アルミニウム 5457：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
5457は5xxx系アルミニウム合金の一つで、アルミニウム－マグネシウム系ファミリーに属し、マグネシウムが主な合金元素となっています。5xxx系に属するため、熱処理による強化はできず、固溶体中のMgと成形加工時の加工硬化によって主に強化されます。
5457の主要合金元素は比較的高いマグネシウム含有量（一般的に約4〜5 wt%）で、結晶粒の微細化と再結晶制御のためにマンガンと微量のクロム、チタンが添加されています。これらの合金元素の組み合わせにより、1xxx系から3xxx系の多くのアルミ合金と比較して、押出し用アルミ板としては高い強度と一般腐食に対する耐性の向上が実現されています。
5457の主な特徴は、非熱処理系合金として中程度から高い強度を持ち、適切なフィラーメタルを用いれば良好な溶接性を示し、軟質の調質では適度な成形性を持ち、適切に仕上げた場合には大気中および海洋環境での耐腐食性も良好である点です。主な用途は、自動車の外装ボディやフード、運搬用トレーラーやパネル、一般的な構造部品、および優れた強度対重量比と耐腐食性が求められる海洋・建築分野の一部用途です。
エンジニアは、一般的な加工硬化系の3000/5000系低Mg合金よりも高い降伏点および引張強度のバランスが必要な場合に、成形性や溶接性を複雑にする6xxx系や7xxx系の熱処理系合金を避けて5457を選択します。特に、Mgによる高強度を維持しつつ、外装用途での優れた耐腐食性と良好な塗装性を求める場合に適しています。
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 | 非常に良い | 非常に良い | 完全焼きなまし品、最大の延性で成形に適する |
| H111 | 中〜高 | 中程度 | 良い | 非常に良い | 一方向に加工硬化させたもので、板材成形に一般的 |
| H14 | 中程度 | 中〜高 | 非常に良い | 非常に良い | 四分硬調質で、強度を上げつつ中程度の成形に適する |
| H18 | 高 | 低 | 限定的 | 良い | 最大の圧延時強度が必要な用途向けの全硬調質 |
| H32 | 中〜高 | 中程度 | 良い | 非常に良い | 加工硬化および安定化されており、ばね戻りを抑制する用途に使用 |
| H116 / H321 | 中〜高 | 中程度 | 良い | 非常に良い | 応力腐食割れおよび塗装後加熱工程に対する耐性を改善した安定化調質 |
5457の調質は加工性と製品状態の強度のバランスを取るために用いられ、深絞りなど複雑な成形には軟質調質（O、H14）が、圧延後の降伏強さや引張強さを高める目的には硬質調質（H18、H32）が選択されます。海洋用途や塗装用途には、H116やH321などの安定化調質が選ばれ、熱による析出変化を抑え応力腐食割れへの感受性を低減します。
5457は非熱処理系合金のため、機械的性質の変化は溶体化および時効処理ではなく、冷間加工、応力緩和（ストレインエージング）、熱安定化が主な要因となります。6xxx系や7xxx系のような溶体化・時効処理は行われません。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | 典型的な不純物であり、延性や耐腐食性を維持するため低く抑える |
| Fe | ≤ 0.40 | 粒界での硬質相を形成し靭性や表面仕上げに影響を与える不純物 |
| Mn | 0.20–0.80 | 結晶粒の微細化および強度・靭性向上に寄与 |
| Mg | 4.0–5.0 | 主な強化元素であり、固溶体強化をもたらす |
| Cu | ≤ 0.10 | 強度向上に寄与するが耐腐食性低下を招くため低濃度に制限 |
| Zn | ≤ 0.25 | 微量であり、過剰だと電食促進の可能性がある |
| Cr | 0.05–0.25 | 再結晶制御および粒界腐食耐性の向上のため添加 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造・インゴット製造時に結晶微細化目的で添加 |
| その他（各元素） | ≤ 0.05–0.15 | 微量元素を含み、残部はAl |
高いマグネシウム含有量が5457の強度を低Mg系5xxx合金よりも高めており、マンガンは粒界を微細化して強度増強と耐腐食性保持に寄与しています。クロムとチタンは微量ながら構造の安定化と熱機械加工時の粒成長制御を行い、成形性を維持し再結晶に伴う軟化を抑えます。
機械的性質
5457の引張特性は調質や板厚により大きく変わります。軟質調質は高伸びで降伏強さが低め、一方で加工硬化調質は降伏強さおよび引張強度が高く伸びが低くなります。加工硬化調質は非熱処理合金としては比較的高い降伏点を持ち、薄板構造パネルの設計マージンとして有用です。
硬さは引張強さに比例し、冷間加工に伴って増加します。H18のような硬質調質はこの合金で最高のブリネル硬さまたはビッカース硬さを示し、O調質は極めて低硬度で優れた成形性と一致します。疲労性能は輸送用途で通常良好ですが、表面仕上げと耐腐食処理が重要であり、溶接部、切欠き、表面傷により疲労寿命が影響を受けます。
板厚の影響は大きく、薄板では圧延・冷間加工で加工硬化が進み、降伏強度・引張強度が高くなる傾向があり、厚物板材や押出材のストックはより軟らかく伸びも大きくなります。設計時には合金の調質および製品形態、板厚に適した物性値を使用すべきです。
| 特性 | O/焼なまし | 代表調質（H111/H32典型） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (MPa) | 200–260 | 320–380 | 板厚と加工硬化度により変動。表記値は板材製品の典型値 |
| 降伏強さ (MPa) | 80–150 | 200–310 | 冷間加工により急激に上昇。仕様は調質・板厚を参照すべき |
| 伸び (%) | 18–30 | 8–18 | 強度増加に伴い延性低下。要求される調質で成形性を評価する必要あり |
| 硬さ (HB) | 35–60 | 80–110 | 硬さは引張強度および冷間加工レベルに相関。品質管理に有効 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.69 g/cm³ | 他の高合金Al製品よりやや低く、優れた強度重量比を持つ |
| 固相線／液相線温度 | 約605–650 °C | 純アルミニウムに比べて合金により融点範囲が広がる |
| 熱伝導率 | 約120–140 W/m·K (25 °C) | 純アルミより低いが一般的な熱管理には十分。ただし1xxx系純アルミよりは低い |
| 電気伝導率 | 約28–36 % IACS | MgおよびMn添加により低下。電気用途や接合時に考慮すべき |
| 比熱 | 約880–920 J/kg·K | 室温付近のアルミニウム合金として標準的 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 µm/m·K | アルミ合金として標準的で、鋼材や複合材との熱膨張差を考慮する必要がある |
物理的性質から、5457は軽量かつ適度な熱性能が求められる用途に適していますが、最高の熱伝導性や電気伝導性が必要な場合には選択されません。熱膨張率はアルミ合金として標準的であり、異種材料との組み合わせ構造では温度変化に伴う応力発生に注意が必要です。
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 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5–4.0 mm | 冷間圧延および加工硬化により強度が向上 | O, H14, H111, H32 | 自動車パネルや建築用クラッディングに最も一般的に使用される形態 |
| プレート | >4.0 mm | 薄板に比べて加工硬化が低く、機械加工や溶接による構造用に利用 | O, H112 | 剛性、溶接性および穴あけが必要な場合に使用される |
| 押出材 | 断面形状 | 押出比およびその後の冷間加工により強度が決まる | O, H22, H32 | 軽量で強度が必要な構造フレームや補強材に使用される |
| 管材 | 直径 小径から大径まで | 肉厚と調質によって強度が左右される | H14, H32 | 軽量構造物、手すり、輸送用フレームに使用される |
| 棒材／丸棒 | 各種直径 | 一般的に冷間引抜きされていない場合は軟らかい | O, H12 | ファスナー、機械加工用部品、および製作部品に使用される |
加工の違いは機械的特性や用途に影響します。シートはボディパ
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 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5–4.0 mm | 冷間圧延および加工硬化により強度が向上 | O, H14, H111, H32 | 自動車パネルや建築用外装パネルに最も一般的に使用される形態 |
| プレート | >4.0 mm | 薄板に比べて加工硬化が低く、機械加工や溶接による構造用に適する | O, H112 | 剛性、溶接性、穴あけ加工が必要な用途に使用される |
| 押出材 | 断面形状 | 押出比率およびその後の冷間加工により強度が変化 | O, H22, H32 | 軽量強度が必要な構造フレームや補強材に用いられる |
| 管材 | 直径 小径から大径まで | 肉厚および調質によって強度が左右される | H14, H32 | 軽量構造物、手すり、輸送フレームに使用される |
| 棒材／丸棒 | 各種直径 | 通常は軟らかいが冷間引抜きの場合は除く | O, H12 | ファスナー、機械加工用部品、製作品に用いられる |
加工の違いにより機械的特性と用途が影響を受けます。シートはボディパネル向けに冷間圧延および加工硬化が頻繁に行われる一方、押出材やプレートは後加工や機械加工を考慮して軟らかい調質で供給されることが多いです。溶接や接合の手法も形態によって異なり、例えば管材や押出材の溶接ではフィラーメタル使用や溶接前後の処理が必要で、HAZ軟化を抑制します。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5457 | USA | 北米規格およびサプライヤーカタログで使用される呼称 |
| EN AW | 5457 | ヨーロッパ | EN呼称はAAと数値的に一致；化学成分や機械的性能は規格により若干異なる場合あり |
| JIS | — | 日本 | 完全に一致するJIS鋼種はなく、高Mg含有のAl–Mg系と類似するが、国内仕様を確認のこと |
| GB/T | 5457 | 中国 | 中国規格では5457を類似成分で記載するが、許容差や調質は異なる場合がある |
欧州仕様（EN AW-5457）では数値的にほぼ一致しますが、不純物の許容範囲、調質区分、試験方法に微小な違いがあるため、設計時には分析証明書を照合し、安易に互換性を前提としないことが重要です。JISおよび一部国規格では完全な対応品がない場合が多く、その際は成分と機械的特性の範囲で選定を行います。
耐食性
5457は保護酸化膜と比較的純度の高い合金成分により、一般的大気および工業環境で良好な耐食性を示します。マグネシウム含有量が多いことから、1xxx系や3xxx系よりも全般的に耐食性が向上していますが、FeやSiなどの不純物が高いほど局所腐食の感受性が増すことがあります。適切な表面仕上げ、コーティング、およびアルマイト処理により、建築用や輸送用途の長期耐久性が向上します。
海洋環境では、多くの構造用途に適した耐食性を持ちますが、マグネシウム含有量と応力レベルが上がると応力腐食割れ（SCC）の感受性も上昇します。H116/H321の安定調質や溶接後処理が一般的にSCCリスクの軽減に用いられます。銅系やステンレス鋼などより貴な金属との電気化学的腐食にも注意が必要で、適切な隔離措置やファスナー選択により局部的攻撃の促進を防止します。
6xxx系熱処理型合金と比較すると、5457は多くの塩素含有環境下で長期的な耐食性に優れています。一方、6xxx系はピーク強度が高い傾向があるものの、保護措置なしの本質的な耐食性は劣ります。低Mg含有の3xxx系や純アルミ1xxx系と比べ、5457は耐食性を大きく損なうことなく強度を高めており、外部構造パネルや海洋構造物に適しています。
加工性
溶接性
5457は一般的な溶接法（TIG、MIG/GMAW）で容易に溶接でき、ER5356やER5183などのAl-Mg系充填材を用いると、溶接金属の靭性や耐食性が向上します。高銅合金に比べて熱割れのリスクが低いものの、継手設計や溶接熱入力の管理はHAZ軟化や歪みを抑えるために重要です。HAZの溶接後の機械的特性は冷間加工母材に比べ低下するため、高応力用途では継手設計や溶接後処理も検討が必要です。
機械加工性
5457の機械加工性は自由切削鋼材や6xxx系と比較して中程度であり、切削条件が適切でない場合は擦り付きが発生することがあります。プレートや押出材のフライス加工・旋盤加工では、正しいポジティブラケット角を持つ超硬工具、剛性の高いワーク保持、及びフラッドクーラントの使用を推奨します。切削速度は中程度、切込み送りをやや速めに設定し、切りくずを断つことが望ましいです。断続切削時は耐欠け性の高い超硬材やコーティング工具の使用が効果的です。
成形性
成形性は調質と板厚に依存します。完全軟化（O材）や軽度加工硬化調質では深絞りや複雑なスタンピングが可能ですが、強硬調質では許容曲げ半径が大きくなり、ばね戻りも増加します。典型的なシート用途の曲げ半径は軟調質で厚みの2～4倍程度で、硬調質ではさらに大きくなります。複雑な形状の場合は量産前に必ず成形試験を行ってください。ウォームフォーミングや適切な金型設計により、高強度調質でも成形性を向上させ、割れやエッジの亀裂を抑制できます。
熱処理特性
非熱処理系合金である5xxx系の一員である5457は、溶体化処理や人工老化によって強度を高めることはできません。主な強化手段は加工硬化と熱安定化です。6xxx系で見られるような析出硬化は5457では認められず、設計者は実使用中の特性を設定するために圧延や加工硬化に頼ります。
アニーリング（O調質）は既存の加工硬化を除去し、成形加工時の延性を回復します。続く制御された冷間加工により、使用時の強度と伸びのバランスを調節します。H116やH321などの安定調質は低温熱処理や制御された時効により得られ、加工硬化の劣化や応力腐食割れへの感受性を低減しつつ、強度を大きく下げません。
高温特性
5457は中程度の高温で使用可能な強度を維持しますが、約100 °Cを超えると降伏強さと引張強さが徐々に低下します。100–150 °C以上の連続使用では、冷間加工組織の回復や部分的なアニーリングが進行することがあるため、機械的特性の維持を確認する必要があります。酸化速度はアルミニウム合金として標準的であり、保護コーティングやアルマイト処理によって高温環境での表面安定性が向上します。
溶接熱影響部（HAZ）は局所的に軟化しやすく、高温環境でこれが促進されるため、溶接を伴う熱サイクルがある場合は継手設計と熱管理が非常に重要です。熱膨張や隣接材料との剛性差も高温アプリケーションでの疲労や応力集中を避けるために検討すべき点です。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 5457が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 外装ボディパネル、内側補強パネル | 一般的な加工硬化合金より高強度かつ良好な成形性と塗装性を保持 |
| 海洋 | 上部構造パネル、甲板金物 | 海洋雰囲気に強い耐食性と製作品向けの良好な溶接性 |
| 航空宇宙／UAV | 二次構造部品、カウリング | 非主要構造部材に適した高い強度対重量比と優れた表面仕上げ |
| 輸送機器 | トレーラーパネル、コンテナ壁面 | 良好な剛性、靭性、および暴露構造向けの耐食性を兼備 |
| 電子／熱管理 | 軽量ブラケット、機械的支持部品 | 熱伝導と低密度を備えた軽量支持部材；高性能ヒートシンクには向かない |
5457は中〜高強度で良好な耐食性と加工多様性を求められる用途に広く選ばれています。特に自動車の外装パネルや輸送用外装では、成形・溶接の繰り返し作業を伴う生産工程に適しています。
選定のポイント
5457を選定する際は、商用純アルミ（例：1100）よりも高い降伏強さ・引張強さを求めつつ、良好な耐食性と成形性を両立したい用途に適しています。1100と比べて電気伝導性や熱伝導性、最終的な延性は若干劣りますが、構造用鋼材としての強度が大幅に向上しています。
3003や5052などの一般的な加工硬化合金と比較して、5457は強度が高く、一般的な耐食性も同等またはそれ以上を維持します。追加の強度が必要で、コスト増加ややや成形性が低下することが許容される場合は、5457を選択してください。6061や6063のような熱処理可能な合金と比べると、5457は時効硬化後のピーク強度には達しませんが、熱処理の複雑さがなく、通常は溶接性と耐食性に優れているため、加工の簡便さと耐食性能を最優先する場合には5457がおすすめです。
- 5457は外装構造用スキンや溶接組立部材、安定化処理された調質で応力腐食リスクが管理可能な用途に適しています。
- 最大の電気伝導性、複雑な深絞り用の極端な成形性、または熱処理後の最高強度が主な要件の場合は、5457の指定は避けてください。
まとめ
5457は熱処理の複雑さを伴わずにMgによる高い強度、耐食性、加工適性をバランス良く備えた、実用的なエンジニアリング合金として重要です。その機械的性質と耐食性のバランスにより、軽量で溶接性・成形性に優れた構造材料を求める自動車、船舶、輸送分野での用途に適しています。