アルミニウム5050：組成、特性、硬さ状態ガイドおよび用途
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総合概要
5050は5xxx系アルミニウム合金に属し、マグネシウムを主成分とする加工性合金で、熱処理による強化ができない非熱処理強化型合金です。この合金はアルミニウムを基盤として、マグネシウムを主要合金元素に加え、強度と耐食性を調整するためにマンガン、クロムおよび微量元素を制御して添加しています。5050の強さは主に固溶強化と加工硬化によって得られ、時効硬化処理ではありません。そのため、材質の特性制御は材質履歴と冷間加工による影響が大きくなります。特徴としては、非熱処理系合金として中程度から良好な強度、大気中での優れた耐食性、良好な溶接性、そして材質履歴や板厚に応じた適度な成形性が挙げられます。
5050をはじめとする5xxx系合金は、船舶・海洋分野、輸送機器・自動車部品、圧力容器・配管、建築用パネル、腐食耐性と中程度の強度が求められる一般的な製作分野で広く採用されています。設計者は、熱処理による複雑な加工を伴わずに耐食性、成形性、溶接性のバランスを必要とする場合に5050を選択します。より高い機械的性能が必要な際は、低強度で導電率が高い合金よりも5050を選び、最大のピーク強度よりも歪み低減、優れた溶接性および使用中の耐食性を重視するときは熱処理強化型合金よりも5050を優先することがあります。
材質状態（Temper）バリエーション
| 材質状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 極めて良好 | 極めて良好 | 完全焼鈍状態で最も容易な成形が可能 |
| H111 | 低～中程度 | 高 | 非常に良好 | 極めて良好 | わずかに加工硬化しており、機械的特性の向上は最小限 |
| H14 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 極めて良好 | 単段階の加工硬化で成形品に広く利用される |
| H24 | 中程度～高 | 中程度 | 普通 | 極めて良好 | 加工硬化および安定化処理による強度向上と延性低下 |
| H32 | 高 | 低め | 限定的 | 良好 | 加工硬化後部分的に焼鈍してバランスの良い特性を実現 |
| H34 | 高 | 低め | 限定的 | 良好 | 冷間加工品における最大強度を狙った高度な加工硬化レベル |
| T5 / T6 / T651 | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 5xxx系合金には効果のない熱処理状態 |
材質状態は主に塑性変形の蓄積量とそれに伴う転位密度により降伏強さと引張強さに強い影響を与えます。焼鈍状態（O）は延性と成形性を最大限にし、HおよびHx材質は強度を段階的に高める代わりに伸びと曲げ性が低下します。
材質状態の選択は成形工程に合わせて行うべきであり、深絞りや大きな曲げ加工には焼鈍またはH111条件が適し、パネルや構造部材など成形後の強度が求められる場合はH32/H34材質が多く使われます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | 不純物；脆い間相の発生を抑制するために制御 |
| Fe | ≤ 0.40 | 一般的な不純物；過剰は延性と耐食性を低下させる |
| Mn | 0.10–0.50 | 強度付与と粒子形成による組織制御を行う添加元素 |
| Mg | 1.5–3.5 | 主強化元素；耐食性と加工硬化性を向上 |
| Cu | ≤ 0.10 | 耐食性維持のため低レベルに抑制；高Cuは応力腐食割れ（SCC）耐性が低下 |
| Zn | ≤ 0.10 | 微量；熱割れや電食問題防止のため低レベルに制御 |
| Cr | 0.05–0.25 | 粒子構造制御と耐食性向上、粒成長抑制を目的とする |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造品やインゴットでの粒子細化剤 |
| その他 | 残部アルミニウム | 微量元素（V、Zrなど）が特殊品種で少量含有される場合あり |
マグネシウムは5050の特徴的な合金元素であり、固溶強化により強度と海水耐食性を向上させます。マンガンとクロムは意図的に添加された微量合金元素で、粒子を細かくし析出物を形成して強度と再結晶耐性を高めつつ、熱処理不可能な性質を維持します。鉄とケイ素は残留元素であり、延性維持と鋳造および熱間加工時の脆い間相発生防止のために制御されます。
機械的特性
引張特性において、5050は典型的な非熱処理系合金の挙動を示します。焼鈍状態では初期強度が低い一方で、冷間加工によって顕著に強度が向上します。降伏強さと引張強さは材質状態に強く依存し、O状態は成形に適した控えめな値を示すのに対し、H状態では加工硬化により降伏強さが2～3倍になることもあります。延性はOからH32/H34への進行に従い転位密度の増加や圧延製品でのテクスチャ効果により低下します。
硬さは引張強さの傾向に連動し、製造時の成形性や曲げ挙動の推定に実用的な指標となります。疲労性能は多くの構造用途で問題ありませんが、表面仕上げ、板厚、環境条件の影響を受けます。塩化物環境下の腐食疲労耐性は多くの銅含有合金よりも優れますが、6xxx系航空宇宙用アルミの一部に劣ります。板厚は成形性と強度維持に大きな影響を与え、厚板は冷間成形が難しく、断面全体に均一な加工硬化がかかりにくいため成形後強度が高めに出る傾向があります。
| 特性 | O／焼鈍 | 主要材質（H32） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 95–140 MPa (14–20 ksi) | 240–320 MPa (35–46 ksi) | 加工硬化により強度が大幅に向上；製品形態と板厚で変動 |
| 降伏強さ | 35–70 MPa (5–10 ksi) | 150–260 MPa (22–38 ksi) | 材質と加工履歴で大きく変動 |
| 伸び | 20–30％ | 6–15％ | 材質と強度の上昇に伴い減少；板厚が延性に影響 |
| 硬さ（HV） | 25–45 | 60–95 | 硬さは引張強度、降伏強度に相関し、生産時の品質管理に利用 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 g/cm³ | アルミニウム合金の一般的な値；強度対重量比計算に重要 |
| 融点範囲 | 約600–650 °C | 合金アルミニウムは固相線－液相線幅があり、組成により範囲が異なる |
| 熱伝導率 | 約130–160 W/m·K | 純アルミより低いが、多くの熱拡散用途に十分な値 |
| 電気伝導率 | 約35–45％ IACS | 合金化により純アルミより低下；一部導体やバスバー用途で許容可能 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 熱容量計算や熱応答分析に用いられる代表値 |
| 熱膨張率 | 約23.5 µm/m·K | 鋼に比べて高い膨張率；熱結合設計で考慮が必要 |
物理定数から、5050は鋼に比べて軽量で熱伝導率や比熱が高く、輸送や熱拡散用途に適しています。低密度で中程度の熱・電気伝導率の組み合わせは、熱管理と軽量化が重要な構造部材に有利ですが、設計段階では鋼材に比べて膨張率が高く、剛性が低い点を考慮する必要があります。
製品形態
| 形態 | 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 | 0.3〜6.0 mm | 良好な表面仕上げ；硬さ状態によって強度が変化 | O, H111, H14, H32 | パネル、筐体、成形部品として広く使用される |
| プレート | 6〜150+ mm | 厚さ依存の強度；深絞り性は制限される | O, H111, H32 | 構造部品、船体外板および厚板製造部品に使用される |
| 押出材 | 数メートルまでの断面形状 | 強度は押出比とその後の冷間加工に依存 | O, H112, H34 | 複雑な断面形状に対応し、構造部品や建築部品に適用される |
| チューブ | シームレス／溶接、直径は可変 | 強度は肉厚および硬さ状態で制御 | O, H32 | 流体取扱い、軽量フレーム、構造用チューブとして使用 |
| バー／ロッド | 直径最大150 mm | 冷間引抜きで強度向上 | H112, H14, H32 | 機械加工部品、ファスナー、シャフトなど耐食性が求められる用途向け |
シートとプレートは5050で最も一般的な形態であり、圧延加工により結晶粒構造と残留応力が設定され、その後の硬さ調整や冷間加工が施されます。押出材は断面形状をカスタマイズ可能で、均一な特性を得るためにビレットの均質化および急冷戦略が必要となることが多いです。バーやロッドは鍛造や冷間引抜きによりさらなる加工硬化で強度を高め、溶接されたチューブ部品は成形性と溶接後強度保持のバランスを取った硬さで供給されることがあります。
相当グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5050 | アメリカ | Allied/Alcoa/AA指定は調達で広く使用される |
| EN AW | 5050 | ヨーロッパ | EN AW-5050はAAシリーズの化学成分と硬さ状態に一致する |
| JIS | A5050 | 日本 | JISグレードはAA組成に準じつつ地域別公差を持つことが多い |
| GB/T | 5050 | 中国 | 中国のGB/T規格は類似の化学成分を提供するが、機械的許容基準は異なる場合がある |
5050は明確に定義された加工用マグネシウム合金のため、規格間の相当性は概ね単純ですが、注意が必要です。地域ごとに微量元素の許容範囲、試験プロトコル、硬さ表記が異なる場合があります。調達時にはグレード名だけに頼らず、出典規格と要求される機械的特性・耐食性能を明確に指定して均一な品質を確保すべきです。
耐食性
5050は5xxx系マグネシウム含有合金に典型的な大気耐食性を備え、保護酸化膜を形成して都市部や軽度工業環境で長寿命を提供します。塩素化環境（例えば海水）における孔食および均一腐食抵抗はCu含有合金や多くの熱処理系合金より良好ですが、高塩化物濃度や停滞した海水条件下では局所的な陽極溶解が発生する可能性があります。合金純度、硬さ状態、表面仕上げや溶接による残留応力は、過酷環境下での耐用寿命に大きく影響します。
5xxx系の応力腐食割れ（SCC）感受性はマグネシウム含有量の増加および特定の硬さ状態で高まります。Mg含有量が3.5%以上の合金は塩水下での引張応力下においてSCCリスクが高くなります。5050は中程度のMg含有量と管理された不純物含有により、適切に指定・加工されれば一般的に低～中程度のSCCリスクとなりますが、設計者は引張過負荷を避け、海洋構造物には陰極防食を検討すべきです。5050をステンレス鋼や銅などより貴な金属と接合する場合には、ガルバニック腐食を考慮し、適切な絶縁・ファスナー選定・塗装対策によって界面の腐食促進を抑制します。
6xxx系（Mg＋Si）合金と比較すると、5050は海水腐食性能と溶接性に優れますが、熱処理による最大強度は低くなります。3xxx系（Mn含有）合金に比べると、5050は強度が高く、マグネシウム含有により海水抵抗性も向上しています。
加工性
溶接性
5050はMIG（GMAW）およびTIG（GTAW）などの一般的な溶融溶接で容易に溶接可能であり、一部の高銅合金に比べて熱割れの傾向が極めて低いです。推奨される溶加材は5xxxまたは4xxx系の対応ワイヤで、耐食性を保持します。海洋用途の溶接には銅含有量の低い溶加材（例：5183, 5554）を使用することが一般的です。熱影響部の軟化は析出硬化がないため限定的ですが、局所的な過熟化は起こりません。残留応力や歪みは治具や溶接後の機械的硬化処理で制御する必要があります。
機械加工性
5050の加工性は中程度で、他の5xxx系合金に類似します。一部の高強度合金より加工が容易ですが、純アルミニウムほどではありません。ポジティブラケットおよび良好な切りくず排出機能を持つカーバイド工具が推奨されます。切削速度・送りはビルトアップエッジの防止と表面近傍の加工硬化を抑制するために適切に設定する必要があります。切削形状や硬さ状態により短～中程度の切りくずが生成されます。油・冷却剤は寸法精度と表面仕上げの向上に寄与します。
成形性
押出状態（O）やH111硬さ状態では高い伸びと深絞り性を示し、シート成形での最小曲げ半径は厚さや金型により小さくできます。H32/H34硬さ状態では加工硬化により成形性は低下し、スプリングバックに配慮が必要で、激しい成形前に焼鈍を検討すべきです。複雑形状の最適な結果は、焼鈍または軽い加工硬化状態を指定し、金型半径・潤滑剤・ひずみ分布を制御することで得られます。
熱処理特性
非熱処理系合金である5050は、6xxx系および7xxx系のような固溶化処理・析出硬化処理による大幅な強度向上はできません。熱処理はもっぱら焼鈍による軟化と、形成または溶接後の残留応力低減を目的とした安定化処理に限定されます。典型的な焼鈍サイクルは結晶再結晶を促進し延性を回復させる温度で実施され、過度の歪み防止のため冷却は慎重に行います。
強度の向上は主に圧延、引抜き、制御曲げなどの冷間加工（加工硬化）で得られます。H系硬さ表記は冷間加工の程度や形態および安定処理の有無を示します。部分焼鈍（例：H32）は特定の成形や構造的ニーズに合わせ、延性と強度のバランスを取るために用いられます。修理・再加工では局所焼鈍や機械的再硬化により小範囲で成形性を回復可能です。
高温性能
5050は中程度の温度でも実用的な機械的特性を維持しますが、アルミニウムの融解温度範囲の一定割合に達すると強度は徐々に低下します。構造的荷重支持用途での連続実用温度は通常約150～200 °C未満に制限されます。これら温度範囲では酸化は大きな制限要因ではありませんが、クリープ耐性は高温専用合金に比べて限定的です。
溶接や溶接後の熱処理で強化相は析出しませんが、加工硬化の緩和により熱影響部で限定的に降伏強さが低下します。設計者は接合部の熱軟化を考慮し、サービス中または製造過程で高温に曝される場合には機械的設計や後処理での加工硬化回復を検討すべきです。
適用例
| 産業分野 | 代表部品 | 5050の採用理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディパネル、装飾トリム | 良好な成形性と耐食性、適度な強度 |
| 海洋 | 船体外板、デッキ金具 | 優れた海水耐食性と溶接性 |
| 航空宇宙 | 二次構造材、フェアリング | 非主要構造向けの高い強度対重量比と耐食耐久性 |
| 輸送機器 | タンカー、トレーラー | 疲労性および塩素耐性に優れた軽量構造材 |
| 建築 | ファサードパネル、屋根材 | 耐候性と加工容易性 |
| 電子機器 | 筐体、熱拡散板 | 十分な熱伝導性と電気接地性、低密度 |
5050は耐食性、適度な強度、優れた加工性のバランスを要する用途で広く用いられています。特に溶接や成形が製造法の中心であり、湿潤環境や塩素を含む大気に暴露されるサービス環境で好まれる素材です。
選定のポイント
5050は、耐食性、溶接性、良好な成形性を重視し、高温時の時効処理を必要としない設計において実用的な選択肢です。6xxx系合金と比べて、最高強度の熱処理適性を犠牲にする代わりに、溶接性の向上および歪みや残留応力の発生が抑えられています。
商業純アルミニウム（1100）と比較すると、5050はかなり高い強度を持ちつつ、合理的な電気および熱伝導率を維持しています。1100に比べて導電率はやや低下しますが、機械的性能は有意に向上します。加工硬化型合金の3003や5052と比較すると、5050は強度がやや高く、一般に海水による腐食抵抗性にも優れています。ただし、成形性は焼きなまし状態によっては同等程度となる場合があります。6061や6063などの一般的な熱処理性合金と比較すると、5050は使用中の腐食耐性や溶接時の歪み制御を重視する場合に適しており、その分達成可能な最大強度は低くなります。
部品が広範囲に溶接される場合や、海洋性環境や過酷な大気にさらされる場合、または焼きなまし状態で大きな成形が必要な場合は5050を選択してください。最大の剛性や最高の強度対重量比が求められる場合は、熱処理型の代替合金や適切な接合方法を用いた高強度の5xxx/6xxx系合金を検討してください。
まとめ
5050は、海水に対する耐食性、溶接性、成形性の堅牢な組み合わせが要求され、時効処理に依存しない現代のエンジニアリングにおいて依然として重要なアルミニウム合金です。5xxx系ファミリー内の位置づけとして、予測可能な加工硬化強度と長期の耐久性が、最高引張強度の追求よりも重要な構造および海洋用途において、信頼できる選択肢となっています。