アルミニウム2018：組成、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

Alloy 2018は2xxx系アルミニウム合金の一種で、主要合金元素として銅を含むことが特徴です。2xxx系合金は析出硬化による高強度で知られており、2018は銅含有量が高く、さらにマンガン、鉄、マグネシウムが適切に制御されて強度や靭性を調整しています。

2018は熱処理可能な合金で、固溶体化熱処理、急冷、人工時効によりAl2Cuおよび関連相の析出を促して強化されます。一部の調質では加工硬化も強化に寄与します。この合金は高い静的強度と良好な加工性を持ちますが、多くの5xxx系や6xxx系合金と比べると耐食性がやや劣り、溶接性も限定的です。

2018が使われる代表的な分野は、航空機用部品や構造材、軍需品、治具・工具、そして重量あたりの強度が重要であり、耐食性がクラッドやコーティングで管理可能な高強度自動車部品などです。エンジニアは、高強度や時効後の良好な靱性、加工性の組み合わせが、大気環境や海水環境での耐食性および溶接性の制約を上回ると判断した場合に2018を選択します。

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	高	優秀	優秀	完全焼なまし；成形やろう付けに最適
H14	中程度	低〜中程度	可	悪い	加工硬化；延性は限定的
T3	中〜高	中程度	可	悪い	固溶化熱処理後冷間加工、自然時効
T4	中〜高	中程度	可	悪い	固溶化熱処理後自然時効
T5	高	低〜中程度	制限あり	悪い	高温から冷却後、人工時効
T6	高	低〜中程度	制限あり	悪い	固溶化熱処理後、人工時効による最高強度
T651	高	低〜中程度	制限あり	悪い	T6に応力除去用の伸張加工を加え変形抑制

調質は2018の特性に大きく影響します。銅を多く含む析出物が強度と靱性を制御するため、焼なまし（O）は成形工程に適し、最大強度と寸法安定性が必要な場合はT6/T651が用いられますが、その分延性は低下します。

工程（時効前の冷間加工、伸張矯正など）は残留応力や疲労寿命にも影響するため、調質指定は製造と使用条件に合致させ、過剰設計や不足設計を避ける必要があります。

化学成分

元素	含有範囲（%）	備考
Si	最大0.15	不純物；シリコン低減は脆い金属間化合物の抑制に有効
Fe	0.5–1.2	不純物；強度向上だが延性低下の可能性あり
Mn	0.4–1.0	粒子構造制御と靱性向上
Mg	0.2–0.8	銅との相乗効果で時効硬化に寄与
Cu	3.5–5.0	主要強化元素（Al2Cu析出物形成）
Zn	最大0.25	微量；強度への寄与は限定的
Cr	0.1–0.3	粒界制御と再結晶抑制
Ti	0.05–0.20	圧延品の粒細化剤
その他 / Al バランス	バランス	残留元素と微量元素；アルミニウムが残りを占める

2018の性能は銅含有量に大きく依存し、析出硬化と高い時効強度を実現します。マンガンやクロムは粒子制御と熱変動や加工による機械的特性の安定化に寄与し、鉄やシリコンは脆化の原因となる有害な金属間化合物を抑制するために管理されています。

機械的性質

ピーク時効調質（T6/T651）において、2018は多くの圧延アルミ合金に対して高い引張強さと良好な降伏強さを示し、高負荷の構造部品に適しています。ピーク調質での伸びは制限されますが、多くの加工や軽度の成形部品には十分なレベルです。疲労強度は適切ですが、表面仕上げや腐食状態に敏感です。

焼なまし（O）状態の2018は、はるかに延性が高く、降伏・引張強さは低いですが、成形や曲げ加工には適しており、構造用途ではその後の熱処理が必須です。板厚は降伏強さおよび引張強さに影響し、厚板は均一な固溶体化が困難で時効反応が低下したり、部位ごとに特性の違いが生じることがあります。

ピーク調質では硬さがO状態に比べて大幅に向上し、引張特性と相関します。ただし、溶接の熱影響部（HAZ）や高温での過時効により硬さと強度は低下します。鋳造や時効の2018の疲労初期割れは多くの場合、加工傷や腐食ピットから発生するため、表面処理や割れ停止設計が重要です。

特性	O/焼なまし	代表的調質（例：T6/T651）	備考
引張強さ	約200–260 MPa	約430–520 MPa	T6は析出物強化によりUTSが大幅に向上
降伏強さ	約70–150 MPa	約320–380 MPa	時効で降伏上昇；一部のH調質では冷間加工で更に増加
伸び	20%以上	約6–12%	ピーク調質で延性低下；板厚に依存
硬さ（ブリネル）	約40–60 HB	約110–140 HB	引張特性と相関；溶接後の熱影響部軟化に注意

物理的性質

特性	値	備考
密度	約2.78–2.82 g/cm³	銅含有により純アルミよりやや高い
融点範囲	約500–635 °C	固相線から液相線までの範囲；単一温度で融けない
熱伝導率	約120–150 W/m·K	純アルミより低く、銅が低下要因
電気伝導率	約20–35% IACS	1xxx系合金と比べ銅含有により低下
比熱	約0.88–0.92 J/g·K	他のアルミ合金とほぼ同等；温度による差異は小さい
熱膨張率	約23–24 µm/m·K（20–100°C）	他のアルミ合金と比較可能；熱サイクル設計上重要

2018の熱・電気輸送特性は銅や他の合金元素の影響で純アルミより低下しており、熱管理目的での選択時には他の合金や銅素材の方が適するケースがあります。

融点・凝固特性は熱処理や溶接に影響を与え、融解範囲が広いため溶接時の熱割れ発生リスクが高く、固溶体化時の加熱・冷却条件も慎重に管理する必要があります。

製品形態

形態	代表的厚み／サイズ	強度挙動	主な調質	備考
板材	0.5–6 mm	T6で良好；成形にはO調質	O, T3, T4, T6, T651	機械加工部品や小型構造材に広く使用
厚板	6 mm超～150 mm以上	熱処理の断面感受性あり	可能な範囲でO、T6	厚板は均一な時効が困難
押出形材	形状依存	軸方向強度良好；時効硬化可能	時効後T6	熱間加工性と銅相の溶解が制限要因
チューブ	各種径・肉厚	時効後は押出形材に類似	O、T6	強度が必要な構造用パイプや継手に使用
棒材／丸棒	数mm径～150 mm径	時効状態で良好な機械加工性	O、T3、T6	旋盤加工部品やファスナーに一般的

製品形態や加工ルートは機械的特性に大きな影響を与えます。断面サイズや冷却速度に応じて熱処理効果が異なるため、板材や薄押出材は厚板より均一な固溶化および時効処理が可能であり、製品形態は加工および最終的な強度要件に応じて選択すべきです。

時効前の冷間加工（T3）は寸法安定性と最終強度のトレードオフを提供し、O調質は複雑な成形に適しています。設計者は厚材の固溶処理など供給者の加工能力と使用荷重を考慮して調質を決定する必要があります。

等価鋼種

規格	鋼種	地域	備考
AA	2018	USA	Primary Aluminum Association指定
EN AW	2018 / 2018A	ヨーロッパ	EN AW-2018Aと表記されることが多く、化学成分や機械的性質の許容差異がある場合がある
JIS	A2018	日本	不純物限界や焼きなまし状態に地域特有の差異がある
GB/T	2A01	中国	中国規格の指定。仕様の確認なしに相互交換は制限される

等価な指定は存在しますが、微量合金の限界、不純物許容範囲、焼きなまし状態の仕様は規格によって異なります。材料の機械的性質や熱処理反応が一致することを保証するため、異なる地域で調達された場合は正確な規格および鋼板証明書を参照する必要があります。

耐食性

2018合金は銅含有量の影響により、一般的な大気腐食および孔食耐性が5xxx系や6xxx系合金に比べて大幅に低く、局所腐食や粒界腐食を促進します。海洋環境や塩化物を含む大気中では無保護の2018は孔食や隙間腐食を起こしやすく、長期使用にはクラッド（アルクラッド）や強固な塗装が通常必要です。

また銅含有量が低い合金と比べて応力腐食割れ（SCC）にも脆弱であり、とくに高強度の焼き入れ状態で腐食環境下の引張応力が加わると発生しやすいです。異種材料とのガルバニック作用も考慮すべきで、2018はステンレス鋼や銅ニッケル合金に対して陽極となり、導電性環境で電気的に接続されるとガルバニ電流が発生します。

腐食環境が避けられない用途では、塗装、陰極防食、非導電性締結部材による絶縁、クラッド製品の指定などの設計上の対策が一般的に取られます。比較的に6xxx系合金は溶接性と耐食性に優れる反面、最高強度はやや低いため合金選択時のトレードオフとなります。

加工特性

溶接性

2018の融接は銅含有によるマトリックスの影響で困難が多く、溶接時に割れや孔洞の発生が増加します。高負荷構造物には通常、融接は避けられ、機械的結合、適切なフラックスを用いたろう付け、熱影響部（HAZ）の軟化や割れを大幅に低減する摩擦攪拌溶接が採用されます。溶接が必要な場合は、Al-Cu系の溶接棒（たとえば2319や4043系、用途に応じて）を用い、厳密な事前・事後加熱管理を行い、溶接熱影響部の局所的な機械的性質低下を想定します。

切削加工性

2018は高強度アルミ合金中で機械加工性が良好から非常に良好と評価されます。2xxx系の時効合金は切削時のチップ形成が安定的で、炭化物工具の使用、正ピッチの刃、剛性の高いセットアップ、フラッドクーラントとチップブレーカーによりビルドアップエッジや寸法精度の管理が容易です。仕上げ加工には中高速から高速切削速度と浅切り込みで、工作硬化領域においては断続切削用工具が多用されます。

成形性

2018の成形性は焼きなまし状態に強く依存し、O状態は良好な曲げ半径と伸び加工性を示します。一方、T6/T651状態では延性が制限され大きな曲げ半径が必要です。曲げ加工はO状態では材料厚みの約1〜2倍の内側半径が実用的な目安であり、ピーク時効状態では3倍以上の厚みが必要な場合が多く、金型設計の工夫が求められます。複雑な成形が必要で高強度状態での使用が想定されるならば、O状態で成形後、溶体化処理と時効処理を行う方法もありますが、歪み管理や後工程の軟化に注意が必要です。

熱処理挙動

2018はCuリッチ相をアルミマトリックス内に溶解させるため溶体化処理が行われます。処理温度は板厚や箔・板材特性により異なりますが概ね500〜535 °Cの範囲です。均一な加熱と急冷が重要で、急冷速度が遅いと厚板で粗大な析出物が形成され、後の時効硬化効果が減少します。

人工時効（T6）は一般に150〜190 °Cの範囲で数時間実施され、微細なAl2Cu析出を促進して降伏強さや引張強さを向上させます。時効条件はピーク強度と靭性のバランス、過剰時効の回避を考慮して選定されます。過剰時効や使用中の高温曝露は析出物の粗大化と硬さ・強度の低下を招き、T4状態に近い性質に移行します。

焼きなまし状態は処理履歴を反映し、T3は溶体化処理後の冷間加工および自然時効、T4は溶体化処理後の自然時効を示します。焼きなまし状態の変更（たとえばT6パーツの再溶体化処理）は時効時計をリセットしますが、歪みや組織変化を伴うことが多く、高精度部品では後工程での矯正や応力除去処理（T651）が一般的に指定されます。

高温特性

2018は温度上昇に伴い強度が大幅に低下します。理由は時効硬化を担う微細析出物が120〜200 °C付近（時効状態や温度曝露時間に依存）で粗大化したり溶解するためです。そのため長期耐熱使用は中程度の温度に制限され、150 °Cを超える連続使用が予想される部品はクリープや降伏強さ低下の評価が必要です。

高温時の酸化は他のアルミ合金と同様に受動的なアルミナ層を形成しますが、熱および腐食の複合環境（例：高温塩水噴霧）では劣化が加速されます。溶接による熱影響部（HAZ）は高温サービスでの強度低下や粒成長に特に脆弱のため、設計マージンや後処理の考慮が必要です。

用途例

業界	代表部品	2018を使用する理由
航空宇宙	継手、ブラケット、ファスナー	時効状態での高い強度対重量比と良好な靭性
軍需・防衛	構造用ハードウェア、マウント	高静的強度と重要部品向けの機械加工性
自動車	高強度切削加工ブラケット、治具	腐食管理下での強度と良好な機械加工性
治具・固定具	ジグ、金型、マンドレル	寸法安定性（T651）および耐摩耗性の硬さ
電子機器	特定の構造フレーム	小型構造部材向けの剛性と強度

2018はピーク時効強度、機械加工性、静荷重での安定した機械的特性を要求され、腐食環境を抑制可能な用途に選ばれます。耐食寿命延長のため、塗装、クラッド加工、管理された環境下使用が一般的です。

選択のポイント

2018と低合金または純アルミニウム材との比較ではトレードオフは明確で、1100系と比べ電気伝導性や熱伝導性・成形性を犠牲にして大幅な強度向上を実現し、機械加工部品の荷重保持に役立ちます。

3003や5052などの加工硬化系合金と比べると、2018は最高強度と加工性が大幅に優れますが、耐食性と溶接性は劣ります。耐食性よりも強度と疲労寿命を重視する場合に適しています。

6061や6063などの熱処理型合金と比べると、2018は特定の焼きなまし状態で同等あるいは高強度を発揮し、機械加工の多い部品で有利です。しかし6061は溶接性、耐食性、時効応答の寛容性に優れ、Al-Cu析出強化特性が必要な場合のみ2018が選択されます。

まとめ

合金2018は高い静的強度、安定した時効応答、優れた機械加工性が選定基準となり、腐食や溶接の課題が設計やクラッド・塗装によって管理できるケースで有効です。航空宇宙、防衛、特殊工業用途において、Al–Cu析出硬化系の機械的性能を他の加工アルミ合金で容易に達成できない領域でその役割を果たしています。