アルミニウム合金

アルミニウム合金の弾性率は一般的に約70 GPaであり、これは鋼合金の弾性率の約3分の1に相当します。したがって、同じ荷重がかかった場合、アルミニウム合金製の部品やユニットは、同じサイズと形状の鋼製部品よりも弾性領域でより大きな変形を起こします。全く新しい金属製品の場合、設計上の選択は製造技術の選択によって左右されることがよくあります。押出成形は、アルミニウム合金、特にAl-Mg-Si系合金が複雑な形状に容易に押出成形できるため、この点で特に重要です。

一般的に、アルミニウム合金は鋼鉄よりも剛性が高く軽量な設計を実現できます。例えば、薄肉管の曲げを考えてみましょう。断面二次モーメントは管壁の応力に反比例します。つまり、値が大きいほど応力は低くなります。断面二次モーメントは半径の3乗に肉厚を掛けたものに比例するため、半径（および重量）を26%増加させると、壁の応力は半分になります。このため、アルミニウム合金製の自転車フレームは、必要な剛性と強度を得るために、鋼鉄やチタンよりも大きな管径を使用します。自動車工学では、アルミニウム合金製の自動車は、剛性を確保するために押し出し成形されたプロファイルで作られたスペースフレームを採用しています。これは、剛性をボディシェルに依存する現在の鋼鉄製自動車の設計における一般的なアプローチ、いわゆるモノコック構造とは根本的に異なるものです。

アルミニウム合金は、軽量化が可能であることから、自動車エンジン、特にエンジンブロックやクランクケースに広く使用されています。アルミニウム合金は高温で歪みやすいため、エンジンの冷却システムは非常に重要です。製造技術や冶金学の進歩も、自動車エンジンへの応用成功に大きく貢献してきました。1960年代には、シボレー・コルベアのアルミニウム製シリンダーヘッドが、故障やネジ山の破損で悪名高かったのですが、現在のアルミニウム製シリンダーヘッドではそのような問題は見られません。

アルミニウム合金の重要な構造上の制約の一つは、鋼に比べて疲労強度が低いことです。制御された実験室条件下では、鋼は疲労限度を示します。これは、応力振幅が一定値以下になると破損が発生しない限界値であり、応力サイクルが長くなっても金属はそれ以上弱くなりません。一方、アルミニウム合金にはこのような低い疲労限度がなく、応力サイクルが続くと強度が低下し続けます。そのため、アルミニウム合金は、高サイクル領域（10⁷^サイクル以上）で高い疲労強度を必要とする部品にはほとんど使用されません。

多くの場合、金属の熱に対する感受性も考慮する必要があります。加熱を伴う比較的日常的な作業工程でさえ、アルミニウムは鋼鉄とは異なり、赤く光ることなく溶けてしまうため、複雑になります。トーチランプを使用する成形作業では、熱処理の効果が逆転したり、除去されたりする可能性があります。材料内部の損傷は、目に見える兆候では一切分かりません。熱処理された高強度リンクチェーンを溶接するのと同様に、トーチの熱によって強度が完全に失われてしまいます。チェーンは危険なため、廃棄しなければなりません。

アルミニウムは内部応力やひずみを受けやすい。溶接が不適切なアルミニウム製の自転車フレームは、数年後、溶接工程の応力によって徐々に歪みが生じることがある。そのため、航空宇宙産業では、同種の金属でできたリベット、その他の留め具、または接着剤を用いて部品を接合することで、熱を一切使用しない。

過熱したアルミニウムの応力は、部品をオーブンで熱処理し、徐々に冷却することで緩和できます。これは実質的に応力を焼きなましすることになります。しかし、これらの部品は依然として歪む可能性があり、例えば溶接された自転車フレームを熱処理すると、かなりの割合で位置ずれが生じる可能性があります。位置ずれがそれほどひどくない場合は、冷却された部品を曲げて位置を合わせることができます。フレームが剛性を考慮して適切に設計されている場合（上記参照）、その曲げには膨大な力が必要になります。

アルミニウムは高温に弱いという欠点があるにもかかわらず、ロケット工学ではその利用が妨げられていない。例えば、ガス温度が3500Kにも達する燃焼室の構築にもアルミニウムが用いられている。RM-81アジェナ上段エンジンでは、熱的に重要なスロート部を含むノズルの一部に、再生冷却式のアルミニウム設計が採用された。実際、アルミニウムの極めて高い熱伝導率のおかげで、大量の熱流束下でもスロート部が融点に達することがなく、信頼性が高く軽量な部品となった。

1960年代当時、銅に比べて導電率が高く価格も比較的安かったため、多くの照明器具がアルミニウム線に対応するように設計されていなかったにもかかわらず、北米では家庭用電気配線にアルミニウムが導入された。しかし、この新たな用途はいくつかの問題を引き起こした。

• アルミニウムの熱膨張係数が大きいため、異種金属のネジ接続部に対してワイヤーが膨張・収縮を繰り返し、最終的に接続部が緩む。
• 純アルミニウムは、一定の圧力が継続的に加わると（温度が上昇するほどその傾向が強まる）、クリープ現象を起こしやすく、その結果、接続部が緩むことがある。
• 異種金属間のガルバニック腐食は、接続部の電気抵抗を増加させる。

こうした状況が相まって、接続部の過熱や緩みが生じ、結果として火災が発生した。建設業者はこの電線の使用を警戒するようになり、多くの地域では新築工事において極細サイズの電線の使用が禁止された。しかし、その後、緩みや過熱を防ぐように設計された接続部を備えた新しい照明器具が導入された。当初は「Al/Cu」と表示されていたが、現在は「CO/ALR」という表記になっている。

発熱問題を回避するもう一つの方法は、銅線の短い「ピグテール」部分を圧着することです。適切な工具を用いて高圧圧着を適切に行えば、アルミニウムの熱膨張を十分に抑制できます。現在では、アルミニウム配線とアルミニウム端子を組み合わせた新しい合金、設計、方法が用いられています。

焼き戻し指定は、鋳造または鍛造指定番号の後にハイフン、文字、場合によっては1～3桁の数字が続きます（例：6061-T6）。焼き戻しの定義は次のとおりです。^{[ 5 ] [ 6 ]}

-F ：加工済み -H ：熱処理の有無にかかわらず、加工硬化（冷間加工）済み

-H1 ：熱処理なしで加工硬化

-H2 ：加工硬化および部分焼鈍

-H3 ：低温加熱により加工硬化および安定化処理済み

-H4 ：加工硬化後、ラッカー塗装／ペイント仕上げ

2桁目 ：2桁目は硬度を表します

-HX2 = 1/4 ハード

-HX4 = 1/2 ハード

-HX6 = 3/4 ハード

-HX8 = フルハード

-HX9 = 超ハード

-O ：完全軟質（焼きなまし処理済み） -T ：熱処理により安定した焼き戻し状態を実現

-T1 ：熱間加工後冷却し、自然時効処理（室温）したもの

-T2 ：熱間加工、冷間加工、自然時効処理後冷却

-T3 ：固溶化熱処理および冷間加工済み

-T4 ：溶液熱処理後、自然熟成

-T5 ：高温加工後冷却し、人工的に時効処理（高温下）を施したもの

-T51 ：ストレッチでストレスを解消

-T510 ：伸ばした後はそれ以上まっすぐにならない

-T511 ：ストレッチ後にわずかにまっすぐになる

-T52 ：熱処理により応力が緩和される

-T6 ：溶体化熱処理および人工時効処理済み

-T651 ：溶体化熱処理、延伸による応力除去、人工時効処理済み

-T7 ：溶液熱処理および安定化処理済み

-T8 ：溶体化熱処理、冷間加工、人工時効処理済み

-T9 ：溶体化熱処理、人工時効処理、冷間加工

-T10 ：熱間加工、冷間加工、人工時効処理後冷却

-W ：溶液熱処理のみ

注：-Wは、熱処理後、時効処理完了前における、比較的軟らかい中間的な状態を示す区分です。-W状態は極低温下では維持できますが、永久に維持できるわけではなく、材料にもよりますが、通常は常温で15分以上は持続しません。

1000シリーズは基本的に純アルミニウムであり、重量比で最低99%のアルミニウム含有量を有​​し、加工硬化が可能である。

^#国際合金指定システム（IADS）の名称ではありません

2000系合金は銅を添加した合金で、析出硬化処理によって鋼鉄に匹敵する強度を得ることができます。かつてはジュラルミンと呼ばれ、航空宇宙分野で最も一般的な合金でしたが、応力腐食割れを起こしやすく、近年では7000系合金に置き換えられつつあります。

3000系合金はマンガンを添加した合金であり、加工硬化が可能である。

4000系合金はシリコンを添加した合金である。鋳造を目的としたアルミニウム-シリコン合金の変種（したがって4000系には含まれない）は、シルミンとも呼ばれる。

5000系合金はマグネシウムを添加した合金で、優れた耐食性を備えているため、海洋用途に適しています。5083合金は、熱処理されていない合金の中で最も高い強度を誇ります。また、 5000系合金のほとんどにはマンガンも含まれています。

6000系合金はマグネシウムとシリコンを添加した合金です。加工しやすく、溶接も可能で、析出硬化も可能ですが、2000系や7000系合金ほどの高強度には達しません。6061合金は、最も一般的に使用されている汎用アルミニウム合金の一つです。

7000系合金は亜鉛を添加した合金で、析出硬化処理によってアルミニウム合金の中で最高の強度を実現できます。7000系合金の多くはマグネシウムと銅も含有しています。

8000系合金は、他のシリーズに含まれない他の元素と合金化されています。アルミニウム-リチウム合金はその一例です。^{[ 45 ]}

• A380は、鋳造性、機械的特性、熱特性の優れた組み合わせを備え、優れた流動性、耐圧性、耐熱割れ性を示します。航空宇宙産業で使用されています。
• アルフェリウムは、シュナイダーによって開発されたアルミニウムと鉄の合金であり、 Société pour la Construction d'Avions Métallique "Aviméta"によって航空機の製造に使用されています。
• アルクラッドは、高純度アルミニウムの表面層を高強度アルミニウム合金の芯材に接着して作られたアルミニウムシートです。^{[ 53 ]}
• Aludurは、20世紀初頭にGiulini Werke社が製造した時効硬化型アルミニウム合金である^{[ 54 ]。}約0.7%のシリコン、0.5%のマグネシウム、および0.5%の鉄を含んでいた^{[ 55 ] 。}
• ビルマブライト（アルミニウム、マグネシウム）は、ビルメタルズ社の製品で、基本的に5251と同等品です。
• ジュラルミン（銅、アルミニウム）
• ヒンダリウム（アルミニウム、マグネシウム、マンガン、シリコン）は、ヒンドゥスタン・アルミニウム・コーポレーション社が製造する調理器具用の16ゲージ圧延シートである。
• ロックアロイは、ベリリウム62％とアルミニウム38％からなる合金である。1960年代にロッキード・ミサイル・アンド・スペース社によって開発され、航空宇宙産業の構造用金属として使用された。
• パンダロイはプラット・アンド・ホイットニー社独自の合金で、高い強度と優れた高温性能を持つとされている。
• マグナリウム
• マグノックス（マグネシウム、アルミニウム）
• シルミン（アルミニウム、シリコン）
• チタナル（アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、銅、ジルコニウム）は、 AMAG Austria Metall AG社の製品です。高性能スポーツ用品、特にスノーボードやスキーに広く使用されています。
• Y合金（ヒドゥミニウム合金、別名RR合金）：戦前のニッケル・アルミニウム合金で、高温下でも強度を維持できることから、航空宇宙やエンジンのピストンなどに使用されていました。現在では、 300 ℃まで低クリープで動作可能な8009などの高性能鉄・アルミニウム合金に置き換えられています。 

チタン合金は、Al-Sc合金よりも強度が高いが重いため、依然として広く使用されている。^{[ 57 ]}

重量比で金属スカンジウムの主な用途は、航空宇宙産業の小型部品用のアルミニウム-スカンジウム合金です。これらの合金には、重量比で0.1%から0.5%のスカンジウムが含まれています。これらは、ロシアの軍用機MiG-21とMiG-29に使用されました。^{[ 56 ]}

高性能素材に依存するスポーツ用品の中には、野球バット^{[ 58 ]} 、ラクロススティック、自転車のフレーム^{[ 59 ]}や部品、テントポールなど、スカンジウムアルミニウム合金で作られたものがある。

米国の銃器メーカーであるスミス＆ウェッソンは、スカンジウム合金製のフレームとチタン製のシリンダーを備えたリボルバーを製造している。^{[ 60 ]}

これらの合金は、ボート建造や造船、その他の海洋および塩水に敏感な陸上用途に使用されます。^{[ 72 ]}

• 5052アルミニウム合金
• 5059アルミニウム合金
• 5083アルミニウム合金
• 5086アルミニウム合金
• 6061アルミニウム合金
• 6063アルミニウム合金

4043、5183、6005A、および6082は、海洋構造物やオフショア用途にも使用されます。

自動車の外装パネルには、アルミニウム合金6111と2008が広く使用されており、内装パネルには5083と5754が使用されています。ボンネットは、 2036、6016、および6111合金から製造されています。トラックやトレーラーのボディパネルには、アルミニウム合金5456が使用されています。

自動車のフレームには、5182アルミニウムまたは5754アルミニウムの成形板、あるいは6061または6063の押出材がよく使用される。

ホイールはA356.0アルミニウムから鋳造されるか、5xxxシートから成形される。^{[ 73 ]}

エンジンブロックやクランクケースは、多くの場合アルミニウム合金から鋳造されます。シリンダーブロックに最もよく使用されるアルミニウム合金は、A356、319、そして少量ながら242です。

セリウムを含むアルミニウム合金は、シリンダーヘッドやターボチャージャーなどの高温自動車用途、およびその他のエネルギー生成用途で開発および実装されています。^{[ 74 ]}これらの合金は、当初、ネオジムやジスプロシウムなどのより需要の高い元素の希土類採掘作業で過剰生産されているセリウムの使用を増やす方法として開発されましたが、^{[ 75 ]}長期間にわたる高温での強度で注目を集めました。^{[ 76 ]}これらの合金は、 540 °C までの温度で安定し、300 °C まで強度を維持するAl ₁₁ Ce ₃金属間化合物相の存在によって強度を得ており、高温での使用に非常に適しています。アルミニウム-セリウム合金は、鋳造特性が優れているため、通常は鋳造されますが、レーザーベースの積層造形技術を使用して、より複雑な形状と優れた機械的特性を持つ部品を作成することもできることを示す研究も行われています。^{[ 77 ]}最近の研究では、主に二元系Al-Ce系に鉄、ニッケル、マグネシウム、銅などの高次合金元素を添加して室温および高温での機械的性能を向上させることに焦点を当てており、合金元素の相互作用をさらに理解するための研究が進められている。^{[ 78 ]}  

6061アルミニウムと6351アルミニウムは、スキューバダイビング用の呼吸ガスボンベやSCBA合金に広く使用されています。^{[ 79 ]}