アルミニウム AlSi10：組成、特性、硬さ区分ガイドおよび用途
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総合概要
AlSi10は、Al-Si系に属する鋳造用アルミニウム-シリコン合金で、約10wt%のシリコンを含むAl-Si低態から準共晶組成として一般的に知られています。これは通常、1xxx～7xxx系の圧延材系列ではなく鋳造合金規格に分類され、一般的なカタログ表記はEN AC-AlSi10や地域別の鋳造相当品が使われ、AA 2xxx/6xxxの圧延材表記は用いられません。
主な合金元素はシリコンであり、凝固挙動、流動性、耐摩耗性を制御します。Fe、Cu、Mn、Mg、Tiおよび微量元素の少量添加により、強度、鋳造性、熱処理効果が調整されます。強化機構は鋳造時の微細組織制御（共晶Si粒子およびAl基体の形態）に加え、十分なMgを含む場合（例：AlSi10Mg系）には溶液処理+人工時効による析出硬化の可能性があります。
AlSi10の主要な特性は、優れた鋳造性と低収縮率、アルミニウム合金中で良好な熱伝導性、さまざまな環境下での中程度から良好な耐食性、および気孔が抑えられた形状では一般的に良好な溶接性です。自動車部品、金型、低圧・高圧ダイカスト、付加製造（SLM/EBM）や、鋳造精度、寸法安定性、合理的な機械的性能のバランスが求められる汎用製品に幅広く使用されています。
エンジニアは流動性、薄肉鋳造能力、熱管理性、鋳造欠陥の低減を優先する場合や、シリコン含有マトリックスによる熱安定性と歪みの最小化を必要とする付加製造部品にAlSi10を選択します。複雑な準ネットシェイプの鋳造形状、低コストの金型、高い熱挙動がピーク引張強さや大幅な成形性を上回る要求条件に対し、高強度圧延材よりも選ばれることがあります。
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（焼なまし） | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 応力除去され、熱処理可能系における最も軟らかい状態 |
| As-cast（鋳造状態） | 低～中 | 低～中 | 限定的 | 良好（管理下で） | 鋳造からの標準納入状態。微細組織に依存 |
| T5（冷却後人工時効） | 中 | 低 | 限定的 | 良好 | 鋳造品・付加製造品で全溶解処理なしに強度向上を図る場合に一般的 |
| T6（溶解処理＋人工時効） | 高 | 低～中 | 低 | 良好 | 主にMg含有時に適用。大幅な強度向上を実現 |
| T7（過時効/安定化） | 中 | 中 | 限定的 | 良好 | 強度は若干低下するが寸法安定性と靭性を向上 |
調質状態はAlSi10の強度と延性のバランスに大きな影響を与え、Mgを含む場合のT6処理で降伏強さと引張強さは向上しますが伸びは犠牲になります。鋳造時の微細組織、冷却速度、後続の熱処理の有無が性能調整の主な手段であり、Mgの有無と量が有効な析出硬化を可能にします。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 9.0 – 11.0 | 主合金元素で共晶割合・流動性・熱伝導性を制御 |
| Fe | 0.2 – 0.8 | 延性を低下させるβ-Al5FeSi等の金属間化合物形成の原因 |
| Mn | 0.05 – 0.45 | 微量添加によりFe金属間化合物の形態制御を補助 |
| Mg | 0.0 – 0.45 | 0.2%以上で析出硬化（T6反応）を可能にする |
| Cu | 0.02 – 0.3 | 強度向上をもたらすが、高濃度では耐食性低下を招く |
| Zn | 0.02 – 0.2 | 微量。悪影響を避けるために低濃度に制限 |
| Cr | 0.01 – 0.2 | 一部仕様で結晶粒構造調整用 |
| Ti | 0.01 – 0.2 | 鋳造およびインゴット製造における粒細化剤 |
| その他 | 残部Al; 微量不純物 | Ni、Co、Pb等の残留不純物は仕様により最小限に管理 |
シリコンは微細組織（共晶Si粒子の大きさ、形態、分布）を決定し、鋳造特性、耐摩耗性および熱特性に直接影響します。鉄とマンガンは脆性金属間化合物形成に影響し、管理されたレベルおよびSrによるシリコン変性などで延性と加工性を高めます。マグネシウムの存在はAlSi10に熱処理可能な系（AlSi10Mg）を与え、溶液処理と時効によるMg2Si析出で強度が大幅に向上します。
機械的性質
AlSi10の引張特性は鋳造方法、断面厚さ、熱処理に強く依存します。鋳造状態では延性と脆性のバランスは共晶シリコンの大きさや形態、気孔の有無に左右され、AlSi10MgのT6処理により降伏強さおよび引張強さは大幅に向上しますが伸びは減少します。疲労特性は鋳造欠陥や表面状態に制限され、気孔、収縮孔、粗大なFe金属間化合物の存在は圧延材に比べて疲労寿命を著しく減少させます。
鋳造状態での降伏強さは中程度で、非常に断面厚さに敏感です。薄肉部は冷却速度が速く、一般に降伏強さおよび引張強さが高くなります。硬さは調質に依存し、焼なまし／鋳造状態は低硬さ、T5やT6人工時効では硬さが大幅に向上します。表面処理、熱間等方圧プレス（HIP）、および表面の欠陥除去加工により疲労耐性および繰返し損傷耐性が改善されます。
| 物性 | O／焼なまし | 代表的調質（例：T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (UTS) | 120 – 200 MPa | 240 – 320 MPa（AlSi10Mg T6） | 鋳造方法、断面サイズ、気孔、Mg含有量により広い範囲 |
| 降伏強さ (0.2%耐力) | 60 – 130 MPa | 150 – 250 MPa | T6処理で降伏強さが大幅向上；鋳造状態は断面依存性が大きい |
| 伸び (A%) | 3 – 12% | 2 – 8% | T6では延性が低下。微細組織が良好な焼なまし／鋳造状態では良好 |
| 硬さ (HB) | 40 – 80 HB | 70 – 120 HB | 硬さは析出硬化度合いや共晶Siの形態に相関 |
物理的性質
| 物性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 g/cm³ | Al-Si鋳造合金として典型的。純アルミよりSi含有により若干高い |
| 融点範囲 | 約577 – 640 °C | 共晶反応に基づく凝固開始は約577 °C。局所組成により融点範囲は変動 |
| 熱伝導率 | 約120 – 150 W/m·K | 純アルミより低いが、Si粒子による伝導率減少があるも放熱部品に適する良好な熱伝導 |
| 電気伝導率 | 約30 – 38 %IACS | 純アルミより低い。電気伝導性が必要な鋳造部品では使用可能だが導体用には不向き |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K（900 J/kg·K） | 室温付近のアルミニウムとして標準的な比熱 |
| 熱膨張率 | 22 – 24 µm/m·K | 他のアルミニウム合金と類似。複合材料的挙動に対してはSi含有量を考慮 |
AlSi10はアルミニウムの有用な熱伝導性と低密度の利点を保持しつつ、シリコン含有により純アルミに比べ熱伝導率は低下するものの熱安定性と耐摩耗性が向上します。凝固挙動（共晶反応）が鋳造技術を支配し、変性や粒径微細化など微細組織制御手法に影響します。電気伝導率は多くの補助的伝導用途に十分であるものの、高純度アルミニウムと比較すると電力伝送用の導体としては競争力がありません。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度挙動 | 一般的な硬質状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 稀；薄板鋳造品限定 | 鋳造時または時効状態の挙動 | 鋳造時 / T5 | 薄肉鋳造シートは圧力ダイカストやAMで可能だが、圧延製品としては一般的でない |
| プレート | 2～200 mm（鋳造品） | 断面厚さに依存；厚肉ほど強度低下 | 鋳造時 / T6（Mg含有時） | 構造用鋳造には砂型・永久型プレートが使われる |
| 押出材 | 限定的 | 一般的でない；特殊合金のみ押出材あり | 該当なし | AlSi10は主に鋳造用合金；押出材は6063など他合金を使用 |
| チューブ | 鋳造またはダイカスト部材 | 鋳造方法に依存 | 鋳造時 / T5 | 薄肉チューブはダイカストやロストワックス鋳造で実現可能；AMは複雑な通路も形成可能 |
| 棒材・丸棒 | 鋳造棒材あるいはインゴット | 原料や鍛造成形用 | 鋳造時 | 多くは再溶解や追加加工で特定の製造工程に対応 |
AlSi10は主に鋳造形状（砂型、ダイカスト、永久型、ロストワックス鋳造）および増加傾向にある粉末によるAMで供給・使用されます。機械的性質や欠陥感受性は冷却速度の違いによって製品形状ごとに大きく異なります。ダイカストやAM部品は急冷により微細組織が得られ、鋳造時の強度が高い傾向です。押出材や圧延プレートなどの加工材は稀で、広範な冷間成形が必要な場合は他の加工用合金の使用が推奨されます。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種名 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| EN | AC-AlSi10 | ヨーロッパ | 約10% Siの鋳造用標準合金呼称 |
| AA / ASTM | AlSi10（おおよそ） | アメリカ | 正確なAA番号でない。A356やA357は類似の低SiかつMg含有合金 |
| JIS | ADC10（推定） | 日本 | ADC10およびADC12は類似Si含有のダイカスト合金だがCu/Mg含有量が異なる |
| GB/T | AlSi10 | 中国 | 中国規格では類似組成範囲の鋳造用AlSi10合金を規定 |
相当合金はあくまで目安であり、地域別規格は鋳造条件（ダイカストと砂型など）に合わせた微量元素や不純物規制が異なります。ADCシリーズのダイカスト合金とEN AC-AlSi10はSi含有は近いもののCuやMg含有量が異なり、これが熱処理性や腐食挙動に影響を与えます。地域間での代替には必ず各規格の引張強さや化学成分限度表を参照してください。
耐食性
AlSi10は保護性の高い酸化膜Al2O3により大気雰囲気中で良好な耐食性を示します。シリコン自体は不活性で一様腐食を著しく促進しません。Feを含む析出物群や鋳造欠陥による局所的な腐食（ピッティング）が発生しやすく、多孔質な表面や荒れた仕上げは特に塩化物環境でのピット形成を助長します。
海水や塩化物豊富環境ではアルミニウムマグネシウム系5xxxシリーズ犠牲陽極合金ほどの耐食性はなく、塩化物によるピッティングが主な問題です。防護コーティングや陽極酸化処理が一般的に施されます。応力腐食割れ（SCC）の感受性は高強度Al-Zn-Mg合金より低く、残留引張応力やピットが疲労割れの原因となる場合がありますが、吟味した設計と鋳造後の後処理でリスクは低減可能です。
ガルバニック腐食はアルミニウム系一般と同様で、ステンレス鋼や銅などより貴な金属と導電性電解質中で電気的接触があるとAlSi10は陽極的に腐食します。加工材である3xxx/5xxx系に比べ、AlSi10は鋳造特有の利点と引き換えに腐食靭性は若干劣ります。熱処理可能な高強度7xxx系と比較すると腐食抵抗は高くSCCは起きにくい反面、ピーク強度は低めです。
加工性
溶接性
AlSi10の溶接はTIGやMIGによる鋳造品の修理や接合で可能ですが、多孔質やホットクラックの発生が主要課題です。中程度の予熱、発生源となる水素抑制、適切なフィラー（一般的にER4043やAlSi5などのAl-Si系溶接棒）を用いることで割れ防止とビード品質向上が期待されます。熱影響部（HAZ）の軟化は強時効合金ほど大きくありませんが、局所的にシリコン組織変化や多孔質不良が機械的性能に影響します。
切削性
AlSi10の切削性は中程度です。硬質な共晶シリコン粒子が工具摩耗を促進し、純アルミに比べて切削条件は厳しくなります。カーバイド工具で鏡面仕上げ溝、正面角度の大きい刃形、冷却液の使用が安定した工具寿命と良好な表面仕上げに有効です。切りくずは断続的になりやすいため、バリビルドアップや振動を避ける安定した送り速度と回転数で寸法精度と面粗さを確保します。
成形性
AlSi10は鋳造用で延性が低いため、冷間成形性は非常に限定的です。曲げ、深絞り、プレス加工などは通常実用的でなく、近似形状への鋳造と機械加工、あるいは加熱局所成形が最適です。若干の変形が必要な場合は軟質な焼鈍状態や加熱成形を用いることもありますが、広範な成形には通常他の加工用合金が推奨されます。
熱処理性
Mg含有が閾値を超えるAlSi10Mgは従来型の熱処理が可能です。約520～540℃の固溶処理でMg含有相が溶解し組織均一化し、その後急冷と人工時効（150～200℃程度）でMg2Si析出を促しT6やT5相当の強度を得ます。シリコンネットワークや粗大共晶粒子が高強度Al-Mg-Si系加工材に比べて強度上限を制限しますが、T6処理で鋳造品やAM品の降伏・引張強さを確実に向上可能です。
非熱処理や鋳造時の強度は凝固組織や加工硬化に依存します。残留応力除去や後工程用に部分的に鈍化処理や応力除去焼鈍が用いられます。過時効（T7）は寸法安定性と靭性向上のために高温使用部品に適用されます。
固溶・時効処理は断面厚みや多孔質の有無に厳密に合わせる必要があり、冷却遅延や不十分な急冷は粗大析出を残し硬化能を低下させます。HIP処理は高信頼部品で内部多孔質を閉塞し疲労耐性を高めた上で時効処理する際に用いられます。
高温特性
AlSi10は温度上昇に伴い強度が低下します。実用的な連続使用限界は構造用途で概ね100～150℃、短時間ならば～200℃程度まで耐えます。シリコンを多く含む組織は多くの軟質アルミ合金に比べ高温での寸法安定性に優れますが、熱処理強化の有無にかかわらず熱暴露や過時効で強度は劣化します。
表面は保護性のAl2O3層により空気中での酸化は表面限局的で速度は低いですが、高温長期曝露で組織粗大化、軟化が進みます。溶接時や局所的な高温領域の熱影響部ではシリコン粗大化や多孔質発達により脆化や延性低下が生じることがあります。
用途
| 業界 | 代表的な部品 | AlSi10が使われる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | エンジンブラケット、インテークマニホールド、ハウジング | 優れた鋳造性、薄肉成形能力、熱特性 |
| 海洋 | 非構造用ハウジング、ポンプ部品 | 良好な大気耐食性と複雑形状の鋳造性 |
| 航空宇宙 | ブラケット、ダクト、低荷重ハウジング | 低密度かつ複雑な鋳造やAM形状に対する寸法安定性 |
| 電子機器 | ヒートシンク、サーマルスプレッダー | 良好な熱伝導性と複雑な冷却チャネルの製造容易性 |
| 付加製造／金型製作 | コンフォーマル冷却インサート、試作部品 | SLM/EBMにおける高い再現性、細かな微細構造、後熱処理反応性 |
AlSi10は、熱特性と適度な機械的強度を備えた複雑でほぼ最終形状の部品が求められる用途で好まれます。付加製造やダイカストでの広範な採用は、再現性の高い微細構造、優れた熱特性、軽量部品の経済的製造が可能な点に起因しています。
選定のポイント
一般的な選定としては、鋳造性、寸法制御、熱伝導性が主要な設計要件であり、部品形状がほぼ最終形状の生産に適している場合にAlSi10を選択してください。静的強度は中程度で成形性は限定的です。より高強度が必要な場合はT6処理（AlSi10Mg変種の場合）を指定し、疲労に関わる部品では孔隙率の管理を行ってください。
純アルミニウム（1100）と比べると、AlSi10は電気・熱伝導性および成形性を多少犠牲にしていますが、鋳造時の強度は大幅に向上し、鋳造性も格段に優れています。3003や5052のような加工硬化型合金と比べると、AlSi10は鋳造品特有の高い強度と複雑形状の製造容易性を提供する一方で、冷間成形が制限され、塩素化環境における耐食性が変動しやすいという特徴があります。6061/6063などの熱処理型圧延合金と比べると、AlSi10（特にMgを含まない変種）はピーク引張強さで劣る場合がありますが、鋳造性や熱特性に優れ、最終強度が低くても鋳造または付加製造部品として好まれる選択肢となります。
まとめ
AlSi10は、優れた鋳造性と熱特性を保持しつつ、多くの工業用途に十分な機械的特性を兼ね備えることから、特にダイカストや付加製造分野で今なお重要なエンジニアリング合金です。シリコンリッチな化学組成と多様な加工方法（鋳造、熱処理、HIP、AM）により、軽量で複雑な部品に対し、加工適性と使用時性能の実用的なバランスを設計者に提供します。