アルミニウム5080：成分、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 5080は5xxx系アルミニウム-マグネシウム合金ファミリーに属し、非熱処理型（加工硬化型）合金として分類されます。主な強化機構は、マグネシウムによる固溶強化と冷間加工による加工硬化の組み合わせです。
代表的な主な合金元素はマグネシウムが数重量％で、マンガンやクロムが微量添加されて粒構造と再結晶を制御しています。この化学組成により5080は、中〜高強度とアニーリング時の良好な延性、優れた海水耐食性、および一般に良好な溶接性のバランスが得られます。
主要な特長には、一般的な純アルミニウム系より有利な強度対重量比、海洋環境での孔食・すきま腐食耐性、軟質状態での妥当な成形性があります。5080を含む5xxx系合金は、船舶建造や海洋構造物、圧力容器、構造部品、耐食性と中程度の強度が求められる製缶設備などに広く使用されています。
エンジニアは、1xxx系合金より高い加工引き渡し強度、熱処理型合金より優れた海洋腐食耐性、良好な溶接性を組み合わせて必要とする場合に5080を選択します。剛性や降伏強さが重要な場合は1xxxまたは3xxx系の低強度合金より選ばれ、腐食耐性や溶接修理性が優先される場合は6xxx/7xxx系合金より好まれます。
硬さ（テンパー）バリエーション
| 硬さ（テンパー） | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし状態；最高の成形性と耐食性 |
| H111 / H112 | 低から中程度 | 高から中程度 | 良好 | 優秀 | 成形や加工による軽度の加工硬化 |
| H14 | 中程度 | 中程度 | 普通 | 優秀 | 1/4硬化；中程度の成形でより高い強度に使用 |
| H18 | 高 | 低 | 不良 | 優秀 | 完全硬化；剛性付与や低変形部品に使用 |
| H116 / H321 | 中から高 | 中程度 | 普通 | 良好 | 溶接構造物向けの応力緩和を制御した商用テンパー |
| T5（人工時効の場合） | 中から高 | 中程度 | 普通 | 良好 | 寸法安定性を目的としたT5様処理例あり |
| T6 / T651（稀） | 中から高 | 中程度 | 普通 | 良好 | 主に熱処理対象外のため限定的な採用で効果も限定的 |
5080の硬さ（テンパー）は主に冷間加工（Hテンパー）および応力除去によって達成され、古典的な溶体化および時効処理はほとんど適用されません。焼なまし（O）材料は最高の伸びと成形性を有し、H番号の上昇は延性を降伏点・強度へトレードオフします。
溶接構造物は応力緩和制御が必要な場合、一般的にH116/H321で出荷されます。Hテンパーは良好な溶接性を保持しますが、溶接熱影響部（HAZ）では軟化が生じるため設計時に考慮が必要です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 最大0.40 | 不純物；延性と耐食性維持のため低減 |
| Fe | 最大0.40 | 金属間化合物形成元素；破壊開始の抑制のため管理 |
| Mn | 0.30–1.0 | 粒細化および強度・靭性向上に寄与 |
| Mg | 3.8–4.9 | 主要強化元素；腐食挙動に重要 |
| Cu | 最大0.10 | 耐食性と溶接性維持のため低濃度 |
| Zn | 最大0.25 | 耐食性低下を防ぐため低濃度 |
| Cr | 0.05–0.25 | 粒構造制御および再結晶・感作の抑制 |
| Ti | 最大0.05 | 鋳造・圧延時の粒細化剤 |
| その他（Zr含む） | 残部／微量 | 微細組織制御用微量元素；総量一般的に<0.15％ |
合金の性能はマグネシウムが支配的で、固溶強化の大部分と海洋腐食耐性に貢献しています。マンガンとクロムは粒径制御・再結晶制御・熱サイクル中の粒界腐食感受性低減のための微量合金添加元素です。銅と亜鉛は耐食性と溶接性を損なわないよう低濃度に抑えられ、シリコンと鉄は不可避の不純物として低レベルに管理されています。
機械的性質
5080は古典的な加工硬化型の引張挙動を示します：アニーリングされた板材は低い降伏強さで高い伸びを示し、冷間加工を進めるにつれ降伏強さと引張強さが増加し延性が低下します。降伏強さ・引張強さはテンパーと板厚に強く依存し、Hテンパー製品は伸びを犠牲に大幅な0.2％オフセット降伏強さの向上をもたらします。硬さも同様の傾向で、マグネシウム含有量および冷間加工度合いと相関し、時効硬化と直接関連しません。
疲労特性は5xxx系の中では中程度で、表面状態、溶接部、残留応力が疲労寿命を主に決定します。5080の厚板はミルアニーリング、粒径変化、残留応力分布の影響でやや低い強度測定値を示す傾向があり、重要部品では供給者のミル証明書に基づく板厚依存性を考慮すべきです。常温での衝撃靭性は概ね良好ですが、強く冷間加工された場合や後処理のない重溶接構造では性能低下が見られます。
腐食環境下や溶接構造物では、溶接熱影響部（HAZ）の軟化により局所的に降伏強さ・引張強さが低下します。機械設計では溶接部を強度低下ゾーンとして扱い、適切な安全率または補強を組み込む必要があります。圧力容器や構造用には、特定板厚・テンパーに対応した供給者証明の機械的性質データの使用が標準的な設計実務です。
| 特性 | O/焼なまし | 主要テンパー（例：H116/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 220–300 MPa（代表範囲） | 260–350 MPa（冷間加工度に依存） | 引張強さはテンパー・板厚により変動 |
| 降伏強さ（0.2%オフセット） | 90–180 MPa | 200–320 MPa | 冷間加工で強く増加；H18が上限 |
| 伸び | 20–30% | 6–18% | 焼なまし状態で最大伸び |
| 硬さ（HB） | 40–60 HB | 60–95 HB | ブラネル硬さはテンパーおよびMg含有率に相関 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.66 g/cm³ | Al-Mg合金として典型的；質量計算に使用 |
| 融点範囲 | 570–645 °C | 固相線-液相線範囲は合金成分により僅かに変動 |
| 熱伝導率 | 約130 W/m·K | 純Alより低減するが熱放散用途に適切 |
| 電気伝導率 | 約30–40 % IACS | 純Alより低く、Mg添加や冷間加工でさらに低下 |
| 比熱 | 約0.90 kJ/kg·K | 室温でのアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張率 | 約23.5 µm/m·K | 他のアルミ合金に近い線膨張率；設計時に考慮 |
物理特性は5080を中程度の熱伝導率を持つアルミ合金に位置付けます。熱伝導は純アルミや特定の1xxx系合金には劣りますが、多くの熱放散・ヒートシンク用途向けに十分です。密度と熱膨張率は軽量構造設計に適しますが、異種材料接合時の膨張差には注意が必要です。
電気伝導率は純アルミと比較して低く、冷間加工および重合金添加でさらに低下します。電気伝導が重要な用途では、低合金または純アルミ系材より不利となります。
製品形状
| 形状 | 代表的板厚/寸法 | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼板（Sheet） | 0.5–6.0 mm | 均一で厚さ依存の強度 | O, H111, H116, H18 | 船体外板、パネル、製作組立品に一般的 |
| プレート（Plate） | 6–150 mm | 厚みが大きくなると強度はやや低下 | O, H116, H321 | 構造部材や耐圧部品に使用 |
| 押出材（Extrusion） | 断面最大300 mm | 断面形状と冷間加工により強度が決まる | O, H111, H14 | 溶接組立に用いられるチューブやプロファイル |
| チューブ（Tube） | 壁厚 1.0–25 mm | 鋼板・プレートと類似；溶接や冷間加工で特性変化 | O, H112, H321 | 腐食耐性が必要な圧力・流体輸送用途 |
| 丸棒・棒材（Bar/Rod） | 直径最大200 mm | 通常は焼鈍または1/4硬・硬質で供給 | O, H14, H18 | 機械加工部品や鍛造成形用素材 |
加工工程は製品形状によって異なり、鋼板・プレートは一般的に圧延および焼鈍が行われ、管理されたミルフィニッシュを持ちます。一方、押出材は均質な微細構造を維持するため、ビレットの化学成分や冷却管理が厳重に行われます。プレートおよび厚板は、溶接や製作時の歪みを抑制するために応力除去調質で出荷されることが多いです。
設計者は成形および製作の過程で局所的に調質や残留応力が変化することを考慮し、複雑な組立品では目的の機械的性能を達成するために再焼鈍や制御された予備変形が必要になる場合があることを理解しておくべきです。
同等材質
| 規格 | 材質名 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5080 | 米国 | Aluminum Associationの主たる指定 |
| EN AW | 5080 | 欧州 | EN規格に準拠；化学成分はAA指定に類似 |
| JIS | A5080（該当する場合） | 日本 | JIS仕様は不純物限度に若干差異あり |
| GB/T | 5080（または同等のEN指定） | 中国 | 中国規格はAA/ENの化学範囲と概ね整合 |
5080のAA、EN、JIS、GB/T表記は名目的には同等ですが、許容される不純物限度、要求される試験（UL/UT/NDT）、製品形状や調質ごとの機械的性質許容範囲には微妙な違いがあります。地域を跨いだ調達では、ミル証明書を照合して正確な組成、調質区分、受入基準を確認することが重要です。また、材質規格によって圧延や熱処理の工程履歴が異なり、それが微細構造や性能に影響を与えます。
耐食性
5080は、マグネシウム含有量が高く銅含有量が低いため、優れた大気および海洋環境での耐食性を発揮します。この合金は安定した保護酸化膜を形成し、多くの熱処理型合金よりも海水中での孔食や割れ環状腐食に対して優れた耐性があるため、船体、デッキ、洋上設備に適しています。
しかしながら、マグネシウム含有量が約3％を超える5xxx系合金は、高温（溶接時の熱影響部など）にさらされると感受性化し、粒界腐食を引き起こす可能性があるため、効果的なレベルのクロムなどの安定化元素が必要です。適切なフィラー材の選択、溶接手順、および溶接後処理が長期的な腐食劣化を抑制するために重要となります。
5080がより貴な金属（ステンレス鋼や銅合金）と接触すると、ガルバニック腐食が発生しやすいため、絶縁材や保護コーティングの使用が局所的な促進腐食を防ぐために推奨されます。6xxx系および7xxx系合金と比較すると、5080は自然海水環境での耐食性に優れますが、一部の強度が高い熱処理型合金に比べて最高強度は低く、追加の腐食防護が必要となる場合もあります。
製作特性
溶接性
5080はTIG（GTAW）およびMIG（GMAW）溶接で良好な溶接性を示します。推奨される溶接材料はマグネシウム含有量を合わせるため、5183（Al-Mg）および5356が一般的です。高銅含有合金よりも熱割れのリスクは低いですが、Mg含有量が高い部分での熱影響部の軟化や感受性化には留意が必要です。溶接前の清浄化による汚染除去と、感受性温度域での滞留時間を抑えるための熱入力管理が推奨されます。
機械加工性
5080の機械加工性は中程度であり、一部の6xxx系や2xxx系合金ほど自由切削性は高くありません。超硬工具の使用が推奨され、切削速度は中程度、送り速度を高めに設定し、ビルトアップエッジの発生を防ぐことが望ましいです。表面仕上げや切りくず制御は調質や微細構造に依存し、冷間加工硬化した調質では工具負荷が増大し加工性は低下します。クーラントや切りくず崩しの工夫が工具寿命延長に有効です。
成形性
O調質では優れた成形性を持ち、深絞り、引き伸ばし、複雑な曲げ加工を小径のダイで行うことが可能です。最小曲げ半径は調質と板厚に依存しますが、多くの鋼板用途では板厚の1.0〜2.5倍の範囲です。H調質ではより大きな曲げ半径が必要です。成形により加工硬化で降伏が上昇するため、亀裂防止のために段階的な成形と中間焼鈍を組み合わせることがあります。
熱処理挙動
非熱処理型合金である5080は、6xxx系や7xxx系合金のような溶体化処理や時効硬化による強化は起こりません。機械的性質は冷間加工（圧延、引抜き、曲げ）や応力除去焼鈍の熱安定化処理によって制御されます。
全焼鈍（O調質）は延性回復と残留応力低減のため高温で実施され、その後の冷間加工により降伏強さと引張強さが向上します。人工時効や溶体化処理による析出強化は得られず、熱処理は主に再結晶制御や耐食性調整を目的として使用され、ピーク強度を生み出すためのものではありません。
高温性能
5080の使用強度は温度上昇に伴い低下し、耐荷重用途ではおおむね100〜150 °C以下に限られます。この範囲を超えると顕著な軟化が起こり、長時間の温度暴露は微細構造変化を促進して荷重支持能力を低下させます。
鉄鋼材に比べ酸化は激しくありませんが、長時間の高温暴露により表面スケーリングが生じ、耐食挙動が変化する恐れがあります。溶接部では高温暴露により熱影響部の軟化や感受性化が進行しやすいため、推奨温度限界を超える熱履歴を避けるか、必要に応じて後熱処理を行うことが望ましいです。
用途例
| 産業分野 | 例示コンポーネント | 5080が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 海洋 | 船体パネル、上部構造物 | 優れた海水耐食性と適度な強度 |
| 自動車 | トレーラーベッド、貨物パネル | 良好な強度対重量比と成形性によるプレス部品向け |
| 航空宇宙 | 非重要な装備・フェアリング | 耐食性と軽量性を活かした二次構造材向け |
| 圧力容器・貯蔵 | タンクおよび圧力部品 | 優れた溶接性と多くの水系環境への耐性 |
| 電子・熱管理 | シャーシおよび中程度のヒートシンク | 熱伝導性と構造特性のバランス |
5080は耐食性と溶接性を重視しつつ、適度な強度と良好な成形性が求められる場合に一般的に指定されます。この性能の組み合わせにより、最大強化を目的としない構造用、海洋用、一般製作用途で経済的な選択肢となります。
選定ポイント
5xxx系の中で、中〜高強度、優れた海洋耐食性、良好な溶接性のバランスを求める場合に5080は適しています。特に溶接構造物や海水・工業大気環境に曝される部品に向き、製作後の追加防護が最小限で済む用途に最適です。
商用純アルミニウム（1100）と比較すると、5080は導電性・熱伝導性と成形性の若干の低下と引き換えに、著しく高い降伏・引張強さを提供します。3003や5052などの加工硬化合金と比べると、5080は強度と海水耐性が向上しますが、硬質調質では成形性がやや劣ります。6061/6063などの熱処理系合金と比べると、5080は自然耐食性と溶接性に優れる一方、最高強度は低いため、耐食性と溶接修理性を重視し最大静的強度を必要としない場合に選択されます。
まとめ
合金5080は、耐食性、溶接性、そして適度な構造強度を求められる用途において、実用的なエンジニアリング合金としての地位を保っています。加工硬化性に優れた特性、管理された化学組成、そして複数の製品形態での入手可能性により、海洋用途、構造用、一般的な製作用途で過酷な環境下での耐久性を重視する場合に多用途で適した選択肢となります。