アルミニウム5059：組成、特性、硬さ区分ガイドおよび用途
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総合概要
5059は5xxx系アルミニウム合金の一種であり、Al–Mg系に属します。主にマグネシウムを添加し、マンガンやクロムを微量加えることで強度を高め、マグネシウム含有量の低い5xxx系合金と比べて耐食性を向上させています。
5059の主な強化機構は固溶体強化であり、微量合金化および熱間機械的処理の制御によって補強されています。従来の熱処理可能合金ではなく、冷間加工と析出物・分散相の組成制御を通じて強度を発現し、高強度と保持された靭性の良好な組み合わせを実現しています。
5059の主な特長は、非熱処理系アルミニウムとしては高い引張および降伏強さ、優れた海洋環境での耐食性、適切なフィラー材を用いた良好な溶接性、そして焼なまし状態での適度な成形性です。代表的な用途は海洋・造船、洋上構造物、輸送分野（鉄道・特殊自動車）、耐食性と軽量化が重要な航空機部品などです。
設計者は、熱処理ができない合金でありながら下位の熱処理系合金に匹敵する強度を持ち、海水耐性や応力腐食割れに優れる必要がある場合に5059を選択します。同行は5xxx系の中でも高強度を求める場合、また耐食性・溶接性が重視される用途では6xxx系や7xxx系より優先されることが多いです。
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 | 完全焼なまし、最高の延性と成形性を持つ |
| H111 | 低〜中 | 高 | 非常に良い | 非常に良い | 一度の軽い加工によるわずかな加工硬化、適度な成形に向く |
| H116 | 中〜高 | 中程度 | 良好 | 良好 | 安定化された加工硬化状態で海洋用途に広く採用 |
| H321 | 中〜高 | 中程度 | 良好 | 良好 | 軽い熱処理により加工硬化と熱安定化 |
| H34 / H36 | 高 | 低〜中 | 限定的 | 良好 | 非熱処理状態で最大強度を得るための重い加工硬化 |
| T（限定的適用） | 可変 | 可変 | 可変 | 可変 | 限定的な溶体化＋時効処理後の既存製品あり；主な強化方法ではない |
調質は5059の強度、延性、加工性のバランスを大きく左右します。焼なまし（O）状態は深絞りや複雑なプレス加工、曲げ加工が可能であり、H1x/H11x系は強度を段階的に向上させつつ伸びの低下を抑え、軽度の成形には適しています。
より重い加工硬化調質（H3x/H34/H36）は構造部材の降伏点・引張強さを最大化しますが、曲げや伸展成形はかなり制限されます。溶接により熱影響部（HAZ）はより軟化した状態に戻るため、接合設計時には考慮が必要です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | 脆い間隙相の形成抑制と靭性維持のため低珪素に制御 |
| Fe | ≤ 0.50 | 一般的な不純物レベル、過剰なFeは靭性低下を招く脆性相を形成 |
| Mn | 0.2–1.0 | 強度向上と組織微細化、再結晶抑制に寄与 |
| Mg | 4.5–6.0 | 主な強化元素であり、海洋大気中での耐食性向上 |
| Cu | ≤ 0.10 | 耐食性低下や応力腐食割れ感受性を回避するため低濃度 |
| Zn | ≤ 0.25 | 高温割れ防止と耐食性維持のために低濃度 |
| Cr | 0.20–0.50 | 微量合金元素として組織を微細化し、機械的性質を安定化 |
| Ti | ≤ 0.10 | 鋳造や押出し時の粒界微細化に有効 |
| その他（個別） | ≤ 0.05 | 微量元素および残留成分、合計値制限あり |
合金設計はMgを主な強化元素として最大限活用しつつ、銅や亜鉛は低濃度に抑えて耐食性を保持することに調整されています。クロムおよびマンガンは意図的に添加され、結晶粒の微細化、再結晶の抑制、溶接や熱曝露後の強度安定化に寄与します。
機械的性質
使用環境における5059の引張・降伏強さは調質や板厚に強く依存します。焼なまし状態は多くの5xxx系同様に控えめな強度ながら高い伸びを示し、加工硬化および安定化処理を施した調質は熱処理系下位合金に迫る高い降伏点を発揮します。疲労特性は表面条件および溶接部のノッチ抑制を行えば海洋用合金として概ね良好です。
高強度調質では降伏強度は高く保たれる一方で延性は中程度まで低下するため、H3x系調質選択時は曲げ半径を小さくできず、室温成形性も劣ることに留意が必要です。硬さは冷間加工量に比例し、高強度調質では硬さが大幅に向上し延性は低下します。板厚も影響し、厚板は加工硬化効果が若干低下する傾向があります。
耐疲労・耐応力腐食割れ性はCu含有合金に比べ優れており、5059は溶接された海洋構造物に適しています。疲労耐久性は板厚・調質双方の影響を受け、厚板は荷重分散効果が大きい一方、完全な加工硬化が難しくなる場合があります。
| 特性 | O（焼なまし） | 主な調質 (H116 / H36 範囲) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約220～300 MPa | 約400～480 MPa | 加工硬化および安定化の度合いに応じ広範囲 |
| 降伏強さ | 約100～170 MPa | 約350～420 MPa | 非熱処理系アルミとしては卓越した降伏強さ |
| 伸び | 約18～26% | 約6～12% | 焼なましは高延性、硬化調質は強度優先で伸びを犠牲にする |
| 硬さ (HB) | 約55～75 HB | 約120～150 HB | 冷間加工量および安定化処理で硬さが増加 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.66 g/cm³ | Al–Mg系アルミとして標準的、鋼材より軽量で軽量化に有利 |
| 融点範囲 | 固相線 約555～620 °C；液相線 最大約650～660 °C | 合金元素により純アルミの液相線より低下、鋳造時の考慮が必要 |
| 熱伝導率 | 約130～160 W/(m·K) | 純アルミよりやや低いが、鋼材よりはるかに高く熱管理用途に適応 |
| 電気伝導率 | 約28～40 %IACS | Mgおよび他元素の影響で純アルミより低下しているが多くの導電用途に十分 |
| 比熱 | 約900 J/(kg·K) | 他のアルミニウム合金と同等で、熱容量設計に有効 |
| 熱膨張係数 | 約23～24 ×10^-6 /K (20～100 °C) | 典型的なアルミ値であり、異種金属との組合わせ設計時に注意が必要 |
物理特性の組み合わせにより、5059は軽量で熱伝導性を求められる用途において、高強度かつ優れた耐食性を提供します。熱伝導率および電気伝導率は純アルミより低いものの鋼材に比べはるかに高く、放熱や電力配分設計の軽量化に寄与します。
融点および固相線特性は溶接や融合結合に関連し、微量元素の影響で液相割れのリスクが変わるため、接合設計およびフィラー材選定の際は留意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 | 一般的な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5–6.0 mm | 薄板では均一な強度傾向；冷間加工が可能 | O, H111, H116 | パネル、船体外板、成形部品に広く使用 |
| プレート | 6–80+ mm | 厚板では加工硬化効果が若干低減 | H116, H36 | 高降伏強さが求められる海洋・輸送構造用プレート |
| 押出材 | 大断面までのプロファイル | 強度は押出速度と後伸ばしによる | O, H111, H116 | 構造フレームや部品向けの複雑な形状 |
| チューブ | 直径多様、肉厚可変 | 冷間引抜き加工でシートに近い強度 | O, H116 | 腐食環境下の構造用チューブに使用 |
| バー／ロッド | 直径最大300 mm | 硬さ状態により良好な引張／降伏強さ | O, H116, H36 | 機械加工部品や鍛造部品に利用 |
製造工程は最終的な特性バランスに影響を与えます。圧延シートやプレートは一般的に溶接後も強度保持のため安定化処理が施されますが、押出材は残留応力制御のため溶体均質化および伸ばし処理が行われます。プレートや厚板製品は均一な冷間加工が難しいため、目標強度達成のために適切な加工工程が必要です。
各形状の代表的用途は、加工性と最終性能のバランスを反映しています。シートは成形パネルや船体外板、プレートは溶接構造部材、押出材は精密フィッティングやレール、バー／ロッドは合金の強度と耐食性を活かした機械加工部品に用いられます。
対応等級
| 規格 | 等級 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5059 | 米国 | Primary Aluminum Association/AAの指定 |
| EN AW | 5059 | 欧州 | EN AW-5059は欧州で一般的な表示。化学組成や硬さ状態は類似 |
| JIS | A95059（概ね） | 日本 | 現地表示はUNS/AAに対応するが不純物限界に若干の差異あり |
| GB/T | Al–Mg5.5–Cr（概ね） | 中国 | 中国規格はAA番号ではなく組成名で表示されることが多い |
5xxx系合金は各地域間で標準規格の大まかな調和が進んでいますが、最大不純物限界、マグネシウム含有範囲、機械的試験条件に細かな違いがあります。これにより、保証される引張・降伏強さや耐食性能に若干の差異が生じることがあります。
国際調達の際は、ミルシートおよび調達仕様書で正確な組成限界、硬さ状態定義、機械的試験条件を確認し、重要な構造用途での互換性を確保してください。
耐食性
5059は大気中耐食性に優れ、特に海水および塩化物環境で高い耐食性を示します。高マグネシウム含有により保護酸化皮膜が形成され、不動態化が維持されます。クロム添加と銅の管理により局所的な孔食や応力腐食割れ（SCC）に対する感受性も低く抑えられています。
海洋環境試験では、5059は銅や亜鉛含有量が高い6xxx系や7xxx系合金より優れた耐食性を示します。また、長期の塩水噴霧および浸漬試験で低マグネシウム5xxx系よりも耐食性能が向上しています。ガルバニック適合性は、ステンレス鋼、チタン、または適合するアルミ合金と組み合わせた場合に好ましいですが、銅や真鍮などより貴な金属と組み合わせる場合は絶縁策が必要です。
応力腐食割れ（SCC）耐性は、銅含有の高強度合金と比較して5059の大きな利点です。しかし、硬化硬さの高い状態や腐食性の引張応力状態では、過酷な環境下でSCC発生の可能性があります。溶接部は熱影響部（HAZ）の引張応力を避け、適合した溶接金属や後処理を施す設計が求められます。
加工性
溶接性
5059はTIG（GTAW）やMIG（GMAW）など一般的な溶融溶接プロセスで容易に溶接可能で、適切な溶接金属を用いることで良好な接合性能を得られます。代表的な溶接材はAlMg4.5Mn（5183）やAlMg5（5356、用途による）で、溶接金属の靭性と耐食性制御に用いられます。6xxx系・7xxx系よりも熱割れリスクは低いですが、HAZ軟化が発生するため溶接後の局所強度低下を考慮した設計が必要です。
機械加工性
機械加工性は中程度からやや劣るレベルで、低速切削時に連続的で粘りのある切粉が発生しやすい傾向があります。ポジティブラケのカーバイド工具、積極的な切粉破砕器、高送り速度、良好な冷却・潤滑により生産性が向上します。表面仕上げや工具寿命は硬さ状態や断面寸法に敏感なため、供給される硬さ状態に応じて加工条件を最適化してください。
成形性
成形性はO硬さ状態で非常に優れ、冷間加工によって硬化すると低下します。硬化状態では曲げ半径に保守的な指針を適用し、複雑形状の場合は成形前に焼鈍処理を行うことが一般的です。最良の成形結果はOまたは軽度加工硬化状態で得られ、高強度硬さ状態では積極的な打抜きよりも制御された曲げ・ストレッチ成形が推奨されます。
熱処理特性
5059は基本的に非熱処理強化型合金であり、6xxx系のような溶体化処理・人工時効によるピーク硬化は発現しません。従来の溶体化・時効サイクルは同様の強化機構を生み出さず、マグネシウムは固溶中に留まり、強化は析出硬化よりも主に加工硬化によります。
強度調整は熱機械加工や加工硬化によって行われ、その後安定化処理（軽度の熱安定化や制御された伸ばし加工）で望ましい転位構造を固定します。焼鈍（O）は完全軟化状態を回復し、成形加工を可能にします。制御された冷間加工で靭性を犠牲にしつつ強度を高めることが可能です。
溶接構造物においてはHAZの局所的硬さ変化が強度低下を招くことがあります。溶接後熱処理は原状回復の手段として一般的ではなく、設計段階で安全率の設定や局所的機械的再加工を検討すべきです。
高温特性
5059は中程度の温度まで有効な強度を保持しますが、概ね100 °C以上の継続使用で強度低下が進行します。短期的に150 °C程度の高温に耐えられますが、長期の高温曝露は軟化を加速し、クリープ耐性を低下させる可能性があります。
表面酸化はアルミナ保護膜により限定的ですが、高温は表面化学組成を変化させ、異種金属間のガルバニック作用を促進します。HAZでは溶接高温により局所的な過時効軟化や微細構造の粗大化が生じ、疲労および降伏特性の低下を引き起こします。
高強度保持が要求される場合は連続使用温度を保守的に設定し、継続荷重下での接合部や締結具のクリープ・摩耗挙動を検証してください。
用途例
| 業界 | 代表的部品 | 5059が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 海洋 | 船体外板およびデッキ構造 | 高い強度対重量比と優れた海水耐食性 |
| オフショア／エネルギー | プラットフォーム構造部材 | 溶接構造におけるSCCおよび塩化物耐食性 |
| 航空宇宙／防衛 | フィッティングおよび構造ブラケット | 耐食性が必須の高降伏強さと靱性 |
| 輸送 | 軽量構造用レールおよび車体 | 重量軽減を図りつつ優れた強度と溶接性 |
| 電子・熱処理 | シャーシおよび放熱器 | 適切な熱伝導性と構造的完全性の両立 |
5059は過酷な環境下でも長寿命と信頼性を確保しつつ、軽量化と量産時の溶接・加工の容易さを求められる部品に選ばれます。強度、耐食性、加工性のバランスがとれたため、海洋や構造用途の厳しい条件下で信頼される合金です。
選定のポイント
高強度かつ熱処理非対応のアルミニウムで、海洋用耐食性と良好な溶接性が求められる場合に5059を選択してください。塩化物による長期曝露が予想される溶接構造部品に特に適しています。
市販の純アルミニウム（例：1100）と比べて、5059は導電性や極めて高い成形性を犠牲にする代わりに、はるかに高い強度と優れた耐食性を備えています。電気・熱伝導性や最大の塑性変形性が最優先の場合は1100を使用してください。一般的な加工硬化合金である3003や5052と比較すると、5059は強度が高く、同等以上の海洋腐食耐性を有しますが、コストは高く、硬質時の成形性は劣ります。熱処理可能な合金である6061や6063と比較した場合、5059は溶接部の耐腐食性や応力腐食割れ（SCC）耐性が絶対的な最高強度より重要視される用途で好まれることが多いです。
仕様決定時には、強度、成形性、コストのバランスを考慮してください。成形にはアニーリングまたは軽く加工された硬さの状態を選び、構造部材には安定化された加工硬化状態を選択します。必要な板厚や硬さについては製材メーカーの在庫を確認し、重要な接合部には適合する溶接材料および溶接手順の確認を行ってください。
まとめ
5059は、高い非熱処理強度、溶接性、および優れた海洋耐食性のバランスが求められる現代のエンジニアリングにおいて、依然として有用で技術的に魅力的なアルミニウム合金です。その合金成分と加工オプションにより、過酷な環境下でも長期にわたり構造的完全性を維持しつつ、軽量化を図る実用的な手段を設計者に提供します。