アルミニウム AlF357：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
AlF357は熱処理可能なシリコン-マグネシウム系アルミ鋳造合金で（一般的にはAl-Si-Mg系に分類され、しばしばA357/AlSi7Mg系と参照されます）、高い鋳造品質、高い強度、良好な疲労性能が求められる永久金型鋳造や圧力鋳造部品として最も広く製造されています。主な合金元素は、鋳造性と流動性を提供するシリコン（Si）、時効硬化（Mg2Si）を可能にするマグネシウム（Mg）、強度と靭性を調整する制御された鉄（Fe）および銅（Cu）です。強化は主に固溶処理後の急冷と人工時効（T6/T5）によって達成され、組成変更や熱処理スケジュールの調整でさらなる効果が得られます。
主な特性としては、鋳造合金としては比較的高い静的および疲労強度、熱処理後の良好な寸法安定性、大気環境における合理的な耐食性が挙げられます。溶接性は実用的ですが、充てん材の選択や気孔制御に注意が必要です。展性は軟鋼に比べて限定的で、AlF357は鋳造合金として最適化されています。主な使用業界は自動車（構造用鋳造品、ホイール部品、サスペンションブラケット）、航空宇宙（非重要構造鋳造品および継手）、船舶用ハードウェア、産業機械のハウジングなどです。エンジニアは、鋳造性、熱処理による強度、疲労耐性の組み合わせが、軟鋼や安価な鋳造アルミよりもコストパフォーマンスに優れる場合にAlF357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 | 不良（軟鋼に比べて脆い） | 良好 | 鋳造後の焼なましまたは応力除去処理；鋳造合金として最大の延性 |
| T5 | 中高 | 中程度 | 限定的 | 良好 | 鋳造後に急冷し人工時効；鋳造硬化に一般的 |
| T6 | 高 | 低〜中程度 | 限定的 | 普通 | 固溶処理後急冷し人工時効；最高強度状態 |
| T7 | 中 | 中程度 | 限定的 | 普通 | 過時効処理で熱安定性と応力腐食耐性を向上 |
| T651 | 高 | 低〜中程度 | 限定的 | 普通 | 固溶処理後伸張による応力除去と時効；寸法管理性向上 |
AlF357の調質選択は性能のトレードオフに強く影響します。T6は最高の強度と最良の疲労寿命を提供しますが延性および一部の加工性は劣ります。一方、T5は固溶処理が困難な予算や工程で選ばれます。T7および安定調質は、高温環境下での性能維持や応力腐食割れ耐性、寸法安定性が重要な場合に選択されます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 6.5 – 7.5 | 鋳造性と強度を決める主要元素；アルミとの共晶組織を形成 |
| Fe | 0.05 – 0.45 | 制御された低鉄分は脆い金属間化合物を減少；鉄分が多いと延性低下 |
| Mn | 0.05 – 0.25 | 微量修飾元素；金属間化合物の形態を細かくすることが可能 |
| Mg | 0.25 – 0.50 | 時効硬化（Mg2Si）を提供 |
| Cu | 0.0 – 0.30 | 強度と時効応答を向上させるが耐食性を低下させる可能性あり |
| Zn | 0.0 – 0.15 | 一般的に残留成分；ここでは強化効果はほぼ無視できる程度 |
| Cr | 0.0 – 0.10 | 粒子微細化および再結晶抑制剤として一部溶湯に添加 |
| Ti | 0.02 – 0.15 | 鋳造物やインゴットで粒子微細化のため添加 |
| その他 | 残部Al | 鋳造法に応じた微量元素管理；意図的に低不純物レベルで延性と疲労寿命を向上 |
シリコンは鋳造特性および共晶組織を決定し、マグネシウムはMg2Si析出物による熱処理強化を可能にします。低鉄分および制御された微量元素が粗大な金属間化合物を減少させ、凝固および熱処理中にきめ細かい微細組織を促進して靭性と疲労耐性を向上させます。
機械的性質
AlF357の引張特性は、適切な固溶処理および人工時効後に著しい降伏強さおよび引張強さの向上が見られ、T6条件においてこの合金群で最も高い強度を示します。T6の伸びは鋳造または焼なまし状態に比べて低下しますが、比較的細かい共晶組織と制御された不純物化学組成により、多くの構造用鋳造品に対して許容範囲内です。硬さも引張性質と同様の傾向を示し、熱処理効果を現場で簡便に確認するためによく利用されます。
疲労性能はAlF357を選択する重要な要因の一つであり、高い引張強度と良好な鋳造管理（低気孔率、適切な湯道・リザーバ設計）が標準的なAl-Si鋳造等級よりも優れた疲労寿命を実現します。厚みや断面サイズは機械的性質と熱処理反応に大きく影響し、厚肉部は固溶処理の均質化が不十分で強度発現が低く伸びも減少する傾向があります。
| 特性 | O/焼なまし | 代表調質（T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 150 – 240 MPa | 300 – 380 MPa | T6値は断面厚さと固溶処理の効果に依存 |
| 降伏強さ | 70 – 130 MPa | 230 – 300 MPa | オフセット降伏；時効により大幅上昇 |
| 伸び | 8 – 18％ | 4 – 10％ | 強度上昇と断面拘束が伸びを低減 |
| 硬さ | 40 – 70 HB | 90 – 120 HB | 硬さは析出状態およびシリコン形態と相関 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.65 g/cm³ | Al-Si鋳造合金として典型的；優れた強度重量比 |
| 融点範囲 | 約555 – 595 °C | シリコン含有量により共晶及び凝固範囲が影響を受ける |
| 熱伝導率 | 約120 – 150 W/m·K | 純アルミニウムより低いが、多くの放熱用途に適する |
| 電気伝導率 | 約30 – 45 %IACS | 合金化およびシリコン含有により純アルミより低い |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K (900 J/kg·K) | アルミ合金として標準的 |
| 熱膨張係数 | 約20 – 23 µm/m·K | シリコン含有に影響される；寸法設計上重要 |
物理的性質により、適度な熱伝導率と低密度の組み合わせが求められる用途にAlF357は適しています。合金の融解および凝固特性は、適切な鋳造技術を用いれば収縮や健全性の予測が可能な高品質鋳造品を可能にします。
製品形態
| 形態 | 典型的厚み・寸法 | 強度の傾向 | 一般的調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材 | 限定的 / 薄肉のみ | 不安定 — 一般的ではない | T5 / 鋳造状態 | 主な形態ではなく、軟鋼加工は稀 |
| プレート | 限定的 | 断面依存 | T5/T6 | 厚板鋳造品は熱処理可能だが長い固溶処理時間を要する |
| 押出材 | 希少 | 鋳造組成には標準的でない | 該当なし | AlF357は従来の押出加工には適さない |
| 管材 | 限定的（鋳造または半固体） | 肉厚に依存 | T5/T6 | 通常は鋳造スリーブやビレットからの機械加工品；引抜管ではない |
| バー／ロッド | 鋳造ビレット／鍛造品 | T6へ熱処理可能 | T5/T6 | CNC部品向けの機械加工可能な鋳造ビレットおよび鍛造形状が利用可能 |
AlF357は主に鋳造合金であり、最も一般的な製品形態は永久金型鋳造品、ダイカスト品、砂型鋳造品または機械加工用ビレットです。製造方法（永久金型、ダイカスト、砂型鋳造）の違いは微細構造、気孔率、機械的性質に大きく影響し、設計者は部品形状や期待性能を指定する際、断面サイズ、冷却速度、後続の熱処理を考慮しなければなりません。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | A357 / AlSi7Mg | アメリカ | 一般的なASTM/AAの鋳造指定；AlF357はしばしばこの化学組成に準拠 |
| EN AW | EN AC-AlSi7Mg | ヨーロッパ | EN 1706の命名基準に基づく欧州の鋳造同等品 |
| JIS | ADC12（完全一致ではない）/ AlSi7Mg | 日本 | ADC12はCu含有が高く直接の一致ではない；低CuバリアントのJIS詳細を確認要 |
| GB/T | AlSi7Mg | 中国 | 中国の標準鋳造グレードでA357化学組成に近い |
規格間の微細な違いは主に不純物限度（Fe、Cu、Zn）やMgとSiの範囲の厳密さに関連し、これが熱処理反応および耐食性や疲労寿命といった長期的特性に影響します。規格を相互参照する際は、正確な成分および供給者が適用する追加の品質管理（例：鉄の最大許容値、水素による多孔質限度）を必ず確認してください。
耐食性
AlF357は、アルミニウム–シリコン–マグネシウム鋳造合金に典型的な良好な大気環境耐食性を示します。自己形成する酸化膜が基本的な保護を提供し、低い銅含有（管理された場合）が都市部ややや工業的な環境における耐食性維持に寄与します。海洋や塩化物を多く含む環境では、ピッティングや局所的な腐食に中程度の感受性があり、長期曝露には表面処理、陽極酸化処理、適切なコーティングが推奨されます。
応力腐食割れ（SCC）は、Al–Si–Mg鋳造合金は一部の高強度の鍛造アルミニウム–銅合金に比べて軽度ですが、引張応力および塩化物の存在により感受性が増加します。電気化学的な相互作用はアルミニウムに典型的であり、AlF357はステンレス鋼や銅系合金に対して陽極性であるため、混合金属組立では電気的絶縁や犠牲陽極の検討が必要です。5xxx系や6xxx系鍛造合金と比べると、AlF357はやや耐食性が劣る代わりに鋳造時の強度と疲労寿命が向上していますが、海洋環境で最適化された5xxx系合金の耐食性能には及びません。
加工特性
溶接性
AlF357はTIG（GTAW）およびMIG（GMAW）溶接が可能ですが、鋳造時の多孔質、水素の取り込みおよび熱割れに注意が必要です。ER4043（Al–Si）などのアルミニウム–シリコン充填材が、湿潤特性の一致と割れ防止に一般的に使用されます。強度の高い溶接金属を求める場合はER5356（Al–Mg）を慎重に使用できます。溶接後熱処理は一部の部品の強度回復に有効ですが、鋳造時の欠陥を除去することはできません。多孔質低減のためにプレヒーティングや溶融プールの脱ガスが重要です。
切削性
AlF357は低共晶Al–Si鋳造合金であり、シリコン粒子は切りくず破砕効果と寸法安定性を提供しますが、柔らかい鍛造合金に比べ工具摩耗は増加します。正面角度を持つ超硬工具と高い冷却流量が推奨され、熱管理と切りくず排出が重要です。切削速度は鋼より高い場合が多いですが、断面や熱処理状態に依存します。安定した固定具と適切な送りで表面仕上げや寸法公差の達成は容易です。
成形性
AlF357の冷間成形は、鋳造指向の微細構造およびT6状態での中程度から低い延性のため制限されます。曲げ半径は保守的に設定しないと割れが生じやすいです。ホット成形や鍛造によるほぼ仕上げ形状の鋳造ブロックの加工が現実的な方法です。最良の成形性は焼なましまたは鋳造時状態で見られますが、この状態は強度を犠牲にするため構造部品にはほとんど使用されません。
熱処理挙動
AlF357は溶体化処理および人工歳差硬化による熱処理が可能です。典型的な溶体化処理温度は510～540 °Cで、薄肉部品で可溶相を均質化かつ溶解させるために十分な保持時間を設け、急冷して過飽和固溶体を保持します。人工歳差硬化は155～185 °Cで行われ、Mg2Si析出物を形成してT6レベルの特性を得ます。硬化時間は部品の厚さと要求される特性バランスによって変わります。
T5は鋳造後に溶体化処理を行わず人工歳差硬化のみを実施することで達成され、加工コスト削減と強度向上を図る一方で最大特性は減少します。T7や過硬化状態は高温・長時間の硬化で熱安定性向上と応力腐食割れ耐性増加を目指しますが、最大強度は低下します。非熱処理型の状態では、鋳造微細構造のため加工硬化は効果的な強化手段ではありません。焼なましにより残留応力低減と延性改善が可能です。
高温性能
AlF357は約150 °Cを超えるとT6強度の大幅な低下が始まり、温度が上がるにつれて軟化と析出物の粗大化が進行します。長期使用温度は一般的にこの温度以下に制限されます。酸化は主な破損モードではありませんが、微細構造の過硬化や粗大化が疲労強度、降伏強さ、硬さを低下させます。溶接熱影響部は局所的な軟化と疲労耐性の低下が起こりうるため、設計者は溶接後に熱処理を行う場合はこの勾配を考慮する必要があります。
200 °Cまでの断続的または短時間曝露では、適切なT7過硬化状態で一部の特性保持が可能ですが、持続的な高温使用は高温対応に特化した特殊合金の方が適しています。
用途
| 業種 | 例示部品 | AlF357が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 構造用鋳造部品、トランスミッションハウジング | 良好な鋳造性、高いT6強度、疲労耐性 |
| 海洋 | ポンプハウジング、非重要な構造ブラケット | 合理的な耐食性とコスト効果の高い鋳造 |
| 航空宇宙 | 継手、小型構造用鋳造部品 | 中程度負荷部品に適した高強度対重量比 |
| 電子機器 | ハウジングやヒートスプレッダーの鋳造品 | 寸法安定性と適度な熱伝導性 |
AlF357は、鋳造生産経済性と熱処理可能な化学組成を組み合わせ、構造的および疲労要求を満たしつつ鍛造加工のコストを抑えた部品に適した選択肢です。低強度の鋳造合金と高価で高強度の鍛造材料の中間の実用的なポジションを占め、中程度負荷の構造用部品に重宝されています。
選定のポイント
AlF357は、設計者がコスト効率の良いアルミニウム合金で鋳造形状かつT6レベルの性能を必要とする場合に魅力的な選択肢です。商業的純アルミニウム（1100）と比較すると、電気伝導性や優れた延性は犠牲にするものの、著しく高い強度と疲労耐性を得られます。高伝導性が優先される場合は不向きです。一般的な加工硬化合金（3003や5052）と比べると、AlF357は通常、処理後の強度と疲労寿命が高いですが、冷間成形性が低く、塩化物環境下では耐食性がやや劣る場合があります。6061/6063などの熱処理鍛造合金と比較すると、AlF357は複雑な鋳造形状の生産が容易で特定の断面では競争力のある強度を示しますが、重量当たりの最高強度は劣り、鍛造/押出し加工能力は異なります。
鋳造が優先され、鋳造状態でT6相当の機械的特性が要求される場合、かつ設計者が断面厚さや熱処理を管理できる際にAlF357を採用してください。深い延性冷間成形、高い電気伝導性、および最高温度での持続使用が主な要件の場合は避けるべきです。
まとめ
AlF357は、予測可能な鋳造挙動と熱処理による強度強化を組み合わせ、比較的低コストで高い疲労強度および静的強度を複雑な鋳造部品に提供するため依然として有効です。鋳造技術、状態選択、耐食保護に注意を払って選定すれば、自動車、航空宇宙、海洋、産業用途において鋳造形状と機械性能のバランスが求められる多くの場面で信頼できるソリューションとなります。