アルミニウム 5154：組成、特性、硬さ状態ガイドおよび用途
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総合概要
5154はアルミニウム-マグネシウム系の5xxxシリーズに属する合金で、主な合金元素としてマグネシウムを含み、熱処理による強化ができない特性を持ちます。Al-Mgファミリーの一種で、中程度から高強度、優れた耐食性、良好な溶接性のバランスを特徴とし、成形性、強度、海洋耐久性の組み合わせが求められる用途に適しています。
主な合金元素はマグネシウム（主要元素）であり、結晶粒の制御や加工硬化効果を調整するためにマンガン、微量のクロム、鉄、シリコンなどが制御添加されています。強度は主にマグネシウムによる固溶強化および加工硬化（冷間加工）によって発現し、6xxx系や7xxx系のような溶体化および時効熱処理には反応しません。
5154の主な特長としては、商用純アルミニウムや多くの3xxx系合金より高い強度、海水および大気腐食に対する非常に優れた耐食性、適切な充填金属を用いた場合の優れた溶接性、熱処理軟化状態での良好な成形性が挙げられます。代表的な用途は自動車のボディおよび構造部品、海洋・造船分野、圧力容器・配管、一般的な板金加工、さらに一部の航空宇宙の二次構造部材などです。
エンジニアは、仕様で耐食性が高く成形性に優れ、溶接後や適度な冷間加工後でも実用的な強度を維持する材料を求められる場合に5154を選択します。時効熱処理を必要とせず、溶接後の時効サイクルを回避でき、板材・シート材の性能が安定している非熱処理系合金が有利な場合に採用されます。
加工硬化状態（Temper）の種類
| 硬質系 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 最大の成形性を持つ完全焼鈍状態 |
| H111 | 中 | 中程度 | 良好 | 優秀 | わずかな加工硬化、一段階で特性制御 |
| H14 | 中高 | 低〜中程度 | 普通 | 優秀 | 冷間加工によるクォーターハード状態 |
| H16 | 高 | 低 | 不良〜普通 | 優秀 | ハーフハード加工硬化状態 |
| H32 | 中高 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 加工硬化後、軽い熱処理で安定化 |
| H34 / H36 | 高 | 低 | 限定的 | 優秀 | より強い冷間加工が施され、高強度が必要な場合に使用 |
5154の硬質系は溶出硬化によるものではなく、冷間加工（H系）または焼鈍（O系）で得られます。選択する硬質系によって強度、延性、成形性のバランスが決まります。焼鈍のOは最大の伸びを持ち成形に適し、H系は強度を高める代わりに曲げ加工性は低下します。
硬質系の移行は圧延と制御冷却、または軽度の熱安定化によって管理され、自然時効の影響を抑制します。溶接時の熱入力は熱影響部（HAZ）においてH系をO系寄りに軟化させることがあるため、材質選定時にはその後の溶接・加工工程を考慮する必要があります。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | 脱酸素剤および不純物；延性保持のため低減 |
| Fe | ≤ 0.40 | 不純物元素；結晶粒組織と影響する金属間化合物形成 |
| Mn | 0.20–0.80 | 結晶粒制御、強度および耐食性改善 |
| Mg | 3.1–4.3 | 主な強化元素；固溶強化を提供 |
| Cu | ≤ 0.10 | 耐食性低下を抑制するため低含有 |
| Zn | ≤ 0.25 | 微量元素；金属間化合物形成による強度低下抑制 |
| Cr | ≤ 0.30 | 微量添加により結晶粒成長と再結晶制御 |
| Ti | ≤ 0.15 | 結晶粒微細化剤；微量存在 |
| その他（各元素） | ≤ 0.05–0.15 | 微量元素・残存物；合計量は制限あり |
マグネシウムは5154の性能を決定づける主成分であり、Mg量の増加は固溶強化によって降伏強さと引張強さを高めますが、溶接時や特定の熱処理条件でのマグネシウム感作（感作腐食）リスクも増します。マンガンとクロムは微細構造の安定化と結晶粒微細化に寄与し、鉄とシリコンは制御された不純物として金属間化合物や二次相の分布に影響し、靭性や疲労特性に影響を与えます。
機械的特性
5154は硬質系および板厚により幅広い引張特性を示します。焼鈍状態は高い延性を持ち、冷間加工硬化系は降伏強さや最大引張強さを大幅に向上させます。焼鈍された板材の降伏強さは比較的低く、成形加工に適しますが、H系硬質材は転位蓄積により降伏強さが数十MPa程度上昇します。O軟化状態の薄板シートでは伸びが20〜30%以上となることが多い一方、強く冷間加工された状態では伸びが一桁％台まで低下します。
硬さは硬質系と冷間加工度に比例し、ビッカース硬さ（HV）またはブリネル硬さ（HB）はH硬質系で高くなります。疲労性能は表面仕上げ、厚さ、成形や溶接による残留応力の影響を受けます。多くのAl-Mg合金と同様に、適切な表面処理および溶接後の設計で応力集中を軽減可能です。板厚は重要な要素であり、薄板ほど熱間・冷間加工による変形量が大きいため、同一硬質系でも引張強さは高くなる傾向があります。
| 特性 | O（焼鈍） | 代表的硬質系（H14 / H111） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（MPa） | 190–240 MPa | 250–330 MPa | 板厚・加工条件で変動；H系でUTS向上 |
| 降伏強さ（0.2%オフセット、MPa） | 70–140 MPa | 150–260 MPa | H系は焼鈍の2倍以上になることも多い |
| 伸び（%） | 20–35% | 6–18% | 強度・硬さ増加に伴って伸びは減少 |
| 硬さ（HV） | 40–60 HV | 70–110 HV | 冷間加工度に比例；硬さは降伏強さとも相関 |
設計段階では、対象となる硬質系および板厚に対する正確な強度や伸びの情報は、材料メーカーの証明書や試験片の実測値を参照すべきです。圧延工程や熱履歴、後加工により機械的特性は大きく変動します。
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.66 g/cm³ | Al-Mg合金として標準的；質量・剛性の設計に利用 |
| 融点範囲 | 約570〜650 °C | 純アルミニウム（660 °C）よりわずかに低下 |
| 熱伝導率 | 約120〜150 W/m·K | 純アルミより低いが、多くの放熱用途に十分 |
| 電気伝導率 | 約30〜45 %IACS | 合金化により純アルミや低合金系より低下 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | アルミ合金として標準的；熱変動解析に有用 |
| 熱膨張係数 | 約23〜24 µm/m·K | 他のアルミ合金とほぼ同等；熱応力設計に重要 |
5154の物理特性は中強度アルミ合金として標準的であり、良好な熱伝導率と低密度の組み合わせにより、軽量化と熱性能が求められる用途に適しています。電気・熱伝導率はマグネシウムや添加元素の影響で商業用純アルミより低下しますが、機械的強度と伝導性の両立が必要な構造および放熱用途において有利な特性を示します。
異種材料との接合時には、熱膨張係数の差異を考慮する必要があります。熱膨張の不整合と異種金属間の電気化学的ポテンシャル差は、締結部材の選択や作業環境における絶縁対策に影響を及ぼします。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度の挙動 | 一般的な硬さ（テンパー） | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3～6.0 mm | テンパーや圧延により強度が変化 | O, H111, H14 | ボディパネル、圧力容器、一般加工に最も一般的な形状 |
| プレート | 6～150 mm | 厚い部位では延性が低下；圧延によるテンパー調整 | O, H32, H34 | 構造部材や厚物加工部品に使用 |
| 押出材 | 壁厚1～25 mm、形状は多様 | T4安定化および冷間加工により強度に影響 | H112, H32 | 構造フレームや海洋部品向けの複雑断面 |
| チューブ | 外径6～200 mm | 引抜きと焼鈍サイクルにより挙動が変化 | O, H32 | 流体系や構造用の溶接チューブ・シームレスチューブ |
| 棒材/丸棒 | 直径3～100 mm | 通常、加工後の強度が高い | H14, H16 | 機械加工部品や継手に使用 |
シートおよび薄板は最も広く使用されており、要求されるテンパーを実現する制御圧延で製造されます。プレートや押出材は異なる熱処理履歴が必要で、冷間加工が困難なことがあり、厚物は製造時に固溶焼鈍や再結晶制御を行うことが多いです。
製品形状の選択では、引抜き、打抜き、曲げ、溶接などの製造工程を考慮する必要があります。各形状は異なる初期結晶粒構造や残留応力状態をもたらし、最終部品の性能や後加工に影響を与えます。
同等鋼種・合金
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5154 | 米国 | Aluminum Associationの標準指定 |
| EN AW | 5154 | ヨーロッパ | ヨーロッパ規格ではEN AW-5154として表記 |
| JIS | A5154 | 日本 | JISでは類似の成分・用途で規定 |
| GB/T | 5154 | 中国 | 中国規格は国際シリーズと整合 |
各規格間で5154の呼称は概ね維持され、微量不純物の許容範囲や認証要件に若干の違いがあります。欧州やアジアの規格では微量元素の制限やテンパー呼称、試験法が異なる場合があるため、調達時には規格とテンパーの明記で曖昧さを避けることが重要です。
微小な地域差は粒界腐食に敏感な用途や特定の機械的性質を必要とする用途に影響する可能性があります。購買担当者はミルシートの提出を求め、適用規格を明確にすることを推奨します。
耐食性
5154は高マグネシウム含有に加え微量元素の制御により、一般的大気環境下の耐食性に優れ、海洋・沿岸環境で広く使用されています。海水および汽水環境で均一腐食に高い耐性を示し、多くの熱処理合金や銅含有合金より耐食性が高いですが、溶接部や締結部の設計・保護が適切であることが条件です。
塩化物含有環境では、エッジ・キズ・異種金属接触部など局所部位での孔食が発生することがあります。良好な表面処理、コーティング、陰極保護により孔食の抑制が可能です。高マグネシウム含有Al–Mg合金では、概ね65～180 °Cの温度範囲で長時間暴露されると粒界にβ相析出による感作が問題となり、感作部は特に溶接熱影響部付近で粒界腐食の感受性が上昇します。
5154は多くの2xxx系および7xxx系合金に比べ応力腐食亀裂抵抗性が高いですが、完全に無縁ではありません。腐食性塩化物環境下で持続的な引張応力がかかるとSCCリスクがわずかに存在し、熱処理高強度合金ほど高くはありません。より貴な材料と接合する場合は、設計段階で接触腐食を考慮し、絶縁層設置や適切な締結部材の選択により腐食促進のリスクを低減する必要があります。
加工性
溶接性
5154はGTAW（TIG）やGMAW（MIG）など一般的な溶融溶接法で容易に溶接可能で、適切なフィラー材および前後処理を用いれば良好な溶接品質が得られます。推奨フィラーは5356や5183のAl–Mg系で、強度や耐食性をマッチさせ、熱割れを最小限に抑えます。フィラー選定は用途やパルス／通常溶接条件を考慮します。熱割れリスクは一部高強度合金に比べ低いですが、HAZ軟化や高Mg含有による感作の可能性には熱入力の管理と溶接後の保護が必要です。
機械加工性
5154の機械加工性は中程度で、加工性の良い6xxx系合金より劣ります。正角度・強い刃先形状のカーバイドまたは被覆カーバイドの工具を推奨し、切削液の使用が切粉排出や表面仕上げに効果的です。切削速度は自由切削合金と比較して控えめで、送り速度や切込み量はビルドアップエッジ防止とバリ制御のため最適化が必要です。
成形性
アニーリングOテンパーでは優れた成形性を示し、軽度のHテンパーでも実用的です。Oテンパーでは多くの断面形状・板厚において曲げ半径は1～2Tまで小さくできます。冷間加工は降伏点を上げ成形性を低下させるため、複雑な打抜きや深絞り成形はOまたは軽度加工硬化テンパーが好まれます。アルミニウム合金全般に典型的なスプリングバックは工具設計で補正が必要で、特に高降伏強さのHテンパーでは弾性回復が大きくなります。
熱処理挙動
5xxx系合金である5154は熱処理硬化を伴わず、固溶強化と加工硬化で強度を発揮します。6xxx系合金のような有効な析出硬化サイクルはありません。熱処理は主に焼鈍と安定化処理に焦点が当たります。
完全焼鈍（Oテンパー）は結晶粒再結晶を促進し展延性を回復させます。一般的なAl–Mg合金用温度範囲（350～420 °C）で適切な時間保持後、管理された冷却を行います。冷間加工でHテンパーを得ます。安定化処理（軽加熱）は自然時効抑制や所望の硬さ設定に使用されます。溶接構造物は焼鈍や応力除去のみ熱処理されることが多く、前加工で得られた強度は低下します。
高温性能
5154は中程度の高温でも機械的性質を保持しますが、温度上昇に伴い固溶強化が低下し、転位移動が活発化して強度は低下します。連続的な使用温度は強度低下や感作のリスク回避のため通常100～150 °C以下が推奨されます。
酸化は保護的な酸化アルミニウム皮膜により最小限であり、鉄鋼合金のような急激な高温スケール形成はありません。ただし熱サイクルや溶接により局所的に熱影響部（HAZ）が軟化し、耐食性も変化します。高温負荷用途では耐熱合金の選択や5154の許容応力の低減が一般的です。
用途例
| 産業分野 | 代表的な部品 | 5154を使う理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディパネル、内装構造部品 | 良好な成形性と耐食性、主要構造部でない部品に十分な強度 |
| 海洋 | 船体パネル、上部構造、配管 | 海水耐食性に優れ、船舶製造に適した溶接性 |
| 航空宇宙 | 二次的な継手部品、フェアリング | 構造体二次部品向けの高強度と軽量性、加工性良好 |
| 電子機器 | エンクロージャー、熱拡散板 | 低密度かつ適度な熱伝導性による軽量ハウジング |
| 圧力容器・タンク | 貯蔵タンク、LPG部品 | 耐食性と溶接性を兼ね備え、形状加工品として充分な強度 |
5154は機械的性質、耐食性、成形性のバランスが良く、ライフサイクルコストの低減と製造簡便化が求められる用途に選択されます。また非熱処理型合金のため加工が容易で、多くの低合金代替品より高強度を発揮します。
選定のポイント
5154は、純アルミニウムより強度が高く耐食性に優れ、成形性・溶接性も良好な実用的アルミ合金として選ばれます。1100系（純アルミ）と比べて電気伝導性・熱伝導性や最高の成形性は若干劣りますが、降伏強さ・引張強さが大幅に向上し、構造用板材や海洋部品に適しています。
3003や5052などの一般的な加工硬化型合金と比較して、5154は同等またはやや向上した耐食性を維持しながら、一般的により高い強度を提供します。Al–Mg系合金の範囲内で追加の強度が設計上必要な場合は、5154を選択してください。6061や6063のような熱処理型合金と比較すると、5154は溶接後の耐食性が優れており、熱処理の複雑さを回避できます。溶接性と安定した耐食性が、熱処理型合金で得られるより高いピーク強度よりも重要な場合は、5154を選んでください。
調達においては、コストと入手性を硬質状態や板厚の要求とバランスさせ、疲労や溶接、海洋環境曝露が設計上重要な場合はMg含有量や機械的特性試験について製造証明書を必ず確認してください。
まとめ
5154は、固溶強化による機械的性能と優れた耐食性、加工の多様性を独自に兼ね備えているため、広く使用され続けているAl–Mg合金です。溶接のしやすさ、軟質状態での良好な成形性、多様な製品形態における信頼性の高い挙動により、自動車、船舶および一般構造工学分野での適用が今後も継続されます。