アルミニウム 5052：組成、特性、焼戻しガイドおよび用途
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総合概要
5052は5xxx系（Al-Mg系）アルミニウム合金で、主な合金元素にマグネシウムを含みます。熱処理による強化ができない加工硬化型の軟鋼形アルミ合金に属し、主に冷間加工（加工硬化）によって強度を得る特徴があります。
主な合金元素はマグネシウム（通常約2.2～2.8%）とクロム（約0.15～0.35%）に加え、微量のシリコン、鉄、銅などを含みます。Al-Mg固溶体により、中程度から高めの強度、特に海洋環境や塩化物環境下で優れた耐食性、高い溶接性、および処理状態により良好な成形性を備えています。
主な特長は、純アルミや多くの3xxx系合金より高い強度、海水による孔食や大気腐食に対する非常に高い耐性、ならびに焼なまし品や軽度の加工硬化品における良好な延性と疲労特性のバランスです。これらの特性から、5052は海洋機器、燃料ライン、圧力容器、板金加工、および耐食性と中程度の強度が要求される部品で広く使用されています。
エンジニアは成形性、耐食性、溶接性のバランスが必要で、6xxx系や7xxx系の熱処理による高強度が不要な場合に5052を選択します。強度と海洋性能の向上が必要な場合には1100や3003より選ばれ、最大の降伏強さより優れた耐食性と成形性が重視される場合は6061よりも5052が多く用いられます。
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 | 非常に良い | 非常に良い | 完全焼なまし、成形に最大の延性 |
| H111 | 低〜中程度 | 高 | 非常に良い | 非常に良い | 工程管理による軽度の加工硬化 |
| H32 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 非常に良い | 加工硬化および部分的安定化、板材に一般的 |
| H34 | 中〜高 | 中〜低 | 可 | 非常に良い | H32より強い加工硬化で高強度 |
| H36 | 高 | 低 | 可〜不良 | 非常に良い | 板材で最大の市販実用冷間加工硬化度 |
| H112 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 非常に良い | 製造工程管理による未加工調質 |
調質は、冷間加工度および合金中の転位密度を制御することで降伏強さ、引張強さ、延性に影響します。焼なまし（O）状態は引き抜きや厳しい成形加工に対して最高の成形性と伸びを提供し、H3x調質は加工硬化により延性を犠牲にして降伏強さと引張強さを高めています。
加工硬化型の調質（H32/H34/H36）は、耐食性を損なわずに冷間加工による追加強度が求められる構造用や溶接部品に一般的に使用されます。選択する調質は、意図した成形加工や使用荷重に適合させる必要があり、その後の成形や溶接で局所的に調質や特性が変化することがあります。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | 不純物；鋳造時の流動性低下、軟鋼の特性には最小限の影響 |
| Fe | ≤ 0.40 | 不純物；金属間化合物粒子を形成し、延性に若干影響 |
| Mn | ≤ 0.10 | 強度をわずかに向上させる微量元素 |
| Mg | 2.2 – 2.8 | 主要強化元素；耐食性と加工硬化性を向上 |
| Cu | ≤ 0.10 | 限定的な添加；強度を増加させるが耐食性を低減することもある |
| Zn | ≤ 0.10 | 微量不純物；強化効果はほぼ無視できる |
| Cr | 0.15 – 0.35 | 結晶粒制御、脆性抑制および耐食性向上 |
| Ti | ≤ 0.15 | 微細粒化剤として微量添加されることがある |
| その他（各元素） | ≤ 0.05 | 残留元素および微量元素；バランスはAl |
マグネシウムは主要合金元素としてAl-Mg固溶体を形成し、機械的性質と耐食性の基礎を作り、効果的な加工硬化を可能にします。クロムは粒構造を制御し、粒界析出物の形成を抑制することで粒界腐食を防ぎ、靭性を維持します。
微量元素や残留物は、鋳造性、表面仕上げおよび疲労割れの発生、加工性、表面処理特性に影響を及ぼします。全体として組成は厳密に管理され、安定した溶接性、陽極酸化性、および耐食性を保証しています。
機械的性質
5052は調質により引張特性が異なります。焼なまし（O）品は低降伏強さ、中程度の引張強さ、高伸びを示し、H3x調質品は加工硬化により著しく高い降伏・引張強さを示す一方で延性は低下します。降伏強さは転位密度の増加によって冷間加工で大きく向上し、降伏強さと引張強さの比率は調質や板厚によって異なります。
伸びおよび硬さは板厚および調質に強く依存します。薄板のH32は同じ調質の厚板より伸びが低く硬さが高く現れることがあります。5052の疲労抵抗はアルミニウム合金として一般的に良好であり、その耐食性と比較的延性破壊様式による恩恵を受けています。表面仕上げ、残留応力および加工硬化度が疲労寿命に大きく影響します。
温度や板厚は機械的特性へも影響し、薄板は加工（圧延）による強度向上が大きくなり、延性は低下しがちです。高温では熱による回復作用で強度は低下します。設計時には調質と板厚の両方を指定し、使用条件下での信頼性ある強度と伸びの値を得る必要があります。
| 特性 | O（焼なまし） | 代表的な調質（例：H32） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 110 – 145 MPa | 215 – 250 MPa | 引張強さは板厚と加工硬化度で変動；H32は一般的に約215～235 MPa |
| 降伏強さ | 35 – 70 MPa | 120 – 160 MPa | 冷間加工で大幅に向上；設計では実測値を用いるべき |
| 伸び（％） | 15 – 30% | 6 – 12% | 焼なましは高い延性；H32は成形可能だが延性は低下 |
| 硬さ（ブリネル/HB） | 約25 – 40 HB | 約60 – 85 HB | 硬さは調質と相関し降伏強さに一致 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 g/cm³ | Al-Mg合金として典型的；強度対重量比に優れる |
| 融点範囲 | 約605 – 650 °C | 固相線／液相線は微量元素に依存し、純アルミより低い |
| 熱伝導率 | 約130 – 150 W/m・K | 純アルミより低いが依然として高く、放熱用途に適する |
| 電気伝導率 | 約36 – 40 % IACS | マグネシウム添加で純アルミより低下；機械強度を必要とする導電部品に適合 |
| 比熱 | 約0.90 kJ/kg・K | 室温域の標準値；合金元素で若干変動 |
| 熱膨張率 | 約23.5 – 24.0 µm/m・K | 他のアルミ合金と類似；熱サイクルや接合設計時に重要 |
5052の密度と熱伝導率は、ヒートシンクや筐体のような軽量で放熱性が求められる部品に適しています。電気伝導率は純アルミより低下していますが、多くの導電用途で機械的強度を確保しながら使用可能です。
熱膨張係数は他のアルミ合金とほぼ同じであり、異種材料との組み合わせでは熱膨張差による応力発生を避けるために考慮が必要です。鋼材に比べ融点範囲が低いため、溶接や高温加工時には注意が必要です。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度の特性 | 一般的な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2 – 6.0 mm | 薄板は圧延による加工硬化のために見かけ上の強度が高くなることが多い | O, H32, H34 | 広く流通しており、パネルやタンク、筐体に使用される |
| プレート | 6 – 100 mm | 厚板は圧延による加工硬化が少なく、強度はミルの加工に依存する | O, H112 | 構造部品、ブラケット、圧力容器に使用される |
| 押出材 | 断面形状は多様 | 強度は押出しおよび後続の冷間加工に依存する | H32, H111 | フレーム、レール、海洋用金具のプロファイル |
| チューブ | 外径および肉厚は多様 | 溶接またはシームレス製法で、製造方法により機械的性質が異なる | O, H32 | 燃料・油圧ライン、海洋用チューブ |
| バー／ロッド | 直径は最大約100 mmまで | バーは冷間圧延シートよりも強度が低く、加工硬化されていない場合は特に強度が低い | H112, O | 耐食性が求められる機械部品やファスナーに使用される |
加工経路は最終的な機械的性質に強く影響する。圧延シートは高いひずみがかかり、H3x系の硬さ状態で予測可能な強度向上を伴って供給されることが多い。一方、プレートや押出材はOまたはH112で供給され、その後冷間加工によりより高い特性を得ることがある。適切な製品形状と硬さ状態の選択は、加工性と使用時の性能の安定性を確保するために重要である。
シートと押出材は5052の成形性と耐食性を活かした用途で主に使用され、一方でプレートは厚さと剛性が必要な場面で選ばれる。溶接構造物にはシートや押出材が多く用いられ、接合の簡便化や溶接後の変形低減に寄与している。
等級対応
| 規格 | 等級 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5052 | USA | Aluminum Association規格の主要指定 |
| EN AW | 5052 | ヨーロッパ | EN AW-5052はAA5052に近似し、限界値が調和されている |
| JIS | A5052 | 日本 | JIS A5052は国内供給向けに組成と特性が一致している |
| GB/T | 5052 | 中国 | 中国標準品は国際的な5052仕様に準拠している |
等価規格は化学成分範囲や機械的性質の期待値が非常に類似しているが、製造公差、表面仕上げ、許容不純物範囲などで若干の差異がある場合がある。設計要件や規制条件を満たすために、使用者は該当する規格の改訂版や供給者認証を必ず確認する必要がある。
微妙な違いは成形性や溶接適合性にも影響を与えるため、特に圧力容器や海洋構造物など重要な用途では、ミルシートの入手と材料の検証を推奨する。
耐食性
5052は大気中の耐食性に優れ、塩化物含有環境下での優れた性能から海洋および沿岸用途で広く使われている。高いマグネシウム含有量により孔食耐性が向上し、安定で密着性の高い酸化膜を形成し、通常の環境下で基材を保護する。
海水や塩水噴霧環境では、多くの他の加工アルミ合金と比較して一般腐食や局部腐食に強い一方、長期間の浸漬や銅、ステンレス鋼など陰極となる金属との接触により設計上の配慮が必要となる。適切な絶縁材とファスナー選定で電位差による局部腐食や接合部の腐食を抑制できる。
応力腐食割れ（SCC）への感受性は、強度の高い熱処理型アルミ合金に比べて低いが、冷間加工により硬くした状態や引張応力が加わる過酷環境ではリスクが増大する可能性がある。6061や7075系と比較すると、より過酷な塩化物環境に対しSCCや孔食が大幅に少なく、船体や燃料タンク、屋外筐体に適している。
加工特性
溶接性
5052はTIG（GTAW）、MIG（GMAW）、スポット溶接など一般的な融合溶接法で容易に溶接可能である。溶接部の耐食性と強度を維持し、水素による気泡発生やマグネシウムの過度な希薄化を防ぐために、通常は5356 (Al-Mg)系の溶加材が推奨される。
熱割れのリスクはAl-Si系やAl-Cu系合金と比べて低いが、溶接熱により加工硬化した箇所で局所的な軟化が生じる。これは熱影響部（HAZ）が部分的に回復および再結晶するためである。非重要部品では溶接前後の特別な管理は通常不要だが、冷間加工を多く施した部品では応力除去や再硬化処理が必要な場合がある。
切削加工性
5052は切削性においてフリーカッティングアルミニウム合金よりも難しく、多くの鋼材に比べても切削や切りくず制御が困難である。ポジティブラケーカーバイドインサート、鋭い刃形状、高流量クーラントの使用でビルトアップエッジを抑制し表面仕上げを向上させる。熱蓄積と工具摩擦を抑えるために中程度の切削速度と重い送りが望ましい場合が多い。
ドリル加工やタップ加工は標準カーバイドドリルで許容できるが、スピンドル速度や段付き加工の管理を徹底し切りくず排出を確実にする必要がある。総合切削性指標は6xxx系合金よりも低いため、設計者は重切削を最小限に抑え、複雑形状は近接ネットシェイプや押出材の採用を検討すべきである。
成形性
退火O状態では成形性が優れ、H32など中程度に加工硬化した硬さ状態でも良好である。適切な金型と潤滑条件で深絞り、スピニング、曲げ加工が可能である。最小曲げ半径は硬さ状態と板厚に依存し、退火材では内側Rが厚さの1～1.5倍に迫ることもあるが、H32では割れ回避のため2～3倍の半径が推奨される。
冷間加工により加工硬化が進み強度が向上するが延性は低下する。生産環境では段階的な成形方法、多段曲げ、中間退火を組み合わせてより複雑な形状に対応する。複雑成形が必要な場合はO硬さ指定や成形後の加工硬化を考慮し、最終的な機械的特性を狙うことが望ましい。
熱処理特性
5052は非熱処理型合金であり、溶体化処理や時効硬化による有意な強度向上は得られない。従来のT6処理の適用は効果がなく、耐食性や寸法安定性を損なう可能性があるため推奨されない。
強度制御は冷間加工と管理された焼鈍サイクルで行う。完全焼鈍（O硬さ）は微細組織の再結晶温度域まで加熱し、一般的には300～415 °Cの回復・焼鈍処理後に制御冷却する工業的手法が用いられ、延性が回復し残留応力が低減される。
硬さ状態の遷移は主に機械的加工により生じる。H1x系は加工硬化のみを示し、安定化処理は行わない。H3x系は加工硬化後に安定化され、成形中の変化を部分的に抑制する。通常の使用温度を超える加熱曝露は、回復過程により加工硬化強度を低下させる場合がある。
高温性能
5052は温度上昇に伴い強度が徐々に低下し、約100～150 °Cを超えると降伏強さおよび引張強さが明確に減少し、継続的な高温使用が制限される。約200 °Cまでの短期または断続的な使用では一定の荷重支持能力はあるが、クリープ耐性は耐熱鋼材に比べて限定的である。
アルミニウム全般として高温酸化は軽度だが、長時間の高温曝露は表面のスケール生成や拡散現象を促進し、局所的な耐食性変化を引き起こすことがある。溶接による熱影響部の影響は主に回復による軟化であり、熱処理強化機構がないため焼戻しは起こらない。
設計者は機械的余裕度の低下を踏まえて使用温度限界を設定し、100 °C以上の長時間高温使用が求められる構造用途では代替合金の採用を検討すべきである。
用途例
| 業界 | 代表的な部品 | 5052が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 燃料タンク、インナーボディパネル | スタンピング部品に適した耐食性と成形性 |
| 海洋 | 船体部品、デッキ金具 | 優れた海水耐食性と溶接性 |
| 航空宇宙 | 内装部品、非重要部品 | 良好な強度対重量比と耐食性能 |
| 電子機器 | シャーシ、ヒートスプレッダー | 熱伝導性と耐食性の組み合わせ |
| 石油・ガス | 圧力容器および貯蔵タンク | 腐食環境下での良好な溶接性および疲労耐性 |
5052は耐食性、溶接性、適度な強度のバランスが取れており、長期的な環境曝露が重要となる多くの業界で広く採用されている。複数の製品形状と硬さ状態で入手可能なため、調達が容易で特殊な接合や表面処理の必要性を低減することができる。
選定のポイント
5052は、特に塩化物環境での耐食性と良好な溶接性を必要とし、かつ中程度の強度と成形性を求められる場合に適しています。1100のような商用純アルミニウムよりも強度と耐疲労性の向上が必要な際には5052を選択してください。ただし、純アルミに比べて電気伝導性および熱伝導性は低下します。
作業硬化型のAl-Mn合金である3003と比較すると、5052はマグネシウム含有量が高いため強度と孔食抵抗が優れています。ただし、3003は冷間加工性がやや良く、コストも低いため選ばれる場合があります。6061のような熱処理可能な合金と比べると、5052は最高強度や剛性よりも優れた耐食性と成形性が重視される場合に適しています。
実用的な選定の考え方としては、複雑な成形にはO材を、より高い降伏強さが求められる構造用板材にはH32を指定し、溶接には5356のようなフィラー材を推奨します。異種金属との接合ではガルバニック腐食を考慮し、疲労が重要な部品では厚み依存の特性を検証してください。
まとめ
5052は耐食性、溶接性、作業硬化による中程度の強度をバランス良く備えた汎用性の高いアルミ合金であり、海洋分野、自動車、一般製作分野で広く価値を発揮しています。一般的な材質状態での安定した特性と板材・プレート・押出材・チューブなどでの豊富な供給により、腐食環境での耐久性と加工性が重要な用途で実用的な選択肢として引き続き重宝されています。