アルミニウム EN AW-5251：組成、特性、硬さ区分ガイドおよび用途
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総合概要
EN AW-5251は、主要な合金元素としてマグネシウムを含む5xxx系列のアルミニウム・マグネシウム系合金に属します。このシリーズは、熱処理による強化ではなく主に冷間加工によって強度を得る非熱処理型の加工硬化合金として知られています。
EN AW-5251の主要な合金元素は、マグネシウム（強化の主成分）、微量のマンガン（組織制御用）、および鉄とシリコンの微少残留元素です。この合金は、中程度の強度と非常に優れた耐食性（特に大気中および軽度の海洋環境で）をバランスよく持ち、溶接性に優れ、軟質の調質では良好な成形性を示します。
本合金は、熱処理を必要とせず、成形性、耐食性、中程度の強度の組み合わせが求められる自動車のボディ部品、建築用パネル、海洋用金具、電子機器の筐体などの産業で採用されています。設計者は、商業純アルミニウムより高い強度と、一部の3xxx系列より優れた海洋環境での耐久性を備えたコスト効率の良い溶接性合金としてEN AW-5251を好みます。
高強度の熱処理型合金と比較して、EN AW-5251は溶体化および時効工程を必要としないため加工が簡単で、溶接構造物においても熱影響部の脆化が起こりにくく、より予測可能な挙動を示します。これにより、耐食性が重要な溶接組立、成形された板材、および押出形材の用途で魅力的な選択肢となっています。
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 (20–35%) | 優秀 | 優秀 | 完全焼鈍状態で深絞りに最大の靭性を発揮 |
| H12 | 低〜中 | 中 (10–20%) | 非常に良い | 非常に良い | 軽度の加工硬化で中程度の成形に適する |
| H14 | 中程度 | 中〜低 (8–15%) | 良好 | 非常に良い | 1/4硬化、成形性と強度のバランス |
| H16 | 中〜高 | 低〜中 (6–12%) | 可 | 非常に良い | 半硬化、露出パネルに一般的 |
| H18 | 高 | 低 (4–10%) | 限定的 | 非常に良い | 全硬化、高い剛性の板材用途向け |
| H22 | 中程度 | 中〜低 | 良好 | 非常に良い | 加工硬化後安定化処理済みで寸法安定性向上 |
| H24 | 中〜高 | 低〜中 | 可 | 非常に良い | 加工硬化＋人工時効（安定化）により降伏点改善 |
| H111 | 低〜中 | 高 | 優秀 | 優秀 | 焼鈍後に軽加工、成形性良好で一定の強度 |
5xxxシリーズの調質は主に冷間加工によるものであり、従来の熱処理の工程に依らないものです。O調質はスタンピングや深絞りに最大の靭性を発揮し、H番号の増加は加工硬化の度合いと強度の上昇を示す反面、伸びと成形性は低下します。
安定化調質（H22/H24およびH111）は、成形後に軽度の熱曝露や溶接が想定される場合に用いられ、製造過程での望ましくない軟化リスクを減らし、より安定した機械的性質を提供します。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | 処理による制御された不純物、延性をわずかに低下させる可能性あり |
| Fe | ≤ 0.40 | 典型的な金属間化合物形成元素、多量は耐食性を低下 |
| Mn | ≤ 0.40 | 微細組織制御、強度および再結晶挙動を改善 |
| Mg | 2.0–3.0 | 主な固溶強化剤および耐食性向上成分 |
| Cu | ≤ 0.10 | 応力腐食割れ感受性回避のため低濃度維持 |
| Zn | ≤ 0.25 | 微量の残留元素、本系列では多く含まれない |
| Cr | ≤ 0.15 | 一部品種で組織制御および再結晶抑制のため添加 |
| Ti | ≤ 0.15 | 鋳造製品および一部の圧延材料で粒子細化剤 |
| その他（各） | ≤ 0.05 | 不純物または制御添加元素 |
マグネシウム含有量がEN AW-5251の降伏強さおよび引張強さを支配し、固溶強化と転位との相互作用により効果を発揮します。マンガンおよびクロムは低濃度で粒子細化と熱曝露時の強度保持を向上させ、鉄とシリコンは金属間粒子を形成し疲労やピッチング挙動に影響を与えます。
組成は、応力腐食割れ感受性を高めたり一般耐食性を低下させる銅や亜鉛などの元素濃度を制限し、耐候性の高い用途向けに安定した材料特性を維持するよう設計されています。
機械的性質
EN AW-5251は、典型的な5xxx系列の引張挙動を示します。焼鈍状態では延性に富み、冷間加工が進むにつれて強度は向上するものの延性と成形性は低下します。O調質では幅広い均一伸びと低い降伏／引張比が得られ、大きな塑性変形を要する成形に適しています。一般的なH系列調質では降伏強さが大幅に上昇する一方、引張延性は限定的で、局所な絞り込み（ネッキング）は早期に発生します。
硬さは冷間加工に比例し、圧延や引抜き後の調質確認に有効な指標です。疲労特性は表面状態、板厚、金属間粒子の有無に敏感で、研磨やアルマイト処理された表面は圧延仕上げよりも顕著に疲労寿命を延ばします。板厚は強度と成形性に大きく影響し、薄板は加工硬化率が高くなり、辺縁の歪みが少なく溶接しやすい傾向にあります。
設計時には非熱処理型合金である点を考慮する必要があり、最高強度は機械的変形と安定化処理によって達成され、熱的時効によるものではありません。溶接構造体では、熱影響部近傍に局所的軟化が生じる場合がありますが、適切な調質とフィラーの組み合わせにより、時効硬化型合金に比べてその影響は軽微です。
| 特性 | O／焼鈍 | 主要調質（H14/H24代表例） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 120–155 MPa | 200–260 MPa | 冷間加工度合いと板厚に大きく依存 |
| 降伏強さ | 50–90 MPa | 140–210 MPa | 加工硬化で顕著に上昇、H24で安定した降伏強さを示す |
| 伸び | 20–35% | 6–16% | 硬化に伴い延性低下、焼鈍状態が成形性最高 |
| 硬さ（HB） | 30–45 HB | 60–95 HB | 硬さは強度および加工硬化レベルに相関 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68–2.70 g/cm³ | 代表的なAl–Mg圧延合金の値 |
| 融解範囲 | 約570–650 °C | 合金の固相/液相範囲、安全設計には余裕を推奨 |
| 熱伝導率 | 120–150 W/m·K | 合金添加により純アルミニウムより若干低下 |
| 電気伝導率 | 約28–38 % IACS | マグネシウム含有により純アルミより低減 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 常温域におけるアルミニウム合金の標準値 |
| 熱膨張係数 | 23–24 µm/m·K (20–100 °C) | 異種材料接合や複合構造物で重要な特性 |
物理定数はEN AW-5251が他のAl–Mg合金と近似した熱的・電気的特性を持つことを示しています。マグネシウムの添加により純アルミに比べ電気伝導率は下がりますが、熱伝導性は優れており放熱用途に適しています。異種材料と組み合わせる場合は、特に構造接合部や接着組立で熱膨張の違いに留意が必要です。
融点および軟化範囲から、溶接および溶接後の熱処理サイクルでは過度な局所軟化を防ぐため、熱入力の管理や歪み防止のための治具固定が重要となり、高精度なパネル製造では一般的な管理事項です。
製品形状
| 形状 | 代表的な板厚・サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板 | 0.3–6.0 mm | 厚さに強く依存し、薄板は冷間加工しやすい | O、H12、H14、H24 | ボディパネル、ファサード、船舶デッキ材として最も一般的 |
| プレート | 6–50 mm | 厚板では延性が低下し、剛性を求める用途に使用 | H16、H18 | 曲げ剛性が重要な構造部品に多用される |
| 押出形材 | 断面積数百mm²まで | 押出比率やその後の冷間加工により特性が変わる | O、H111、H14 | 中程度の強度と複雑な形状のプロファイルに適する |
| チューブ | 直径6–200 mm、肉厚0.5–6 mm | 溶接・シームレスがあり、製造方法によって特性が異なる | O、H14、H16 | 流体配管、手すり、構造部材に利用される |
| 丸棒・棒材 | 直径最大50 mm | 押出しまたは引抜きで製造。引抜きにより強度向上 | O、H12、H14 | 加工品や機械部品の素材として一般的 |
板材とプレートでは圧延工程やその後の冷間加工手順が異なります。板材は通常コイルで供給され、切断・成形される一方、プレートは厚い断面向けに異なる熱機械履歴を持つ圧延が行われます。押出材ではビレットの温度とダイス設計に注意を払い、表面仕上げおよび残留応力を制御します。押出後の伸張や時効（安定化）が歪み低減のために一般的です。
溶接チューブ形状と加工棒材は同一基合金から製造されることが多いですが、異なる硬さに加工されます。適切な中間硬さと加工余裕を選ぶことで、スクラップや再加工を減らすことが可能です。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA (Aluminum Association) | 5251 | USA | EN AW-5251の化学成分・特性と整合した一般的な圧延指定 |
| EN AW | 5251 | 欧州 | 圧延Al–Mg合金の欧州標準命名 |
| JIS | — （最も近いのはA5052） | 日本 | JISに一対一の直接相当はなく、A5052が最も近い市販品としてよく挙げられる |
| GB/T | 5251 | 中国 | 中国規格では5251を対応合金としていることが多いが、メーカー認証を確認する必要あり |
一対一の直接相当は地域ごとに微妙な不純物限界や認証方法の違いがあるため完全に一致しません。相当銘柄は合金番号だけでなく、具体的な化学成分および機械的特性で照合する必要があります。
代替時には、引張強さ・降伏強さの範囲、利用可能な硬さ、表面処理の有無を比較してください。5052や5154はMg含有量が若干異なり、強度と耐食性のトレードオフがある一般的な代替鋼種です。
耐食性
EN AW-5251はAl–Mg合金として非常に良好な大気耐食性を示し、安定した保護酸化皮膜を形成して都市部や工業環境での一般腐食を抑制します。マグネシウム含有により多くの1xxx系・3xxx系合金に比べて塩素含有雰囲気に対する孔食抵抗が向上し、外装建築や海洋近接用途に頻繁に選ばれます。
海水浸漬や飛沫環境下でも良好な性能を発揮しますが、粗い表面や損傷部位、停滞隙間では局所的な孔食が発生する可能性があります。排水設計、隙間の回避、適切な表面仕上げ（アルマイト処理、変換被膜、塗装）により寿命が大幅に改善されます。
Al–Mg系はマグネシウム含有量や引張応力が高いと応力腐食割れのリスクが増しますが、5251のMgレベルでは中程度であり、応力が大きい溶接構造では強度を下げた硬さを選択して軽減可能です。異種金属接触によるガルバニック腐食も評価が必要で、より貴な材料（ステンレス鋼、銅合金等）と電気的に接続される場合は陽極として作用するため、絶縁や保護被膜が腐食促進防止に必須です。6xxx系や7xxx系の熱処理合金と比較すると、EN AW-5251は一般腐食抵抗が優れる一方で最高強度は低めです。
加工特性
溶接性
EN AW-5251はTIGやMIGなど一般的な溶接方法で高い溶接性を持ち、適切な溶加材を使えば良好な溶け込み特性と低い熱割れ傾向を示します。一般的には4～5%Mg含有のAl–Mg系溶加材（例：ER5356）が選ばれ、耐食性維持と溶接部軟化の抑制に役立ちます。熱入力は熱影響部軟化を避けるため制御し、溶接前後に軽い冷間加工や応力除去処理をして特性の安定化を図ることがあります。
切削性
EN AW-5251の切削加工は難易度中程度で、高強度の時効硬化合金よりは加工しやすいですが、古典的な鉛入り合金ほど切れ味は良くありません。ポジティブラケットの超硬工具と適切な切りくず破砕、適度な切削速度により良好な表面仕上げが得られます。切削部近傍での加工硬化が起こるため、切り込み率を一定にし冷却を十分行うことでビルドアップエッジや工具振動を防止します。
成形性
焼なまし（O）条件での成形性は優秀で、深絞り、ロール成形、複雑なプレス加工が小さい曲げRで可能です。硬さが上がる（H12–H18）と曲げ半径を大きくし、ばね戻りが大きくなるため、治具補正が必要となります。冷間成形の場合、実用できる最も軟らかい硬さから順次成形し、破断リスクを抑えることが望ましいです。
熱処理特性
EN AW-5251は熱処理強化型合金ではなく、強度は冷間加工と微細構造制御で得られます。延性回復のための完全焼なましは350～415 °Cで再結晶まで保持し、その後ゆっくり冷却して残留応力を避けます。硬さの区分は冷間加工レベルや安定化処理（H22/H24）で表現され、従来のT硬さ系列とは異なります。
5xxx系では人工的時効処理による強度向上はありませんが、中温熱処理で延性改善や残留応力低減が可能です。意図しない焼なましや過時効に繋がる使用温度・工程は避けるべきで、溶接される部品には部分的な熱影響耐性のある硬さ（H22/H24、H111）を選ぶと製造後の特性変化リスクが減少します。
高温特性
EN AW-5251は中程度の高温まで有用な機械的特性を維持しますが、約100～150 °C以上では強度低下が著しく、200 °C超での長時間耐荷重使用は推奨されません。酸化は保護アルミ酸化皮膜で抑制されますが、高温曝露によりマグネシウムの拡散や微細組織粗大化が進み、機械特性が低下します。
溶接部や熱影響部は熱サイクルに敏感で、過剰な熱入力によって局所的な降伏強さ低下や持続荷重下のクリープ感受性増加を招きます。高温下での繰返し熱・機械負荷がかかる用途では、より熱安定性の高い合金や安全マージンを考慮した設計が望ましいです。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | EN AW-5251を使用する理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | インナーボディパネル、トリム部品 | O/H12硬さで優れた成形性、溶接性と耐食性 |
| 海洋 | デッキ材、付属品 | マグネシウム含有により海洋雰囲気下の孔食抵抗が向上 |
| 航空宇宙 | 二次構造部材、フェアリング | 非主構造部品向けの優れた強度/重量比と疲労特性 |
| 電子機器 | エンクロージャー、ヒートスプレッダーパネル | 屋外用筐体に適した良好な熱伝導性と耐食性 |
EN AW-5251は中程度の強度、優れた耐食性、良好な加工性を求められる多用途材として位置づけられています。輸送機器、建築、海洋分野で、コスト効率が良く溶接・成形性にすぐれた材料として広く使用されています。
設計者は標準的な板金加工で製作し、その後屋外・沿岸環境で使用するコンポーネントに対して、複雑な溶体化処理・時効処理を伴わない5251を多く選択します。
選定のポイント
EN AW-5251は、商業用純アルミニウム（1100）に比べて優れた強度と耐食性を必要としながらも、良好な成形性と溶接性を維持したい場合に適しています。1100と比較すると、5251は電気および熱伝導率を若干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おり、同じ剛性でより薄肉設計が可能です。
より高い強度を有する加工硬化合金の3003や5052と比べると、5251は海洋および大気環境で同等かそれ以上の耐食性を維持しつつ、一般的により高い強度を提供します。Mg関連の最高レベルの耐食性や特定の調質状態が必要な場合は、化学成分や加工条件によって特性のバランスが変わるため、5251と5052/5154を慎重に比較してください。
6061や6063などの熱処理可能な合金と比較すると、EN AW-5251は溶体化処理および時効処理を行うことなく、広範な溶接や成形工程を伴う製作に適しています。6061は熱処理後により高いピーク強度に達しますが、5251は溶接接合部の性能が予測しやすく、大型の成形構造物の加工が簡便であるという利点があります。
まとめ
EN AW-5251は、耐食性、溶接性、中程度の強度を熱処理不要でバランスよく備えた実用的かつ広く使用されているAl–Mg系圧延合金です。板材、鋳物、押出材の形態を問わず汎用性が高く、予測可能な加工挙動により、耐久性とコストパフォーマンスを求められる自動車、海洋、建築、一般工学用途において常に適用されています。