アルミニウム 2219：組成、特性、硬調ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
Alloy 2219は、2xxx 系アルミニウム銅合金の一種で、高強度かつ熱処理可能な用途向けに設計されています。主な合金元素は銅（Cu ≈ 5.8–6.8 wt%）で、結晶粒を微細化し機械的性能を向上させるためにマンガン、チタン、微量元素が制御された添加元素として含まれています。2219の強化機構は析出硬化（熱処理可能）であり、固溶処理後に水冷し、人工または自然時効を行うことで細かいAl2Cu（θ′/θ）析出物が形成され、降伏強さや引張強さが大幅に向上します。
2219の主な特長には、高い比強度、特に低温（クリオジェニック温度）での優れた靭性、適切なフィラー材を用いた場合のCu含有合金としては比較的良好な溶接性が挙げられます。耐食性は中程度で、Mg含有の5xxx系合金より局所的な腐食を受けやすいものの、コーティングやクラッド、腐食余裕を設けることで保護可能です。軟化状態では成形性は良好ですが、ピークエイジ状態では制限されます。切削加工や製作は、構造用の高強度アルミニウム合金として一般的なものです。
2219は航空宇宙（燃料タンク、クリオジェニックタンク、主要構造部材）、クリオジェニクス、ミサイルおよび宇宙機器、特殊な圧力容器などで広く使用されます。設計者は、高強度、溶接性、低温での靭性の組み合わせが求められる場合、またはAl-Cu系の比剛性が他材料と比べて有利となる場合に2219を選択します。
熱処理状態のバリエーション
| 熱処理状態 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い | 非常に良い | 非常に良い | 完全軟化状態で最大の延性と成形性 |
| T3 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 良好 | 固溶処理後冷間加工し、自然時効 |
| T6 | 高い | 低〜中程度 | 限定的 | 中程度 | 固溶処理後、人工時効によりピーク強度 |
| T8 | 高い | 低〜中程度 | 限定的 | 中程度 | 固溶処理後、冷間加工、人工時効 |
| T87 | 高い | 低〜中程度 | 限定的 | 中程度 | 固溶処理後、伸線による応力除去、人工時効；航空宇宙向けに一般的な熱処理状態 |
| T351 | 中〜高 | 中程度 | やや良い | 良好 | 固溶処理後、伸線による応力除去、自然時効 |
2219では、熱処理状態が強度と延性の両方に大きく影響します。Cuリッチの析出物が時効により降伏強さや引張強さを制御するためです。軟化状態（O）は成形や引抜に使用され、一方でT6/T87は最大強度と残留応力制御が必要な構造部材に選ばれます。
異なる熱処理状態は溶接性や熱影響部（HAZ）の挙動にも影響します。時効状態ではHAZに局所的な軟化が生じる一方、Oや自然時効状態では溶接後も性質が均一に保たれやすいです。熱処理の選択は成形工程、必要な証明強度、溶接・接合の工程を総合的に考慮する必要があります。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.20 | 不純物管理；高Siは靭性低下を招く |
| Fe | ≤ 0.30 | 一般的な不純物；脆性を増す金属間化合物を形成する可能性 |
| Mn | 0.2–0.4 | 結晶粒構造の制御と強度向上 |
| Mg | ≤ 0.10 | 少量；2219の主強化元素ではない |
| Cu | 5.8–6.8 | 主強化元素（Al2Cu析出物形成） |
| Zn | ≤ 0.25 | 微量；固溶強化に限定的寄与 |
| Cr | ≤ 0.10 | 微量；再結晶に影響を与えることがある |
| Ti | 0.02–0.10 | 鋳造品および圧延品の結晶粒微細化剤 |
| その他 | 残部はAl、各微量元素 ≤0.05 | 製造所の慣行によりV、Zrなど微量含有 |
銅は主要合金元素であり、2219の熱処理可能な性質を決定します。時効による析出が強度の主因です。マンガンや微量のチタンは主に熱処理サイクル中の結晶粒成長を抑制し、靭性および疲労耐性を改善する微細構造制御剤として働きます。シリコンと鉄は制御された限度で含まれ、硬質な金属間化合物の形成を抑えることで材料の脆化や疲労性能低下を防ぎます。
機械的特性
2219は引張特性が熱処理状態や板厚に強く依存します。ピーク時効状態では高い引張強さと降伏強さを示しますが、軟化状態に比べ延性は減少します。T6/T87状態では主要構造部材に適した高い降伏強さと引張強さを持ち、一方で軟化材は成形性や衝撃靭性を重視する場合に使われます。疲労特性は表面仕上げ、残留応力、局所硬さに依存し、良好に処理された細粒構造の2219は航空宇宙用の部品として十分な疲労寿命を持ちます。
硬さは時効状態に対応し、O状態は低いブリネル硬さやロックウェル硬さですが、T6やT87は密なθ′析出物のため硬さが大幅に上昇します。板厚の影響も顕著で、厚板や押出材は固溶処理に長時間を要し、Cuリッチ相の均一化と溶解を必要とします。焼入れ後の冷却速度の違いで断面方向の性質にばらつきが生じることがあります。溶接構造物では熱影響部（HAZ）の軟化が局所強度の制約となり、設計や溶接後処理で考慮が必要です。
2219の破壊靭性は他の多くの高強度Al-Cu合金より優れており、これはクリオジェニック用途や繰返し荷重を受けるタンクに有利です。この靭性の利点は粗大な金属間化合物を避けるための化学成分制御と熱機械的処理に起因します。
| 特性 | O/軟化状態 | 代表的熱処理 (例：T6/T87) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (UTS) | 約200–260 MPa | 約380–440 MPa | 厚さや熱処理による変動あり；航空宇宙用シートは上限近く |
| 降伏強さ | 約70–130 MPa | 約300–350 MPa | ピーク時効で主要構造用に適する強さ |
| 伸び率 | 約20–30% | 約8–16% | ピーク時効で延性が大幅に低下 |
| 硬さ (HB) | 約30–55 HB | 約80–115 HB | 時効状態と析出物密度に応じて増加 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.84 g/cm³ | Al-Cu系圧延材として標準的で良好な比強度 |
| 融点範囲 | 固相線 約500–515 °C；液相線 約635–655 °C | 合金化により純アルミニウムから固相線が降下し、融解範囲が広がる |
| 熱伝導率 | 約120–140 W/m·K | 銅含有のため純アルミより低いが、鋼材と比べ高い |
| 電気伝導率 | 約28–34 % IACS | 純アルミやMg系合金に比べ低下 |
| 比熱 | 約0.89–0.92 J/g·K | 室温付近の一般的なアルミ合金の値 |
| 熱膨張率 | 約23–24 ×10^-6 /K | 圧延アルミ合金として標準的な係数 |
物理特性は機械的強化のために添加された銅と、密度や伝導性の面でアルミニウムの利点を維持するトレードオフを反映しています。熱伝導率および電気伝導率は純アルミニウムより低くなりますが、放熱や構造的熱設計において鉄系材料より有利です。熱膨張係数は他のアルミ合金と同等であり、複合材料や鋼材との組み合わせでは多材種接合に際して熱膨張差に配慮する必要があります。
製品形状
| 形状 | 一般的な厚み／サイズ | 強度の特性 | 代表的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材（Sheet） | 0.5–6.4 mm | 薄板で良好な均一性を示す | O, T3, T351, T87 | 航空宇宙用板材は表皮や構造パネル用にT87調質で供給されることが多い |
| プレート（Plate） | 6 mm – 150+ mm | 断面により強度が変化し、厚板は長時間の熱処理が必要 | O, T6, T87 | 厚板は長時間の固溶処理と制御された焼入れが求められる |
| 押出材（Extrusion） | 大型断面を含む各種形状 | 機械的異方性が生じる可能性あり；熱処理後はピーク強度が類似 | O, T3, T6 | 押出金型設計は高温での強度低下を考慮する必要がある |
| 管材（Tube） | 薄肉から厚肉まで | 圧力用途および低温用途に適する | O, T6, T87 | 溶接管およびシームレス管は低温タンクや配管に使用される |
| 棒材（Bar/Rod） | 直径数mm～200 mm | 適切に熱処理されれば均質な特性を持つ | O, T6 | 構造用部品やファスナーの機械加工に一般的に用いられる |
形状ごとの加工差異は主に熱流動、焼戻し速度、残留応力に起因します。板材や薄肉押出材は焼戻し・時効処理後により均一な特性が得られる一方、プレートおよび大型押出材は偏析や硬さ勾配を防ぐために長期の保温時間や特殊な焼戻し技術が必要です。適用先はこれらの加工条件に基づき選択され、均一な高強度や疲労寿命が重要な薄肉部品が優先される一方、厚肉部品は追加検査や後処理が求められる場合があります。
等価鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 2219 | USA | Aluminium Association規格における主要指定番号 |
| EN AW | 2219 (EN AW-AlCu) | ヨーロッパ | 同じ数値系列で成分が同等だが、公差は異なる場合あり |
| JIS | A2219 | 日本 | 類似した公称成分であるが地域仕様の差異あり |
| GB/T | 2219 | 中国 | 同等の成分を持つGB/T鋼種が存在するが、加工許容差や試験内容に違いがある場合あり |
「2219」という数値は複数の規格で使用されていますが、不純物許容レベル、製品形態の試験、認証方法などの微細な違いが地域ごとに存在します。ヨーロッパおよび日本の仕様では機械的性質の合格基準、熱処理反応、航空宇宙用の非破壊検査手法が異なる場合があるため、重要部品の調達時には単に鋼種名に頼らず、製造メーカーの認定化成分、調質状態、加工履歴を必ず確認することが必要です。
耐食性
大気環境下において2219は適切な表面処理が施されていれば一般的な耐食性を示します。銅含有により、Mg系5xxx合金よりも局所腐食（孔食および粒界腐食）に対して感受性が高いため、海洋や腐食性環境の設計では保護コーティング、クラッド処理、カソード防食が一般的に用いられます。
海洋環境での挙動には注意が必要で、クロリド含有環境で無保護の2219は5xxx系や6xxx系合金より局所腐食が生じやすいです。くぼみを避ける設計、適合するファスナーの選択、製作後の表面処理（アルマイト処理、クラッド加工または変換皮膜）により、海水曝露下の寿命リスクを低減します。高強度Al-Cu合金の応力腐食割れが懸念され、2219は特に降伏強さ近傍に残留引張応力が存在する引張および腐食環境でSCCを起こす可能性があります。
より高貴な材料（ステンレス鋼、銅合金）とのガルバニック作用により電気的接触と電解質が存在すると2219の局所腐食が加速されます。6xxx系（Al-Mg-Si）合金と比べて、2219は耐食性を犠牲にして高強度および低温靭性を得ているため、過酷環境下での腐食制御対策がより重要になります。
加工特性
溶接性
2219はAl-Cuシリーズの中では比較的良好に溶接可能であり、適切な充填材（AA2319（Al-6Cu）などの成分を合わせて熱割れを抑制する合金）を用いることが推奨されます。板材・プレートの板溶接や容器組立にはGTAW（TIG）やGMAW（MIG）などの溶接法が一般的で、孔隙率低減や歪み制御のための溶接手順管理が重要です。ピーク調質の熱影響部は析出物の溶解・粗大化により軟化が起こるため、溶接後の人工時効やT87/T351調質の選択が残留特性低下を防ぎます。
機械加工性
2219は高強度アルミ合金としては比較的加工しやすく、自由加工性の高いアルミ合金に比べると加工性指数は低いものの、超硬工具と剛性の高いワークセットアップで十分対応可能です。切りくず制御と適切な正立刃角、適度な送り速度が溶着や工具先端の焼き硬化を抑制し、クーラント使用により工具寿命と温度管理を最適化して精度の高い加工を実現します。
成形性
軟質のアニーリング状態（O調質）で優れた成形性を示し、ピーク時効調質では延性が制限されるため深絞りや複雑な曲げ加工はOやT3条件で行うことが推奨されます。最小曲げ半径は厚みや調質により異なりますが、板金加工ではO状態で板厚の1～2倍の内側半径が標準的であり、T6/T87調質ではより保守的な半径が用いられます。小変形であれば熱処理後の冷間加工も可能ですが、割れを防ぐため大きな成形加工は最終人工時効前に実施する必要があります。
熱処理特性
2219は伝統的な熱処理型Al-Cu合金であり、固溶処理、焼入れ、時効により析出状態と強度が制御されます。典型的な固溶処理温度は510～535 °C範囲で、保温時間は銅リッチ相の完全溶解および薄肉断面への成分均一化のため十分確保します。焼入れはCuを固溶状態に保持するため急冷が必要です。人工時効スケジュール（例：160～190 °C数時間）により、T6や関連する調質でピーク強度を生む細かなθ′析出物が形成されます。時間－温度プロファイルの変化により、T8、T87ほか応力緩和や寸法安定性を意図した航空宇宙用調質が実現可能です。
調質遷移は重要で、過伸長や制御されていない自然時効、遅い冷却速度は粗大析出物を生成し降伏強度および靭性を低下させます。大規模構造物の溶接後熱処理は通常困難なため、設計段階で調質選択や局所加熱管理により熱影響部の軟化を制御します。軟化処理やアニーリングでは300 °C以上の温度に長時間曝露すると過時効が進行し析出物の粗大化により材料が軟化します。
高温特性
高温下ではθ′析出物の溶解や粗大化に伴い降伏強度および引張強度が徐々に低下し、使用温度と曝露時間にもよるが約150～200 °Cを超えると顕著な低下が見られます。持続使用の場合は通常、機械的特性保持のため人工時効温度よりもかなり低い温度での運用に制限されます。酸化は保護性のAl2O3皮膜形成により抑制されますが、硫化性や塩化物含有の攻撃的雰囲気下では高温腐食が懸念され、保護クラッドや被覆が必要となる場合があります。
溶接部の熱影響部は熱曝露に特に敏感で、軟化や晶粒成長により局所の許容応力が低下します。熱サイクルが繰り返される用途では厳密な評価が必要で、製作後の安定化処理が特性の変動を抑制する場合があります。
用途
| 産業分野 | 代表的部品 | 2219を選択する理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 低温燃料タンク、圧力容器、胴体部品 | 高い強度対重量比、低温での靭性、充填材を合わせた良好な溶接性 |
| 海洋／低温技術 | LNGおよび低温貯蔵タンク、配管 | 低温下での良好な性能と圧力系統向けの溶接性 |
| 防衛／宇宙 | ミサイルモータケース、打上げロケットタンク | 高い比強度と熱・繰返し荷重下での信頼性 |
| 産業／機械 | 高強度構造フレーム、金型治具 | 重要かつ軽量化が要求される部品に適した強度と機械加工性 |
| 電子機器 | 精密筐体および放熱部品 | 適度な熱伝導性と加工性による中負荷の熱部品向け |
2219は高強度で溶接性に優れ、実績のある低温靭性および疲労性能を求める設計において引き続き指定されています。靭性、充填材を用いた溶接性、析出挙動の予測可能性を兼ね備え、航空宇宙用圧力容器ハードウェアや産業のニッチ用途での定番合金となっています。
選定のポイント
高強度と優れた溶接性、特に低温環境下での良好な靭性を重視し、最大の耐食性や電気伝導性よりも重要視する場合は2219を使用してください。成形工程には焼なまし状態（O）を選択し、構造的強度および引張変形抵抗が主要な要求事項となる場合はT6/T87へと切り替えます。
一般純アルミニウム（例：1100系）と比較すると、2219は電気伝導性や熱伝導性、成形性を犠牲にしているものの、はるかに高い強度と靭性を持つため、電気的性能または大規模な冷間成形が主な用途の場合には不適切です。一般的な加工硬化型合金（例：3003、5052系）と比較すると、2219は著しく高い強度を提供しますが、通常は耐食性が低く、成形性もやや劣ります。耐環境性よりも構造的強度が優先される場合に2219を選択してください。
一般的な熱処理可能な合金（例：6061、6063系）と比較した場合、2219はピーク硬化強度が同等もしくはやや低い場合でも、靭性や低温性能で優れることがあります。アルミニウム-銅合金特有の特性（特に靭性やAl-Cu系充填材を用いた溶接性）が、Al-Mg-Si系合金よりも使用環境に適している場合に2219が選ばれます。
まとめ
合金2219は、熱処理可能な銅強化マトリックスを持ち、高い比強度、適合した充填材との優れた溶接性、低温での卓越した靭性を兼ね備えているため、依然として非常に重要な工学用アルミニウム合金です。航空宇宙や低温環境、圧力容器構造用途において、これらの特性が耐食性や伝導性の若干の妥協点を上回る場合、2219は依然として最適な選択肢であり、厳しい使用条件に対応する堅牢な材料といえます。