アルミニウム2017：組成、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

Alloy 2017は2xxx系アルミ合金の一種であり、銅を含む熱処理可能な合金で、強度と剛性の向上を目的に最適化されています。主成分は銅で、微細組織を精錬し加工特性に影響を与えるマンガン、マグネシウムおよび微量元素が適量含まれています。

2017の強化は主に析出硬化（固溶処理、急冷、人工時効）と一部の調質では加工硬化によって達成されます。この合金は熱処理を受けない市販合金の多くよりもはるかに高い降伏強さおよび引張強さを実現しています。2017の主な特長は高い強度、適度な切削性、他のアルミニウム合金と比べて中程度の耐食性、最盛時効条件での成形性の限定的な性質であり、溶接性は5xxx系や6xxx系よりも難しく、熱影響部の軟化や熱割れを避けるための注意が必要です。

2017を使用する主な産業は航空宇宙（継手、鍛造品および構造部品）、防衛、輸送、精密加工部品、および切削性と高強度のバランスを必要とする一部の高強度消費材です。エンジニアは高い強度対重量比と良好な切削性が求められ、設計が集中的な耐食保護を可能にする場合や局所的な熱処理による強化が有利な場合に2017を選択します。

他のアルミファミリーと比較すると、2017は強度と疲労耐性を優先する場合により軟らかく成形性の高い合金より選ばれ、一方で切削性と予測可能な時効挙動が重要な設計条件の際にはより高強度だが靭性の低い合金よりも選択されます。

調質の種類

調質	強度レベル	伸び率	成形性	溶接性	備考
O	低い	高い	優秀	優秀	完全な焼なまし状態；成形のための最大の延性
T4	中～高	中程度	適度	低～中程度	固溶処理後自然時効；切削加工に適したバランス
T6	高い	低～中程度	限定的	低い	固溶処理後人工時効で最大強度
T651	高い	低～中程度	限定的	低い	張力除去伸張処理を施したT6；切削加工の安定性に使用
H14	中程度	低～中程度	限定的	低～中程度	半硬質の加工硬化；適度な強度向上が必要な用途に使用
H18	中～高	低い	限定的	低～中程度	加工硬化による全面硬化；特殊な板材用途に使用

調質は2017の強度と延性のトレードオフを強く制御します。焼なまし（O）状態は最大の成形性を提供し、深絞りや広範な冷間成形に適しています。一方、T6/T651は延びや曲げ性を犠牲にして合金の実用最大強度を追求します。

T4はOより高い強度を持ちつつ、T6の極端な硬さや靭性低下を回避できるため、切削加工用の調質として一般的に使用されます。Hシリーズ調質は板材やストリップに有用な段階的加工硬化強度を提供しますが、熱処理調質に比べ均一性はやや劣ります。

化学組成

元素	含有範囲（％）	備考
Si	≤ 0.12	脆い金属間化合物の発生を抑制し、溶湯流動性の影響を軽減
Fe	≤ 0.30	不純物元素；過剰なFeは延性低下を招く硬い金属間化合物を形成
Cu	3.5 – 4.5	主な強化元素；時効によりAl2Cu析出相を形成
Mn	0.3 – 0.9	結晶粒精錬および靭性向上；異方性の軽減に寄与
Mg	0.2 – 0.8	Cuと協調して析出硬化に寄与し、強度向上に貢献
Zn	≤ 0.25	微量元素；高Znは応力腐食割れ感受性を増加させる可能性あり
Cr	0.10 – 0.25	熱機械加工時の再結晶および結晶粒構造制御に寄与
Ti	≤ 0.15	鋳造および一次加工時の結晶粒細化剤として使用
その他	各 ≤ 0.05、合計 ≤ 0.15	微量元素および残存物を含む。残部はアルミニウム。

高銅含有量は2017の代表的な化学的特徴であり、熱処理可能性と高い析出強化能力の源です。マンガンとクロムは結晶粒精錬および強度・靭性の安定化を目的に管理され、マグネシウムは時効硬化速度を調整し全体的な強度に貢献します。

機械的性質

引張特性では、2017はT6およびT651調質でAl–Cu析出相の密集により高い最大引張強さとそれに対応する高い降伏強さを示します。最盛時効状態では伸び率が大幅に低下するため、延性が重要な設計ではT4またはO調質、あるいは応力除去や伸張処理により靭性回復を図ります。

硬さは調質によって変動し、焼なまし材は比較的軟らかく、T6では特定の作業条件下で中炭素鋼に匹敵するブリネルまたはビッカース硬さを示します。疲労性能は高い静的強度から恩恵を受けますが、表面欠陥、粗大な金属間化合物および腐食ピットによって損なわれることがあります。加工制御やショットピーニングにより疲労寿命の大幅な延長が可能です。

板厚や製品形状は冷却速度や結晶粒サイズを通じて機械的性質に影響します。薄肉部品は均一な急冷速度と一貫した時効反応を得やすい一方、厚肉の鍛造品や板材は軟化コアの残留を避けるために適切な熱処理サイクルを必要とします。

特性	O／焼なまし	代表的な調質（T6/T651）	備考
引張強さ（MPa）	約200 – 250	約420 – 490	T6は加工調質の代表値；断面厚さや時効条件に依存
降伏強さ（MPa）	約60 – 120	約330 – 370	熱処理で大幅に向上；厚肉部品では軟化コアにより降伏強さが低下する場合あり
伸び率（％）	約18 – 25	約6 – 12	焼なましは高延性；T6は低くなるが多数の切削部品で許容範囲内
硬さ（HB）	約30 – 60	約110 – 140	硬さ値は加工や時効処理により変動

物理的性質

特性	値	備考
密度	約2.78 g/cm³	高強度Al-Cu合金として典型的；合金元素の影響で純アルミニウムよりわずかに高い
融点範囲	約500 – 650 °C	銅などの合金元素により融解開始温度が低下；明確な融点はなし
熱伝導率	約120 – 150 W/m·K	純アルミより低いが、多くの熱管理用途に十分
電気伝導率	約28 – 35 % IACS	Cuやその他の溶質の影響で純アルミより低下
比熱	約0.90 kJ/kg·K（約900 J/kg·K）	アルミ合金の室温における典型値
熱膨張率	約23 – 24 µm/m·K	他のアルミ合金と同程度；複合材設計に有用

熱伝導率および電気伝導率は、溶質原子や析出相が電子やフォノンを散乱させるため純アルミに比べて低下しますが、2017は構造用導電部材として十分な導電性を保持しています。融点範囲や熱膨張挙動は、溶接や熱処理に際して歪みや残留応力に影響を与えるため注意が必要です。

製品形状

形状	代表的な厚さ/サイズ	強度特性	一般的な調質	備考
シート	0.3 – 6 mm	薄板で均一性が良好	O, H14, T4, T6	成形部品や機械加工品に広く使用される。短方向の特性が重要
プレート	6 – 150 mm	厚さの勾配が焼入れと時効に影響を与える	T4, T6, T651	厚板は長い固溶化時間と適切な焼入れ制御が必要で、芯部の軟化を防止
押出材	断面形状は多様	機械的異方性は押出比に依存	T4, T6	6xxx系に比べ制限はあるが、高強度プロファイルとして使用される
パイプ	外径 6 mm – 300 mm	薄肉管ではシートと同等の強度	T4, T6	機械加工性が求められる構造用や油圧部品に一般的
棒材/ロッド	直径 3 – 200 mm	T4で優れた切削性、T6で最高強度	T4, T6, O	ファスナー、継手、精密旋盤部品に使用

形状とサイズは最終特性に大きな影響を与えます。薄物は急冷が速く、通常目標強度に安定して到達しますが、厚板や押出材は熱処理パラメータの細かな管理が必要です。製品形状の選択は切削、接合、表面仕上げなどの後工程も考慮し、熱影響部の軟化や寸法公差維持を図ることが重要です。

同等グレード

規格	グレード	地域	備考
AA	2017 / 2017A	アメリカ	一般的な商業呼称。2017Aはより厳しい管理版
EN AW	2017A	ヨーロッパ	EN規格はAA 2017Aの組成・機械的性質と整合
JIS	A2017	日本	日本の呼称で、鍛造Al-Cu系合金の慣習に準拠
GB/T	2A12（概ね）	中国	中国国内でおおまかな同等品として使用されるが、正確な適合はミル証明書参照推奨

各地域の規格は機能的に同等の材料を目指すものの、微量元素の許容範囲、機械的性質の制限、命名規則に差異があります。重要な用途では必ず材料証明書を比較し、必要に応じて認証試験を行うことが望ましい。2017Aの「A」付番は化学組成の管理が厳密で、熱処理の反応や疲労特性の一貫性向上を意味します。

耐食性

2017の大気腐食耐性は中程度で、マグネシウム含有の5xxx系およびMg+Siを含む6xxx系合金より劣ります。銅を多く含む基材は局所腐食の発生しやすさを高め、保護がないと過酷環境下での耐食性を低下させます。工業大気や田舎環境では、適切なコーティングやアルマイト処理を施した2017部品は十分な耐用年数を提供できますが、局所的なピッティングや糸状腐食を仕上げやシール設計で考慮する必要があります。

海洋環境下では、2017はAl-Mg合金に劣ります。塩素イオンによるピッティングや隙間腐食が問題となり、犠牲陽極や被覆、陰極防食なしでは被害が大きくなります。応力腐食割れ（SCC）は高銅合金が温暖な塩水下で引張応力を受ける場合に知られているリスクで、SCC耐性が必要な設計では他の合金系列を選択するか厳格な腐食対策が必要です。

異種金属接触によるガルバニック作用も注意が必要です。2017は多くの鋼鉄に対しては陽極となりますが、高価なアルミ合金と厚い陽極被膜を持つものには陰極的に作用します。炭素鋼と組み合わせる場合には絶縁や保護措置が必須です。1xxx系や3xxx系合金と比較すると、2017は耐食性を犠牲にして高強度を実現しているため、表面処理や使用環境に応じた選択が求められます。

加工特性

溶接性
2017は銅含有量と溶融溶接での熱割れ傾向のため、5xxx系および6xxx系合金に比べて溶接は難しいです。TIGやMIG溶接は、パラメータ調整と適切な溶接棒使用（一般的に4043または5356で割れリスク低減）で可能ですが、熱影響部（HAZ）はピーク時効状態の母材より軟化しやすく、溶接後熱処理や機械的補強が必要となることがあります。

切削性
2017は高強度アルミ合金の中では比較的優れた切削性を持ち、とくにT4やO調質での加工性が良好です。炭化物工具を用い、高送りで切削しても良好な表面仕上げと工具寿命が得られます。推奨工具は陽面角を持ち、剛性の高いセットアップ、チップ排出のための冷却液またはエアブローを使用し、表面の加工硬化を防ぐため中速での切削が有効です。切り屑形態は通常連続性ですが、Mnリッチな介在物がある場合はひも状切り屑ができることがあります。

成形性
冷間成形はOおよびT4調質で最も容易で、伸び率や曲げ適性が高いです。最小曲げ半径は調質と厚さにより異なりますが、1100系のような軟鋼より大きくなります。深絞りや複雑成形では事前の焼鈍が一般的で、高強度のT6などではスプリングバックが大きいため設計段階で考慮が必要です。ウォーム成形技術を用いることで、最終強度を犠牲にせず成形性を延ばすことも可能です。

熱処理挙動

2017は熱処理可能なAl-Cu合金として、古典的な析出硬化機構に従います。固溶化処理によりCuリッチ相が過飽和固溶体に溶解し、急冷でその状態を保持します。続いて制御された時効により強化相であるAl2Cuなどが析出します。代表的な固溶化温度は495〜535 °Cで、厚みや加工形態により異なり、粗大な介在物形成を抑制するため急冷は室温まで行います。

T6調質は通常160〜190 °Cの範囲で数時間の人工時効で実現します。T4調質は急冷後の自然時効により強度増加しますが、達成に時間がかかり、人工時効よりピーク強度は低くなります。厚み、先行冷間加工、微量元素変動により最適なT-T-T（時間-温度-変態）条件が変わります。過時効処理は強度を低減する一方で靭性や耐食性を向上させる場合もあります。

非熱処理型の加工硬化調質（H調質）は全面的な固溶化・時効サイクルを経ずに中間的な強度レベルを実現できます。焼鈍（O調質）は延性回復に用いられ、成形前処理として重要です。溶接後の局所修正は部位ごとの固溶化時効処理を要するか、設計でHAZ軟化を許容する必要があります。

高温特性

2017の使用温度は通常の時効温度以下に制限されます。高温曝露は析出相の粗大化と強度の漸減を引き起こします。約150 °C以上の長期使用はピーク時効状態の強度を低下させ、低降伏・引張強さの過時効状態に安定化させるため、部品が高温環境に曝される場合は設計に反映が必要です。

通常大気下ではアルミ酸化膜により酸化は主な破壊モードにはなりませんが、高温ではスケーリングや合金元素の拡散促進により表面近傍の特性が変化することがあります。溶接部では熱影響部の軟化と熱負荷下の強度低下が全体酸化以上に問題となる場合が多く、高温環境では熱管理や代替合金の選択が求められます。

用途

業界	例示部品	2017を用いる理由
航空宇宙	継手、ブラケット、鍛造品	高い強度対重量比と良好な疲労性・加工性のバランス
防衛	構造用マウント、ハウジング	加工性に優れ、高強度で精密部品に適する
自動車	高強度切削部品	切削生産性と小型部品の軽量化を両立
電子機器	構造フレーム、コネクタ	シャーシ用途に適した熱伝導性と剛性
一般商用	ファスナー、リベット、カップリング	熱処理後の強度と寸法安定性

2017は機械加工部品で高い静的・疲労強度と優れた加工性、熱処理後の寸法安定性を求められる用途に適します。特に高強度の代替品が脆弱すぎたり加工コストが高すぎる中小構造部品において価値があります。

選定のポイント

設計で純アルミより高強度かつ加工性を重視し、適切な表面保護やアルマイト処理により中程度の耐食性リスクが軽減できる場合には2017を選択してください。精密加工継手、航空宇宙用ブラケット、熱処理で性能調整できる構造部品に適した材料です。

商業用純アルミニウム（1100）と比較すると、2017は電気および熱伝導率や成形性を犠牲にして、はるかに高い強度と優れた疲労耐性を実現しています。導電性や最大の成形性が最優先の場合は1100を使用してください。3003や5052のような加工硬化合金と比べると、2017は強度が高く、加工性に優れていますが、その代わりに耐食性が低下し、接合条件がより複雑になります。

6061や6063のような一般的な熱処理可能合金と比較すると、2017は最大の加工性と特定の析出強化反応を重視する用途に適しています。6xxx系合金の幅広い耐食性や溶接性が必須でない場合に選択されます。Cu系析出とそれに伴う機械的性質が重要で、かつ表面保護が確保できる用途には2017が推奨されます。

まとめ

2017合金は、高い析出強化効果、予測可能な時効反応、優れた加工性を組み合わせているため、高性能な構造部品や精密部品での用途において依然として有用です。適切な耐食保護および厳密に管理された熱処理と併用することで、2017は航空宇宙、防衛、高強度商用用途におけるコスト効果の高い軽量高強度性能を設計者に提供します。