アルミニウム AlSi10Mg：組成、特性、材質区分ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
AlSi10Mgは、従来の圧延1xxx～7xxx系列ではなく、Al-Si-Mg系に属する鋳造および付加製造用アルミニウム合金です。その公称化学組成は、約9～11%のシリコンを中心とし、マグネシウム（通常0.25～0.45%）を少量添加し、鋳造性と機械的性能のバランスを取るためにFe、Cu、Mn、Tiの含有量を管理しています。
主な強化機構は熱処理型の析出硬化であり、固溶処理によりMg含有相を溶解し、急冷後に人工時効を行うことでMg2Siクラスターおよびシリコンを修飾した構造が析出し、強度を高めます。多くの付加製造および鋳造用途において、成形直後の微細組織と急速凝固により細かいシリコン分散が促進され、従来のT6処理品の強度に匹敵または上回ることもあります。
主要特長としては、多くのアルミニウム合金と比較して優れた強度対重量比、良好な鋳造性および熱伝導性、適切な表面処理を施せばほとんどの雰囲気下で許容される耐食性があります。Al-Si合金は一般的に溶接性や加工性も良好ですが、シリコン含有量が高いほど工具摩耗が増加し、ピーク時効状態での延性は低下します。
主な用途分野は、⾃動車（構造部品、ハウジング）、モータースポーツ・航空宇宙（軽量ブラケットやハウジング）、電子機器（放熱板やハウジング）、および付加製造による試作・小ロット生産です。低密度、良好な鋳造性またはAM適合性、熱処理可能な強度の組み合わせが要求され、低シリコン圧延合金に比べて成形性が劣る点を許容できる場合にエンジニアから選ばれています。
焼きなまし（Temper）バリエーション
| Temper | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い | 優秀 | 優秀 | 焼なまし／応力除去処理、成形に最適な延性 |
| F / As-cast / As-built | 低～中程度 | 中程度 | 良好 | 良好 | 鋳造またはAMによる初期状態、熱処理前 |
| T5 | 中程度～高い | 中程度～低い | まあまあ | 良好 | 高温から冷却後に人工時効処理；AM部品で一般的 |
| T6 | 高い | 低い | 劣る～まあまあ | 良好 | 固溶処理、急冷、人工時効処理；最大強度 |
| T651 | 高い | 低い | 劣る～まあまあ | 良好 | T6に加えて伸張応力除去処理；寸法安定性が重要な用途向け |
| T7 | 中程度 | 中程度 | まあまあ | 良好 | 過時効処理により安定性向上、靱性および応力腐食割れ耐性強化 |
焼きなまし状態は強度と延性のバランスに強い影響を及ぼします。固溶処理後の人工時効（T6）は引張強さ／降伏強さを最大化しますが、伸びや成形性は犠牲になります。低温時効（T5）は、歪みを抑えつつ強度を回復させるためにAM部品でよく用いられ、焼なまし（O）は成形や加工で最大限の延性が必要な場合に適用されます。
熱処理履歴は疲労耐性や微細組織の均一性にも影響します。多くの鋳造およびAM用途では、鋳造偏析の最小化およびシリコン形態の安定化を目的として最適化されたT6またはT5サイクルが指定され、対象となる機械的・熱的特性を確保しています。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 9.0–11.0 | 主な合金元素；融点範囲を下げ、流動性および耐摩耗性を改善 |
| Fe | 0.4–0.8 | 不純物元素；延性を低下させ、加工性に影響する金属間化合物形成 |
| Mn | 0.05–0.45 | Fe金属間化合物の形態調整および強度向上に寄与 |
| Mg | 0.25–0.45 | 時効硬化元素（Mg2Si形成）；析出強化を制御 |
| Cu | 0.05–0.20 | 通常は低含有；強度を高めるが濃度が高いと耐食性を低下させる |
| Zn | ≤0.2 | 微量、一般的に残留成分；強化効果は限定的 |
| Cr | ≤0.05 | 微量添加で結晶粒微細化および金属間化合物制御 |
| Ti | ≤0.15 | 鋳造およびAM微細組織の結晶粒微細化剤 |
| その他 / 残留元素 | ≤0.15 合計 | 微量元素および不純物；性能の安定化を目的に管理 |
シリコンは主要な意図的合金元素であり、鋳造挙動、共晶組成、およびSi-rich相の硬さを支配します。マグネシウムは活性な時効硬化元素であり、人工時効により微細なMg含有析出物を形成し、T6/T5の強化メカニズムを可能にします。Mn、Ti、微量のFeおよびCuは金属間化合物の形態調整、熱割れ感受性の低減、鋳造およびAM組織の最適化と、それに続く熱処理や機械的性能の向上を目指して添加されています。
機械的性質
AlSi10Mgは、引張荷重下でT6/T5条件において比較的高い引張強さを示しますが、一般的に低シリコン圧延合金に比べ伸びは減少します。降伏強さは固溶処理および人工時効後にMg含有微細析出物の析出およびシリコン粒子との相互作用により大幅に向上します。破断伸びは焼きなまし（O）または鋳造状態が最も高く、T6状態では最高強度を得る代わりに伸びは低下します。
硬さも同様の傾向を示し、焼なましおよび鋳造状態では低いブリネル硬さ/HRC値ですが、T6/T5処理では析出硬化とシリコン分散強化により大幅に上昇します。疲労性能は表面状態、しま欠陥（鋳造およびAM部品では重要）、焼きなまし状態に影響されます。例えばT6処理品は、ポロシティや表面欠陥が最小化されれば高サイクル疲労強さが良好です。厚みや断面サイズは凝固速度や冷却歴の違いによって機械的特性に影響を与え、薄肉部は微細組織かつ鋳造強度が高く、厚肉部はやや軟らかく収縮性の孔隙を生じやすい傾向があります。
| 特性 | O／焼なまし | 主要焼きなまし（例：T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（UTS） | 160–220 MPa | 300–380 MPa | T6値は断面厚さや熱処理条件に依存 |
| 降伏強さ（0.2%耐力） | 80–140 MPa | 240–320 MPa | 時効により急激に上昇；AMの成形直後状態は中間的な降伏強さを示す場合あり |
| 伸び（A%） | 8–15% | 2–8% | ピーク時効で延性が低下；破断形態は多くの場合シリコン粒子を介した粒間割れ |
| 硬さ（HB） | 40–65 HB | 90–140 HB | 硬さは析出物の密度およびシリコン形態に相関 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.67–2.70 g/cm³ | 他のアルミ合金と同程度；優れた比強度 |
| 融解範囲 | 約570–585 °C | 約10%のSiによる共晶影響で純アルミより固相線・液相線が低下 |
| 熱伝導率 | 100–140 W/m·K | 純アルミより低いが放熱用途には十分；温度や孔隙率に依存 |
| 電気伝導率 | 約30–40% IACS | 合金元素添加および微細構造により純アルミより低下 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 室温付近のアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張係数（20–200°C） | 約22–24 ×10⁻⁶ /K | 他のアルミ合金と類似；異種材料の組み合わせに際して留意が必要 |
AlSi10Mgは熱伝導率および比熱から軽量かつ熱管理が必要な部品に適していますが、純アルミや合金元素抑制型のより高性能な合金に比べると伝導率はやや劣ります。純アルミに対する融点範囲の低下は鋳造および付加製造に有利で、低温鋳造やプロセス中の熱勾配低減を可能にします。熱膨張率や熱伝導率は異種材料を組み合わせる構造物での歪みや熱応力発生を避けるために考慮が必要です。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な硬質処理 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 鋳造品（砂型・重力鋳造） | 数mmから100mm超の断面 | 断面が厚くなると粗大化し変動あり | As-cast、T6 | 自動車部品や工業用ハウジングに広く使用される |
| ダイキャスト | 薄肉から中肉断面（1～10mm） | 薄肉部は微細組織で良好 | As-cast、T5/T6 | 表面仕上げが良く、微細な共晶組織を得られる |
| 付加製造（粉末床溶融） | 複雑形状、板厚0.5〜10mm | 微細組織、築造状態で高強度 | As-built、T5、T6 | 急速凝固により独特の機械的特性を示し、熱処理が一般的に施される |
| 押出し（限定的） | 数十mmまでの形状 | 主に鋳造に注力しており限定的 | T4/T6相当 | 稀で、主に鋳物または粉末形態で生産される |
| 丸棒/棒材 | 粉末凝集由来の小径 | 加工条件による | T6 | 主に二次加工や粉末冶金で製造 |
AlSi10Mgは、大型の鍛造板製品よりも鋳造品（重力鋳造、ダイキャスト）や付加製造用の粉末として主に供給されます。鋳造およびAM（付加製造）の条件は組織と欠陥含有量に影響し、ダイキャストおよび急速AM凝固は、シリコンの微細分散および築造時強度の向上をもたらします。製品形状は適用可能な硬質処理、実現可能な断面サイズ、マシニングや熱処理、表面仕上げなどの二次加工を決定します。
相当材質
| 規格 | 材質 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| EN / ISO | AlSi10Mg / EN AC-AlSi10Mg | ヨーロッパ / 国際規格 | EN 1706およびISO規格に準拠する一般的な欧州鋳造指定 |
| AA / ASTM | （直接のAA相当なし） | 米国 | A356は類似だがSi含有量がやや低く（約7％）、Mg含有量も異なる。AlSi10Mgに該当する正確なAA合金番号はない |
| JIS | A3560/A357?* | 日本 | 日本の鋳造規格は類似のAl-Si-Mg系を持つが、限界値に若干の差異がある |
| GB/T | AlSi10Mg | 中国 | 国内供給チェーンで広く使用される中国鋳造規格の相当材 |
各地域の規格は最大不純物含有量、引張強度要件、許容される熱処理の方法に違いがあります。EN/ISOのAlSi10Mg指定は欧州および多くのグローバルサプライヤーで標準的な基準となっています。比較対象のA356（AlSi7Mg）やAlSi12Cu（ADC12）は組成と性能のトレードオフを示しています。A356はシリコンが少なく鋳造性や強度・延性のバランスが異なり、ADC12はシリコンおよび銅の含有量が高いため機械的性質や耐食性が変化します。国際的な部品調達時には、一般名称だけでなく、正確な規格と機械的受け入れ基準を確認することが重要です。
耐食性
AlSi10Mgはアルミニウムの不動態酸化皮膜と合金の比較的低い銅含有量により、一般的な大気腐食に対して良好な耐食性を示します。内陸部や軽度の工業環境では他の低銅Al-Si鋳造合金と同程度の性能を発揮し、耐久性向上のためにアルマイト処理や変換皮膜などの表面処理がよく施されます。
海洋環境や塩素イオンを含む環境では、局所的なピッティング腐食および隙間腐食の発生が中程度見られるため、適切な表面保護、犠牲防食塗装、または陰極絶縁対策が長期耐久のために推奨されます。応力腐食割れ（SCC）に対する感受性は高強度のAl-Zn-Mg系より低いものの、特にピーク時硬質処理（ピークエイジド）においては、適切な過時効処理を施さなければ、引張応力と塩化物環境の組み合わせで発生する可能性があります。
ステンレス鋼や銅など陰極材料との電気的接触および電解質存在下では、局所腐食が促進される可能性があるため、絶縁インターフェースや類似金属の使用などガルバニック電流を抑制する設計が望まれます。5xxx系や6xxx系の鍛造材と比較すると、AlSi10Mgは鋳造性と許容される耐食性のバランスが良いですが、厳密に設計されたAl-Mg合金の優れた海洋耐性や、一部鍛造材のアルマイトによる局所腐食抑制には及びません。
加工特性
溶接性
AlSi10MgはGTAW（TIG）やGMAW（MIG）といった一般的な溶接法で溶接可能であり、適切なフィラー材とともに頻繁に接合されます。シリコンを多く含むER4043（Al-5Si）やAl-Si-Mg系フィラーが急冷時の凝固挙動に適合し、割れを抑制するため一般的に使用されます。高強度・Mg含有比重視の場合はER5356（Al-Mg）が使われますが、孔隙および熱割れのリスクが高まる傾向があります。孔隙や水素取り込み、収縮割れが主な溶接問題であり、溶接前の洗浄、適切な継手設計、熱入力の管理が熱影響部軟化や溶接欠陥を低減します。
切削加工性
AlSi10Mgの切削は、鉄系合金と比べて概ね容易ですが、シリコン粒子が研磨性を上げ工具摩耗を促進するため、超硬工具やPVDコーティング工具の使用が推奨されます。切削送り速度や切削速度は鋼材よりも高めに設定可能で、冷却剤を豊富に用いて切りくず排出と熱変形を抑制します。切りくず形状はシリコンがもろい性質のため断続的になりやすいです。表面仕上げは鋳造やAM由来の孔隙率に大きく影響されるため、重要部品では仕上げ加工や非破壊検査が多く行われます。
成形性
ピークエイジド硬質処理状態では冷間成形は制限されます。O（軟化処理）および軽度時効状態が曲げ加工や打抜き加工に最適な成形性を示します。推奨される最小曲げ半径は硬質処理や形状に依存しますが、軟化処理状態では板厚の4〜6倍程度が目安で、T6状態ではシリコン粒子が集まる箇所の割れを避けるためより大きな曲げ半径が必要です。複雑形状については高強度硬質処理での延性低下により冷間成形よりも、ニアネット鋳造やAM後の切削加工を活用することが望ましいです。
熱処理挙動
AlSi10Mgの溶体化処理は、主に540〜545 °C付近で微細組織の均質化とMg含有相の溶解を目的に行われ、断面厚さに応じた保持時間設定により低融点成分の未溶解を避けます。溶体化完了後の急冷が必要で、過飽和固溶体の形成により人工時効で析出物密度を高め、強度向上を図ります。T6相当の人工時効は160〜180 °Cで数時間行い、Mg2Siの析出とシリコン形状の安定化でピーク強度を実現します。
T5硬質処理はAM部品で広く用いられ、加熱処理直後に冷却し直接人工時効を行うことで、完全な溶体化処理に比べ歪みが低減され中程度の強度を得ます。寸法安定性や応力腐食割れ耐性向上には過時効処理（T7）が適用されることがあり、ピーク強度は若干低下します。焼鈍（O）状態は低温での長時間保持により析出物の粗大化やシリコンの球状化を促進し、加工や成形に適した延性を回復します。
高温特性
AlSi10Mgは室温を超える温度で徐々に強度が低下し、特に150 °C以上では降伏強さや引張強さが著しく減少します。125〜150 °C以上の長期暴露は析出物の粗大化を促進しピークエイジング効果が失われるため、荷重を受ける用途の使用温度制限は保守的に設定されます。酸化はアルミニウムの保護酸化膜により抑制されますが、高温環境でのスケーリングやシリコン相の局所酸化が生じる恐れがあり、保護被膜の適用が望ましいです。
溶接や局所的な再加熱による熱影響部では、析出物の溶解や過時効化により軟化が起こり得るため、溶接後熱処理や局所的なピーク温度低減を考慮した設計が必要です。短時間の高温暴露では十分な性能を示しますが、長時間高温使用が求められる場合は、高温用アルミ合金や他の材料の選択が一般的です。
用途
| 業界 | 代表的な部品 | AlSi10Mgが使われる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | エンジンカバー、ギアボックスハウジング、構造用ブラケット | 優れた鋳造性、良好な剛性対重量比および放熱性 |
| 航空宇宙・防衛 | ブラケット、ハウジング、小型構造部品 | T6熱処理後の高い強度と軽量性、複雑形状に対応可能なAM適合性 |
| 海洋 | ポンプハウジング、非重要構造部品 | 保護被覆による良好な耐食性と優れた鋳造性 |
| 電子機器 | ヒートシンク、筐体 | 熱伝導性およびAMによる複雑な統合チャネル形成能力 |
| モータースポーツ／産業用 | 軽量部品、試作 | 迅速な試作と熱処理後の優れた強度対重量比 |
AlSi10Mgの採用は、鋳造性、AMプロセス適合性および熱処理による強度の組み合わせによって推進されています。複雑な形状、熱処理後の寸法安定性、および適度な耐食性が求められる軽量部品において優れており、より重い鉄系鋳造品や高価な特殊合金の代替品として多く使われています。
選定のポイント
粉末床溶融や鋳造による軽量構造部品には、商業用純アルミニウムよりも高い強度が必要で、なおかつ優れた鋳造性と熱的性能が求められる場合にAlSi10Mgを選択してください。1100（商業用純アルミニウム）と比較すると、AlSi10Mgは電気・熱伝導性や成形性を犠牲にする代わりに、実質的に高い強度と耐摩耗性を提供します。
3003や5052などの加工硬化合金と比較すると、AlSi10Mgは熱処理によってより高い強度が得られますが、通常は靭性が低く、塩化物が強い環境下での耐食性はやや劣ります。鋳造性と熱処理後の強度が打抜きや深絞りよりも優先される場合にAlSi10Mgを選んでください。6061や6063のような一般的な熱処理可能な圧延合金に比べると、AlSi10Mgは条件によってはピーク時の引張強さが低いことがありますが、鋳造やAMによる形状の自由度および共晶シリコンの利点が、圧延材の高強度や入手性より重要な場合に適しています。
部品形状や製造プロセスの制約で鋳造やAM生産が好まれ、後工程での熱処理が許容される場合にAlSi10Mgを選択してください。絶対的な成形性や極めて過酷な環境下での耐食性よりも、製造容易性、熱特性、重量との優れたバランスを設計者が重視する場合に最適です。
まとめ
AlSi10Mgは、鋳造性と付加製造（AM）適合性、Mg系析出による熱処理強化、軽量構造用および熱管理用部品に求められる熱的・機械的・耐食特性の実用的なバランスを兼ね備えた、現代エンジニアリングにおいて非常に重要なアルミニウム合金であり続けています。