アルミニウム A390：組成、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

A390は、3xx/4xx系の鋳造用Al‑Si‑Cu‑Mg合金群に属する過共析アルミニウム-シリコン鋳造合金であり、鍛造用の6xxx系や7xxx系とは異なります。その化学成分は非常に高いシリコン含有量（通常約17～19 wt％）を主体に、銅およびマグネシウムを二次的な強化元素として含み、微量の鉄、マンガン、さらに微量のチタンを添加することで結晶粒の制御・修飾を行っています。

主要な強化機構は、Cu/Mg間相による溶体化処理および人工時効後のアルミニウムマトリックスの析出硬化と、マトリックス中に分散した硬質な一次シリコン粒子による微細構造強化です。これによりA390は、熱処理可能な鋳造合金としての特性を持ち、加工硬化された鍛造合金とは異なる微細構造および機械的挙動を示します。

主な特徴としては、大きく硬いSi粒子による高い耐摩耗性および圧縮接触強度、熱処理後の良好な寸法安定性、銅添加によって劣化するやや限定的な耐食性、そして一般的な鍛造合金に比べて限定的な延性および成形性があります。A390は一般的に自動車業界（ピストン、シリンダーライナー、耐摩耗インサート）、油圧・空圧コンポーネント、ポンプ、耐摩耗性と鋳造性が求められる一部の重負荷エンジン部品などで使用されています。

技術者は、過共析の耐摩耗性、複雑形状への鋳造性、そしてT6相当の強化状態を得られる能力を組み合わせて必要とする場合にA390を選択します。表面の滑りまたは摩耗接触下での安定性および厳密な熱寸法管理が優先される場合、より低シリコン含有の鋳造合金よりもA390が選択されます。

状態変化（Temper）

状態	強度レベル	伸び率	成形性	溶接性	備考
鋳造時（F）	低〜中	低（1〜4％）	悪い	限定的	鋳造状態の微細構造。一次シリコン粒子存在。延性はほぼ無い。
O / 焼なまし	低	中程度	Fに比べ改善	限定的	溶体化および応力除去のための焼なましによるマトリックスの軟化。
T5（鋳造後人工時効）	中	低（1〜3％）	悪い	限定的	溶体化処理をせずに冷却鋳造物に人工時効を施した状態。
T6（溶体化処理＋人工時効）	高	低（0.5〜3％）	悪い	限定的	A390のピーク強度状態。ピストンや耐摩耗部品で一般的。
T7 / 過時効	中	低（1〜4％）	悪い	限定的	ピーク強度を犠牲にして熱安定性を改善・安定化した状態。

A390において状態変化はシリコン形態およびCu/Mg析出物の分布が強度と靭性を直接支配するため、顕著な影響を及ぼします。溶体化処理後の急冷および人工時効（T6）はマトリックス強度を最大化しますが、大きな一次シリコン粒子は延性の改善にはほとんど寄与しません。

実務的には、設計者は延性と硬さ・耐摩耗性のトレードオフを図ります。熱処理を最小限にしたい場合は鋳造時およびT5状態を用い、より高い引張および降伏強さ、疲労抵抗の向上が求められる場合はT6を指定します。

化学成分

元素	含有範囲（%）	備考
Si	17.0–19.0	主要な強化および耐摩耗相。過共析組成により一次シリコン粒子が生成。
Fe	0.6–1.2	金属間化合物形成元素。過剰はもろいFe相を生成し疲労特性を低下させる。
Mn	0.2–0.6	Fe金属間化合物の修飾に寄与し、靭性を若干改善。
Mg	0.3–0.6	CuとともにMg2Siおよび複合析出物を形成し析出硬化に寄与。
Cu	3.5–4.5	主要な析出硬化元素。強度向上に寄与するが耐食性は低下。
Zn	≤0.25	微量で通常は不純物レベル。強化効果はほとんどない。
Cr	≤0.2	Feの捕集と一部溶湯の微細構造安定化に寄与。
Ti	0.02–0.12	鋳造時の結晶粒微細化剤。Alマトリックスの核生成を制御。
その他（Ni、Sr、Sr修飾剤）	≤0.5 合計	Niは高温安定性向上のため添加される場合あり。Srはシリコン修飾に使用。

高いシリコン含有により、Alマトリックスと硬質Si粒子から構成される二相微細構造となり、耐摩耗性と剛性に大きく寄与します。銅およびマグネシウムは熱処理後に析出物を形成し強度と硬さを大幅に高めます。一方、鉄およびマンガンはもろい金属間化合物を制御し、疲労や破壊特性に影響を及ぼします。チタンやストロンチウムの微量添加は鋳造工程で結晶粒微細化およびシリコン粒子形態修飾に用いられ、鋳造特性を改善します。

機械的性質

A390は過共析シリコン相の影響で引張延性は限定的ながら、高い圧縮強度と耐摩耗性の組み合わせを示します。T6状態ではCu/Mg析出物によりアルミマトリックスの降伏強さおよび引張強さが大幅に向上しますが、延性は低く、破断は脆いシリコン粒子や金属間化合物により制御される傾向があります。疲労性能は鋳造品質、多孔質の有無、一次シリコン粒子のサイズと分布に大きく依存します。表面仕上げの滑らかさや熱処理は疲労寿命を改善しますが、Si粒子制御の割れ始まり現象は残存します。

板厚や断面の大きさは強く影響し、凝固時の冷却速度が一次Si粒子のサイズと分布、及び共晶間隔を決定します。厚肉部は冷却が遅いため一次Siが粗大化し機械的性質が低下します。硬さは状態変化および微細構造に相関し、鋳造時は中程度ですが、溶体化処理と人工時効によりT6条件で著しく上昇し、耐摩耗部品に必要なHB値に近づきます。

特性	鋳造時／焼なまし（F/O）	代表的主要状態（T6）	備考
引張強さ（UTS）	140–220 MPa	280–360 MPa	T6の値は熱処理時間・温度に依存。多孔質およびSi形態によるばらつき大。
降伏強さ（0.2%オフセット）	70–140 MPa	220–320 MPa	T6で降伏強さが急上昇。鋳造時は低く変動が大きい。
伸び率（A%）	1–6%	0.5–3%	延性は低め。薄肉かつ微細化鋳造品ではやや改善可能。
硬さ（HB）	70–110 HB	110–160 HB	人工時効で硬さが上昇。高HBは耐摩耗性と相関。

物理的性質

特性	値	備考
密度	約2.75 g/cm³	銅含有により純アルミよりやや高い。高シリコンが密度を若干低減。
融点範囲（固相線〜液相線）	約520〜585 °C	過共析合金で広い凝固範囲。一次シリコンは早期に結晶化。
熱伝導率	約90〜120 W/m·K	純アルミや低シリコン合金より低い。銅およびSi粒子により減少。
電気伝導率	約25〜35 %IACS	合金化および金属間化合物により純アルミよりも低い。
比熱	約0.88〜0.95 kJ/kg·K	アルミ合金として典型的。温度や組成によりわずかに変動。
熱膨張係数（20〜200 °C）	約21〜23 µm/m·K	高シリコンの影響で若干低下。鍛造アルミよりやや小さい。

A390の複合材料に似た微細構造（Alマトリックスに硬質Si粒子）が純アルミに比べ熱伝導率および電気伝導率を低減しますが、滑り接触時の耐摩耗性および熱寸法安定性を向上させます。融点および凝固挙動は鋳造工程設計に重要であり、一次シリコンの結晶化は給餌や収縮挙動、ダイカストや永久金型鋳造時の金型摩耗に影響を及ぼします。

製品形状

形状	代表的な厚さ／サイズ	強度挙動	一般的な調質	備考
シート	一般的ではない	該当なし	該当なし	A390は薄い圧延シートとして製造されず、圧延・成形には適していません。
鋼板	限定的／厚鋳物（≥10 mm）	断面により変動	F、T5、T6	厚板鋳物は重部品向けに重力鋳造または恒久型鋳造で製造可能です。
押出材	該当なし	該当なし	該当なし	A390は鋳造合金であり、押出用途には使用されません。
管	鋳造管としては稀	変動あり	F、T6	特殊な油圧機器向けに鋳造管が可能ですが、一般的ではありません。
棒材／丸棒	インゴットバー／鍛造前材	変動あり	F、T6	通常は鋳物またはインゴットで供給され、さらに機械加工されます。圧延棒は一般的ではありません。

A390は主に鋳造形状で供給・使用されており、高圧ダイカスト、重力鋳造・恒久型鋳造、精密砂型鋳造が標準的な生産方法です。合金の高シリコン含有により熱膨張が低減され、収縮も抑えられますが、工具および金型の摩耗が増加するため鋳造実務および金型材質の選定が重要です。設計者は仕上げ加工を最小限にするためにニアネットシェイプを計画し、必要な断面厚さに応じた鋳造工程を選択してシリコンの形態や空隙を管理することを推奨します。

同等グレード

規格	グレード	地域	備考
AA	A390	アメリカ	Aluminium Associationの過共晶Al-Si-Cu-Mg合金の鋳造指定。
EN AW / EN AC	AlSi17Cu4 / EN AC-43400（概算）	ヨーロッパ	概算のEN規格簡略グレードが存在しますが、化学成分および機械的特性は各規格を確認してください。
JIS	ADCxx（概算）	日本	厳密な1対1のJIS同等はなく、類似するADC合金はありますがCu/Siバランスが異なります。
GB/T	A390（またはAlSi17Cu4）	中国	中国規格も類似した表示を用いますが、正確な規格値は現地仕様を確認してください。

国際規格間の相互参照はあくまで概算です。鋳造規格は公差、含有不純物上限、機械試験条件が異なるため、グレードを地域間で置き換える際は化学組成表や機械的性質試験条件（鋳造方法、熱処理、空隙限界など）を詳細に比較してください。

耐食性

A390はAl-Si鋳造合金として中程度の大気耐食性を有しますが、比較的高い銅含有により低銅合金に比べ耐食性が劣ります。工業用やや腐食性の低い地方環境では保護性酸化膜を形成しますが、銅や金属間化合物粒子は局所的なカソードとなり、母材が十分に被膜化されていない場合、孔食や局所腐食のリスクが高まります。

海洋環境では塩化物が孔食や割れ巣腐食を促進し、銅の存在は局所攻撃を悪化させます。海洋や塩化物が強い環境では、保護塗装、アルマイト処理（適用可能な場合）、または犠牲防食設計などの対策が通常必要です。

応力腐食割れ（SCC）は、Si強化鋳造合金では高応力かつ高強度の圧延Al-Cu合金に比べて稀ですが、鋳造・熱処理残留応力と腐食性環境が組み合わさることで空隙や大きなSi粒子など欠陥部位で亀裂を誘発する可能性があります。ガルバニック作用の検討も重要で、A390は多くのステンレス鋼やニッケル合金に対してアノードとして優先的に腐食するため、絶縁措置や適切な塗装システムを推奨します。5xxxや6xxx系圧延合金と比較すると、A390は鋳造部品において耐食性の一部を犠牲にし、耐摩耗性と強度を優先しています。

加工特性

溶接性

A390は一次シリコンと金属間化合物の存在により熱割れや融合不良が生じやすく、溶接は困難で通常は推奨されません。TIGやMIG溶接の局所融解部は脆弱な溶接金属や著しい熱影響部軟化を引き起こすことがあり、充填材は靭性と耐食性のバランスを考慮して選定する必要があります。前後処理熱処理の効果は限定的です。修理溶接には特別設計のAl-Si-Cu系充填材を用い、熱入力やパス間温度、清浄度の厳密な管理が求められますが、多くの場合は機械加工やボルト締結による修理が好まれます。

切削加工性

硬いシリコン相が切削摩耗を増加させるものの、金属除去率は高く、多くのケースで加工性は良好です。超硬工具の使用と切削油の適用が熱と切粉除去管理に推奨されます。典型的な加工指数は、脆いシリコン粒子と脆弱なマトリックスのため多くの圧延合金を上回りますが、工具寿命はシリコン粒子の形態と鋳造空隙の影響を強く受けます。剛性の高いセットアップ、PCBNまたはコーティング超硬インサート、割り込み切削戦略がA390部品に適しています。

成形性

低延性と大きな一次シリコン粒子の存在により冷間成形や通常の曲げ加工は非常に制限されます。焼鈍または特殊処理鋳物では局所的小変形は可能ですが、典型的な成形は最終形状に近い鋳造設計が必要です。アルミニウムシリコン鋳造合金の熱間およびセミソリッド成形技術も存在しますが、これらは専用工程であり、標準的なA390鋳物部品では一般的ではありません。

熱処理挙動

A390は熱処理可能な過共晶鋳造合金であり、制御された固溶処理と人工時効によりアルミニウムマトリックス中に所望の析出物組織を形成します。典型的な固溶処理温度は500～540 °Cで、断面厚さに応じた時間で可溶性の銅・マグネシウム組成を溶解し、急冷により過飽和固溶体を保持します。人工時効は通常150～200 °Cで2～10時間程度行い、ピークのT6強度を達成します。時間と温度は部品サイズと要求特性に合わせて最適化されます。

一次シリコン粒子は熱処理温度で安定しているため、熱処理はマトリックス特性を変化させるものの、脆いシリコン含有量にはほとんど影響しません。そのため、伸び率向上は限定的です。過時効（T7）は析出物の粗大化を促し、熱安定性と応力緩和を高めますが、ピーク強度は低下し、高温寸法安定性を重視する場合に有効なトレードオフとなります。鋳造部品では急冷の強度制御や変形・残留応力の抑制が実務上の課題であり、専用治具や特殊冷却媒体使用が必要となることがあります。

高温性能

A390の機械的特性は温度上昇に伴い析出物の粗大化とマトリックス強度低下により劣化し、通常150～200 °C以上で構造材としての強度が低下します。高温連続使用では、T7や過時効状態が室温強度を犠牲にしつつも安定性を向上させますが、短期間の高温曝露では時効の部分逆戻りや強度低下が発生します。アルミニウムの酸化は鉄鋼に比べて最小限ですが、銅リッチ金属間化合物の存在は酸化環境や塩化物環境下の高温腐食挙動に影響を与えます。

局所加熱（溶接や摩擦）による熱影響部は軟化および脆化を生じることがあり、高温用途でのクリープ、応力緩和、寸法変動を考慮した設計が必要です。熱循環曝露ではアルミマトリックスと硬いシリコン粒子の熱膨張差がマイクロクラックを生じる場合があるため、部品形状や支持構造で熱歪集中を緩和することが求められます。

用途例

業界	代表部品	A390が選ばれる理由
自動車	ピストンおよびピストンスカート	過共晶シリコンが耐摩耗性と熱膨張低減を提供し、高い寸法安定性を実現。
自動車／パワートレイン	シリンダーライナー、耐摩耗リング	高表面硬さと潤滑性を伴う耐摩耗特性。
油圧／空圧機器	バルブボディ、ポンプハウジング	複雑形状の鋳造性とT6後の十分な強度。
産業機械	ベアリングおよびブッシュ	耐摩耗性と繰り返し荷重に対する耐圧縮強度。
電子／熱管理	耐熱ケース（限定的）	良好な熱安定性と精密部品向けの加工性。

A390は高い耐摩耗性、熱サイクル下の寸法安定性、および複雑なニアネットシェイプ鋳造を必要とする部品に選ばれます。過共晶シリコンマイクロ構造と析出硬化マトリックスの組み合わせは、摺動接触下での信頼性の高い往復運動部品に特に適しています。

選定のポイント

A390は、靭性や電気伝導性よりも耐摩耗性と鋳造適性を重視する場合に適しています。高シリコン過共析組織による耐久性の高い摺動面を必要とするピストン、ライナー、摩耗インサートに最適です。商用純アルミニウム（1100）と比較すると、A390は電気伝導性や成形性が大幅に低い代わりに、はるかに高い硬度、耐摩耗性、および接触荷重下での圧縮強さを持ちます。

加工硬化合金である3003や5052と比較すると、A390はT6処理後の耐摩耗性や実現可能な強度ではるかに優れていますが、一般に耐食性は劣り、成形性も大幅に低くなります。これらの加工性の高い合金は成形性や耐食性が主な要求項目の場合に適しています。一般的な熱処理可能な加工合金である6061/6063と比較すると、A390は鋳造部品において耐摩耗性や固着抵抗が優れており、熱寸法安定性も高いため、鋳造による複雑な形状および耐摩耗性が優先される用途で好まれます。一方で、加工合金6xxxシリーズの方が高いピーク引張靭性を持ちます。

まとめ

A390は、高シリコン過共析組織、複雑形状への鋳造適性、および析出強化された母相特性が重なり、高い耐摩耗性と寸法安定性を実現する重要なエンジニアリング鋳造合金です。その特性により、自動車や産業用途の高荷重摺動部品や往復運動部品において頻繁に選ばれますが、設計者はその限られた靭性と耐食特性のトレードオフを考慮する必要があります。