Aluminum 2118：成分、特性、調質ガイドおよび用途
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包括的な概要
Alloy 2118は銅を主な合金元素とする2xxx系アルミニウム銅合金に属します。この系列は熱処理可能で、時効硬化によって高強度を発揮するよう設計されており、銅および微量元素の配合によりエイジング時に強化析出物が形成されます。
2118の主要な合金元素は銅であり、これにマグネシウム、マンガン、さらに鉄、シリコン、クロム、チタンなどの微量元素が加わっています。この組み合わせにより、非熱処理型や商業純アルミニウムと比較して高い比強度と優れた疲労耐性が得られます。
強化は主に固溶化処理、焼入れ、人工時効によってAl2Cuを基とした細かい析出物を生成することで実現されます。これにより、加工硬化合金よりも高いピーク強度が得られますが、熱による影響を受けやすい性質にもなります。主な特長としては、高い引張強さと疲労強度、適度な耐食性（厳しい環境下では保護コーティングが必要）、および5xxxや6xxx系合金に比べ限られた溶接性が挙げられ、適切な手順やフィラー材の使用が推奨されます。
2118を使用する代表的な産業分野は、航空宇宙の構造部品やファスナー、高性能自動車部品、強度対重量比や疲労寿命が重要な特殊な海洋・防衛用途です。設計者は1100、3003、5052などの一般的な合金よりも高い強度と疲労性能が求められる場合に2118を選択し、7xxx系合金の優れたピーク強度が不要で、かつ2xxx系合金特有の靭性や破壊挙動が求められる場合に使用します。
調質バリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、最大の延性と成形性 |
| H14 | 中低 | 中程度 | 良好 | 普通 | 引張加工による中程度の強度向上 |
| T4 | 中 | 中高 | 良好 | 普通 | 固溶処理後自然時効；追加成形に適したバランス |
| T5 | 中高 | 中 | 普通～良好 | 普通 | 高温からの冷却後人工時効により強度付与 |
| T6 | 高 | 低～中 | 限定的 | 不良～普通 | 固溶化処理後人工時効でピーク強度達成；一般的工学調質 |
| T651 | 高 | 低～中 | 限定的 | 不良～普通 | 固溶化処理後応力除去伸ばし加工を施し、人工時効で寸法安定性向上 |
調質は2118の強度と成形性のバランスに大きく影響を与えます。熱処理の工程が析出物の大きさ、分布、整合性を制御するためです。OおよびH系は成形や引抜きが優先される場合に使われ、T6/T651は強度と疲労性能が設計上の主要要件の場合に選択されます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 最大0.2 | 延性維持のため脆い金属間化合物の抑制に低濃度で管理 |
| Fe | 最大0.5 | 機械加工性と疲労に影響する金属間化合物形成の不純物 |
| Mn | 0.3～0.9 | 強度、結晶粒構造、再結晶抑制を改善 |
| Mg | 0.2～1.0 | 銅と共に析出強化に寄与し靭性を向上 |
| Cu | 3.5～5.0 | 主な強化元素；時効硬化能を制御 |
| Zn | 最大0.25 | 微量、過剰な時効硬化の複雑化を避けるため低濃度に管理 |
| Cr | 0.05～0.25 | 微量合金元素として粒子微細化および加熱時特性安定化に寄与 |
| Ti | 0.02～0.12 | 鋳造・押出時の結晶粒径制御の粒細化剤 |
| その他（各） | 最大0.05 | 微量元素および残留成分；析出挙動の予測可能性維持のため制限 |
銅含有量が後述の時効硬化反応を主導し、老化によりAl2Cuおよび関連相の析出を促進し強度が向上し延性が低下します。マグネシウムとマンガンは析出相の化学組成と母材相互作用を調整し、マンガンは結晶粒成長の抑制と靭性向上に、マグネシウムは銅と連動した時効強化の促進に寄与します。鉄、シリコン、亜鉛は延性、破壊挙動、耐食性をコントロールするため厳密に管理されています。
機械的特性
引張荷重下で2118はT6/T651調質において多くの一般的なアルミニウム合金と比較して高い引張強さと良好な降伏強さを示します。ピーク時効状態は細かく分散した析出物のマイクロ構造を有し、すべり線運動を制限して高い降伏強度と良好な疲労耐性を実現します。ピーク調質での伸び率は焼なまし状態に比べて低下し、成形時や衝突・過負荷時の延性低下を考慮する必要があります。
2118の疲労性能は2xxx系合金としては概ね良好で、高い静的強度と析出物制御による亀裂発生閾値の組み合わせによります。ただし、疲労寿命は表面仕上げ、ノッチ形状、局所的腐食に敏感です。板厚の影響も重要で、薄板材料は均一に時効できるため同一調質下でより高い実効強度を達成しやすい一方、厚板は溶体化および時効処理に時間がかかり靭性や強度がわずかに低下する場合があります。
| 特性 | O／焼なまし | 主要調質（T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 150～260 MPa | 400～480 MPa | 成分、板厚、時効条件により幅がある |
| 降伏強さ | 60～150 MPa | 320～380 MPa | T6/T651で著しく向上 |
| 伸び率 | 15～25% | 7～14% | ピーク硬化状態で延性が低下；成形設計に注意が必要 |
| 硬さ（HB） | 40～80 HB | 120～160 HB | ブリネル硬さ；引張強さ・降伏強さと相関 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.78 g/cm³ | Al-Cu合金として標準的；鋼材と比べ良好な比強度 |
| 融点範囲 | 約500～640 °C | 純アルミニウムに比べ固液共存域が拡大 |
| 熱伝導率 | 120～150 W/m·K | 銅添加により純アルミより低下するが依然高い |
| 電気伝導率 | 25～40 % IACS | 純アルミより低く、合金化および加工硬化でさらに低下 |
| 比熱 | 約0.88 J/g·K（880 J/kg·K） | アルミ合金として標準的；熱管理計算に用いる |
| 熱膨張係数 | 23～24 µm/m·K（20～100°C） | 中程度；組み立て時は寸法変化を考慮する必要あり |
2118はアルミニウムの優れた熱伝導性と低密度を多く保持し、優秀な強度対重量比および放熱能力を多くの部品で発揮します。電気伝導率は商業純アルミと比べて大幅に低いため、電気伝導が主要用途の場合は一般的に使用されません。
融点範囲と熱膨張特性から、溶接時の熱入力や使用中の熱サイクルがマイクロ構造および機械的特性に大きく影響するため、接合、熱処理、熱負荷を考慮した設計が重要です。
製品形態
| 形態 | 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 | 薄板はT5/T6時効による応答性が良く、薄板での均一性も優れる | O、H14、T4、T5、T6 | 成形パネルやフィッティング構造物に使用される |
| プレート | 6–50+ mm | 厚板は長時間の溶体化処理・時効サイクルが必要で、靭性が低下することがある | O、T6、T651 | 重量級構造部品やフィッティングに使用される |
| 押出材 | 壁厚1–20 mm | 押出形状は方向性のある強度を付与でき、押出後に熱処理を行う | O、T4、T6 | 構造部材向けの複雑な断面形状 |
| チューブ | 外径6–200 mm | 性能は壁厚と急冷速度に依存し、疲労クリティカル用途はT6調質で使用される | O、T4、T6 | 軽量構造用チュービングに使用される |
| 丸棒・棒材 | 直径最大100 mm | 丸棒は熱処理・時効により高強度化が可能で、機械加工用素材として使用される | O、T6 | ファスナー、ピン、機械加工部品に用いられる |
シートや薄板製品は成形性や時効均一性が重要な場合に好まれ、一方プレートや厚押出材は冷却速度が遅いために熱処理サイクルの調整が必要です。押出および圧延の製造方法も結晶粒構造に影響を与え、押出材は複雑な断面を形成可能ですが、目標特性獲得には急冷および時効処理への注意が求められます。
製造業者は後工程を考慮し、打ち抜きや成形にはシート、複合断面には押出材、機械加工部品には棒材を選択します。また各形態に応じた調質を選択し、成形性と強度のバランスを調整します。
相当等級
| 規格 | 等級 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 2118 | 米国 | ANSI/AAリストにおけるこのAl-Cu合金の指定 |
| EN AW | 正確なものなし | 欧州 | 直接的なEN AWの相当品はないが、EN AW-2014/2024系統に最も近い挙動を示す |
| JIS | 正確なものなし | 日本 | JISにはA2017/A2024などのAl-Cu合金があり性質は似ているが、規定値は異なる |
| GB/T | 正確なものなし | 中国 | 中国規格にも類似のAl-Cu合金があるが、AA 2118と一対一の対応ではない |
2118を直接EN、JIS、GB/Tに置き換える単一の普遍的な標準化は存在しません。相当品はあくまで「最も近い挙動」とみなすべきで、微量元素の許容差や熱処理反応、調質指定に差異があるため、設計時には各規格のデータシートを参照し、代替の際は適格性評価試験を実施することが望まれます。
耐食性
2118は熱処理可能なAl-Cu合金に典型的な中程度の大気腐食耐性を持ちます。長期暴露には保護コーティング、アルマイト処理、クラッド等が多用されます。中性からやや腐食性のある環境では十分な耐食性を示しますが、銅リッチの金属間化合物や表面仕上げの不良により局所腐食が促進されることがあります。
海洋や塩化物含有量の高い環境では、2118はMg含有の5xxx系や耐食性に優れる6xxx系より耐食性が劣るため、構造用にはクラッディングや犠牲陽極被覆、または陰極防食が通常必要です。不適切な熱処理や長時間の熱曝露により粒界に析出物が消失した析出物自由帯が形成され、孔食や粒界腐食を引き起こすことがあります。
2xxx系合金は多くの非熱処理鋳造材より応力腐食割れ感受性が高く、特に引張応力下および腐食環境下で注意が必要です。2118は鋼に対しては陽極的ですが、純アルミニウムに比べては陰極的な特性を持ち、表面処理により異なるため、電気化学反応対策として絶縁や適合するファスナー・コーティングが求められます。6xxx系と比較すると耐食性を犠牲にして高強度および疲労耐性を得ているため、選定時は環境条件と機械的要件のバランスが重要です。
加工性
溶接性
Cu含有量が高いため2118は熱割れや熱影響部軟化が起こりやすく、多くの他のアルミ合金と比べて溶接が困難です。ガスタングステンアーク溶接（TIG）やガスメタルアーク溶接（MIG）は熱入力制御、予熱・急冷手順の徹底、Al-Cu-Mg系や低強度の4043/2319タイプ充填材の選択により可能です。溶接後の熱処理で強度回復の一部が可能ですが、HAZでの析出物溶解や粗大化のためT6レベルの完全回復は困難です。
機械加工性
焼なましや一部中間的な調質での加工性は良好で、CuおよびMn粒子による適度な工具摩耗と安定した切りくず制御が可能です。ポジティブ形状の超硬工具、剛性の高いワーク固定、フェースクーラント併用により表面仕上げと寸法精度が安定します。ピーク時効調質では工具摩耗が速いため切削速度は抑制するのが望ましいです。一般にAl-Zn-Mg系高強度合金より加工性は優れるものの、難削性2011や純アルミ1100には劣ります。
成形性
成形は延性が十分なO、H14、T4調質が最適で、打ち抜き、曲げ、深絞り加工に対応可能です。最小曲げ半径は調質と厚みに依存しますが、中間調質では板厚の2～3倍程度、T6ではさらに大きい半径が推奨されます。冷間加工は加工硬化により強度を増加させるものの、残留応力が後続熱処理に影響を与えるため、温間成形や予時効などによる最適化も検討されます。
熱処理特性
2118は熱処理可能合金として、Al-Cu系合金に用いられる標準的な溶体化処理、急冷、時効サイクルに適応します。典型的な溶体化処理は495～505 °C付近でCuリッチ相をマトリックスに溶解し、急冷で過飽和固溶状態を保持します。人工時効は160～190 °C範囲で数時間実施し、微細な析出物の生成によってT5/T6調質を得ます。時効時間・温度は強度と靭性、応力腐食割れ抵抗性のトレードオフとなります。
調質の変換は容易で、溶体化処理のみ材料から自然時効でT4、人工時効でT5/T6が可能です。T651は溶体化処理後に残留応力除去のため伸線を施し、人工時効を行います。高温過時効や長時間時効は析出物の粗大化を招き強度低下をもたらしますが、延性や耐食性を改善するため、目標とする工学的バランスのためにはサイクル管理が重要です。
高温性能
温度上昇により2118は著しい強度低下を示し、約120～150 °C以上の長時間使用は析出硬化効果を減少させ、降伏強さおよび引張強さを段階的に低下させます。耐酸化性は不活性雰囲気下で限定的ですが、溶体化処理温度帯に近づくと表面スケール生成や微細組織変化が生じ、機械的性能が不可逆的に変化します。
溶接時の熱影響部は析出物の溶解・粗大化により軟化し、溶接後の熱処理での回復は急冷に伴う欠陥や残留応力のため限定的です。断続的な高温使用では許容応力を低減し、頻繁に100 °Cを超える環境では高温安定性に優れた代替合金の検討が推奨されます。
用途
| 産業 | 代表部品 | 2118が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | フィッティング、ブラケット、非主要構造部品 | 重量制約のある部品に対し、高い比強度と良好な疲労耐性を備える |
| 自動車 | 高性能サスペンション部材、構造ブラケット | 性能車両向けに強度対重量比と疲労寿命のバランスを実現 |
| 海洋 | 小型構造要素および機械加工フィッティング | 良好な強度と加工性を持つが、耐食保護にはコーティングが必要 |
| 防衛 | ミサイルおよび兵器用フィッティング | 高強度かつ加工性に優れ、精密部品に適する |
| 電子機器 | 構造フレームおよび熱拡散板 | アセンブリ向けに重量当たりの熱伝導性と剛性が良好 |
2118は高い静的・疲労強度、許容できる加工性、および合理的な熱伝導性が求められる用途に多く選択されます。厳しい環境下では保護処理が必要ですが、多くの航空宇宙や性能工学分野での機械的優位性がそれを上回っています。
選定のポイント
2118は高強度および疲労耐性が主要設計目標で、腐食防止および加工変数を管理可能な場合に選択すべき合金です。熱処理による強化効果を活かせる機械加工または成形部品に特に適しており、より高強度な7xxx系合金に比べて不要な脆さや加工難易度の問題を避けたい場合に有効です。
商業用純アルミニウム（1100）と比較すると、2118は電気伝導性や成形性を犠牲にして、著しく高い強度と疲労寿命を実現しています。一般的な加工硬化合金である3003や5052と比較すると、2118は溶接性や耐食性を犠牲にして、はるかに高い強度を提供するため、接合や成形のしやすさよりも荷重性能が優先される場合に2118が選ばれます。熱処理可能な6xxx系合金（例：6061/6063）と比較すると、2118は特定の硬さ（テンパー）でより優れた疲労強度および高い最大強度を示すことが多いですが、通常はより慎重な耐食保護および溶接管理が必要です。疲労および強度特性が要求に適合し、製造工程がその熱処理および保護対策に対応できる場合に2118を選択してください。
まとめ
合金2118は、高強度、優れた疲労性能、そして許容可能な切削加工性の熱処理可能なバランスを設計で求める際に、依然として有用なエンジニアリングアルミニウムです。エンジニアがその硬さ（テンパー）依存の延性、耐食保護の必要性、加工上の配慮事項を考慮することで、構造物や部品は優れた強度対重量比で高性能を達成できます。