アルミニウム 2618：組成、特性、調質ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
Alloy 2618は主にアルミニウム-銅系で構成される2xxx系アルミニウム合金の一種です。2xxxシリーズは熱処理可能な高強度アルミニウム合金の分類であり、銅を主強化元素としてマグネシウムや微量の鉄、ニッケル、クロムなどが添加されています。
この合金の主要合金元素は銅とマグネシウムであり、さらに意図的にニッケル、鉄、マンガン、微量のチタンやクロムが微合金元素として添加されています。強化は主に固溶熱処理後の急冷および人工時効によって達成され、微細なAl2Cu（θ′）および関連する析出物が生成されます。ニッケルの添加は析出物の安定性を変化させ、高温性能を向上させます。
2618の主な特徴は、高い静的および高温強度、中程度の延性、および5xxx系・6xxx系に比べて比較的低い耐食性です。溶接性は限定的で特殊な技術を要し、成形性はアニーリング状態では中程度ですが時効硬化後は低下します。適用分野としては航空宇宙、高性能自動車（特にエンジン部品）、高温での高強度または優れた疲労抵抗を要するその他の用途が挙げられます。
エンジニアは、高強度、高温下での特性維持、疲労性能の組み合わせが、耐食性の低さや溶接性の難しさを上回る場合に2618を選択します。コンポーネントの軽量化、温度による寸法安定性、繰返し荷重性能が設計上重要な場合に、より低強度のアルミニウム合金よりも優先される傾向があります。
調質（Temper）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 | 優 | 完全アニーリング状態、最も成形および機械加工が容易 |
| H12 | 低〜中 | 中〜低 | 普通 | 普通 | ひずみ硬化による限定的な強化 |
| H14 | 中 | 低〜中 | 限定的 | 普通 | 軽度のひずみ硬化による中程度の強度 |
| T4 | 中〜高 | 中 | 普通 | 低 | 固溶処理および自然時効 |
| T6 | 高 | 低〜中 | 低 | 低 | 固溶熱処理後の人工時効で最大強度を発現 |
| T61 / T651 | 高 | 低〜中 | 低 | 低 | 残留応力および時効を制御した安定化調質 |
| T62 / T64 | 高 | 低〜中 | 低 | 低 | クリープ特性や強度を調整した別時効プロファイル |
調質は強度と延性のバランスに大きな影響を与えます。アニーリング（O）状態は最大の成形性・機械加工性を提供しますが強度は低く、T6やT61系列は延性や冷間成形性を犠牲にして強度を最大化します。安定化したT61/T651は、航空宇宙分野の鍛造品や寸法安定が重要な大型品で加工部品の残留応力・変形を軽減します。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.10–0.50 | 鋳造欠陥を抑制するため管理された低シリコン量、強度への影響は小さい |
| Fe | 0.20–1.20 | 不純物元素。含有量が多いと靭性を低下させる金属間化合物を形成 |
| Mn | 0.30–1.30 | 析出物を介して強度を向上させ、結晶粒を微細化 |
| Mg | 1.00–1.70 | Cuと協調し時効硬化析出物形成を促進し強度を増加 |
| Cu | 2.30–3.30 | 主強化元素。時効中にAl2Cu析出物を形成 |
| Zn | ≤0.25 | 低亜鉛。2618の主要強化元素ではない |
| Cr | 0.05–0.35 | 微合金元素で結晶粒制御および再結晶抑制に寄与 |
| Ti | 0.05–0.30 | 鋳造・凝固時の結晶粒微細化剤 |
| その他 | Alがバランス。微量Ni 0.60–1.30 | 高温強度向上のためニッケルを0.6〜1.3％添加することが多く、その他の残留元素は変動する |
合金の化学組成は主にAl–Cu系析出硬化を支持するよう調整されており、Mgは析出速度を加速し析出物化学組成を修飾します。ニッケルおよびクロムは微合金元素として析出物の安定化および高温強度の長期維持に寄与し、マンガンとチタンは結晶粒と金属間化合物の形態を制御し、靭性と疲労寿命の向上に寄与します。
機械的性質
使用条件下で、2618はT6/T61系の熱処理により高い引張強さと合理的な降伏強さを示し、引張強さ：降伏強さの比率は通常1.2〜1.4の範囲にあります。最大強度調質では伸びは一桁〜二桁前半％と低く、成形・接合戦略に影響します。疲労強度は多くの他のアルミ合金に比べ優れており、特に微細構造や表面仕上げを管理した場合に顕著です。
硬さは調質と密接に関連し、アニーリング状態は軟らかく加工しやすいのに対し、最大時効調質は微細析出物の発達に伴いブルネル／ビッカース硬さが大幅に向上します。板厚および断面の大きさは冷却速度や時効の影響を受け、厚肉部品ではピーク強度が低下し、目標特性達成までにより長い時効時間を要する場合があります。
耐食性や環境要因は機械的性能と相互作用し、応力集中や表面欠陥は疲労寿命を劣化させ、塩化物環境下での亀裂発生を促進します。2618の機械的利点を安定して活用するためには適切な表面処理、コーティング、耐食設計の余裕が求められます。
| 特性 | O/アニーリング | 主要調質（例：T6/T61） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約180〜260 MPa | 約420〜480 MPa | ピーク時効値は時効プロファイルおよび板厚に依存 |
| 降伏強さ | 約100〜150 MPa | 約320〜380 MPa | 降伏強さは調質および前処理変形により変動 |
| 伸び | 約20〜30% | 約6〜12% | 時効硬化後は伸びが大幅に低下 |
| 硬さ | 約50〜80 HB | 約120〜150 HB | 硬さは析出物の密度・分布に相関 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.78 g/cm³ | Cuや他の合金元素により純アルミよりやや高い |
| 融点範囲 | 約500〜635 °C | 地元組成や金属間化合物により固相線・液相線に幅あり |
| 熱伝導率 | 約120〜140 W/m·K | 純アルミに比べ低い。Cuが1xxx系に比べて伝導率を下げる |
| 電気伝導率 | 約20〜40 %IACS | 合金元素により低下。調質や加工に依存 |
| 比熱 | 約880 J/kg·K | アルミ合金の一般的な値。温度により若干変動 |
| 熱膨張係数 | 約23〜24 µm/m·K | 他のアルミ合金に類似。異材接合や厳密な熱許容を設計時に考慮 |
鋼材に比べて熱伝導率が比較的高いため、2618は放熱が重要な用途に適していますが、高伝導性アルミ合金には劣ります。密度や熱膨張は典型的なアルミニウム合金の範囲内ですが、異種材料との接合および厳密な熱管理設計では注意が必要です。融点範囲は鍛造や熱処理条件の設定に重要で、安全な加工温度帯の目安となります。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 一般的な硬化状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5–6 mm | 適切な硬化状態で薄板はほぼピーク強度に達する | O, T4, T6 | 適度な成形性と高い強度対重量比が必要な用途に使用 |
| プレート | 6–100+ mm | 厚板は過時効が起こる場合があり、長時間の時効処理が必要 | T6, T61, T651 | 構造部品や鍛造用の厚板に使用される |
| 押出形材 | 大型断面を含む複雑な断面形状 | 押出時の冷却と時効によって特性が変動 | O, T6（後時効） | 結晶粒制御と成形後の硬化処理で性能向上が図られる |
| チューブ | 薄肉から厚肉のチューブ | 成形方法およびその後の熱処理により強度が決まる | O, T6 | 構造用および高荷重チューブ用途に用いられる |
| 棒材・丸棒 | 大径まで対応 | 軟化処理状態（O）で良好な機械加工性を保持し、時効処理で高強度に | O, T6, T61 | 航空宇宙の旋盤加工・フライス加工部品に一般的 |
鋳造、押出、圧延、鍛造といった加工工程は、微細組織、析出相の分布、残留応力状態に大きく影響します。特に厚板は、内部の軟化ゾーンを最小化し均一な機械的性質を確保するために、慎重な焼入れおよび時効条件が要求されます。航空宇宙向けの重要部品では、歪み制御のための矯正および残留応力除去処理（T651）が標準的に行われます。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 2618 | USA | 米国アルミニウム協会の主な指定番号 |
| EN AW | AlCu2.5Mg（概算） | ヨーロッパ | 化学組成の概算で、完全な1対1の対応ではない |
| JIS | A2618（概算） | 日本 | 地域ごとの指定が異なるため、正確な仕様は国標を確認 |
| GB/T | 2A61 | 中国 | 中国規格で一般的な国内相当鋼種 |
地域ごとの規格により不純物限界、許容微量合金元素および機械試験方法が異なるため、完全な1対1の相当品は存在しません。代替する際は、化学組成だけでなく機械的性質や熱処理条件を十分に照合してください。2618系の微量元素や微量合金、特にNi含有量は、高温や疲労特性に大きな影響を及ぼします。
耐食性
大気中では、2618は銅含有量が比較的高いため、5xxx系（Mg）および6xxx系（Mg+Si）に比べて耐食性が劣ります。銅リッチ析出物や中間相は局所的な触媒部位となり、ガルバニック腐食を促進します。適切な塗装やアルマイト処理を施した中性〜軽度腐食性環境下では、許容できる耐用年数が得られますが、塗装なしでの過酷な大気暴露は一般的に避けられます。
海洋環境や塩化物を含む環境下では、適切な保護がなければ2618は孔食や粒間腐食を受けやすく、塩化物による局所腐食が典型的な破損モードとなります。応力腐食割れ（SCC）の発生傾向は、多くのAl-Mg合金より高く、特に引張応力と腐食性環境下で顕著です。設計段階で三軸応力を最小限に抑えること、保護コーティング、犠牲陽極やカソード防食を考慮する必要があります。
ステンレス鋼や銅などより貴な金属と接触することでガルバニック腐食が促進されるため、絶縁措置や適合するファスナーの使用が推奨されます。1xxx/3xxx系に比べて2618は耐食性を犠牲にして強度および高温性能を向上させているため、長期的な使用では塗装、腐食抑制剤、環境管理などの腐食対策が頻繁に必要となります。
加工性
溶接性
2618は高銅含有と時効硬化特性により、熱影響部の軟化やホットクラックの発生リスクが高く溶接が難しい合金です。非重要ジョイントでは、予熱、適切な溶接棒選択および溶接後熱処理を厳密に管理すればTIG/MIG溶接が可能です。強度と割れリスク低減のために、Al-Cu-Mg合金系またはAl-Cu-Ni系の充填材が一般的に推奨されます。航空宇宙用途の重要部品では、溶接による性質回復が困難なため、機械的締結や接着結合が選択される場合が多いです。
機械加工性
退火状態の2618は従来のカーバイド工具で比較的良好に加工できます。一方、ピーク時効状態は析出物により硬度が高く、工具の摩耗が早まる傾向です。一般的には剛性の高い工具、正の切れ角、切削液を用いて切削温度を抑制し、切削速度はフリーカッティングアルミニウム合金より控えめに設定します。ビルトアップエッジ（BUE）抑制に効果的な工具コーティングも有用です。切りくずは連続的かつ延性のある傾向があり、積極的な送りと鋭利な工具により加工硬化を軽減します。
成形性
成形はO（退火）状態で行うのが最適であり、曲げ半径は工具や板厚により異なりますが、おおむね板厚の1～2倍程度まで小さくできます。時効硬化後の冷間成形は延性低下と高残留応力のため制限されます。最終形状の成形が必要な場合は、溶体化処理後に成形するか、退火状態で成形後に時効処理を行う手法が推奨されます。複雑形状の場合、温間成形や超塑性成形は一般的に用いられず、極端な成形性を要求される場合は別系統の合金が望ましいです。
熱処理特性
2xxx系の熱処理合金として2618は、溶体化処理、焼入れ、制御人工時効によって高強度を発現します。溶体化処理は一般的に約510～535 °Cの範囲でAl2Cu相を溶解させ、その後急冷して過飽和固溶体を保持します。人工時効は160～190 °C程度の中間温度で数時間処理し、強度を最大化しつつ靭性とのバランスを取る細かいθ′相および関連析出相を析出させます。
T系硬化状態は処理条件に依存し、T4は溶解処理および自然時効、T6は溶解処理後の人工時効でピーク硬度、T61/T651は残留応力除去や安定化処理を含み、残留応力や変形抑制を目的とします。過時効処理では析出物が粗大化して強度は低下しますが、靭性や耐食性が向上する場合があり、SCC耐性向上や焼入れ感度低減のために制御された過時効が用いられることもあります。
高温性能
2618はニッケルおよび銅の添加により析出物が安定化し、一般的な6xxx系合金より高温での残留強度が優れています。静的な強度保持は温度とNi含有量により異なりますが、おおむね150～250 °C程度まで有効です。この範囲を超えると析出物の粗大化と軟化が急速に進み、長期的なクリープが設計上の懸念となります。アルミニウムの空気中酸化はこの温度帯では主な劣化要因ではありませんが、機械的性質の低下や表面のスケーリングが起こる可能性があります。
溶接部周辺の熱影響部は、強化析出物の溶解や粗大化により強度が低下し、溶接後の比較的低温でも軟化・回復が進みます。200～250 °C以上の運用を想定する場合は、短期および長期クリープ特性を評価し、連続高温運転に適した専用合金の使用を検討してください。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 2618を使用する理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 高性能ピストン、コンロッド | 高い静的および高温強度、疲労耐性 |
| マリン | 構造用ブラケットや継手（保護処理済み） | コーティングにより腐食を抑えつつ高強度対重量比を実現 |
| 航空宇宙 | 継手、ブッシュ、ギア部品 | 高強度、疲労耐性、時効後の寸法安定性 |
| 電子機器 | ヒートスプレッダーや構造支持部材 | 優れた熱伝導性と機械的強度の両立 |
2618は汎用の板材用途向け合金ではありませんが、高強度と比較的良好な熱特性の組み合わせにより、重量・耐熱強度・疲労寿命が重要な設計条件で求められる部品に適しています。長期使用時の性能維持のため、表面保護処理や接合方法の工夫が広く採用されています。
選定のポイント
高い静的強度と高温時の機械的性質維持、疲労耐性が求められ、耐食性や溶接性の妥協が許容される設計には2618を選択してください。成形や機械加工は退火状態で行い、寸法安定性や最高強度が重要な場合は制御された時効処理や安定化処理を施してください。
商用純アルミニウム（例：1100）と比較すると、2618は電気伝導性や熱伝導性、優れた成形性を犠牲にする代わりに、はるかに高い強度と疲労特性を持ちます。3003や5052のような加工硬化合金と比べると、2618は大幅に高い強度を提供しますが、一般的に耐食性は劣り、接合が困難です。そのため、2618は一般的な板金部品よりも構造用の高負荷部品に適しています。6061や6063のような一般的な熱処理可能合金と比べると、2618は高温強度や疲労特性で優れることが多いですが、6061の方が耐食性や溶接性に優れています。高温での機械的性能が最優先される場合に2618を選択してください。
まとめ
合金2618は、耐食性や溶接性を犠牲にしても銅を基にした熱処理強化と高温性能を必要とする特殊な高強度アルミニウムとして位置付けられます。適切な加工、調質選択、表面保護を施すことで、2618は航空宇宙、自動車、高性能構造用途において、強度、疲労耐性、熱特性の優れた組み合わせを実現します。