アルミニウム 1N50：化学成分、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
1N50は、中強度のアルミニウム合金で、機能的には5xxx系ファミリー（Al-Mg系）に属し、耐食性と溶接性が重要な構造用途に最適化されています。主な合金元素はマグネシウムで、通常4.5～5.5 wt%の範囲にあり、結晶粒微細化と強度向上のためにマンガンと微量のクロムおよびケイ素が制御添加されています。本合金は熱処理による強化は行わず、マグネシウムによる固溶強化と冷間加工による加工硬化によって主に強度を確保しています。特長としては、優れた強度対重量比、優れた大気・海水環境での耐食性、溶接後の熱処理がほとんど不要な良好な溶接性、そして柔らかい硬さ（テンパー）では適度な成形性を備えています。
1N50は、海洋・造船、輸送用トレーラー製造、建築用外装材、疲労抵抗性および耐食性能を必要とする特定の自動車構造部品など、多くの産業で使用されています。設計者は、負荷容量の増加や局部的な溶接修理が予想される際に、より低強度で高導電性の合金よりも1N50を選択します。熱処理可能な高強度合金と比較すると、1N50はサービス中の耐食性と大きな成形半径の確保がピーク時の時効強度より重視される大型構造部品にしばしば選ばれます。
硬さ（テンパー）バリエーション
| テンパー | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高（≥30%） | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし状態；深絞りに最適 |
| H12 | 低〜中 | 中程度（20～25%） | 良好 | 優秀 | 部分的加工硬化；中程度の成形 |
| H14 | 中 | 中程度（12～18%） | 良好 | 優秀 | 半硬質；中負荷のパネルに一般的 |
| H18 | 高 | 低（6～12%） | 普通 | 優秀 | 全硬質；曲げ加工は限定的で剛性が要求される部位に使用 |
| H22 | 中〜高 | 中程度（10～15%） | 中程度 | 優秀 | 加工硬化後部分的に焼なまし；均衡の取れた特性 |
| H32 | 中〜高 | 中程度（10～15%） | 中程度 | 優秀 | 加工硬化後安定化処理；溶接後の強度保持 |
| H116 | 中〜高 | 中程度（10～15%） | 中程度 | 非常に良好 | 海洋環境用途向けに結晶再結晶制御 |
1N50のテンパーは、加工硬化と安定化処理の組み合わせにより、溶接など後続の加工中に強度を保持しながら機械的挙動を変化させます。柔らかいOテンパーは最高の延性と成形性を提供しますが、降伏強さと引張強さは最も低く、Hテンパーは延性を犠牲にして強度と寸法安定性を向上させています。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.10 – 0.40 | 低ケイ素制御により延性低下を引き起こすFeシリサイドの形成を抑制 |
| Fe | 0.20 – 0.60 | 通常の不純物；高濃度は靭性を低下させ亀裂感受性増加 |
| Mn | 0.20 – 0.80 | 結晶粒微細化と再結晶抑制；強度向上効果 |
| Mg | 4.50 – 5.50 | 主強化元素；固溶強化と耐食性付与 |
| Cu | 0.05 – 0.30 | 耐食性維持のため低濃度に抑制；少量添加は強度向上に寄与 |
| Zn | 0.05 – 0.25 | 微量；高濃度は耐食性低下のため制限 |
| Cr | 0.05 – 0.25 | 結晶粒制御および剥離腐食・応力腐食割れ抑制 |
| Ti | 0.02 – 0.10 | 結晶粒精製剤；鋳造・インゴット冶金時に微細組織制御 |
| その他（各元素） | ≤0.05 | 微量元素および残留物；合計も仕様で制限 |
1N50の化学組成は、マグネシウムの固溶強化効果を最大化しつつ、金属間化合物の形成を促進する元素を低濃度に抑えています。マンガンとクロムは微合金元素として結晶粒成長や熱変動時の再結晶を防ぎ、靭性と粒界腐食耐性の維持に寄与しています。
機械的性質
1N50の引張挙動は、加工硬化と共に降伏強さおよび引張強さが段階的に向上します。6xxx系熱処理合金と比較し、引張強さと伸びのトレードオフが比較的緩やかです。焼なまし状態では、長い均一伸びと有意な加工硬化指数を示し、塑性の再分配を伴う成形作業に有利です。硬さはテンパーに密接に関連し、Hテンパーは通常Oテンパーより20～40％高いブリネル硬さを示し、耐圧力強度を向上させつつ曲げやすさは低下します。
疲労特性は、延性破壊モードと優れた耐食性により良好です。疲労限度は表面仕上げ、溶接部、板厚に敏感に影響されます。薄板は拘束効果により実質的に延性が高く、降伏対引張強さ比も若干高まりますが、厚板は延性低下とインゴット製造時の不良による局所的多孔質や偏析の可能性があります。設計時には、厚み依存の成形余裕や溶接熱影響部の軟化を考慮し、疲労負荷部品の安全率を設定する必要があります。
| 特性 | O（焼なまし） | 代表テンパー（H32/H116） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約170 MPa | 約270～300 MPa | H32/H116値は冷間加工度合と安定化の程度に依存 |
| 降伏強さ | 約60～90 MPa | 約200～240 MPa | 降伏強さは加工硬化で大幅に上昇 |
| 伸び | 約30～35% | 約10～16% | 硬いテンパーほど伸びは減少；厚みに依存 |
| 硬さ（HB） | 約35～45 HB | 約75～95 HB | 加工硬化により硬さが増加；耐摩耗性・耐圧力性に反映 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.66 g/cm³ | Al-Mg系合金の典型値；高比強度に寄与 |
| 融点範囲 | 約555～650 °C | 固相線・液相線範囲はSi/Fe含有量や偏析に依存 |
| 熱伝導率 | 120～140 W/m·K | 純アルミより低いが、放熱用途で十分な性能 |
| 電気伝導率 | 約35～45 % IACS | 固溶Mgにより純アルミより低下；テンパーや加工に影響受ける |
| 比熱容量 | 約0.90 kJ/kg·K | アルミ合金の標準値；熱容量計算に有用 |
| 熱膨張係数 | 23～25 µm/m·K（20～100 °C） | 比較的高い膨張率；異種材料との接合時に温度変動による応力集中設計が必要 |
これらの物理特性により、1N50は軽量かつ熱伝導と構造性能が求められる用途に適しています。導電率や熱容量は中程度の熱管理用途での利用を可能にしますが、鋼材や複合材料と結合する際には熱膨張差による応力集中を考慮しなければなりません。
製品形状
| 形状 | 代表的板厚・サイズ | 強度特性 | 主なテンパー | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材（シート） | 0.3～6.0 mm | テンパーにより強度変化；薄板ほど成形性向上 | O, H14, H32, H116 | パネル、エンクロージャー、外板に広く使用 |
| 厚板（プレート） | 6～120 mm | 厚板は延性低下；強度は板厚にあまり依存しない | O, H22, H32, H116 | 海洋・輸送用フレームの構造用厚板 |
| 押出材 | 最大300 mmの複雑断面 | 時効過剰硬化または加工硬化状態で供給可能 | O, H12, H14, H32 | 良好な表面仕上げ；レールやプロファイルに使用 |
| チューブ | 小径～400 mm超の直径 | 冷間引き延ばしや時効で寸法安定化調整可能 | O, H14, H18 | 油圧フレームや耐食配管に使用 |
| バー・ロッド | 丸棒・六角棒最大200 mm | 冷間引抜きまたは熱間圧延；冷間加工により機械的性質変化 | O, H12, H18 | 機械加工材料および構造用ピン・バー |
製造プロセスの違いが製品形状の選択を左右します。板材は厚みの厳格な管理を伴う圧延で製造され、一般に細かく加工された表面となります。一方、厚板はインゴットの偏析を最小化するために均質化焼なましを含む場合があります。押出材は複雑な断面形状が可能ですが、Mg含有合金では表面波状や寸法公差を確保するために金型設計に注意が必要です。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 1N50 | USA | 専有または商標指定。化学成分はAl-Mg系に準拠 |
| EN AW | ～5xxx系相当 | ヨーロッパ | EN AW 5xxx系の概算相当品。MgやMnの含有量により正確な一致は異なる |
| JIS | ～A5xxx系 | 日本 | 海洋用および構造部品に使われるJISのAl-Mg鋼種に類似 |
| GB/T | ～5xxx系 | 中国 | 類似のMg含有量および機械的性質を持つローカル相当品あり |
同等鋼種は機能的な近似値として扱うべきで、最終選定時には該当規格の化学成分および機械的性質の上限・下限を照合してください。地域規格ごとに不純物制限や結晶粒制御、硬化状態の分類が異なり、とりわけ海洋や航空分野の重要部品では性能に実用的な差異が生じることがあります。
耐食性
1N50は安定した酸化皮膜形成とマグネシウムの受動膜形成促進効果により、優れた大気環境耐食性を示します。海洋環境下でも均一腐食に強く、適切な表面仕上げおよびカソード防食を施すことで孔食に対しても十分な耐性を発揮します。ただし、塩素化物や硫酸塩を含む高度に汚染された工業環境では、局部腐食の進行が促進されるため、保護コーティングや陽極酸化処理が必要です。
応力腐食割れに対する感受性は、強度の高い熱処理可能なAl-Zn-Mg系合金に比べて低～中程度です。中程度の強度とMg含有量を有するため、残留引張応力や高温環境下では完全に免疫ではありません。1N50をステンレス鋼や銅合金などのカソード性金属と接合する場合は、電気的に絶縁するか保護処理を施さないとアルミニウム側が優先して腐食します。3xxx系や1xxx系合金と比較すると、多少成形性は劣るものの強度が大幅に向上し、塩化物環境下での耐食性は同等かそれ以上です。
加工特性
溶接性
1N50はMIG（GMAW）、TIG（GTAW）、抵抗溶接など一般的な溶融溶接方法で容易に溶接可能であり、適切な作業手順を守れば凝固割れのリスクは低いです。推奨される溶接棒はアルミニウム-マグネシウム系で溶接部や熱影響部の耐食性及び機械的性質を維持する仕様（例：ER5356やER5183相当品）です。熱影響部（HAZ）は高度に冷間加工された母材に比べて多少軟化しますが、H32のような安定焼きなましや溶接後の機械加工によって変形や局所的な強度低下を最小限に抑えられます。
切削性
1N50の切削加工は中程度の難易度で、延性が高いため工具形状や送り速度が最適化されていないと細長い連続切りくずが発生しやすいです。正のかき角と可変ヘリックスの超硬工具が適しており、加工速度は6xxx系より低めに設定し、切りくず破砕促進のために切削送りを高めにします。表面仕上げや公差管理は標準的な工業用工具で十分可能ですが、薄板部材のチャタリングやクランプには十分な配慮が必要です。
成形性
成形性能はO硬態および軽度のH硬態で最も良好であり、割れが起きにくい緊密な曲率半径や大きな塑性伸びを実現します。最小曲げ半径は硬態と板厚に依存し、O硬態の板材ではエアベンディングの経験則として板厚の1.0～1.5倍が目安で、硬くなるほど半径は大きくなります。冷間加工による硬化の挙動は予測可能かつ均一で、最終的に高い強度を必要とする部品はO硬態で成形後、冷間加工によりH硬態へ仕上げることが一般的です。
熱処理挙動
非熱処理系合金である1N50は、固溶処理や人工時効による強度向上はなく、冷間加工および機械的ひずみ硬化によって強度を増強します。成形作業のための展伸性回復には全焼なましまたは部分焼なましを用い、典型的な全焼なまし温度は350～420 °Cの範囲で、過度の結晶粒成長を防ぐために制御冷却を行います。安定化処理（例：H32）は軽い再加熱や伸び加工により自然時効や強度低下を抑制し、溶接構造部の機械的性質維持に寄与します。
加工中の熱的影響は硬態変化（復元や再結晶）によってのみ物性に顕著な影響を及ぼすため、設計者は使用環境や後処理工程で合金の焼なまし温度を超えないよう配慮が必要です。溶接後の機械的処理（ショットピーニングや伸張成形）で、圧縮残留応力を再導入し局所的な強度回復を図ることも可能です。
高温性能
約100～150 °C以上の高温下では、リカバリーや拡散制御プロセスがMg溶質の分布に影響を与え、徐々に強度が低下します。長時間荷重下の使用限界は100 °C以下に保つのが一般的で、長期的な軟化や降伏強さの低下を避けるためです。酸化は通常の大気条件でのアルミニウム酸化皮膜に限られますが、高温での長時間酸化環境曝露により表面皮膜の肥厚と熱接触抵抗の変化が起きる場合があります。
溶接周辺の熱影響部（HAZ）は高温使用時に特に重要で、局所的軟化により疲労寿命低下やクリープリスクが増加するため注意が必要です。短時間の熱的変動や塗装焼付けなどの工程では、1N50は中程度の温度を許容しますが、熱サイクルによる寸法安定性や残留応力の変化を予め評価することが求められます。
用途例
| 業界 | 代表的な部品 | 1N50が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 構造パネル、トレーラーボディ | 露出部品に対し、強度・成形性・耐食性のバランスが良好 |
| 海洋 | 船体外板、上部構造物、デッキ金物 | 塩化物耐性および溶接性に優れ、船舶用途に適合 |
| 航空 | 二次金具、内部構造部品 | 一次構造以外の部材で要求される高い比強度と疲労特性を実現 |
| 電子機器 | 筐体、中程度の熱拡散部材 | 受動的な放熱に十分な熱伝導と軽量性で携帯性に寄与 |
1N50は耐食環境での中程度荷重構造用途に広く指定されており、現場での溶接や成形作業が求められる場合に最適です。耐食性、溶接性、実用的な強度の組合せが、より高強度の熱処理系合金を必要としない大形パネルや組立製品においてコスト効率の良い選択肢となります。
選定のポイント
部品設計時に1N50を選択する場合、耐食性、溶接性、中～高強度の構造特性を求める用途に優先して用いるべきです。複雑な成形が必要な場合は焼なましO硬態で加工し、高い降伏強度が必要なら成形後にH硬態へ移行してください。
商業用純アルミニウム（1100）と比較すると、1N50は電気伝導性がやや下がり深絞り性は若干劣るものの、実質的に高い強度を提供します。3003や5052のような加工硬化合金と比べると、1N50はMg含有量および微量合金元素の最適化により、海洋環境下で同等かそれ以上の耐食性を維持しつつ一般的に高強度です。6061や6063の熱処理系合金と比較すると、ピーク強度は劣るものの溶接性、サービス中の耐食性、大規模構造のコスト効率で優位となるため、これらを重視する場合に適します。
まとめ
1N50は海洋、輸送、一般構造用途で強度、耐食性、加工性のバランスに優れた汎用Al-Mg系構造合金として現代でも有効です。非熱処理固有の冶金特性により製造と修理作業が簡便で、多くの軽量構造システムで要求される機械的信頼性を満たします。