アルミニウム EN AW-3003：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
EN AW-3003は、3xxx系押出しアルミニウム合金の一つであり、アルミニウム-マンガン系に属します。適度な強度と優れた耐食性を特徴としています。3xxx系は主にマンガン添加（約1.0～1.5wt%）により強化されており、均一な金属間化合物の分散をもたらし、析出硬化に頼らずに固溶強化と結晶粒細化を実現しています。
3003は熱処理不可能な加工硬化型合金であり、強化は熱的析出ではなく冷間加工によって行われます。主な特徴は、適度な強度、退火条件での優れた成形性、大気環境下での非常に良好な耐食性、そして一般的な溶接方法との広範な適合性です。
EN AW-3003を頻繁に利用する業界には、建築・建設分野の屋根材や外装材、家庭用電化製品や調理器具、HVAC配管、過酷なピッティングが想定されない化学薬品取り扱い、および一般的な板金加工があります。エンジニアは低コスト、優れた成形性、合理的な強度の組み合わせが求められ、さらに高合金系の優れた電食耐性やピッティング耐性が不要な場合に3003を選択します。
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 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全退火品。深絞り・成形に最適 |
| H12 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 部分的な加工硬化による適度な剛性 |
| H14 | 中-高 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 板材用途で一般的な冷間加工調質 |
| H16 | 高 | 低-中 | 普通 | 優秀 | より強い加工硬化による高降伏強さ |
| H18 | 非常に高い | 低 | やや不可 | 優秀 | 最大冷間加工硬化状態 |
| H22 / H24 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 冷間加工後部分退火。成形性と強度のバランス良好 |
3003は圧延変形硬化により強化されるため、調質によって強度と延性の機械的バランスに大きな影響を与えます。退火（O）状態は深絞りや複雑な曲げに最適な高い成形性を提供し、一方でH系列調質は降伏強さおよび引張強さを高める代わりに伸びを犠牲にし、構造用パネルやリブなどに有用です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.0 – 0.6 | 加工由来の不純物。鋳造時の流動性をわずかに低下させるが、押出し製品には限定的な影響 |
| Fe | 0.0 – 0.7 | 高濃度では延性を低下させる金属間化合物を形成 |
| Mn | 1.0 – 1.5 | 主要合金元素。強度と耐食性を向上 |
| Mg | 0.0 – 0.2 | 微量でわずかな強化効果。3003には高Mgは含まれない |
| Cu | 0.05 – 0.20 | 小添加元素。強度向上に寄与するが過剰は耐食性低下を招く |
| Zn | 0.0 – 0.10 | 微量のみ |
| Cr | 0.0 – 0.05 | 一部規格で結晶粒制御のための微量元素 |
| Ti | 0.0 – 0.15 | 微結晶粒微細化剤としてしばしば含有 |
| その他 | 残部Alおよび微量不純物 | 一般的な微量不純物および意図的な微合金元素 |
合金化は主にマンガンによる強度と耐食性向上に重点を置いており、銅および鉄は延性保持と金属間化合物抑制のため低中程度に管理されます。TiまたはCrの微量添加は結晶粒制御に用いられ、SiおよびFeは成形性や表面品質に悪影響を及ぼさない範囲に制限されています。
機械的性質
EN AW-3003の引張特性は、冷間加工された展延性の高いアルミニウム合金に典型的です。退火状態では降伏強さと引張強さは比較的低いものの、均一伸びは大きく深絞りに適しています。H系列調質へ冷間加工を行うと降伏強さと引張強さが大幅に上昇し、加工硬化とひずみ時効作用により硬さも増加しますが、総伸びは低下します。
降伏強さおよび引張強さは調質や板厚に依存します。薄板は圧延や成形時の加工硬化効果により、一般に厚板より多少高い強度を示します。硬さは調質と冷間加工量に比例し、Brinell硬さまたはビッカース硬さはいずれもO調質からH18調質に向けて漸増します。疲労特性は中程度であり、組成単独よりも表面仕上げ、板厚、成形による残留応力の影響が大きいです。
| 特性 | O（退火） | 代表的な調質（H14/H16） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (Rm) | 約 80～120 MPa | 約 150～220 MPa | 板厚および具体的なH調質により変動 |
| 降伏強さ (0.2% Rp0.2) | 約 35～60 MPa | 約 120～170 MPa | 冷間加工による顕著な増加 |
| 伸び (A50) | 約 20～35% | 約 2～12% | 退火品は高い成形性、H調質は延性低下 |
| 硬さ (HB) | 約 20～35 HB | 約 40～60 HB | 加工硬化度に比例して硬さ増加 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.73 g/cm³ | 押出し型Al–Mn合金として標準的 |
| 融点範囲 | 約 640～655 °C | 固相線から液相線の概略範囲 |
| 熱伝導率 | 約 130～150 W/m·K | 純アルミより低いが熱拡散に優れる |
| 電気伝導率 | 約 30～40 % IACS | マンガンなどの固溶により純アルミより低い |
| 比熱 | 約 900 J/kg·K | 室温付近のアルミ合金として典型的 |
| 熱膨張係数 | 約 23.0～24.0 µm/m·K | 線膨張係数（20～100 °C） |
これらの物理特性により、EN AW-3003は熱伝達と軽量化が重要な用途に適していますが、最高の電気伝導率を求める用途には向きません。熱伝導率はヒートシンクやHVAC用途に十分であり、一方で中程度の熱膨張率は異種材料の組み合わせ時に異なる膨張量を考慮する必要があります。
製品形態
| 形態 | 代表的板厚・サイズ | 強度特性 | 代表的調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼板 | 0.2 ～ 6 mm | 成形・加工硬化が予測可能 | O, H14, H16 | 家電パネル、屋根材、外装材に最も一般的 |
| 板厚材 | 6 ～ 25 mm | 成形性低下、剛性向上 | O, H12, H14 | 構造用パネルや筐体に使用 |
| 押出材 | カスタム断面 | 断面形状と冷間加工に依存 | O, H14 | 6xxx系合金に比べると制限あり。成形性および耐食性重視 |
| 鋼管 | 壁厚 0.4 ～ 6 mm | 良好な溶接性と成形性 | O, H14 | HVACダクト、非重要環境の燃料ライン |
| 丸棒・棒鋼 | 直径 Ø3 ～ Ø50 mm | 熱処理不可能な強化に限定 | O, H14, H16 | 冷間鍛造や加工用素材。継手やファスナーに使用 |
製品形態の違いは下流加工や用途の要求に起因します。鋼板・板厚材は圧延・供給時に成形または強度重視の調質が施され、押出材および鋼管は金型設計や押出後の冷却制御が重要です。厚板は薄板ほど均一な冷間加工が困難なため、目標とする延性を得るために事前または事後の退火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 | 3003 | 米国 | ASTM/AA規格での一般的指定 |
| EN AW | 3003 | 欧州 | EN表記による同等押出合金 |
| JIS | A3003 | 日本 | JIS規格での類似する指標 |
| GB/T | 3A21 | 中国 | 多くの規格で3003に相当する中国指定 |
各規格間の相当鋼種は化学成分や性能が概ね類似していますが、不純物許容範囲や要求調質、試験方法には差異があります。購入者は表面仕上げ、打ち抜き性能、規制対象用途の認証などに関わる小さな違いが影響するため、具体的な規格書の条件を確認する必要があります。
耐食性
EN AW-3003は、パッシブな酸化アルミニウム皮膜と主要合金元素であるマンガンの比較的穏やかな効果により、一般的な大気環境において良好な耐食性を示します。屋内や農村・都市環境での耐性が高く、硫黄化合物が強く作用しない軽度の工業環境でも耐食性を発揮します。
海洋または塩化物含有環境においては、3003は多くの二次的な海洋部品に対して許容できる性能を示しますが、アルミニウム-マグネシウム系5xxxシリーズ合金ほどの孔食や割れ腐食耐性はありません。一次海洋構造部品や塩化物曝露が激しい部位には、通常5xxx系合金（例：5083、5052）や保護塗装が推奨されます。
3003の応力腐食割れ感受性は低く、高強度熱処理合金に比べて最大到達強度が控えめであるために発生しにくいですが、銅やステンレス鋼などより貴な金属と接合し適切な絶縁措置を施さない場合、局所的なガルバニック腐食の懸念があります。適切な材料選定と絶縁技術の適用により、混合金属組立てでのガルバニック腐食リスクを低減可能です。
加工性
溶接性
EN AW-3003はGTAW（TIG）やGMAW（MIG）などの標準的なアーク溶接法で容易に溶接でき、熱割れのリスクが低いです。一般的な溶加材には流動性を高めるER4043（Al–Si）やER4047、溶接強度を重視する場合はER5356（Al–Mg）が使われます。選択は接合部の設計および溶接後の耐食性を考慮して行います。熱影響部は冷間加工材に比べ局所的に軟化しますが、この合金は熱処理硬化型ではないため、析出硬化による脆化はありません。
機械加工性
3003の機械加工性は切削性良好なアルミ合金と比較すると中程度であり、Al-CuやAl-Si系合金に比べて機械加工指数が低いのは、延性のある切りくずとビルドアップエッジの発生傾向によります。切削工具は鋭利な形状の超硬工具を用い、正の逃げ角および十分な潤滑・冷却を推奨します。主軸回転数は切りくずの流動性を保ち、ビルドアップエッジ形成や擦れを防ぐよう調整します。穴あけやタップ加工では深穴に対応したピッチ攻撃と切りくず排出が必要です。
成形性
3003の最大の特長の一つは成形性の良さであり、特に完全焼なましのO状態では深絞り、引き伸ばし、複雑な曲げ加工が亀裂なく可能です。曲げ半径の最小値はO状態で材料厚さの1～2倍程度が一般的ですが、硬化状態のH系テンパーでは延性が低下するため半径は大きくなります。設計者は特定の板厚・形状に対して成形半径を確認すべきです。加工硬化により強度は増すものの、後の成形加工は制限されるため、過酷な成形過程では中間焼鈍がしばしば用いられます。
熱処理挙動
EN AW-3003は有意な析出硬化元素を含まないため、溶体化処理や人工時効に対して反応せず、非熱処理硬化型に分類されます。約350～450 °Cの熱アニーリングによって冷間加工後の完全再結晶と延性回復を行い、ソーク時間や冷却速度は歪みや表面品質の維持のために制御されます。
物性変化の主な機構は加工硬化であり、制御された冷間変形によりH系テンパーが生成され、降伏強さと引張強さが予測可能に向上します。テンパー転移は一般的な呼称に従い（例：O → H14）、冷間加工または中間焼鈍によってH22/H24等の中間テンパーを得ます。
高温性能
高温下ではEN AW-3003は熱活性化により転位移動や回復が進み、強度が徐々に低下します。125～150 °C以上の長時間使用で顕著な強度低下が見られます。酸化は安定な酸化アルミニウム層形成に限られ、軽度の温度曝露では制限要因になりませんが、長期の高温曝露は機械的性質と寸法安定性を劣化させます。
溶接部や強加工部位は使用中に熱軟化が起こる可能性があり、高温下での持続荷重に対してはクリープや応力緩和を考慮すべきです。100～150 °Cを超える連続使用では、より高温仕様の合金の採用が望まれます。
用途例
| 産業分野 | 代表的部品 | EN AW-3003が使われる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 遮熱板、トリム、HVACダクト | 良好な成形性、耐食性、コスト効果 |
| 海洋 | 非構造用パネル、内装部品 | 大気海洋環境での耐食性 |
| 航空宇宙 | フィッティング、フェアリング（非構造用） | 二次部品に適した高い強度対重量比 |
| 電子機器 | ヒートスプレッダー、筐体 | 良好な熱伝導性と成形性の組み合わせ |
| 家電 | 調理器具、冷蔵庫パネル | 表面仕上げ、成形性、耐食性 |
EN AW-3003は低コスト、加工性、耐食性のバランスが要求され、最高の構造強度が必須でない用途で好まれます。板材、管材、成形部品にわたる多用途性から、多くの加工業者やOEMにおける代表的な材料となっています。
選定のポイント
EN AW-3003は、適度な強度、優れた成形性、良好な大気耐食性を最重要視し、コストや入手性も考慮する場合に選ばれます。複雑な成形や深絞りにはOテンパーを、剛性や降伏強さの向上が必要な加工部品にはH系テンパーを選択してください。
純アルミニウム（1100）に比べ、3003は大幅に高い強度を持つ一方で、電気・熱伝導率は若干劣ります。最大伝導性や柔らかさが重要な場合は1100を選択してください。5xxx系合金（例：5052）に比べると、3003は塩化物／孔食耐性や強度は劣りますが、成形性が高く材料費も通常低いため、一般的な成形やクラッド用途に向いています。6061や6063のような熱処理硬化型合金と比べると、3003は冷間成形性とコスト面で優れる一方、最大強度は低いため、成形の複雑さや耐食性を重視し最高強度を求めない場合に推奨されます。
まとめ
EN AW-3003は、良好な成形性、冷間加工後の十分な強度、優れた溶接性、多様な環境での信頼性ある耐食性を兼ね備えた実用的なアルミニウム合金として、現代のエンジニアリングで広く利用されています。特に最終的な引張強さが主設計条件でないHVAC、家電、建築外装、一般的な鈑金加工分野でその性能とコストのバランスにより第一選択材となっています。