アルミニウム EN AW-3004：組成、特性、材質記号ガイドおよび用途
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総合概要
EN AW-3004は、3xxx系アルミニウム合金（Al-Mn-Mg系）に分類される押出用アルミニウムマンガン合金です。熱処理で強化できない合金であり、主な合金元素はマンガンで、マグネシウムはAA3003/3000ベース合金に対して強度向上のために添加されています。主に冷間加工時の加工硬化（ひずみ硬化）によって強化され、MgおよびMnによる固溶強化の寄与は限定的です。一般的な特徴として、熱処理非対応合金としては中程度から良好な強度を持ち、多くの大気環境下で優れた耐食性を示し、焼きなまし状態では卓越した成形性を持ち、一般的なアーク溶接プロセスでの溶接性も良好です。
EN AW-3004の主な用途は、パッケージング（特に缶や容器用鋼帯）、空調・建築用外装部品、建築用トリム、および家電製品や小型構造部品に使用される一般的な板成形部品です。設計者は純アルミニウムや3003合金よりも高い強度が必要で、かつ薄板用途に求められる深絞りやロール成形性を保ちたい場合に3004を選択します。成形性、表面仕上げ、耐食性がピーク引張強度よりも重要である場合や、成形後の熱処理が実施困難な場合に、高強度の熱処理対応合金よりも本合金が好まれることが多いです。
EN AW-3004は、板材およびコイルの製造に好適であり、MnとMgの組み合わせにより強度向上と延性保持のバランスが良く、深絞り、アイアン加工、複雑な曲げ加工などの加工に適しています。純アルミニウム（優れた成形性だが強度が低い）と5xxx系・6xxx系合金（高強度だが成形性や耐食性に異なるトレードオフ）との間の実用的な中間領域を埋める役割を果たし、圧延製品用途の主力材料となっています。
材質区分（Temper）バリエーション
| 材質区分 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い（20～35%） | 優秀 | 優秀 | 最大の延性を得るための完全焼なまし条件 |
| H12 | 中程度 | 低い（3～8%） | 限定的 | 良好 | 部分加工硬化（中程度の成形性） |
| H14 | 中～高 | 中程度（6～12%） | 良好 | 良好 | 四分硬の冷間加工、板材用途に一般的 |
| H16 | 高 | 低い（3～8%） | 限定的 | 良好 | 半硬化条件による高強度化 |
| H18 | 非常に高い | 低い（2～6%） | 劣る | 良好 | 完全硬化状態で最も高い冷間加工強度 |
| H24 | 中～高 | 中程度（6～12%） | 良好 | 良好 | 加工硬化および部分的焼鈍・安定化処理 |
材質区分は強度と延性の機械的なトレードオフを大きく左右します。焼なましのO区分は深絞りや複雑な変形に最適な成形特性を提供しますが、H系区分は制御された冷間加工により降伏強さと引張強さを段階的に向上させる代わりに伸び率が減少します。溶接部は通常、溶接後に機械的性質の考慮が必要で、H系材質区分は熱影響部において局所的に軟化するため、下流の成形や溶接工程を考慮して材質区分を選択する必要があります。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | 不純物元素；高含有時に溶融流動性を低下させる |
| Fe | ≤ 0.7 | 表面仕上げに影響する金属間化合物形成不純物 |
| Mn | 1.0～1.5 | 強度および再結晶制御の主合金元素 |
| Mg | 0.8～1.3 | 固溶強化に寄与；加工硬化反応を高める |
| Cu | ≤ 0.2 | 通常低含有；高Cuは耐食性を低下させる |
| Zn | ≤ 0.2 | 少量；耐食性悪影響回避のため低く制御 |
| Cr | ≤ 0.1 | 通常意図的添加なし；微量で結晶粒制御 |
| Ti | ≤ 0.15 | 微量で結晶粒細化剤として機能 |
| その他（各々） | ≤ 0.05、合計 ≤ 0.15 | 残留および微量元素 |
本合金の特性は、この成分組成によって特徴づけられます。マンガンは結晶粒細化と強度向上に寄与しつつ延性の損失を抑え、マグネシウムは固溶効果および加工硬化反応の増強を通じて降伏強さと引張強さを高めます。FeおよびSiの制御された上限管理により、表面品質の保持と、成形性や装飾用、缶用鋼帯用途での仕上げを低下させる脆い金属間化合物の抑制が図られています。
機械的性質
EN AW-3004は材質区分に強く依存する引張・降伏強さ特性を示し、焼なまし状態では高い伸びと低めの降伏強さを、硬化H系では著しく増加した降伏強さと引張強さを持ちます。圧延および冷間加工された材質区分では、深絞り向けの薄板に対し均一伸びが良好ですが、完全硬化状態では総伸びが減少します。加工硬化指数（n値）はOおよび部分的硬化の材質区分で伸張成形に有利です。硬さは引張強さに対応し、ブリネル硬さやロックウェル硬さは冷間加工の度合いとともに上昇するものの、熱処理対応合金ほど高くはなりません。
3004の疲労特性はAl-Mn合金に典型的であり、基準耐久性は中程度で、表面仕上げ、板厚、成形や溶接による残留応力に敏感です。厚板や高度な冷間加工は異方性や局所的な微細構造の特徴をもたらし、き裂発生に影響を与えます。板厚は主に圧延中の加工硬化挙動および生成される結晶粒構造を通じて機械的性質に影響し、薄板は圧延による加工ひずみが高く、強度と延性のバランスに関係します。
| 項目 | O / 焼なまし | 代表材質区分（H14/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（MPa） | 120～160 | 200～270 | 板厚および冷間加工度合いにより変動 |
| 降伏強さ（MPa） | 40～80 | 120～190 | H系材質区分で大きく向上 |
| 伸び率（%） | 20～35 | 2～12 | Oは深絞り向けに高い; H18は剛性が要求される部位で低い |
| 硬さ（HB） | 25～45 | 50～85 | ブリネル硬さは冷間加工度合いに伴い増加 |
物理的性質
| 項目 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.73 g/cm³ | Al-Mn合金として一般的；質量が重要な設計に関連 |
| 融点範囲 | 640～655 °C | 固相線～液相線のおおよその温度帯 |
| 熱伝導率 | 約130～160 W/m・K | 純アルミより低いが良好 |
| 電気伝導率 | 約30～36 %IACS | 純アルミより低減；冷間加工や成分で影響 |
| 比熱 | 約900 J/kg・K | 純アルミに近いが温度依存性あり |
| 熱膨張係数 | 23～24 µm/m・K（20～100 °C） | 加工用アルミ合金として標準的な線膨張係数 |
EN AW-3004は多くの構造用金属に比べ優れた熱伝導性を保持しており、熱拡散が求められる用途で成形性や耐食性も兼ね備えるため有用です。電気伝導率は合金元素および冷間加工により低下しており、電気的性能が重要な用途には選択されませんが、多くの接地や接合された筐体用途では十分な性能を発揮します。
また、熱膨張係数および比熱は異種材料との接合や温度変化に伴う寸法公差が厳しい設計時に重要です。鋼材に比べて比較的高い熱膨張係数は、締結部品や接合部の設計で考慮する必要があります。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度の挙動 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2–4.0 mm | 圧延中に加工硬化が進む。薄板はしばしばH14/H18調質で供給される | O, H14, H18 | コイル材、プレス加工品、缶材などに広く使用される |
| プレート | >4.0 mm | 1パスあたりの加工硬化が低く、一般的にアニーリングまたは軽度硬化状態で供給される | O, H12 | シートより稀で、厚板の構造用パネルに使用される |
| 押出材 | 各種断面形状 | 押出後の冷間加工により強度が決まる | O, H14 | 6xxx系合金に比べて押出での用途は限定的 |
| チューブ | 壁厚 0.3–5.0 mm | 冷間引抜きチューブはH18/H24調質で供給可能 | O, H14, H18 | HVACダクト、コンデンサー、装飾用チューブに使用される |
| バー・ロッド | 直径 ≤ 50 mm | 冷間引抜き状態によって機械的性質が変わる | O, H14 | あまり一般的でなく、小型断面やファスナーに使用される |
シート・コイル材と押出材の加工差は大きく、シートは主に冷間圧延で非常に厳しい厚さ公差や表面仕上げが可能であるのに対し、押出材は異なる合金設計が必要であり、寸法安定性の面で通常6xxx系が好まれる。3004はシート・コイル生産および冷間成形が中心で、加熱処理可能合金に比べて比強度が低く、再結晶挙動も異なるため、押出材や厚肉断面での用途は少ない。
製品形態は後工程の加工に影響し、O調質の薄板は深絞りやアイアニングに適し、H調質は後工程での大きな成形を伴わない寸法安定性と剛性が求められるパネルに最適である。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3004 | アメリカ | 北米で広く使用される指定名 |
| EN AW | 3004 | ヨーロッパ | 鍛造合金ファミリーの同一EN名称 |
| JIS | A3004（概ね） | 日本 | 同等のファミリー指定。正確な仕様は地元のJIS規格を確認のこと |
| GB/T | 3004（概ね） | 中国 | 中国規格には3xxx系に類似のAl-Mn-Mg組成が含まれる |
全規格間で完全な一対一対応はないが、不純物限界や試験方法が異なるためである。AA3004とEN AW-3004は米国・欧州の規格でほぼ同一ファミリー名である。JISおよびGB/Tも類似するが、代替使用時には適用規格の正確な化学成分限界や機械的性質の要件を必ず確認すること。微量元素の許容差や表面品質仕様は地域やメーカーにより差異がある。
耐食性
EN AW-3004は3xxx系合金に典型的な大気中耐食性を示し、通常の室内や工業環境下で基材を保護する安定した酸化膜を形成する。均一腐食に強く、やや腐食性のある屋外環境でも十分な性能を発揮する。表面仕上げ、調質、成形や溶接の残留応力が実際の耐食性能に影響し、美観や長期耐候性のためには適切な表面処理やコーティングが多く用いられる。
海洋や塩化物を含む環境では、中程度の耐食性があり、海水耐性に特化した5xxx系（Al-Mg）合金ほどではない。塩化物濃度が高い部分ではピッティング腐食が発生するため、長期的に保護なしでの海洋利用には5xxx系合金や防護コーティングの選択が推奨される。応力腐食割れの感受性は高強度熱処理合金に比べ低いが、局部腐食や異種金属接触によるガルバニック腐食は進行しやすい。
ガルバニック的には、3004はステンレス鋼や銅合金よりも陽極性であり、接合部設計やファスナーの選定に注意が必要。一般的にはアルミニウムをより貴な金属から絶縁するか、適合するファスナーや防護バリアを用いる。多くの建築および包装用途では、標準的なアルマイト処理や塗装で耐食性と表面仕上げが十分である。
加工性
溶接性
EN AW-3004はTIG（GTAW）やMIG（GMAW）など標準的な溶接法で良好に溶接可能で、適切なジョイント準備とフィラー材選択が重要である。推奨フィラー材にはAl-Si系（例：ER4043）やAl-Mg系（例：ER5356）があり、耐食性や機械的性質の要求に応じて使い分ける。ER5356は高強度だが、ER4043より流動性はやや劣る。3004は熱処理不能合金のため、HAZ軟化は熱起因の過時効現象ではないが、冷間加工された母材は局所的にHAZで軟化し、硬さや強度が低下する。歪み制御や溶接後の機械加工を考慮すべきである。Al-Mn-Mg合金は熱割れの傾向が低いが、フィットアップ不良や汚染物、過大拘束で悪化する可能性がある。
切削性
3004の切削性は自由切削アルミニウム合金に比べ中程度からやや悪く、高強度アルミ合金よりは加工しやすいが、専用の自由切削材ほど良好ではない。典型的な切削は炭化物工具を用い、中程度の切削速度と高めの送り速度でビルトアップエッジ形成を防ぐ。旋削、穴あけ、フライス加工では、切り屑の粘着傾向が一定の送り・インサート条件で問題となる。冷却や切り屑排出対策が表面仕上げと工具寿命維持に重要であり、加工硬化調質はアニーリング材に比べ切削性がさらに低下する。
成形性
EN AW-3004はアニーリング状態および部分軟化調質において成形性に優れており、深絞り、アイアニング、複雑なプレス加工で比較的狭い曲げ半径にも対応可能である。推奨最小内曲げ半径は板厚や調質によるが、O調質やH24調質では0.5〜1.5×板厚の範囲が一般的で、完全硬化したH18調質ではより大きな半径が必要となる。冷間加工調質は段階的曲げに予測可能に対応するが、反発や異方性があるため金型設計時に考慮すべきである。厚板では成形性向上のためにウォームフォーミングを用いる場合もある。
熱処理挙動
EN AW-3004は熱処理不能合金であり、強度変化はほぼ冷間加工（加工硬化）およびアニーリングによってのみ実現される。6xxx系や7xxx系のような溶体化処理・人工時効により劇的な強度向上は見られない。応力除去や延性回復のためのアニーリングは通常約300～415 °Cの範囲で実施され、浸漬時間は断面厚さや求める再結晶度によって決まる。
加工硬化は冷間圧延、引抜き、曲げなどによって達成され、H調質を形成する主な方法である。安定化処理や部分焼きなまし（H2x/H24）は中間的な特性セットを実現し、残留応力の制御に用いられる。寸法・機械的性質の厳密な管理には、通常熱処理よりも調質指定と冷間加工率の管理が主に行われる。
高温特性
高温使用時、EN AW-3004は常温に比べ徐々に強度と弾性率が低下し、約150～200 °Cを超えると著しい軟化が起こる。これらの温度を超えての継続使用は加工硬化強度を低下させる回復および再結晶過程を促進するため、高温構造用途は制限される。通常使用温度での酸化は遅く急激なスケーリングは生じないが、高温酸化雰囲気に長時間曝されると、アルミ合金特有の表面厚化が進む。
溶接熱影響部では、熱曝露により冷間加工領域が再結晶し局所的軟化が生じるため、低下した局所強度とひずみの影響を考慮した設計が必要である。断続的な高温曝露（短周期または熱衝撃）では、3004は適度な寸法安定性を保持するが、繰り返し熱サイクルは微細組織変化と機械的性質の劣化を加速する。
用途
| 業界 | 代表的な部品 | EN AW-3004が使われる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | トリムパネル、内装部品 | プレス成形部品向けの良好な成形性と適度な強度 |
| パッケージング | 飲料缶原料、フタ | 3003に比べ引き抜き性、表面仕上げ、強度が向上 |
| 空調 / 建築 | ダクト、クラッディング、軒天井 | 耐食性とロール成形およびシーム接合の容易さ |
| 家電 | 外装パネル、筐体 | コストパフォーマンスに優れた美観と加工性 |
| 電子機器 | ヒートスプレッダー、エンクロージャー | 熱伝導性と薄板の良好な成形性の組み合わせ |
EN AW-3004は、板金成形、耐食性、優れた表面仕上げが求められ、最高の引張強さが必要とされない用途で広く使用されています。一般的な塗装やアルマイト処理との相性も良く、建築および消費者向けの見える部位にも適しています。
選定のポイント
EN AW-3004は、商用純アルミニウム（1100）よりも強度が必要でありつつ、アルミの魅力である成形性や耐食性を多く保持したい場合に選ばれます。1100と比較して、電気伝導率や最終延性をやや犠牲にしている代わりに、降伏強さおよび引張強さが有意に向上しており、構造用板材や缶材に適した材料です。
3003や5052のような加工硬化合金と比較すると、EN AW-3004は中間的な位置付けです。Mg添加により3003よりも高い強度を持ち、Mg含有量が多い5052よりも成形性が良好な場合が多い一方で、5052は過酷な海水塩素環境下で3004を上回る耐食性を発揮します。6061や6063のような熱処理系合金と比較すると、3004は成形歪みや熱処理による反りが発生しにくく、薄板における深絞りや表面品質を重視する用途で好まれます。
調達や設計の際は、冷間成形工程が多く含まれ、塗装やアルマイト処理を予定している場合に3004を優先してください。海水耐性が強く求められる場合は5xxx系、より高い静的強度が必要な場合は6xxx系の代替を検討すると良いでしょう。
まとめ
EN AW-3004は、成形性、耐食性、表面品質、適度な強度のバランスが求められる圧延板材・コイル用途において実用的かつ汎用性の高い合金です。熱処理ではなく加工硬化に依存するため、多くの成形中心のサプライチェーンで工程を簡素化でき、パッケージング、建築、一般板金業界でのニーズに応え続けています。