アルミニウム2024：組成、特性、テンパーガイドおよび用途

総合概要

2024は2xxxシリーズのアルミニウム銅合金であり、歴史的に高強度の構造用途向けに開発されました。主要な合金元素として銅を使用し、微細組織の調整と析出硬化を支援するためにマグネシウムとマンガンを含みます。

本材料は熱処理可能な合金であり、固溶処理、焼入れ、人工時効によりAl2Cu（θ′）の微細析出物を生成して強度を得ます。多くの他のアルミ合金と比べて高い強度レベルを有しますが、一般的な耐食性は中程度から低く、特別な処理なしには溶接性も限られています。

主な特徴は高い強度重量比、適切に処理された場合の優れた疲労抵抗、強い硬さ状態では成形性の低下、一部環境における応力腐食割れへの感受性です。典型的な用途分野は航空宇宙、防衛、高性能自動車、及び成形のしやすさよりも剛性と高強度が重視されるその他の構造用途です。

2024は、薄板から中厚板部品において最大限の構造強度と破壊・疲労抵抗が求められ、かつコーティングで保護できるか厳しい腐食環境を避けて設計できる場合にエンジニアから選ばれます。負荷に対する剛性と疲労寿命が材料選定の決め手となる場合、しばしば他の合金を凌駕する性能を示します。

調質のバリエーション

調質	強度レベル	伸び	成形性	溶接性	備考
O	低	高	優秀	優秀	最大延性を得るための完全焼なまし状態
H14	中	低～中	限定的	低	制御された程度の加工硬化により延性減少
T3	高	中	限定的	低	固溶熱処理後、冷間加工・自然時効
T4	高	中	限定的	低	固溶熱処理後、自然時効（成形中に軟化）
T6	非常に高い	低～中	劣る	劣る	固溶熱処理後、人工時効で最高強度に達する
T351	非常に高い	低～中	劣る	劣る	固溶処理後、伸張による応力除去、自然時効
T651	非常に高い	低～中	劣る	劣る	固溶処理後、制御された伸張による応力除去、人工時効

2024の強度と延性のトレードオフは調質によって大きく左右されます。T6やT651のようなピーク時効状態は最高の引張強さと降伏強さを示しますが、伸びが減少し成形加工が制限されます。

加工時には、成形・加工が必要な場合、O状態や軽度の加工硬化状態（H系）が用いられ、後から強度を上げるために固溶処理と時効処理を行うことがあります。調質の選択は残留応力、疲労挙動、応力腐食割れ（SCC）の感受性にも影響するため、航空宇宙用途ではT351やT651のような制御された調質がよく使われます。

化学成分

元素	含有範囲（％）	備考
Si	≤ 0.5	不純物元素。高濃度は耐食性と靭性を低下させる。
Fe	≤ 0.5	鉄は延性と靭性を下げる硬質の間金属化合物を形成。
Mn	0.30–0.90	結晶粒制御、強度と破壊靭性の向上に寄与。
Mg	1.2–1.8	銅とともに析出硬化を促進し、強度を向上。
Cu	3.8–4.9	主要強化元素。強度を高め耐食性を低下させる。
Zn	≤ 0.25	微量不純物。過剰なZnはSCC抵抗性を低下させる。
Cr	0.04–0.35	結晶粒制御と再結晶挙動の調整。
Ti	≤ 0.15	鋳造・インゴット処理時の結晶粒微細化剤。
その他	各≤ 0.15; バランスAl	微量添加元素。アルミニウムが合金のバランス。

本合金の機械的特性と耐食性は主にCu–Mgの組み合わせによって決まり、Al2Cuおよび関連析出物による時効硬化を可能にします。CrおよびMnは結晶粒制御と過度の再結晶抑制を担い、靭性や疲労性能を向上させます。SiやFeなどの微量不純物は、成形性と破壊挙動を悪化させる脆い間金属化合物を形成するため制限されています。

機械的性質

2024の引張挙動は、ピーク時効調質で高い最大引張強度と比較的高い降伏強さを特徴とします。析出物が細かく分散するT6やT351変種でこれらの強度が最大化されます。強度が上がると伸びは減少し、典型的な延性は多くの構造設計には十分ですが、深絞りや伸ばし成形などの激しい成形には限界があります。

硬さは調質に密接に連動し、焼なまし状態からピーク時効状態に移行するとBrinell硬さやビッカース硬さは倍増以上します。疲労抵抗性は、同等の静的強度の他の多くのアルミ合金に比べて一般的に優れており、特に表面仕上げが良好で腐食保護されている場合に顕著です。厚みは機械的応答に影響を与え、薄板は硬化しやすく疲労耐久性が高くなる一方、厚板は均一な固溶処理が難しく最大特性が低下することがあります。

特性	O/焼なまし	主要調質（例：T351/T6）	備考
引張強さ（MPa）	280–350	430–505	ピーク時効状態で上限域に達する。製品形状や板厚で数値は変動。
降伏強さ（0.2%オフセット、MPa）	125–200	300–390	時効後に降伏強さが大幅増加。板厚方向に繰り返し変動が生じることもある。
伸び（％）	18–30	8–16	高強度調質や厚板で延性が減少。
硬さ（HB）	55–75	115–140	析出物密度と調質に比例して硬さが増加。

物理的性質

特性	値	備考
密度	2.78 g/cm³	2xxxシリーズアルミ合金の典型的な密度
融点範囲	固相線約500–515 °C; 液相線約640–650 °C	Al–Cu合金の典型的な融解範囲。はんだ付けや溶接では熱割れに注意が必要。
熱伝導率	約120 W/m·K	純アルミニウムより低い。合金元素の影響。
電気伝導率	約30–35 %IACS（約18–20 MS/m）	純アルミニウムの約3分の1の伝導率。
比熱	約0.88 J/g·K（880 J/kg·K）	温度に依存。熱設計時に使用。
熱膨張係数	約23.2 μm/m·K（20–100 °C範囲）	他のアルミ合金と類似。熱サイクル設計に重要。

2024の熱伝導率および電気伝導率は純アルミニウムより低く、これは銅やその他溶質元素による電子とフォノンの散乱の結果です。密度と熱膨張はアルミニウム構造用合金として典型的で、軽量設計が可能ですが異種材料接合時は熱膨張差に注意が必要です。

融点範囲と熱割れの感受性から、溶接・はんだ付け時には制御された熱サイクルが必要です。また比較的高い熱伝導率のため、局所加熱加工にはより高い熱入力が求められます。

製品形態

形態	代表的な厚み/サイズ	強度特性	一般的な硬質状態	備考
シート	0.2–6.0 mm	均一な薄板の反応性が高く、時効硬化性に優れる	O, T3, T351, T6	航空機の外板や付属部品に広く使用される
プレート	6.0 mm超～150–250 mmまで	均一な固溶処理が困難で、冷却速度が特性に影響を与える	O, T351, T6	厚板は特殊な固溶処理設備を必要とする
押出材	最大直径200 mmの断面形状	時効後の析出硬化があり、断面形状に依存する	O, T3, T6	6061押出材より使用頻度は低いが、高強度プロファイルに用いられる
チューブ	薄肉から中肉管	肉厚と硬質状態により強度が変化する	O, T3, T6	構造用パイプや航空宇宙の油圧ライン（コーティング有り）に使用
バー／ロッド	最大直径300 mmまで	小断面で均質性が高い	O, T3, T6	鍛造品や高強度を必要とする機械加工部品に用いられる

シートや薄物は固溶処理と焼入れに迅速に反応し、安定したピーク特性と良好な疲労性能を実現します。一方、プレートや大断面押出材は焼入れが難しく、特別なプロセス管理がなければ同じピーク強度を出せないことが多いため、設計時には特性のばらつきを考慮する必要があります。製品形態は許容される硬質状態や生産時の成形性、溶接性、加工性に大きく影響します。

対応鋼種（等価グレード）

規格	グレード	地域	備考
AA	2024	USA	ASTM/AAの指定で、仕様の共通基準となる
EN AW	2024	ヨーロッパ	AlCu4Mg1と呼ばれることが多く、化学組成・硬質状態はEN規格に準拠
JIS	A2017 / A2024（概ね）	日本	近似等価だがCu／Mg含有量などが若干異なるJIS合金あり
GB/T	2A12	中国	2024系合金の一般的な中国等価品。硬質状態表記も類似

等価表記は存在しますが、加工履歴、許容不純物限度、硬質状態の定義は地域やメーカにより異なります。航空宇宙用や安全性が重要な部品では、単に名目上の合金番号に頼らず、正確な規格仕様や硬質状態を確かめることが重要です。不純物管理や製造工程の細かな差異が、応力腐食割れ（SCC）感受性、疲労寿命、機械加工性に影響を与えます。

耐食性

2024は純アルミやマグネシウム含有合金に比べて大気中での耐食性は中程度ですが、多くのAl-Mg系（5xxx）やAl-Mg-Si系（6xxx）合金よりは腐食に敏感です。高銅含有により自然な不動態皮膜が減少し、湿潤乾燥の繰り返しや塩化物環境では一般腐食が進行しやすく、保護コーティングやクラッド処理がないと耐久性が低下します。

海洋性や塩化物曝露環境では、被覆されていない2024は局部腐食やピッチングが発生しやすいです。さらに、アルミニウム-銅合金は、ピーク時効硬化状態で応力腐食割れ（SCC）に対して感受性が高いことが知られています。設計・メンテナンス上の対策としては、硬質状態の管理、純アルミによるクラッド、バリアーコーティングなどが一般的で、SCCやピッチングの抑制に役立ちます。

2024はステンレス鋼や銅などのより貴な金属と接触するとガルバニック腐食が発生しやすいため、絶縁処理や犠牲陽極の使用が通常行われます。5052など5xxx合金と比較すると、耐食性を犠牲にして強度を高めており、長期使用にはより厳密な環境対策が必要です。

加工特性

溶接性

2024は高強度硬質状態では銅リッチな析出物のため溶接割れ（ホットクラック）が起こりやすく、溶接部は析出物の溶解により軟化しがちで溶接が難しいです。構造部品のMIG/TIG溶接は一般的に避けられ、必要な場合は専用の溶接棒（例：2319や同系Al-Cu系フィラー）と溶接後熱処理を行います。航空宇宙分野では抵抗溶接や機械的締結が主流です。

機械加工性

2024は高強度アルミの中では比較的加工性が良く、T3/T6状態で良好な切りくず制御と高い切削速度が可能です。炭化物工具で適切な送り角と冷却を使用すると、付着や二次加工硬化を防げます。機械加工指数は鉄鋼に対して高めですが、自在に切削できる自由加工アルミ合金にはやや劣るため、硬質状態や部品の剛性に応じて切削条件を調整します。

成形性

成形性は焼なましO硬質状態で最良で、強度増加に従い大幅に低下します。比較的軟らかい硬質状態では曲げや浅絞りが可能で、薄板の場合は小さい曲げ半径にも対応しますが、深絞りや複雑な引き伸ばし成形はT6やT351で制限されます。複雑形状が必要な場合は軟らかい硬質状態で成形後、固溶・時効処理を行うか、より成形性に優れた合金を選択するのが一般的です。

熱処理挙動

2024は古典的な熱処理性合金で、固溶処理、焼入れ、人工時効に反応します。固溶処理はCuとMgを固溶体として溶解させる目的で、通常495～505 °Cの範囲で実施し、急冷して過飽和状態のマトリックスを保持します。その後、160～190 °C程度の温度で人工時効（析出硬化）を行い、T6やT651などの所望の硬質状態を得ます。

硬質状態の遷移は重要で、過時効は強度低下を招きますがSCC耐性や靭性の向上には寄与します。一方、未時効は硬度と強度が不足します。航空機部品では、浸漬時間、冷却速度、時効サイクルを厳密に管理して繰返し良好な特性を実現し、残留応力や変形を最小化します。厚板は組織の偏析を防ぎ、断面全体に適切な析出が行われるよう熱処理条件を調整します。

高温特性

2024は多くの耐熱性アルミ合金に比べて温度上昇に伴う強度低下が早く、実用的な設計温度上限は150 °C以下の継続荷重が目安です。100～150 °C以上では析出物の粗大化が進み軟化し、降伏強さが低下するため、高温構造用途には不適です。酸化は一部の耐熱合金ほど激しくはありませんが、熱サイクル環境では表面劣化を防ぐための保護コーティングが推奨されます。

溶接熱影響部は過時効や析出物溶解により局部的に強度と疲労耐性が低下します。過渡的な高温環境を受ける部品は許容応力低下や腐食促進を考慮した設計が必要です。

用途例

産業分野	代表部品	2024を選ぶ理由
航空宇宙	胴体および翼付属部品、鍛造品、リベット周囲構造	高い強度対重量比と優れた疲労耐性
海洋	構造部品および付属品（塗装またはクラッド有り）	耐腐食制御下での強度および疲労寿命
自動車	高性能構造ブラケット、サスペンション部品	高静的強度および疲労強度による軽量性能部品
電子機器	フレームや機械的支持部材	中程度の熱伝導性を持つ剛性の高い軽量構造

2024は構造的な安全性と疲労抵抗が重要な航空宇宙用途で広く使用されており、保護仕上げやクラッドにより耐環境性を確保できます。機械的性能と管理された硬質状態での安定供給が規制産業のミッションクリティカルなハードウェアに適しています。

選定のポイント

成形容易性や環境耐久性よりも構造強度と疲労耐性を優先する場合に2024を選択してください。ケーシングやクラッド、設計対策により腐食やSCCリスクを低減できる高荷重薄板用途に理想的です。

純アルミ（1100など）と比較すると、2024は電気・熱伝導率や成形性を犠牲にして大幅に高い強度とより良好な疲労性能を提供します。3003や5052などの加工硬化型合金と比べると、圧倒的に高い静的強度を持ちますが、より厳しい腐食保護が必要で延性は低くなります。6061のような他の熱処理型合金と比較すると、多くの硬質状態でより高い疲労強度と破壊靭性を示しますが、6061は溶接性や一般耐食性が優れるため、ピークの構造強度と疲労寿命が最優先の場合に2024を選んでください。

まとめ

2024アルミニウム合金は、高強度かつ疲労が重要視される用途で、軽量化が求められ、さらに環境対策が可能な場合に依然として重要な選択肢です。熱処理が可能な特性と十分に理解された金属組織により、航空宇宙産業をはじめとする厳しい環境下で安定した高性能を発揮し、より耐食性に優れた、または溶接性に優れた代替材料がある中でもその重要性を維持しています。