アルミニウム A413.0：組成、特性、硬さ指標および用途
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総合概要
A413.0はアルミニウム4xxx系に属し、シリコンを基盤とするシリーズで、最高強度ピークの追求よりも溶接性や鋳造・鍛造時の流動性を重視しています。この合金は、主な合金元素としてシリコンを配合し、さらに適量のマグネシウムおよび銅を添加することで、析出硬化による強化と機械的性能の向上を可能にしています。A413.0の強化は主に固溶処理と人工時効（析出硬化）を組み合わせた方法で達成され、冷間成形品に対する加工硬化効果は限定的です。代表的な特長としては、熱処理調質において中程度から高い強度、さまざまな大気環境での優れた耐食性、シリコンによる優れた溶接性、そして軟質調質時の十分な成形性が挙げられます。
A413.0は、自動車の構造部材やボディ部品、パワートレインハウジングやブラケット、船舶用付属品、鋳造性・押出性と機械的性能のバランスが求められる部品などで多く使われています。この合金は、溶接が容易でありつつ、中間的な熱処理強度レベルを持つアルミニウムを必要とする設計者に選ばれています。これは、非熱処理系の3xxx/5xxx系合金と、高強度であるが取扱いが難しい6xxx/2xxx系熱処理合金との間の実用的な妥協点といえます。製造においては、A413.0のシリコン含有により表面仕上げが向上し、接合や鋳造時の熱割れ発生傾向が抑制されるため、加工性の簡略化と歩留まり向上につながります。良好な機械加工性、熱処理後の寸法安定性、耐食性を求めつつ、高強度2xxx・7xxx系合金の高コストや取扱の複雑さを回避したい用途では、A413.0がしばしば選択されます。
A413.0の魅力は、バランスの取れた冶金設計にあります。シリコンは低融点範囲の実現と溶接用充填材との適合性を提供し、マグネシウムと銅は析出強化のポテンシャルを持たせ、小量の遷移元素（Ti、Cr）が微細組織の形成を促し粒成長を制御します。高強度合金に比べて、A413.0は人工時効の進行速度が予測可能であり、固溶化および時効処理の加工幅も広いため、急冷速度の影響を受けにくいという特徴があります。これにより、プロセスの堅牢性、機械的性質の再現性、溶接および熱処理時の不良率の低減を重視するOEMや加工業者に好まれます。中程度のコストと入手性、製造のしやすさの組み合わせが、A413.0を中性能の構造用途に最適な選択へと導いています。
調質の種類
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い (18–25%) | 優秀 | 優秀 | 完全退火状態で成形・接合に適する |
| H14 | 低–中程度 | 中程度 (12–18%) | 良好 | 優秀 | 軽い加工硬化; 簡単な成形品に適する |
| T5 | 中程度 | 中程度 (8–14%) | 普通 | 優秀 | 熱間加工後に冷却し、応力緩和のため人工時効 |
| T6 | 高い | 低–中程度 (6–12%) | 低下 | 良好 | 固溶化処理およびピーク時効で最大強度を実現 |
| T651 | 高い | 低–中程度 (6–12%) | 低下 | 良好 | 固溶化・伸張応力除去後、人工時効処理 |
調質はA413.0における成形性と最終的な機械的性能のバランスに大きな影響を与えます。軟質のOおよび軽いH調質は、広範な冷間成形や深絞りが必要な場合に使用され、一方でT5/T6/T651調質は、熱処理後の強度と寸法安定性が最優先される場合に用いられます。
調質を切り替えることで疲労耐性、残留応力レベル、バネ戻りへの影響が変わるため、設計者は成形工程および使用荷重条件に応じた適切な調質を選定する必要があります。溶接性は軟質調質で最も優れていますが、T6調質部品も適切な充填材と溶接後熱処理を行えば結合部の熱影響部（HAZ）の強度を回復させて溶接可能です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 6.0–12.0 | 主合金元素。流動性向上、融点範囲の低減、溶接性向上を担う |
| Fe | 0.2–1.2 | 不純物元素。脆性のインター メタリックを形成するため制御が必要 |
| Mn | 0.05–0.6 | 一部の調質で結晶粒構造の調整や強度向上に寄与 |
| Mg | 0.3–1.4 | Siと組み合わせてMg2Si析出相による析出硬化を提供 |
| Cu | 0.2–1.5 | 析出による強度向上を促進。ただし過剰添加は耐食性を低下させる |
| Zn | 0.05–0.5 | 微量。強度や耐食性にわずかに影響を与える可能性あり |
| Cr | 0.05–0.3 | 粒構造制御および熱処理時の再結晶抑制 |
| Ti | 0.02–0.2 | 鋳造物および押出物の粒細化剤。機械的信頼性向上を支援 |
| その他（Al残余分含む） | 残部 | 特殊加工制御用にB、Zrなどの微量添加が指定される場合あり |
化学組成は、シリコン主体の基体にマグネシウムと銅を十分含むことで、Mg–Si系およびCu含有析出物による予測可能な時効硬化を実現しています。シリコンは合金の固相線温度を下げ、凝固時の形状変化を抑制し、鋳造や溶接工程に有益です。CrやTiといった少量の遷移元素は粒細化剤および再結晶抑制剤として作用し、熱入力後の靭性や寸法安定性を改善します。
鉄やその他の不純物元素の管理は非常に重要で、過剰なFeは脆いインターメタリック相を形成し、延性や疲労寿命を低下させます。MgとSiのバランスは、強化析出相の体積分率および組成の適正化に不可欠です。Cu添加は強度向上に寄与しますが、海洋環境や高塩素環境下では腐食対策が必要となります。
機械的性質
A413.0の退火状態では、降伏強さおよび引張強さは比較的低いものの、高い延性を持ち、割れを伴わずに深絞りや複雑な成形加工が可能です。熱処理調質（T5/T6/T651）では、微細な析出相の形成によって降伏強さと最終強さが大幅に向上する一方、伸びは減少し、曲げ加工性は低下します。疲労特性はプロセスの影響を強く受け、T6調質の試料は高静荷重下での亀裂発生耐性に優れますが、鋳造欠陥や機械加工欠陥、粗大なインター メタリック相の存在が亀裂進展挙動に大きく影響します。
厚さや製品形状は機械的特性に大きく影響し、冷却速度が析出相の分散状態や溶接部の熱影響部（HAZ）軟化に関与します。薄板はT6時効によって完全に強化できるのに対し、厚板は冷却遅延により機械的特性に勾配が生じ、微細構造の粗大化も見られます。硬さはA413.0の引張特性と良好に相関し、ロックウェル硬さまたはブリネル硬さの測定が製造管理における調質および時効の確認手段として一般的に用いられます。
| 特性 | O/焼なまし状態 | 主要硬化状態 (T6/T651) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 120–170 MPa | 280–360 MPa | T6はO状態に対し約2.5倍の強度向上を提供；範囲は組成および厚さによる |
| 降伏強さ | 60–100 MPa | 220–300 MPa | 過時効状態では降伏強さが引張強さに近づく；設計には保守的な降伏強さを使用すべき |
| 伸び | 18–25% | 6–12% | 時効硬化およびSiリッチな中間金属化合物の増加により延性低下 |
| 硬さ | 40–60 HB | 90–130 HB | 硬さは時効反応に連動；硬化状態の品質管理に使用 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68–2.74 g/cm³ | 若干合金成分依存；ほぼ基準のアルミニウム値に近い |
| 融点範囲 | 固相線 ≈ 555–575 °C；液相線 ≈ 615–645 °C | Siにより純アルミより固相線が低下；鋳造・溶接条件に影響 |
| 熱伝導率 | 100–140 W/m·K | 純アルミより低いが、鋼材よりは高い；Siおよび合金元素で影響を受ける |
| 電気伝導率 | 28–42 % IACS | 溶質および析出物の影響で純アルミより低下 |
| 比熱 | 0.85–0.92 J/g·K | 他のアルミ合金と類似；熱管理計算に有用 |
| 熱膨張率 | 22–24 µm/m·K（20–100 °C） | アルミ合金の典型値；異種材料の組み合わせでの熱差動膨張を考慮 |
A413.0はアルミニウムに典型的な低密度かつ高熱伝導率という利点を保持しており、軽量化や放熱が求められる用途に適しています。シリコン含有により純アルミに比べて電気伝導率および熱伝導率は低下しますが、中程度の電力を扱う電子機器の放熱用途には十分利用可能です。融点範囲の広さと固相線の低下は溶接および鋳造時のホットティアリング防止や熱影響部（HAZ）の管理に注意が必要です。
熱膨張率は鋼材や複合材と比べて大きいため、異材接合部では熱膨張差を考慮した設計が求められます。比熱と熱伝導率の組み合わせは断続的な熱負荷を受ける部品の熱解析に適しています。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚み・サイズ | 強度の特徴 | 一般的な硬化状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材 | 0.5–6.0 mm | 均一な厚さによりT6硬化が確実に行える | O, H14, T5, T6 | 表面仕上げと成形性が求められる用途に使用 |
| プレート | 6–100 mm | 厚板では冷却ムラにより過時効の可能性あり | O, T5, T6 | 芯部の軟化を防ぐため冷却管理が必要 |
| 押出材 | 1–100 mmの断面 | 優れた縦方向強度と制御された結晶粒方向を持つ | O, T5, T6 | TiやCrの添加により高温域での押出安定性を向上 |
| 管材 | 壁厚1–20 mm | 板材や押出材に近い特性；溶接継手も可能 | O, T5, T6 | 構造用、油圧、海洋用チューブに使用される |
| 丸棒/棒材 | Ø3–200 mm | 引抜きおよび時効処理可能；断面サイズが冷却に影響する | O, T6 | 一部加工部品やファスナーに使用される |
板材およびプレートは一般的に圧延後、目的とする硬化状態になるよう溶体化処理および時効処理を行います。一方、押出材はシリコンの良好な流動性により薄肉リブや複雑断面の成形に適しています。管材および棒材の生産では断面寸法と冷却速度の相互作用を考慮し、大断面では特別な冷却手法や中断時効が均一な機械的特性獲得に必要です。加工用素材（丸棒・棒材）は多くの場合、加工性向上のため軟質状態で供給され、粗加工後に硬化処理されます。
成形加工はOまたは軽度の加工硬化状態が最も経済的であり、寸法安定を求める場合は最終的に熱処理により機械的性質を設定します。溶接構造物は溶接後の歪みを最小限に抑え、局所的または全体的な熱処理による性質回復が可能な設計が推奨されます。
対応規格
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | A413.0 | 米国 | Aluminum Associationが北米仕様で指定する呼称 |
| EN AW | 直接的な等価なし | 欧州 | 正確に一致するコードはなし；Si/Mg/CuバランスによりEN AW-4032やEN AW-4047が近似 |
| JIS | 直接的な等価なし | 日本 | 類似の鋳造・押出合金はあるが、メーカーごとに組成が異なる |
| GB/T | 直接的な等価なし | 中国 | 類似の国内合金使用例あり；特性確認が必須 |
A413.0に対し、地域ごとの規格はシリコン系合金を複数の細分化されたグレードに分けることが多いため、完全に同一となる国際標準は存在しません。欧州およびアジアの規格ではSiおよびMg含有量が近似する合金（例えば4032系列や修正4047系）があり、A413.0の溶接性と時効強化性のバランスに近いですが、Cu、Tiおよび微量元素の差異により時効速度や耐食性に差異があります。代替時は名目グレード名に依存せず、実際の組成範囲、熱処理反応曲線、認証機械的性質を比較検討することが重要です。
特に疲労寿命、破壊靱性、耐食性が設計指標となる重要部品では、公認された材料試験報告書および比較試験に基づいてクロスリファレンスを行うべきです。規制認証や航空宇宙の承認が必要な場合は、仕様通りのグレードまたは検証済みの同等品の使用が必須です。
耐食性
A413.0は多くのAl–Si合金と同様に大気中で良好な耐食性を示し、酸化アルミの不動態膜およびシリコンの電気化学的安定性への穏やかな影響を享受します。海水環境や塩素イオンを多く含む条件でも許容範囲ですが、高Mg系の5xxx系合金に比べて局所的なピッチング腐食にやや弱いため、長期使用では防護塗装やアルマイト処理が一般的です。応力腐食割れ（SCC）感受性は硬化状態により低〜中程度で、T6状態では残留引張応力と腐食環境の組み合わせで注意が必要であり、溶接後熱処理や設計変更によるSCCリスク軽減が推奨されます。
ガルバニック腐食は一般的なアルミの挙動に従い、より貴な金属（ステンレス鋼、銅合金）と接触する場合は電気的に絶縁するか犠牲防食措置を施さない限りA413.0側が腐食進行します。5xxx（Al–Mg）系合金と比較すると、クレビス・ピッチング腐食耐性は若干劣るものの、溶接性と熱処理可塑強度は向上しています。6xxx系と比較すると、同等の大気耐食性を持つものの、シリコンの凝固制御効果によりフィラー金属の不適合なしで溶接許容性が高い傾向があります。
表面処理としてアルマイト（陽極酸化）、クロメート転換膜、有機系コーティングが耐用年数を大幅に延ばし、海洋環境や屋外用途での標準処理とされています。CuおよびMgの含有差が腐食性能に顕著な影響を与えるため、設計時に局所的な合金組成および硬化状態の評価が必要です。
加工性
溶接性
A413.0はSiの作用によりホットクラック発生を抑制し、溶融池の流動性を促進するため、標準のTIGおよびMIG溶接で良好に溶接可能です。一般用途溶接にはER4043（Al–Si）、高強度接合が求められかつ母材との適合性が良好な場合にはER5356（Al–Mg）を推奨します。多数の6xxx系や2xxx系合金に比べてホットクラックリスクは低いものの、継手の隙間、パージ、および熱入力管理には注意し、多孔質や酸化物巻き込みを最小限に抑える必要があります。
溶接後の熱影響部（HAZ）は、母材がピーク時効状態の場合軟化を生じる可能性があります。その場合、形状および生産コストが許せば部分的な再溶体化処理または人工時効処理により特性回復が可能です。予熱はほとんど不要ですが、大型溶接部品ではセット間温度管理や応力除去処理が歪み制御に用いられます。
切削加工性
A413.0の切削加工性は中程度で、シリコンの研磨性と切りくず分断効果により高強度2xxx系合金より良好です。切削工具は砥耗抵抗の高い超硬またはコーティング超硬インサートが推奨されます。加工条件は高送り速度・中速切削速度で切りくずの分断を促進し、工具温度制御を図ることが効果的です。クーラント使用により切りくず除去と熱負荷軽減が推奨されます。表面仕上げや工具寿命はSi粒子の粒径および分布に大きく依存し、微細で均一なSi分布はより良好な仕上げと工具寿命延長につながります。
厳しい公差が要求される部品では、軟らかい調質で荒加工を行い、最終的に時効硬化および仕上げ加工を施すことで、歪みを抑え寸法精度を向上させることができます。ねじ切り、タップ加工、深穴加工では、適切な潤滑と浸透速度の低減が重要であり、これにより加工硬化や工具破損を防止します。
成形性
成形性はO材およびH14調質で優れており、T6調質と比べて比較的小さい内側半径で深絞りや複雑な曲げ加工が可能です。焼なまし状態の代表的な最小曲げ半径は、単純な曲げで板厚の0.5〜1.0倍の範囲にあり、T6時効調質や複雑な形状になると大きくなります。冷間加工により強度は向上しますが延性は低下するため、重度の成形が必要な場合は焼なまし状態で成形を行い、最終的に熱処理を施して強度を回復または増加させます。
T6調質ではスプリングバックが顕著であり、金型設計や検証において考慮する必要があります。ストレッチ成形や重度の冷間加工が必要な場合は、潤滑と段階的な成形工程によりSi含有の金属間化合物部位での割れリスクを低減します。
熱処理挙動
A413.0の溶体化処理は通常、510〜540 °Cの範囲で行われ、MgおよびCuを含む相をアルミニウムマトリックスに過飽和固溶させます。室温への急冷が必要であり、固溶体の保持のために急冷速度の管理が重要です。特に板厚の大きい断面では、粗大な析出相の形成や時効応答低下を防ぐために制御が求められます。人工時効は150〜190 °Cの範囲でT5/T6相当の特性を得るために行い、ピーク硬度および強度は組成に応じた温度と時間の管理で達成します。
過時効は強度を低下させますが、靭性および応力腐食割れ耐性を向上させるため、特性のバランスが求められる部品では意図的に選択されることがあります。T651調質は溶体化後に制御された伸び加工または応力除去処理を加え、残留応力や歪みを最小化して機械加工部品の寸法安定性を向上させます。A413.0は、より急冷感受性の高い2xxx系合金と比較して時効温度域が広く、プロセス管理の厳密さはやや緩和されますが、再現性のためには依然重要です。
非熱処理加工や熱処理が実施困難な場合は、冷間加工による加工硬化で段階的な強化が可能ですが、析出硬化によるピークレベルの強度には達しません。焼なましサイクルは