アルミニウム2004：組成、特性、硬質状態ガイドおよび用途

総合概要

Alloy 2004は、銅含有の2xxx系アルミニウム合金に属し、高強度と適度な靭性の両立を目的とした熱処理可能な合金です。2xxx系は一般に自然耐食性を多少犠牲にして機械的特性を向上させており、2004もこの傾向に従い、旧来の2xx系と7xx系の中間に位置する中～高強度のAl–Cu合金として位置付けられています。

2004の主要な合金元素は、強度向上のための銅を主成分とし、析出硬化と結晶粒制御を助けるためマグネシウムとマンガンを制御添加、結晶再結晶制御用に微量のクロムやチタンを含みます。強化機構は主に、固溶処理・急冷後の析出硬化（時効）ですが、特定の調質状態では限定的な加工硬化も性質を変化させます。

2004の主な特長は、高い比強度、優れた機械加工性、構造用途に対する妥当な疲労耐性です。耐食性は5xxx系や6xxx系合金に比べて中程度であり、クラッドや表面被膜による保護がないと劣る傾向にあります。溶接性は非熱処理系合金に比べて難しく、熱影響部の軟化を避けるために特別な充填材選定や前後処理が必要です。主に航空宇宙分野でのフィッティングや構造部材、モータースポーツや高性能車両の軽量かつ高強度部品、機械加工性を重視する一般工学用途で利用されています。

エンジニアは、一般的な市販合金より高い強度対重量比が必要で、疲労特性や機械加工性を確保しつつ、耐食性の低下を許容または対策できる場合に2004を選択します。最高峰のピーク強度よりも破面靭性や加工性（切削・成形）を優先する場合に7xxx系よりも適用されます。

調質バリエーション

調質	強度レベル	伸び	成形性	溶接性	備考
O	低い	高い（12–20%）	非常に良好	非常に良好	完全退火、最大の延性
H14	中低	中程度（8–12%）	良好	普通	軽度の加工硬化による中程度の強度
T3	中高	中程度（6–12%）	普通	低～普通	固溶処理、冷間加工、自然時効
T4	中程度	中程度（8–14%）	良好	低～普通	固溶処理と自然時効
T6	高い	低～中程度（6–10%）	限定的	低い	固溶処理と人工時効によるピーク強度
T7	中程度	低～中程度（6–12%）	T6より良好	低い	過時効処理により応力腐食割れ抵抗と寸法安定性向上
T651	高い	低～中程度（6–10%）	限定的	低い	T6の応力除去伸張処理付きで残留応力を最小化

調質は強度と延性のバランスに大きく影響し、OやH調質は成形性を最大化する代わりに引張強さを犠牲にします。T6のようなピーク強度調質は最高の降伏強さと引張強さを示しますが、延性と冷間成形性は低下し、特殊処理なしでは溶接部の軟化が生じやすくなります。

化学成分

元素	含有率範囲（%）	備考
Si	0.10–0.50	シリコンは脆性の金属間化合物発生抑制のため低く抑えられ、存在すれば鋳造性を改善
Fe	0.10–0.70	鉄は不純物で金属間化合物を形成し延性を低下させる
Mn	0.20–1.00	マンガンは結晶粒を微細化し強度と靭性を向上
Mg	0.10–0.80	マグネシウムは析出反応を助け、Cuと共に最終強度を高める
Cu	3.0–5.0	主な強化元素；強度を増し耐食性を低下させる
Zn	0.05–0.30	亜鉛は7xxx系の特性を発現させないよう低レベルに制御
Cr	0.05–0.35	クロムは再結晶制御と応力腐食割れ抵抗を向上
Ti	0.01–0.20	チタンはインゴット冶金・鋳造品の結晶粒微細化に使用
その他	合計0.15以下	バナジウムやジルコニウム、残留元素を含み、性質維持のため厳格管理

2004の主要合金元素は銅であり、Al2Cuや関連する準安定相の析出を通じて析出硬化反応を制御します。マグネシウムとマンガンは析出反応速度や結晶粒構造に影響を与え、靭性を向上させつつ粗大な金属間化合物の発生を抑制します。微量のクロムとチタンは再結晶制御および熱機械加工中の安定した結晶粒径維持に寄与します。

機械的性質

引張特性において、2004は調質に強く依存します。退火状態は良好な伸びと成形に適した中程度の強度を示す一方で、T6調質は引張強さ、降伏強さともに大幅に向上します。熱処理された2004の降伏強さは微細な析出物の分布により大きく向上し、析出物形成後は比較的フラットな加工硬化曲線を示します。

伸びはO調質で高延性、ピーク時効調質では延性は控えめとなり、成形限界や疲労割れ開始に影響を与えます。硬さは時効状態に比例し、退火材は硬度が低い一方、T6では航空宇宙グレードのAl–Cu合金に典型的な高硬度に達し、耐摩耗性を高めますが冷間成形は困難になります。

2004の疲労性能は同強度範囲の中では良好ですが、表面仕上げや耐食保護を入念に行わないと腐食ピットにより疲労寿命が著しく低下します。板厚の影響も顕著で、厚板は凝固後の粗大な微細組織を持つことが多く、均一な性質を得るためには専用の熱処理サイクルが必要です。

特性	O／退火	主要調質（例：T6）	備考
引張強さ	180–280 MPa	350–480 MPa	T6のピーク強度はCu/Mgのバランスや時効条件による
降伏強さ	80–150 MPa	250–400 MPa	固溶処理と人工時効で大幅に向上
伸び（Elongation）	12–20%	6–10%	強度と延性とのトレードオフ、板厚依存あり
硬さ（HB）	40–70	110–150	ビッカース・ブルネル硬さともセクション・調質で変動

物理的性質

特性	値	備考
密度	約2.78 g/cm³	銅含有により純アルミニウムよりやや高い
融点範囲	約500–640 °C	固相線-液相線範囲は組成や合金元素で変動
熱伝導率	約110–130 W/m·K	純アルミに比べて低く、銅の影響で低下
電気伝導率	約28–38 %IACS	純アルミや1xxx系に比べ低下
比熱	約0.88 J/g·K（880 J/kg·K）	室温におけるアルミ合金として一般的な値
熱膨張係数	約23–24 µm/m·K（20–100 °C）	一部の5xxx系よりわずかに低い値

銅添加により純アルミに比べ熱伝導率と電気伝導率は低下しますが、2004は多くの放熱や熱管理用途で十分な熱伝導性を維持しています。密度は低合金アルミより高いものの、多くの鉄系合金と比較すると依然として優れた強度対重量比を有します。

熱膨張率はアルミ合金として典型的な値であり、多材料接合部では熱応力集中防止のため考慮が必要です。融点範囲は熱処理ウィンドウやろう付け・溶接の条件設定に重要であり、固溶処理は固相線以下の温度で行い部分溶融を防ぎます。

製品形状

形状	代表的な厚さ/サイズ	強度特性	一般的な処理区分	備考
シート	0.2–6.0 mm	T4/T6後の薄板で均一性良好	O, H14, T3, T4, T6	成形および機械加工部品に広く使用される
プレート	6–150 mm	溶解処理に長時間を要し、芯部の軟化リスクあり	O, T4, T6	厚肉部は通厚方向の性質勾配を避けるために最適化された処理が必要
押し出し材	大断面までのプロファイル	中程度の良好さ；時効反応は断面による	O, T4, T6	均一な流動を得るために押し出し金型設計が重要；結晶粒制御も重要
チューブ	壁厚1–20 mm	押し出し材と類似した特性；冷間加工品も可能	O, T4, T6	構造用チュービングや機械加工用継手に使用される
バー/ロッド	直径最大200 mm	高い加工性；パターンはビレット履歴の影響を受ける	O, T6	押し出しまたは直接冷却鋳造で製造；鍛造品や機械加工部品に使用

2004の最も一般的な形状はシートおよび薄物であり、これにより効果的な溶解処理と急冷を行い、過飽和固溶体を固定できます。厚板や大断面の押し出し材は、芯部の軟化を防ぐためにより長時間の浸漬と制御された冷却媒体が必要であり、これが熱処理を複雑にし非常に厚い部材では達成可能な特性を制限することがあります。

高精度加工向けのバーやロッドは、寸法安定性と高硬度を提供するためにT6やT651処理で供給されることが多いです。チューブや押し出し材は、断面剛性や局所的な機械加工が必要な場合に使用され、製造段階での成形性と最終的に求められる強度のバランスを考慮して処理が選択されます。

同等鋼種

規格	鋼種	地域	備考
AA	2004	USA	Aluminum Associationファミリー内の指定；組成ベース
EN AW	—	ヨーロッパ	直接のEN AW-2004の同等品は稀で、機能的な代替としては2024や2014がよく使用される
JIS	—	日本	広く採用されているJISの直接相当品はなく、類似用途には2014/2024系合金が用いられている
GB/T	—	中国	地域によってはローカル合金が存在するが、2004は全域で標準化されているわけではない

2004の直接的な規格間の同等品は少なく、各国の標準ではAl–Cu系のより広く採用されている2014および2024が一般的に優先されます。正確な化学成分とプロセスコントロールが求められる場合、エンジニアは通常Aluminum AssociationのAA2004組成および処理を指定します。EN、JIS、GB/Tの番号が必要な場合は、機能的に最も近い代替として2014または2024が参照されますが、その際は機械的性質や耐食性が異なる点に留意が必要です。

耐食性

2004の大気環境下での耐食性は中程度であり、5xxx系および6xxx系合金に比べて劣ります。未保護のまま工業的または海洋の厳しい環境に曝されると、特に熱処理条件下ではCuリッチの析出物が局所的な腐食を促進し、ピッティングや粒界腐食が発生しやすくなります。純アルミによるクラッド加工や有機/無機の強固なコーティングを施すことが、構造部品の腐食環境下での保護として一般的です。

海洋環境では、十分な保護がなければ2004の使用は注意が必要です。浸漬や波しぶきエリアは局所腐食を促進し疲労寿命を低下させます。海水に曝される用途では5xxx系合金や陽極コーティングが2004よりも優れることが多いです。強度のためにAl–Cu合金が必要な多くの航空宇宙や海洋用途では、犠牲被膜、陽極酸化処理、または陰極防食が使用されて寿命を延ばしています。

引張応力と腐食性物質が重なると、特にピーク時効条件でAl–Cu合金は応力腐食割れ（SCC）に対して脆弱となります。過時効処理（T7）は、析出物が粗大化し強度は低下しますが、SCC耐性と寸法安定性の向上に寄与します。ガルバニックカップルにおいて2004は、局所条件によりステンレス鋼に対しては陽極、純アルミに対しては陰極となるため、加速腐食を防ぐために材料の組み合わせと絶縁が重要です。

他の合金系と比較すると、2004は5xxx系や6xxx系に比べて耐食性を犠牲にして強度を優先している半面、1xxx系や3xxx系に対しては優れた強度および加工性を持ちます。そのため、屋外や海洋での長期使用を検討する際は表面処理やメンテナンス周期も考慮する必要があります。

加工性

溶接性

2004の溶接は困難であり、Al–Cu系合金は熱割れを起こしやすく、強化析出物の溶解による熱影響部（HAZ）の軟化が顕著です。溶接（MIG/TIG）は慎重に行うべきで、4043やAl–Cu系の専用フィラー材が用途に応じて使用できますが、接合部の強度は母材より低下し、熱影響部の軟化帯は一般的です。重要構造物には接着、機械的ファスナー、摩擦攪拌接合（FSW）が好まれ、機械的特性の保持と熱影響部の損失回避に適しています。

機械加工性

2004は多くの高強度アルミ合金と比較して加工性が良好であり、短く制御可能な切りくずを形成しやすく、高強度により安定した切削が可能です。カーバイド工具と剛性の高い設備、正の前角形状が推奨され、高速切削および十分な冷却液供給で付着ビルドアップエッジを防ぎます。加工後の表面仕上げは優秀であり、必要に応じて加工後の応力除去や時効処理を行い特性の回復や安定化が可能です。

成形性

2004の冷間成形性は処理区分に強く依存します。OまたはH系は比較的小さい曲げ半径で複雑な成形が可能ですが、T6などピーク時効区分は冷間成形性が限定され、許容曲げひずみも低くなります。最小曲げ半径は実験的に決定すべきですが、目安として薄板のO処理品は板厚の1～2倍で割れずに曲げられます。一方T6は3～6倍の曲げ半径が必要か、同等の結果を得るには予熱やアニーリングが必要です。

熱処理挙動

2004は熱処理可能なAl–Cu合金であり、一般的な固溶化熱処理後の急冷と人工時効によりピーク強度を発現します。典型的な固溶化温度は約495～510 °Cで、部材厚さに応じて溶質の均一化を完全に行いながら過共析部の溶融を避ける時間が設定されます。急冷は水や制御されたポリマークエンチで行い、過飽和固溶体の保持が必要です。

T6処理の人工時効は通常160～190 °Cで、部材厚さや希望特性により6～24時間程度行われます。この時効により強度に寄与するθ'相（Al2Cu）などの準安定相が析出します。自然時効（T3/T4）は常温で数日かけて中程度の硬さをもたらしますが、人工時効のピークレベルに達しません。過時効（T7）は高温または長時間処理により析出物が粗大化し強度は低下しますが、応力腐食割れ耐性や寸法安定性が向上します。

析出強化が主要な強化機構であるため、2004の非熱処理強化（加工硬化）は限定的です。ただし、固溶化処理の前後で制御された冷間加工を施すことで一部の処理区分で特性調整が可能です。完全焼なましは延性を回復し、加工硬化を除去して成形加工を可能にします。

高温特性

2004は高温では析出相が溶解または粗大化し、時効硬化効果が低下するため強度を著しく失います。約150 °Cを超える継続的な使用では過時効が加速され、降伏強さや引張強さが減少します。連続的な構造用途での保守的な上限使用温度は、機械的特性を維持するために通常100～120 °Cに制限されます。

空気中での酸化はアルミの保護酸化皮膜により最小限ですが、高温長時間曝露によりスケール形成や析出物の粗大化が促進されます。溶接部や熱影響部では熱サイクルと高温サービスの組み合わせにより軟化や疲労寿命低下が悪化することがあります。高温構造用途にはニッケル系や鋼系合金、特殊高温アルミ合金が一般的に推奨されます。

用途

業界	部品例	2004が使われる理由
自動車	構造用ブラケット、パフォーマンスサブフレーム	高い強度対重量比と優れた機械加工性による精密部品向け
海洋	フィッティング、非浸漬構造部材	保護・コーティングによる強度面の利点があり、過酷でない環境で使用される
航空宇宙	フィッティング、ランディングギア部品（非重要部位）	エージング後の高い比強度と疲労耐性
電子機器	ヒートシンク、構造用マウント	良好な熱伝導性と機械加工性の組み合わせ

2004は、より高い強度と機械加工性が追加の耐食保護を正当化する場合や、部品が最も過酷な環境から保護されている場合に採用されます。その機械的特性のバランスと加工のしやすさは、中程度の生産数量の精密部品にとって魅力的です。

選定のポイント

高い強度と優れた機械加工性を重視し、かつ耐食性がコーティングやクラッド、管理された環境によって補われる場合に2004を選択してください。加工による構造用部品や、荷重支持要件を満たすために熱処理による強化が必要な用途に特に適しています。

純アルミニウム（1100）と比較すると、2004ははるかに高い強度を持ちますが、電気伝導率は低く、一般的な成形性も劣ります。作業硬化合金の3003や5052に比べると、2004は引張強さおよび降伏強さが高い反面、耐食性と溶接性は劣ります。一般的な熱処理系合金である6061や6063と比較すると、2004は特定の調質でより高いピーク強度と加工性を示すことが多く、アルミニウム－マグネシウム－シリコン系合金の優れた耐食性や耐食と溶接性のバランスよりも、強度と疲労性能を重視する場合に好まれます。

実務上の選定ルールとしては、保護コーティングが可能な高強度の機械加工またはエージング処理部品には2004を使用し、耐食性と溶接性が重要な露出した海洋・建築用途には5xxx系や6xxx系合金を使用することを推奨します。

まとめ

合金2004は、析出硬化による優れた強度対重量比と高い機械加工性を発揮するため、設計者が耐食性低下および溶接制限に対処する適切な表面保護や組立方法を講じる限り、エンジニアリング用途で依然として有用な選択肢です。