アルミニウムのグレード解説：アルミニウム合金シリーズとその特性に関する完全ガイド

アルミニウムのグレード解説：アルミニウム合金シリーズとその特性に関する完全ガイド

アルミニウムの品位は、合金元素や熱処理によって、実に多様な特性を示します。その特性は、魅力的な外観、加工のしやすさ、優れた耐食性から、高い強度対重量比、良好な溶接性、高い破断靭性に至るまで多岐にわたります。結局のところ、適切なアルミニウムの品位を選択するには、その用途や、耐えなければならない使用条件を考慮する必要があります。

以下の各セクションでは、各アルミニウム合金シリーズについて順に解説し、材料選定の指針となる主な特性、代表的なグレード、および一般的な用途をまとめています。

表1. 各種アルミニウム合金シリーズの比較

アルミニウムのグレード 1xxx系

1xxx系アルミニウム（1050、1060、1100、1145、1200、1230、1350など）は、優れた耐食性、高い熱伝導率および電気伝導率、低い機械的特性、そして優れた加工性を特徴としています。 ひずみ硬化により、強度を適度に高めることができます。このシリーズの主な不純物として、鉄とケイ素が挙げられます。

2xxx系アルミニウム合金

2xxx系アルミニウム合金（2011、2014、2017、2018、2124、2219、 2319、および201.0、203.0、206.0、224.0、242.0などの鋳造用グレード）は、最適な特性を得るために溶体化熱処理を必要とします。 溶体化熱処理を施した状態では、その機械的特性は低炭素鋼と同等であり、場合によってはそれを上回ることもあります。場合によっては、機械的特性をさらに向上させるために析出熱処理（時効処理）が施されます。この処理により降伏強度は向上しますが、その代償として伸びが多少低下し、引張強度への影響は比較的軽微です。

2xxx系は、他のほとんどのアルミニウム合金ほど優れた耐食性を備えておらず、特定の条件下では粒界腐食が生じる可能性があります。それでも、150°C（300°F）までの温度で高い強度が求められる部品においては、良好な性能を発揮します。 グレード2219を除き、これらの合金の溶接性は限定的ですが、一部には優れた被削性を示すものもあります。アルミニウムグレード2024は、このシリーズの中で最も一般的な合金であり、航空機製造に広く使用されています。

3xxx系アルミニウム合金

3xxx系アルミニウム合金（3003、3004、 3105、および383.0、385.0、A360、390.0などの鋳造用グレード）は、一般的に熱処理不能ですが、1xxx系に比べて強度が約20％高くなっています。 アルミニウムにはマンガンを効果的に添加できる量が限られている（最大で約1.5%）ため、マンガンの主元素となる合金はごくわずかです。

4xxx系アルミニウム合金

シリコンは4xxx系（4032、4043、4145、4643など）の主要な合金元素であり、最大12％まで添加することができ、これにより融点範囲を大幅に低下させることができます。 このため、アルミニウム・シリコン合金は、母材よりも低い溶融範囲が求められるアルミニウムの接合において、溶接ワイヤやろう付け合金として使用されています。相当量のシリコンを含む合金は、陽極酸化処理を施すとダークグレーからチャコールグレーに変化するため、建築用途で広く利用されています。

5xxx系アルミニウム合金

マグネシウムは、5xxxシリーズの主要な合金元素です。単独で、あるいはマンガンと組み合わせて使用すると、中～高強度の加工硬化性合金が得られます。 マグネシウムは、硬化剤としてマンガンよりもかなり効果的であり（約0.8％のMgは1.25％のMnに相当する）、はるかに多量に添加することができる。 このシリーズのアルミニウム合金（5005、5052、5083、5086など）は、良好な溶接特性を有し、海洋環境下でも比較的優れた耐食性を発揮します。 ただし、高マグネシウム合金については、応力腐食割れを起こしにくくするため、冷間加工量および使用温度（約150°F）を制限する必要があります。

6xxx系アルミニウム合金

6xxx系アルミニウム合金（6061、6063）には、ケイ化マグネシウム（Mg₂Si）を形成するのに必要な割合とほぼ同等のシリコンとマグネシウムが含まれており、これにより熱処理が可能となっています。 ほとんどの2xxx系および7xxx系合金ほど強度はありませんが、6xxx系は、中程度の強度に加え、良好な成形性、溶接性、機械加工性、および比較的良好な耐食性を備えています。 この熱処理可能なグループの各グレードは、T4状態（溶体化熱処理は施されているが、析出熱処理は施されていない状態）で成形し、成形後に析出熱処理を行うことで、T6状態の完全な特性まで強度を高めることができます。

7xxx系アルミニウム合金

亜鉛は、1～8％の含有量で、7xxx系（7075、7050、7049、および710.0や711.0などの鋳造用グレード）の主要な合金元素です。 これに少量のマグネシウムを組み合わせることで、中程度から非常に高い強度を持つ熱処理可能な合金が得られます。銅やクロムなどの他の元素も、通常は少量添加されます。 7xxxシリーズは、航空機胴体構造、移動式機器、およびその他の高応力を受ける部品に使用されます。高強度の7xxx合金は、応力腐食割れに対する耐性が低下するため、強度、耐食性、および破断靭性のバランスをより良く保つために、わずかに過時効状態にして使用されることがよくあります。

8xxx系アルミニウム合金

8xxxシリーズ（8006、8111、8079、および850.0、851.0、852.0などの鋳造用グレード）は、2xxx～7xxxシリーズで使用されるもの以外の合金元素に割り当てられています。 鉄とニッケルは、導電性を著しく損なうことなく強度を高めるため、8017 などの導体合金に有用です。極めて高い強度と剛性を特徴とするアルミニウム・リチウム合金 8090 は、航空宇宙用途向けに開発されました。 8000シリーズの合金は、A98XXXなどの統一番号体系（Unified Numbering System）の指定に対応しています。

9xxx系アルミニウム合金

9xxxシリーズは現在使用されていません。