アルミニウム5456：組成、特性、焼き入れ状態ガイドおよび用途
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総合概要
5456は5xxxシリーズのアルミニウム–マグネシウム合金の一種で、適度から高めのマグネシウム含有量を特徴とし、熱処理による強化はできません。この合金は、強度と耐食性のバランスを良好な溶接性と合理的な成形性とともに求められる用途で用いられる高マグネシウム系のバリエーションに位置付けられます。
主な合金元素は約4.7〜5.7 wt%のマグネシウムで、結晶粒微細化と強度・再結晶耐性の向上を目的に、制御されたマンガンおよびクロムが添加されています。強度は主にMgによる固溶強化と加工硬化により発現し、6xxxや7xxxシリーズのような析出硬化型熱処理には反応しません。
主な特徴は、低Mg 5xxx合金より高い降伏強さおよび引張強さ、適切な加工がなされれば海洋環境における一般的および局部的腐食に対する非常に優れた耐性、適切なフィラーメタルを用いた良好な溶接性を有する点です。成形性は焼なまし状態で十分ですが、加工硬化が進むと低下します。このトレードオフにより成形用と構造用での材質選択が行われます。
代表的な用途としては、造船、洋上構造物、圧力容器、鉄道車両、自動車用押出形材など、強度対重量比と耐食性が要求される分野があります。エンジニアは、非熱処理型でより高い本質的強度と海洋用グレードの耐食性能を必要とし、熱処理の複雑さを回避したい場合に5456を選択します。
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 (≥20–30%) | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、深絞りや成形に最適 |
| H111 | 中 | 中程度 (約15–25%) | 良好 | 優秀 | わずかに加工硬化した非安定化型、汎用 |
| H112 | 中 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 方向性制御を施した市販品 |
| H32 | 高 | 低め (約8–15%) | 低下 | 優秀 | 加工硬化および安定化処理済みで、構造部品に多用 |
| H34 | 高 | 低め | 低下 | 優秀 | より高い加工硬化レベルで強度が重要な部品用 |
| H116 | 高 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 海洋用応力腐食割れおよび粒界腐食に対し安定化処理済み |
| H321 | 中高 | 中程度 | 良好 | 優秀 | 冷間加工後に熱安定化処理を施し感受性を抑制 |
5456の強度、延性、成形性のバランスは材質状態によって大きく左右されます。焼なまし（O）状態は成形作業が主となり最高強度が不要な場合に使われ、H3x/H1xx系材質状態は加工硬化により伸びとストレッチ成形能力が低下する代わりに強度が段階的に向上します。
安定化処理材（H116、H321）は微量元素の厳格な管理やわずかな熱処理を用いて、塩化物環境における局所腐食や応力腐食割れへの感受性を低減しています。材質状態の選択は最終部品形状、必要な強度余裕、溶接後の要求に十分配慮する必要があります。
化学組成
| 元素 | 含有範囲 (%) | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | 不純物管理のため; Siが多いと延性が低下し脆性な間材相形成の可能性 |
| Fe | ≤ 0.40 | 一般的な不純物; 過剰は強度と耐食性に影響する間材粒子の増加を招く |
| Mn | 0.20–0.70 | 結晶粒改良および強化元素; 延性と再結晶耐性を向上 |
| Mg | 4.7–5.7 | 主な強化元素; 強度と耐食性を向上させるが管理不足だと応力腐食割れのリスク増 |
| Cu | ≤ 0.10 | 耐食性保持のため低減; Cuが高いと強度は向上するが海洋性能は悪化 |
| Zn | ≤ 0.25 | 少量添加; 過剰は耐食性低下の原因となる |
| Cr | 0.05–0.25 | 結晶粒成長を制御し、再結晶および応力腐食耐性を改善 |
| Ti | ≤ 0.10 | 少量で結晶粒微細化に寄与 |
| その他（各） | ≤ 0.05 | 合計で0.15以下に抑制、望ましくない相形成防止のため |
マグネシウムは固溶強化をもたらし、強度対重量比を向上させる主要な微合金元素です。マンガンおよびクロムは熱間機械的加工中の結晶粒成長を抑制し、過度なテクスチャおよび再結晶を防ぐ目的で添加されています。
銅、鉄、シリコンの厳格な管理は海洋グレードの性能に不可欠であり、微量不純物や間材粒子がピッティング開始点および局所的な電気化学挙動に影響を与えます。最終的な性能は公称組成と圧延、溶体化処理（使用時）、安定化処理などの加工履歴の組み合わせによって決まります。
機械的性質
5456の引張特性は材質状態に強く依存します。焼なまし状態では高い伸びと控えめな引張強さを示し、H3x/H1xx系材質状態では冷間加工により降伏強さと最大引張強さが大幅に向上します。降伏強さと引張強さの比率は加工硬化材質の方が一般に高く、薄肉構造設計の予測性が向上しますが、曲げ半径の厳密な管理が必要になるため成形性は低下します。
硬さは材質状態とMg含有量に相関し、O材質ではビッカースの低硬度域からH32/H34では大幅に高いレベルまで変動します。疲労性能はこのクラスのアルミニウム合金として概ね良好ですが、疲労亀裂の開始は表面状態、成形や溶接による残留応力、間材粒子の存在に敏感です。
板厚や断面サイズは加工硬化挙動や結晶粒構造の制御に影響を与え、同一材質状態でも板厚が厚くなると圧延時の拘束により降伏強さがわずかに高まる傾向があります。溶接においては熱影響部（HAZ）で重度の加工硬化状態が部分的に軟化するため、設計時にはHAZでの強度低下を考慮しなければなりません。
| 特性 | O／焼なまし | 主要材質（H32 / H116） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (UTS) | 約140～190 MPa | 約270～340 MPa | 板厚や材質状態により変動; 冷間加工でUTSは大幅増加 |
| 降伏強さ (0.2%オフセット) | 約35～80 MPa | 約200～300 MPa | H32/H116は構造設計に有効な高い降伏強さを示す; 板厚により異なる |
| 伸び (50 mmゲージ長) | 約20～35% | 約8～18% | 加工硬化により延性低下; 成形には焼なましが最適 |
| 硬さ (HV) | 約30～45 HV | 約75～110 HV | 代表値; 硬さは材質状態と加工硬化レベルに比例 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.66 g/cm³ | 典型的なアルミニウム合金の密度。質量や強度対重量比計算に使用 |
| 融点範囲 | 約570～640 °C | 固相線から液相線までの範囲は合金元素により若干変動; 融点付近での使用は避ける |
| 熱伝導率 | 約120～140 W/(m·K) | 純アルミニウムより低いが依然高い値で、放熱用途に有利 |
| 電気伝導率 | 約28～34 % IACS | 純アルミより低下; Mgや合金元素の添加により低下する |
| 比熱 | 約900 J/(kg·K) | 常温でのアルミ合金として典型的な値 |
| 熱膨張係数 | 約23～24 µm/(m·K) | 多くのアルミ合金と同程度; 熱サイクル設計で考慮が必要 |
密度と熱的性質により、5456は重量と放熱が設計上重要となる用途に適しています。鉄系金属に比べ熱伝導率と比熱は高いため、構造部品のパッシブ冷却に有効です。
電気伝導率は商業用純アルミに比べ低いものの、多くの電気的・熱的伝導用途には十分です。合金成分による伝導率低下はEMI遮蔽や熱経路の設計における考慮事項となります。熱膨張率はアルミニウム典型であり、多材質の組み合わせ設計においてはその差異を吸収できる設計が求められます。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度の特性 | 一般的な硬質状態（テンパー） | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材（シート） | 0.5〜6.0 mm | 硬質状態により強度が大きく変わる。薄板は冷間成形が容易 | O, H111, H32, H116 | パネルや成形部品に広く使用 |
| 厚板（プレート） | 6〜200 mm | 厚板は板厚方向の強度が若干高くなる。圧延履歴が重要 | H32, H116 | 構造用や船体用の厚板。重厚板は圧延管理が必須 |
| 押出材（エクストルージョン） | 断面形状は多様 | 下流工程での時効や冷間加工により強度が変化。押出材は応力除去処理を行う場合あり | O, H112, H32 | シャーシや構造フレーム用の複雑な断面形状 |
| 管材（チューブ） | 直径数百mmまで | 強度と耐つぶれ性は肉厚と硬質状態で制御 | O, H32 | 圧力管や構造用管。溶接や曲げ加工に対応 |
| 棒材（バー／ロッド） | 直径数インチまで | 部分的に冷間加工された硬質状態で供給されることが多い。切削性は材質により異なる | O, H111 | ファスナー、ピン、切削加工部品。断面サイズが最終特性に影響 |
板材および厚板は圧延によって製造され、成形性や構造用途に応じた多様な硬質状態で供給可能です。目標とする機械的特性を得るためには圧延スケジュールや冷却制御が極めて重要です。押出材および管材は下流工程や時効／安定化処理によって後の寸法安定性や異方性の管理を図っています。
成形部品は通常、広範な成形が必要な場合はOまたは軽いH1xx硬質状態から始まり、その後に冷間加工や安定化処理を経て最終的な機械的要求を満たします。船舶や構造用途向けの厚板は局部腐食や応力腐食割れ（SCC）耐性を高めるために安定化処理を施したH116などの硬質状態で製造されることが多いです。
同等規格
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5456 | USA | Aluminum Associationの元々の指定で、仕様書で一般的に使用される |
| EN AW | 5456 | ヨーロッパ | EN AW-5456はヨーロッパ規格に存在し、同一名目組成で地域による公差がある |
| JIS | A5456（または類似） | 日本 | 同等の5xxx系高Mg合金のための国内規格指定。正確な対応はJISカタログで確認が必要 |
| GB/T | 5456 | 中国 | 中国のGB/T指定は通常AA 5456と一致するが、製造公差や硬質状態が異なる場合がある |
規格間の同等性は名目組成レベルではほぼ確立していますが、許容される不純物限度、機械的試験対象の板厚、硬質状態の指定には差異があります。地域の規格では、船舶用途に適した異なる硬質状態や追加の安定化要件を規定している場合もあります。
エンジニアは規格間で代替えする際には、化学成分や機械的公差、合意された試験方法、ミル試験証明書などの認証要件を含め、各規格の全文を必ず比較して機能的な同等性を確保すべきです。
耐食性
5456は多くの熱処理型アルミニウム合金に比べ、一般的な大気および海水環境に対して非常に良好な耐食性を示します。これは主にマグネシウムの効果で保護性の高い表面被膜が形成されるためです。比較的穏やかな腐食環境では良好な性能を発揮し、不純物の管理と安定化した硬質状態により、船体やオフショア構造物に広く採用されています。
ただし高Mg含有量は、合金が海水など塩化物含有環境向けに適切に製造・安定化されない場合、局部腐食や応力腐食割れ（SCC）に対する感受性を増します。H116やH321などの安定化硬質状態や低銅組成は、析出物や感作現象の抑制によりSCCリスクを軽減します。
ステンレス鋼や銅などの陰極性材との接触によるガルバニック腐食は、絶縁層の設置や互換性のあるファスナー使用で管理する必要があります。5456を含むアルミ合金は多くの異種金属接合で陽極として作用し、電解液中で接触すると優先的に腐食する場合があります。6xxx系（Al–Mg–Si）や7xxx系（Al–Zn）と比較すると、5456は一般および海洋耐食性が優れるものの、塩化物によるSCCに対しては純度の高い低Mg 5xxx系合金よりも感受性が高い傾向があります。
加工性
溶接性
5456はGTAW（TIG）やGMAW（MIG）など一般的な融接法で問題なく溶接が可能であり、フィラー材を適切に選定すれば高熱入力にも耐えホットクラックの発生が抑えられます。ER5356やER5183などのアルミ・マグネシウム系フィラー材が強度および耐食性維持のために推奨されます。母材が加工硬化している場合、熱影響部（HAZ）は軟化することがあるため、溶接後の機械的性質を評価し、必要に応じて局部的な焼きなまし処理や設計調整を行う必要があります。
切削性
5456の切削性は自由切削合金ほど良好ではありません。比較的高いMg含有により強度および加工硬化が増加し、切削工具の刃先が摩耗しやすくなります。ポジティブラケの超硬工具、十分な冷却、切りくず排出の管理が築積刃の発生抑制や加工硬化の軽減に有効です。送り速度や回転数は断面サイズと硬質状態に応じて調整すべきで、厚板など加工硬化が顕著な部分では軽切削や断続切削が効果的です。
成形性
焼なまし（O）状態では成形性が非常に良好ですが、冷間加工が進むと低下します。板厚や硬質状態によって最小内曲げ半径は異なり、成形試験での実証が推奨されます。ストレッチ成形や深絞り加工にはOまたは非常に軽いH1xx系硬質状態が適し、H32/H34の硬質状態は最終的な寸法安定性が必要な加工に適しています。硬度の高いテンパーではばね効果（スプリングバック）が大きく、金型設計や工具オフセットに反映させる必要があります。
熱処理挙動
5456は非熱処理型合金であり、析出硬化による強度向上はしません。強度は加工硬化や冷間変形によって増加します。焼なまし（O）は高温で再結晶を促し延性回復を目的に行われ、温度は板厚により異なりますが通常300〜400 °C範囲で制御冷却されます。
熱安定化処理（実務上H116/H321指定）は控えめな熱処理や厳密な組成管理により、粒界腐食や応力腐食割れ感受性を抑制します。これらの安定化処理は強度向上ではなく、より耐食性の高い微細組織を形成し冷間加工後の残留応力を低減するためのものです。
T6様の高強度化経路がないため、より高い強度が必要な場合は熱機械的処理、冷間加工の制御、および成形性や溶接性に合致した最高のH3x系硬質状態を選択します。過度の焼きなましや使用時・溶接時の高温曝露は、回復や部分的再結晶により冷間加工強度を低下させる可能性があります。
高温性能
5456は中程度の高温環境で有用な機械的特性を保持しますが、周囲温度を超えて150〜200 °C以上になると徐々に強度が低下します。専用の高温用合金と比較するとクリープ特性は劣り、高温環境下での長期荷重は特別な試験がない限り推奨されません。
空気中での酸化は保護酸化膜の形成により最小限に抑えられますが、高温化に伴う拡散過程の促進により冷間加工強度が低下し、表面仕上げや寸法安定性に変化が起こる場合があります。溶接構造物では、熱影響部（HAZ）が高温での微細構造回復や軟化により耐力上の弱点となりやすいです。
設計者は連続使用温度を制限し、熱サイクルによる疲労寿命や残留応力の再分布への影響を考慮する必要があります。高温への短時間曝露では5456は許容されますが、高温環境下での長期構造用途には他の合金または保護設計が求められます。
用途
| 業界 | 代表部品 | 5456が使われる理由 |
|---|---|---|
| 海洋 | 船体板、上部構造パネル | 海水に対する高い耐食性と溶接構造物に求められる良好な強度 |
| オフショア／エネルギー | プラットフォーム部品、配管支持材 | 塩素環境下での大断面構造部材に求められる強度と溶接性 |
| 自動車／輸送 | トレラーパネル、構造用断面材 | 高い強度対重量比とボディ・シャシー部品に必要な耐凹み性 |
| 航空宇宙 | 二次構造材、付属部品 | 非熱処理合金が求められる強度と破壊抵抗性 |
| 電子／熱管理 | ヒートスプレッダー、フレーム | 受動冷却に適した高い熱伝導性と低密度 |
5456は高Mgによる強度、良好な溶接性、海洋耐食性を兼ね備えた構造材として広く指定されています。これらの特性のバランスにより、重厚板や溶接構造物、析出硬化を必要としない耐食性を維持すべき部品に多く用いられています。
選定のポイント
5456は、商業純アルミ合金よりも高い強度を持つ非熱処理アルミニウムを求めるエンジニアに適した選択肢です。1100と比較すると、電気伝導性や成形性をやや犠牲にする代わりに、降伏強さおよび引張強さが大幅に向上しています。
3003や5052のような加工硬化型合金と比べると、5456は一般的に強度が高く、海水中での耐性も優れる一方で、H116などの安定化処理を施された条件でない場合、塩素応力腐食割れ（SCC）への感受性が高まることがあります。6061や6063のような熱処理型合金と比較すると、5456は耐食性および溶接性に優れるものの、最大強度は劣ります。したがって、最大強度よりも耐食性と溶接の信頼性を優先する場合に5456が推奨されます。
調達や設計においては、成形条件や使用環境に応じたテンパー選択（O、H32、H116）を優先し、溶接時のフィラー材との適合性を確認してください。また、海洋環境でのSCCが懸念される場合は安定化処理の指定が必要です。5xxx系合金のコストと入手性は概ね良好ですが、設計初期段階で現地ミル在庫のテンパーや板厚の選択肢を確認することを推奨します。
まとめ
5456は、Mg含有量による高強度と優れた海洋耐食性、そして容易な溶接性を兼ね備え、熱処理が困難な構造および海洋用途で現在も有用なエンジニアリング合金です。テンパー依存の特性が予測可能であり、板材、シート材、押出材での供給が可能なため、強度、耐久性、加工性のバランスを重視する設計者にとって実用的な選択肢となっています。