アルミニウム AlSi7Mg：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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包括的な概要
AlSi7Mgはアルミニウム-シリコン-マグネシウム合金で、鋳造用合金のAl–Si系に属し、通常はファウンドリーでの鋳造や圧力鋳造、重力鋳造の形態でEN AC‑AlSi7Mgの指定で使用されます。鍛造用の2xxx〜7xxxシリーズとは異なり、鋳造用アルミ合金のカテゴリに位置し、北米では主にA356/A357グレードの材料と比較されることが多いです。
主な合金元素はシリコン（約6.5～7.5重量％）で、二次合金元素としてマグネシウム（約0.2～0.5重量％）が含まれています。さらに、Fe、Cu、Mn、Tiなどが管理された不純物や微量合金元素として含まれています。強化は主に固溶熱処理後のMg2Si相の析出硬化（熱処理可能）によって生じ、また鋳造の凝固組織や二次樹枝間隔も鋳造時の強度に大きく寄与します。
主な特徴は、複雑形状の鋳造に優れた鋳造性と流動性を有し、T6型処理後は強度と伸びの良好なバランスを示し、大気環境下での耐食性も比較的良好であることです。また、他の多くのアルミ合金と比較して熱伝導率が高い点も特長です。溶接性や成形性は中程度であり、適切な手順による溶接は可能ですが、鍛造品と比べて鋳造状態での延性は低く、広範な冷間成形には制限があります。
代表的な用途は自動車（構造用鋳造部品、ハウジング、ホイールやサスペンション部品）、一般機械、ポンプ・バルブ、船舶部品、一部の電子機器筐体や放熱用鋳造部品などです。エンジニアはAlSi7Mgを選択するのは、鋳造性と熱処理後の強度のバランスが良く、高合金または鍛造合金に比べてコスト効率が高いこと、そしてファウンドリーでの予測可能かつ再現性のある性能が得られるためです。
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 | 優秀（鋳造品としては） | 優秀 | 完全焼鈍または応力除去の鋳造状態；最高の延性、最低の強度 |
| T4 | 低～中 | 中～高 | 良好 | 良好 | 固溶処理後自然時効；T6よりも延性が良く中間的な強度 |
| T5 | 中 | 中 | 普通 | 良好 | 鋳造状態から冷却し人工時効加工；迅速生産部品に一般的 |
| T6 | 高 | 中 | 普通～不良 | 中程度 | 固溶熱処理、急冷、人工時効；設計用のピーク硬度と強度 |
| T7 | 中～高 | 中 | 普通 | 中程度 | 過時効処理による熱安定性向上と応力腐食割れ耐性の改善 |
| F | 可変 | 可変 | 可変 | 可変 | 特定の熱処理管理なしの製造状態；特性は工程に依存 |
調質の選択は微細構造を制御します。固溶処理は可溶相を溶解し基体を均質化し、人工時効は微細なMg2Si粒子の析出を促進し降伏強さおよび引張強さを向上させます。鋳造状態（O/F）は限られた成形に対して最高の延性と成形性を提供する一方、T6は一部の靭性および成形性を犠牲にして最大の強度を実現します。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 6.5～7.5 | 主要合金元素；流動性を改善し、収縮を低減；共晶相を形成する |
| Fe | 0.1～0.6 | 不純物；Feが多いと延性を低下させる脆性のβ‑Al5FeSi相を促進 |
| Mn | 0.05～0.35 | 鉄の金属間化合物の形態を制御；微量添加により微細組織化を促進 |
| Mg | 0.2～0.5 | 析出硬化元素（Mg2Si）；時効硬化応答を制御 |
| Cu | 0.05～0.2 | 通常は制限；強度増加効果があるが、高濃度で耐食性を低下させる可能性あり |
| Zn | ≤0.2 | 微量元素；望ましくない影響を避けるために制限されることが多い |
| Cr | ≤0.1 | 結晶粒制御；再結晶制御に使用される場合あり |
| Ti | ≤0.2 | 鋳造時の結晶粒微細化元素（ファウンドリーではTiB添加が一般的） |
| その他 | 残部Al | 規格に基づき微量元素を制御 |
シリコンは共晶組織を形成し、鋳造性と鋳造時の機械的性能を向上させます。マグネシウムは固溶処理と時効処理によるMg2Si析出硬化を可能にします。鉄とマンガンの適正管理は脆性の金属間化合物の形態を決定し、延性や疲労性能に大きな影響を与えます。TiやCrなどの微量元素は結晶粒微細化や生産環境における凝固特性の制御に利用されます。
機械的性質
AlSi7Mgは鋳造方法、断面厚さ、調質により幅広い機械的挙動を示します。焼鈍または鋳造状態では、引張強さは控えめですが鋳造合金としては比較的高い延性を持ち、破壊挙動は気孔および金属間化合物の形態に敏感です。固溶処理と人工時効（T6）後は、微細なMg2Si析出物によって引張及び降伏強さが大幅に向上し、伸びは一部犠牲となりますが高い使用応力レベルが得られます。
T6状態の降伏強さは中強度の鍛造合金と比較して同等の設計強度を実現可能ですが、疲労や破壊に関する設計では鋳込み欠陥や断面寸法の影響を考慮する必要があります。硬さは調質に応じて変化し、HBRやHBWはO/T4からT6で著しく増加し、軸受や摺動用途における耐摩耗性を向上させます。疲労性能は表面状態、気孔率、微細構造の粗さに強く依存し、ショットピーニングや凝固組織の微細化、及び水素気孔の管理によってS–N曲線の挙動が大幅に改善されます。
厚みや断面形状は冷却速度や樹枝間隔に影響を及ぼし、機械的性質に影響します。薄肉鋳造品は急冷され、微細構造となり強度が向上しますが、肉厚が大きい部品は冷却が遅く、軟質コアや不均一な性質を避けるために特別な固溶処理工程が必要になることが多いです。
| 特性 | O/焼鈍 | 代表調質（T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 150〜210 MPa | 260〜340 MPa | T6の値は鋳造品質とMg含有量に依存；設計で用いられる典型範囲 |
| 降伏強さ | 70〜140 MPa | 200〜260 MPa | 良好な鋳造品で焼鈍からT6へ約2～3倍に増加 |
| 伸び | 6〜18% | 4〜12% | 強度増加および鋳造欠陥により伸びは低下 |
| 硬さ（HB） | 40〜70 HB | 80〜110 HB | 時効によりブリネル硬さが上昇；断面寸法や気孔率に影響される |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.68 g/cm³ | Al–Si系鋳造合金として典型的；合金元素により若干変動 |
| 融点範囲 | 約555〜615 °C | 固相点と液相点はSi含有量と微量合金元素に依存；共晶点は約577 °C付近 |
| 熱伝導率 | 約100〜140 W/m・K | 純アルミに比べ低いが、放熱用鋳造部品には十分な値 |
| 電気伝導率 | 約30〜38 %IACS | 合金化により純アルミより低下；一部導電用途に適合 |
| 比熱 | 約870〜910 J/kg・K | 他のアルミ合金と類似；温度依存性あり |
| 熱膨張係数 | 22〜24 ×10⁻⁶ /K | 室温付近での線膨張係数；接合設計に重要 |
AlSi7Mgは比較的低密度ながら適度な熱伝導率を持ち、軽量化と熱伝達特性を兼ね備え、鋳造性にも優れています。凝固範囲と共晶挙動は気孔発生傾向と供給条件を制御し、リザー、チル、熱処理条件の設計に必須の理解です。熱膨張率は中程度であり、鋼材やその他金属との接合の際にはサービス中の熱応力を回避するために考慮が必要です。
製品形態
| 形態 | 典型的な厚さ／サイズ | 強度の特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 砂型／重力鋳造 | 可変、mm単位から数百mmまで | 断面サイズにより強度が変化 | O、T5、T6 | 構造用鋳物に広く使用され、中〜大形状部品に適する |
| 恒久型／ダイカスト | 薄肉〜中肉壁厚（2〜20 mm） | 一般的に微細な組織で鋳肌強度が高い | T5、T6 | 表面仕上げと寸法精度に優れ、自動車部品で多用される |
| インゴット／ビレット | 数百mmまで | 下流工程向けに均質化処理済み | O、T4 | 再溶解、鍛造（近ネットシェイプ）や二次鋳造の原料 |
| 押出／圧延（限定的） | 実現性は限定的 | 標準ではない。加工硬化性が劣る | — | AlSi7Mgは標準的な押出材や圧延鋼板にはあまり用いられない |
| 棒材／丸棒（チル／冷間仕上げ） | 小断面 | 変動あり。再溶解や加工が多い | O、T6 | 加工用の素材として供給され、機械的性質は加工工程に依存 |
AlSi7Mgは主に鋳造合金として用いられ、その製品形態は鋳造実務を反映しています。砂型鋳造、重力または恒久型鋳造、ダイカスト部品が主流です。加工方法の違い（砂型、恒久型、ダイカスト）により微細構造、気孔分布、機械的特性が異なるため、設計者は構造的および表面仕上げの要件に合った形態と熱処理を選択する必要があります。再溶解して均質化することで限定的な塑性加工も可能ですが、合金組成や共晶組織は鋳造向けに最適化されているため、従来の押出や重圧延は一般的ではありません。
対応鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA / AMS | A356 / AlSi7Mg0.3 | 米国 | A356はMg含有量と不純物限度が厳格に規定された代表的な商用相当品 |
| EN | AC‑AlSi7Mg | 欧州 | 欧州で一般的な鋳造指定。鋳造所ごとに仕様の差異あり |
| JIS | ADC12 / A356相当 | 日本 | ADC12はCu含有量が高めのダイカスト用鋼種。A356相当鋳造合金も使用される |
| GB/T | AlSi7Mg | 中国 | 中国規格では類似組成をAlSi7Mg指定で管理 |
規格により許容MgおよびFe限度や処理定義（T6とT61など）が異なるため、直接の代替には不純物限度や時効処理の確認が必要です。重要用途では、特定規格の組成限度、鋳造方法の制約、熱処理の定義を比較検討し、互換性や機械的性能・耐食性能を予測することが重要です。
耐食性
AlSi7Mgは薄い保護性のアルミニウム酸化膜形成により大気中での一般的な耐食性に優れ、大量の銅を含まないため局所腐食が抑制されます。海洋や塩化物環境ではピッティング腐食やクリーブ腐食が発生しやすく、特に気孔や金属間化合物ネットワークが局所的な陽極部位を増幅する場合に影響が大きくなります。
応力腐食割れの感受性は、高強度の2xxx系や7xxx系合金よりも低く、特に過時効されていない場合や気孔・水素含有量が制御されている場合に顕著です。ただし鋳造や溶接による残留引張応力はSCCのマージンを低下させる可能性があります。ガルバニック腐食についても設計上の配慮が必要で、導電性電解質下でより高貴な金属（例：ステンレス鋼）と接触するとAlSi7Mgは陽極として優先的に腐食します。隔離や塗膜保護が必須です。
加工材の5xxx系や6xxx系合金と比較すると、AlSi7Mgは局所腐食抵抗が同等かやや低い傾向にありますが、鋳造組織の気孔感受性により、表面仕上げ、鋳造後のシール処理、または保護コーティングの有無が特に海洋用途の長期耐久性に大きく影響します。
加工特性
溶接性
AlSi7Mg鋳物は標準的なTIG（GTAW）およびMIG（GMAW）溶接で対応可能ですが、溶接前の清浄や水素吸収の管理が重要です。母材に適したシリコン含有タイプのアルミニウムシリコン系（ER4043など）が主な充填材で、凝固過程の適合と割れ防止を促進します。延性向上のためにAl-Mg系（ER5356）を使用する場合は、気孔や溶接金属割れのリスクが高まるため不適合もあり得ます。溶接部や熱影響部には割れリスクがあり、熱影響部の軟化や析出物の溶解による局所的な強度低下も認められるため、重要部品では溶接後の固溶処理・時効処理が必要になる場合があります。
切削性
AlSi7Mgの切削性は中程度であり、鋳造品質や共晶シリコン粒子の形態に大きく左右されます。TiN/TiAlNコーティングカーバイドや無コーティングカーバイド工具が荒加工・仕上げに推奨され、高速度鋼工具も2次加工で使用可能です。切削速度は鋼より速く、フリーマシニング加工材よりは遅い傾向にあります。切り屑形成は不連続になりやすく、研磨性の高いシリコン粒子が工具摩耗を促進するため、冷却剤使用および工具形状の最適化が重要です。
成形性
鋳造合金であるためAlSi7Mgの冷間成形性は加工材と比べて限定的であり、特に孔食や脆い共晶シリコンネットワークにより曲げ加工や深絞りが制約を受けます。退火または固溶・時効処理済みの状態で最良の成形結果が得られますが、厳しい曲面半径は困難で鋭い折り曲げ部で割れが発生する恐れがあります。複雑部品は近ネットシェイプ鋳造が望ましく、切断、軽微な曲げ、機械加工などの軽度な成形に限定するのが設計上のポイントです。
熱処理特性
AlSi7Mgは固溶化および人工時効による熱処理性合金で、T6タイプの特性が得られます。一般的な固溶化処理温度は断面厚さに応じて約525〜545 °Cで数時間保持し、Mg含有固溶相の溶解とマトリクスの均質化を行い、急冷により過飽和固溶体を保持します。その後、155〜185 °Cで数時間の人工時効を実施し、微細なMg2Si析出物を析出させて強度・硬さを向上させます。
T5（鋳造冷却後+人工時効）は、全面固溶化処理が困難な大量生産で現実的な妥協案として用いられ、比較的良好な強度を熱処理負荷を低減して得られます。T7の過時効処理は熱安定性向上や高温環境下での応力腐食耐性低減に使用されます。保持時間、急冷速度、時効条件の厳密な管理が必要で、溶融開始領域や粗大な析出物形成を避け、機械的性質の低下を防ぎます。
高温性能
AlSi7Mgは高温で徐々に強度が低下し、約150 °Cを超えると降伏強さや引張強さが大幅に減少します。設計では通常、連続使用温度はこの閾値を大きく下回る範囲に制限されます。高温下でのクリープも問題となり、特に粗大結晶または過時効鋳物で継続的な共晶ネットワークが存在すると顕著です。酸化耐性は他のアルミニウム合金と同程度であり、自然酸化膜により保護されます。鉄系合金と比べて鱗片状の酸化はほとんど発生せず、酸化は通常制約要因となりません。
溶接や局所的な熱影響は熱影響部の軟化や微細組織の粗大化を引き起こし、局所の高温性能を低下させるため、高温または繰返し使用の部品には熱設計と後処理が重要となります。
用途例
| 業界 | 例示部品 | AlSi7Mgが選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | トランスミッションケース、ブレーキ部品、ホイールハブ | 鋳造性に優れ、T6熱処理後の強度良好で寸法安定性が高い |
| 海洋 | ポンプハウジング、プロペラハブ、小型船体付属品 | 複雑形状の鋳造性と適度な耐食性を持つ |
| 航空宇宙 | 軽量構造用鋳造継手、非重要ブラケット | 鋳造部品としての強度対重量比良好で熱処理管理が容易 |
| 電子機器 | 筐体、放熱用ハウジング | 熱伝導性に優れ、複雑形状鋳造が熱管理に適す |
AlSi7Mgは近ネットシェイプ鋳造の効率性と中〜高強度の熱処理特性、及び妥当な耐食性が同時に要求される用途に選択されます。多くの場合、この合金は加工材での製造が高コストまたは不可能な複雑部品の低コスト製造を可能にします。
選択のポイント
AlSi7Mgは鋳造性、低コストな近ネットシェイプ生産、熱処理による強度向上が優先される場合に有力な候補となります。純アルミニウム（1100）と比較すると、AlSi7Mgは強度が高く鋳造性に優れますが、電気伝導度が低く加工性もやや劣るため、最大伝導性や大幅な冷間加工が必要な用途には適しません。
3003や5052のような加工硬化合金に対して、AlSi7Mgは通常、T6処理後により高いピーク強度を提供しますが、過酷な塩化物環境下での耐食性はやや劣る場合があります。鋳造の複雑さと高い強度が求められ、優れた延性や5xxx系の優れた海洋耐食性を重視しない設計には、AlSi7Mgを選択してください。
6061のような一般的な熱処理可能な圧延合金と比較した場合、複雑な鋳造形状に適しており、鋳造の経済性が圧延6061のより高いピーク強度や優れた表面仕上げよりも重要な場合には、AlSi7Mgが好まれます。統合された鋳造ハウジングにはAlSi7Mgを使用し、大規模な押出成形、厳しい寸法公差、またはより高い疲労性能が要求される場合は6xxx系合金を選択してください。
まとめ
AlSi7Mgは優れた鋳造性と熱処理によって有用な強度レベルを達成でき、許容できる耐食性と有利な熱特性を兼ね備えているため、広く利用されているエンジニアリング鋳造合金です。この特性のバランスにより、ほぼ正味形状による成形とコスト管理が決定的な多くの自動車、海洋、産業用鋳造部品において実用的な選択肢となっています。