アルミニウム8090：組成、特性、硬質区分ガイドおよび用途
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総合概要
8090は8xxx系アルミニウム合金に属し、リチウムを主な合金元素として含むことで特徴付けられています。これらの合金は、密度を低減し、従来のAl-Cu/Mg系に比べて析出相の変化をもたらすために十分な量のLiを添加し、優れた強度対重量比と弾性係数の向上を実現するよう開発されています。
8090の主な合金元素には、リチウム、銅、マグネシウムが含まれ、再結晶化と結晶粒構造を制御するために微量のジルコニウムや微量元素が添加されます。リチウムは密度低減と弾性率向上に寄与し、銅とマグネシウムは析出硬化を通じて強化をもたらし、ジルコニウムやチタンは結晶粒を微細化し、オーバーエイジングに対する微細析出物による微細構造の安定化を図ります。
8090は熱処理可能な合金であり、主に固溶処理、急冷、人工時効により微細な析出物（通常はT1型、δ′型、S型金属間化合物など、化学組成により変化）を生成し強度を得ます。本合金は高比強度に加え、多くの高強度2xxx系合金に比べ疲労亀裂進展速度の改善と適度な耐食性を備えており、軽量化と高い構造性能を要する用途に適しています。
8090の代表的な用途は航空宇宙の主要・二次構造部材、高性能地上輸送機器（特に軽量化が重要な場合）、および特殊な軍事・宇宙用ハードウェアなどです。設計において高い比強度と剛性、部品質量の削減、そして疲労耐性を優先する際に、より狭い加工条件と厳密な耐食管理を要するものの8090が選択されます。
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 (20–30%) | 優秀 | 優秀 | 完全退火状態で成形・接合に最適 |
| T3 | 中高 | 中 (10–18%) | 良好 | 中程度 | 固溶処理後冷間加工し自然時効した、バランスの取れた特性 |
| T4 | 中 | 中高 (12–20%) | 良好 | 中程度 | 固溶処理後自然時効し、中間的な強度 |
| T6 | 高 | 低中 (6–12%) | 限定的 | 難しい | 人工ピーク時効状態で最も一般的な高い静的強度 |
| T8 | 高 | 低中 (6–12%) | 限定的 | 難しい | 固溶処理後冷間加工し人工時効して靱性を向上 |
| T86 | 高 | 低中 (6–12%) | 限定的 | 難しい | T8の変種で、特性の変動を抑制する制御安定化処理 |
| H1x / H2x | 変動 | 変動 | 変動 | 良好 | 板材や押出材に適用される加工硬化状態で、特定の成形性・強度を実現 |
8090の調質選択は、析出配列と析出物分布が温度および変形によって影響を受けるため、静的および繰返し性能に大きく影響します。ピーク時効調質（T6/T8/T86）は最高の引張強さと降伏強さを示しますが、延性および成形性の低下を伴います。成形や接合を優先する場合は退火または軽度時効状態が用いられます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.05–0.20 | 脆い金属間化合物の抑制と靱性保持のため低シリコンを管理 |
| Fe | 0.05–0.25 | 疲労寿命低下を抑制するため粗大金属間化合物の発生を低減 |
| Mn | 0.02–0.15 | 微量元素；結晶粒構造や耐食性に影響を与える |
| Mg | 0.3–1.0 | Cuと組み合わせて析出硬化を促進し基材を強化 |
| Cu | 2.0–3.0 | 析出物形成（T1、θ′類相）を通じて主に強化を担当 |
| Zn | 0.05–0.50 | 低濃度に維持。Zn増加は強度向上に寄与するが応力腐食割れを促進 |
| Cr | 0.00–0.10 | 粒界制御と再結晶化制限のため微量添加 |
| Ti | 0.00–0.10 | 鋳造品および圧延品の粒子微細化に添加 |
| Li | 1.6–2.5 | 合金シリーズの特徴元素。密度低減と弾性率向上を実現 |
| Zr | 0.05–0.25 | 微細なAl3Zr析出物を形成し、亜粒構造を固定して結晶粒成長を抑制 |
| その他 | 残部Al、微量元素 | 製造管理にB、Ca、Srなどの微量元素が含まれる場合があり、供給者仕様を参照 |
上記成分範囲は一般的な製造公差であり、製造者や製品形態により異なります。正確な化学成分は製造証明書を確認してください。LiとCuが性能の鍵を握り、Liは密度低減と弾性率向上、CuおよびMgは析出硬化応答を制御します。ZrとTiは再結晶化および時効微細構造の安定性の管理を担います。
機械的性質
引張特性において8090は人工時効により降伏強さおよび引張強さが顕著に向上する一方で、退火状態では高い延性と成形性を維持します。ピーク時効調質の降伏強さは退火や自然時効状態に比べ大幅に高いものの、加工硬化能力の減少および破壊前の許容変形範囲の制限が伴います。
硬さは時効状態および急冷感受性による板厚に密接に関連し、薄板では厚物よりも急冷・時効後の保持強度が高い傾向にあります。8090の疲労耐性は一般的に多くの2xxx系合金に比べ、同等の静的強度において優れており、これはより微細な析出物と析出物ネットワークが亀裂発生と初期進展を遅延させるためです。
板厚および製品形状は機械的性質と得られる調質に影響を与えます。厚板や押出材は内部の急冷軟化を受けやすく、均質な特性を得るためには修正熱処理やオーバーエイジング管理が必要となります。
| 特性 | O/退火状態 | 主要調質（例：T6/T8/T86） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 160–240 MPa | 420–520 MPa | ピーク時効強度は化学組成と板厚により変動 |
| 降伏強さ | 60–140 MPa | 340–420 MPa | 高強度調質で降伏強さ／引張強さ比が厳しくなる |
| 伸び | 18–30% | 6–12% | 強度増加に伴い延性は大幅に低下 |
| 硬さ（ビッカース） | 35–50 HV | 120–150 HV | 硬さの増加は引張強度変化に対応し、板厚依存性あり |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.62–2.66 g/cm³ | Li含有により従来のアルミニウム合金より低減 |
| 融点範囲 | 約500–655 °C | 微量合金元素に依存する固相線–液相線範囲。純アルミ約660 °C |
| 熱伝導率 | 約110–140 W/m·K | 純アルミや一部6xxx系より低く、合金元素の添加で減少 |
| 電気伝導率 | 約28–38 % IACS | 合金元素と析出状態による低下 |
| 比熱 | 約0.85–0.92 J/g·K | 室温において他のアルミ合金と類似 |
| 熱膨張係数 | 約21–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C) | Li添加により多くのアルミ合金よりやや低く、熱寸法安定性が重要な用途に適する |
8090の低密度は構造部材の直接的な軽量化に寄与し、比弾性率の向上にもつながります。熱伝導率と電気伝導率は高純度アルミに比べ中程度であり、放熱性能を要する設計では熱伝導低下を考慮する必要があります。熱膨張係数のわずかな低減は、熱サイクルが繰り返される組立体の寸法安定性改善に役立ちます。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度の特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3–6.0 mm | 薄板で均一な性質を示す | O, T3, T6, T8 | 成形された外皮や胴体パネルに広く使用される |
| プレート | 6–50+ mm | 厚板では焼入れ感受性により強度が低下する場合がある | T6系、T86 | 均質化のために専門の焼入れおよび時効処理が必要 |
| 押出形材 | 複雑な断面形状 | 軸方向に高い方向性強度を持つ | T3, T6, T8 | 構造用レールやストリンガーに使用され、押出しにより微細構造が伸長する |
| チューブ | 壁厚1–25 mm | 軸方向の機械的特性が良好 | T6, T8 | 重量に敏感なフレームにはハイドロフォーム加工されたチューブが使用される |
| 丸棒・棒材 | Φ5–150 mm | 長手方向に優れた機械的異方性を示す | T6, T8 | 機械加工された継手部品やファスナーの素材として使用される |
加工ルートと製品形状が達成可能な特性を決定する。Al-Li合金では鋳造材から圧延材への転換は稀であり、ほとんどの8090製品は圧延材であり、溶体化処理と焼入れ速度の厳密な管理が必要である。薄板製品は焼入れ速度が速いため、時効後に高い残留強度を得やすいが、厚板製品は特性の均一性を確保するために熱処理サイクルの修正や後加工機械加工が求められる。
相当材料
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 8090 | アメリカ | 北米の主要メーカーにより認知されており、供給者固有のバリエーションあり |
| EN AW | — | ヨーロッパ | 単一の調和されたEN相当品はなく、類似のAl-Li合金が使用される（製造所に確認要） |
| JIS | — | 日本 | 地域特有のAl-Li合金が存在するが、直接的なJIS相当品は一般的に標準化されていない |
| GB/T | — | 中国 | 中国規格には類似の化学成分を持つAl-Li合金が含まれるが、必ずしも1:1の直接相当ではない |
8090は特殊なAl-Li合金組成であるため、国際的に一対一の普遍的な相当品は存在しない。地域ごとの製造者は微妙に異なるLi/Cu/Mgバランスの合金を独自の呼称で供給することが多い。エンジニアは材料の代替時に、単なる鋼種番号だけでなく、化学成分と調質応答を比較検討する必要がある。
耐食性
8090は大気環境下で適切に表面処理されれば、多くの熱処理型アルミニウム合金に匹敵する一般的な耐食性を示す。LiおよびCuの存在があるため、銅が腐食促進を引き起こす可能性のある腐食環境では、表面の精密な前処理と保護コーティングが必要となる。陽極酸化処理や近代的なコンバージョンコーティングが一般的に用いられる。
海洋環境においては、塗装またはシールされた構造物であれば合理的な耐食性を示すが、露出した8090は5xxx系のマグネシウム系合金に比べて塩水霧やスプラッシュゾーンでピッティング腐食が増大しやすい。沿岸および沖合用途では、隙間の回避、残留応力の管理、異種金属の絶縁が設計上重要である。
高強度調質では応力腐食割れのリスクが存在し、特に還元性物質が存在する環境やガルバニックカップリングによる局所損傷が加速される場合に注意が必要。8090は析出相の分布により一部の2xxx系合金よりSCC耐性が高いが、5xxx系の多くの合金ほどの本質的な耐応力腐食性はなく、設計上の抑制策や溶接後の処理が一般的である。ステンレス鋼やカーボンファイバー複合材とのガルバニック相互作用は絶縁層や犠牲アノードによる保護が推奨される。
加工性
溶接性
8090はリチウムの影響で溶接金属の多孔性や高強度Al-Cu系の熱割れを生じやすいため、非熱処理型合金に比べ溶接は難しい。GTAWやMIGによる融合溶接はO調質や過時効調質で注意を払って行うことが可能だが、高強度調質では熱影響部の硬さが低下し、溶接後の補修や局所的な熱処理がしばしば必要となる。溶接時にはAl-Li系向けの専用有色金属や、感受性の低いAl-Mg系のフィラー材とすることが推奨され、溶接前後の熱機械的処理によって変形および特性低下の管理を行う。
機械加工性
8090の機械加工性は他の高強度アルミニウム合金と同程度であり、硬質分散相や金属間化合物粒子のため高純度系より研磨性がやや劣る。カーバイド工具を用いて適度な切削速度で加工し、破断性の良い切りくず制御が望ましい。冷却および切りくず排出がエッジのビルドアップや加工熱の増大を防ぐ上で重要である。工具形状はポジティブラジアス角を持ち、低切り込み・高送り条件で良好な仕上げ面と工具寿命が得られる。
成形性
8090の成形は焼なましまたは軽度時効調質で最も効果的であり、ピーク時効状態では伸び成形性が限定され、延性限界を超える加工では割れが生じやすい。高強度調質では曲げ半径に余裕を持たせることが必要で、最低曲げ半径は調質や方向によって板厚の数倍程度となる。著しい成形を行う場合は、溶体化処理および制御時効やインクリメンタル成形、あるいは温間成形手法を併用すると延性向上が期待できる。
熱処理特性
8090は熱処理可能な合金で、溶体化処理後の人工時効により微細で整合性の高い析出相が形成される。溶体化温度は断面サイズや組成により異なるが一般に中温の500 °C台で設定され、溶体保温および迅速な焼入れが粗大な析出相の生成を抑制し、残留固溶体を保持し後段の時効効果を最大化する上で重要である。
Al-Li系の人工時効は120〜190 °Cの範囲で行われ、時刻・温度管理（T6/T8系）が強化相形成と靭性・耐食性の均衡を保つ。アプリケーションによっては過時効処理を行い、ピーク強度を犠牲にして応力腐食割れ耐性や靭性を向上させる。T86系の安定化調質は使用中の特性維持に用いられる。
非熱処理性強化は8090の主な強化法ではないが、溶体処理後に冷間加工してから時効処理（T8）することで降伏強さ向上や疲労性能の改善を狙い、ひずみ誘起析出相形成を促進するのが一般的な手法である。
高温特性
8090の荷重を受ける用途での使用可能温度範囲は一般に時効温度を大幅に下回り、約150〜175 °Cを超える持続的な曝露は進行性の軟化とピーク強度の低下を招く。高温曝露により析出相の粗大化および微細強化相の溶解が加速し、静的強度および疲労特性の低下を引き起こす。
サービス温度における酸化は最小限であるが、アルミニウムが生成するAl2O3被膜により保護されている。ただし、攻撃的な化学種を含む高温環境では被膜が劣化しやすい。溶接の熱影響部は特に過時効および残留応力による劣化に脆弱であり、高温の断続的な曝露に注意が必要である。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 8090の採用理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 胴体外皮、フロアビーム、構造用継手 | 高い比強度と剛性により軽量化を実現 |
| 海洋 | 高性能船体部品、ハードウェア | 重量対強度の向上。塗装・絶縁施工に適合 |
| 航空宇宙・軍事 | ストリンガー、フレーム、着陸装置継手（副次部品） | 疲労耐性と動的荷重に対する軽量化 |
| 電子機器 | 軽量構造用筐体 | 優れた重量対強度および寸法安定性 |
8090は設計で1kgの軽量化がシステム全体の性能向上に直結する場合や、加工・仕上げにおいて環境的・製造上の弱点が管理可能な場合に選択される。
選定のポイント
質量削減と高比剛性が最優先条件で、製造設備が熱処理、焼入れ、耐食保護の管理を行える場合に8090は適している。特に単位質量当たりの疲労耐性が重要で、調達・加工コストが性能向上で合理化される環境で利用される。
商用純アルミ（例：1100系）と比較すると、8090は電気・熱伝導率や成形性を犠牲にして、格段に高い強度と弾性率を得る。一般的な加工硬化型合金（例：3003 / 5052系）と比較しても、8090はピーク強度と疲労亀裂進展耐性が大幅に優れるが、耐食保護により注意が必要で高強度調質での成形性は劣る。汎用熱処理型合金（例：6061 / 6063系）と比べると、8090は同等かやや低い絶対ピーク強度ながらも比強度・比剛性が優れており、質量と剛性が決定的に重要でAl-Li加工が可能な供給体制がある場合に推奨される。
まとめ
8090は、高い比強度、向上した剛性および疲労性能が厳密な加工管理と保護対策を正当化する場合において、依然として有用です。適切な調質選択、表面保護および製作方法と組み合わせて使用することで、航空宇宙分野やその他の重量に敏感な産業において、軽量で高性能な構造体を実現する効果的な手段を提供します。