アルミニウム 5454：組成、特性、硬質状態ガイドおよび用途
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総合概要
5454は、主要合金元素としてマグネシウムを含む5xxx系（Al-Mg）鍛造アルミニウム合金の一種です。欧州の呼称ではAlMg3として指定されることが多く、マグネシウム合金の中で中強度に位置し、機械的性能と優れた耐食性のバランスを取っています。
主な合金元素はマグネシウムと、強度および結晶粒構造を改善するための制御されたマンガンの添加です。5454は熱処理強化できない合金であり、強化は主にマグネシウムによる固溶体強化と、冷間加工による加工硬化によって達成され、析出硬化による熱処理は行いません。
5454の主な特長は、熱処理不能合金としては良好な引張強さを持ち、海洋および大気腐食に対する高い耐性、一般的な溶融溶接プロセスでの非常に良好な溶接性、退火または軽い加工状態での良好な成形性などです。使用分野としては海洋、輸送、圧力容器、一般構造物の製作において、耐食性と中程度の強度が求められる場面が挙げられます。
エンジニアは、商業純アルミよりも高い強度と、いくつかの高強度合金よりも優れた耐食性の両立が必要な場合に5454を選択します。溶接性、溶接後の性能、塩化物環境下での耐久性が、熱処理合金の最高強度対重量比よりも重視される場合に特に採用されます。
材質状態（Temper）バリエーション
| 材質状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い（20～35%） | 非常に良好 | 非常に良好 | 最大の延性を得るための完全退火状態 |
| H111 / H112 | 低～中程度 | 高～中程度 | 非常に良好 | 非常に良好 | 軽度の加工硬化または成形加工済みで、成形しやすい状態での供給が一般的 |
| H14 | 中程度 | 中程度（8～15%） | 良好 | 非常に良好 | 1/4硬化で、板材用途で強度向上に用いられることが多い |
| H16 | 中程度～高 | 減少 | 普通～良好 | 非常に良好 | 半硬化で、若干の延性低下を伴い強度を高めた状態 |
| H18 | 高 | 低い | 制限される | 非常に良好 | 全硬化で、高い強度と剛性が要求される場合に使用 |
| H24 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 非常に良好 | 加工硬化後部分退火し、成形性と強度のバランスを取った状態 |
| T5 / T6 / T651 | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 該当なし | 熱処理可能な合金の材質状態指定であり、5454には通常適用されない |
5454は熱処理可能な合金ではないため、材質状態は物理的・機械的な加工と制御された焼鈍によって直接かつ予測可能にその特性に影響を与えます。退火（O状態）は延性と耐食性を最大化し、深絞りや厳しい冷間成形に最適です。
加工硬化が進行するほど（H14～H18）降伏強さおよび引張強さは上昇しますが、伸びと曲げ性は低下します。5454は固溶化＋時効処理には反応しないため、材質管理は機械的加工と制御焼鈍によって行われます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.30 | 不純物；耐食性と延性を保つために低く制御 |
| Fe | ≤ 0.40 | 相間化合物形成元素；靭性低下を抑制するため制御 |
| Mn | 0.40～1.20 | 強度と結晶粒構造の改善、再結晶制御に寄与 |
| Mg | 2.6～3.6 | 主要な強化元素；固溶体強化と耐食性を提供 |
| Cu | ≤ 0.10 | 耐食性低下と電気化学的作用を避けるために低濃度に制御 |
| Zn | ≤ 0.20 | 微量；過剰は耐食性悪化の原因 |
| Cr | ≤ 0.25 | 一部バリエーションで結晶粒や再結晶を制御するため微量添加 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造品での結晶粒細化に効果、鍛造品ではわずかな影響 |
| その他 | 各≤ 0.15、合計≤ 0.35 | 残留元素および微量添加元素；合金特性維持のために管理 |
比較的高いマグネシウム含有量（約3wt%）が5454の機械的性質と耐食性の主な要因です。マンガンは意図的かつ適度に添加され、粒界の弱化を補い、強度向上に寄与しつつ耐食性を損なわないよう制御されています。銅とシリコンを低く抑えることで、海洋や工業環境下で形成される自然酸化皮膜の保護効果を維持しています。
機械的性質
5454は、中強度の5xxx系合金に典型的な引張強さと降伏強さのバランスを示し、退火状態では高い延性、加工硬化により段階的に強度が向上します。降伏強さはO状態から半硬化・全硬化にかけて大幅に上昇し、引張強さも増加しますが、伸びはより急激に低下します。本合金は多くの高強度熱処理アルミ合金と比較して良好な靭性とエネルギー吸収能力を持ちます。
疲労性能は塩化物を含まない環境では合理的ですが、表面状態、溶接部、応力集中部に敏感です。溶接接合部では、加工硬化された母材に比べて熱影響部（HAZ）の軟化が一般的であり、設計時には局所的な降伏強さや疲労限度の低下を考慮する必要があります。板厚や製品形状により、組織の均一性や残留応力の影響で降伏強さが若干異なる場合があります。
硬さは加工硬化に伴い増加し、退火合金は低いブリネル・ビッカース硬さを示しますが、H16～H18状態ではかなり高い硬さ値に達します。硬さと引張強さの相関性は十分に高く、現場での迅速なチェックに利用できますが、特に重要部品や溶接組立品では引張試験を推奨します。
| 特性 | O／退火 | 代表的材質状態（例：H16/H18） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (UTS) | 約95～150 MPa | 約200～310 MPa | 材質状態や製品形状により広い範囲。板材と厚板で差異あり |
| 降伏強さ (0.2%オフセット) | 約30～70 MPa | 約120～240 MPa | 溶接時の熱影響部軟化により局所的に降伏強さが低下する可能性あり |
| 伸び (A50 または A5) | 約20～35% | 約4～15% | 退火状態で最大の延性を示し、全硬化状態は伸びが制限される |
| 硬さ (HB) | 約25～45 HB | 約60～110 HB | 加工硬化度と相関し、工程管理に有用 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.66～2.70 g/cm³ | 鍛造Al-Mg合金として典型的。質量や剛性計算に使用 |
| 融点範囲 | 約590～645 °C | 固相線・液相線は純度や不純物により変動 |
| 熱伝導率 | 約120～150 W/m·K | 純アルミよりは低いが依然高く、放熱・熱設計に重要 |
| 電気伝導率 | 約32～38 %IACS | 合金添加により純アルミより低下 |
| 比熱 | 約880～910 J/kg·K | 熱過渡現象や熱容量計算で有用 |
| 熱膨張係数 | 約23～24 µm/m·K（20～100 °C） | アルミ合金として標準的。異種材料構造で考慮が必要 |
密度と熱的特性により、5454は質量や放熱が重要な海洋用船体や熱交換器ヘッダーなどの構造に適しています。熱伝導率は純アルミや一部6xxx系合金には及ばないものの、多くの熱管理用途で十分高い値を示します。
電気伝導率は中程度であり、高いIACSが求められる導体用途には不向きですが、機械的・耐食性能のバランスと許容できる伝導率が必要な場合に使用されます。熱膨張もアルミ設計として標準範囲内であり、異材接合構造では考慮が求められます。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材 | 0.3〜6 mm | 均一だが圧延方向に依存 | O, H111, H14, H16 | パネル、外装、船舶用被覆材として広く使用 |
| 厚板 | 6〜150 mm | 厚い断面では降伏強さがやや低めに測定される傾向 | O, H111 | 構造部材や圧力容器部品に使用 |
| 押出材 | 大型断面までの形状 | 断面と冷却条件で強度が変動 | O, H111, H14 | 構造フレームやレールに適するがMg分布の管理が必要 |
| チューブ | 直径数百mmまで | 冷間加工により軸方向および周方向強度が良好 | O, H16, H18 | 船舶・輸送用配管および構造用チューブとして一般的 |
| 棒材／丸棒 | 各種直径 | 断面の均一性が高い | H14〜H18 | 機械加工部品、ファスナー、加工製品に使用 |
加工方法や製品形態により機械的特性や適用できる調質が異なります。薄板〜中厚板は加工硬化や焼鈍に対し予測可能な応答を示しますが、厚板は均一な特性を得るためにより強力な圧延や冷却制御が必要です。
押出材やチューブはMgを多く含む合金のため、均質化処理や内部孔隙の管理に注意が必要です。製品段階での調質選定は成形加工や最終使用条件に適合させる上で重要です。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5454 | 米国 | 北米規格でよく使われるAluminum Associationの指定 |
| EN AW | 5454 | ヨーロッパ | 一般的な欧州表記（AlMg3）、EN 573/754で鍛造製品として規格化 |
| JIS | A5454 | 日本 | 類似のMg含有量と機械的性質を持つ日本工業規格のバリアント |
| GB/T | 5454 | 中国 | 国際的な化学成分・機械的特性規定と整合した中国標準 |
規格間の同等性は概ね近いものの、許容不純物限度や機械的試験方法、厚さ依存性の特性限度、調質や加工許容範囲は異なる場合があります。設計者は最終的な材料受け入れ基準を決定する前に、メーカー証明書及び各国規格を照合してください。
耐食性
5454は大気中耐食性が高く、とくにマグネシウムを多く含む基材が粘着性・自己修復性の酸化膜／水酸化膜を形成するため、海洋環境に適しています。停滞した高塩化物環境では、表面膜が破損したり、積極的なガルバニックカップリングが存在すると局部的な孔食が発生することがありますが、銅含有合金よりも優れた耐環境性能を示します。
5454の応力腐食割れ（SCC）感受性は高強度アルミニウム合金に比べ低いですが、塩化物環境での引張応力や溶接による残留応力によりリスクが高まる可能性があります。設計上は過大な引張応力回避、溶接残留応力の管理、厳酷環境下では後加工処理や陰極防食の実施が推奨されます。
海洋環境で5454をより高貴な金属（ステンレス鋼、銅など）と組み合わせる際は、ガルバニック腐食の管理が必要です。適合したファスナーの使用、絶縁層の設置、犠牲陽極の採用により腐食被害を低減し、無管理な異種金属接触に比べて耐用年数を延ばせます。
加工性
溶接性
5454はMIG（GMAW）やTIG（GTAW）などの一般的な溶接法で良好に溶接可能です。推奨される溶接棒は通常、基材に合わせてER5356または耐食性・高強度を求める場合はER5183を用います。これにより内部孔隙や延性を制御します。2xxx系や7xxx系合金と比較してホットクラックのリスクは低いですが、熱影響部（HAZ）の軟化や加工硬化低減は一般的であり、局所的な耐力低下に対応可能な構造設計が必要です。
切削性
5454の切削性は自由切削性アルミやアルミシリコン鋳物よりは劣りますが、純アルミニウムよりは良好で、多くの高強度鍛造合金よりも切削加工しやすい部類です。シャープな超硬または高速鋼工具を使用し、適度〜高速送り、低速回転で良好な冷却・潤滑を行うことで連続切りくずの管理やビルドアップエッジを防止します。アルミニウム合金向けに最適化すれば表面仕上げや寸法精度も十分に良好です。
成形性
退火状態での成形性は非常に良好であり、軽度加工調質でも良好なままです。深絞りや複雑なプレス加工にはOまたはH111調質が適しています。最小曲げ半径は調質や板厚によりますが、一般的な工場慣行ではH14/H16で板厚の2〜3倍、完全退火板では1〜2倍の内側曲げ半径が用いられます。冷間加工による降伏強さ・引張強さの向上は延性低下やバネ性を伴い、金型設計で考慮が必要です。
熱処理挙動
5454は熱処理不能合金であり、6xxx系や7xxx系に適用されるような溶体化処理＋時効処理には反応しません。これら熱処理可能合金にみられる析出硬化による強化機構は生じません。
機械的性質は主に加工硬化と焼鈍などの熱プロセスによって制御されます。鍛造5xxx系の完全焼鈍温度は製品形態・断面厚さにより異なりますが通常300〜415 °C程度であり、炉内焼鈍後の急冷または徐冷により延性回復と軟化を図ります。
部分焼鈍（H24調質や安定化調質など）により強度と成形性の特定バランスを実現します。安定化処理や低温応力除去処理は強度にほとんど影響を与えずに残留応力の軽減が可能です。
高温性能
5454の強度は温度上昇とともに低下し、約100 °Cを超える中程度の使用温度でも若干の低下がみられます。長期的に150〜200 °Cに近い温度で曝露されると、回復や微細構造変化によりさらに機械的特性が劣化するため、連続使用温度はこれらより十分低く設定するのが一般的です。
アルミニウム合金は保護酸化膜のため高温酸化は厳しい課題ではありませんが、高温下では酸化被膜の成長が促進され、表面仕上げやコーティングに影響を与える可能性があります。溶接部や熱影響部は高温曝露で軟化しやすく、荷重と温度が持続する場合はクリープや応力緩和を考慮した設計が必要です。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 5454が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 燃料ライン、非構造用ボディパネル | 優れた成形性、溶接性、耐食性 |
| 海洋 | 船体板、上部構造パネル | 優れた海洋耐食性と重量当たり強度 |
| 航空宇宙 | 二次構造部品、アクセスパネル | 耐食性と非主要構造向けの適度な強度 |
| 電子機器 | 筐体、放熱板 | 適切な熱伝導性と耐食性 |
| 圧力容器・タンク | 貯蔵タンク、配管 | 良好な溶接性と海水・工業雰囲気への耐性 |
5454は溶接性、耐食性、適度な強度がバランス良く、複数産業において汎用性の高い選択肢です。特に耐食性が必要で、アルミニウムのコスト及び軽量性利点を活かしつつ、現場耐久性を損ないたくない用途に好まれます。
選定のポイント
5454は耐食性、溶接性、中程度の強度を熱処理なしで実現したい場合に適した合金です。特に海洋、輸送、一般構造用途で、溶接後の性能維持や塩化物環境下での耐久性が重視される案件に向いています。
商業純アルミニウム（例：1100）に比べ、5454は引張強さや降伏強さが大幅に高い反面、電気伝導性や熱伝導性はやや低下します。3003や5052などの一般的な加工硬化合金よりは強度が高く、海洋耐腐食性は同等かそれ以上であるため、船体板や構造板への適用に優れます。
6061や6063などの熱処理可能合金と比べるとピーク強度は劣りますが、優れた耐食性、簡素な加工（溶接後の熱処理不要）、特定調質での優れた延性が重要視される場合、最大強度を求めない選択肢としてしばしば選ばれます。
まとめ
5454は、耐食性、溶接性、中程度の機械的性能をバランスよく備え、熱処理の複雑さを伴わないため、現在でも広く使われているアルミ合金です。海洋環境や腐食環境に適しており、板材・鋼板・押出材における安定した加工性を持つことから、耐久性が高くコストパフォーマンスに優れたアルミニウム製品を求める設計者や加工業者にとって実用的な選択肢となっています。