アルミニウム鋳物は、強度を高めたり、寸法安定性を向上させたり、過酷な使用条件に適した特性を持たせるために熱処理が行われます。このプロセスは単一のものではなく、温度や結果が異なる一連の熱処理サイクルから構成されています。どのサイクルが部品に適しているかは、合金、鋳造プロセス、および図面上の実際の要件によって異なります。 本ガイドでは、3つの工程、T4～T7の焼きなまし状態、代表的な温度、およびどの鋳造プロセスでどの熱処理を安全に実施できるかについて解説しています。これにより、最初から適切な熱処理サイクルを指定できるようになります。
なぜアルミニウム鋳物に熱処理を行うのか？
アルミニウム鋳物 鋳造直後の状態では、実用上は問題ないものの、強度は限定的です。熱処理を行うと、合金元素がアルミニウムマトリックスに溶け込み、その後、微細な粒子として析出することで、転位運動を阻害します。これにより、引張強度が向上し、硬度が高まり、機械加工後の寸法安定性も向上します。
すべての鋳物でこれが必要というわけではありません。室温で荷重がかからないハウジングであれば、鋳出し状態のままでも問題ない場合があり、必要のない熱処理に費用をかけるのは無駄遣いになります。鋳出し状態では強度や安定性の要件を満たせない設計の場合は、熱処理を指定してください。
熱処理の仕組み：溶体化、急冷、時効
アルミニウムの熱処理は、次の3つの工程で行われます。
- 溶体処理 — 鋳物をおよそ480～540°Cまで加熱し、合金元素がアルミニウムマトリックスに完全に溶け込むようにする。
- 焼入れ — 通常、熱水、ポリマー浴、または強制通風を用いてその部分を急速に冷却し、それらの元素を溶液中に固定する。
- エイジング — 150～200°Cまで再加熱し、所定の時間加熱することで、微細な析出物が形成され、材料の強度が向上する。
溶体化工程で化学的状態を整え、急冷でその状態を固定し、時効処理によって強度が向上します。 現場では2つの点が重要です。焼入れから時効処理への移行には時間的余裕が必要です。焼入れ効果が低下し始めるまでの標準的な許容時間は15～20秒であるため、焼入れ槽は炉のすぐ隣に設置する必要があります。また、鋳物を詰め込みすぎると加熱ムラが生じるため、積載方法も仕様の一部となります。
「テンプ」の解説：T4、T5、T6、T7
焼鈍指定には、鋳物がどの工程を経たかが記録されています。それぞれの焼鈍状態は、強度、延性、安定性のバランスが異なるため、その選択は材料仕様書に定められるべきであり、供給業者の裁量に委ねるべきではありません。
| 気性 | 実施した手順 | 典型的な結果 | 一般的な用途 |
|---|---|---|---|
| T4 | 溶液処理＋急冷＋自然熟成 | 延性が良く、強度は中程度 | 鋳造後に成形または矯正された部品 |
| T5 | 人工老化のみ | 適度な強度、歪みが少なく、水ぶくれのリスクが低い | 高圧ダイカスト鋳物（A380、ADC12） |
| T6 | 溶液処理＋急冷＋人工時効 | ほとんどの熱処理可能な合金において最高の強度 | 構造用砂型鋳造、重力鋳造、および低圧鋳造（A356、A357） |
| T7 | 溶体化 + 急冷 + 過時効 | 強度はわずかに低いが、寸法安定性に優れている | 高温環境または腐食性環境 |
T4は焼入れを行った後、室温で数日間時効処理を行います。これにより、優れた延性と適度な強度が得られ、鋳造後に成形や矯正が必要な部品に適しています。
T5は溶体処理の工程を省略し、直接人工時効処理に移行します。強度の向上はわずかですが、歪みやブリスタリングのリスクが低く抑えられるため、T5はA380およびADC12を用いた高圧ダイカスト部品における標準的な焼鈍状態となっています。A380の場合、その数値は以下の通りです： 引張強度は、鋳出し時の約310 MPaから、T5では345～360 MPa、T6では最大で約380 MPaまで上昇し、降伏強度は130 MPaから190～210 MPaへと上昇します。 ただし、すべてのダイカスト合金がT6処理に良好に応答するわけではありません。気孔率やシリコン含有量によって、その効果には限界があります。
T6は完全サイクル（溶体化、急冷、人工時効）です。ほとんどの熱処理可能合金において最高の強度を発揮し、砂型鋳造、重力鋳造、および 低圧鋳造品 A356またはA357。図面で耐荷重用のアルミニウム鋳物が指定されている場合、通常はT6が適しています。
T7処理では、T6処理と同様の全工程を経ますが、部品を過熱処理し、T6処理よりも長く、あるいはより高温で時効温度に保持します。これにより、ピーク強度は若干低下するものの、寸法安定性と応力腐食耐性が向上します。部品が高温で稼働する場合や、腐食性環境にさらされる場合は、T7処理を選択してください。
一般的な温度と所要時間
一般的な溶体化処理温度は480～540°Cの範囲にあり、人工時効処理は150～200°Cで行われます。 炉メーカーが提示する温度範囲はこれより若干広め（溶体化処理は454～566°C、時効処理は100～218°C）ですが、鋳造現場での実務では通常、その中間値が採用されます。最終的な判断は、合金規格および熱処理業者の炉の仕様に基づきます。
| 合金 | プロセス | 典型的なサイクル | 結果 |
|---|---|---|---|
| A356 | 砂／重力式／低圧 | T6：溶体化処理 約535°C ＋ 急冷 ＋ 時効処理 約155～160°C | 高強度、優れた伸び率 |
| A357 | 砂／重力式／低圧 | T6：溶体化処理 約540°C ＋ 急冷 ＋ 時効処理 約155°C | 一般的に使用されているアルミニウム鋳造合金の中で最も強度が高いもの |
| A380 | 高圧ダイカスト | T5：年齢のみ、解答なし | 適度な効果があり、水ぶくれができる心配がない |
| ADC12 | 高圧ダイカスト | T5：年齢のみ | A380と同様に、薄肉部での流動性が向上 |
温度と保持時間は合金や炉の種類によって異なるため、熱処理担当者は、部品を投入する前に、そのサイクルが仕様書に合致しているかを確認する必要があります。
鋳造工程による熱処理
鋳造工程によって、どの程度強度の熱処理が可能かが決まります。これは、炉での処理に入る前に、微細組織（特に気孔）がすでに形成されてしまうためです。
| 鋳造工程 | 熱処理可能ですか？ | 典型的な気質 | 主な制約条件 |
|---|---|---|---|
| 砂型鋳造 | はい | T4、T6、T7 | 広範囲に熱処理が施されている。A356/A357ではT6が一般的である。 |
| 重力鋳造（永久鋳型） | はい | T4、T6、T7 | 好評です。T6は構造部品によく使われます。 |
| 低圧ダイカスト | はい | T4、T6、T7 | 重力と同じ系列。耐圧部品に適している |
| 高圧ダイカスト | 数量限定 | T5（一部の合金ではT6） | 閉じ込められたガスは、溶液処理中に膨張し、膨れを引き起こす |
砂型鋳造、重力鋳造、および低圧鋳造は、いずれも熱処理可能な同一の合金ファミリー（A356およびA357）に属し、通常はT6処理が施されます。これらの鋳造品の気孔率は十分に低いため、溶体化処理を行っても表面にブリースターが発生することはありません。
高圧ダイカストは例外です。急速な凝固により、材料内部に微細な気泡が閉じ込められ、完全な溶体化サイクルによってそれらが膨張するため、部品の強度が低下し、表面にブリースターが生じる可能性があります。 そのため、A380やADC12製の部品にはT6ではなくT5が適用され、完全熱処理済みのT6部品を必要とする設計者は、代わりに砂型鋳造、重力鋳造、または低圧鋳造を指定する必要があります。
熱処理の費用とリスク
熱処理にはコストがかかり、リスクも伴います。主なコストは、炉の稼働時間そのもの、治具代、そして歪みによって必要となる矯正や再加工の費用です。主なリスクは変形であり、ダイカスト部品の場合はブリスタリングも挙げられます。
歪みは、最も一般的な品質問題です。急冷槽への浸漬速度は重要です。一般的な目安として、断面厚さに応じて0.15～3 m/sの範囲が推奨されます。また、ポリマー系急冷剤の使用や適切な固定具の採用により、リスクを低減できます。精密部品の場合は、熱処理後に加工余裕を設けるか、矯正工程を計画してください。
あまり知られていないことですが、熱処理は表面状態を変化させ、仕上げに影響を与える可能性があるため、最終加工の前、および密着性が重要なコーティングや陽極酸化処理を行う前に熱処理を行う必要があります。
よくあるご質問
すべてのアルミニウム鋳物は熱処理が可能ですか？
いいえ。析出硬化に反応するのは、熱処理可能な合金（2xx、6xx、7xxシリーズ、およびA356やA357などの鋳造合金）のみです。 A380のような高シリコンダイカスト合金は時効処理（T5）は可能ですが、一般的に、ブリスタリングのリスクがない状態で溶体化処理（T6）を行うことはできません。
ダイカストには、なぜT6ではなくT5が使われるのですか？
ダイカスト鋳物は、急速凝固の過程でガスを閉じ込めてしまいます。完全な溶体化処理を行うと、部品が十分に高温になり、そのガスが膨張して、表面に気泡が生じたり内部に損傷が生じたりします。T5処理では溶体化工程を省略するため、気泡の発生リスクなしに合金の強度を高めることができます。
熱処理によってアルミニウム鋳物は歪むのでしょうか？
可能です。急冷により熱勾配が生じ、薄い部分が歪むことがあり、肉厚が不均一な部品は特にそのリスクが高くなります。治具の固定、高分子系急冷剤の使用、および制御された浸漬によって歪みを低減できますが、熱処理後の機械加工余裕を設けることが、実用的な安全策となります。
T6とT7の違いは何ですか？
どちらも完全な熱処理サイクルを経ています。T7は過時効処理が施されており、ピーク強度は若干低下するものの、寸法安定性と応力腐食耐性が向上しています。高温で動作する部品や、腐食性環境にさらされる部品には、T7を選択してください。
結論
熱処理は、実用的な鋳物を構造用鋳物へと変えますが、それは合金、工程、および焼戻し状態が適切に組み合わされている場合に限られます。A356およびA357の砂型鋳造、重力鋳造、低圧鋳造においては、T6が依然として主力となっています。高圧ダイカストにおいては、T5が実用的な選択肢となります。T7は、高温環境や腐食環境での使用に適しています。 設計段階で熱処理状態を指定し、合金規格に基づいて処理サイクルを確認してください。どの処理サイクルが部品に適しているか不明な場合は、図面と使用条件を当社のエンジニアに送付し、 砂型鋳造 または 鋳造後の熱処理 推奨事項。
