アルミニウム 5754：組成、特性、硬質処理ガイドおよび用途
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総合概要
5754は5xxx系アルミニウム合金の一種で、主成分としてマグネシウムを含むAl‑Mg族に属します。一般的に軋延製品形態で供給され、EN AW‑5754およびAA‑5754の規格に分類されます。Mg含有量が約2.6〜3.6 wt%と比較的高く、熱処理不能な商業用マグネシウム合金の中でも高強度に位置づけられます。
5754の強化は主に固溶強化および加工硬化によって達成され、析出硬化などの熱処理による強化は行いません。熱処理不能合金のため、性能は冷間加工や熱機械的処理によって調整され、溶解・時効サイクルによる調整は行われません。
5754の主な特長としては、純アルミニウムや多くの3xxx系や1xxx系合金に比べて高い強度、大気および海洋環境における優れた耐食性、Al‑Mg系溶接用フィラー金属を用いた良好な溶接性、およびアニーリング状態で特に良好な成形性が挙げられます。代表的な用途分野は、自動車のボディおよび構造部品、海洋およびオフショア構造物、圧力容器、強度や疲労耐性、耐食性が求められる一般的な鋼板・板材用途です。
エンジニアは、熱処理可能合金のコストや工程的制約を避けつつ、適度から高強度のバランス、安定した耐食性、および良好な冷間成形性が必要な場合に5754を選択します。溶接頻度が高く、マグネシウム含有量の増加によって船舶の耐久性を損なわずに強度アップが求められる場合にもよく用いられます。
調質バリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い（20〜30%） | 非常に良好 | 非常に良好 | 完全アニーリング済みで複雑な成形に最適な最大延性 |
| H111 | 中程度 | 中程度（12〜20%） | 良好 | 非常に良好 | やや加工硬化しており、一般用途向けに多く供給される |
| H22 | 中高程度 | 低め（8〜15%） | 普通から良好 | 非常に良好 | 1/4硬さの状態で、強度と成形性のバランスが良い |
| H24 | 高い | 低〜中程度（6〜12%） | 普通 | 良好 | 加工硬化および部分的に安定化され強度が向上 |
| H34 | 高い | 低い（4〜10%） | 限定的 | 良好 | より強い加工硬化が施され、より高い降伏強さが必要な用途向け |
調質は主に冷間変形による転位密度の増加（H系調質）か、加工硬化を除去するO調質で5754の性能を変化させます。アニーリングされたO調質は深絞りや複雑な曲げ形状に対して最高の引き延ばし性と伸展成形性を提供します。
加工硬化が強くなるほど降伏強さと引張強さが上昇し、伸び率や曲げ性は低下します。溶接性は調質に関わらず概ね良好ですが、硬い調質では延性低下を考慮した接合設計が必要です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 最大0.40 | 不純物；低シリコンが延性保持に寄与 |
| Fe | 最大0.40 | 一般的な不純物；形態素の生成により成形性に影響する場合あり |
| Mn | 最大0.50 | 結晶粒制御や強度・再結晶耐性向上に寄与 |
| Mg | 2.6〜3.6 | 主強化元素で耐食性と加工硬化性を改善 |
| Cu | 最大0.10 | 耐食性低下を避ける低含有 |
| Zn | 最大0.20 | 微量不純物；高含有は延性低下を招く可能性あり |
| Cr | 最大0.30 | 微量合金元素で結晶粒制御と過度な粒成長抑制 |
| Ti | 最大0.15 | 鋳造時の結晶粒細化剤 |
| その他（各元素） | 最大0.05 | 性能安定維持のための微量元素上限 |
5754の性能調整は主にマグネシウム含有量によって決まり、強度の基準値、加工硬化性、および塩化物環境での孔食耐性に大きく影響します。マンガンとクロムは熱機械的処理時の結晶粒制御や合金の安定化に低濃度で添加されています。
銅と鉄は低濃度に抑えられ、合金の耐食性と延性を維持します。シリコンとチタンは圧延や押出し加工の安定化に関与しています。
機械的性質
5754は引張挙動において、アニーリング調質では優れた均一伸びを示す延性破壊モードを示し、加工硬化が進むにつれて伸び率は低下します。降伏強さと引張強さは調質に応じて増加し、O調質は伸び率と成形性を重視し、H調質は構造用途向けに実質的な強度向上を提供します。硬さは冷間加工による転位密度に比例し、Brinell硬さはOからH34まで顕著に上昇します。疲労強度は高い基礎強度により良好ですが、表面状態や板厚に敏感です。
5754の疲労性能は、より低強度の商業用純アルミと比較して有利です。これは中程度の固溶強化により割れ進展抑制が期待できるためです。板厚の影響は大きく、薄板は冷間圧延により明らかに強度が高く、曲げ・成形制限は板厚と調質で変化します。成形や溶接による表面仕上げや残留応力も疲労寿命に大きく影響します。
| 特性 | O/アニーリング | 主要調質（H111/H22） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（UTS） | 115〜155 MPa | 220〜265 MPa | 加工硬化によりUTSが著しく向上；板厚や供給元により値は差異あり |
| 降伏強さ（0.2%オフセット） | 35〜65 MPa | 125〜170 MPa | H調質で降伏強さが急増；設計では認証済みの調質データを使用 |
| 伸び率（A50mm） | 20〜30% | 8〜18% | 調質により延性は低下；最小伸び率は板厚と加工条件による |
| 硬さ（HB） | 25〜35 HB | 60〜85 HB | Brinell硬さは強度と加工硬化に連動 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.66 g/cm³ | Al‑Mg軋延合金として標準的；質量計算や剛性評価に重要 |
| 融解範囲 | 約605〜650 °C（固相線〜液相線） | 合金固有の溶融範囲；鋳造や凝固挙動は微量元素に左右される |
| 熱伝導率 | 約120〜160 W/m·K | 純アルミより低いが依然として高く、熱管理用途に適合 |
| 電気伝導率 | 約28〜36 % IACS | Mg添加により純アルミより低下；導体設計や電磁干渉対策に影響 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 他のアルミ合金とほぼ同等；熱過渡解析に有用 |
| 熱膨張係数 | 約23.5 ×10⁻⁶ /K | 温度サイクルでの構造設計に重要な線膨張係数 |
5754はアルミニウムの望ましい熱的・電気的特性を多く維持しつつ、合金元素により電気伝導率や伝導安定性は若干低下しています。密度と熱膨張率の数値は異種材料接合や精密組立において、温度差による応力発生の評価に不可欠です。
融解・固相範囲はろう付けや溶解工程での熱管理の指針となり、二次相の初期融解を防止し、軋延加工に適した微細構造を確保するためにも慎重な温度管理が求められます。
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 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼板 | 0.3〜6.0 mm | 調質および圧延減厚により強度変動 | O、H111、H22、H24 | 自動車パネルや船舶デッキで広く使用 |
| 板材 | 6〜30 mm | 延性は低めだが、強化されたH調質で供給可能 | H24、H34 | 圧力容器や骨組み用の構造用板材 |
| 押出形材 | 多様な断面形状 | 押出後の調質による強度変化；加工硬化処理あり | O、H111 | 手すり、コンベヤー、構造断面向けプロファイル |
| 管材 | 壁厚0.5〜10 mm | 鋼板と類似した挙動；圧力荷重に対して壁厚が重要 | H111、H22 | 耐食性が必要な熱交換器管や流体ライン |
| 棒材・丸棒 | 直径5〜100 mm | 圧延や冷間引抜で高強度化可能 | H111、H34 | 耐食環境で使用される機械加工部品、継手、ファスナー |
鋼板および薄板が最も一般的な製品形態であり、Oおよび軽度なH調質で深絞り、折り返し、油圧成形に最適化されています。板材および押出形材はより高強度の断面が必要な場合に使用され、押出形材は形状加工用にO調質で供給されることもあれば、最終用途向けに加工硬化調質で供給される場合もあります。
加工方法の違い（圧延、押出、引抜き）は組織の方向性および異方性に影響を与えます。設計者は、曲げ、引張、疲労に対して重要な方向特性を考慮する必要があります。
等価鋼種一覧
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 5754 | USA | American Aluminum Associationによる加工合金の指定 |
| EN AW | 5754 | Europe | EN規格の指定。欧州の材料規格ではAlMg3.5と呼ばれることが多い |
| JIS | A5754 | 日本 | 日本工業規格の類似組成に対するA5754の表記 |
| GB/T | AlMg3.5 | 中国 | 中国の規格で、名目上のMg含有量でAlMg3.5と表記されることが多い |
各規格間の等価性は機能的に成立しますが絶対的ではありません。名目上の元素組成範囲や許容される不純物には、サプライヤーの証明書や地域の基準間でわずかな違いがあります。これらの小さな違いが成形限界、アルマイト表面仕上げ、認定された機械的性質に影響を及ぼすため、重要部品では仕様の確認と材料証明書の内容精査が必要です。
グローバル調達を行う際には、詳細な化学成分および機械試験報告書の提出を求め、テンパーの定義（例：H111の幾何学的およびひずみ限界は製造所により異なる解釈をされる場合がある）に注意を払うべきです。
耐食性
5754は大気環境下で非常に良好な耐食性を示し、多くのアルミニウム合金と比較して海洋環境や塩化物含有環境でも良好に機能します。比較的高いMg含有量により、表面が機械的に損傷した場合や保護塗装がない状態で強力な陰イオンが存在すると局部的な孔食が発生しやすくなりますが、コーティングやアルマイト被膜で保護された場合、5754は海水曝露において長寿命を示します。
応力腐食割れ（SCC）は高強度アルミ合金ほど大きくはありませんが、Mg含有量の増加や成型や溶接による引張残留応力の存在によりSCC感受性は増加します。設計者は応力集中の制御、溶接後の熱処理、および適切なテンパー選択によりSCCリスクを軽減する必要があります。
異種金属接合においては亜鉛めっき、犠牲陽極、または絶縁処理が重要です。5754は鋼やより貴な金属に対してはカソード（陰極的）ですが、特定条件では純アルミに比べてアノード（陽極的）となるためです。6xxx系（Al-Mg-Si）と比較すると、5754は局部腐食耐性が優れますが、アルマイト後の塗装付着性は劣ります。3xxx系（Al-Mn）と比較すると、5754は高強度で塩化物耐性は同等かやや優れています。
加工特性
溶接性
5754は適切な消耗品とパラメーターを使用すればTIG、MIG/GMAW、抵抗溶接で容易に溶接可能です。一般的な溶接には5356や5183（Al-Mg系充填材）が推奨され、母材の強度に合わせてガルバニック腐食や耐食性問題を最小化します。特定の溶接プロセスを除き、シリコン含有量の高い充填材は避けてください。本合金群は熱割れのリスクは比較的低いものの、熱影響部における延性低下や局所的軟化が生じる場合があるため、疲労が重要な部品では溶接後の機械的仕上げや応力除去処理が必要になることがあります。
機械加工性
5754の機械加工性は6xxx系に比べて中程度から難しいとされ、延性の高さと加工硬化傾向によります。正の逃げ角、せん断角の高い炭化物工具と良好な切り屑分断性能を持つ工具が推奨されます。ビルドアップエッジの発生や工具温度を制御するため切削速度の調整も重要です。表面仕上げおよびバリ発生は鋭利な工具、十分な冷却液供給、最小限の1歯当たり送り量で制御可能です。押出棒材や厚板は寸法安定性向上のため事前応力除去が必要になる場合があります。
成形性
完全退火のO状態では優れた成形性を示し、曲げ半径を小さく取れ深絞り成形もバネ戻りを抑えて行えます。O状態の板厚に対する最低内側曲げ半径は単純曲げで1～2倍、Hテンパーではひび割れ防止のため3～6倍程度必要です。冷間加工は降伏強さを増加させ延性を低下させます。複雑なスタンピングでは主な深絞りにO材を用い、最終仕上げに軽い加工硬化を計画すると効率的です。
熱処理挙動
非熱処理型合金の5754は、溶体化処理や析出硬化により強度が向上しません。機械的特性は冷間加工および焼鈍処理により制御されます。焼鈍は再結晶温度帯に加熱（通常300～415 °C、時間・加工履歴による）し、徐冷することで完全軟化が得られ延性が回復しますが強度は低下します。
冷間圧延、引抜、曲げによる加工硬化は転位密度を増加させ、降伏点・引張強さを高めます。硬化度合いは塑性変形量に比例します。H24などの安定化や部分焼鈍テンパーは、材料を完全に軟化させずに残留応力を一部緩和する熱処理により得られます。
高温性能
5754では高温により回復・再結晶が促進され、比較的低めの温度で降伏強さ・引張強さが著しく低下します。約100 °C以上の連続使用で降伏強さが徐々に低下し、約150～200 °Cを超える曝露では顕著な軟化および微細構造の変化が生じ機械的性能が損なわれます。
大気中の通常温度では表面のアルミナ被膜により酸化は最小限ですが、高温長時間暴露によりスケール形成が増加し、塗装・接着に重要な表面化学が変化することがあります。溶接部や熱影響部では熱サイクルにより局所軟化や組織粗大化が起きるため、設計においては高温暴露を抑制するか、可能な場合は溶接後の熱処理による安定化を施すべきです。
用途例
| 産業分野 | 例示部品 | 5754が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | ボディパネル、内装構造部品 | 成形性、強度、耐食性のバランスが良く、表面・構造部品に適する |
| 海洋 | デッキ、船体付属品、構造用板材 | 塩化物環境に強く、良好な溶接性を持つため塩水環境向けに適する |
| 航空宇宙 | 二次構造用部品、内装パネル | 重量当たり強度と疲労耐性が優れ、一次構造以外に適する |
| 電子機器 | 放熱器、筐体 | 熱伝導性と耐食性を備え、成形性にも優れる |
| 圧力容器 | 低圧タンク、配管 | 耐食性と加工のしやすさを備え軽量化に寄与 |
5754は等方性のシート強度、信頼性の高い耐食性、コスト効果の高い加工性を要求される場合によく指定されます。一般的なAl-Mg充填材による溶接が可能で海洋環境に耐えうることから、幅広い構造用およびクラッド部材に最適な選択肢です。
選定のポイント
5754は1100のような商用純アルミより高い強度を求めつつ、成形性と耐食性を保持したい場合に実用的な選択肢です。1100に比べ電気・熱伝導率は若干低下しますが、構造用途で重要な降伏強さ・引張強さが大幅に向上します。
3003や5052といった一般的な加工硬化合金と比較すると、5754は概ね高強度で塩化物耐性も同等かそれ以上です。熱処理型アルミニウム合金の6061と比較すると、ピーク強度では劣るものの、広範な溶接や長期耐食性、優れた延性が求められる用途においては5754が優先されます。熱処理に伴う変形や熱感受性を避けられる点も評価されます。
設計で強度、成形性、海洋耐久性のバランスが必要で、溶接や冷間加工が頻繁に行われる場合に5754を選択してください。テンパーや板厚が疲労や成形要求に与える影響を検証することも重要です。
まとめ
5754は固溶強化、高信頼の耐食性、優れた加工特性をコスト効率の高い圧延材として兼ね備え、広く使われているAl-Mg合金です。非熱処理型であるため製造が簡便であり、溶接、冷間成形、海洋用途で長期耐久性と安定した機械的性能が求められる場合に特に有用です。