アルミニウム 5152：組成、特性、硬さ分類ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 5152は5xxx系アルミニウム合金の一種で、主な合金元素としてマグネシウムを含みます。これは非熱処理型で、加工硬化により強度が向上する合金であり、主な強化機構は固溶強化と加工硬化の組み合わせであり、従来の固溶化および析出強化による熱処理には反応しません。
5152は中程度から高強度のバランス、優れた耐食性（特に海洋環境）、良好な溶接性、および焼なましおよび軽度加工硬化状態での合理的な成形性を特徴としています。主な用途は海洋構造物、輸送（自動車や鉄道を含む）、圧力容器、ならびに耐食性や成形性が求められる建築用途です。
設計者は、海水や凍結防止塩への耐性、優れた疲労挙動、経済的な成形および溶接のしやすさの組み合わせが必要な場合に5152を選択します。多くの場合、強度を高めた軟質の純アルミニウム系合金の代替として、または製造工程が大きな冷間加工を含む場合には熱処理型合金よりも5152が好まれます。さらに、適度な加工硬化後の寸法安定性や応力腐食割れへの耐性が重要な場合にも5152が選ばれます。
調質の種類
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 (20–30%) | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、深絞りや厳しい成形に最適 |
| H14 | 中程度 | 中程度 (12–18%) | 良好 | 優秀 | 1/4硬化、延性を維持しつつ強度向上 |
| H16 | 中～高 | 中程度 (8–15%) | 良好 | 優秀 | 1/2硬化、板成形部品で一般的 |
| H18 | 高 | 低め (5–12%) | 可 | 優秀 | 3/4硬化、構造的剛性用途 |
| H22 | 中程度 | 中程度 (10–18%) | 良好 | 優秀 | 部分焼なまし後の応力除去処理 |
| H32 | 高（安定化） | 低め (6–12%) | 可～良好 | 優秀 | 加工硬化および安定化による性質制御 |
調質は5152における強度と延性のトレードオフに大きく影響し、焼なまし状態のO調質は深絞りや厳しい曲げ加工で最高の成形性を提供します。加工硬化（Hシリーズ）は降伏強さおよび引張強さを引き上げる代わりに伸びを犠牲にし、製品の剛性や打痕抵抗を改善します。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | 溶解時の不純物；低Siは成形性を維持 |
| Fe | ≤ 0.40 | 典型的な不純物；過度のFeは延性低下を招く |
| Mn | ≤ 0.15 | 微量；結晶粒制御に寄与 |
| Mg | 2.2–2.8 | 主な合金元素で強度と耐食性を付与 |
| Cu | ≤ 0.10 | 応力腐食割れ感受性の制御及び耐食性維持のため低含有 |
| Zn | ≤ 0.10 | 熱割れやガルバニック腐食防止のため低含有 |
| Cr | ≤ 0.15 | 結晶粒・耐食性をわずかに向上 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造・インゴットでの結晶粒微細化材；圧延材では低含有 |
| その他 | それぞれ ≤ 0.05、合計 0.15以下 | 微量元素および残留物；残りはAl |
マグネシウムは主要な合金元素であり、この合金の機械的性質および耐腐食性の基準を決定します。Mgの増加は固溶強化により強度を高めますが、成形性および接合特性に影響を与える場合があります。Fe、Si、Cuなどの微量元素は脆性の金属間化合物形成を抑制し、溶接性および局部腐食抵抗を維持するために厳しく管理されています。
機械的性質
5152の引張特性は調質に大きく依存します。焼なまし材は降伏強度は低く、引張強度も中程度ですが、均一伸びが高いのが特徴です。H調質材は降伏強度および最大強度が大幅に向上する一方で伸びが減少します。一般的に滑らかな応力－ひずみ挙動を示し、加工硬化性が顕著で構造部品のエネルギー吸収や成形時のバネ性を予測しやすい特性を持ちます。
疲労性能は耐腐食疲労性に優れ、粗大な析出物がないことから良好です。仕上げ面が良好で鋭利な応力集中を避けると疲労寿命が向上します。板厚は機械的性質および成形性に大きな影響を与え、薄板は冷間加工が容易で、曲げ時の許容曲げ半径も厚板より大きいです。厚板では曲げによるひずみ勾配の局在化が懸念されます。
| 特性 | O（焼なまし） | 代表調質（例：H32/H16） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 170–240 MPa | 240–330 MPa | 調質・板厚により変動；H調質で大幅に向上 |
| 降伏強さ | 60–120 MPa | 150–275 MPa | 加工硬化により急激に増加；最低想定調質で設計推奨 |
| 伸び | 20–30% | 6–15% | 調質上昇により延性低下；板厚が伸び値に影響 |
| 硬さ | 30–45 HB | 60–95 HB | 調質レベルに比例；硬さは降伏・引張強さと相関 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68 g/cm³ | 圧延アルミ合金で典型的な値；質量計算に有用 |
| 融点範囲 | 570–650 °C | 不純物により固相線・液相線幅は異なる；強化目的の熱処理不可 |
| 熱伝導率 | 約130–150 W/m·K | 純アルミよりは低いが、放熱用途には十分高い |
| 電気伝導率 | 約30–40 % IACS | 合金化により純アルミより低下 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 常温における熱解析で一般的に用いられる値 |
| 熱膨張係数 | 23–24 µm/m·K | 他のAl-Mg系合金と類似；異種材料接合時に重要 |
5152は放熱性能と適度な電気伝導性を求められる部品に適しており、耐食性も優れています。低密度かつ良好な熱伝導率は、重量および熱管理が課題となる海洋用途や輸送用途での利点です。
製品形態
| 形態 | 典型厚さ・サイズ | 強度特性 | 代表的調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板 | 0.2–6.0 mm | 幅方向に均一；調質に依存 | O, H14, H16, H18, H32 | 広く生産される；成形パネルやタンクに使用 |
| プレート | 6–25 mm | 成形性低下、剛性向上 | H18, H32 | 構造用パネルや圧力容器部品に使用 |
| 押出材 | 大断面までのプロファイル | 調質や断面サイズで強度変動 | H22, H32 | 5xxx系押出材で最適化された製品と比較すると使用は限定的 |
| チューブ | 壁厚0.5–10 mm | 板材に類似；溶接や絞り加工が重要 | O, H16, H32 | 流体輸送や構造用途に利用 |
| 棒・丸棒 | 直径最大100 mm | 一般に加工硬化状態で生産 | H14–H32 | 機械加工部品で耐食性と中程度強度が求められる場合に使用 |
板およびコイル形態が5152の最も一般的な商用形態であり、非装飾用途および露出用途向けに表面仕上げの管理が厳密に行われています。プレートおよび押出材は厚みや断面が大きく複雑なため、機械的性能と製造性の両立を図るために調質や加工条件の調整が必要となります。
相当規格
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5152 | アメリカ | Aluminum Association規格の主な指定 |
| EN AW | 5152 | ヨーロッパ | 一般に同等だが、EN規格は調質や不純物限度に異なる接尾語が付くことがある |
| JIS | A5152（指定号） | 日本 | 局所規格が成分や機械的許容差に若干の差異を含む場合がある |
| GB/T | 5152 | 中国 | しばしばAA 5152に直接対応するが、仕様面で細かな差異が存在することがある |
5xxx系合金は世界的に標準化されているため、各国のグレードはほぼ一対一で対応しますが、不純物限度、調質名、認証制度の違いにより完全な代替性が損なわれることがあります。厳密な成分や機械的性質の遵守が求められる用途では、必ず該当規格およびミルテスト証明書を確認してください。
耐食性
5152は特に海洋環境や塩害・融雪剤に曝される条件下で優れた大気腐食抵抗性を示します。マグネシウム含有により、多くの3xxx系合金と比較して一般腐食および孔食に対する耐性が向上し、アルカリ性および多くの中性近傍環境で安定した保護酸化皮膜を形成します。
応力腐食割れ（SCC）の感受性は、銅含有量の高い合金と比べて低いですが、隙間腐食やより貴な金属とガルバニック結合した場合には局部腐食が生じることがあります。ガルバニックカップリングでは、5152はステンレス鋼や銅合金に対して陽極となるため、異種金属の組み合わせでは絶縁バリアや犠牲陰極保護の適用が推奨されます。
1xxx系や3xxx系合金と比較すると、5152は優れた耐食性と高強度を提供し、6xxx系合金と比べると一般的に海洋腐食に対して強い耐性を持ちますが、熱処理性材料のピーク強度には及びません。
加工特性
溶接性
5152はMIG（GMAW）やTIG（GTAW）などの一般的な溶融溶接プロセスで容易に溶接可能です。低銅と制御されたマグネシウム含有により、適切な施工を行えばホットクラックの発生傾向が抑えられます。推奨されるフィラー合金は、強度保持と耐食性向上のために5356（Al-Mg）、装飾面の流動性向上および変色抑制には4043が使用されます。熱影響部軟化は非熱処理合金のため最小限ですが、薄板の溶接時には変形や貫通防止の管理が重要です。
切削性
5152の切削性は中程度から普通であり、一部の高強度Al-Mg合金よりは加工しやすいものの、一部のAl-Si合金ほど切削性が優れているわけではありません。カーバイド工具、ポジティブラケット形状および十分な冷却液を用いた高送り速度が最良の表面仕上げと工具寿命を実現します。切断時のビルドアップエッジは断続切削や粘り気のある合金条件で課題となることがあります。表面近傍の加工硬化を誘発する過度な切削速度は避け、薄肉部の切り屑制御を徹底してください。
成形性
アニーリング状態（Oテンパー）での成形性は優れており、深絞り、スピニング、複雑な曲げ加工が球面ばね戻りが比較的低く可能です。Hテンパーの場合、曲げ半径を大きく取り成形工程を段階的に行わないと割れが発生するため、中間アニーリングやストレッチ成形でより小さい曲げ半径を実現できます。設計者は板厚と曲げ半径の関係に基づく最小曲げ半径を参考にし、最終球面ばね戻り予測に加工硬化の影響を考慮してください。
熱処理の挙動
これらの合金は非熱処理性で、機械的強化は溶体化および析出硬化ではなく、冷間加工（ひずみ硬化）および安定化熱処理によって達成されます。一般的には延性回復を目的としたアニーリング後、要求強度に達するまで制御された冷間加工を行い、将来の物性変化抑制のために安定化処理（低温焼きなまし）を施す場合があります。
5xxx系の標準アニーリングは結晶再結晶構造を回復しつつ望ましくない金属間化合物の生成を防ぐ温度で実施され、Oテンパーは完全な焼なましと制御冷却で得られます。T型の溶体化・時効処理を施しても5152には有意な時効硬化効果がなく、強度向上目的では用いられません。
高温での性能
5152は温度上昇に伴い強度が徐々に低下し、構造的に使用可能な強度はおおよそ100〜150 °Cを超えると減少し、約200 °C以上の熱曝露はアニーリングを促進し特性の緩和を加速させます。アルミニウム自体の酸化は高温かつ過酷な大気条件下でなければ微小ですが、高温は微細構造の変化や疲労寿命低下を引き起こします。
溶接熱影響部は高温サービス環境下で機械的応力と併せて局所的に軟化することがあるため、重要な溶接箇所の高温曝露を抑える設計が必要です。連続高温運用には別の合金族（例えばAl-Si系やAl-Zn-Mg系）が適しています。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 5152が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 燃料タンクおよびボディパネル | 耐食性および複雑形状の成形性 |
| 海洋 | 船体板、デッキコンポーネント | 海水および融雪塩に対する優れた耐性 |
| 航空宇宙 | 内装部品およびフェアリング | 良好な強度重量比と加工のしやすさ |
| 電子機器 | シャーシおよびパネル | 熱伝導性と耐食性 |
| 圧力容器 | LPGタンクおよびシリンダー | 延性、溶接性、および耐疲労性 |
5152は海水腐食抵抗性と社内または現場での成形・溶接性の組み合わせが、最高強度を追求するよりも重要視される場面で広く選ばれています。多様な設計要件において輸送、海洋、産業機器分野での幅広い設計ソリューションを支えるバランスの取れた合金です。
選定のポイント
5152を選定する際は、海洋環境に対する耐性、中程度の構造強度、良好な成形性が求められる用途を優先してください。耐食性を犠牲にせず耐力と引張強さの向上が必要な場合には、より軟質な商用純アルミニウム合金より5152を選択します。
商用純アルミニウム（例：1100系）と比較すると、5152は電気伝導率および究極の成形性でやや劣る代わりに大幅に高い強度と耐食性を示します。3003や5052などの一般的な加工硬化合金と比べると、5152は同等かやや高い強度と塩化物環境下での優れた耐食性を提供します。6061や6063のような熱処理性合金と比較すると同レベルのピーク強度は得られませんが、溶接性・成形性・海洋腐食抵抗性が最優先される場合に好まれます。
まとめ
アルミニウム5152は、耐食性、良好な溶接性、経済的な成形加工が求められる現代工学において実用的でバランスの取れた合金です。その加工硬化特性と海洋・大気環境での安定した性能により、長期耐久性とメンテナンス性が重視される輸送、海洋、構造用途において引き続き有用な材料です。