アルミニウム AlSi9Cu3：成分、特性、状態ガイドおよび用途

総合概要

AlSi9Cu3は、4xx系またはより正確にはAl-Si-Cu系に属する鋳造用アルミニウム合金です。一般的には6xxx系や5xxx系の圧延材ではなく、ダイカストや重力鋳造による過共晶Al-Si合金の一種として分類されます。名称はシリコンが約9wt.%、銅が約3wt.%であることを示し、中シリコンかつ銅強化された鋳造用合金で、強度と熱的安定性の両立に最適化されています。

主要な合金元素は、鋳造性と流動性を向上させるシリコン（Si）、および析出硬化と高温強度を付与する銅（Cu）です。微量添加元素として鉄（Fe）、マンガン（Mn）、チタン（Ti）が存在し、これらは介在物の形成、結晶構造および固化中の補給性を制御します。強化効果は主に固溶処理と人工時効（T-系処理）による熱処理で得られ、固化による微細構造（共晶Siの形態）も二次的に寄与します。

主な特徴は良好な鋳造性と寸法安定性、時効状態での中〜高程度の静的強度、鋳造品としては妥当な疲労耐性、適切な後処理を施せば許容できる耐食性です。溶接性は純アルミに比べ制限がありますが、適切なフィラー材や前後処理を用いることで可能です。鋳造状態では加工性は圧延材に比べ劣ります。主な用途は自動車（エンジン・トランスミッション鋳造部品、構造部品）、産業機械、油圧機器、放熱と鋳造細部設計が求められる一部電子機器ケースです。

エンジニアは、鋳造性と強度および熱安定性のバランスを最大の柔軟性や電気伝導度より重視する場合にAlSi9Cu3を選択します。耐衝撃性を重視して高シリコン合金より好まれ、高温強度（銅由来）が必要な場合は単純なAl-Si系より選ばれ、複雑な形状や一体成形部品が必要な場合は圧延材より鋳造材が選択されます。

調質（Temper）のバリエーション

調質	強度レベル	伸び	加工性	溶接性	備考
O	低い	高い（8〜15％）	限定的（鋳造のみ）	良好（前後熱処理管理あり）	鋳造直後に焼なまし、自然冷却；最も軟らかい状態。
T1	低〜中程度	中程度（6〜12％）	限定的	普通	鋳造後自然時効；析出強化は限定的。
T5	中程度	低〜中程度（3〜8％）	悪い	普通	鋳造後人工時効；寸法安定性が求められる鋳造品で一般的。
T6	高い	低い（2〜6％）	悪い	難しい	固溶処理、急冷、人工時効；多用途で最高の強度。
T7	中〜高	中程度（4〜8％）	悪い	普通	過時効状態；熱安定性向上と応力感受性低減が目的。

調質はAlSi9Cu3の性能に強く影響します。時効によって形成される銅リッチ相が降伏強さや引張強さを決定します。T6処理（固溶＋人工時効）は銅リッチ相の析出により最高強度かつ最低延性を示し、OやT1状態はより高い伸びを維持しますが静的強度は大幅に低くなります。

化学組成

元素	含有範囲（％）	備考
Si	8.0〜10.0	主要合金元素；流動性、収縮及び共晶組織を制御。
Fe	0.3〜1.3	不可避の不純物；過剰になると脆化するβ-AlFeSi相を形成。
Mn	0.05〜0.5	Feを回収し有害度の低い介在物を形成；靭性向上。
Mg	≤0.5	本合金では通常低濃度；銅との複雑相析出に寄与する場合あり。
Cu	2.5〜3.5	主要強化元素；析出硬化により強度と高温硬度を向上。
Zn	≤0.3	微量；不純物として扱われ、強化効果はほとんどなし。
Cr	≤0.2	結晶粒微細化と再結晶制御に寄与；強度への影響は小さい。
Ti	≤0.2	粒界微細化剤として作用し、樹枝状組織の微細化および機械的性質を改善。
その他（Ni、Pb、Sn含む）	残部／微量	その他元素は最小限に抑えられ、小量で鋳造性や加工性に影響する。

シリコンは鋳造の流動性および共晶シリコンの形態を決定し、靭性や疲労特性に影響を与えます。銅は人工時効と高温強度向上を可能にしますが、一部の腐食モードへの感受性を高め、熱処理の精密管理が必要です。鉄とマンガンは固化時に形成される脆性介在物を制御し、そのバランスが低伸びや熱割れ回避に重要です。

機械的性質

AlSi9Cu3の引張特性は熱処理と固化冷却速度に強く依存します。鋳造直後またはO状態では粗大な共晶シリコンと軟質マトリックスのため耐力は中程度ですが、T6時効後は銅含有相の析出により引張および降伏強さが大幅に向上し、伸びは低下します。ピーク時効状態での降伏強さは引張強さの大部分を占め、銅析出相が転位移動を効果的に阻害することを反映しています。

伸びはT系調質で限定的です。これは共晶シリコン粒子が亀裂の起点となり、介在物相が延性を低減させるためです。硬さ（ブリネルまたはビッカース）はO < T5 < T6の順で増加し、引張特性を反映します。硬さは鋳造時の断面厚さや冷却速度にも敏感です。疲労特性は鋳造欠陥、気孔、共晶シリコン形態に依存し、給餌や熱処理を最適化することで耐久限度は改善されますが、一般的に圧延材より疲労強度は低いです。

断面厚さは機械的性質に大きく影響します。厚みが増すと冷却が遅くなり、粗大な微細組織および大型介在物が形成され強度と延性が低下します。鋳造後の均質化および制御された固溶処理により勾配は軽減されますが、断面依存のばらつきは完全には除去できません。設計者は鋳造による異方性と表面欠陥の機械加工除去を考慮し、期待される疲労・引張性能の達成を図る必要があります。

特性	O／焼なまし	代表的調質（T6）	備考
引張強さ (UTS)	120〜180 MPa	260〜340 MPa	鋳造法、断面厚さ、時効サイクルにより幅がある。
降伏強さ（0.2%オフセット）	60〜110 MPa	200〜270 MPa	銅リッチ析出物と微細組織で降伏率が増加。
伸び（50 mmゲージ）	8〜15％	2〜6％	ピーク時効後は伸びが急減；厚い断面では局所的に高い伸び示す場合あり。
硬さ（HB）	40〜70 HB	90〜130 HB	硬さは引張特性に比例；共晶Si形態にも影響される。

物理的性質

特性	値	備考
密度	約2.70 g/cm³	一般的なアルミ合金並み；高い強度対重量比が有利。
融点範囲	固相線 約520〜570 °C；液相線 約580〜650 °C	Al-Si合金は共晶及び一次相の固化により融解範囲がある；正確な値は組成次第。
熱伝導率	約120〜160 W/m·K（室温）	純Alに比べSiや介在物の影響で低下するが、多くの用途で放熱性は良好。
電気伝導率	約25〜36％IACS	合金化で純Alより低下；高伝導性が必要な用途には不適。
比熱	約880〜910 J/kg·K	他のアルミ合金と同程度；熱容量計算に有用。
熱膨張係数	約21〜24 µm/m·K（20〜200 °C）	シリコン含有量と微細構造の影響を受ける；熱応力設計で重要。

物理特性は鋳造品の要件を反映しています：熱伝導率と比熱により放熱部品として有用であり、密度は軽量化に寄与します。融点と固化挙動は鋳造欠陥の発生や最適な給餌・冷却設計の必要性を左右します。電気伝導率は純アルミに比べて大きく低下し、電気用途に主に選ばれることは稀です。

製品形状

形状	代表的な厚さ・寸法	強度特性	一般的な熱処理状態	備考
砂型鋳造品	壁厚 3～50 mm	変動あり；厚肉部は粗い微細構造	O, T1, T5, T6	小ロットや大型部品で広く使用；気孔制御が重要。
ダイカスト品	薄肉壁 1～8 mm	微細な微細構造、高強度	T5, T6	高圧ダイカストにより良好な表面仕上げと再現性のある特性を実現。
重力鋳造品	3～30 mm	冷却速度・特性は中間的	O, T5, T6	砂型鋳造よりも公差が厳しい中複雑形状部品に適する。
鋳造バー・インゴット	可変	後処理で均質な挙動	O, T1	再溶解や下流鋳造の原材料；化学組成管理に使用。
ロストワックス鋳造品	薄肉～中肉断面	良好な寸法管理、中程度の強度	T5, T6	複雑形状や高精度の表面仕上げが必要な用途に用いられる。

AlSi9Cu3の供給チェーンでは鋳造形態が主流であり、設計者は冷却速度、気孔率、微細構造を調整するために鋳造方法を選択します。ダイカストは最良の機械的再現性と微細な共晶シリコンをもたらし、砂型鋳造品に比べ引張強さや疲労特性を向上させます。加工許容量、熱処理の可否、鋳造欠陥検査は部品設計の初期段階で考慮する必要があります。

相当鋼種

規格	鋼種	地域	備考
AA	AlSi9Cu3	国際・米国	鋳造合金の一般的な呼称；供給元によって組成が異なることがある。
EN AW	AC‑AlSi9Cu3（またはAlSi9Cu3(Fe)）	ヨーロッパ	ENの呼称は鉄含有量管理のため「(Fe)」を付すことが多い；機械的データは適用時EN 1706に準拠。
JIS	ADC10 / ADC11（類似品）	日本	ADCシリーズは似たAl-Si-Cu組成だが、不純物限度や加工指針が異なる。
GB/T	AlSi9Cu3	中国	中国規格は同名組成を使用するが、公差や試験要求が異なる場合がある。

相当表は目安であり、各規格は不純物（Fe、Zn、Mn）に異なる公差を課し、化学成分のわずかな変動が鋳造特性や熱処理反応に影響します。代替材料を選定する際は、特に疲労や高温用途において機械的特性、推奨熱処理サイクル、許容欠陥レベルを必ず確認してください。

耐食性

AlSi9Cu3はアルミ・シリコン鋳造合金に典型的な中程度の大気耐食性を持ち、自然生成のアルミナ層がバリアを形成しますが、マトリックス中の銅含有が局所的に耐食性を低下させることがあります。工業的な環境では塗装やコーティングを施せば十分な性能を発揮しますが、未処理の露出部品は湿気や汚染物質の集中部にピンホール腐食やフィリフォーム腐食が発生する可能性があります。

海洋環境はより過酷で、塩化物起因のピット腐食や隙間腐食が主な問題となります。特にT系熱処理状態では銅リッチの硬質相とマトリックスの電位差によるガルバニックカップルが局所攻撃を促進します。近接岸の用途では防護コーティング、犠牲陽極、耐食性表面処理が一般的に用いられます。

応力腐食割れは一部の高強度圧延合金より発生頻度は低いものの、塩化物環境下の引張応力および過時効状態では、硬質相分布によるアノード部位の形成で発生する可能性があります。異種金属（鋼、銅）とのガルバニック作用は絶縁や互換性のあるファスナー選定で管理すべきです。AlSi9Cu3はステンレス鋼や銅に比べ陽極側であり、接触はアルミ合金の腐食を促進します。5xxxや6xxx圧延系と比べると、AlSi9Cu3は鋳造性能および高温強度を優先し、いくぶん自然耐食性を犠牲にしています。

加工性

溶接性

鋳造のAlSi9Cu3はTIGおよびMIG溶接が可能ですが、気孔、熱割れ、フィラー選定に注意が必要です。母材の化学組成に適合したAl-SiまたはAl-Si-Cu系フィラー線材を使用すると熱割れを抑制し、溶接部に低融点共晶の生成を減らせます。予熱やインターパス温度管理により熱勾配と気孔を低減し、溶接後の固溶処理および時効処理が強度回復に必要ですが、歪みを引き起こす場合があります。

切削性

AlSi9Cu3の切削性は鋳造合金として良好ですが、共晶シリコンの形態や硬質相が工具の摩耗を促進します。ポジティブラケ角のカーバイド工具、高送りかつ中速加工が推奨され、切削油は切りくず排出と熱制御に役立ちます。切りくずを断つインサート形状で長い連続屑を避けることが望ましく、仕上げ面はシリコン粒子の大きさに依存し、二次仕上げが必要な場合があります。

成形性

鋳造合金としてのAlSi9Cu3は冷間成形性が極めて限定的で、圧延材のような引抜きや深絞り加工は困難です。薄肉鋳造品の曲げ加工は共晶シリコンや硬質相による脆さのため制約が大きく、最小曲げ半径は板厚に対して大きくなり、熱処理状態（OはT6より成形しやすい）に依存します。成形が必要な場合は、近ネット形状での鋳造設計や後加工の最小化により割れリスクの軽減を図ってください。

熱処理挙動

AlSi9Cu3は熱処理が可能で、典型的な工程はまず固溶処理、次いで急冷、人工時効を施しCu系析出物を形成し高強度化します。固溶温度はおよそ500～540 °Cで銅およびシリコン相を溶解し、保持時間は断面厚さにより異なりますが、鋳造部品では通常2～6時間です。急冷（水冷）により過飽和固溶体を保持し、その後160～200 °C程度の人工時効を数時間行い強化相を析出させてT6特性を得ます。

過時効（T7）はピーク強度をやや犠牲にする代わりに熱安定性向上と冷割れ感受性の軽減をもたらし、高温運用や寸法安定性が要求される場合に用います。固溶が不十分または急冷不良では特性の不均一化とピーク強度低下を招きます。適度な強度と高延性が必要な場合は自然時効やT1が選択されますが、Cu強化効果の最大化は固溶・人工時効の管理下のみで達成されます。

熱処理が困難な場合、薄肉鋳造部品では制御された加工硬化により若干のメリットが得られますが、鋳造合金の加工硬化反応は圧延材ほど顕著ではありません。ホモジナイズ処理は偏析低減や粗大硬質相の溶解に効果があり、最終加工や熱処理前の置き処理として用いられることがあります。

高温性能

AlSi9Cu3は銅系析出物により多くの非銅系Al-Si鋳造合金より高温下での強度保持が優れます。しかしおよそ150～200 °Cを超えると析出物の粗大化とマトリックスの軟化で強度優位性は減少し、200～250 °C以上の長期曝露は降伏強さと疲労寿命を著しく低下させます。設計時には連続使用温度制限もしくはより熱安定な過時効状態の選択が必要です。

アルミナ膜による酸化は軽微ですが、高温環境ではスケール形成が促進され表面化学組成に変化が生じます。高温用途では保護コーティングや塗装が多く使用されます。溶接部の熱影響部（HAZ）は軟化と析出物の溶解により局所的強度低下や応力集中を引き起こし得るため、重要部品では溶接後熱処理が推奨され、均一な特性回復を図ります。

用途例

業界	代表部品	AlSi9Cu3採用理由
自動車	エンジンブロック、シリンダーヘッド、ギアボックスハウジング	良好な鋳造性、熱安定性およびCu時効による高温強度。
海洋	ポンプハウジング、バルブボディ（保護下）	複雑形状の鋳造性とコーティングありで許容される耐食性。
航空宇宙	二次構造部品、ハウジング	優れた比強度と複雑形状の鋳造能力。
電子機器	ヒートシンク、筐体	熱伝導性と詳細形状鋳造の容易さによる熱管理。
産業機械	油圧本体、コンプレッサ部品	寸法安定性、（表面処理により）耐摩耗性、切削性。

AlSi9Cu3は機能的複雑さ、中程度から高強度の静的強度および熱性能を要求される鋳造部品に優れています。安定したT6時効性により、熱負荷や機械加工後も特性維持が求められる部品に適した合金です。

選定のポイント

AlSi9Cu3は、鋳造部品に良好な鋳造性、高温強度、寸法安定性の組み合わせが求められる場合に実用的な選択肢です。コストのかかる組立てを回避できるほぼ成形品の鋳造が可能な場合や、T6熱処理によって所要の強度を得られる場合に選定してください。

商用純アルミニウム（1100）と比較すると、AlSi9Cu3は電気伝導性や成形性を犠牲にしますが、静的および高温での強度が大幅に向上し、構造用鋳造品に適しています。一般的な加工硬化系合金である3003や5052と比較すると、AlSi9Cu3は強度および高温性能に優れますが、延性が低く均一な腐食耐性が劣る可能性があります。6061などの熱処理可能な鍛造合金と比較すると、AlSi9Cu3は薄肉の部品で最大の比強度はやや劣りますが、複雑な鋳造形状や一体成形部品が、鍛造押出材の最大強度を上回る要件がある場合に好まれます。

調達時の簡単なチェックリストとしては、鋳造方法と断面サイズを確認し、調質および熱処理スケジュールを指定し、疲労部品のための多孔性および非破壊検査（NDT）基準を要求し、素材の跨り調達時には対応する規格公差（EN、JIS、GB/T）を検証してください。

まとめ

AlSi9Cu3は、鋳造性、熱特性、析出硬化による強度の三拍子揃った単一材料システムが求められるニッチを埋める存在として今なお重要です。そのバランスの取れたSi–Cu成分により、設計者は制御された熱処理で複雑かつ耐久性の高い部品を製造でき、自動車、産業用、熱管理用部品において、ほぼ成形品製造と耐用安定性が優先される用途で定番材となっています。