アルミニウム5005：化学組成、特性、硬さ区分ガイドおよび用途
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総合概要
5005は5xxx系のアルミニウム-マグネシウム合金の一種で、主にマグネシウムが主要合金元素として特徴付けられています。熱処理による強度調整ができない非熱処理系の合金であり、降伏強さは冷間加工によって調整されます。一般的には耐食性と成形性に優れた板材製品としてAlloy 5000 (Al–Mg)グループに指定されています。
5005の主な合金元素はマグネシウム（nominally 約0.5～1.1％）で、シリコン、鉄、銅、マンガン、クロム、亜鉛、チタンが少量の制御添加または制限として含まれています。強化機構は加工硬化（ひずみ硬化）であり、T6型の熱処理には反応しないため、設計時にはH系（H-temper）ばかりか冷間加工によって目標降伏強さを実現します。
主な特長としては、優れた一般耐食性（1xxx系や多くの3xxx系より良好）、焼鈍状態での良好な成形性、適切なフィラー材を用いた良好な溶接性が挙げられます。十分な強度、表面仕上げ性（アルマイト処理など）および適度なコストの組み合わせにより、極端な強度を要求しない建築、装飾、塗装板用途で人気があります。
5005を使用する主な産業分野には、建築用クラッディングやカーテンウォールシステム、看板、トラック・トレーラーパネル、家電トリム、アルマイトおよび塗装仕上げを要する一部の消費財が含まれます。エンジニアは成形性、仕上げ品質、耐食性のバランスを優先し、最大強度や高温性能を求める場合は他の合金を選択します。
調質バリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 成形および最大延性のための完全焼鈍状態 |
| H14 | 中 | 中 | 良好 | 非常に良い | 加工硬化および部分焼鈍；浅絞りに一般的 |
| H16 | 中-高 | 中 | 良好 | 非常に良い | H14より高い加工硬化度；強度向上 |
| H22 | 中 | 中 | 良好 | 非常に良い | 加工硬化および安定化；薄板でH1xよりバネ返りが少ない |
| H24 | 中-高 | 中 | 許容範囲 | 非常に良い | 加工硬化および安定化により降伏強さ上昇 |
| H32 | 中 | 良好 | 良好 | 非常に良い | 低テンパー焼鈍後の加工硬化および安定化 |
| H34 | 中-高 | 中 | 良好 | 非常に良い | H32より高い加工硬化と強度保持性 |
調質は強度と延性のバランスを変化させます。焼鈍（O）は深絞りに最適な最大延性を提供し、H系は成形性を犠牲にして降伏強さおよび引張強さを高めます。調質の選択は成形作業の内容に左右され、製造後の性質変化を最小化するため安定化されたH2xまたはH3x調質が用いられます。
化学成分
| 元素 | %範囲 | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.0–0.4 | 鋳造・酸化包有物の制限を目的に低シリコンを管理 |
| Fe | 0.0–0.7 | 典型的な不純物；高Feは延性と外観仕上げを低下させる |
| Mn | 0.0–0.2 | 微量；結晶粒構造制御に寄与 |
| Mg | 0.5–1.1 | 主な強化元素；耐食性を向上 |
| Cu | 0.0–0.2 | 耐食性保持のため低めに制限 |
| Zn | 0.0–0.2 | 微量；濃度が高いと耐食性低下 |
| Cr | 0.0–0.1 | 結晶粒成長抑制と安定性向上のための微量管理 |
| Ti | 0.0–0.2 | 一部製品形態での結晶粒微細化剤 |
| その他 | 0.0–0.15 | 残留元素および微量元素（個別／総和制限） |
マグネシウムは強度の主な要因であり、固溶効果により強度を高め、純アルミニウムに比べて耐食性を向上させています。鉄とシリコンは制御された不純物で、延性や表面仕上げに影響を与えます。銅と亜鉛は耐食性を損なうため制限されています。チタンおよびクロムの微量添加は微細構造制御に役立ちますが、機械的性質の主要因ではありません。
機械的性質
5005の引張特性はマグネシウム含有量と加工硬化の度合いの組み合わせで決まります。O調質は低降伏強さと高伸びを示し、H系は強度をやや高める一方で延性は低下します。一般に弾性範囲は線形成形状を示し、降伏点後は適度な加工硬化を伴います。引張強さおよび降伏強さは調質と板厚に依存するため、設計者は特に薄板では加工硬化が進み易いためゲージ依存の強度差を考慮する必要があります。
焼鈍5005の降伏強度は構造用として設計された他の5xxx系（例：5083、5052）より低いですが、加工硬化に応じて降伏強さは安定して増加します。したがって、降伏強さは調質選択および冷間成形工程で調整可能です。O調質の伸びは深絞りに非常に適しており、成形パネルに用いられる中程度のH調質でも実用的な伸びを保ちます。硬さは調質に比例し、冷間加工によって硬さが増しますが、熱処理系の6xxx合金と比べるとかなり低いです。
疲労性能は重要な繰返し荷重には不向きですが、強度基準および特定調質での加工硬化能力が低いため、高強度の5xxx系合金より劣ります。板厚の影響は顕著で、薄板5005は重加工されると同じ調質の厚板よりはるかに高い引張強さと降伏強さを示すことがあります。表面状態（アルマイト、塗装）および成形や溶接による残留応力も疲労寿命に影響します。
| 特性 | O/焼鈍 | 代表的調質（例：H14/H24） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約90–160 MPa | 約150–260 MPa | 幅は調質と板厚に依存；ミル証明書での確認推奨 |
| 降伏強さ | 約35–85 MPa | 約120–220 MPa | 加工硬化により降伏強さ上昇；H調質は成形部品に多用 |
| 伸び | 約20–35％ | 約6–20％ | 焼鈍は最大伸び；H調質は強度向上の代償として延性低下 |
| 硬さ | 約20–40 HB | 約40–70 HB | 硬さは調質に比例；値は板厚や加工による変動あり |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.66 g/cm³ | 5xxx系アルミ合金に典型的な値 |
| 融点範囲 | 約605–650 °C | 純アルミ（660 °C）と比べて合金化により融点範囲が広がる |
| 熱伝導率 | 約140–170 W/m·K | 純アルミより低いが、熱拡散用途には十分 |
| 電気伝導率 | 約35–45 % IACS | 合金化で純アルミより低下；バスバーや軽導体用に許容範囲 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | アルミニウムの標準値で、熱容量計算に有用 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 µm/m·K (20–100 °C) | 他のAl–Mg合金と同様；異種材料と接合する際に重要 |
この合金の密度および熱的特性により、軽量化と放熱性が求められる建築用パネルや一部電子機器外装などで魅力的です。熱伝導率および電気伝導率は純アルミや1xxx系合金より低いものの、多くの熱管理用途で十分な性能を持ち、機械的性質や表面性能も向上しています。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3–6 mm | 調質および冷間圧延によって強度が変化 | O, H14, H24 | 建築用パネルや装飾トリムに広く使用される |
| プレート | 6 mm超～約25 mmまで | 厚板では冷間加工度が低いため到達可能な強度が低下 | O, H32 | 厚みが必要だが重構造荷重がかからない用途で使用されることが多いが稀 |
| 押出形材 | 数メートルまでのプロファイル | 押出形状は冷却および押出後の加工状態に依存 | O, H22 | 6xxx系に比べ形状の制限があるが、陽極酸化に適した良好な表面仕上げ |
| パイプ | 壁厚0.5–6 mm | 成形および溶接によって最終的な強度を決定 | O, H14 | フレームや装飾用チューブで曲げ加工や成形が一般的 |
| 棒材・丸棒 | 直径最大約50 mm | 切削在庫材。強度は伸線・冷間加工度に依存 | O, H14 | 耐食性と仕上げが必要な旋盤部品やファスナーに使用される |
成形方法と製品形状は達成可能な特性の組み合わせに大きく影響します。シートの冷間圧延によってより高いH調質が可能で強度が向上しますが、プレートや押出形材は通常、軟化条件（アニーリング）に近い状態となります。シートや押出形材には陽極酸化やPVDFコーティングなどの表面処理が一般的に施され、調質や表面仕上げの選択には外観上の欠陥を避けるための注意が必要です。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5005 | USA | アルミニウム協会の呼称で北米仕様で広く使用されている |
| EN AW | 5005A / EN AW‑5005 | ヨーロッパ | ヨーロッパの命名法に対応し、製品形態や不純物規制を示す特定のサフィックスがある |
| JIS | A5052（注意） | 日本 | 完全な1対1対応はない。JIS A5052はより強いMg合金のため、化学成分と調質を確認のうえ代替が必要 |
| GB/T | 5005 | 中国 | 中国規格でも5005はAl–Mgの化学成分が一致していることが多い |
完全な相当性は、不純物の許容限界、機械的性質の試験方法、調質命名の違いで微妙に異なります。指定だけに依存せず、必ず化学成分と調質別機械的特性のミルシートを比較してください。重要な構造用途では元規格の仕様書を参照することで誤った代替を防止できます。
耐食性
5005は酸化被膜による大気中耐食性が良好で、適度なマグネシウム含有による孔食抵抗の向上効果もあります。3xxx系や1xxx系多くの合金よりも屋外建築環境で良好に機能し、特に陽極酸化やコーティング時に優れた耐食性を示します。塩化物が厳しくない工業大気中でも耐食性能が高いです。
海洋環境では、5005は内部および軽度に露出した外部部品に適しますが、船体や主要構造用途ではより高Mgの5083や5086などの構造用海洋合金に劣ります。はね返りや連続浸漬の用途では高強度の海洋用合金を使うか、5005に保護コーティングを施して局部的な腐食を抑制することが一般的です。
Al–Mg系合金の応力腐食割れリスクはMg含有量や引張応力の増加に伴い高まります。5005は中程度のMg量であるため高Mg合金に比べてSCC感受性は比較的低いですが、塩化物環境では応力除去や接合部形状の配慮が必要です。ガルバニック腐食への注意も必要で、陽極酸化や塗装した5005は耐性を維持しますが、ステンレス鋼や銅などと電気的隔離なしに接触するとアルミの局部腐食が促進されます。
1100系合金と比較すると、5005は優れた強度と一般耐食性を持ち、電気伝導性や成形性は若干劣ります。特殊な海洋用5xxx合金と比べるとピーク強度は低いものの、非重要な海洋環境での耐食性は同等です。
加工特性
溶接性
5005は適切な溶加材を選べばTIG（GTAW）やMIG（GMAW）などの一般的な溶融溶接に適しています。腐食抵抗と接合部の靭性を保つために5356（Al‑5%Mg）系統の溶加材が一般的に使用されます。流動性向上のために4043（Al‑5%Si）を使うこともありますが、陽極酸化の外観に影響を与える場合があります。5005は熱処理不可合金のため、熱影響部の軟化は析出硬化の影響がなく比較的問題になりませんが、H調質では局所的に冷間加工による強度低下が起こり、設計に考慮がなければ接合部強度が低下することがあります。
切削性
5005の切削性は展伸材アルミ合金の中で中程度からやや良好で、一部加工では1xxx系や3xxx系よりも加工しやすいですが、多くの無鉛易削合金には劣ります。中速切削と剛性の高い固定具を用いた超硬工具の使用が推奨されます。切りくずは長い連続性のある切り屑となり、切りくず破砕機構は設計や送り調整をしないと期待できません。工具面でのアルミ付着（ガリング）を防ぐため冷却・潤滑剤は用途に応じて選択的に使用します。
成形性
軟化状態（O）では優れた成形性を示し、多くのH調質においても中程度の成形や曲げ加工が可能です。シートの最小曲げ半径は調質や板厚により異なりますが、O調質での軽い曲げでは一般的に板厚の1～2倍程度が目安で、H調質では割れを防ぐためにより大きな半径が推奨されます。深絞り加工ではOまたは軽度加工のH調質が適しており、H調質では反発によるバネ戻りを工具で補正する必要があります。
熱処理特性
5005は熱処理不可合金で、6xxx系や7xxx系で用いられる固溶化処理や人工時効による強化はできません。強度調整は冷間加工（加工硬化）と性質変動を抑える安定化処理によって行い、調質表記（H1x、H2x、H3x）はそれぞれ特有の加工硬化状態と安定化の状態を示します。
完全な退火（O）は、再結晶と加工硬化除去のために適切な温度まで加熱し（製品形状や冷却速度により300～415 °C程度）、歪みを避けるために制御冷却します。H調質は規定の冷間加工度および必要に応じて低温安定化処理で制御され、これらの加工硬化プロセスは退火によって元に戻すことが可能です。
5005は時効硬化しないため、溶接や加工時の局所的な加熱による不意の軟化や強度低下に注意し、一貫した機械的性能を求める場合は後処理の安定化操作や適切な調質指定を行う必要があります。
高温性能
5005の強度は温度上昇とともに徐々に低下します。約100～150 °Cを超える使用温度では降伏強さや引張強さが顕著に低下し始め、これは高温下での固溶強化効果が減少するためです。短時間であれば約200 °Cまで使用可能ですが、長期曝露では微細組織の回復が進み加工硬化の効果が失われます。
酸化は表面に保護的な酸化アルミニウム膜の形成に限定され、通常の使用範囲では著しい酸化劣化は懸念されません。ただし、酸化スケールの増大は陽極酸化の表面仕上げに影響を与えることがあります。溶接部および熱影響部は耐強度および高温下の変形を点検すべきであり、冷間加工強化を利用した部品は高温下の長時間使用を避けるべきです。
用途例
| 産業分野 | 代表的な部品 | 5005を使用する理由 |
|---|---|---|
| 建築 | クラッディング、ファサード | 良好な表面仕上げ性、陽極酸化適性、耐食性 |
| 海洋・レクリエーション | トリムおよび非構造用パネル | 耐食性と軽量性を活かした水上部品 |
| 自動車・輸送 | 外装トリム、トレイラーパネル | 複雑形状の成形性と塗装・陽極酸化対応性 |
| 電子機器 | 筐体・ハウジング | 熱伝導性、表面仕上げ性および軽量化 |
| 家庭電器 | 装飾パネル・ベゼル | 陽極酸化、塗装密着性、外観品質 |
5005は形状加工性、表面仕上げ性、適度な強度の組み合わせを求められる用途で広く選ばれます。特に、陽極酸化処理による美観と保護性能が求められる建築用クラッド材として好まれています。
選定のポイント
5005は陽極酸化が可能で耐食性に優れ、成形性と中程度の強度を兼ね備えた実用的なアルミニウム合金です。熱処理型合金に比べコストや加工手間がかからない点もメリットです。深絞りや複雑成形にはO調質を選び、より高い使用剛性や降伏強さを求める場合は適切なH調質を選択してください。
1100（商用純アルミ）と比較すると、5005は電気伝導性と成形性がやや劣る代わりに、著しく高い強度と優れた一般耐食性を備えています。3003や5052（一般的な加工硬化合金）と比べると、5005は強度面でその中間に位置し、多くの加工硬化合金に対して優れた仕上げ性と陽極酸化処理の外観を提供します。6061や6063のような熱処理型合金と比較すると、5005のピーク強度は低いものの、本質的な耐食性と陽極酸化処理の品質が優れているため、最大の構造強度よりも仕上げや大気環境での性能が重要視される用途で好まれます。
まとめ
合金5005は、多様な用途に対応できる非熱処理型のAl–Mg合金であり、成形性、陽極酸化および塗装仕上げ性、優れた一般耐食性の組み合わせが評価されています。焼き入れや冷間加工によって強度の調整が可能であり、外観や耐食性が最大の構造能力より優先される建築用、装飾用、さらには多くの輸送用および消費財用途に適しています。