アルミニウムの密度とは？定義、データ、比較

1.0 基本的な定義と数値の説明

アルミニウムは、鋼鉄の約3分の1という低い密度と高い強度対重量比から、工業用素材として広く使用されています。そのため、軽量でありながら強度が高く、加工が容易で、多くの工業用途に適しています。

1.1 密度とは何ですか?

密度は、単位体積あたりの物質の質量を指します。一般的にはギリシャ文字のρ（ロー）またはD（ 密度数学的には、密度は質量と体積の比として定義されます。

ρ = m / V

どこ：
ρ = 密度
m = 質量
V = 体積

意味

密度とは、物質の単位体積に含まれる質量の量です。つまり、

ρ = M / V

ここで、Mは質量、Vは物体の体積です。質量分布が均一な物質の場合、密度の式はこの基本的な数学的形式に簡略化できます。

言い換えれば、密度は質量と体積の「比率」として定義されます。

1.2 アルミニウムの基本密度データ

• アルミニウムの密度はおよそ 2,710 kg/m³.
• アルミニウム合金も同様の密度を持ち、通常は 2,640～2,810 kg/m³.

1.3 純アルミニウムの密度はどれくらいですか?

密度とは、物質の単位体積内に含まれる質量を指します。

純アルミニウムの密度は約 2.7 g/cm³ただし、物理的な状態によって多少異なる場合があります。

• 固体の純アルミニウムの密度は 2,699 kg/m
• 液体の状態では、密度はわずかに変動します。 2,697および2,699 kg/m³.
  • 例えば、 973キロ液体アルミニウムの密度は 2,357 kg/m³;
  • で 1,173キロ、それは減少します 2,304 kg/m³.

1.4 一般的な金属との密度の比較:

1.5 アルミニウムの独特の密度による主な利点

• 軽量：アルミニウムは密度が低いため軽く、取り扱いが簡単で、航空機の製造に最適です。
• 耐腐食性:錆や腐食を防ぐ保護酸化層を形成します。
• リサイクル可能:100% はリサイクル可能で、環境に優しく、品質を損なうことなくリサイクルできるためコスト効率に優れています。
• 高い導電性：重量当たりの電気伝導率は銅の2倍、優れた熱伝導性

1.6 アルミニウム材料の密度の違い

純アルミニウムの密度は通常約2.7 g/cm³ですが、合金化によって若干のばらつきが生じることがあります。合金元素の含有量が多いほど重量が増加します。例えば、1xxxシリーズの合金は純アルミニウムに近い密度で、99%純度の商用アルミニウムとして知られています。

対照的に、7xxxおよび8xxxシリーズの合金の密度は最大約2.9 g/cm³に達します。特に、7075アルミニウム合金の密度は2.81 g/cm³と他の合金よりも高く、入手可能なアルミニウム合金の中で最も強度の高いものの1つです。その引張強度は6061アルミニウムのほぼ2倍です。

興味深いことに、主にシリコンで合金化された 4xxx シリーズの合金は、シリコンがアルミニウムの密度を低下させるため、純粋なアルミニウムの 2.7 g/cm³ よりも低い密度を持つことができます。

1.7 物理的特性

• アルミニウムは、わずかに青みがかった銀白色で簡単に認識できます。
• 純粋なアルミニウムは柔らかい金属ですが、合金にすると硬くなり、強度が増します。
• アルミニウムは柔らかいので、非常に薄い板状に叩くことができます。
• 延性があるため、プロジェクトのニーズに応じて成形したり曲げたりすることができます。
• アルミニウムは電気と熱の優れた伝導体であり、保護酸化コーティングを形成することで腐食を防ぎます。

1.8 化学的性質

• アルミニウムは様々な化学的性質を示し、主にボーキサイト鉱石（アルミニウム、酸素、その他の元素の混合物）中に化合物として存在します。ボーキサイトはアルミニウムの主な供給源です。
• アルミニウムは酸素にさらされるとゆっくりと反応し、酸化アルミニウムの保護層を形成します。
• アルミニウムは、高温の酸や高温の水など、多くの液体と反応します。
• また、石灰水や水酸化ナトリウムなどの塩基とも反応し、マグネシウム、銅、シリコンなどの元素と組み合わせると高強度の合金を形成します。

1.9 アルミニウム合金の密度変化

• 合金効果:Mg、Si、Cu、Zn などの合金元素は、アルミニウム合金の密度にわずかな変化を引き起こし、その機械的特性と汎用性に影響を与えます。
• その他の要因:加工、粒度、温度、硬化、熱処理、コーティング、水和、不純物も密度に影響します。
• 密度範囲:純アルミニウムの密度は約0.1 lb/in³（2,700 kg/m³）です。アルミニウム合金は密度が若干異なりますが、それでも鋼鉄よりもはるかに軽量です。

2.0 アルミニウム密度が工業デザインとアプリケーションに与える影響

軽量設計

重量を軽減し、エネルギー効率を向上させるために、自動車、航空宇宙、鉄道業界で広く使用されています。

例: アルミ合金製の車のドアはスチール製のドアよりも 30～50% 軽量です。

コスト、密度、強度のバランス

密度が低いことが必ずしも良いというわけではありません。最適な設計のためには、強度と剛性を考慮する必要があります。

比強度（強度対重量比）は、材料の性能評価における重要な指標です。

アルミプロファイルと中空管の利点

中空構造 + 低密度 = 単位体積あたりの優れた性能。

3.0 CNC加工においてアルミニウムの密度が重要な理由

材料処理と処理効率

• アルミニウムは密度が低いため、スチールやチタンよりも軽くて扱いやすく、加工効率が向上します。
• 軽量の材料により CNC マシンの負荷が軽減され、ツールの寿命が延び、メンテナンスの負担が軽減されます。

工具の摩耗と切削力

• アルミニウムの加工には切削力が低くて済むため、工具の摩耗が減り、工具寿命が延びます。
• 切削力が減少すると、切削速度と送り速度が向上し、生産性が向上します。

熱管理

• アルミニウムの優れた熱伝導性は、機械加工中に熱を放散させ、熱膨張、反り、変形を防ぎます。
• 効率的な熱管理により、寸法精度と表面仕上げの品質が保証されます。

材料除去率（MRR）

• 密度が低いため、高密度の材料に比べて MRR が高くなり、材料の除去が速くなり、加工時間が短くなります。

寸法精度と表面仕上げ

• アルミニウムの機械加工性は、その密度と切削特性によって、精密用途に不可欠な厳密な公差制御と高品質の表面仕上げを可能にします。

4.0 密度とその他の特性の関係

1. 熱処理状態の影響: T6、T4、O などの熱処理ではアルミニウムの密度は大きく変わりませんが、体積にわずかに影響し、理論計算に影響を与える可能性があります。
2. 関係 熱伝導率: アルミニウムは、高い熱伝導率（約 235 W/m·K）と低密度を併せ持ち、放熱性に優れた素材です（例：ヒートシンク、LED ブラケット）。
3. 電気とのトレードオフ 導電率: アルミニウムの電気伝導率は銅よりも低いですが、密度は銅の約3分の1しかないため、高圧送電の代替として広く使用されています。

5.0 アルミニウムの密度に影響を与える要因

合金元素: アルミニウムは、機械的特性を向上させるために、銅、マグネシウム、マンガン、シリコン、亜鉛などの金属と合金化されることがよくあります。これらの元素は最終的な合金密度をわずかに変化させ、通常は組成に応じて2.66 g/cm³から2.80 g/cm³の範囲になります。

温度： ほとんどの材料と同様に、アルミニウムの密度は温度上昇とともに熱膨張により減少し、温度低下とともに収縮により増加します。温度変化の大きい用途では、熱膨張／収縮の影響を考慮する必要があります。

気孔率: 製造工程によってアルミニウムに多孔性が生じ、全体的な密度が低下することがあります。鋳造工程では材料内部に空隙や気孔が生じる可能性がありますが、高度な製造技術（CNC加工を含む）により多孔性を最小限に抑え、材料特性の一貫性を確保できます。

6.0 アルミニウムの密度の測定方法（ポピュラーサイエンスガイド）

6.1 必要な材料と機材:

1. 水中に完全に浸ることができる小さな金属物体
2. 吊り下げた物体を計量するためのフックが下部に付いた天秤、分解能は少なくとも 0.01 g (この機能が天秤にない場合は注記を参照)
3. 天秤フックに物を掛けるための金属ワイヤー（曲げたペーパークリップでも可）
4. バランスを保つためのスタンドまたはプラットフォームをサポートし、物体が下に自由に吊り下げられるようにします。
5. こぼさずに物体を完全に浸すことができる大きさのビーカー
6. ビーカーを天秤の下に正しい高さで保持するためのサポート
7. 水道水
8. 電卓
9. 物体を吊るすためのナイロン糸（釣り糸など）または同様の軽量素材
10. 使い捨てニトリル手袋（特に鉛を含む可能性のある金属を扱う場合）
11. オプション：テーブルやカウンターの端にバランススタンドを固定するためのクランプ

6.2 ステップバイステップの手順:

1. 天秤の底カバーを取り外して内部のフックを露出させます。
2. フックに手が届くように、天秤を穴の開いたスタンドに置きます。
3. 内部フックに金属ワイヤーフックを取り付けて、天秤を風袋引き（ゼロに調整）します。
4. 天秤の下のフックにナイロン糸を使って金属物を吊り下げ、空中で重さを量ります。
5. ビーカーに水を入れて、吊り下げた物体の下に置きます。
6. ビーカーを物体が完全に水に浸るまで持ち上げます。支えなどを使ってビーカーを適切な高さに保ちます。物体の表面や内部に気泡がないことを確認してください。
7. 水中に沈んだ物体の重さを量ります。
8. 以下の式を使用して密度を計算します。
9. 計算された密度を、参照表にある金属および合金の既知の密度と比較します。
10. 必要に応じて、他のサンプルに対して手順 4 ～ 9 を繰り返します。

6.3 密度計算式：

ρ = (m_air) / (m_air – m_water) × ρ_water

どこ：

• ρ = 物体の密度（g/cm³）
• m_air = 空気中の物体の質量 (g)
• m_水 = 水中に沈めた時の物体の見かけの質量（g）
• ρ_水 = 水の密度（20°Cで約0.998 g/cm³、25°Cで約0.997 g/cm³）

参考文献:

https://www.canada.ca/en/conservation-institute/services/conservation-preservation-publications/canadian-conservation-institute-notes/metal-density.html

https://www.thyssenkrupp-materials.co.uk/density-of-aluminium.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Density

https://en.wikipedia.org/wiki/Porosity