アルミニウム5657：組成、特性、調質ガイド＆用途

総合概要

5657は5xxx系の鍛造アルミニウム-マグネシウム合金の一種で、非熱処理型の加工硬化系合金に分類され、強度と耐食性のバランスに優れています。主な合金元素はマグネシウムで、これにマンガンや微量元素（クロム、鉄、シリコン、チタン）が添加され、結晶粒構造や強度、成形性を制御しています。

強化は主にマグネシウムによる固溶強化と加工硬化によって実現されており、5657は熱的な時効硬化よりも冷間変形や各種H系硬化処理に対して優れた応答性を示します。特長としては、純アルミニウムに比べて降伏強さや引張強さが高く、海洋環境における一般腐食および孔食耐性に優れていること、一般的なAl–Mg系充填材を用いた良好な溶接性を持つことが挙げられます。成形性は焼なましや軽い加工硬化状態で良好ですが、高度な加工硬化がかかると低下します。

代表的な用途は交通機関（自動車や大型トラック部品）、海洋機器・造船、構造用途や建築材、ならびに強度対重量比と耐食性が求められる一部の電気・熱交換部品です。エンジニアは高強度で溶接可能かつ優れた海水耐食性が必要で、かつ成形性とコスト競争力を維持したい場合に5657を他合金より選択します。

硬質処理の種類

硬質処理	強度レベル	伸び	成形性	溶接性	備考
O	低	高い（20–30%）	優秀	優秀	完全焼なまし、深絞りや複雑な成形に最大の延性
H14	中	中程度（8–12%）	良好	優秀	軽度の加工硬化、追加強度が必要な成形板で一般的
H22	中-高	中程度（6–10%）	普通	優秀	加工硬化後に安定化処理し、自然時効の影響を低減
H32	高	やや低い（5–8%）	普通から良好	優秀	加工硬化かつ安定化処理、構造用パネルで一般的
H111	変動	変動	良好	優秀	押出および圧延品向けの単段階制御加工硬化硬質処理

硬質処理の選択は成形性と強度のトレードオフに大きく影響します。焼なましのO硬質処理が最も広い成形領域を持つ一方、H系硬質処理は降伏強さや引張強さを上げる代わりに伸びを抑制します。溶接時や溶接後の局所的変形が予想される場合は、H22やH32などの安定化処理された硬質処理が選ばれ、溶接後の軟化や寸法安定性を低減します。

化学成分

元素	含有範囲（%）	備考
Si	0.10–0.40	もろい間相の発生を抑制し耐食性を向上させるため低く抑制
Fe	0.20–0.60	一般的な不純物。粗大な鉄リッチ相による延性低下を防ぐため管理
Mn	0.20–0.80	結晶粒微細化と強度の安定化に寄与。再結晶への耐性を向上
Mg	4.8–5.8	主強化元素であり固溶強化と耐海水腐食性向上に貢献
Cu	0.05–0.20	耐食性低下と溶接性悪化を防ぐため抑制
Zn	0.05–0.30	粒界腐食感受性を抑え延性維持に寄与
Cr	0.05–0.25	結晶粒構造を制御し、感作および応力腐食割れ耐性を改善
Ti	0.02–0.10	鋳造品やビレット原料に主に使用される結晶粒微細化剤
その他（各元素）	≤0.05	残留元素および微量元素；残りはアルミニウム

マグネシウム含有量は合金性能の主因であり、固溶強化効果によって引張強さと降伏強さを高めると同時に海水に対する耐腐食性を向上させています。マンガンとクロムは微合金元素として結晶粒の成長を抑制し、再結晶や感作を緩和することで、運用中の靭性や応力腐食割れ（SCC）耐性の向上に寄与します。

機械的特性

5657の引張挙動は、硬質処理や板厚に強く依存する高い耐力（耐力強さ）と中程度の延性の組み合わせを示します。焼なまし状態では延伸率が大きく降伏強さが低い一方、加工硬化硬質処理では耐力が大幅に向上し延伸率が低下します。降伏強さおよび最大引張強さは冷間加工の度合いに比例して増加し、良好に成形された試験体の破壊モードは微小空洞凝集による延性的破断が一般的です。

硬さは強度と同様の傾向を示し、H系硬質処理レベルや追加の冷間加工の増加に伴って上昇します。疲労特性は合金の高い引張強さと比較的延性的な破断特性から恩恵を受けますが、疲労限度は表面仕上げ、成形や溶接に起因する残留応力および板厚の影響を受けます。特に板厚の影響が顕著で、薄板は冷間加工により高い有効強度を得やすい一方、厚板は成形性が低く疲労時の破壊モードも異なります。

特性	O（焼なまし）	代表的硬質処理（H32）	備考
引張強さ	150–200 MPa	320–380 MPa	板厚および硬質処理により変動；H32はOに比べて大幅に向上
降伏強さ	65–110 MPa	260–320 MPa	加工硬化と安定化処理で強度が著しく増加
伸び	20–30%	5–8%	硬質処理強化に伴い低下；板厚の影響あり
硬さ	35–45 HB	80–95 HB	ブリネル硬さで表示；硬度は冷間加工や硬質処理に連動

物理特性

特性	値	備考
密度	2.68 g/cm³	アルミニウム合金典型値、軽量設計計算に使用
融点範囲	約570–645 °C	固相線-液相線の範囲は合金成分や均質化処理に依存
熱伝導率	120–140 W/m·K	マグネシウムの固溶により純アルミより低いが、熱伝達用途では依然高い値
電気伝導率	約30–38 %IACS	純アルミに比べ低下。冷間加工で更に低下
比熱	約0.90 J/g·K	熱容量や過渡熱計算に用いられる典型値
熱膨張係数	23.5–24.5 µm/m·K	他のAl–Mg合金と同等。異種材料設計で考慮が必要

5657は機械的強度も求められる放熱部品や電気筐体に適した熱・電気特性を持ちます。熱伝導率は多くのパッシブ冷却用途で十分ですが、純アルミニウムに比べて低いことから、断面積やフィン形状の設計時には低下を考慮する必要があります。

製品形態

形態	代表的厚さ・寸法	強度特性	代表的硬質処理	備考
板材（シート）	0.3–6.0 mm	冷間圧延により強度向上	O、H14、H32	ボディパネル、海洋用途のトップサイドや構造スキンに広く使用
板厚材（プレート）	6–200 mm	初期成形性は低いが良好な構造強度	O、H32	重量構造部品や製缶構造体に利用
押出材	断面最大250 mm	下流の冷間加工により機械的強度が決まる	H111、H32	フレーム、レール、構造部品の複雑断面に適合
管材	直径6–300 mm 壁厚0.5–10 mm	製造方法により強度・成形性が異なる	O、H14	海洋・輸送向け圧力管および構造用パイプ
棒材／丸棒	直径5–150 mm	冷間引抜き硬質処理で良好な強度	H111、H14	ファスナー、機械加工部品、接続部材に使用

製造工程や製品形態は5657の最終物性に大きく影響します。圧延板やプレートは均質化、圧延、制御冷却を経て成形性の良い微細構造を形成しますが、押出材や鍛造材はビレットの品質と後処理による硬質処理で結晶粒構造と強度を管理します。加工や設計の選択は製品形状と要求機械特性の両方を考慮する必要があります。

同等グレード

規格	グレード	地域	備考
AA	5657	USA	構造用一般用途に指定された鍛造のAl–Mg合金
EN AW	5xxx（概略）	ヨーロッパ	最も近い相当品はEN AW-5xxx系にあり、MgおよびMn含有量で番号が異なる
JIS	A5xxx（概略）	日本	類似のMg含有量を持つJISのAl–Mg鍛造合金群に相当
GB/T	5xxx（概略）	中国	中国規格も同様の5xxx系を持つが組成の許容差が異なる場合あり

直接の相互参照は地域ごとの規格と組成の細かい許容差によって異なり、相当品は通常一対一の対応ではなく広義のAl–Mg鍛造合金のファミリーに入ります。各規格間の差異は通常、不純物限度、所定厚さでの保証機械的性質、特定製品形状に許される表面状態に関わります。

耐食性

5657はAl–Mg合金に典型的な良好な大気環境耐食性を示し、農村部や工業環境において基材を保護する安定した酸化膜を形成します。海洋や塩化物を含む大気下では、比較的高いマグネシウム含有量により1xxxや3xxx系合金に比べて孔食耐性が向上しますが、局所腐食を避けるために合金の調質状態、溶接条件、表面仕上げに細心の注意が必要です。

Al–Mg合金の応力腐食割れ（SCC）感受性はマグネシウム含有量と塩化物環境下での引張応力により増大しますが、5657はマンガンとクロムの添加により結晶粒構造を安定化し、感受性を低減しています。ガルバニック腐食はステンレス鋼や銅などより貴な金属との接触により進行するため、設計時には異種金属の絶縁や海洋環境では犠牲陽極の設置を検討し、薄肉部の保護を図るべきです。

6xxx（Al–Mg–Si）系合金と比較すると、5657は海水に対する耐食性が優れる一方、ピーク時の時効硬化強度は一般に低いです。7xxx（Al–Zn–Mg）系合金と比べると、最高強度は若干劣るものの耐食性と溶接性が大幅に向上しています。適切な表面処理、シーラントおよび陰極防食により厳しい環境での寿命延長が可能です。

加工性

溶接性

5657はMIG（GMAW）やTIG（GTAW）などの標準的な溶接プロセスで容易に溶接でき、強度および耐食性に合致したAl–Mg系のフィラー合金（例：ER5356、ER5183）が推奨されます。熱割れのリスクは拘束を最小限にして低水素化を心掛けることで低減可能です。熱処理不能合金のため、溶接後の熱影響部（HAZ）軟化は限定的ですが、局所的な硬さ低下や残留応力の増加は見込まれます。構造用途では溶接手順の認証および適切なフィラー選定が疲労やSCCに耐える接合性能確保に不可欠です。

機械加工性

延性のあるAl–Mg合金として、5657は自由切削合金に比べ中程度の加工難易度があります。切り屑は長く連続する傾向があり、切り屑処理対策が必要です。正の前角形状で鋭利な刃先を持つ硬質炭化物工具が表面仕上げと工具寿命のバランスに優れています。切削速度は中程度、切込みはビルドアップエッジを避けるように設定します。疲労寿命および腐食開始に影響するため、研磨や化学的バリ取り等の二次仕上げ加工が一般的に行われます。

成形性

O-temper状態での成形性は優れており、深絞り、複雑なスタンピング、中程度のストレッチ成形が可能です。焼なまし材では最小曲げ半径が小さく取れます。H-temperが導入されると、合金は急速に加工硬化しバネ性が増すため、設計者は大きめの曲げ半径を許容するか、中間調質を選択して成形後に安定化処理を行うべきです。ハイドロフォーミングやインクリメンタルフォーミングにより複雑形状の成形が可能になり、局所の薄肉化や破断リスクを低減します。

熱処理特性

5657は熱処理不能合金であり、固溶処理および人工時効による強度向上は期待できません。機械的性質は冷間加工および熱機械的処理によって制御されます。アニーリング（O-temper）は適切な均質化または再結晶温度まで加熱し、制御冷却することで展性を回復し成形を可能にします。残留応力の除去や微細構造の安定化を目的に中温条件での安定化熱処理が行われ、H22/H32の寸法安定性および自然時効耐性が付与されます。

析出硬化を受けないため、一般的なT系列固溶・時効処理（例：T6）は効果がなく、2xxxや6xxx系でみられる鋭敏な強度上昇は生じません。代わりに冷間加工比率、応力経路の管理、および低温安定化処理が最終的な加工性と使用性能を決定します。

高温特性

高温下ではマグネシウムによる固溶強化効果が溶質の移動性増加により弱まり、約100～150 °C以上で強度は徐々に低下します。短時間の200 °Cまでの間欠的暴露では荷重条件によっては機械的整合性が保たれますが、150 °C以上での長期使用は軟化および回復を促進して降伏点と疲労寿命を低減させます。鉄系合金に比べ酸化は抑制されるものの、温度上昇は粒成長や局所的な微細構造変化を促し、溶接後や疲労特性に影響します。

設計者は高温、引張応力、塩化物暴露の組み合わせを避けるべきで、これらは相乗的に応力腐食割れおよび腐食の感受性を増大させます。高温下での使用が必要な場合は、より温度安定性の高い合金や保護コーティングの採用を検討してください。

用途

産業	代表部品	5657が使われる理由
自動車	クラッシュレール、インナーボディパネル	高い強度対重量比、選択された調質状態で良好な成形性
海洋	船体板、甲板構造物	海水耐食性と溶接性の向上
航空宇宙	二次構造部材、フィッティング	非主構造に適した強度対重量比と良好な疲労特性
電子機器	ヒートスプレッダー、シャーシ	熱伝導性と機械的剛性のバランスによる堅牢な筐体

5657は最大強度よりも強度、耐食性、加工性のバランスが求められる場面で頻繁に指定されます。成形可能な板材部品から溶接構造体まで、ライフサイクルを通じた耐腐食性能と製造性が重要な設計指標である幅広い用途に適用されます。

選定のポイント

5657は、純アルミニウムより高い強度を求めつつ、海洋や構造用途での良好な耐食性と溶接性を保持する溶接可能なアルミニウムを必要とする設計者に適しています。初期の冷間成形が要求され、成形後の安定化やH-temperで寸法安定性を確保したい場合に有用です。

純アルミ（1100系）と比べると、電気および熱伝導率や純材としての成形性は若干犠牲にするものの、降伏強さや引張強さは大幅に向上します。3003や5052等の一般的な加工硬化合金と比較すると、5657は高い強度と同等以上の耐食性を持つ場合が多いですが、コストや導電率はやや劣ることがあります。6061のような熱処理可能合金と比べると、時効硬化ピーク強度は劣りますが、優れたシーム溶接性および海洋耐食性が重要視される用途で好まれます。

総括

5657は、強固な固溶強化、信頼性の高い溶接性、および塩化物環境下での高い耐腐食性を兼ね備えた非熱処理型アルミニウム合金を求めるエンジニアにとって実用的な選択肢です。機械的特性と製造特性のバランスに優れ、構造、海洋、輸送用途の幅広い分野で、ライフサイクル耐久性と製造効率を重視する設計に適しています。