アルミニウム EN AW-3103：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
EN AW-3103は3xxxシリーズの鍛造アルミニウム合金の一つで、主にマンガンを主要な強化元素として合金化しています。このシリーズは熱処理による硬化ができない非熱処理強化合金に分類され、6xxxシリーズや7xxxシリーズのような固溶体・析出硬化ではなく、冷間加工（ひずみ硬化）によって強度が増します。
EN AW-3103の主な合金元素はマンガンで、典型的には0.6～1.5％の範囲で含まれ、さらに鉄、シリコン、微量元素が成形性や表面仕上げに影響を与える程度の微量含有に制御されています。その結果、EN AW-3103は中程度の強度、非常に優れた成形性、そして多くの大気環境における良好な耐食性のバランスを提供します。
EN AW-3103の主な特徴は、中強度（純アルミニウムよりは高く、冷間加工や熱処理強化合金よりは低い）、アニーリング状態での優れた冷間成形性、標準的なアルミニウム溶接プロセスでの安定した溶接性、そして優れた一般腐食耐性です。主な用途は建築部材や装飾トリム、被覆材、標識や照明器具、成形性や表面仕上げが重要な板金加工などが挙げられます。
エンジニアは純度の高い材料よりも機械的性能が向上しつつ良好な成形特性を持つEN AW-3103を選択し、より高強度の合金よりも靭性、表面品質、コストを優先する場合に採用します。本合金は板および薄板材から成形・溶接を行う部品において、ピーク析出硬化強度を必要としない場合の実用的なトレードオフの位置づけを持ちます。
硬さ状態（Temper）バリエーション
| 硬さ状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 20–35% | 優秀 | 優秀 | 完全アニーリング状態で深絞りに最適な最大の延性 |
| H11 / H111 | 低～中程度 | 15–30% | 非常に良好 | 優秀 | 軽い冷間加工硬化を施し、軽加工に一般的 |
| H14 | 中程度 | 6–18% | 良好 | 優秀 | 1/4硬化状態で、強度と成形性のバランスが良い一般的な硬さ状態 |
| H16 | 中～高 | 4–12% | 可～良好 | 優秀 | 1/2硬化状態で剛性とばね性の制御が向上 |
| H18 | 高 | 2–8% | 制限あり | 優秀 | 冷間加工による完全硬化状態で、より高い降伏強さが必要な場合に使用 |
EN AW-3103は主にアニーリング（O）状態および制御圧延・冷間加工によって得られる各種H硬さ状態で供給されます。硬さ状態は転位密度や微細構造を制御し、OからH18へと移行することで強度が増し、伸びや絞り性は減少します。
溶接性は非熱処理型合金であるためこれらの硬さ状態すべてで良好ですが、冷間加工された硬さ状態では溶接熱影響部で局所的な軟化が生じるため、溶接後に機械的または熱処理による性質回復が必要となる場合があります。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | シリコンは延性と表面品質維持のため低レベルに制御 |
| Fe | ≤ 0.7 | 鉄は不純物であり、異方性や強度に影響を与えるため制御される |
| Mn | 0.6–1.5 | 主合金元素であり、固溶体および分散強化を付与 |
| Mg | ≤ 0.10 | 3103ではマグネシウムは最小限で、析出硬化には使用されない |
| Cu | ≤ 0.20 | 銅含有量は低く、強度向上にはわずかに寄与するが高含有は耐食性を低下させる可能性あり |
| Zn | ≤ 0.20 | 亜鉛は微量不純物であり、これらのレベルでは特性への影響は限定的 |
| Cr | ≤ 0.10 | クロムは微量存在し、粒構造制御に寄与することがある |
| Ti | ≤ 0.15 | チタンは微細組織の微調整に稀に用いられる粒状化剤 |
| その他（各） | ≤ 0.05 | 延性と成形性を守るためにその他元素は低濃度に制御 |
Mn含有量がEN AW-3103の組成の特徴的なドライバーとなり、純アルミニウムと比較して冷間加工時の硬化特性および強度向上を可能にしています。鉄とシリコンは脆化回避と良好な表面仕上げおよび圧延性維持のために低レベルに制御されています。
機械的特性
引張特性においてEN AW-3103は典型的な非熱処理硬化型合金としての挙動を示します。アニーリング状態では延性が高く降伏点が低い一方、冷間加工が加わるにつれて降伏強さや引張強さが順次向上します。降伏強さはひずみ速度に依存し、中程度の冷間加工によりかなり向上し、成形された部品のばね戻り予測に役立ちます。
O硬さ状態では伸びが高く、深絞りやストレッチ formingに対応しますが、H硬さ状態では延性が犠牲となる代わりに剛性が向上し、0.2%耐力も高まります。硬さは硬さ状態に比例し、Oは軟らかく、H11/H14からH18へ向かうほど冷間加工硬化が進み硬さが増加します。硬さは生産の品質管理に利用されます。
疲労特性は中程度で、表面状態や硬さ状態に依存し、研磨仕上げや成形時の圧縮残留応力は疲労寿命を延長します。板厚は機械的応答に影響し、薄肉材はより容易にひずみが加わり冷間加工硬化強度に早く達する一方で、厚肉材はエネルギー吸収量が多くなる反面、成形性は低下します。
| 特性 | O/アニーリング | 代表的硬さ状態（例：H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 95–140 MPa（典型値） | 140–200 MPa（典型値） | 板厚、加工履歴、正確な硬さ状態によって変動 |
| 降伏強さ（0.2%耐力） | 30–50 MPa | 90–140 MPa | 冷間加工により降伏強さが大幅に向上 |
| 伸び | 20–35% | 6–18% | アニーリングで最大の延性を示し、冷間加工で伸びは低下 |
| 硬さ（HB） | 20–40 | 40–80 | 硬さは冷間加工硬化度合いと連動し、工程管理に使用 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70 g/cm³ | 鍛造Al-Mn合金の典型的な密度で、質量や剛性計算に有用 |
| 融点範囲 | 640–655 °C | 固相線・液相線は純アルミに近く、微量元素により多少変動 |
| 熱伝導率 | 120–160 W/m·K | 優れた熱伝導性を持つが、高純度アルミよりやや低く、放熱用途に適す |
| 電気伝導率 | 約30–40 % IACS | 純アルミより低く、冷間加工や合金元素含有により低下 |
| 比熱 | 約0.90 kJ/kg·K（900 J/kg·K） | 熱伝達計算に使われる典型値 |
| 熱膨張係数 | 23–24 µm/m·K（20–100 °C） | アルミ合金に一般的な熱膨張係数で、異種金属接合に重要 |
これらの物理特性により、EN AW-3103は軽量素材でありながら熱伝導が良好で熱膨張が予測しやすく、熱拡散性や温度範囲の寸法安定性が求められる部品に適しています。電気伝導率は非絶対的伝導用途には十分ですが、電気導体用途の純アルミニウム系よりは劣ります。
設計者は異種材料とEN AW-3103を組み合わせる際には熱膨張差を考慮し、熱管理用途で仕様を決める際は伝導率も踏まえる必要があります。建築用途などで一般的に使用される表面処理やコーティングは本質的な熱特性を大きく変えませんが、放射率や熱伝達には影響を与えることがあります。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3〜6.0 mm | 冷間圧延・調質により強度が向上 | O, H11, H14, H16, H18 | 最も一般的な形状で、パネル、トリム、ファサードに使用される |
| プレート | 6〜25 mm | 限られる；一般的に軟質調質で供給される | O, H111 | 主に薄板シートとして使用されるためあまり一般的でない |
| 押出材 | 断面形状多様 | 3103の押出材は稀で、加工性は変動する | H111 | 単純なプロファイルなら可能だが、3xxxシリーズの押出材はあまり一般的でない |
| チューブ | Ø 6〜120 mm | 製管時の冷間加工により強度が向上 | O, H14 | 装飾用チューブや軽量構造部材に使用される |
| バー/ロッド | Ø 5〜50 mm | ロッドが入手可能；加工硬化による強度向上 | H11, H14 | ファスナー、トリム、成形部品に使用される |
EN AW‑3103の製造はシート生産が中核であり、圧延と焼きなましの工程は均一な表面品質と制御された機械的性質を得るために選択されています。押出材や厚板はそれほど一般的ではなく、これらの製品群では通常、6xxxシリーズの押出材や5xxxシリーズの船舶用プレートがより高い強度と性能を発揮します。
曲げ、打抜き、引抜きなどの冷間成形加工が主流であり、調質選択によりバネ戻り、絞りやすさ、最終使用時の強度をバランスさせます。表面仕上げやアルマイト品質が要求される建築部品では、圧延および焼きなまし条件が最適化され、表面欠陥を最小化し均一な合金組成を維持しています。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3103 | アメリカ | American Aluminum Associationの資料ではAA 3103として言及されることが多い。 |
| EN AW | 3103 | ヨーロッパ | EN規格下で一般的な欧州の指定。 |
| JIS | A3103（概略） | 日本 | 日本の規格では類似のAl‑Mn合金を独自の名称で指定する場合がある。 |
| GB/T | 3103（概略） | 中国 | 中国規格では3xxx系の同等鋼種が含まれるが、組成は若干異なる可能性がある。 |
多くの商用用途において地域間での同等級指定は大きく交換可能ですが、発注時には特定の組成限界や機械的性質表を確認することが重要です。AA、EN、JIS、GB/T規格の間で微細な不純物限界、許容公差、調質指定の違いが存在し、これが成形性、表面仕上げ、コーティングや構造検査の適合性に影響を与える場合があります。
耐食性
EN AW-3103は他のAl‑Mn系合金と同様に良好な大気耐食性を示し、安定した酸化皮膜を形成して農村部や都市部の均一な腐食を抑制します。マンガン含有量は一般的な耐食性に大きな悪影響を与えず、定期的なメンテナンスや塗装が行われる外装建築部品やトリムに適しています。
海洋環境では塩水噴霧や中程度の塩化物曝露に対して合理的な耐性を示しますが、長時間の浸水や激しい塩化物攻撃がある飛沫域では、5xxxシリーズ（Al‑Mgなど）よりもピッティングや表面劣化が加速します。持続的な海洋用途では、設計者は陽極酸化被膜や高Mg含有合金の使用を指定することが多いです。
EN AW‑3103は非熱処理型合金であり、危険な析出物を形成しないため応力腐食割れの感受性は低いですが、溶接部や冷間加工部の引張残留応力区域では局所腐食の挙動評価が必要です。ステンレス鋼や銅などのより貴な金属との接触腐食はEN AW‑3103の腐食を促進するため、不同金属接合が避けられない場合は絶縁層、シーラント、あるいは犠牲陽極の使用が推奨されます。
加工性
溶接性
EN AW‑3103は単純な合金組成のため、TIGおよびMIG溶接による標準的なアルミニウム溶接法で容易に溶接可能で、ホットクラックの発生傾向は低いです。一般的なフィラー材はAl‑Mn系のワイヤやロッド（ジョイント条件によりAl‑5xx6またはAl‑4xxx系など）が用いられ、機械的性質、耐食性、入手性のバランスを考慮して選択されます。非熱処理合金により冷間加工調質は溶接熱影響部で軟化を起こすため、溶接後の機械的処理やオーバーマッチングフィラーを用いて性能回復を図ることもあります。
切削性
EN AW‑3103の切削加工は基本的に問題なく行えますが、鉛やビスマスを含む自由切削アルミニウム合金ほど優れているわけではありません。正面角が大きく切れ味の良い超硬またはコーティング高速度鋼の工具が推奨され、高送り加工で最良の切りくず制御が得られます。冷却剤を使用するとビルドアップエッジの発生を抑え、表面仕上げが向上します。設計段階では剛性を高めチャタリングを防止するために厚板や適切な調質の使用が好まれます。
成形性
EN AW‑3103はMn含有合金の中でも耐成形性に優れ、とくにO調質では深絞りやストレッチ成形が良好です。推奨される最小曲げ半径は調質や厚さによりますが、O調質では小さい半径で狭い曲げが可能であり、H調質では割れを防ぐために半径を大きくする必要があります。冷間加工硬化により降伏点が上昇し伸びが減少するため、複雑形状品には段階的成形および中間焼鈍が一般的な製造手順です。
熱処理挙動
非熱処理合金であるため、EN AW‑3103は6xxxや7xxxシリーズのような固溶化および人工老化による強化ができません。主な金属学的制御は冷間加工（圧延、引抜き、曲げ）であり、変位密度を高めて降伏強さと引張強さを向上させます。
焼鈍（O調質への復元）は延性回復と残留応力軽減のために実施され、表面酸化問題を避ける適切な温度を選んで再結晶を促進します。一般的な工業用焼鈍サイクルは商用炉で厳密に管理されています。局所的な特性制御が必要な場合は、冷間加工、応力除去、表面仕上げの組み合わせで対応し、従来の熱処理シーケンスは用いません。
高温性能
EN AW‑3103は温度上昇とともに徐々に強度が低下し、約100〜150 °C以上で顕著な低下を示し、再結晶温度域に近づくと急速に軟化します。高温での長期使用は回復および再結晶を引き起こし、冷間加工強化された強度を低下させ寸法安定性を変化させるため、荷重を伴う用途ではサービス温度を200 °C以下に制限するのが一般的です。
高温での酸化は鋼材と比べて最小限で、アルミニウムは保護性酸化皮膜を形成しますが、高温曝露は表面外観を変化させ、塗装や接着への影響もあります。溶接部や熱影響部では熱サイクルにより強度低下が起こりうるため、使用環境が調質変化温度に近い場合は冷間加工の焼鈍や疲労性能の変化を設計で考慮する必要があります。
用途
| 産業分野 | 例示部品 | EN AW-3103が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | インテリアトリムパネル、装飾モールディング | 良好な成形性と表面仕上げ、適度な強度 |
| 建築/建材 | ファサードクラッディング、軒裏、雨樋 | 耐食性とアルマイトの品質が要求される可視面 |
| サイン＆照明 | リフレクターハウジング、看板面 | シート成形性、表面仕上げ、寸法安定性 |
| 家庭用電化製品 | 調理器具トリム、キャビネット前面 | 成形の容易さ、溶接性、経済的入手性 |
| 空調/ダクト | 軽量ダクトパネル | 屋内環境での良好な成形性と耐食性 |
EN AW‑3103は成形性、機械的性能と高品質な表面仕上げのバランスを要求される部品に適し、特にアルマイト処理や塗装仕様が含まれる場合に好まれます。この合金の特性は、極端な強度が不要な中程度の耐荷重を要する建築および家庭用用途で経済的な選択肢となります。
選択上の留意点
EN AW‑3103を検討する設計者や調達担当者は、優れた成形性と表面品質、適度な強度、良好な耐食性を経済的に実現したい場合に優先的に選択してください。深絞りや狭い曲げ半径を必要とし、その後の軽溶接やろう付けが行われる設計には、O調質のEN AW‑3103が加工性と使用性能のバランスで最良の選択となることが多いです。
商用純アルミニウム（例：1100）と比較すると、EN AW‑3103は電気伝導性および熱伝導性をわずかに犠牲にする代わりに、より高い降伏強さと引張強さを獲得しており、構造的な強度維持や成形性が求められる用途に適しています。類似の加工硬化合金（例：3003、5052）と比べると、3103は3003に近い特性を持ち、通常は同程度の強度と同様の耐食性を有します。海洋用途や高負荷環境では、Mg含有合金の5052が選ばれる場合があります。
熱処理合金（例：6061/6063）と比較した場合、EN AW‑3103は同じピーク強度には達しませんが、優れた成形性、加工のしやすさ、および建築用や装飾部品で最大強度を必要としない場合の表面仕上げの良さから選択されることが多いです。
まとめ
EN AW‑3103は、信頼性の高いMn系強化機構と優れた成形性、良好な耐食性、そして板厚の薄いシート材での加工の容易さを兼ね備えているため、依然として広く使われているアルミニウム合金です。その特性のバランス、表面品質、およびコスト効率の良さが、現代のエンジニアリングにおける建築用、装飾用、一般的な板金用途における実用的な選択肢となっています。