アルミニウム 3005：組成、特性、硬さ指標および用途
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総合概要
3005は、マンガンを主合金元素とする3xxxシリーズの圧延アルミニウム合金の一種です。この合金は一般的にマグネシウムが適量添加されており、3003などの類似合金に比べて強度の向上と加工硬化特性の改善を両立しています。
この合金は熱処理による強化ができず、主に冷間加工（加工硬化）とMn/Mgの微合金化によって強度が得られています。つまり、設計者は溶体化・時効サイクルではなく、H系の硬さ（テンパー）や機械的加工によって機械的性質を調整します。
3005の主な特徴は、中程度の強度、多くの大気環境下での優れた耐食性、軟らかいテンパーでの優れた成形性、そして一般的なアルミニウム用溶接棒を用いた良好な溶接性です。主な用途としては、建築用外装パネルや雨樋、自動車のボディパネルやトリム、HVACダクト、家庭用電化製品、及び中程度の強度と良好な外観を必要とする一部の海洋・輸送用外装パネルがあります。
純アルミ（1000系）や3003に対し、成形性を大きく損なうことなく強度を向上させ、熱処理可能合金に伴う高コストや異なる加工工程を回避したい場合に3005が選択されます。大面積成形や塗装性、耐食性が最大の比強度より優先される場合には、より高強度の合金群よりも3005が好まれます。
テンパーの種類
| テンパー | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 (≥20%) | 非常に良い | 非常に良い | 完全焼鈍、最大の延性と深絞り性を実現 |
| H12 | 低～中 | 高～中（約15～20%） | 非常に良好 | 非常に良好 | 軽度の加工硬化、中程度の成形に適する |
| H14 | 中 | 中（約10～15%） | 良好 | 非常に良好 | 四分硬化；成形性と強度のバランスが必要な用途に一般的 |
| H16 | 中～高 | 中（約8～12%） | 良好～やや劣る | 良好 | 半硬化；パネルの剛性向上に適する |
| H18 | 高 | 低～中（約4～8%） | やや劣る | 良好 | 完全硬化；高強度と反発力耐性が求められる場合に使用 |
| H22 / H24 | 中～高 | 中（約8～12%） | 良好～やや劣る | 良好 | 加工硬化後に部分焼鈍（H24）；延性と強度の調整が可能 |
| T5 / T6 / T651 | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 熱処理硬化テンパーは非熱処理合金である3005には一般的に適用されない |
テンパーは3005の延性と強度のトレードオフを強く制御します。軟らかいOや軽いH系テンパーは深絞りや引き伸ばし成形を可能にし、H16～H18はより高い降伏強さとパネルの安定性を提供します。3005は熱処理できないため、目標性能を得るには機械的テンパーや冷間加工の工程指定が必須で、時効サイクルには依存しません。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | 鋳造性・流動性を制御するためのシリコンで微量添加許容 |
| Fe | ≤ 0.7 | 一般的な不純物。過剰なFeは延性と表面仕上げを悪化させる |
| Mn | 0.5 – 1.0 | 3xxxシリーズの主要な強化元素。結晶粒を制御し加工硬化効果を高める |
| Mg | 0.3 – 0.7 | 少量のMgが強度向上と加工硬化能の改善に寄与 |
| Cu | ≤ 0.2 | 低Cuで粒界腐食のリスクを抑制 |
| Zn | ≤ 0.2 | 亜鉛含有量を低く保ち、過剰なガルバニック作用と成形性劣化を防止 |
| Cr | ≤ 0.1 | 微量のクロムが一部の生産工程で再結晶を制御 |
| Ti | ≤ 0.1 | チタンは鋳造・インゴット製造時の結晶粒微細化剤として微量添加 |
| その他 | 各0.15以下、Bi/Pb/Sbは各0.05以下 | 残留元素や微量添加物; その他はアルミニウムの残部 |
マンガンとマグネシウムの含有量が3005の機械的性質を主に決定します。Mnは分散物を形成し圧延・成形時の結晶粒構造を安定化し、Mgは固溶強化に寄与して降伏強さ・引張強さを向上させますが、熱処理硬化は起きません。鉄とシリコンの管理は、特に塗装される建築用途での表面仕上げや曲げ加工性に重要です。
機械的性質
3005の引張特性はテンパーと板厚に大きく依存します。焼鈍状態では中程度の引張強さと長い均等伸びを示し、成形や深絞りに適しています。冷間加工により硬さを増したHテンパーでは、降伏強さと引張強さが向上する一方、延性と成形性は低下します。
降伏強さは加工硬化により大幅に上昇し、通常、パネルの剛性やフランジング、バネ戻り制御が必要な場合にはH14～H18テンパーが用いられます。疲労特性は低〜中程度の繰り返し荷重に対して妥当で、疲労寿命は表面の仕上げ、成形時の割れ、製造による局所的な応力集中に強く影響されます。
硬さは強度と同じ傾向を示し、品質管理のためブリネル硬さやビッカース硬さで測定されます。板厚による影響は著しく、薄板の方が室温での成形性が高く冷間加工後の性質も均一になる一方、厚板は曲げR制限が厳しく均等伸びが低下します。
| 特性 | O／焼鈍 | 代表テンパー（H14 / H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 100 ～ 150 MPa | 180 ～ 260 MPa | テンパーや板厚によるばらつきあり。HテンパーはOに対しほぼ倍増する場合も |
| 降伏強さ | 35 ～ 80 MPa | 120 ～ 200 MPa | 加工硬化に伴い迅速に上昇。成形品の仕様管理が重要 |
| 伸び | 18 ～ 30％ | 4 ～ 15％ | 強度上昇に伴い伸びは減少。成形設計はO/H12/H14を推奨 |
| 硬さ（HB） | 25 ～ 45 HB | 60 ～ 95 HB | 硬さは冷間加工量に比例し、測定手法や試料状態で値が異なる |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.73 g/cm³ | 圧延Al‑Mn合金として標準的。質量計算に有用 |
| 融解温度範囲 | 約643 ～ 654 °C | 合金の融解温度範囲。不純物で固相・液相点が変動 |
| 熱伝導率 | 約140 W/m·K（室温） | 純アルミより低いが、熱拡散には依然適する |
| 電気伝導率 | 約35 ～ 45 % IACS | 純アルミに比べ低く、テンパーと冷間加工量により変化 |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K | 室温付近のアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張係数 | 約23.6 µm/m·K（20～100 °C） | 他のアルミ合金に近似。異種金属接合時の熱膨張差考慮に重要 |
3005はアルミニウムの望ましい物理特性である低密度、優れた熱伝導性、高い比熱を保持しています。熱および電気的性能は純アルミに劣りますが、多くの放熱や電気接地用途で十分な性能を発揮します。
設計者は、鋼や銅との接合時に熱膨張係数の違いによる繰返し疲労やシール破損を避けるため注意が必要です。熱伝導率と比熱の特性により、重量や成形性を重視する軽量放熱パネルや筐体への使用に適しています。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2 – 6.0 mm | 厚さが成形性に影響し、薄板ほど絞り加工が容易 | O, H12, H14, H16 | 建材のクラッディング、ボディパネル、家電製品で最も広く使用 |
| プレート | >6.0 mm | 延性は低下し、剛性追加が必要な用途で使用されることが多い | H16, H18 | 厚板での入手は限定的で特殊生産が多い |
| 押出材 | 中程度のサイズまでの断面プロファイル | 押出形状は人工時効や冷間仕上げにより強度向上が可能 | H14, H16 | 6xxx系押出材ほど一般的ではなく、装飾トリムに使用 |
| チューブ | 肉厚0.5 – 6 mm、各種径 | 溶接または無縫製のチューブ；溶接部の熱影響部（HAZ）および成形時の座屈挙動が重要 | O, H14 | HVACダクト、建築用チュービング、家具フレームなど |
| バー・ロッド | 直径最大約50 mm | 冷間引抜きにより強度向上；入手は限定的 | H12, H14 | ファスナー、ピン、成形部品に使用 |
3005は優れた成形性と表面仕上げを持つ合金のため、シートおよびコイル形状が主流です。プレートや厚手の断面は少なく、主に高い剛性や厚さが必要な用途で使われますが、厚板構造用には他のアルミニウム系列が好まれる傾向があります。
押出材やチューブ形状は必要な断面プロファイルや中空断面に応じて生産されます。Mn/Mg系合金ではダイ設計、押出速度、冷却条件を適切に管理し、結晶方位や表面品質を制御する必要があります。建築・自動車業界の供給チェーンでは、シートやコイルの曲げ加工、折り返し加工、引張成形が日常的に行われています。
相当品グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 3005 | 米国 | Aluminum Association指定。データシートでよく引用される。 |
| EN AW | 3005 | ヨーロッパ | EN AA‑3005 / EN AW‑3005が欧州規格や鋳造証明書で使用。 |
| JIS | A3005（近似） | 日本 | 日本規格では近似品が掲載されている場合あり。組成や硬さは必ず確認すること。 |
| GB/T | 3005（近似） | 中国 | 中国規格では対応の組成があるが、公差は各国の仕様で確認が必要。 |
各規格間の名称は基本的に同じ化学成分を指しますが、公差、許容不純物、試験要件が異なる場合があります。設計者や調達担当者は国際調達時には機械的性質表や工場検査証明書を参照し、単に型番のみで判断しないことが重要です。
耐食性
3005は3xxx系合金特有の、安定した酸化皮膜と中程度の合金元素量により大気環境下で良好な耐食性を示します。都市部や工業地域でも良好に機能し、塗装や陽極酸化処理を施せば一般腐食や変色に強くなります。
海洋や塩化物の多い環境では外装トリムや非重要構造パネルとして使用可能ですが、5xxx系のMg含有量が高くピッチング耐性に優れた合金には及びません。塩化物の集中した攻撃やクレバス条件下で保護膜が損傷すると局所ピッチングが発生する場合があります。
3005は非熱処理型のため、通常の使用条件下では応力腐食割れの大きな心配はありません。高強度合金に見られる脆弱な微細組織を持たないためです。異種金属との電気化学的な干渉は管理すべきで、アルミニウムは銅、ステンレス鋼、炭素鋼に対して陽極となり、適切な絶縁や被覆がなければ優先的に腐食します。
加工性
溶接性
3005は適切なアルミニウム用充填材を用いた従来のTIG、MIG、スポット溶接で容易に溶接可能です。代表的な充填材は、接合部の強度や耐食性に応じて4043（Al-Si系）や5356（Al-Mg系）が選ばれます。
熱割れのリスクは熱処理合金に比べて低いものの、熱入力とジョイントの隙間調整を適切に行い、過度の歪みや冷間加工部の熱影響部軟化を抑制する必要があります。荷重を受けるパネルやフランジ付け部品では、溶接前後の機械的性質の変化に注意してください。
切削加工性
3005の切削加工性は中程度で、純アルミよりは良好ですが、フリーマシニング真鍮や6xxx系合金には及びません。一般的な切削工具は高品質カーバイドやコーティングカーバイドを用い、中〜高速の回転数と有効な切れ刃角で連続した切りくず形成を推奨します。
堅牢なクランプと液体潤滑（フラッド・ミスト）を利用すれば切りくず制御は良好です。H硬さ状態でボーリングやタップ加工も可能ですが、特に薄肉部品ではビルドアップエッジや表面のべたつきを避けるため、送りや切削速度の最適化が必要です。
成形性
3005の成形性は軟質硬さ状態や薄板で特に優れており、深絞りや引き伸ばし、複雑な曲げ加工が可能です。最小曲げ半径は硬さ状態と厚みに依存し、O硬さやH12はより小さい半径を許容しますが、H16～H18はより大きな半径とバネ戻りの考慮が必要です。
冷間加工による硬化挙動は予測可能で、成形中の制御された加工硬化により段階的に強度アップができます。高い成形性や複雑形状加工ではO硬さや軽硬化状態を推奨し、中間アニーリングで延性回復を検討してください。
熱処理特性
3005は非熱処理型合金であるため、6xxx系や7xxx系のような溶体化処理や人工時効による強化はできません。析出硬化サイクルの適用は効果が小さく、主な強化因子はMn分散物と冷間加工によるものです。
性能調整は機械的加工とアニーリング操作で行います。軟化（アニーリング）は適切な温度まで加熱後、ゆっくりまたは制御冷却により延性を回復させます。製造工程では完全アニーリング（O状態）や部分アニーリングでH24などの硬さ状態を作り出します。
プロセスエンジニアは、溶接や熱処理中に過熱して分散物が粗大化したり、望ましくない結晶粒成長を起こさないように管理することが重要です。圧延や適切な中間アニーリングで再結晶を制御し、一貫した成形性と表面仕上げを得る微細構造を維持します。
高温性能
3005の静的強度は温度上昇と長期使用により低下し、約100～150 °Cを超える継続使用は設計で制限すべきです。部品固有のクリープ特性データの参照が推奨されます。短時間の高温曝露は許容されますが、繰り返しの熱サイクルにより寸法安定性や残留応力が変化する場合があります。
鋼と比較して酸化は小さいものの、アルミニウムの酸化皮膜が形成されるため塗装の密着性や電気接触面に影響が出ることがあります。溶接構造では熱影響部で局所的な軟化と降伏強さ低下が生じるため、高温負荷容量低下をカバーする機械的補強や接合部設計の変更が必要な場合があります。
用途例
| 産業 | 例示コンポーネント | 3005が使われる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 外装トリム、ボディパネル | 成形性、表面仕上げ、適度な強度のバランスが良好 |
| 船舶 | トリム、非構造パネル | 沿岸部の環境で十分な耐食性と塗装適性 |
| 航空宇宙 | 内装部品、フェアリング | 軽量かつ非重要部品に適した加工性 |
| 電子機器 | シュラウドや筐体 | 熱拡散性、電磁遮蔽、軽量筐体材料 |
| 建築・建設 | 雨樋、クラッディング、屋根材 | 耐候性、プロファイルの成形性、優れた塗装密着性 |
3005は大判の成形面が必要で高品質な外観と信頼性のある耐食性が求められる用途に特に有用です。成形・仕上げの容易さが建築用パネルや家電筐体の製造コスト削減を促進し、純アルミニウムに比べて優れた機械的性能を提供します。
選定のポイント
3005を選定する際は、1000系や3003系より強度が高く、それでいて優れた成形性や塗装性を維持したい設計に適しています。深絞りにはO硬さや軽硬化状態、剛性や降伏強さを重視するパネルにはH14～H18硬さを推奨します。
一般純アルミニウム（1100）と比較すると、3005は電気伝導性や熱伝導性の一部を犠牲にする代わりに、著しく高い強度と優れた耐摩耗性を備えています。一般的に使用される加工硬化系合金である3003や5052と比べると、3005は通常3003よりもやや強度が高く、同等の成形性を維持しています。わずかに高い強度と優れた耐食性が求められる場合に好まれることが多いです。熱処理が可能な6061などと比較すると、3005は優れた成形性としばしば低コストを実現しますが、最大強度は低くなります。したがって、最終的な引張強さよりも成形性や表面仕上げが重要な場合に3005を使用してください。
まとめ
3005は非常に延性の高い一般純アルミニウムと高強度な熱処理合金の間の性能差を埋めるための実用的かつ広く使用されているアルミニウム合金です。加工硬化による強化、優れた耐食性、優秀な表面仕上げ、そして予測可能な加工特性の組み合わせにより、製造性と耐久性が設計の主要条件となる建築、自動車、消費者向け用途において好まれる選択肢となっています。