アルミニウム-シリコン合金

アルミニウム-シリコン合金、またはSiluminは、アルミニウム-シリコン系（AlSi）をベースとした軽量高強度アルミニウム合金の総称であり、シリコンが量的に最も重要な合金元素として含まれています。純粋なAlSi合金は硬化できませんが、一般的に使用されているAlSiCu（銅を含む）およびAlSiMg （マグネシウムを含む）合金は硬化可能です。硬化メカニズムはAlCuおよびAlMgSiと同様です。

AlSi合金は、アルミニウム鋳造材料の中で最も重要なものです。あらゆる鋳造プロセスに適しており、優れた鋳造特性を備えています。主な用途分野は、エンジンブロックやピストンなどの自動車部品です。さらに、電気自動車における高エネルギー蓄熱材としての機能性材料としての利用にも、現在注目が集まっています。

アルミニウム-シリコン合金は通常、3%から25%のシリコン含有量を含んでいます。^{[ 1 ]}アルミニウム-シリコン合金の主な用途は鋳造ですが、急速凝固プロセスや粉末冶金にも利用できます。鋳造ではなく粉末冶金で使用される合金は、最大50%のシリコンを含む場合があります。^{[ 1 ]}シルミンは耐食性が高く、湿潤環境で役立ちます。

アルミニウムにシリコンを添加すると、液体状態での粘度が低下し、低コスト（両方の構成元素が比較的安価に抽出できるため）と相まって、非常に優れた鋳造合金となる。^{[ 2 ]}鋳造性に優れたシルミンは、鋳造がより困難な潜在的に強度のある合金よりも、より強度のある最終鋳造品が得られる可能性がある。^{[ 1 ]}

すべてのアルミニウム合金には鉄が添加物として含まれています。鉄は強度と破断伸びを低下させるため、一般的には好ましくありません。鉄はAlとSiとともに、${\displaystyle \beta }$α相AlFeSiは、微細な針状の形で組織中に存在する。しかし、鉄はダイカストにおいて鋳物が金型に付着するのを防ぐ役割も果たすため、特殊なダイカスト合金には少量の鉄が含まれる一方、他の合金では鉄は可能な限り避けられる。

マンガンは付着性を低減する効果もあるが、鉄ほど機械的特性に影響を与えない。マンガンは他の元素と共存し、球状（丸い）結晶粒を形成する。

銅は、少なくとも添加剤として、ほとんどすべての工業用合金に含まれています。銅の含有量が0.05%を超えると、耐食性が低下します。約1%の銅を添加することで、固溶強化による強度向上を図ります。これにより、被削性も向上します。AlSiCu合金の場合、銅の含有量をさらに増やすことで、材料の硬化が可能になります（アルミニウム-銅合金を参照）。

マグネシウムはシリコンとともにMg ₂ Si（ケイ化マグネシウム）相を形成し、これがアルミニウム-マグネシウム-シリコン合金（AlMgSi）と同様に焼入れ性の基礎となる。これらの合金ではマグネシウムが過剰であるため、構造はアルミニウムとマグネシウムの混合結晶とMg ₂ Siから構成される。一方、AlSiMg合金ではシリコンが過剰であり、構造はアルミニウムとシリコンの混合結晶とMg ₂ Siから構成される。^{[ 3 ]}

シリコン粉末は、アルミニウム-シリコン合金の強度と鋳造性を向上させ、高応力条件下での耐久性を高めるために使用されます。^{[ 4 ]}また、溶融アルミニウムの流動性を向上させ、欠陥の少ない複雑な形状の鋳造を容易にします。^{[ 5 ]}

少量のチタンとホウ素を添加することで結晶粒を微細化する。^{[ 6 ]}

アルミニウムはシリコンと共晶を形成し、その融点は577℃で、シリコン含有量は12.5% ^{[ 7 ]または12.6% [ 8 ]}である。この温度では、アルミニウムに最大1.65%のシリコンが溶解する。しかし、溶解度は温度とともに急速に低下する。500℃ではまだ0.8% Si、400℃で0.3% Si、250℃ではわずか0.05% Siである。室温では、シリコンは実質的に不溶である。アルミニウムは、高温でもシリコンに全く溶解しない。溶融状態でのみ、両方とも完全に溶解する。固溶強化による強度の増加は無視できる。^{[ 7 ]}

純粋なAlSi合金は一次アルミニウムから製錬されるが、他の元素を含むAlSi合金は通常二次アルミニウムから製錬される。純粋なAlSi合金は中程度の強度を持ち、硬化はできないが、塩水環境でも耐食性がある。^{[ 9 ]}

合金の組成が共晶点より上、近く、または下かによって、その特性は大きく異なります。鋳造性はSi含有量の増加とともに向上し、約17%Siで最適となります。機械的特性は6%～12%Siで最適となります。

• 金型充填能力はケイ素含有量12%で最大となるが、他の含有量でも良好な性能を示す。
• 空洞形成傾向はケイ素含有量が6～8％の場合に最も低く、全体的に低いと考えられている。
• ケイ素含有量が6%未満の場合、高温割れを起こしにくい。

一方、AlSi合金は一般的に鋳造特性が良好で、収縮率はわずか1.25%で、肉厚の影響も小さい。^{[ 10 ]}

シリコン含有量が16～19%の過共晶合金（ Alusilなど）は、ピストン、シリンダーライナー、内燃機関ブロックなどの高摩耗用途に使用できます。鋳造後に金属をエッチングすると、硬くて耐摩耗性に優れたシリコン析出物が露出します。表面の残りの部分はわずかに多孔質になり、オイルを保持します。全体として、これにより優れたベアリング面が得られ、従来の青銅製ベアリングブッシュよりも低コストになります。^{[ 11 ]}

マグネシウムを少量添加した AlSiMg 合金 (Mg 含有量が 0.3 ～ 0.6% 未満) は、冷間および温間の両方で硬化させることができます。マグネシウムの割合は、シリコン含有量の増加とともに減少し、シリコン含有量は 5% Si ～ 10% Si の間です。これらはAlMgSi合金に関連しています。どちらも、微細な粒子の形で材料中に存在するケイ化マグネシウムMg ₂ Si が析出するという事実に基づいています。これにより強度が増します。さらに、マグネシウムは破断伸びを増加させます。硬化も可能な AlSiCu とは対照的に、これらの合金は耐食性があり、鋳造が容易です。ただし、一部の AlSiMg 合金には銅が不純物として含まれており、耐食性が低下します。これは特に二次アルミニウムから溶融された材料に当てはまります。^{[ 18 ] [ 19 ]}

AlSiCu合金も熱硬化が可能で、さらに高強度ですが、腐食しやすく、鋳造性は劣りますが、それでも十分です。二次アルミニウムから精錬されることが多いです。硬化はAlCu合金と同じメカニズムに基づいています。銅の含有量は1%から4%、シリコンの含有量は4%から10%です。少量のマグネシウムを添加すると強度が向上します。^{[ 20 ] [ 21 ]}

すべてのデータは質量パーセントで示されています。残りはアルミニウムです。

鍛造合金^{[ 22 ]}

鋳造合金^{[ 23 ]}

4000系はシリコンを添加した合金です。鋳造を目的としたアルミニウム-シリコン合金の変種（そのため4000系には含まれません）は、シルミンとも呼ばれます。

アルミニウム協会の数値指定システムでは、Siluminは2つのシステムの合金に対応します。3xxxはマグネシウムおよび/または銅も含むアルミニウム-シリコン合金、4xx.xは二元アルミニウム-シリコン合金です。銅は強度を高めますが、耐食性を低下させます。^{[ 1 ]}

一般的に、AlSi合金は主に鋳造工場、特に車両製造で使用されます。鍛造合金は非常にまれです。これらは、溶加材（溶接ワイヤ）またはろう付けのろうとして使用されます。場合によっては、航空機用に鍛造AlSiピストンも製造されます。^{[ 25 ]}

AlSi共晶鋳造合金は、機械部品、シリンダーヘッド、シリンダークランクケース、インペラ、リブ付きボディに使用されます。過共晶（高シリコン）合金は、熱膨張率が低く、強度と耐摩耗性が高いため、エンジン部品に使用されます。これには、約25%のSiを含む特殊ピストン合金も含まれます。^{[ 26 ]}

マグネシウムを添加した合金（AlSiMg）は、熱処理によって硬化させることができます。その優れた強度、耐食性、破断伸びから、低圧鋳造で製造されるホイールリムが使用例の一つです。約10% Siの合金は、シリンダーヘッド、スイッチハウジング、インテークマニホールド、変圧器タンク、ホイールサスペンション、オイルパンに使用されます。5%～7% Siの合金は、シャーシ部品やホイールに使用されます。9%のレベルでは、構造部品やボディノードに適しています。^{[ 27 ]}

銅を含むAlSiCu合金は、耐熱性と焼入れ性の高さから、ギアハウジング、クランクケース、シリンダーヘッドなどに使用されている。^{[ 28 ]}

ほぼ共晶のAlSi溶融物も溶融アルミニウムめっきに使用されます。連続ストリップ亜鉛めっきプロセスでは、鋼帯は厚さ10～25μmの耐熱金属コーティングで仕上げられます。溶融アルミニウムめっき鋼板は、熱応力を受ける部品用の安価な材料です。亜鉛めっきとは異なり、このコーティングは大気条件下で陰極防食を提供しません。^{[ 29 ]}

• 高い鋳造性、流動性、耐食性、延性、および低密度。
• 大型鋳造品に使用可能で、重負荷条件下での運転にも対応できます。
• 熱処理不可能な合金と考えられているが、MgとCuを添加することで熱処理が可能になる場合がある（例：AΠ4合金）。
• 溶解処理によって強化され、例えば鋳造直前に溶融物に0.01%のナトリウム^{[ 31 ]} （フッ化ナトリウム[NaF]と塩化ナトリウム[NaCl]の形で）を添加する^{[ 32 ] 。}
• 欠点としては、鋳造物に気泡が生じやすいこと、つまり鋳造物が泡状になる傾向があることが挙げられる。これは、オートクレーブ内で加圧鋳造を行うことで回避できる。

• Robles Hernandez, Francisco C.; Herrera Ramírez, Jose Martin; Mackay, Robert (2017). Al–Si Alloys . Cham: Springer International Publishing. Bibcode : 2017asa..book.....R . doi : 10.1007/978-3-319-58380-8 . ISBN 978-3-319-58379-2。