第1章

アルミニウムの基礎

軽金属材料は省エネルギー、省資源の観点から社会的重要性が高まり、自動車や建築関係、さらに高速輸送用車両や航空・宇宙分野に欠かせない材料となっている。軽金属材料の中でも、とりわけ、アルミニウムは資源的にも恵まれ、成形加工性や鋳造性にも優れることから、用途が拡大している。本章では、アルミニウ
ムの材料技術について、「製造プロセス」、「微細組織」、「材料特性」の 3 つの柱からアルミニウムの特徴を知ることの重要性を述べる。また、わが国ならびに世界的な需要や適用分野の動向について、最新のデータを紹介する。材料特性に関連してはアルミニウムの物理的性質、化学的性質ならびに力学的性質を述べるとともに、アルミニウム合金全体を把握するための合金分類や材質制御（調質）について基礎事項を述べる。

1.1
アルミニウムの発展

金属材料は紀元前より深く人類の生活に関わり、様々な日用品や装飾品、武具などに活用されてきた。特に銅や鉄は古い歴史をもち、様々な技術的発展を経て現在も広く人類社会を支えている。一方、科学の発展に伴い、様々な金属が発見され、周期表には 80 種類以上もの金属元素の存在が示されている。これらの多くは新たな金属材料として現代の科学技術を支えている。
中でも、近年の省資源・省エネルギーに対する大きなニーズから、軽い金属材料の活用が社会から広く求められるようになってきた。金属元素を密度（比重）の観点から並べると、表 1.1 に示すようになる（表 1.1 には半金属
代表的金属元素の密度（ただし、Si と B を含む）

表 1.1

元素Li8

密度（g/cm3）
0.534

Mg

1.738

Be

1.8477Si

2.3296B

2.34Al2.6988

Ti

4.54

Zn

7.134

Cr

7.19Mn

7.44

Fe

7.874

Cu8.96

Ni

8.902

Ag

10.450Pb11.35

Au19.32

第1章

アルミニウムの基礎とよばれるホウ素（B）やケイ素（Si）も含めている）。鉄や銅に比べて、アルミニウムは密度がそれらの約 1/3 と極めて軽い。表 1.1 において、チタン（密度 4.54 g/cm3）を含め、これよりも密度の小さい金属を軽金属とよび、また、これらの合金を軽合金とよんでいる。軽金属の中で、特に工業用材料として広く使われているものはアルミニウム（Al）、マグネシウム（Mg）およびチタン（Ti）であり、また、最近はリチウムイオン電池の素材としてリチウム（Li）が使われている。本書では、アルミニウムをもっとも代表的で有用な工業用軽金属材料として捉え、アルミニウムおよびアルミニウム合金について、各種物性、基礎現象、さらに工業材料としての特徴や応用について紹介する。アルミニウム合金を構成する有用な合金元素には種々のものがあるが、代表的な元素として Cu、Mg、Si、Zn、Cr、Mn、Ti などがある。
これらの合金元素を活用し、アルミニウム合金は重要な工業材料として広く

ミクロ組織
ナノ組織
合金組成
結晶方位（EBSD）（光学顕微鏡、SEM、TEM、EBSD、３ＤＡＰ、XRD…）アルミニウムの微細組織

アルミニウムの微細組織と材料技術

アルミニウムの製造プロセス

アルミニウムの材料特性

鋳造・凝固：
展伸材（DC鋳造）
鋳物・ダイカスト
加工・成形：熱間・冷間・曲げ
熱処理：均質化・焼なまし・時効

力学的性質
成形性
物理的性質
化学的性質
高温・室温・極低温

図 1.1

本書の構成図。3 つの柱を主体に構成し、アルミニウムの微細組織と材料技術について述べる。
9

活用されている。
本書では、多岐にわたるアルミニウムおよびアルミニウム合金材料の基礎と実際とを理解するために、「アルミニウムの製造プロセス」、「アルミニウムの微細組織」、「アルミニウムの材料特性」の 3 つの観点から説明する。これらの構成図を図 1.1 に示す。すなわち、「アルミニウムの製造プロセス」
では、鋳造・凝固、加工・成形、熱処理など製造プロセスに関わる事項を、「アルミニウムの微細組織」ではミクロ組織、ナノ組織、結晶学に関わる事項を、また、「アルミニウムの材料特性」では、物理的性質、化学的性質、力学的性質などに関わる事項を主に記述している。

1.2
アルミニウムとはアルミニウムは鉄や銅に比べると、歴史的にきわめて若い金属である。
みょう ばん せき

1782 年にフランスの化学者ラボワジェが 明 礬石にアルミーネの名称を与え、1807 年にイギリスのデービーが初めて金属アルミニウムの存在を確認した。
工業的にアルミニウムが製造され始めたのは 1886 年であり、今から 130 年ほど前にすぎない。1886 年にアメリカのホールとフランスのエルーが独自に現在の電解製錬法（ホール・エルー法）を発明した。それ以降、多くの技術が登場し、アルミニウム生産は急速に伸びた。中でも、アルミニウム合金の高強度化にジュラルミンの発明は大きく貢献した。わが国でも陽極酸化処理（アルマイト）の発明ならびに超々ジュラルミン（ESD 合金）の開発などが行われアルミニウムの発展に大きく貢献している。
アルミニウム合金材料は様々なニーズに合致し、広く活用されている。特に、構造材料として考えると、自動車用、高速鉄道車両用、航空宇宙用などに極めて有用である。例えば、自動車の場合には、軽量化により燃費効率が増大する。図 1.2 に自動車重量の燃費効率に及ぼす軽量化の効果を示す。重量を 10％軽くすると、約 10％の燃費効率が増大する。また、排出ガスを減10第1章

燃費（km/L）
40.0

ガソリン乗用車

アルミニウムの基礎

車両重量別燃費（10・15モード）
MT車
AT車
CVT車
ハイブリッド車
2010年度基準値

35.0
30.0
25.0
20.0
15.0
10.0
5.00.0500

7501000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750
車両重量（kg）

図 1.2

排出量（g CO2/km）
550

車両重量と燃費の関係（国土交通省）
乗用車

車両重量別CO2排出量（10・15モード）

ガソリンMT車
ガソリンAT車
ガソリンCVT車
ガソリンハイブリッド車
ディーゼル車
LPG車

500
450
400
350
300
250
200
150
100500500

図 1.3

750

1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750
車両重量（kg）

乗用車車両別の車両重量と CO2 排出量の関係（国土交通省）

らす上でも効果が大きい（図 1.3）
。このため、オールアルミニウム車とよばれる自動車が最近増えており、今後さらに増えることが予測されている。
また、高速鉄道車両に関しても最新の新幹線には多くのアルミニウム合金が使われ、高速運転性、騒音低減、省エネルギーに貢献している。さらに、航11109
鉄鋼108

プラスチックス
アルミニウム生産量/ton

アルミニウム銅

マグネシウム107

銅106
マグネシウム

チタン
105

104
1900

1950

2000

西暦年
図 1.4

アルミニウム、マグネシウム、銅、鉄鋼およびプラスチックスの世界の生産量の推移1）

空宇宙用材料としても大きな期待が寄せられており、最近の国産ジェット旅
客機 MRJ や宇宙ロケット H ⅡA などにも多くのアルミニウム合金が使用されている。このようにアルミニウム合金材料は様々な社会のニーズに応え、活用されている。
図 1.4 に鉄鋼、銅、アルミニウム、マグネシウムおよびプラスチックスの世界での生産量の推移を示す1）。アルミニウムとマグネシウムは概ね 20 世紀になって登場し、発展した材料である。特に、近年は中国の急速な工業的、経済的発展に伴い、軽合金材料の生産ならびに需要が大きく伸びている。
アルミニウムの場合、ほとんどの国において、5 つの主要分野に使われている。すなわち、建築・土木、包装・容器、輸送、電気機器、機械部品である。自動車については欧米をはじめとして使用が順調に増大している。アメリカでは 1970 年代、8 kg/1 台（1971 年）が 2000 年代には 130 kg/1 台（200412