アルミニウムの基礎
ものづくり基礎講座（第30回技術セミナー）『金属の魅力をみなおそう 第四回 アルミニウム』

東北大学金属材料研究所
正橋直哉
masahasi@imr.tohoku.ac.jp
2012. July 26 14:00~16:00

クリエイション・コア東大阪 南館3階 技術交流室A1

アルミニウムとは

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第四回 アルミニウム』
2012. July.26 14:00~16:00 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

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アルミニウムの特徴

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原子量：26.98
密 度：2.70g/cm3→ 鉄の35%

融 点：660.3℃→ 鉄より 875℃ 低いクラーク数：3 (7.56%)→ 鉄の1.6倍結晶構造：面心立方格子 (FCC)
ウイキペデイより

熱伝導率：237 W·(m·K)-1 → 鉄の2.8倍、銅の0.6倍
電気抵抗率：28.2 nΩ·m → 鉄の3.6倍、銅の0.6倍
ヤング率：70GPa→ 鉄の1/3

特徴：① 酸やアルカリに侵されやすいが、空気中では表面Al2O3膜により、内部は保護される。
② 金属の中でも軽量物質で、加工性に優れる。

アルミニウムの名前の由来

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ミョウバン（K2Al6(OH)12(SO4)4）は “alumen” と称するが、その製法は天然石 “alunite”（アルナイト、
KAl3(SO4)2(OH)6）を仮焼後、大気中に放置し硫酸か熱水で浸出して結晶化させて製造する。

アルナイト
KAl3(SO4)2(OH)6アルメン
KAl(SO4)2·12H2OLouis-Bernard
Guyton de Morveau(1737-1816)

Humphry Davy(1778-1829)

1761年モルボ－が“alumen”の基本物質を“alumine”（アリュミーヌ）と命名し、1787年ラボアジェが“alumine” は未知の金属の酸化物と提唱。1807年にデーヴィーが、“alumen”からアルミニウム酸化物を分離し “alumium” （アルミアム）と命名。この物質は光沢があり、ラテン語の「光るもの」 “a lumine”（アルミン） に因み “aluminum” （アルミナム）と命名。米国化学会はこの名称を使用するが、ドービルは元の言語 “alumen” に近い “aluminium” （アルミニウム）と命名しこの用語が米国以外で使用される。

ボーキサイト埋蔵量・生産量

単位：106ton

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単位：103ton
国別のボーキサイトの埋蔵量（左）と生産割合（右）（経済産業省製造産業局非鉄金属課委託調査より）① 埋蔵量はギニア、豪州、ベトナム、ジャマイカ、ブラジルの5 ヶ国72.6％を占有。
② 生産量は豪州、ブラジル、中国、ギニア、インドの順で5 ヶ国70.8％を占有。

アルミニウムの精錬

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ボーキサイト：
成分：40～60%Al2O3 + SiO2 + TiO2 + Fe oxide
発見：ピエール・ベルチェが1821年にレ・ボー(Baux)・ド・プロヴァンスで発見。

Les Baux-de-Provence①Al2O3 を精錬する（バイヤー法）(a) 175℃でNaOHを加えNaAl(OH)4とする

Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2NaAl(OH)4(b) 冷却後にAl(OH)3 を析出させる

NaAl(OH)4 → Al(OH)3 + NaOH(c) 980℃加熱により脱水させる

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O②Alを精錬する（ホールエルー法）(a) 氷晶石とフッ化ナトリウムを1000℃で融解(b) 上記のAl2O3 を添加し、炭素電極で電気分解(c) Alは融けて陰極に溜まり、Oは最終的にCOとなる

Al2O3 + 3C → 2Al + 3 CO

アルミニウム缶の回収

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Al缶の引き取り価格：95円/kg（スチール缶は10円/kg）
15g/350ml･本より、1kgは67缶で95円。家庭用ポリ袋45lにはAl缶が2kg入るので190円。それを荷台に2袋、左右に1袋、前に1袋の合計5袋（333缶、10kg）を運んで、950円になる。これはプレスの場合でバラは81円/kgで810円にととまる。

2011年のAL缶188億本のうち173億本が回収され、リサイクル率は92.5%

アルミニウムの導電性

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① CuはAlの61%の電気伝導率だが、密度が3.3倍のため、同じ重さの線材ではAlが約1.8倍太くできる。電気抵抗は断面積に反比例するので1/2となる。
② 軽くて電気抵抗の低いAl電線を使用することで、高圧送電線の場合、鉄塔の負担と敷設費用を減らすことができる。（強度を保つのに必要な程度の鋼ワイヤーを芯とする）③ 電流を流すと抵抗熱が発生するが、熱放散を良くして温度上昇を抑制するために、裸線で使用する。Alは薄い酸化層で覆われるが、電圧印加で絶縁破壊する。
アルミニウム線

亜鉛メッキ
鋼線

=28.5mm

鋼心アルミより線

自動車用Al合金線材における特性比較
http://www.furukawa.co.jp/museum/floor3/03/23.htm

アルミニウム合金展伸材

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JIS規格

合金

特徴

1000系

Al

展延性、溶接性、耐食性

低強度用

2000系

Al-Cu(-Mg)

強度、切削性Cu:析出硬化（ジュラルミン）

3000系

Al-Mn(-Mg)

高強度、耐食性、成形性

Mn：再結晶温度を増加

4000系

Al-Si(-Cu-Mg-Ni) 耐摩耗性、耐熱性

材料科学的な意味

Si：熱膨張率低減、耐熱性向上

5000系

Al-Mg

成形性、溶接性、耐塩性

Mg:固溶強化

6000系

Al-Mg-Si

強度、耐食性

Mg2Si:析出硬化

7000系

Al-Zn-Mg(-Cu)

強度

MgZn2,Mg32(Al,Zn)49:析出硬化

ABCD-XY
合金

種別

X=Hの時、Y=1n：加工硬化のみ、2n：加工硬化後軟化熱処理、3n：加工硬化後安定化処理
X=Tの時、Y=2：寸法安定化熱処理、3:溶体化後冷間加工、4:溶体化後自然時効、
5:急冷後時効、6:溶体化後時効、7:溶体化後安定化、8:溶体化後冷間加工・時効
F：製造まま、O：焼鈍し材、H:加工硬化材、T：熱処理材（時効）

基本合金は0、改良合金の順に1～9（日本で開発され国際規格にないものはN）

アルミニウム合金の基本

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【強化の基本】 純Alは冷間加工で強化。Al合金は広い他の元素と固溶体を形成しないので、「固溶強化」は用いることができない。狭い固溶体の溶解度変化を利用し少量の第二相を微細析出し、「析出強化」により強化させる。

析出強化の基本 f  0    G  b /           (Orowanの式 ) : 粒子間距離、G : 剛性率、 : 結晶構造に依存する係数b : バーガースベクトル、 0: 摩擦応力
☞ 析出物の体積分率が小さくても、微細に分散させると材料は強くなる
軟らかい状態で機械加工を施し、完成品の形状としてから熱処理によって硬化析出における核生成と成長

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過飽和固溶体中に半径 r の相が析出すると系の自由エネルギー ΔF は、

ΔFv：単位体積あたりの自由エネルギー減少量
γ：単位面積当たりの析出物の界面張力
r0：臨界核半径☞ 核は r が大きくなるほどΔFが減少する

4r 2  自由エネルギー

4F  r 3  Fv  4r 2  3ｄ( F) 2
で極大を示す 0 r0 drFv

界面自由エネルギー

F0
半径rr04 3r  Fv
3ΔF 系の自由エネルギー

体積自由エネルギｰ

ので、安定に成長する
芽核

温度, T

溶体化処理温度

過冷度, ΔT

アルミニウム合金

D  D0  exp( 0過冷度, ΔT0r0
Fv
組成Q)
RT

過冷度, ΔT

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拡散速度, D
臨界核半径, r0

ΔFvが律速最大値
Dが組成反応速度（核発生頻度または析出速度）① の温度依存性は小さく、ΔFvは過冷度ΔTに比例しΔT=0で r0は∞となり核生成はない。
② 核の形成には原子拡散が必要で、温度の増加と共に指数関数的に増加する。

☞ 核の発生頻度や成長速度はある過冷度で極大となる

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時効熱処理700



660.2℃

温度, T

600
500L+

LL+

591℃

548℃

5.73352.5



+

400

+

300
200
Al X

53.5 53.9
102030405060Cu, at.%
① 組成Xの合金を赤線のように急冷するとα相の過飽和固溶体ができる（溶体化処理）。
② これを溶解度曲線以下の温度で保持すると安定状態になりθ相が析出する（時効）ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第四回 アルミニウム』
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Al-4Cu合金の微細析出物

1 原子層

’は転位で切断できず
Orowan型の硬化{100}1 nm120100

整合歪により転位運動への抵抗

硬度, HB80

’はに肥大化しその場析出する

’GP



部分整合

0.290

600.384 nm

厚み増加4010 nm整合0.404 nm

200.404 nm

100 nm
0.404 nm010-310-210-1

110102

1 m

103時間, hour
1 m

亜時効

過時効

不整合

微細析出物の組織

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Al-4Cu合金の350℃における’からへの遷移
日本金属学会 金属工学シリーズ 構成金属材料とその熱処理より’の高分解電子顕微鏡像
Acta Materialia 49(2001)3443

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復元
60

室温時効
50

硬度, HRB

180℃時効4030

復元（reversion）
GPゾーン消失

20260℃時効

180℃, 260℃時効
10焼入状態22 day255075100

高温時効時間, min① 析出粒子の大きさが再時効温度での臨界核の大きさよりも小さいために消滅。
② 再時効温度が各析出物の存在する溶解度曲線以上であるために消滅。

ジュラルミンの発見

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He knew that steel can be hardened if the right compositions
were cooled fast enough. So he mixed a very large number of
Al-alloys and quenched them at different rates. To his great
frustration many alloys became even softer the more rapidly
they were quenched. The saga of his discovery tells that Wilm
was a devoted researcher, but a man with other hobbies too.
He conducted many quenching experiments with Al–Cu-alloys
with small amounts of additional elements on a Saturdaymorning. The sun was shining and so he remembered his otherhobby, interrupted his work and went out sailing on the Havelriver for the whole weekend. On Monday morning, first
Alfred Wilm (1869–1937)

hardness measurements, then tensile tests were resumed of thequenched alloys. To his greatest astonishment, hardness had
increased considerably during the two days and so did thetensile properties.

from France-METALLURGIE

ジュラルミンの名前の由来

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Duralumin: Dur (able) (f.L.durus hard) + alumin(ium)① ラテン語で「硬い」という語の接頭語のdurとアルミニウムの合成語･････「Hard」説② Wilmの勤めるDürenner Metallwerke A.G.の名とアルミニウムに因む････「Düren」説
1902年にドイツ兵器弾薬会社から委託された問題は、真鍮製の薬莢に変わる軽金属薬莢の研究であった。なるほど、思い真鍮の薬莢に代わって、軽い軽合金薬莢が実現したら、兵隊はどれだけ楽になり、弾薬の輸送はどれだけ容易となるか計り知れない。・・・・
1909年にWilmとDürenner Metallwerkeの間でこの新製品に対する適当な商品名の相談があった。初め硬い（かつ粘り強い）性質に対してハルトアルミニウムの名が考えられた。しかし、国際市場を考慮して、ジュラルミンに落ち着いた。ジュルはフランス語の硬いの意味があるから、ジュラルミンはやはり硬いアルミニウムのことになる。しかもDürenner Metallwerkeというよりもその所在地Dürenが入っている目出度い名となった。
Dürenner Metallwerke A.G.社50年史（1935年）

アルミニウムの腐食反応
電極電位

e放出はアノード反応
e受取はカソード反応(a)

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Alアノード反応(b) Cuアノード反応

Cu  Cu 2  2e
Cuの平衡電位

Hカソード反応

Cu 2  2e  Cu

Cuカソード反応
Alカソード反応

腐食電位

Al3  3e  Al
Hカソード反応

Alの平衡電位H 2  2 H   2e

Al  Al 3  3e
交換電流 腐食速度
密度

反応速度

交換電流
密度

反応速度

アノード・カソード反応の反応速度と電極電位の関係：AlとH(a)、CuとH(b)① Alの平衡電位は水素の平衡電位より低い（卑という）ため、酸性溶液で溶解する。
② Cuの平衡電位は水素の平衡電位より高い（貴という）ため、酸性溶液で溶解しない。

アルミニウムの安定状態

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1.5

H2Oは不安定でO2に酸化される

(b)

0.5
0-0.5

Al2O3･3H2O

電極電位（V vs. SHE）

1.0

(a)

Al3+-1.0

O2  4 H   4e  2 H 2O, O2  2 H 2O  4e  4OH 

H2O安定領域

AlO2--1.5

H2Oは不安定でH2に還元される-2.0-2.5

H 2  2 H   2e, 2 H 2O  2e  H 2  2OH Al0246 8 10 12 14pHAlのpH-電位平衡図① pH-電位平衡図で (a) 線よりも卑なAlは、水が酸化剤となり金属を腐食しH2を発生。
② しかし、中性環境下ではAlはAl2O3･3H2Oとして安定であり腐食されることはない。

陽極酸化とは

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2012. July.26 14:00~16:00 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

希硫酸中で陽極電解すると、表面にバリアー層とセル状六角柱からなる多孔質酸化皮膜を生成する。
均一バリアー層生成後（a）、バリアー層の体積膨張により酸化層表面は凹凸になる（b）。凹部は電流密度が高く凸部は電流密度が小さくなり、凹部は電場の作用と溶解作用により細孔が発生し、細孔の一log i部分は孔成長を中断し他の孔より成長する（c）。その後、孔は深くなり一定孔数の細孔を形成する（d）。

abcdlog t
アルマイト皮膜の構造

J. Mechanics and Physics of Solids, 59 (2011) 251

バリアー層形成

酸化皮膜表面は凹凸

細孔の発生

細孔は深くなるアルミニウムと健康

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2012. July.26 14:00~16:00 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

1日のAl摂取量は12～14mgで99%は吸収されず、残りも腎臓を通って排泄される。体内には35～40mgのAlが存在し、肺や骨（わずかに血液、脳）に存在する。 但し、Al欠乏症はないと考えられている。

(1) アルツハイマー病死亡患者の脳病変部位にAlが蓄積。

(1) 食品摂取Alは12～14 mgで、

(2) Al濃度の高い飲料水の地域に発症リスクが高い。

脳グルコース代謝は10-15-10-(3) 長期間血液透析を行った患者に致命的なAl中毒によ

5M Alでも影響を受けない。

る神経症候群が現れる。

(2) Alを多く摂取する制酸薬と(4) 症例対照研究でアルツハイマー病患者はAlを多く含む

アルツハイマーのリスクは無関食品を摂取している。

係という5年間の追跡調査。

アルツハイマー病の原因は不明な点が多く、Al摂取との関係も分かっていない。少なくともAl製容器から溶出するAlや、日常生活で摂取するAlの量は明らかに少なく、過度に心配する必要はない。
http://hfnet.nih.go.jp/contents/detail970.html より抜粋

Thank you for attentions.

東北大学 金属材料研究所 関西センター
正橋 直哉
masahasi@imr.tohoku.ac.jp072-254-5603（大阪） 022-215-2117（仙台）