アルミニウム 5450：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
5450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むことが特徴です。5xxx系は熱処理ができない合金群で、その高い強度は主にMgによる固溶強化および適用可能な場合の加工硬化によって得られます。
5450の主要合金元素はマグネシウム（重量比で中〜高単位台）で、これに制御されたマンガン、鉄、および微量のCu、Si、Zn、Crが加わり、強度、結晶粒構造、耐食性を調整しています。強化メカニズムは熱処理によるものではなく、マグネシウムの固溶強化と機械的な冷間加工によって強度が得られ、人工時効はピーク強度の向上には用いられません。
5450の主な特長は、非熱処理合金としては中程度から高い強度を持ち、一般的な耐食性（特に大気中や軽度の海洋環境において）に優れ、典型的なアルミニウム用充填材を用いた非常に良好な溶接性、及び軟化状態での良好な成形性の組み合わせです。これらの特性により、強度対重量比、耐食性、溶接性のバランスが求められる構造用途において5450は非常に魅力的です。
この種の合金を使用する代表的な業界には、造船や海洋構造物、自動車・輸送機器部品、圧力容器、航空機の二次構造部品などがあります。エンジニアは、製品としての高い強度と優れた溶接・塗装性能を必要とする場合に、熱処理合金のコストや歪みのリスクなしに5450を選択します。
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 | 高 | 非常に良好 | 非常に良好 | 完全に軟化処理済み。成形および深絞りに最適 |
| H111 | 低〜中程度 | 高 | 非常に良好 | 非常に良好 | 軽度の指定なし加工硬化。良好な成形性を維持 |
| H14 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 非常に良好 | 半硬状態。適度な強度が求められる板材用途に一般的 |
| H22 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 非常に良好 | 加工硬化後、熱処理により安定化し安定性改善 |
| H32 | 中〜高 | 中程度 | 可 | 非常に良好 | 加工硬化および安定化済み。構造用板材に広く使用 |
| H34 | 高 | 低 | 可〜不良 | 非常に良好 | 高剛性が求められ、伸びが低く許容される用途における全硬状態 |
5450に選択される調質は機械的性質および成形挙動に大きく影響します。軟化O調質は延性を最大化し複雑な成形を可能にしますが、H調質は延性を犠牲にしてより高い降伏強さと引張強さを実現します。加工時の安定性、特に溶接時の熱影響部での応力緩和や調質変化に対する抵抗性は、特定のH指定および実施される安定化処理に依存します。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | 脱酸素剤および強度影響要素。耐食性維持のため低含有 |
| Fe | ≤ 0.50 | 不純物元素。Feが多いと成形性に影響する金属間化合物形成の可能性あり |
| Mn | 0.2–1.0 | 結晶粒細化、強度強化および再結晶耐性向上 |
| Mg | 3.5–5.5 | 主な強化元素。固溶強化と耐食性に寄与 |
| Cu | ≤ 0.25 | 微量添加で強度向上だが高濃度では耐食性低下の恐れあり |
| Zn | ≤ 0.25 | ガルバニック腐食や局部腐食の抑制のため低濃度に制御 |
| Cr | 0.05–0.25 | 結晶粒制御および粒界腐食耐性向上 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造や押出用素材の結晶粒微細化材。圧延合金では通常残存 |
| その他 | 残部Al及び微量不純物 | 機械的性質と耐食目標への適合のため微量元素を管理 |
合金化学成分は、Mgが主たる強化機構を担い、Mnと微量のCrが結晶粒径や再結晶挙動、靭性を調整するように最適化されています。Si、Fe、Cuは低濃度に抑えられ、脆性の金属間化合物発生を防ぎ、成形性と耐食性を維持します。正確な成分範囲はサプライヤーや規格によって異なる場合がありますが、MgとMnの影響が5450の性能において中心的な役割を果たします。
機械的性質
5450の引張挙動は調質に強く依存します。軟化（O）状態では、降伏強さおよび引張強さは比較的低いものの、高い均一伸びを示し、厳しい成形作業に適しています。一方、加工硬化調質では降伏強さが大きく向上し、引張伸びは低下しますが、構造部材に必要な剛性を提供します。
降伏強さおよび引張強さはMg含有量と冷間加工量の両方に依存します。構造用板材で多用されるH調質は軟化材に比べて著しく高い降伏強さを示しますが、特徴的な降伏点現象と成形性に制限のある加工硬化能力を持つことが一般的です。硬さも同様に冷間加工量が増えると上昇し、熱安定化処理により安定します。
5450の疲労性能は、クリーンな微細構造と適切な表面状態の管理によって向上します。疲労強度は加工硬化調質で高くなりますが、溶接や切欠きによる局所的な応力集中に敏感です。板厚の影響も顕著で、薄板は製造時により容易に加工硬化され、強度が高くなる一方で、板厚方向の延性が低下し、溶接後の残留応力分布も異なります。
| 性質 | O/軟化 | 代表的調質（例：H32/H34） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約180–260 MPa（合金系で一般的な範囲） | 約260–360 MPa（冷間加工量に依存） | 値は板厚、調質、メーカーにより異なり、典型的な工学範囲として示す |
| 降伏強さ | 約60–150 MPa | 約150–320 MPa | 降伏強さは冷間加工により大幅増加。H調質指定が安定性を制御 |
| 伸び | 約20–35% | 約8–18% | 軟化状態で最大の伸びを示し、H調質で延性が低下 |
| 硬さ | HB 30–55 | HB 60–120 | 硬さは冷間加工の履歴を反映し増加 |
物理的性質
| 性質 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.66 g/cm³ | Al‑Mg合金として一般的。合金化により高純度アルミよりやや高め |
| 融点範囲 | 約570–650 °C | 固相線–液相線範囲は成分や微量元素に依存 |
| 熱伝導率 | 約120–160 W/m·K | 純アルミより低いが構造部材の熱拡散には十分良好 |
| 電気伝導率 | 約30–40 % IACS | Mgおよび合金元素の影響で純アルミより低減。EMI対策や導体用途に注意 |
| 比熱 | 約880–910 J/kg·K | 純アルミに近く、熱容量計算に有用 |
| 熱膨張率 | 約23–24 µm/m·K（20–100 °C） | 市販アルミ合金と類似。異種材料接合時の熱膨張差計算に重要 |
これらの物理特性は、5450が良好な強度対重量比を持ちつつ、有用な熱伝導性および電気伝導性を備えたアルミ合金であることを示しています。設計者は異種材料との接合時に比較的高い熱膨張係数を考慮し、ヒートシンクや熱管理用途では純アルミに比べた熱伝導低下を考慮すべきです。密度と比熱特性は軽量構造で熱慣性が要求される場合に有利です。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材（Sheet） | 0.3–6 mm | H硬さで良好、深絞りには焼なまし | O, H14, H32, H34 | 最も一般的な形状で、パネルや成形部品に使用 |
| プレート（Plate） | 6–150 mm | 同一硬さでは厚み増加により強度が低下 | O, H111, H32（限定的） | 厚板は鋳造・圧延材および熱処理履歴の管理が必要 |
| 押出材（Extrusion） | 大断面までの形材 | 冷却および後工程の冷間加工で強度が変化 | O（成形用）、H112（一部安定性あり） | 構造部材やフレームに使用、押出用素材の合金調整が必要 |
| チューブ（Tube） | 用途に応じた直径・板厚 | 溶接管またはシームレス管、加工により機械的性質が変動 | O, H32 | 機械部品や流体輸送に一般的、溶接部は局所特性変化あり |
| 丸棒・棒材（Bar/Rod） | 直径最大200 mmまで | 引抜棒は加工硬化により高強度を発現 | O, H14, H34 | 機械加工部品、ファスナー、高剛性部品に使用 |
製品形状の選択は微細構造、強度の均一性、加工工程に影響します。板材やプレートは圧延材であり、圧延後の焼なましや安定化処理で特性調整を行います。一方、押出材や鍛造形状はビレットの成分および熱履歴の厳密な管理が必要で、表面酸化を防ぎ寸法安定性を確保します。溶接性および溶接後特性は形状により異なり、厚板は熱影響部の軟化が顕著で、溶接後の機械的または熱的安定化処理が必要になることがあります。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5450 | USA | 米国における鍛造合金指定 |
| EN AW | 5450 | ヨーロッパ | 一般的なヨーロッパの指定。仕様ごとに化学組成や機械的特性が異なる場合あり |
| JIS | A5450（概略） | 日本 | 地域ごとの許容差を持つ類似のAl-Mg系合金ファミリーを参照 |
| GB/T | 5450（概略） | 中国 | 中国規格は相当組成を示すが、正確な範囲は現地仕様書で確認要 |
規格間の直接的な一対一対応は、地域ごとの不純物許容値や機械的試験方法、製品形状の違いにより概算となります。エンジニアは関連規格の化学成分および機械的特性の詳細を比較し、重要な用途にはベンダーのミルシートを必ず確認して互換性を確認してください。
耐食性
5450は保護酸化皮膜であるアルミナと、ピッチングを抑制する合金バランスにより、一般的な大気環境で良好な耐食性を示します。海水や塩素を含む環境でも、塗装やアルマイト処理による保護があれば堅牢ですが、溶接部やファスナー部位、表面のキズ部では局所的な腐食が発生することがあります。
応力腐食割れ（SCC）はMg含有量および硬さ組織に依存し、Mgが約3.5%を超える5xxxファミリー合金では、高強度や感応硬さでの腐食環境下で持続張力を受けるとSCCを示すことがあります。溶接により多くの冷間加工硬化硬さで軟化した熱影響部が形成され、局所的な耐食性と機械的性能低下の原因となるため考慮が必要です。
ガルバニック腐食はアルミニウムの一般的な挙動に従い、5450はステンレス鋼や銅合金に対して陽極性を示すため、絶縁材料や犠牲防食を用いずに直接接触させる設計は避けるべきです。6xxx系や7xxx系と比較すると、5450は一般的な耐食性や溶接性に優れますが、ピークエージングした6xxx・7xxx合金よりは引張強度が低いです。また3xxx系と比較しては、耐食性は同等かわずかに劣るものの、より高い強度を提供します。
加工性
溶接性
5450はMIG（GMAW）やTIG（GTAW）など一般的な溶融溶接に適し、適切な充填材とパラメータを使用すると溶融プールの挙動は良好で、ホットクラック傾向は低いです。5xxxファミリーの代表的な充填材にはER5183およびER5356があり、強度、耐食性、吸水抑制の観点で選ばれます。美観やアルマイト処理部にはER5356が好まれます。熱影響部の軟化は加工硬化硬さでの実務上の課題であり、設計時には接合形状、溶接前後の機械的安定化、溶接後強化戦略を検討してください。
切削加工性
5450の切削加工性は中程度から普通で、多くのAl-Mg合金同様にチップが連続してしまうため、チップブレーカーや切削中断の工夫が望ましいです。正のすくい角と鋭利形状のカーバイド tools 推奨され、中速切削および大量のフラッドクーラントでビルドアップエッジと熱の管理を行います。適切な送り速度と工具選定により表面仕上げや寸法精度は一般的に良好です。
成形性
成形は焼なまし（O）硬さで最も適し、最小曲げ半径の小径や深絞り加工が可能です。H硬さでは曲げ半径を大きくし、伸び率低下や跳ね返りを考慮した成形が必要で、H14–H32では典型的に材料厚さの1～2倍程度の内曲げ半径が要求されます。溶接や冷間加工後に大きな成形が必要な場合は、工程中に中間焼なましを設けて延性を回復させることが可能ですが、工順への組込みが必要です。
熱処理特性
5450は熱処理強化を目的としない合金であり、従来の溶体化処理や人工時効による機械的特性の著しい向上はありません。強度はMgの固溶強化と実用的な冷間加工により得られます。焼なまし（O硬さ）は残留応力の除去と延性回復を目的に適切な温度で加熱処理され、厚みや形状により焼なましサイクルは異なります。
熱的安定化（例えば制御された低温過時効や軽度の熱暴露）は、H硬さのひずみ時効を防ぎ、使用時や溶接時の軟化を抑制するために適用されることがあります。6xxx系や7xxx系の析出硬化用熱処理（T型）は5450には適用されず、ピーク強度の向上は期待できません。
高温特性
ほとんどのアルミ合金同様、5450は温度上昇に伴い強度が低下し、使用時の降伏強さやクリープ耐性を損なうため、連続使用は通常200 °Cを大きく下回る温度に制限されます。多くの構造用途では安全余裕を考慮し、100～150 °C程度の上限使用温度が選択されます。
高温酸化は保護的なアルミナ被膜により抑制されますが、高温長時間暴露は粒界周辺の微細構造変化や攻撃的環境下での局所腐食を促進させる場合があります。溶接の熱影響部や冷間加工領域は特に熱的影響に敏感で、予想される使用温度条件下での特性劣化評価が重要です。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 5450が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車・輸送機器 | 構造補強部材、衝突管理部品 | 製造直後の高強度と良好な溶接性による溶接組立品向け |
| 海洋 | 船体パネル、甲板構造、ブラケット | 海水環境での優れた耐食性とリベット・溶接適合性の高さ |
| 航空宇宙（二次構造部品） | 備品、アクセスパネル、床構造部品 | 有利な強度重量比と非主要構造向けの良好な加工性 |
| 圧力容器・タンク | タンク外殻、継手 | 強度と延性のバランス、溶接性に優れた圧力部品向け |
| 電子機器・熱管理 | ブラケット、放熱を要するハウジング | 純アルミより高い機械的強度と十分な熱伝導性 |
5450は、従来の加工硬化合金より高い強度を必要としつつ、析出硬化熱処理に伴う工期延長や変形リスクを避けたい部品に選ばれます。均衡の取れた特性セットは、多くの輸送・海洋用途における溶接、成形、機械加工部品での使用を可能にします。
選定のポイント
設計者が材料を選定する際に、5450は中～高強度、優れた溶接性、良好な耐食性を最大限に活かしたい場合に実用的な選択肢となります。最大の導電性や熱処理による究極強度を求める場合には他の合金が有利ですが、商業用純アルミ（1100など）と比較すると、5450は導電性や成形容易性を犠牲にしてもはるかに高い降伏強さと引張強さを提供します。
3003や5052のような加工硬化合金と比較して、5450は静的強度が大幅に高く、耐食性も同等であることが一般的です。一方で、冷間加工状態での成形性は低くなり、材料コストがやや高くなる可能性があります。6061や6063のような熱処理可能合金と比べると、5450は最高強度のピーク時には達しませんが、優れた溶接性、歪みのリスク低減、そして海洋環境における腐食耐性が最大の引張強さよりも重要視される場合にしばしば選ばれます。
設計上、溶接による製作、雰囲気・海洋環境での耐食性の強さ、および熱処理ではなく温度管理や冷間加工によって調整可能な高い基礎強度を重視する場合には、5450を使用してください。
まとめ
5450は堅牢な5xxx系アルミニウムとして、溶接および成形された構造用途において強度、耐食性、加工のしやすさのバランスに優れた魅力的な選択肢として依然重要です。熱処理が不要な特性により製造や検査が簡素化されるため、再現性のある製造時機械的性能と使用耐久性が求められる場合に効率的な選択肢となります。