アルミニウム5051：組成、特性、状態（Temper）ガイドおよび用途
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総合概要
5051は、5xxxシリーズのアルミニウム合金の一種で、マグネシウムを主成分とする非熱処理性合金です。主要な合金元素は、通常低〜中程度の割合のマグネシウムで、微量のマンガンやクロムが粒子構造の微細化と耐食性の向上に寄与しています。強化はほぼ固溶強化および加工硬化によって実現されており、析出硬化熱処理は行われないため、5051は他の5xxx合金と同じ加工分類に属します。
5051の主な特徴は、中程度の強度、良好な耐食性（特に海洋および塩素系環境において）、そして優れた溶接性のバランスがとれている点です。軟質の状態では成形性が良好から非常に良好であり、冷間加工による段階的な強度向上が予測可能です。5051を活用する代表的な産業としては、海洋建設、輸送（トレーラーやバンボディ）、圧力容器、一部の耐食性と中程度の強度を重視した建築用途などがあります。
技術者が5051を他の合金より選択する理由は、商業純アルミに比べて強度が向上し、3xxx系加工硬化合金に比べて海洋環境での耐食性が優れている点にあります。溶接性や溶接後の性能が重要で、かつ熱処理が非現実的または不要な場合に適しています。コストや入手可能性も選択の要因であり、構造用パネルや押出材、溶接組立品においては優れたコストパフォーマンスを発揮することが多いです。
硬質状態のバリエーション
| 硬質状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い（20〜35%） | 非常に良好 | 非常に良好 | 完全再結晶、最大の延性と成形性 |
| H12 | 中程度 | 中程度（12〜20%） | 良好 | 非常に良好 | 部分硬化、硬化後の成形は限定的 |
| H14 | 中〜高 | 中程度（8〜15%） | 良好 | 非常に良好 | 4分の1硬度、板材の成形と中程度の強度に適する |
| H18 | 高い | 低い（6〜12%） | 限定的 | 非常に良好 | 完全硬化、焼きなましなしで高い降伏点が必要な場合に使用 |
| H22 | 中程度（安定化） | 中程度 | 良好 | 非常に良好 | 部分硬化後のひずみ除去で加工安定性向上 |
| H32 | 中〜高 | 中程度 | 良好 | 非常に良好 | 加工硬化および安定化、溶接構造物で一般的 |
| H111 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 非常に良好 | 一時的な加工硬化状態で限定的な成形作業向け |
5051の硬質状態の選択は、強度と延性のトレードオフを制御します。より冷間加工が進んだ硬質状態では降伏点および引張強度が向上しますが、伸び率と成形性は低下します。5051が非熱処理性であるため、Hシリーズ（冷間加工およびひずみ除去）は、メーカーや加工業者が特定の部品および生産方法に応じて機械的特性を調整する手段となっています。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | 低シリコン制御により脆性を抑え、溶接性を維持 |
| Fe | ≤ 0.40 | 一般的な不純物元素。過剰なFeは成形性を低下させる |
| Mn | ≤ 0.20 | 微量添加で強度向上および粒界腐食耐性を改善 |
| Mg | 2.2–2.8 | 主要強化元素。耐食性および加工硬化反応を支配 |
| Cu | ≤ 0.10 | 耐食性と溶接性保持のため低濃度に制御 |
| Zn | ≤ 0.25 | 微量。Znが多いと強度は増すが、ガルバニック腐食のリスクがある |
| Cr | 0.05–0.25 | 微合金元素で粒構造の制御とひずみ時効耐性を向上 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造品や圧延品の粒子微細化に使用 |
| その他 | 合計 ≤ 0.15 | VやZrなどを含む微量元素。特性の一貫性維持に重要 |
この合金化学は、固溶強化のためのマグネシウムを中心に置きつつ、銅と亜鉛を低く抑えることで耐食性と溶接特性を保持しています。微量のクロムとマンガンは、加工中の再結晶と粒成長を制御し、製品の靭性と粒界腐食耐性の向上に寄与しています。
機械的性質
5051の引張特性は、中強度の5xxx系合金として典型的です。焼なまし（O）状態では、引張強さと降伏強さが控えめで、伸びが比較的高いのに対し、冷間加工により得られるH硬質状態では降伏強さと引張強さが大幅に向上する代わりに延性は低下します。降伏挙動は冷間加工量と硬質状態に比例して進行し、H12やH14は降伏強さの有意な向上をもたらし、H18やH32は熱処理なしで達成可能な最高の加工強度を示します。硬さは降伏強さの傾向に一致し、プレスや成形工程で品質管理の指標としてよく使用されます。
疲労性能は表面状態、加工プロセス、使用環境に敏感であり、研磨され良好に溶接された5051は構造部材として合理的な高サイクル疲労寿命を示しますが、疲労亀裂は溶接継手や応力集中部で優先的に発生します。板厚の影響は大きく、薄板は冷間加工による高強度化が容易ですが、プレートや厚押出材は軟質状態で残留延性が高く、厚さ方向に均一な強度を得るためには圧縮加工など追加の工程が必要な場合があります。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的硬質状態（例：H14/H32） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 110–145 MPa | 210–275 MPa | 板厚や冷間加工度合いにより変動 |
| 降伏強さ | 40–75 MPa | 150–240 MPa | 加工硬化により降伏強さが大幅向上 |
| 伸び | 20–35% | 6–15% | 硬質状態・硬度が上がるほど延性は低下 |
| 硬さ | 25–35 HB | 55–85 HB | 硬さは冷間加工度に比例し、加工部品のQCに利用 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 g/cm³ | 加工用アルミ合金として標準的。優れた比強度を持つ |
| 融点範囲 | 約605〜655 °C | 合金元素の影響で純アルミ（660 °C）より若干融点範囲が拡大 |
| 熱伝導率 | 約130 W/m·K | 良好な熱伝導率を持ち、純アルミよりやや低い |
| 電気伝導率 | 約34〜44 % IACS | 固溶中のMgにより純アルミより低下 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 常温における標準的なアルミ合金の比熱 |
| 熱膨張係数 | 23.0〜24.5 µm/m·K | 中程度の膨張率。異種材料との組み合わせや温度サイクル環境で重要 |
5051は、アルミニウムの優れた物理特性の多くを保持しています。鋼材に比べて軽量で熱伝導率が高いため、熱管理用や軽量構造用途に適しています。密度と機械的特性の組み合わせによる比強度は優れていますが、異種金属との組み合わせや温度変動環境では熱膨張の影響を考慮する必要があります。
製品形状
| 形状 | 一般的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 代表的な硬質状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼板 | 0.4〜6 mm | 冷間加工が容易。薄板はより高いH硬質強度を達成可能 | O, H14, H18, H32 | パネル、被覆材、筐体に広く使用 |
| プレート | 6〜50 mm | 冷間加工性は低下。加工用には軟質硬質状態で供給されることが多い | O, H112, H32 | 構造用プレートや厚板加工品に適する |
| 押出形材 | 複雑な断面形状 | 押出後の冷間加工により強度を調整可能。時効安定化あり | O, H32 | フレーム、レール、海洋構造部材に一般的 |
| チューブ | 壁厚1〜12 mm | 鋼板に類似。溶接品や無溶接品により特性が異なる | H14, H32 | 耐食性を要する構造用管材・配管に使用 |
| 丸棒・棒鋼 | 直径3〜100 mm | 冷間引抜棒は強度向上。加工材料は軟質が多い | O, H18, H22 | 継手、ピン、旋盤加工部品に使用 |
圧延、押出、引抜などの加工経路により再結晶や機械的異方性が生じます。板および薄板はコスト効率が良く、より高強度のH硬質状態への冷間加工も容易です。押出材やプレートは断面形状の制約や厚みを要する場合に選択されますが、溶接組立品での歪み防止のため、応力除去や冷却制御の追加工程を必要とすることがあります。
同等規格
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5051 | USA | 5xxx系Mg合金の加工材に対するAluminum Associationの指定 |
| EN AW | 5051 | ヨーロッパ | 一般的にEN AW-5051が使用され、化学組成および機械的限界はAAと類似 |
| JIS | A5051 | 日本 | JISのバリエーションは組成は整合するが、機械的試験条件が異なる場合がある |
| GB/T | 5051 | 中国 | 組成は同等だが、加工の公差が異なる場合がある中国規格 |
規格間の違いは主に指定された公差範囲、必要な機械的試験方法、および許容される不純物限度にあり、基本的な化学組成ではありません。重要な用途では現地規格に適合する物性、硬さ状態、加工方法を確認するためにミル証明書の確認が推奨されます。
耐食性
5051は5xxx系のマグネシウム含有と低銅含有による大気環境での非常に良好な耐食性を示します。耐孔食性を発揮する保護酸化被膜を形成し、屋外およびやや腐食性のある環境下で効果的です。海洋暴露および塩化物を含む大気環境下では、多くの3xxx系および6xxx系合金と比較して優れた耐食性を示しますが、長期間の浸漬や停滞した塩水では表面コーティングの破損により局所的な腐食が発生する場合があります。
5051の応力腐食割れ（SCC）感受性は、マグネシウム含有量が高い5xxx系合金（Mg>3.5%）よりも低いですが、過酷な環境下で高応力の部材に対してSCCが完全に排除されるわけではありません。成形や溶接による残留引張応力はSCCリスクを高めるため、重要な構造部材では適切な設計、溶接後の応力除去処理、材料選定が重要です。ステンレス鋼や銅などより貴な金属と接触する場合はガルバニック作用が生じるため、海洋構造物や建築部材では適切な絶縁や犠牲陽極の設置が一般的な対策となります。
他の合金系と比較すると、5051は6xxx系など熱処理型合金よりも銅や亜鉛量が高いものに比べて優れた海洋耐食性を持ちますが、時効硬化した6xxx系合金ほど高強度は得られません。塩化物環境下での耐久性および溶接性を重視し、最大強度よりも信頼性を優先する設計者によく選ばれます。
加工特性
溶接性
5051はTIG（GTAW）やMIG（GMAW）など一般的な溶融溶接で容易に溶接可能です。銅をほとんど含まず適度なマグネシウムを含んでいるため溶接プールの流動性が良好で熱割れ感受性も低いです。推奨フィラー材は一般的に強度と耐食性に優れた5356（Al-Mg系）または溶接性向上のため状況により4043（Al-Si系）が使われ、溶接後の強度やアルマイト処理の挙動に応じて選択されます。基材が加工硬化の硬さ状態の場合、HAZ軟化に注意し、必要に応じて溶接後の安定化や局所熱処理を行う設計上の配慮が必要です。
切削性
5051の切削性は中程度で、高強度合金よりも加工しやすいが、純アルミニウムよりは加工がやや難しいです。カーバイドチップ工具と正面刃角の形状が推奨され、切りくずの形成管理とビルドアップエッジ防止に寄与します。クーラントや潤滑剤を使用すると表面仕上げと工具寿命が向上します。切削速度は中程度で、仕上げ加工時の加工硬化を防ぐため送り速度を最適化する必要があります。大量旋削やフライス加工では工具コーティングや剛性の高い治具を使用するとビビリが減少し、工具寿命が延びます。
成形性
焼なまし（O）状態では成形性は非常に優れており、H12やH14など軽加工硬化状態でも良好です。深絞り、曲げ加工、ストレッチ成形に適しており、曲げ半径は硬さ状態と板厚に依存しますが、一般的な板材の成形では柔らかい硬さで板厚の1～3倍の半径が推奨されます。より小さい半径は成形前の焼なましやより柔らかい硬さ状態の使用が必要です。冷間加工により強度が大幅に上がり靭性は低下するため、複雑形状には割れ防止のため徐々に成形し、途中で焼なましを挟む必要があります。
熱処理挙動
5051は非熱処理型合金であり、溶体化処理および人工時効による強化はできません。機械的性質の変化は冷間加工と硬さ指定によって実現されます。一般的な熱処理型アルミ合金に用いられる溶体化＋急冷＋時効などのサイクルは5051には効果がなく、T硬さなどの時効硬化は期待できません。
焼なましは冷間加工後の靭性回復に用いられ、典型的には約350～415 °Cの範囲で制御冷却しO硬さを達成します。安定化処理（例：H22、H32）は低温熱処理や応力除去を伴い、加工時のひずみ時効抑制および製造時の寸法安定性を確保します。加工硬化の段階管理や硬さ指定はミル内加工経路の一環として行われ、成形や構造用として必要な降伏強さや引張強さの範囲を達成します。
高温性能
高温では固溶強化の効果が弱まり、回復作用が促進されるため、5051は強度が徐々に低下します。構造物としての連続使用可能温度はおおむね100 °C未満が目安です。中程度の高温でのクリープ抵抗は特殊高温合金に比べて限定的で、持続荷重下では時間経過とともに変形が発生します。空気中での酸化は安定した酸化被膜により最小限ですが、高温暴露では表面外観が変化し、後処理や塗装に影響を及ぼす場合があります。
溶接部の熱影響部（HAZ）は熱による局所軟化を示すことがあり、高温下の耐力保持では制限要因になるため設計時に考慮が必要です。より高温対応が求められる場合は、代替合金や設計余裕の検討を推奨します。
用途
| 産業分野 | 部品例 | 5051が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディパネル、燃料タンク | 良好な成形性、溶接性、耐食性 |
| 海洋 | 船体パネル、デッキ構造 | 優れた塩化物孔食耐性と溶接性 |
| 航空宇宙 | フィッティング、フェアリング（非重要部） | 優れた強度対重量比と耐食性能 |
| 電気/熱管理 | ヒートシンク、ハウジング | 良好な熱伝導性と加工性 |
| 建築 | クラッディング、ファサード | 耐候性と美観に優れたアルマイト処理性能 |
5051は耐食性、溶接性、適度な強度を加熱処理なしで必要とする用途に広く使用されています。これらの特性バランスにより、海洋構造物から軽量加工組立品まで多様な適用で、使用環境や製造法に合わせた合金選択として支持されています。
選定のポイント
非熱処理型合金で、純アルミニウムよりも高い強度と塩化物環境下での優れた耐食性を求める場合に5051を選択してください。溶接や成形が必要で、加熱時効硬化よりも加工硬化による予測可能な特性を重視する設計者に適しています。
1100（純アルミ）と比べると、電気伝導性と最大成形性は若干犠牲にする代わりに、強度が大幅に向上し海洋環境での耐食性が高まります。3xxx系合金（例：3003や5052）と比較すると、耐食性は同等または僅かに優れ、強度は同等かやや高く、強度と靭性のバランスに優れます。6061/6063など熱処理型合金と比べると、最大強度は劣るものの、溶接性や塩化物耐食性が優れており、塩害環境下での耐久性と溶接部の完全性を重視する場合に向いています。
- 溶接を伴う海洋構造物や耐食が求められる加工品には5051が適しています。
- 最大強度や切削性重視の場合は6061の選択を推奨します。
- 成形性や電気伝導性を優先し、強度負荷が少ない場合は1100や3003が適しています。
まとめ
5051は耐食性、溶接性、ほどよい強度のバランスが求められ、熱処理を伴わない用途で実用的かつ汎用性の高いアルミニウム合金です。冷間加工による特性制御が安定的で、一般的な製品形状での入手性も良く、海洋、輸送、構造用加工など過酷な環境での長期耐久を要する用途でコストパフォーマンスに優れた選択肢となります。