シリコンはアルミニウム鋳造合金において最も重要な合金元素です。A356自動車用ホイールからA380エンジンブロックまで、アルミニウム鋳造品の85%以上がAl-Si合金から製造されています。この優位性は偶然ではありません。シリコンは鋳造性能を劇的に向上させるだけでなく、強度、延性、耐食性という優れた特性を兼ね備えているからです。
この記事では、シリコン含有量が鋳造時のアルミニウム合金インゴットの挙動と、完成品の物理的特性にどのように影響するかを解説します。砂型鋳造、永久鋳型鋳造、高圧ダイカストなど、どの鋳造方法を選択する場合でも、シリコンの役割を理解することは、品質とコスト管理において不可欠です。
なぜシリコンなのか？冶金学的根拠
アルミニウム鋳造合金にシリコンが添加されるのには、いくつかの基本的な理由がある。
- 優れた鋳造性： シリコンは流動性を劇的に向上させ、溶融金属が薄い部分や複雑な形状の金型を満たすことを可能にする。
- 収縮率が低い： Al-Si合金は凝固範囲が狭い（特に共晶組成付近）ため、熱間割れや収縮による気孔の発生が抑制される。
- 軽量： シリコン（密度2.33 g/cm³）はアルミニウム（2.70 g/cm³）よりも軽いため、シリコン含有量が多いほど鋳造重量が軽減される。
- 優れた機械的特性： シリコン粒子は、延性を維持しながら合金を強化する（特に改質した場合）。
- 優れた耐食性： シリコンは不動態化特性を向上させる
- 熱膨張率が低い： 高シリコン合金は熱膨張係数が低く、精密部品に最適です。
出典：合金化用高純度シリコン金属
アルミニウム-シリコン鋳造合金の品質は、合金添加物として使用されるシリコン金属から始まります。高品質のアルミニウム鋳造品の場合、 高純度シリコン金属 機械的特性や鋳造性を低下させる可能性のある不要な不純物の混入を避けることが不可欠です。ブライトアロイズは、アルミニウム合金の製造に適したシリコン金属グレードを幅広く取り揃えています。
- グレード97シリコンメタル （ケイ素含有量97%以上）— 最高純度が要求されない汎用アルミニウム鋳造合金向けの経済的な選択肢
- グレード331シリコンメタル （ケイ素99.3%）—ほとんどのアルミニウム・シリコン鋳造合金の標準グレードで、純度とコストのバランスが取れている。
- グレード441シリコンメタル （ケイ素99.1%、鉄、アルミニウム、カルシウム低含有）— 一貫した化学組成と鉄含有量の低減が求められる高級鋳造品に最適
- グレード553シリコンメタル （ケイ素98.5%）— 標準的な鋳造合金として広く使用されており、量産において優れたコストパフォーマンスを発揮します。
- グレード1101シリコンメタル （ケイ素99.7%、超低不純物）— 最高の純度と均一性が求められる航空宇宙および高性能鋳造品向け
シリコン金属のグレードの選択は、最終的な合金の不純物レベル、特に鉄、カルシウム、アルミニウムのレベルに直接影響を与え、それが鋳造流動性、陽極酸化反応、および機械的特性に影響を与える。
Al-Si相図：亜共晶、共晶、および過共晶
アルミニウム-シリコン相図は、これらの合金を理解するための基礎となる。重要な特徴は、 共晶点はシリコン含有量12.6%、温度577℃.
亜共晶合金（ケイ素含有量12.6%未満）
例： A356 (7% Si)、A357 (7% Si)、A319 (6% Si)、A356.2 (7% Si)
微細構造： 一次アルミニウムデンドライト＋デンドライト間領域のAl-Si共晶
特徴： 優れた延性、強度と伸びの絶妙なバランスを備え、耐圧性と優れた疲労特性が求められる構造用鋳造品に広く用いられています。針状のシリコン片を繊維状に変化させ、延性を2～3倍向上させるために、ストロンチウムまたはナトリウムによる改質が一般的に行われています。
共晶合金（ケイ素含有量12.6%）
例： A413（ケイ素含有量12%）、LM6（ケイ素含有量12%）
微細構造： 完全共晶組成 ― アルミニウムとシリコンの微細な混合物
特徴： 最高の流動性、最小限の収縮、優れた気密性、良好な耐食性。すべてのAl-Si合金の中で最高の鋳造性。適度な強度と延性（改質により向上）。複雑な薄肉鋳造品、油圧部品、複雑なダイカストに最適です。
過共晶合金（ケイ素含有量12.6%以上）
例： A390 (17% Si)、A390.1 (17-18% Si)、A391 (19% Si)
微細構造： 一次シリコン結晶＋Al-Si共晶
特徴： 非常に低い熱膨張率（17～19 ppm/℃）、優れた耐摩耗性、高硬度、良好な高温強度。一次シリコン粒子は、硬質の耐摩耗相として機能します。一次シリコンを精製するには、特殊な処理（リン接種）が必要です。機械加工が難しく（ダイヤモンド工具が必要）、エンジンブロック、ピストン、シリンダーライナー、耐摩耗部品などに使用されます。
鋳造性能への影響
流動性（溶融金属の流れ）
シリコン含有量が増加するにつれて流動性は共晶点まで上昇し、その後低下します。シリコン含有量が0%のアルミニウムは流動性が低く、7%（A356）では純アルミニウムに比べて約50%向上します。12%（A413）では流動性が最大となり、純アルミニウムの約100%向上します。そのため、薄肉ダイカスト（断面1～2mm）には通常、共晶点に近い合金が使用されます。
高温割れ（裂け）感受性
高温割れは、凝固中の金属が収縮応力に対応できない場合に発生します。共晶合金は凝固温度範囲が狭いため（約5℃のみ）、高温割れは最小限に抑えられます。ケイ素含有量が5～9%の亜共晶合金は、中程度の高温割れ感受性を示します。ケイ素含有量が3%未満の合金（例：2xxx系）は高温割れ感受性が非常に高く、砂型鋳造や永久鋳型鋳造にはほとんど使用されません。
収縮と給餌
シリコン含有量が増加するにつれて、凝固収縮率は低下します。純アルミニウム：体積収縮率約6.6%。A356（シリコン含有量7%）：収縮率約4.5%。A413（シリコン含有量12%）：収縮率約3.8%。A390（シリコン含有量17%）：収縮率約3.0%。収縮率が低いほど、ライザーが小さくなり、歩留まりが向上し、気孔率が低下します。
物理的および機械的特性への影響
| 財産 | 低Si（5%未満） | 中程度のケイ素（5～9％） | 高Si含有量（12～18％） | 実践的な意味 |
|---|---|---|---|---|
| 引張強度（鋳造状態） | 低圧（約120～150MPa） | 良好（約180～240MPa） | 中程度（約150～200MPa） | 亜共晶組織は熱処理後に最高の強度を発揮する（A356-T6：引張強度310MPa） |
| 伸び（延性） | 高（約10～15％） | 良好（約5～12％） | 低い（約1～3％） | Si含有量の増加は延性を低下させるが、改質によって亜共晶合金の延性がいくらか回復する。 |
| 硬度（ブリネル硬度） | 低（約30～40HB） | 中程度（約60～90HB） | 高（約100～150HB） | 過共晶合金は耐摩耗用途に優れている |
| 密度（g/cm³） | 2.70-2.71 | 2.67-2.69 | 2.62-2.66 | 共晶合金（高純度合金を使用）による重量削減率1～3％ 441年生 または 553 シリコン金属 （これらの密度向上効果を実現しながら、不純物レベルを低く抑えるのに役立ちます） |
| 熱膨張係数（10⁻⁶/℃） | 23-24 | 21-22 | 17-19 | 高ケイ素は熱膨張を抑制する。ピストンや精密部品にとって極めて重要である。 |
| 熱伝導率（W/m・K） | 約200 | 約150～170 | 約120～140 | Si値が高いほど導電率が低くなる ― ほとんどの鋳造品には許容範囲内だが、熱交換器には注意が必要 |
シリコンの形態：鋳造状態と改質状態の比較
シリコン粒子の形状は、機械的特性に劇的な影響を与える。未改質の亜共晶合金では、シリコンは粗大な針状の薄片を形成し、これが応力集中点として作用するため、延性は2～4％の伸びに制限される。
修正 (0.005～0.03%のSrまたはNa添加)により、針状シリコンが微細な繊維状形態に変化します。結果：伸びは3%から10～12%に増加します(A356)。引張強度は15～25%増加します。疲労寿命は2～5倍向上します。破壊靭性は2倍になります。このため、現代の鋳造工場では、ほぼすべての亜共晶Al-Si鋳造合金が改質されています。改質の有効性は、シリコン源の純度に部分的に依存します。高純度シリコンは、 グレード1101シリコンメタル （99.7% Si）は、改質反応を阻害する可能性のある不純物を最小限に抑えます。
一般的なアルミニウム・シリコン鋳造合金
| 合金 | Si (%) | タイプ | 代表的な用途 | 主要プロパティ |
|---|---|---|---|---|
| A356 / A356.2 | 6.5～7.5％ | 亜共晶 | 自動車用ホイール、サスペンション部品、構造用鋳造品、航空宇宙用継手 | T6熱処理後、優れた強度対重量比（引張強度310MPa、伸び10%）。最高の汎用鋳造合金。Srによる改質が必要。 441年生 または 331 シリコン金属. |
| A357 | 6.5～7.5％ | 亜共晶 | 航空宇宙用鋳造品、高性能自動車部品、軍事部品 | 熱処理後の強度を高めるためにマグネシウム含有量を高くしたA356（0.5～0.7％）（引張強度345MPa）。プレミアム合金。高純度が必要。 グレード1101シリコンメタル 航空宇宙認証用。 |
| A319 | 5.5～6.5％ | 亜共晶 | エンジンシリンダーヘッド、インテークマニホールド、トランスミッションケース、ポンプ | 高温強度に優れ、耐圧性、加工性にも優れています。強度を高めるために銅（3～4％）を含有しています。 |
| A380 | 7.5～9.5％ | 亜共晶（準共晶） | ダイカスト製品 ― 電子機器筐体、電動工具本体、自動車用ブラケット、家電部品 | 最高のダイカスト合金：優れた流動性、良好な強度、良好な耐食性。アルミニウムダイカストの80％はA380合金です。 |
| A413 | 11～13％ | 共晶／準共晶 | 薄肉ダイカスト、油圧部品、複雑な形状、耐圧鋳造品 | 最高の流動性、優れた気密性、最小限の収縮。A356より強度は低いが、鋳造性に優れている。 |
| A390 | 16～18％ | 過共晶 | エンジンブロック（一部）、ピストン、シリンダーライナー、コンプレッサー部品、摩耗リング | 非常に高い耐摩耗性、低い熱膨張率、高い硬度。特別な取り扱いが必要（リン接種、ダイヤモンド工具加工）。高純度 97年生 または 553 シリコン金属 これは、これらの高ケイ素合金に一般的に使用されます。 |
シリコンが二次加工に及ぼす影響
熱処理性
亜共晶合金（A356、A357）は、T5、T6、T7の熱処理に優れた反応を示します。固溶化処理によりMg₂Si析出物が溶解し、その後時効処理によって微細な強化析出物が形成されます。共晶合金（A413）は、熱処理に対する反応が最小限です（Mgを含まないため）。過共晶合金は、通常、鋳造状態（T1）または限定的な時効処理を施した状態で使用されます。
被削性
低Si（<5%）：粘着性があり、切削屑の形成が悪く、構成刃先が生じる。中程度のSi（5～9%）：適切な工具を使用すれば良好な被削性が得られる。高Si（12～18%）：研磨性があり、超硬工具またはダイヤモンド工具が必要となるが、優れた表面仕上げが得られる。過共晶合金（A390）は最も研磨性の高いアルミニウム合金の一つであるが、鏡面仕上げにすることができる。シリコン金属中の鉄含有量（低Si）は、 441年生 そして 331）は、機械加工中の工具寿命に大きな影響を与える。
溶接性
シリコン含有量の増加に伴い、溶接性は低下します。A356/A357は良好な溶接性（GTAW、GMAW）を有します。A380/A413はシリコンと銅の含有量が高いため溶接性が悪く、構造溶接には推奨されません。
実用的な合金選定ガイド
この意思決定フレームワークを使用して、用途に最適なAl-Si鋳造合金を選択してください。
- 熱処理後に最大限の延性と強度が必要ですか？ → A356またはA357（ケイ素含有量6.5～7.5%）にT6熱処理を施したもの。 441年生 または 331 シリコン金属 最適な結果を得るために。
- 複雑な形状で薄肉のダイカスト加工品で、鋳造時の特性が良好なものが必要ですか？ → 一般的なダイカストにはA380（ケイ素含有量8～9％）、極薄肉にはA413（ケイ素含有量11～13％）を使用する。 グレード553シリコンメタル 標準的な選択肢です。
- 耐摩耗性と低熱膨張性が必要ですか？ → A390（ケイ素含有量16～18％）過共晶。 グレード97シリコンメタル これらの高ケイ素合金向けに、経済的なケイ素源を提供する。
- 高温耐性が必要ですか（エンジン用途など）？ → A319 (5.5-6.5% Si) Cu 添加
- 油圧部品に耐圧性が必要ですか？ → A413（共晶）またはA356（慎重な供給）
- 最高純度の航空宇宙グレード認証が必要ですか？ → A357 グレード1101シリコンメタル （ケイ素99.7%、超低不純物）
事例：自動車用ホイール合金の選定
鋳造アルミニウム製自動車ホイールのメーカーは、A380（Si含有量9%）、A356（Si含有量7%）、A413（Si含有量12%）の3種類の候補合金を評価した。要求事項は、安全性を確保するための高強度、耐衝撃性を確保するための良好な延性、外観を向上させるための優れた表面仕上げ、および細いスポーク（断面5mm）を鋳造できる能力であった。結果：A380は鋳造性は良好であったが、延性は限られており（伸び率3～5%）、熱処理に対する反応も悪かった。A413は鋳造性は優れていたが、強度は低かった（引張強度200MPa）。Sr添加とT6熱処理を施したA356は、引張強度310MPa、伸び率10%、適切なゲート処理による許容範囲内の鋳造性を示した。鋳造工場は、 グレード441シリコンメタル 鉄含有量が常に低く、延性と陽極酸化処理の一貫性が向上していることから、A356が選定されました。これは、鋳造性が最も優れている材料が必ずしも選ばれるとは限らないことを示しています。選定の決め手となるのは特性要件であり、シリコン金属の品質がそれらの特性を直接的に実現するのです。
シリコン含有量は、アルミニウム鋳造合金の設計において最も重要な変数です。構造鋳造用の亜共晶A356から、薄肉ダイカスト用の共晶A413、耐摩耗部品用の過共晶A390まで、シリコンは流動性、熱間割れ抵抗、収縮、機械的特性、および二次加工挙動を制御します。Al-Si相図と、異なるシリコンレベルに関連するトレードオフを理解することで、鋳造工場と鋳造品購入者は、鋳造性、コスト、および最終部品の性能のバランスを取りながら、各用途に最適な合金を選択できます。すべての高品質アルミニウムシリコン鋳造の基礎は、高純度シリコン金属です。Bright Alloysは、 シリコン金属グレード — 97年生, 331, 441, 553、 そして 1101 ―世界中のアルミニウム鋳造工場の厳しい要求を満たす、認証済みの化学組成を採用しています。