アルミニウム5150：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
5150は5xxx系に属するアルミニウム合金で、主な合金元素としてマグネシウムを含むシリーズの一つです。このシリーズの特徴は、6xxx系や7xxx系で見られる時効硬化ではなく、固溶強化と加工硬化によって強化される非熱処理性合金であることです。
5150の主な合金成分は、アルミニウムに加えてマグネシウムを多く含み、マンガン、クロム、鉄が微量に残留元素として含まれています。強化機構は主にMgが固溶したことによる固溶強化と加工硬化であり、従来のT-temper処理による著しい時効硬化は見られません。
5150の主な特徴は、非熱処理合金としては高い強度を持ち、さまざまな大気および海洋環境で非常に良好な耐食性を示し、柔らかい硬さの状態では一般的に良好な成形性を有する点です。溶接性は、適切な母材・溶接材料を使用すればMIG/TIG溶接で良好であり、海洋、輸送、そして一部の構造用途など、強度、溶接性、耐食性のバランスが求められる場面で頻繁に選択されます。
他のアルミニウム系と比較すると、純アルミや軟質3xxx系加工硬化合金よりも高い強度が必要で、高強度熱処理合金の高コスト、歪みの影響、または低耐食性を避けたい設計者に5150は選ばれます。機械的性能と海水耐性の組み合わせにより、船体、構造部材、成形後に溶接を要する部品に魅力的な材料となります。
硬さ（Temper）バリエーション
| 硬さ記号 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い(20–35%) | 非常に良好 | 非常に良好 | 完全に軟化処理され最大の延性を持つ |
| H111 | 中程度 | 良好(15–25%) | 非常に良好 | 非常に良好 | わずかに冷間加工された汎用的硬さ |
| H14 | 中強度 | 中程度(10–20%) | 良好 | 非常に良好 | 単段階の加工硬化処理、一般的なシート硬さ |
| H22 | 高い | 中程度(8–15%) | やや劣る | 良好 | 加工硬化後に熱処理で安定化 |
| H32 | 高い | 中程度(8–12%) | やや劣る | 良好 | 加工硬化後に溶接用に安定化処理 |
| H116 | 高い | 低め(6–12%) | 限られる | 良好 | 加工硬化＋ストレスリリーフ処理、海洋用途向け |
| H321 | 高い | 低め(6–12%) | 限られる | 良好 | 冷間加工後、低温処理で安定化 |
5150の機械的特性や成形挙動は硬さによって大きく異なります。柔らかい硬さ（O、H111）は最高のストレッチや深絞り成形性を持ち、高硬さタイプでは転位密度の増加により強度が上がる反面、伸びや曲げ性が低下します。
硬さ選択時は、曲げ加工、絞り加工、溶接などの後加工を考慮してください。極端な成形には柔らかい硬さを、溶接組立で高い加工後強度と溶接後の歪み低減を要求する場合はH32またはH116を選択します。
化学成分
| 元素 | 含有範囲(%) | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.10–0.40 | 不純物元素。Siが高いと延性が低下し、強度はわずかに向上 |
| Fe | 0.40–1.00 | 典型的残留元素で、表面仕上げに影響する金属間化合物を形成 |
| Mn | 0.10–0.50 | 強度向上および結晶粒制御に寄与 |
| Mg | 3.0–5.5 | 主な強化元素。強度と耐食性の向上をもたらす |
| Cu | 0.00–0.20 | 耐食性維持のため低濃度に管理。微量で強度向上も可能 |
| Zn | 0.00–0.25 | 低濃度で管理。Znが高いと耐食性が低下する場合あり |
| Cr | 0.05–0.30 | 結晶粒制御と再結晶抑制を改善 |
| Ti | 0.00–0.10 | 鋳造・圧延処理用の微細粒化元素として微量使用 |
| その他 | 0.05–0.15 | 微量元素および不純物。バランスはアルミニウム |
Mg含有量が5150の機械的および耐食性の主要因です。Mg量増加により固溶強化が進み、海洋環境での犠牲防食作用も強まります。MnやCrなどの微量元素は結晶粒の微細化、加工中の転位安定化、粒界破壊への抵抗性向上を目的に厳密に管理されています。
機械的特性
5150は高Mg含有の5xxx系に典型的な引張特性を示し、降伏後に比較的平坦な加工硬化曲線を持ち、柔らかい硬さでは均一伸びが良好です。降伏強さおよび引張強さは冷間加工と安定化処理により増加する一方で、延性と全伸びは低下するため、生産管理においてはこれらのトレードオフが予測可能かつ再現性があります。
硬さは硬さ記号と冷間加工度に相関し、軟化状態の5150は軟らかく良好な加工性を持つ一方、Hxx系硬さでは中程度の応用に適した硬さ範囲に達します。疲労強度は非熱処理合金としては全般に良好ですが、表面状態や溶接熱影響部(HAS)の軟化に敏感なため、設計時には表面仕上げ、切欠き、溶接形状の管理が重要です。
板厚によって特性に影響があり、薄板では成形時の加工硬化挙動が変わり、熱安定化時の冷却速度は残留応力に影響を与えます。厚板形状では結晶粒サイズや加工硬化反応が異なることがあるため、硬さ別の特性検証が必要です。
| 特性 | O/軟化 | 主要硬さ (H116/H32) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 120–170 MPa | 280–350 MPa | Mg含有量と冷間加工により幅広い。供給元や板厚で異なる |
| 降伏強さ | 40–90 MPa | 180–300 MPa | 加工硬化・安定化により大幅に増加 |
| 伸び | 20–35% | 6–15% | 強度向上に伴い延性が低下。板厚による変動あり |
| 硬さ | 25–45 HB | 80–120 HB | ブリネル硬さは硬さ記号と加工硬化に依存 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.66 g/cm³ | Al-Mg系圧延合金の典型値 |
| 融点範囲 | 570–645 °C | 元素添加による固相・液相範囲 |
| 熱伝導率 | 120–150 W/m·K | 純アルミよりは低いが、放熱用途に適する高い値 |
| 電気伝導率 | 28–40 % IACS | 純アルミよりMg等溶質により低下 |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K | 室温近辺の概算値 |
| 熱膨張係数 | 23–24 ×10^-6 /K | 多くのアルミニウム合金と類似。接合設計時に留意 |
5150はアルミニウム合金として優れた熱伝導率と熱容量を保持しているため、適度な放熱を必要とする部品に適しています。電気伝導率は純アルミに比べ低いものの、伝導性が主な要求でない構造部材やバスバー用途には十分な性能です。
熱膨張係数は異種材料との組み合わせ時、特に海洋や自動車の温度変動を伴う組立で考慮が必要です。密度や融点範囲はAl-Mg圧延合金の標準的値であり、鋳造回避や溶接プロセスに影響します。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 主な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3–6.0 mm | 加工硬化に良く反応 | O, H111, H14, H32 | ボディパネル、エンクロージャー、成形部品に使用 |
| プレート | 6–100+ mm | 圧延直後の靭性が低く、厚断面 | O, H111, H22 | 海洋構造や輸送用構造用プレート |
| 押出形材 | 断面寸法数mm〜200+ mm | 方向性が降伏強さと引張強さに影響 | O, H112, H32 | フレーミング、レール、構造用押出形材 |
| チューブ | 外径 10–300 mm | 冷間加工が真円度や機械的性質に影響 | O, H111, H32 | 構造用溶接・シームレスチューブ |
| バー／ロッド | 直径 5–200 mm | 典型的な圧延材の特性 | O, H111 | 切削加工用部品やファスナーに使用 |
シートは成形加工およびその後の溶接が求められる用途で一般的に使用されます。薄板では、時効が問題となる前に高い成形ひずみを得られます。プレートは構造部材として生産され、厚板では圧延や溶体化／パルス安定化の厳密な管理が厚み方向の均一な特性維持に必要です。
押出形材は圧延から生じる異方性が許容されるか設計されている複雑な断面を実現します。バーやロッドは通常、切削加工向けに軟質調質で供給され、必要に応じて高強度化のために加工硬化されます。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5150 | USA | Aluminium AssociationによるこのMg含有圧延合金の指定 |
| EN AW | 5150 | ヨーロッパ | EN指定は通常AAシリーズと一致するが、供給元のデータシートを確認要 |
| JIS | A5150 | 日本 | 類似したMg含有量の日本規格が存在。機械的仕様の確認が必要 |
| GB/T | 5150 | 中国 | 中国規格番号は若干異なる場合あり。化学成分範囲はほぼ一致 |
圧延5xxx系合金では規格間の互換性は概ね近接していますが、微量元素や機械的性質の規定は製造業者や標準団体により異なる場合があります。設計意図を満たすため、エンジニアは供給元のミルシートおよび地域規格の改訂を確認すべきです。
Fe、Si、Mnの残留許容量、調質定義、許容厚さ範囲には微妙な違いが見られ、これが成形性、溶接性、および腐食限界に影響を与えることがあります。
耐食性
5150は高Mg含有の5xxx系合金を代表する大気耐食性を有し、Al-Cu系合金に比べ海洋・海岸環境では耐食性が向上しています。合金が清浄で適切に仕上げられている場合、特に保護コーティングや陽極酸化処理を施すとピット腐食や一般腐食に強い抵抗性を示します。
海洋環境下では、5150は海水への耐性が良好ですが、より貴な材料とのガルバニック相互作用を考慮した設計が必要です。ステンレス鋼や銅合金と直接接触させ、適切な絶縁措置がない場合、アルミ部材の腐食が促進される可能性があります。
5xxx系合金における応力腐食割れ（SCC）の感受性は、Mg含有量や高強度調質で増大する傾向があり、H116のような安定化調質は溶接やサービス条件下でのSCCを軽減するよう設計されています。6xxx系や7xxx系と比較すると、5150は製造時条件で粒間腐食には耐性が高いものの、均一腐食に関しては純アルミより劣ります。
ガルバニック適合性、保護コーティング、接合設計は海洋・工業用途で重要な管理項目です。適切に使用すれば、5150は多くの商用代替品に対し耐食性と機械的性能の優れたバランスを提供します。
加工特性
溶接性
5150は適切なフェラー材（例：5xxx系 ER5356 または ER5183に相当）を用いた一般的なガスシールド溶接法（MIG/GMAW、TIG/GTAW）で良好に溶接可能です。ホットクラックのリスクは低〜中程度であり、熱入力の管理や溶接前後の安定化処理により熱影響部（HAZ）軟化や残留応力による歪みを抑制します。
溶接部は冷間加工母材に比べHAZが局所的に軟化し強度低下が発生する場合があります。H116様式の安定化処理や機械化溶接の使用により特性のばらつきを減少させます。耐食性を重視する場合はCu含有の大きいフィラーは避けてください。
切削性
5150の切削性は中程度です。従来のより硬いAl-Mg合金よりは加工しやすいですが、切削性を特化した自由切削アルミ合金には劣ります。陽極が立った超硬工具と剛性の高いセットアップを推奨し、中程度の切削速度と潤滑冷却で切りくずの固着を抑え表面仕上げを向上させます。
切りくずは連続帯状になりやすく、細長い部品では切りくず割りや間欠切削が必要になることがあります。ドリルのポイント角やピークドリリングは薄板部品のバリ発生や穴品質の制御に役立ちます。
成形性
軟質調質（O、H111）では冷間成形性が優れており、深絞り、曲げ、ハイドロフォーミングに適し、ばね戻りを考慮すれば極小半径成形も可能です。H32／H116調質になるに従い伸び率が減少するため、曲げ半径の拡大やパンチ・ダイクリアランスの調整が必要です。
温間成形は複雑な形状の成形性を広げ、制御された予ひずみ工程で一貫性を高めます。厳しい成形が必要な場合はOまたはH111を指定し、溶接を伴う部品は成形後の安定化処理を検討してください。
熱処理特性
5150は熱処理不能合金であり、機械的強化は主に冷間加工（加工硬化）と固溶中のマグネシウム保持によって得られます。成形や溶接後に低温焼き戻しや応力除去を行う熱安定化処理で機械的特性を定着させ、6xxx系に見られる時効硬化挙動を伴わず残留応力を低減可能です。
熱処理可能合金のような溶体化処理・析出硬化は5150では顕著な時効硬化を生まないため、T6/T7の処理サイクルは該当しません。アニーリングは再結晶化によって靭性を回復し、制御されたアニーリングと急冷は広範囲な成形に適した軟質O調質を生み出します。
加工硬化は繰り返し可能で、生産工程に組み込めます。通常はOまたはH111で成形後、望ましい強度のHxxに冷間加工し、さらに自然時効や応力緩和を抑制するため焼き戻しを行います。
高温特性
5150は中程度の高温強度を保持しますが、150〜200 °C付近から強度の低下が進行し、その上の温度領域では軟化が顕著です。約150 °Cまでの断続的な加熱には耐えられますが、連続負荷を伴う高温環境下での使用は推奨されません。
アルミ合金は通常の使用温度域では酸化は少ないですが、過酷な熱環境や長時間の高温加熱によりスケーリングや表面劣化が起こることがあります。溶接周辺の熱影響部は局所加熱によりさらに軟化するため、溶接熱の厳密な管理と溶接後安定化処理が重要です。
高温でのクリープ耐性は特殊耐熱合金に比べ限定的なため、持続的な高温負荷が見込まれる部品には適しません。持続高温と応力が重なる場合は代替合金や設計の検討が必要です。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 5150を使う理由 |
|---|---|---|
| 海洋 | 船体パネル、デッキ構造 | 優れた海水耐食性と良好な成形性 |
| 自動車・輸送 | 軽量シャーシ部品、タンク類 | 高強度比と溶接性に優れたファブリケーション組立 |
| 航空宇宙（二次部品） | 備品、ブラケット | 非主要構造部品に適した強度と耐食性 |
| 電子・熱管理 | シャーシ、ヒートスプレッダー | 十分な熱伝導性と成形性の両立 |
| 建築 | ファサード、クラッディング | 海岸設置での耐久性と耐食性に優れた仕上げ性能 |
5150は設計者が純アルミや3xxx系合金より高強度で耐食性に優れ、熱処理強化合金の加工上の複雑さを伴わない溶接可能アルミを必要とする場合に選ばれます。多用途な成形、溶接、適度な切削加工性により、ファブリケーションされた構造要素に最適です。
選定のポイント
5150を選ぶ際は、海洋環境に適した耐食性、良好な溶接性、および加工硬化による中〜高強度が求められる用途を優先してください。複雑な成形には軟らかい調質を選び、溶接構造で安定した実使用性能が必要な場合はH32/H116を選定します。
一般的な純アルミニウム（例：1100）と比較すると、5150は若干低い電気伝導率と多少の成形性低下を伴いますが、より高い強度を提供します。伝導性と成形のしやすさが最優先であれば1100を選択してください。一般的な加工硬化合金（例：3003 / 5052）と比較すると、5150は同等または優れた耐食性を持ちつつ、通常はより高い強度を実現しますが、同じ調質では3003より成形性がやや劣る場合があります。熱処理可能な合金（例：6061 / 6063）と比較すると、5150は6xxx系のピーク時の高強度には達しませんが、海水耐食性や加工の容易さ（歪みが少なく、焼入れ/時効処理が不要）に優れ、溶接を伴う海洋・輸送構造物に適しています。
実践的な選定チェックリスト： - 厳しい成形作業にはOまたはH111を使用し、溶接や実使用での強度が必要な場合はH32/H116に移行してください。 - 溶接時の耐食性を確保するために適切なフィラー（5xxx系フィラー）を指定してください。 - ミル証明書でMg含有量および調質の定義を確認し、応力腐食割れ（SCC）の感受性と期待される機械的特性を管理してください。
まとめ
5150は、耐食性が高く溶接可能で、加工硬化によって強度を向上させられるアルミニウム合金を設計者が求める場合に、依然として有用かつ実用的な選択肢です。軟らかい調質での成形性のバランス、予測可能な加工硬化挙動、および海洋級の耐久性により、輸送・海洋・加工構造用途に信頼できる合金です。