アルミニウム 5086：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
5086は、主要合金元素としてマグネシウムを含む5xxx系の加工用アルミニウム–マグネシウム合金の一種です。このシリーズは熱処理が不可能であり、その強度は主に固溶強化と加工硬化によって得られ、析出硬化によるものではありません。
5086の主要合金成分は数wt%のマグネシウムに加え、微量のクロムや微量元素が含まれており、これらが組織制御や耐食性に寄与しています。この合金は冷間加工（ひずみ硬化）および強度と塩化物環境下での耐食性のバランスを考慮した厳密に管理された合金化学成分により強化されています。
5086の主な特徴は、アルミニウム板合金としては比較的高い強度、優れた海水耐食性、良好な溶接性、そして柔らかい調質時での適度な成形性です。これらの特性により、船体、圧力容器、低温容器、構造部材など、靭性、耐食性、溶接性の組み合わせが求められる用途に一般的に用いられています。
エンジニアは、塩化物を含む海洋環境下で、孔食や応力腐食割れに対する優れた耐性と有利な強度対重量比を必要とする場合に、他の合金よりも5086を選択します。ピーク強度よりも溶接後の特性や局部腐食抵抗が重要視される場合には、熱処理可能な合金よりも優先して選ばれます。
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 | 低い | 高い | 非常に良い | 非常に良い | 完全焼なまし・最高の延性を持ち成形に適する |
| H111 | 低～中 | 高い | 非常に良い | 非常に良い | 軽度の加工硬化・汎用調質 |
| H32 | 中程度 | 良好 | 良好 | 非常に良い | ひずみ硬化および安定処理済み・強度と成形性のバランス |
| H34 | 中～高 | 中程度 | 良～可 | 非常に良い | H32より高い加工硬化による強度向上 |
| H116 | 中～高 | 中程度 | 可 | 非常に良い | 溶接熱影響部に対する耐久性を向上させた安定化処理済み・溶接海洋構造物に一般的 |
5086の調質は、溶体化処理や析出硬化熱処理ではなく、制御された冷間加工と安定化処理によって得られます。O調質からより高いH調質に進むほど強度は向上し、延性は低下します。これにより成形方法が変わり、最小曲げ半径にも制限が生じます。
H116のような選択的調質は、ひずみの経時変化を制限し、溶接後および海水環境曝露後の耐食性を維持するよう設計されています。設計および加工時には、H調質による成形性の低下や、強く加工された材料に見られるばね戻りや異方性の可能性を考慮する必要があります。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | 不純物；靭性低下の原因となる複合金属相の形成を防止 |
| Fe | ≤ 0.50 | 不純物；過剰なFeはもろい複合金属相を形成 |
| Mn | 0.05–0.50 | 強度向上と組織制御に寄与する微量添加元素 |
| Mg | 3.5–4.9 | 主要強化元素；耐食性を向上 |
| Cu | ≤ 0.10 | 耐食性維持のため最小限に抑制 |
| Zn | ≤ 0.25 | 脆化および腐食感受性を避けるため低含有 |
| Cr | 0.05–0.25 | 結晶粒制御および再結晶抑制により靭性向上 |
| Ti | ≤ 0.15 | 一部の鋳造・インゴット製造における晶粒微細化元素 |
| その他（各） | ≤ 0.05 | 微量および残留元素；Alが残部 |
5086におけるMg含有量は強度と耐食性を支配的に制御する要素です。Mg含有量が高いほど強度および孔食抵抗は向上しますが、不均衡になると応力腐食割れ感受性が高まる場合があります。クロムは低濃度で意図的に添加され、熱サイクル（溶接など）中の結晶粒成長を抑制して靭性を向上させ、皮むけ腐食を低減します。銅と亜鉛は微量に抑えられ、海水中での局部腐食抵抗を保持しています。
機械的性質
5086は非熱処理型のAl–Mg合金として典型的な引張挙動を示し、焼なまし調質では優れた延性を伴う延性破断を示し、加工硬化によって降伏強さおよび引張強さが段階的に上昇します。この合金は切欠き靭性に優れ、低温でもエネルギー吸収能力を保持するため、クライオジェニック容器での使用が多く見られます。
降伏強さと引張強さは調質と冷間加工度に強く依存します。厚板や溶接部の熱影響部（HAZ）では熱影響により軟化が発生することがあります。疲労特性は、表面が良好に仕上げられ腐食防護されている場合は一般的に良好ですが、腐食ピットや溶接欠陥があると急激に疲労寿命が低下します。
硬さは強度に比例し、調質が硬化するに従ってブリネル硬さ（HB）やビッカース硬さ（HV）が高くなります。設計者は板厚の影響に留意する必要があります。薄板は高強度化のための冷間加工が容易ですが、厚板は亀裂発生を避けるために冷間加工による強化が制限されます。
| 特性 | O/焼なまし調質 | 代表的調質（例：H116/H32） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 200–260 MPa (29–38 ksi) | 300–370 MPa (44–54 ksi) | 厚み、供給元、調質により変動；H調質で大幅に強度向上 |
| 降伏強さ | 85–150 MPa (12–22 ksi) | 210–260 MPa (30–38 ksi) | 冷間加工および安定化処理により降伏点が著しく上昇 |
| 伸び | 12–25% | 6–16% | 焼なまし調質は高延性；H調質は強度優先で延性を犠牲 |
| 硬さ | 約35–65 HB | 約80–95 HB | ひずみ硬化により硬さが上昇し、引張・降伏強さと相関 |
物理的性質
| 性質 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.66 g/cm³ | Al–Mg系加工合金の典型的密度；良好な強度対重量比を有する |
| 融点範囲 | 固相線 約565–600 °C、液相線 約635–650 °C | 微量成分や偏析によって融点範囲が左右される |
| 熱伝導率 | 約120–140 W/m·K | 純アルミより低いが依然として高く、熱管理に有効 |
| 電気伝導率 | 約28–36 %IACS | 合金化により純アルミより低いが、多くの用途で十分な導電性 |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K | 他のアルミ合金と類似し、熱量計算に有用 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C) | 標準的なアルミニウムの膨張度；異種材料接合時に考慮が必要 |
この合金の密度および熱的性質は、熱伝導性や放熱が求められる軽量構造物（デッキ、熱交換器、低温タンクなど）に適していることを示しています。熱膨張は、5086と鋼や複合材料のような異種材料の接合部での熱応力差を避けるために設計上の配慮が必要です。
電気伝導率および熱伝導率はMgと微量元素含有により抑えられていますが、多くの導電用途で十分なレベルを保持しています。融点範囲および固相線・液相線の挙動は、溶接パラメータやH調質材の過熟や軟化を引き起こす熱サイクルの決定に重要です。
製品形状
| 形状 | 代表的厚み・サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板 | 0.5–6.0 mm | 薄板では均一な挙動；高い冷間加工性 | O, H111, H32 | 船体外板、パネルに広く使用 |
| 厚板 | 6–150+ mm | 厚み増加で冷間加工性は低下；前後処理工程を要する | O, H116, H34 | 構造材、圧力容器板に使用 |
| 押出形材 | 大断面のプロファイルまで | 押出加工およびその後の冷間加工により機械的特性が影響される | O, H32 | フレームおよび構造用レール向けの複雑形状プロファイル |
| チューブ | 薄肉から厚肉径方向寸法まで | 成形・溶接方法に依存した性能 | O, H32 | 海洋配管および構造用チューブ |
| 丸棒・棒鋼 | 大断面径まで | 加工性と機械的安定性を提供 | O, H32 | 継手部品、加工部品 |
加工形態の違いは最終的な特性に影響を及ぼします。板材や薄板はH調質に達するために高い冷間加工がしやすい一方で、厚板は冷間加工が制限され、より軟らかい調質で供給されるか機械的成形方法を用いることが多いです。押出形材やチューブでは、冷却と安定化処理の管理が機械的性質や耐食性能維持のために重要となります。
用途は製品形状によって異なります。シートや板材は主に船体構造に使用され、押出材は複雑な構造形状やレールに適しており、管材や棒材は継手や溶接組立品に一般的に用いられます。供給業者はしばしば溶接構造物のHAZ耐性を改善するために、予め安定化された調質を提供しています。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5086 | USA | Aluminum Associationによる指定。一般的な商用リファレンス |
| EN AW | 5086 | Europe | EN AW-5086はAAの化学成分と調質に一致し、地域の製造公差に適合 |
| JIS | A5086 | Japan | 類似した化学成分。JISは典型的な調質と製造慣行をカバー |
| GB/T | AlMg4.5Mn（または5086） | China | 現地指定はマグネシウム含有量（例：AlMg4.5）を参照することがあり、類似の調質オプションが存在 |
各地域の規格は基本的な化学組成と意図された性能に一致していますが、許容不純物限度、求められる機械的試験、調質の定義で異なる場合があります。国際調達時には、HAZ性能、耐食性、および機械的要求が満たされていることを確認するために、シート／板材の証明書と調質コードを必ず確認してください。
認知された規格（AA、EN、JIS、GB/T）へのトレーサビリティは、船舶構造用鋼板や圧力容器のような安全性が重要な用途において特に重要です。組成や調質のわずかな違いが長期の腐食挙動や破壊特性に影響を与える可能性があります。
耐食性
5086は優れた大気耐食性を示し、マグネシウム含有量が高く銅や亜鉛含有量が低いため、海水接触用の代表的な圧延合金のひとつです。海洋環境においては、一般的腐食に強く、多くの他のアルミニウム合金に比べてピッチング腐食抵抗性も良好です。
長期間の浸漬や飛沫帯（スプラッシュゾーン）曝露でも、停滞する隙間、不十分な排水の接合部、および異種金属接触によるガルバニックセル形成を避けた設計であれば優れた性能を発揮します。7xxx系の高強度合金に比べて剥離腐食は起こりにくいですが、詳細設計と保護コーティングにより耐用年数が延長されます。
応力腐食割れ（SCC）の感受性は、より高いMg含有量の合金や一部の熱処理型合金より低いものの、引張応力、高温、または高塩化物環境下で微細組織条件が悪い場合にはSCCが発生することがあります。カソード材料（銅やステンレス鋼など）とのガルバニック作用により局所的な腐食が促進されるため、絶縁処理や犠牲陽極設計が推奨されます。
3xxx系および1xxx系合金と比較すると、5086は優れた強度と同等かそれ以上の海水耐食性を持ちます。6xxx系および7xxx系の合金と比較すると、ピーク強度はやや劣る一方で、海洋耐食性と溶接性が大幅に向上します。
加工性
溶接性
5086は一般的な融接方法（GMAW／MIG、GTAW／TIG、抵抗溶接）で容易に溶接可能であり、継手の隙間及び溶接パラメータを適切に制御すれば良好なビード外観と融合状態が得られます。充填材は適合またはやや強度の高い合金（例：5183、5356）の使用が推奨されており、溶接強度、靭性、耐食性のバランスを考慮して選択します。
溶接熱影響部では、母材が高いH調質の場合に軟化を示すことがあります。H116のような安定化された調質が、溶接後の性能変動を抑制するために指定されることがあります。高強度アルミ合金に比べて熱割れの危険性は低いものの、非金属介在物の管理や清浄な表面は確実な溶接のために不可欠です。
機械加工性
5086は他の圧延合金と比較して中程度の機械加工性を持ち、高Mg含有の鋳造合金よりは良好ですが、シリコンを含む6xxx系合金には劣ります。切削工具は鋭利な超硬工具を使用し、剛性の高いセットアップと中～高速送りを用いて工具の摩擦と加工硬化を避けることが重要です。
切削速度と送り速度は板厚や調質に応じて調整してください。H系調質は加工硬化しやすく、連続した長い切粉が発生することがあります。切削液の使用は切粉の除去と熱発生の抑制に効果的で、表面仕上げは仕上げ切りや工具形状の最適化で向上します。
成形性
成形性はO（焼なまし）およびH111調質で非常に良好で、H32/H34/H116などの加工硬化調質になると低下します。最小曲げ半径は調質と板厚に依存し、焼なまし板材は狭い半径（約1～2倍の板厚）に対応できますが、H調質ではより大きな半径や複数段階の成形工程を必要とすることが多いです。
冷間成形やインクリメンタル曲げが一般的で、複雑な形状には昇温成形や予備焼なまし工程を検討し、ばね戻りや割れを抑制します。制御された引張成形にも適していますが、ブランキングホルダー圧力と潤滑が最適でない場合、深絞りなどで局所的な薄化が発生しやすい点に注意が必要です。
熱処理特性
5xxx系合金である5086は、時効硬化を目的とした熱処理は不可能であり、固溶化処理や人工時効により強度が大幅に向上することはありません。熱処理による強度向上効果は主に回復および再結晶に関連し、実質的な析出強化は発生しません。
強度増加の主な手段は冷間加工による加工硬化で、これに続く安定化処理（例：H116）で使用中の応力時効や微細組織変化を最小限に抑えます。焼なまし（O）は強度を下げて靭性を高め、重加工後の成形性回復に用いられます。
溶接による局所的な熱影響で、冷間加工部が焼なまされてH調質における降伏強さや硬さが低下することがあります。ポスト溶接の機械的加工や安定化調質の採用が対策として一般的です。残留応力除去のための焼きなましサイクルが利用される場合もありますが、6xxx／7xxx系の析出硬化効果のような強度向上は期待できません。
高温性能
5086は温度上昇に伴い徐々に強度が低下し、実用設計強度は常温から中程度の高温（おおよそ100 °C程度まで）に設定されます。100～150 °Cを超える連続使用では強度とクリープ抵抗性が低下し、用途に応じて高温データの参照が必要です。
酸化は安定したアルミナ被膜に限られ、空気中での高温表面劣化は鉄鋼系合金に比べて少ないです。しかし、高温曝露によってH調質の微細組織が変化し、残留冷間加工が低減し、腐食促進のリスクが高まる場合があります。
溶接熱影響部では繰り返しの熱サイクルにより微細組織の粗大化および軟化が起こることがあり、高熱負荷や反復熱変動を受ける構造用途では慎重な適格評価や代替合金の検討が求められます。
用途例
| 産業分野 | 代表的な部品 | 5086が用いられる理由 |
|---|---|---|
| 海洋 | 船体板、上部構造 | 優れた海水耐食性と良好な溶接性 |
| 自動車 | バルクヘッド、燃料タンク | 優れた強度重量比と凹み・衝撃抵抗 |
| 航空宇宙 | 非重要継手、フェアリング | 極端なピーク強度を必要としない部分での高靭性と耐食性 |
| エネルギー／低温技術 | LNGタンク、低温容器 | 低温下での靭性と溶接性 |
| 産業／圧力容器 | 化学タンク、貯蔵容器 | 多くの化学物質に対する耐食性と優れた成形性 |
5086は溶接性、耐食性、適度な高強度のバランスを必要とする設計において汎用的に用いられる合金です。特に溶接継手が海洋環境にさらされる場合や溶接後の機械的特性が重要な用途において価値があります。
選定のポイント
海洋環境での耐食性と溶接性を絶対的なピーク強度より優先する場合に5086を選択してください。船体、タンク、溶接構造に実用的な選択肢となります。溶接後の耐食性と寸法安定性が求められる場合は、安定化調質であるH116調質を指定することが多いです。
純アルミニウム（1100）と比較すると、5086は高い強度と優れた海水耐食性を提供しますが、電気伝導率はやや低く成形性も僅かに劣ります。3003や5052のような一般的な加工硬化合金と比べると、より高い強度と同等以上の塩化物耐食性を備え、過酷な海洋環境で好ましい選択となります。
6061や6063など熱処理型合金と比較すると、5086は耐食性と溶接性で優れる一方、最大強度は劣ります。引張強さや降伏点よりも腐食と溶接後性能を重視する設計において5086を選択してください。より高い強度が必要な場合は、構造材の選択肢で