アルミニウム 2124：組成、特性、硬さ記号ガイドおよび用途
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総合概要
2124は2xxx系のアルミニウム銅合金で、主な合金元素として銅、そして重要な副元素としてマグネシウムとマンガンを含みます。熱処理可能な合金であり、主に固溶化熱処理、焼入れ、人工時効によって高強度を発現します。加えて、指定された硬さ（テンパー）条件で要求される場合は、制御された冷間加工によりさらなる強化が可能です。
この合金は銅系アルミ合金として高い静的強度と良好な破壊靭性を示しますが、5xxx系や6xxx系と比べると一般的な耐食性や溶接性はやや劣ります。焼なまし状態での成形性は良好ですが、硬いテンパーでは延性が大幅に低下します。航空宇宙用に使用される押出材や鋳造材の機械加工性は概ね良好です。
2124を指定する代表的な業界は、航空宇宙の一次・二次構造材、高強度のフィッティング部品、および高い強度重量比や疲労特性が重要な防衛関連部品などです。高い強度と損傷耐性、そして予測性の高い時効挙動の組み合わせが必要な場合に、耐食性に対してクラッドや保護措置を講じられる条件下で他の合金よりも2124が選択されます。
テンパーバリエーション
| テンパー | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし状態、成形時の最大延性 |
| H14 | 中 | 低〜中 | 普通 | 低 | 限られた延性の加工硬化 |
| T3 | 中〜高 | 中 | 普通 | 低 | 固溶化熱処理後冷間加工・自然時効 |
| T4 | 中 | 中 | 普通 | 低 | 固溶化熱処理後自然時効 |
| T6 | 高 | 低 | 制限あり | 低 | 固溶化熱処理後 人工時効により最高強度達成 |
| T8 | 高 | 低 | 制限あり | 低 | 固溶化熱処理後 冷間加工と人工時効 |
| T351 | 中〜高 | 中 | 普通 | 低 | 固溶化熱処理後 伸張による応力除去 |
| T851 | 高 | 低〜中 | 制限あり | 低 | 固溶化熱処理後 伸張応力除去及び人工時効；航空宇宙で一般的なテンパー |
2124における強度、延性、疲労耐性のトレードオフはテンパーに大きく依存します。成形を主目的とする場合は焼なまし（O）材が用いられ、最大静的強度と室温での安定した特性保持を求める場合はT6またはT851テンパーが選ばれます。
冷間加工レベルおよびそれに続く人工時効処理（例：T8）は降伏強さと靱性のバランスを調整できますが、成形性を著しく低下させ、熱影響部の軟化と熱割れの懸念から溶接は実質的に困難となります。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.50 | 不純物。鋳造欠陥を抑制し延性を維持するために管理 |
| Fe | ≤ 0.50 | 不純物。過剰は耐食性低下および金属間化合物生成の原因 |
| Cu | 3.8 – 4.9 | 主強化元素。析出硬化を促進 |
| Mn | 0.20 – 0.50 | 晶粒構造制御および再結晶抑制；靭性向上に寄与 |
| Mg | 1.2 – 1.8 | Cuと協働して析出強化と硬化性を向上 |
| Zn | ≤ 0.25 | 微量で強化効果はほとんど無し |
| Cr | ≤ 0.10 | 晶粒制御および再結晶抑制に寄与 |
| Ti | ≤ 0.15 | インゴット・鋳造処理時の晶粒微細化剤 |
| その他 | 合計 ≤ 0.15 | 微量元素や残留物。確実な時効挙動のため低濃度に管理 |
銅とマグネシウムが2124の析出硬化を支える主要元素です。銅は時効中にCuAl2や関連相を析出させます。マンガンおよび微量のクロム・チタンは晶粒構造の微細化と特性安定化に寄与し、シリコンと鉄は靭性や耐食性を低下させる脆い金属間化合物の形成を防ぐために管理されています。
機械的性質
2124の引張特性はテンパーに強く依存し、析出時効酸化が進むテンパーで降伏強さと引張強さが大幅に向上します。T6やT851のピーク時効条件では高い降伏比と比較的低い均一伸びを示し、硬さが増加する一方で、焼なまし材よりも切欠き靭性は低下します。疲労強度は高強度なAl-Cu合金として概ね良好ですが、表面状態や残留応力を適切に管理し、腐食を防ぐための保護処理やクラッドが行われていることが前提です。
厚さや製品形状は、焼入れ時の貫通冷却速度や異なる時効挙動の影響により、機械的性質に影響を及ぼします。薄肉部は厚板より均一にピーク強度に達しやすいです。伸びは強度の増加に伴い低下し、冷間加工状態でも低下します。延性を考慮した設計には適用可能なテンパー状態や成形加工条件を踏まえる必要があります。硬さは引張特性と密接に相関しますが、溶接部や熱影響部の局所的な軟化はサービス性能を大きく損なう可能性があるため注意が必要です。
| 特性 | O（焼なまし） | 主要テンパー（T851/T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（UTS） | 約200～300 MPa | 約470～520 MPa | 板厚や加工条件により変動。航空宇宙仕様材は高値域の場合が多い |
| 降伏強さ（0.2%オフセット） | 約80～220 MPa | 約350～470 MPa | 時効による降伏強化が顕著。T851は一部条件でT6より高い降伏を示す |
| 伸び（50 mmゲージ長） | 約18～26％ | 約6～12％ | 時効および冷間加工で低下 |
| 硬さ（ブリネル硬さ HB） | 約30～60 HB | 約120～160 HB | 強度や時効状態に比例。表面処理により使用硬さは変化 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.78 g/cm³ | 高強度アルミ合金として典型的。軽量化と強度のバランス良好 |
| 融点範囲 | 約500～640 °C | 銅および微量元素の含有量により変動。固相線と液相線の範囲 |
| 熱伝導率 | 約120 W/m·K | 純アルミより低いが、多くの熱用途に十分な伝導性 |
| 電気伝導率 | 約30～40 %IACS | 合金化により低下。高伝導率が要求される用途には不適 |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K（900 J/kg·K） | 常温でのアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張係数 | 約23～24 µm/m·K | 他のアルミ合金と同様レベル |
密度や熱物性により、2124は軽量かつ適度な熱伝導性が求められる用途に適しています。一方で、銅添加によって電気伝導率は大幅に低下するため、電気伝導性を主目的とする設計には適していません。
製品形状
| 形状 | 典型的な厚さ・寸法 | 強度特性 | 一般的なテンパー | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材（シート） | 0.5 – 6 mm | 薄肉で均一な性質 | O, T3, T6, T851 | 航空宇宙の外皮やパネル厚みで一般的。クラッド可能 |
| 厚板 | 6 – 200 mm | 厚み方向に特性差が生じる可能性あり | O, T6, T851 | 厚板は芯部の軟化回避に制御された焼入れが必要 |
| 押出材 | 大型断面プロファイルまで | 断面冷却速度に依存 | T6（固溶化処理後の時効可能） | 板材・厚板より少ないが複雑なリブ材に適合 |
| チューブ | 外径および肉厚可変 | 肉厚で機械的制限あり | T3, T6 | 航空宇宙の構造用配管やフィッティングに利用 |
| 棒材・丸棒 | 直径最大200 mmまで | 小径で均質 | O, T6 | 機械加工部品や鍛造品に使用 |
加工方法の違いにより性質に明確な差が生じます。板材や薄押出材は冷却が速く均一な時効が可能ですが、厚板は特別な焼入れ工程と後続の時効処理が必要な場合があります。製品選定時には成形後の熱処理、クラッドの有無、および機械加工や溶接の実施予定を考慮してください。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 2124 | アメリカ | Aluminum Associationによる主な指定 |
| EN AW | 2124 | ヨーロッパ | 類似の化学組成を持つEN AW-2124として欧州規格でよく参照される |
| JIS | A2618/A? | 日本 | 正確な直接のJIS対応なし；類似の高強度Al-Cu系合金は存在 |
| GB/T | AlCu4Mg1 / 2124相当 | 中国 | 中国規格は同一合金番号よりも説明的な名称で組成を示すことがある |
2124は主にAA/ASTMで規定され、EN命名法ではAW-2124として認識されますが、地域ごとにわずかに異なる不純物限界や硬化状態を持つ関連合金が使われることがあります。微量元素の許容範囲の違いやロット受入れ手法の差異により、機械的特性にわずかな差が生じることがあるため、地域間での代替時には機械的仕様やロット証明書の照合が必須です。
耐食性
大気環境下では、2124は5xxx系や6xxx系合金より耐食性が劣ります。これは、銅を含む析出物が局所的な腐食の発生を促進するためです。湿潤またはやや腐食性のある大気環境にさらされる場合は、航空宇宙分野で一般的な保護被覆やクロメート変換皮膜が有効です。クラッド（アルクラッド）処理は、外装材として純アルミニウムの犠牲バリアを形成し、ピッティングや剥離腐食に対する耐性向上のために頻繁に使用されます。
海洋環境では、保護被覆、クラッド、または犠牲防食（カソード防食）がない限り、ピッティング腐食や粒間腐食を受けやすくなります。塩水の継続的な飛散は銅に富む析出物の部分に対する腐食を加速させます。特にピーク時硬化状態や成形・機械加工に起因する残留引張応力がある場合、塩化物含有環境下で引張応力を受けると応力腐食割れ（SCC）が発生することがあります。
2124がステンレス鋼や銅などのより貴な金属と接触すると、ガルバニック作用が顕著になります。この場合、アルミニウムはアノードとして優先的に腐食するため、電気的に絶縁するか保護措置が必要です。6xxx系（Al-Mg-Si系）合金と比べると、2124は高強度と引き換えに耐食性はやや低く、5xxx系合金と比較すると海洋塩害への耐性は大幅に劣ります。
加工特性
溶接性
2124の溶接は、熱割れの発生や熱影響部の軟化により全構造特性を要求される用途には一般的に推奨されません。溶接が必要な場合は、TIGまたはMIG溶接と、2319や4047/5356など特殊調整されたAl-Cu充填材の使用が一般的で、割れの抑制や溶接金属の延性向上に寄与します。溶接後の熱処理ではピーク硬化状態の完全回復は困難なため、設計時には重要な高応力部材の溶接は避ける傾向があります。
切削性
2124は多くの高強度アルミ合金に比べて比較的良好な切削性を持ちます。適切な切削速度と送りで高速度鋼や超硬工具を用いれば良好な切削加工が可能です。切りくずは連続性があり延性が高く、冷却剤や剛性の高い加工条件で表面仕上げや寸法精度が向上します。銅を含むことによる切りくず形状の良好化により、銅を含まない合金よりも工具寿命が長くなることがありますが、高強度ゆえに切削力は大きく、設備は対応が必要です。
成形性
成形は焼鈍状態（O）または軽度に加工された硬さの状態で行うのが最適です。T6やT851のような硬質状態では延性が低く、割れを起こしやすいため成形は困難です。硬化状態での最小曲げ半径や板引き深さは保守的に設定する必要があり、温間成形や溶体化処理後の時効処理を利用して複雑形状を実現します。高強度硬化状態は強いばね返りが生じるため、工具設計で補正が求められます。
熱処理挙動
2124の溶体化処理は通常495～505 °Cの範囲で行い、銅およびマグネシウム含有相を過飽和固溶体として溶解させます。急速冷却（通常は水冷）が必要で、これにより析出物生成を可能にする固溶体の過飽和状態を維持します。T6様の人工時効条件は、160〜190 °C付近で数時間行い、強度と靭性のバランスと安定した析出反応を得ます。
T851や同様の航空宇宙向け硬化状態は、溶体化後の急冷と時効の間に制御された伸び（応力除去）工程を加え、残留応力の低減と寸法安定性の向上を図ります。過時効処理は、ピーク強度を犠牲にして応力腐食割れ耐性を向上させるために意図的に適用されます。限定的な熱による劣化後には再時効または修復時効が実施可能です。2124は主に析出硬化を利用した強化方式であり、非熱処理性合金には該当しません。
高温特性
2124は温度上昇に伴い強度が徐々に低下し、100～150 °Cを超えると顕著になります。人工時効温度に近づくと著しい軟化が見られます。高温長時間曝露は過時効を促進し、強化析出物の粗大化を招き、降伏強さや疲労強度の低下をもたらします。乾燥空気中ではアルミニウムの酸化は限定的ですが、機械的特性の低下が高温運用の主な制約となります。
溶接部の熱影響部は局所的に軟化・組織変化を受け、荷重支持能力が低下します。特に析出物粗大化が加速される温度域では顕著です。繰返し応力やクリープが問題となる用途では、設計者は顕著な析出物粗大化開始温度以下での使用を推奨し、環境影響抑制のための被覆を指定します。
用途例
| 産業分野 | 代表的部品 | 2124採用理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 主翼フィッティング、スプライスプレート、高荷重構造用ブラケット | 高い強度対重量比と優れた疲労・破壊耐性 |
| 海洋 | 高強度構造部材（保護またはクラッド処理付き） | 腐食管理下での高強度と靭性 |
| 防衛 | 装甲部品、ミサイル構造、構造用鍛造品 | 高い静的強度と比較的軽量 |
| 電子機器 | 構造用マウント、シャーシ部品 | 高強度と剛性、熱伝導性 |
2124は高い比強度と安定した時効挙動が要求される場合、腐食リスクを抑制可能な保護措置が取られる環境で最も多く用いられます。特に航空宇宙の構造部材において軽量化と損傷耐性によるシステムレベルのメリットを提供する素材として選択されます。
選定のポイント
主な設計指標が高い降伏強さ・引張強さと良好な疲労・破壊特性であり、かつ保護被覆やクラッド、管理された環境により腐食リスクを低減できる場合に2124を使用します。航空宇宙用の寸法安定性と高い降伏強さを求めるならT851や同等の伸張時効硬化状態を指定し、最終熱処理前の成形加工にはOや低硬化状態を選びます。
商用純アルミニウム（1100）と比べると、2124は電気・熱伝導性と成形性を犠牲にして大幅に高い強度と優れた疲労性能を実現します。3003や5052のような加工硬化合金に比べると、2124は著しい強度向上を有しますが、一般的な耐食性と溶接性は低下します。6061や6063のような熱処理性合金と比較すると、2124はより高い降伏強さと優れた破壊靭性を提供しますが、耐食性や溶接/修理の容易性は劣るため、強度と疲労効率が優先される場合に選択されます。
まとめ
2124は高比強度と信頼性の高い析出硬化応答を要する現代の工学分野、特に航空宇宙や防衛分野で依然として有用な高強度アルミニウム合金です。最大限の機械的利点を活かすためには、適切な耐食保護、硬化状態の管理、加工計画が不可欠です。