アルミニウム AlSiMg：組成、特性、硬化状態ガイドおよび用途
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総合概要
AlSiMgは主にシリコン（Si）とマグネシウム（Mg）を添加した広範なアルミニウム合金のファミリーを示します。圧延材としては、加齢硬化型の熱処理可能な6xxx系（Al-Mg-Si）と強く重なります。一方、鋳造実務においては、AlSiMgはMgを添加して強度および熱処理反応性を向上させた鋳造Al-Si合金を指すこともあります。圧延Al-Si-Mg合金の特徴的な冶金機構は、固溶処理と人工時効後に形成されるメタ安定なMg2Si析出物による時効硬化ですが、鋳造品は微細化したシリコン形態とMg強化による強度向上および限定的な析出硬化を得ています。
主な技術特性は、中程度から高い強度、大気環境下での優れた耐食性、広い押出性および成形性、適切なフィラー及び後処理を用いた場合の信頼性の高い溶接性の組み合わせです。高強度の2xxx系や7xxx系と比較すると、AlSiMg系は最大強度を犠牲にして耐食性と加工容易性を向上させています。AlSiMg合金は、自動車のボディおよび構造部品、建築用押出形材、船舶用金具、電子機器ハウジングやヒートシンク、強度・重量・耐食性のバランスが求められる一部の航空宇宙用金具などで一般的に利用されています。
エンジニアは、熱処理可能で良好な強度重量比、優れた押出性、熱処理を通じて設計強度を達成できる合金を必要とする場合にAlSiMgを選択します。板材、プレート、押出材、鋳物といった多様な形態で入手可能であり、アルマイト処理や各種塗装工程との適合性も高いため、製造コストを抑えたい構造部材や中程度荷重の構造部品での使用に適しています。
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 | 低い | 高い（20〜35％） | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし；最大の塑性 |
| H14 | 低〜中程度 | 中程度（10〜20％） | 良好 | 優秀 | 加工硬化；成形は限定的 |
| T4 | 中程度 | 中程度（12〜18％） | 良好 | 良好 | 固溶処理後自然時効 |
| T5 | 中程度 | 中程度（10〜16％） | 良好 | 良好 | 熱間加工後冷却し人工時効 |
| T6 | 高い | やや低い（8〜14％） | 普通〜良好 | 良好 | 固溶処理後人工時効；最大強度達成 |
| T651 | 高い | やや低い（8〜14％） | 普通〜良好 | 良好 | T6に伸線応力除去処理を加えたもの |
| T7 | 中程度 | 中程度（10〜16％） | 良好 | 良好 | 過時効処理により安定性と靭性を向上 |
調質は微細構造を制御し、強度、延性、成形性のトレードオフを決定します。軟質焼なまし（O）は深絞りや複雑な曲げ加工に最適な室温成形性を提供し、一方でT6/T651は熱処理後に最大かつ安定した強度が求められる用途で用いられます。
熱処理工程や中間冷間加工は再結晶、析出物のサイズ・分布および残留応力状態に大きく影響するため、設計者は最終的な成形操作、使用荷重条件、耐食環境に基づいて適切な調質を選択する必要があります。
化学成分
| 元素 | 含有量（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.2〜1.6 | Mg2Si析出物の生成に寄与；高Siは鋳造微細組織の細化を促進 |
| Fe | 0.1〜0.7 | 不純物；延性と耐食性を低下させる金属間化合物を形成 |
| Mn | 0〜0.50 | 結晶粒の制御および強度に影響する分散相の形成 |
| Mg | 0.3〜1.2 | Mg2Si析出により主要な強化元素 |
| Cu | 0〜0.5 | 強度向上に寄与するが耐食性や熱処理応答を低下させる可能性 |
| Zn | 0〜0.25 | 通常は低濃度；過剰なZnはガルバニック腐食の懸念を生じることも |
| Cr | 0〜0.35 | 粒界析出物の制御により靭性や安定性を向上 |
| Ti | 0〜0.15 | 鋳造および圧延材料の結晶粒微細化 |
| その他 | バランスAl | 微量添加元素および残留物；高性能品ではZrやScが含まれる場合あり |
SiおよびMg含有量は強度調整の主要パラメータであり、組み合わせて時効中にMg2Si析出物を生成し降伏点および引張強さに大きく寄与します。FeやCuなどの微量元素や不純物は靭性、切削性および耐食性に影響を与え、低Feは延性と外観を改善する一方、Cuは耐食性を犠牲にして強度を高めます。鋳造用AlSiMg合金は、圧延6xxx系合金と比較してSi含有量が高く（場合によっては約12％まで）不純物許容範囲も異なります。
機械的性質
圧延AlSiMg（6xxx系）は特徴的な時効硬化による引張挙動を示します。焼なましかT4条件では降伏点は比較的低く、人工時効により細かなMg2Si析出物が形成されると降伏強さと引張強さが大幅に上昇します。T6条件の降伏強さは中程度荷重の構造部品の設計範囲に適し、延性は焼なまし状態に比べて低下します。破壊モードは通常、粗大な金属間化合物が存在しない限り、微細空洞凝集を伴う延性破壊です。疲労性能は表面仕上げと冶金的な清浄度が管理される場合に良好であり、寿命は表面欠陥、冷間加工および応力集中に敏感です。
板厚は固溶処理および焼入れ後の冷却速度に影響し、厚板は冷却が遅いため、過飽和度が低くなり時効硬化が抑制され、強度が低下し粗大析出物が形成されやすくなります。硬さは引張特性と相関し、一般的にブリネル硬さやビッカース硬さで報告されます。一般的な6xxx系のT6硬さは切削および成形加工に適した範囲ですが、過時効を避けるための工程管理が必要です。
破壊靭性や切欠感度は合金の清浄度と調質に依存します。鋳造AlSiMg合金は機械的特性が異なり、シリコン含有量が高いことで一部の耐摩耗性や切削性が改善されますが、延性は減少し、延伸率や疲労亀裂の発生挙動も圧延材とは異なります。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的調質（例：T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 110〜160 MPa | 200〜320 MPa | 特定合金（6061と6063など）や板厚により変動 |
| 降伏強さ | 55〜120 MPa | 120〜280 MPa | T6後に降伏強さが大幅に増加；調質を勘案した設計が必要 |
| 伸び | 20〜35％ | 8〜14％ | ピーク時効調質で延性が低下；焼なましやT4では高い |
| 硬さ | 30〜50 HB | 70〜130 HB | 硬さは析出物の分布と合金成分に比例 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68〜2.70 g/cm³ | アルミニウムの典型的密度；合金元素によりほぼ変化なし |
| 融点範囲 | 約555〜650 °C | Si含有量や添加元素により固相線・液相線が異なる |
| 熱伝導率 | 130〜160 W/m·K | 純アルミより低い；合金種および調質に依存 |
| 電気伝導率 | 25〜45 % IACS | 合金化により純アルミより低下；調質や冷間加工状況に依存 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | アルミ合金の常温域における典型値 |
| 熱膨張係数 | 22〜24 µm/m·K | 構造設計時の熱膨張計算で使用 |
AlSiMg合金はアルミニウムの優れた熱伝導性と電気伝導性の多くを保持しつつ強度を向上させており、放熱用途に適しています。純アルミに対する熱伝導率低下は比較的軽微であり、放熱板を兼ねる構造部品として十分に受け入れられています。
熱設計に際しては、異種材料とAlSiMgを組み合わせる場合、熱膨張係数の差異によりアセンブリや接合部に熱応力が発生するため注意が必要です。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・寸法 | 強度の挙動 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼板 | 0.3～6.0 mm | 均一性あり。厚さが時効反応に影響 | O, H14, T4, T5, T6 | ボディパネル、建築、ファサードに広く使用 |
| 板材 | 6.0 mm超～150 mmまで | 厚断面での焼入れ性低下 | O, T6（限定的） | 厚板は冷却速度が遅く強度が低下 |
| 押出形材 | 数メートルまでの形状 | 優れた方向性強度 | T5, T6, T651 | 6xxx系合金の押出性が最大のメリット |
| 鋼管 | 壁厚0.5～20 mm | 標準的な構造用／性能 | O, T4, T6 | 溶接管およびシームレス管が一般的 |
| 丸棒／棒鋼 | 直径3～150 mm | 断面で等方的特性 | O, T6 | 機械加工部品やファスナーに使用 |
形状は微細組織に影響します。押出形材は動的再結晶により均一な組織形成が可能で、時効処理により安定した特性を得られます。一方、板材や鍛造品は設計強度を実現するために焼入れ制御が重要です。薄板や薄押出材は急冷で迅速に焼入れされ、よりピークに近いT6特性を持つ傾向がありますが、厚板は安定性を確保するために別の設計手法や過時効調質が必要になる場合があります。
製造方法（圧延、押出、鋳造）も表面状態、内部清浄度、残留応力に影響し、これらは溶接、アルマイト処理、機械加工などの後工程に大きく影響します。
等価鋼種
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 6xxx系（例：6061, 6063） | アメリカ | 構造用・押出用途に使われる代表的なAl-Mg-Si系鍛造合金 |
| EN AW | AlSiMg（鋳造）／EN AW-6060／EN AW-6082（鍛造） | ヨーロッパ | 「AlSiMg」は鋳造用グレードに用いられ、EN AW-60xxは一般的な鍛造等価品 |
| JIS | A6061, A6063 | 日本 | 押出及び構造用に使われる一般的なAl-Mg-Si鋼種のJISグレード |
| GB/T | 6061, AlSi9Mg（鋳造） | 中国 | 中国規格は鍛造6xxx系と鋳造AlSiMg系の両方をカバー |
AlSiMgラベルは単一の1対1の等価品ではなく、鍛造6xxx系合金のファミリーとMg修飾を施したAl-Si鋳造合金の双方を指すことがあります。鍛造規格（例：6061/6063/6082）は組成・機械的性質が厳格に規定されている一方、鋳造用のAlSiMgグレードは鋳物用に指定されており、機械的・耐食性特性が異なります。
調達時はAlSiMgというファミリー名だけに頼らず、各規格の仕様やT調質指定を確認し直接の等価性を検証することが必要です。
耐食性
AlSiMg合金は表面に自然生成する酸化アルミニウム層により大気中での耐食性が良好で、アルマイト処理にも適し、表面保護と美観の向上に寄与します。軽度腐食環境や工業大気では他の6xxx系合金と同等の耐食性能を持ち、銅含有量の低さや適切な調質選択によって耐食性が強化されます。一方、塩化物環境下ではピッティング腐食やすきま腐食のリスクがあり、表面欠陥やコーティングが損なわれると注意が必要です。
海洋環境では多くの構造用付属品や押出部品で実用可能ですが、長期の海水曝露や飛沫帯では、より高Mg含有の5xxx系合金が好まれたり、犠牲防食膜や陰極防食を併用したりするケースがあります。6xxx系は2xxx系や7xxx系合金と比較し応力腐食割れ（SCC）感受性が低いものの、過時効調質や高い残留引張応力はSCCリスクを増大させるため、適切な調質選択や溶接後の熱処理・応力除去が重要です。
AlSiMgとより貴な金属（ステンレス鋼や銅合金など）を接触させる場合は、ガルバニック腐食を防ぐため絶縁材やコーティングの使用が一般的です。5xxx系と比べてAlSiMg（6xxx系）はアルマイト外観と寸法安定性のバランスに優れますが、展延性がやや低く、海水中での絶対的な耐食性は低い傾向があります。
加工特性
溶接性
AlSiMg鍛造合金は一般的な溶接法（TIG、MIG/MAG）で良好に溶接でき、融合部の微細組織は予測可能です。溶接材はER4043（Al-Si系）またはER5356（Al-Mg系）が多く使われ、耐食性と強度のバランスに応じて選択されます。適切な接合準備であれば熱割れリスクは低いですが、鋳造AlSiMgではシリコン分離が熱割れを促進し、予熱や接合部設計の変更が必要になる場合があります。熱影響部はピーク時効T6の母材に比べ軟化しやすいため、溶接後の時効処理や過時効調質（T7）が構造用途ではよく指定されます。
切削性
AlSiMg合金の切削性は中程度から良好であり、シリコン含有量が高く均一な析出物分布で切削性が向上します。カーバイドやコーティングカーバイド工具が高送り・中速切削でよく使われます。アルミは長く粘着性のある切り屑やビルドアップエッジを生じやすいため、工具形状や十分な潤滑・冷却および切り屑破砕装置の適用が重要です。シリコン含有や鋳造組織が多い合金は工具摩耗が増大し、特にシリコンが硬質板状や共晶粒として存在すると著しい摩耗を招きます。
成形性
退火（O調質）および自然時効調質では成形性が非常に良好で、多くの打抜きや押出成形作業においてT4/T5調質でも良好な成形性を示します。最低曲げ半径は調質や厚さ、形状によりますが、T4/T6の鋼板での典型的な目安はひび割れ防止のため厚さの1.5～3倍程度の内半径とされます。冷間加工（H調質）はひずみ硬化によって強度を高めますが伸び率および反発制御が低下するため、最終調質と寸法許容差は成形工程とあわせて計画が必要です。
熱処理挙動
AlSiMg（鍛造6xxx系）の固溶処理はMg2Siの共析点近傍で行い、一般的には510～550 °Cの範囲で合金に応じ数時間保持して相粒子を溶解除去し、固溶体を均一化します。急冷してMgやSiを過飽和固溶体状態に保持し、後の人工時効により析出強化を可能にするため、急冷速度は厚さが増すと感受性が高まります。人工時効（T6）は通常160～185 °Cで数時間処理し、微細で整合性の高い析出物を生成して降伏強さ・引張強さを向上させます。時効条件は合金種に合わせ、ピーク強度と靭性・応力除去のバランスを調整します。
T調質は、T5（圧延後冷却時に人工時効）、T6（固溶処理＋人工時効）、T651（T6の矯正・伸線処理付き）、T7（過時効による安定性とSCC耐性向上）などがあります。鋳造AlSiMg合金はMg修飾と鋳造用微細組織に適応した熱処理工程が中心で、固溶処理・時効処理は溶解度低下や拡散遅延に対応して調整されます。
非熱処理型や過時効型は加工硬化と退火が主な性質調整手段で、完全退火（O調質）は約350～420 °Cで行われ、ゆっくり冷却して延性を回復しますが時効硬化は除去されます。
高温性能
AlSiMg合金は温度上昇に伴い析出物の安定性が低下し、転位との相互作用が弱まるため強度が徐々に低下します。構造用としての長期使用温度限界は一般に150 °C以下に設定されることが多く、顕著な軟化や機械的性質の低下を防ぎます。約150～200 °C以上ではMg2Si析出物の粗大化による過時効が進行し、降伏強さおよび硬さの不可逆的な低下を招くため、高温荷重保持用途には不適です。
鋼材と比較すると酸化は限定的ですが、高温暴露により表面酸化膜の厚みや色調が変化し、塗装やコーティングの密着性に影響を与えることがあります。高温安定性のある保護膜やアルマイトは選定が必要です。溶接部では熱影響部に局所的な軟化や耐クリープ性低下が生じるため、重要な溶接部位での高温環境を避けるか、適切な溶接後熱処理や過時効調質による安定化が推奨されます。
用途例
| 業界 | 例示部品 | AlSiMgを選ぶ理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディパネル、バンパー、構造用押出品 | 成形性、押出性、時効強化強度のバランス |
| 海洋 | デッキ付属品、フレーム | 大気耐食性と軽量性 |
| 航空宇宙 | 二次構造部品、内装フレーム | 強度対重量比とアルマイト適合性 |
| 電子機器 | ヒートシンク、筐体 | 熱伝導性と機械加工・押出加工のしやすさ |
AlSiMg合金は製造容易性と使用性能の両立を必要とする用途に採用され、鋼板、押出形状、鋳造品など多様な形状で拡がり、自動車、海洋、産業機器分野でのマルチユースが可能です。
選定のポイント
AlSiMgは、設計者が熱処理可能なアルミニウムで良好な押出性とバランスの取れた耐食性を求める際のエンジニアリング材料の選択肢です。純アルミニウム（1100）と比較すると、AlSiMgは電気伝導性や成形性の一部を犠牲にする代わりに、はるかに高い降伏強さと引張強さを持ち、一定の成形性を保持しつつ構造部品に適しています。
作業硬化型合金（3003や5052など）と比較すると、AlSiMgは一般的にエージング後の高い強度が得られ、攻撃的な塩素イオン環境下で同等かやや低い耐食性を示します。より高い構造強度や優れた陽極酸化外観を重視する場合はAlSiMgを選択してください。より高強度の熱処理型合金（例えば2xxx系や7xxx系）や6061/6063などの一般的な6xxx系合金と比較すると、AlSiMg系は製造性、押出性、耐食性能が絶対的な最高強度より重要な場合に好まれる傾向があります。非常に高い強度が必要な場合は他の合金ファミリーが適していることがあります。
具体的な合金種別および硬さ（ temper ）を選定する際は、必要な引張強さ・降伏強さの値、想定される使用環境（特に塩素イオンへの曝露）、製造工程（圧延材か鋳造材か）、および希望する製品形状の入手可能性を考慮し、重要な用途では必ず規格やサプライヤーの認証を確認してください。
まとめ
AlSiMg系合金は、析出硬化による高強度と良好な加工特性、幅広い製品形態にわたる優れた耐食性を兼ね備えているため、自動車、海洋、建築、電子機器などの多様な用途においてバランスの取れた性能と加工性が求められる場面で実用的かつ広く用いられているアルミニウム材料の一群です。