アルミニウム AlSi12：組成、特性、硬さ区分ガイドおよび用途
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総合概要
AlSi12はアルミニウム-シリコン系に属し、1xxx～7xxxの圧延系列ではなく鋳造用Al-Si合金の一種として分類されます。一般には圧延系列番号ではなく鋳造用の呼称で参照されます。本合金は概ね11～13％のシリコンを含み、鉄、マンガン、銅、そして微量元素としてチタンやクロムが含まれ、粒子微細化や特性制御に用いられます。
AlSi12の主な強化機構は微細組織に由来し、アルミニウムマトリックス中に分散した準共晶シリコン相が剛性および耐摩耗性をもたらします。AlSi12は古典的な析出硬化性（熱処理可能な）圧延合金ではなく、機械的性質の向上はシリコンの形態制御（修飾、球状化）や限定的な熱処理によって得られ、MgやCuによる析出硬化はほとんどありません。
主な特徴として優れた鋳造流動性、低い固化収縮、鋳造後の良好な寸法安定性、そして保護的な酸化アルミニウム皮膜による適度な耐食性があります。引張強さは中程度、鋳造状態での伸びは控えめであり、他の鋳造用合金に比べて熱伝導率は良好です。AlSi12は自動車（ダイカストエンジン部品、ハウジング）、産業機械（ポンプボディ、バルブハウジング）、船舶用金具および熱管理用途に多く採用されています。
エンジニアは、最も高い引張強さよりも鋳造性、低収縮、および強度と熱伝導率のバランスを重視する場合にAlSi12を選択します。シリコン含有により複雑な薄肉鋳造部品や耐摩耗性・熱サイクル安定性を要するコンポーネントに適しています。
調質（Temper）バリアント
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| F（成形状態） | 低〜中 | 低〜中 | 限定的 | 中程度 | ダイまたは砂型鋳造の一般的な鋳造状態 |
| O（焼なまし） | 低 | 中〜高 | 向上 | 良好 | 延性向上と残留応力低減のための応力除去／焼なまし |
| T5 | 中 | 低 | 限定的 | 中程度 | 鋳造から冷却後、人工時効による特性安定化処理 |
| T6 | 中〜高 | 低 | 限定的 | 中程度 | 固溶処理＋人工時効によりSiの球状化と強度のやや向上（合金組成が許せば） |
| T4（固溶化処理） | 中 | 低〜中 | 限定的 | 中程度 | 固溶処理と自然時効による処理。修飾後に選択的に使用 |
| H14（加工硬化） | 一般的でない | 一般的でない | 一般的でない | 一般的でない | 鋳造AlSi12には加工硬化は通常適用不可。参考として記載 |
調質はAlSi12の性能に強く影響を与えます。これはシリコン形態および鋳造欠陥が主な特性要因であるためです。固溶処理や人工時効（T6/T5）はシリコン粒子の分布を微細化し、微細分離を減少させることで、鋳造状態に対して適度な強度または延性の変化をもたらします。
実際の調質選択は鋳造ルートおよび部品機能に依存します。焼なましや制御された時効処理は機械加工性向上や内部応力低減に使用されますが、圧延用合金に適用される積極的な熱機械処理は一般的にAlSi12鋳造品には適用されません。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 11.0–13.0 | 主要な合金元素。共晶構造、流動性、耐摩耗性を制御 |
| Fe | 0.3–1.3 | 一般的な不純物。高Feは脆化する介在物を促進し延性低下を招く |
| Mn | 0.1–0.6 | Fe介在物の形態制御。鋳造性や機械的特性を改善 |
| Mg | 0.05–0.5 | 微量～少量含まれることがある。十分量あれば析出硬化を促進可能 |
| Cu | 0.05–0.5 | 一般に低濃度。増加すると強度向上だが耐食性は低下 |
| Zn | 0.05–0.5 | 微量。残存成分で熱割れ防止のため管理される |
| Cr | 0.05–0.25 | 微量添加で粒状構造制御およびFeの安定相化に寄与 |
| Ti | 0.02–0.20 | 粒子微細化剤として一次アルミ結晶の制御に使用 |
| その他 | 残りはAlおよび微量不純物 | Ni、Pb、Sr（修飾用）などは鋳造性能を満たすため管理される |
AlSi12におけるシリコンは性能調整の主要因であり、融点範囲の低下、流動性の向上、収縮の低減に加えて、硬質なシリコン粒子による耐摩耗性を付与します。鉄およびマンガンは固化時に生成される有害な介在物相の制御に関与します。チタンやストロンチウム等の微量元素は粒子微細化やシリコン形態を板状から繊維状または球状に変化させ、靭性や機械加工性を向上させます。
機械的特性
AlSi12の鋳物は、引張挙動が共晶シリコンの形態および鋳造品質（気孔、収縮、固化速度）に支配されます。鋳造直後の強度は中程度、伸びは限られます。鋳造品は断面厚さによる冷却速度差の影響で方向性特性を持つ場合があります。合金組成と微細構造が適切に調整されていれば、固溶処理と時効により強度が適度に向上します。
降伏強さは高強度な熱処理圧延合金に比べて一般に低いですが、縮みや気孔が適切に管理された鋳造技術では安定した性能を示します。硬さはシリコン粒子の分布に相関し、細粒で球状化したシリコンは粗大なフレーク状よりも靭性が高く、表面硬度はやや低くなります。
疲労性能は気孔や酸化物介在物などの鋳造欠陥に敏感で、これらが疲労起点となります。欠陥の少ない良質な鋳造品は重要度の低い回転部品に対して十分な疲労寿命を示します。断面厚さは冷却速度やシリコン形態に影響し、薄肉部は急冷により微細組織と高強度を得ますが、厚肉部は冷却が緩やかで粗大シリコンが生成されます。
| 特性 | O／焼なまし | 代表的調質（T6/T5） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（UTS） | 90–140 MPa（一般的） | 150–240 MPa（合金・処理方法依存） | 鋳造方法、気孔制御、微細構造修飾により幅広い範囲 |
| 降伏強さ（0.2％オフセット） | 40–90 MPa | 100–170 MPa | 固溶＋時効後の降伏強さ向上は高Mg/Cu合金に比べて緩やか |
| 伸び | 2–10％ | 1–6％ | 時効後に延性は低下。薄肉鋳造品はより高い伸び |
| 硬さ（ブリネル） | 35–70 HB | 60–110 HB | 硬さは細粒シリコン形態と熱処理により増加。断面や処理に依存 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 g/cm³ | Al-Si鋳造合金の典型的な密度。シリコン含有のため純アルミよりやや高い |
| 融点範囲 | 約577–600 °C | 準共晶合金で純アルミより低融点。共晶反応は約577 °C付近 |
| 熱伝導率 | 約110–140 W/m・K | 純アルミに比べ低いが鋳造部品の熱散逸に適する良好な伝導性 |
| 電気伝導率 | 約30–40％ IACS | シリコンや介在物の影響で純アルミより低下 |
| 比熱容量 | 約0.88–0.92 kJ/kg・K | 純アルミに近く、熱容量計算に有用 |
| 熱膨張係数 | 約21–24 µm/m・K | シリコン含有による影響で、熱処理状態によっては純アルミよりやや低い |
AlSi12の物理的特性は、熱管理や加熱・冷却サイクル中の寸法安定性が重要な部品に適しています。低い融点と良好な流動性により、薄肉で複雑な形状の鋳造品を良好に成形可能です。
電気伝導率は純アルミニウムに比べて低く、電気的性能が求められる場合には考慮が必要です。密度および比熱は他のアルミ鋳造合金に近く、軽量構造および熱用途に有利です。
製品形態
| 形態 | 典型的な厚さ・寸法 | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 砂型鋳造部品 | 肉厚 3～50 mm | 可変的；厚肉部では粗い微細構造 | F, O, T5 | 大型かつ複雑な部品に使用；微細構造は冷却速度により制御 |
| ダイカスト（永久型） | 薄肉 1～10 mm | 急冷により高強度；微細なSi相 | F, T5, T6 | 自動車用ハウジングや精密部品に一般的 |
| 重力ダイ / 永久型 | 2～20 mm | 中程度の強度と表面仕上げ | F, T5, T6 | 中量生産向けで良好な再現性と機械的特性 |
| 砂型芯材/インゴット | 寸法可変 | ベース原料 | F | 鋳造現場用の原材料または再溶融材 |
| 棒材 / 鋳造丸棒 | 直径最大200 mm | 鋳造品に類似；鍛造・圧延は限定的 | F, O | 機械加工母材および一部小型構造部品に使用 |
用途や要求される機械的・寸法許容差により製品の形態は異なります。ダイカストは最も微細な微細構造と優れた寸法管理を実現し、薄肉の大量生産自動車部品に適しています。砂型鋳造は大断面や複雑な内部形状を許容しますが、欠陥管理が重要です。
供給形態は二次加工に影響を与えます。ダイキャスト品は通常、加工余裕が少なく表面仕上げも良好である一方、砂型鋳造品は所望の許容差を得るためにより多くの機械加工および熱処理が必要となる場合があります。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | AlSi12（鋳造用） | 米国 | 約12% Siを含むAl-Si鋳造用の一般的指定 |
| EN | EN AC-AlSi12 / AlSi12 | ヨーロッパ | 標準化された鋳造用指定（旧称AlSi12）；ENでは“F”が鋳造状態を示す場合あり |
| JIS | ADC12（類似） | 日本 | ダイカストで広く使われ、組成は類似だがCuおよびZnがやや高い場合が多い |
| GB/T | AlSi12 | 中国 | 中国規格のAl-Si鋳造合金で概ね相当；組成許容差は異なる場合あり |
各地域の鋼種の微妙な差異は主にCu、Zn、微量元素の許容レベル、さらにFeおよびMnの含有量にあります。JISのADC12は、機械的性質向上のためにCu含有が高めですが腐食抵抗性はやや劣ります。EN AC-AlSi12は低Fe管理がされており、欧州では高品質鋳造品に広く指定されています。
耐食性
AlSi12はアルミニウム酸化被膜の形成により大気環境下で一般的に良好な耐食性を示します。中性または軽度の腐食環境では良好に機能しますが、鋳造欠陥や気泡、介在物がある部分では局部的な陽極溶解が起こる可能性があります。表面仕上げおよびシール塗装によって長期的な耐環境性能が大幅に向上します。
海水や塩素含有環境では、欠陥や粗い表面に腐食性媒体が滞留すると孔食や隙間腐食が発生しやすくなります。典型的なAlSi12の比較的低い銅含有は応力腐食に対してCuリッチ合金より耐性がありますが、より高貴な金属との接合部ではカソード／アノード効果の考慮が必要です。
応力腐食割れはAlSi12の主たる破壊モードではありません。これは粒界脆化の原因となる溶質元素が少ないためです。しかし、疲労腐食と鋳造欠陥の組み合わせによって、海洋環境や工業環境の繰返し荷重下で早期破損が生じる場合があります。鋼材や銅合金とのガルバニック作用は絶縁材や適切な腐食許容を用いて加速腐食を防止すべきです。
5xxx系の海洋用圧延合金と比べると、AlSi12は靭性が低く鋳造欠陥により敏感ですが、鋳造しやすさや複雑形状の寸法安定性に優れています。腐食性環境での使用には環境曝露の評価と鋳造品の健全性の詳細検討が求められます。
加工性
溶接性
AlSi12鋳造品の溶接は適切なフィラー材選定と溶接前準備によりTIGおよびMIGプロセスで可能です。ER4043（Al-5Si）、ER4047（Al-12Si）などのアルミニウム-シリコン系溶接棒を用いることが一般的で、母材のSi含有量に合わせて熱割れリスクを低減します。予熱や脱ガス処理で水素孔隙の発生を抑制しますが、溶接部周辺の熱影響部（HAZ）でシリコン形態が変化し、収縮や応力集中が生じやすいため、溶接後の熱処理や研削による欠陥除去が必要になる場合があります。
切削性
AlSi12の切削性は鋳造アルミとしては良好ですが、硬質のシリコン粒子により純アルミと比較して工具摩耗が早まります。TiNコーティングなどの超硬工具や正面角の良い工具形状を使用し、高速切削が推奨されます。切りくず制御は概ね良好ですが長時間連続加工では工具寿命の管理が必要です。切削パラメータは断面厚さや局所硬度（シリコン形態や熱処理履歴による）を考慮してください。
成形性
AlSi12の成形性は限定的です。通常鋳造品として使用され、圧延アルミ合金に比べて延性が低いため、冷間曲げや深絞りは実用的ではありません。必要な形状は金型設計や芯金によって成形されます。半固体成形や熱処理によるシリコンの球状化で局所的に延性向上は可能ですが、5xxx系や6xxx系圧延合金の成形性には及びません。
熱処理特性
AlSi12はMgやCuの含有が少なく、クラシックなT6系析出硬化合金ではないため、主たる析出硬化による強化は期待できません。しかし、熱処理によりシリコン形態や残留応力に影響を与えます。520～540 °C付近の溶体化処理後の急冷により微細構造の均質化とシリコン粒子の球状化が部分的に可能で、その後の人工時効（T5/T6）により微細構造を安定させてわずかな強度向上が得られます。
多くのAlSi12鋳物にとって最も有効な熱処理はアニーリングや均質化処理であり、これらは鋳造応力の除去および微細組織の偏析軽減に寄与します。こうした処理により機械加工性が向上し、二次加工時の熱割れ発生率も低減します。鋳造部品では加工硬化が実用的でないため、設計者は微細構造制御、熱処理、およびSr添加などの合金改良によって特性調整を行います。
熱処理工程の管理は極めて重要です。過時効や不適切な溶体化によりシリコンが粗大化して延性が低下し、脱ガス不足や急冷不足は残留気孔を増加させて機械的性能を悪化させます。MgやCuの微量添加合金では、管理された溶体化・時効工程により最大効果が得られ、それ以外は応力除去とシリコン形態最適化に焦点が当てられます。
高温性能
高温下では熱活性化により変位の移動や微細構造の粗大化が進み、AlSi12は強度が徐々に低下します。実用的な使用温度は一般に構造用途で約150～200 °C以下に制限され、大きなクリープや剛性低下を避ける必要があります。短期間の250 °C程度までの非荷重熱部品での使用は可能ですが、長期の機械的信頼性は劣化します。
酸化挙動はアルミニウムとして典型的であり、安定した酸化皮膜が母材を保護しますが、酸化皮膜の成長は熱伝達用途での接触抵抗を悪化させます。溶接や局所熱処理による熱影響部のシリコン分布変化は局所的に高温性能を低下させ、クリープや酸化促進割れを加速させる可能性があります。高温用途設計では応力集中を最小化し、荷重支持部の薄肉化を避けることが重要です。
用途
| 業界 | 代表的な部品例 | AlSi12が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | トランスミッションハウジング、ギアボックスケース、バルブボディ | 複雑な薄肉部品に対する優れたダイキャスティング性と寸法安定性 |
| 海洋 | ポンプハウジング、非重要構造鋳物 | 複雑形状の耐食性および鋳造性 |
| 航空宇宙・防衛 | ブラケット、非主要構造用ハウジング | 鋳造部品としての高い強度対重量比と良好な熱安定性 |
| 産業機械 | ギアハウジング、ベアリングハウジング、バルブボディ | 低収縮、優れた耐摩耗性および十分な機械的強度 |
| エレクトロニクス / 熱管理 | ヒートスプレッダーハウジングおよび熱容量部品 | 合理的な熱伝導率と複雑鋳造能力の組み合わせ |
AlSi12は、複雑な形状やリブの統合、薄肉化など鋳造による製造メリットが、最高の引張性能や高度な成形性の必要性を上回る場合に優れた性能を発揮します。寸法精度、熱伝導性、適切な強度の組み合わせにより、大量生産のダイキャスト部品や経済的な中型鋳造品として広く使用されています。