アルミニウム 5056：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
5056は5xxx系アルミニウム-マグネシウム合金の一種で、主な合金元素としてマグネシウムを含みます。熱処理による強化を行わない非熱処理型に属しており、強度は析出硬化ではなく固溶強化や加工硬化によって主に得られます。
主要な合金元素はマグネシウムが単一桁中盤のパーセントで、微量のマンガンやトレース元素が結晶粒の制御や耐食性の向上に働いています。本合金は押出材アルミ合金の中で中〜高強度のバランスを持ち、特に海洋環境下での耐食性に優れ、一般的に溶接性や成形性も状態により良好です。
5056を採用する代表的な業界としては、海洋・造船、圧力容器や低温機器、輸送部品、および海水暴露や溶接性が重要視される構造部材・消費財が挙げられます。5xxx系の耐食性と溶接性を維持しつつ、商用純アルミや低マグネシウム合金よりも高い強度を必要とする場合にエンジニアによく選ばれます。
多くの熱処理系合金と比較すると、5056は最高強度を追求するのではなく、溶接後の安定した性能、加工時の歪みの低減、塩化物環境下での全般および局部腐食に対する耐性向上というメリットを優先しています。このバランスにより、実使用での暴露条件、接合、成形性が設計の要素となる用途において実用的な選択肢となります。
硬さ（Temper/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 | 非常に良好 | 非常に良好 | 最大の成形性を得るための完全焼なまし状態 |
| H111 | 低〜中 | 高 | 良好 | 非常に良好 | 自然時効または軽微な冷間加工によるわずかな加工硬化 |
| H112 | 低〜中 | 高 | 良好 | 非常に良好 | 一般用途向けの商用加工圧延状態 |
| H14 | 中 | 中程度 | 良好 | 非常に良好 | 1/4硬の加工硬化状態 |
| H24 | 中〜高 | 中程度 | 可 | 非常に良好 | 全硬化後に部分焼なましを行い安定化 |
| H34 | 中〜高 | 中程度 | 可 | 非常に良好 | 安定化および加工硬化で更なる強度向上 |
| H116 / H321（安定化） | 中 | 中程度 | 良好 | 非常に良好 | 溶接後の耐食性向上のための安定化調質 |
5xxx系合金は非熱処理型で冷間加工による強化を行っているため、調質は機械的挙動に大きな影響があります。低強度調質（O、H111）は引張伸びと成形性を最大化し、深絞りや大きな曲げ加工に適しています。一方、H2x/H3x系調質は耐力・引張強さを向上させますが伸びは低下します。
溶接構造体では、熱影響部の腐食リスクを抑えて溶接後の強度を安定させるため、安定化調質（H116、H321）や溶接後の歪み制御が一般的に規定されます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | 不純物管理；高Siは延性と耐食性を低下させる |
| Fe | ≤ 0.50 | 一般的な不純物；過剰は強度に影響する金属間化合物を形成 |
| Mn | 0.10–0.50 | 結晶粒制御；強度向上および剥離腐食の抑制に寄与 |
| Mg | 4.5–5.5（代表値） | 主な強化元素；強度および耐食性を向上 |
| Cu | ≤ 0.10–0.25 | 耐食性維持のため通常低濃度 |
| Zn | ≤ 0.25 | 微量；高濃度は耐食性低下の可能性 |
| Cr | ≤ 0.20 | 微量添加で結晶粒成長制御、熱影響部の性能向上 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造やインゴット製造時の脱酸剤・粒子細化剤 |
| その他（各々） | ≤ 0.05–0.15 | 残留トレース元素；残部はAl |
上記の含有範囲は一般的な商用5056の代表的な化学成分を示しており、調達時には実際のメーカー証明書や該当規格の確認が必要です。マグネシウムは主な合金元素であり、強度、固溶強化および塩化物耐性を支配します。マンガンとクロムの制御添加により、結晶粒の微細化、溶接熱影響部における機械的性質の安定化、および特定の腐食形式への耐性向上が図られています。
機械的性質
5056は高マグネシウム系5xxx合金として典型的な引張強さと降伏強さを示します。比較的高い加工硬化率を有し、焼なまし状態では良好な延性を持ち、適度な冷間加工で著しい強化が可能です。降伏強さおよび引張強さは冷間圧延度に応じて増加しますが、その代わりに伸びは減少します。このトレードオフは予測可能であり、成形設計や構造設計で広く活用されています。硬さは調質および加工硬化度に比例して増加し、O調質からH3x調質へ移行するに伴い、ブリネル硬さやロックウェル硬さが上昇します。
疲労性能は表面状態、残留応力および板厚の影響を強く受けます。薄板材は貫通欠陥の発生可能性が低いため疲労限度が相対的に高くなる傾向があり、厚板は溶接品質と加工後の仕上げに注意が必要です。溶接構造物の熱影響部は調質および熱サイクルにより局所的に軟化する可能性があるため、繰返し荷重を受ける部材は設計余裕や適切な調質選択が求められます。
| 特性 | O（焼なまし） | 代表的調質（例：H34 / H116） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約150〜220 MPa（範囲） | 約240〜320 MPa（範囲） | 板厚や加工度に依存；設計には納入者証明書を参照 |
| 降伏強さ | 約40〜120 MPa（範囲） | 約150〜260 MPa（範囲） | H3x安定化調質は溶接後にも有効な降伏強さを示す |
| 伸び | 約18〜30％ | 約6〜16％ | 焼なましは高い伸びを示し、強化調質は延性低下 |
| 硬さ | 約30〜45 HB | 約60〜85 HB | 加工硬化に伴い硬さが増加し強度と相関する |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.66 g/cm³ | Al–Mg合金として標準的；質量ベースの設計計算に用いる |
| 融点範囲 | 固相線 約570〜640 °C；液相線 約640〜660 °C | 正確な組成や鋳造履歴により変動 |
| 熱伝導率 | 約120〜150 W/m·K | 純アルミに比べ低いが多くの熱管理用途で十分 |
| 電気伝導率 | 約28〜40 % IACS | マグネシウム添加により低下；電気用途では確認が必要 |
| 比熱容量 | 約900 J/kg·K | アルミニウム合金として標準的 |
| 熱膨張係数 | 約23〜24 µm/m·K（20〜100 °C） | 他のアルミ合金と類似；異種材料との接合では差膨張に注意 |
上記の物理特性は初期の熱・構造・重量計算には十分ですが、重要な設計には供給者データで精査すべきです。熱伝導率および電気伝導率は純アルミに比べて低く、マグネシウム濃度や加工硬化度が増すと更に低下します。熱膨張係数は他の一般的なアルミニウム合金と近似しているため、多材質アセンブリにおける熱膨張差を考慮する必要があります。
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 | 0.4～6 mm（典型値） | 薄板はしばしばH1x/H3x調質で生産される | O, H111, H14, H32 | 海洋や輸送パネルに広く使用される |
| 板厚材（プレート） | 6～50+ mm | 厚さにより加工性や溶接時の熱影響部（HAZ）が影響を受ける | O, H112, H34 | 厚板は成形性が低下し、より重い成形が必要となる |
| 押出形材 | 大型断面までのプロファイル | 押出履歴や時効履歴により強度が変わる | H111, H112 | 構造部材やフレームに用いられる押出形状 |
| チューブ | φ 小径から大径まで；肉厚1～10 mm | 肉厚および冷間加工により機械的特性が決まる | O, H111, H32 | 海洋用途の圧力用・構造用パイプとして一般的 |
| 丸棒・棒材 | 各種径 | 冷間引抜きにより強度が大幅に向上 | H111, H14 | 耐食性が必要な機械加工部品やファスナーに使用される |
シートおよびプレートの製造工程とその後の熱機械加工により、最終的な機械的特性や表面状態が決まります。押出形材は残留応力制御のための焼入れや伸長処理が重要で寸法安定性を確保します。一方、厚板製造では、重い成形と熱影響部の弱化を防ぐための管理された溶接手順が通常必要です。形状や調質の選択は、要求される強度、成形のための靭性、そして予定された接合方法のバランスによります。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA / UNS | 5056 / A95056 | USA / 国際 | 一般的なUNS指定のA95056は商用5056と一致 |
| EN AW | 5056 | ヨーロッパ | 欧州規格ではEN AW‑5056またはAlMg5と表記されることが多い |
| JIS | A5056 | 日本 | JISでは成分は概ね一致するが、現地の調質コードを確認する必要あり |
| GB/T | AlMg5 | 中国 | 中国規格はAlMg5を使用することが多く、数値マッピングの確認が必要 |
相当鋼種のラベルは大まかには一致しますが、各規格や製鋼所間で微小な成分差や調質管理の違いが存在する場合があります。不純物上限、許容される微量元素範囲、調質定義（特に安定化H調質）などの違いが耐食性や溶接性に影響を及ぼすため、重要な用途では製鋼証明書や国別規格を必ず確認してください。
耐食性
5056は大気腐食に対して十分な耐性を持ち、マグネシウムの効果により塩化物環境下での保護酸化膜の密着性が向上しているため、海洋環境でも良好な耐食性を示します。一般的な屋外暴露や海水の飛沫・浸漬においては、マグネシウム含有量の少ない合金や、耐食性を犠牲に強度を追求した一部の時効型合金より優れた性能を発揮します。過酷な環境下では定期的なメンテナンスや塗装等の表面処理が長期耐久性向上に寄与します。
一方で、5056を含む高Mg含有合金は、ピッティング（点食）や引張応力および高温下での応力腐食割れ（SCC）といった局所腐食に対してより感受性が高くなる傾向があります。引張残留応力を避ける設計や、安定化調質（H116/H321）の採用、適切な溶接管理がリスク軽減策として推奨されます。ステンレス鋼や銅のようなより貴な金属との接触によるガルバニック腐食も進行を促すため、絶縁材料の使用や設計上の分離が望ましいです。
3xxx系や商用純アルミ合金と比較すると、5056は成形性や電気伝導率をやや犠牲にして、著しく高い強度および塩化物誘起腐食耐性が得られます。AlMg5.5や5083などの高Mg 5xxx系合金と比較すると、微量元素含有量や調質管理の差が剥離腐食やSCC感受性に影響するため、使用環境や接合方法を考慮した合金選択が必要です。
加工特性
溶接性
5056はTIG（GTAW）やMIG（GMAW）などの一般的な溶接法での融接に優れており、5xxx系用に設計された充填材の使用が可能です。推奨充填材はAl-Mg系（例：5356充填材）で、耐食性維持と熱割れリスク低減に有効です。母材が冷間加工（加工硬化）状態の場合、熱影響部で軟化することがあるため、安定化調質の採用や溶接後の応力除去が有効な対策となります。
機械加工性
5056は加工硬化型Al-Mg合金であり加工性が最も良いアルミ合金ではありませんが、適切な工具を用いれば十分な機械加工性を示します。量産には超硬またはコーティング工具を推奨し、中程度の切削速度と十分な冷却によってビルドアップエッジの発生を抑制します。切りくずはおおむね連続的で、チップブレーカーや制御された送り速度による切りくず処理が表面損傷回避に寄与します。
成形性
焼なまし（O）や軽い加工硬化調質で優れた成形性を示し、深絞り、曲げ加工、ストレッチ成形が可能です。最小曲げ半径やスプリングバックの挙動は調質と厚さに依存し、手曲げや小半径成形にはOまたはH111の調質が適します。冷間加工で強度が向上しますが靭性は低下するため、順序立てた成形や成形後の応力除去・焼なまし処理が複雑部品では必要となる場合があります。
熱処理の特徴
5056は時効硬化性がなく、6xxx系や7xxx系のような溶体化処理・人工時効による析出硬化は起こりません。強度向上は冷間加工（冷延、引抜き）や自然時効および安定化処理によるものです。調質表示（H調質）は加工硬化の度合いや安定化処理レベルを表し、時効硬化サイクルではありません。
焼なましは5056をO状態に戻し、成形性を回復させるために用いられます。典型的な焼なましは、冷間加工応力を除去できる高温で行うが融解点以下の温度で設定されます。成形および溶接後には、ひずみ時効効果軽減や剥離腐食・SCC耐性向上のため低温安定化処理が実施されることがあります。重要な溶接部では、溶接後の機械的処理（伸ばし）や溶接前の安定化調質指定によって耐食性を維持します。
高温特性
一般的なアルミ合金同様、5056は温度上昇に伴い徐々に強度が低下します。構造用として有効な強度はおおむね100～150 °Cまでで、設計者は継続使用温度を約150 °C以下に制限して著しい軟化や降伏強さの低下を避けることが多いです。これを超えるとクリープや疲労寿命低下のリスクが高まり、高温用途では他の合金系や設計上の保護措置が望まれます。
酸化は通常の使用温度帯で主たる制限要因ではなく、アルミニウムの安定した酸化膜が保護を担います。ただし、機械的損傷や過酷な環境によって酸化皮膜が損なわれることがあります。溶接部では局所的な熱サイクルが発生し、加工硬化状態では熱影響部が軟化することがあります。長時間高温環境に晒される部品は、供給元の機械的性質データの確認と熱安定化処理や代替合金の検討が必要です。
用途例
| 産業分野 | 代表的な部品 | 5056が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 海洋 | 船体板、デッキ、付属品 | 良好な海水耐食性と溶接性 |
| 圧力容器・低温機器 | タンク・配管 | 低温下での良好な強度重量比と靭性 |
| 輸送機器 | 構造パネル、トレーラー | 強度、成形性、接合の容易さのバランス |
| 消費財・スポーツ用品 | 自転車フレーム、調理器具 | 耐食性と適度な強度、高い仕上げ性 |
| 電子機器・熱管理 | シャーシ、ヒートスプレッダー | 妥当な熱伝導率と良好な耐食性能 |
5056は溶接性、海水耐性、および中高強度を求められる用途で選択されます。特に海洋・圧力用途では、塩化物環境における安定した性能と低温下での高い靭性が評価されています。
選定のポイント
エンジニアが材料を選ぶ際、5056は海洋や塩化物環境での耐食性と良好な溶接性を重視しつつ、商用純アルミよりも高い強度を維持したい場合に実用的な選択肢です。析出硬化に頼らない溶接後の予測可能な性能を望む設計者に特に適しています。
商用純アルミ（1100）と比較すると、5056は大幅に高い強度と疲労耐性を持つ一方で、電気・熱伝導率や成形性はやや劣ります。一般的な加工硬化型合金（3003や5052）と比べると、5056は強度が高く海水耐性も向上していますが、成形性はやや低く、適切な調質選定をしなければ引張応力下での応力腐食割れにやや敏感になる場合があります。
6061や6063のような熱処理可能な合金と比較して、5056はピークで得られる強度はやや低いものの、塩化物環境下での耐食性および溶接性に優れています。溶接後の強度保持性や海洋腐食抵抗性が最大の強度や剛性よりも重要な場合は、5056を選択してください。
まとめ
5056は、Mg系固溶体強化と良好な溶接性、海洋および塩化物曝露環境における信頼性の高い耐食性を兼ね備えているため、今なお有用なエンジニアリング合金です。板材、平板、押出形材といった幅広い形状での汎用性により、溶接後の安定した性能と成形性が求められる構造物や圧力容器用途において選ばれることが多い材料です。