Si鋳造に割れ易さを増します。150~200 °Cの予熱、健全な母材までグラインダー加工、溶接後熱処理やピーニングは溶接品質向上に寄与しますが、熱影響部の軟化や気孔開口により修理強度は制限されることが多いです。
機械加工性
A380は鋳造合金としては比較的良好な機械加工性を有します。共晶Si粒子がビルドアップエッジの形成を抑え、切りくずの破砕を促進します。中程度の硬さにより純アルミより高速送りが可能です。高生産向けにはポジティブラケット形状のカーバイド工具と適切な冷却液が標準です。切削速度は他のアルミ合金と類似しますが、Si含有量や研磨性のある金属間化合物により工具寿命は影響を受けます。細かい表面仕上げは送り速度と工具形状を管理しチャタリングやシリコン粒の引き抜けを防止する必要があります。
成形性
A380の成形性は限定的で、鋳造品は加工材のような延性がありません。曲げ半径は保守的に設定する必要があり、局所的な成形加工は低伸び率のため割れや破断を生じやすく、重い冷間加工は通常避けられます。成形性向上には金型に機能を組み込む、インサートを用いる、または加工材であるより延性の高い合金を選定することが有効です。焼鈍により延性は改善されますが強度は大幅に低下します。
熱処理性
A380はCuとMgを含み一部の析出硬化が可能ですが、鋳造微細組織と気孔の影響で熱処理反応は制限されます。溶体化処理は通常495~540 °C付近で行い、可溶相の溶解を促し急冷後、150~200 °Cで人工時効することでT6またはT5状態を得ます。完全な溶体化処理の有無で条件が異なります。
実際の制約としては溶体化処理中のゆがみ、気孔および酸化皮膜の開口による寸法精度や疲労寿命の低下が挙げられ、多くのダイカストメーカーはT5(直接時効)または制御時効処理を選び、強度向上と形状安定性のバランスを取っています。非熱処理挙動の場合は炉焼鈍による軟化で加工性が一時的に向上しますが、局所的な冷間加工による硬化はわずかで、加工材の完全代替にはなりません。
高温性能
A380の強度は温度上昇に伴い低下し、負荷支持用途では連続使用温度は概ね150 °C以下が推奨されます。高温では時効構造の軟化が加速し、析出物の粗大化によって静的強度および疲労寿命の低下が起こります。200 °Cを超える長期使用は通常想定されません。アルミニウムの酸化は一般的に保護的ですが、高温では金属間化合物や異膨張により微細亀裂や組立部の密封性低下を招くことがあります。
溶接または修理箇所には過時効や軟化の起こる熱影響部が生じ、高温の温度変動はこの軟化を悪化させ荷重経路能力を低下させます。設計者は局所的強度低下を考慮し、高温域に重要なボルト結合部や溶接部を配置しないように注意してください。
用途例
| 産業 | 代表部品 | A380が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | トランスミッションハウジング、バルブボディハウジング、ブラケット | 優れたダイカスト性、寸法精度、高量産部品としてコスト効果が高い |
| マリン |