アルミニウム合金(UK / IUPAC)またはアルミニウム合金(NA 、綴りの違いを参照)は、アルミニウム(Al)が主要な金属である合金です。一般的な合金元素は、銅、マグネシウム、マンガン、シリコン、スズ、ニッケル、亜鉛です。鋳造合金と鍛造合金の2つの主要な分類があり、どちらも熱処理可能と非熱処理可能のカテゴリにさらに細分化されます。アルミニウムの約85%は、圧延板、箔、押し出しなどの鍛造製品に使用されます。鋳造アルミニウム合金は、融点が低いためコスト効率の高い製品を生み出しますが、一般に鍛造合金よりも引張強度が低くなります。最も重要な鋳造アルミニウム合金システムはAl-Siで、高レベルのシリコン(4〜13%)が優れた鋳造特性をもたらします。アルミニウム合金は、軽量化や耐腐食性が求められる工学構造物や部品に広く使用されています。[1]
アルミニウムを主成分とする合金は、金属製の航空機が導入されて以来、航空宇宙産業の製造において非常に重要になっています。アルミニウム-マグネシウム合金は、他のアルミニウム合金よりも軽量で、マグネシウムを非常に多く含む他の合金よりもはるかに燃えにくいです。[2]
アルミニウム合金の表面は、陽極酸化や適切な塗装手順で保護されていない場合、白いアルミニウム酸化物の保護層を形成します。湿潤環境では、アルミニウム合金がアルミニウムよりも腐食電位が高い他の金属と電気的に接触し、イオン交換を可能にする電解質が存在すると、ガルバニック腐食が発生する可能性があります。異種金属腐食とも呼ばれるこのプロセスは、剥離または粒界腐食として発生する可能性があります。アルミニウム合金は、不適切な熱処理によって内部の要素が分離し、金属が内側から外側に腐食する可能性があります。[引用が必要]
アルミニウム合金の組成は、アルミニウム協会に登録されています。SAE国際標準化機構、特にその航空宇宙規格サブグループ[3]やASTMインターナショナルなど、多くの組織がアルミニウム合金の製造に関するより具体的な規格を発行しています。
エンジニアリングの用途と特性

幅広い特性を持つアルミニウム合金が工学構造物に使用されています。合金システムは、番号システム ( ANSI ) または主な合金成分を示す名前 ( DINおよびISO ) によって分類されています。特定の用途に対して適切な合金を選択するには、引張強度、密度、延性、成形性、加工性、溶接性、耐食性などを考慮する必要があります。合金と製造技術の簡単な歴史的概要は、文献[4]に記載されています。アルミニウム合金は、その高い強度対重量比のため、航空機に広く使用されています。純粋なアルミニウムはこのような用途には柔らかすぎ、飛行機やヘリコプターの製造に必要な高い引張強度を備えていません。
アルミニウム合金と鋼の種類
アルミニウム合金の弾性係数は通常約 70 GPaで、これは鋼合金の弾性係数の約 3 分の 1 です。したがって、特定の負荷に対して、アルミニウム合金製の部品またはユニットは、同じサイズと形状の鋼製部品よりも弾性領域で大きな変形を経験します。まったく新しい金属製品の場合、設計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。この点で特に重要なのは、アルミニウム合金、特に Al-Mg-Si シリーズは押し出して複雑な形状を形成するのが容易なため、押し出し加工です。
一般に、アルミニウム合金を使用すると、鋼鉄よりも剛性が高く軽量な設計を実現できます。たとえば、薄肉チューブの曲げについて考えてみましょう。断面二次モーメントは、チューブ壁の応力と反比例します。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 乗に壁の厚さを掛けたものに比例するため、半径 (および重量) が 26% 増加すると、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のフレームでは、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チューブ径が使用されています。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の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自動車設計の一般的なアプローチ (ユニボディ設計と呼ばれる) からの根本的な変化を表しています。
アルミニウム合金は自動車のエンジン、特にエンジン ブロックとクランクケースで広く使用されています。これは軽量化が可能なためです。アルミニウム合金は高温で変形しやすいため、このようなエンジンの冷却システムは非常に重要です。製造技術と冶金の進歩も、自動車エンジンへの応用を成功させる上で重要な役割を果たしてきました。1960 年代、シボレー コルヴェアのアルミニウムシリンダー ヘッドは破損やねじ山の破損で有名でしたが、現在のアルミニウム シリンダー ヘッドではそのような現象は見られません。
アルミニウム合金の重要な構造的制限は、鋼鉄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では、鋼鉄は疲労限界を示します。これは、それ以下では破損が発生しない応力振幅です。つまり、金属は長期の応力サイクルでも弱くなりません。アルミニウム合金にはこの下限の疲労限界がなく、応力サイクルが続くと弱くなります。そのため、アルミニウム合金は、高サイクル領域(10 7を超える応力サイクル)で高い疲労強度が求められる部品にはほとんど使用されません。
熱に対する敏感さの考慮
多くの場合、金属の熱に対する敏感さも考慮する必要があります。アルミニウムは鋼鉄とは異なり、最初に赤く光ることなく溶けてしまうため、加熱を伴う比較的日常的な作業手順でさえ複雑になります。バーナーを使用する成形作業では、熱処理の影響が逆転したり、除去されたりすることがあります。材料の内部損傷は、目に見える兆候ではわかりません。溶接熱処理された高強度リンクチェーンと同様に、トーチの熱によって強度がすべて失われます。チェーンは危険であり、廃棄する必要があります。[引用が必要]
アルミニウムは内部応力と歪みを受けます。不適切に溶接されたアルミニウム製自転車フレームは、何年も経つと溶接工程の応力により徐々にねじれて位置がずれることがあります。そのため、航空宇宙業界では、金属組成が同じリベット、その他の留め具、または接着剤で部品を接合することで、熱の影響を完全に回避しています。
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。つまり、応力を焼きなますのです。しかし、それでも部品が歪む可能性があり、たとえば溶接された自転車のフレームを熱処理すると、かなりの部分でずれが生じる可能性があります。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、正しい位置に戻すことができます。フレームが剛性を考慮して適切に設計されている場合 (上記を参照)、曲げるには膨大な力が必要になります。[要出典]
アルミニウムは高温に耐えられないため、ロケットへの使用が妨げられることはありません。ガスが 3500 K に達する燃焼室の構築にも使用されています。RM -81 アジェナ上段エンジンでは、熱的に重要なスロート領域を含むノズルの一部に再生冷却アルミニウム設計が採用されました。実際、アルミニウムの非常に高い熱伝導率により、大量の熱流下でもスロートが融点に達することがなく、信頼性の高い軽量コンポーネントが実現しました。
家庭用配線
1960 年代、アルミニウムは銅に比べて導電性が高く、価格も比較的安かったため、当時北米の家庭の電気配線に導入されましたが、多くの器具はアルミニウム線を受け入れるように設計されていませんでした。しかし、この新しい用途によっていくつかの問題が起こりました。
- 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に対してワイヤが膨張および収縮し、最終的に接続が緩んでしまいます。
- 純アルミニウムは、一定の圧力が加わると変形する傾向があり(温度が上昇すると変形の度合いが増す)、接続が緩んでしまいます。
- 異種金属によるガルバニック腐食により、接続部の電気抵抗が増加します。
これらすべての結果、過熱して接続が緩み、火災も発生しました。その後、建築業者はワイヤーの使用に慎重になり、多くの管轄区域で新築工事における非常に小さなサイズのワイヤーの使用が禁止されました。しかし、緩みや過熱を回避するように設計された接続を備えた新しい器具が最終的に導入されました。最初は「Al/Cu」と表示されていましたが、現在は「CO/ALR」というコードが付けられています。
加熱の問題を未然に防ぐ別の方法は、銅線の短い「ピグテール」を圧着することです。適切なツールで高圧圧着を適切に行うと、アルミニウムの熱膨張を抑えるのに十分な強度が得られます。今日では、アルミニウム配線とアルミニウム端子の組み合わせに新しい合金、設計、方法が使用されています。
合金の名称
鍛造アルミニウム合金と鋳造アルミニウム合金では、異なる識別システムが使用されます。鍛造アルミニウムは、合金元素を識別する 4 桁の数字で識別されます。
鋳造アルミニウム合金は、小数点付きの 4 ~ 5 桁の数字を使用します。百の位の数字は合金元素を示し、小数点以下の数字は形状 (鋳造形状またはインゴット) を示します。
焼き入れ度指定
焼き入れ指定は、鋳造または鍛造指定番号の後にダッシュ、文字、および場合によっては1~3桁の数字で続きます(例:6061-T6)。焼き入れの定義は次のとおりです。[5] [6]
-F : 製造されたままの状態
-H : 熱処理の有無にかかわらず、ひずみ硬化(冷間加工)
- -H1 : 熱処理なしでひずみ硬化
- -H2 : ひずみ硬化および部分焼鈍
- -H3 :低温加熱によりひずみ硬化・安定化
- 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 = 超硬
- 2桁目 :2桁目は硬度を表します
-O : 完全に軟らかく(焼きなまし)
-T : 安定した焼き戻しを実現するために熱処理
- -T1 : 熱間加工から冷却し、自然時効処理(室温)
- -T2 : 熱間加工から冷却、冷間加工、自然時効
- -T3 : 溶体化処理および冷間加工
- -T4 : 溶体化処理および自然老化
- -T5 : 熱間加工から冷却し、人工的に時効処理(高温)
- -T51 : ストレッチでストレス解消
- -T510 : ストレッチ後にそれ以上伸ばさない
- -T511 : ストレッチ後の軽い矯正
- -T52 : 熱処理により応力緩和
- -T51 : ストレッチでストレス解消
- -T6 : 溶体化処理および人工時効処理
- -T651 : 溶体化処理、伸張による応力緩和、人工時効処理
- -T7 : 溶体化処理および安定化
- -T8 : 溶体化処理、冷間加工、人工時効処理
- -T9 : 溶体化処理、人工時効処理、冷間加工
- -T10 : 熱間加工、冷間加工、人工時効後の冷却
-W : 溶体化処理のみ
注: -W は、熱処理後、エージングが完了する前に適用される、比較的柔らかい中間指定です。-W 状態は、極低温で延長できますが、無期限ではなく、材料によって異なりますが、通常は常温で 15 分以上持続しません。
鍛造合金
国際合金指定システムは、鍛造合金の命名方式として最も広く受け入れられている。各合金には4桁の数字が与えられ、最初の桁は主要な合金元素、2番目の桁は(0と異なる場合は)合金のバリエーション、3番目と4番目の桁はシリーズ内の特定の合金を識別する。例えば、合金3105の場合、数字の3は合金がマンガンシリーズであることを示し、1は合金3005の最初の変更を示し、最後に05は3000シリーズであることを示す。[7]
1000シリーズ(本質的に純粋)
1000 シリーズは本質的に純アルミニウムであり、重量で最低 99% のアルミニウム含有量があり、加工硬化が可能です。
#国際合金指定システム名ではありません
2000シリーズ(銅)
2000 シリーズは銅と合金化されており、析出硬化により鋼鉄に匹敵する強度が得られます。以前はジュラルミンと呼ばれ、かつては最も一般的な航空宇宙用合金でしたが、応力腐食割れの影響を受けやすく、新しい設計では 7000 シリーズに置き換えられつつあります。
3000シリーズ(マンガン)
3000シリーズはマンガン合金化されており、加工硬化が可能です。
4000シリーズ(シリコン)
4000 シリーズはシリコンと合金化されています。鋳造用に設計されたアルミニウム - シリコン合金のバリエーション (したがって 4000 シリーズには含まれません) は、シルミンとも呼ばれます。
5000シリーズ(マグネシウム)
5000 シリーズはマグネシウムを合金化しており、優れた耐腐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高の強度を備えています。ほとんどの 5000 シリーズ合金にはマンガンも含まれています。
6000シリーズ(マグネシウムとシリコン)
6000 シリーズはマグネシウムとシリコンで合金化されています。機械加工が容易で、溶接が可能で、析出硬化も可能ですが、2000 や 7000 ほどの高強度は得られません。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 1 つです。
7000シリーズ(亜鉛)
7000 シリーズは亜鉛と合金化されており、析出硬化によりアルミニウム合金の中で最も高い強度を実現できます。ほとんどの 7000 シリーズ合金にはマグネシウムと銅も含まれています。
8000シリーズ(その他の要素)
8000シリーズは他のシリーズではカバーされていない他の元素と合金化されている。アルミニウムリチウム合金がその一例である。[45]
混合リスト
鋳造合金
アルミニウム協会(AA)は、鍛造合金と同様の命名法を採用しています。英国規格とDINでは、呼称が異なります。AAシステムでは、2桁目はアルミニウムの最小含有率を示し、例えば150.xはアルミニウムの最小含有率99.50%に相当します。小数点以下の桁は0または1の値を取り、それぞれ鋳造とインゴットを表します。[1] AAシステムの主な合金元素は次のとおりです。[51]
- 1xx.xシリーズは最低99%のアルミニウム
- 2xx.xシリーズ銅
- 3xx.xシリーズシリコン、銅および/またはマグネシウム添加
- 4xx.xシリーズシリコン
- 5xx.xシリーズマグネシウム
- 6xx.x 未使用シリーズ
- 7xx.xシリーズ亜鉛
- 8xx.xシリーズ缶
- 9xx.x その他の要素
合金名
- A380は、鋳造、機械的、熱的特性の優れた組み合わせを提供し、優れた流動性、耐圧性、高温割れ耐性を示します。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、ソシエテ・プール・ラ・コンストラクション・ダヴィオン・メタリーク「アヴィメタ」によって航空機の製造に使用されています。
- 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形成されたアルクラッドアルミニウムシート[53]
- バーマブライト(アルミニウム、マグネシウム)はバーメタルズ社の製品で、基本的に5251と同等です。
- 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、ヒンダスタン・アルミニウム・コーポレーション社が製造した、調理器具用の 16 ゲージのロールシートです。
- ロックアロイは、62%のベリリウムと38%のアルミニウムからなる合金です。1960年代にロッキード・ミサイル・アンド・スペース・カンパニーによって開発され、航空宇宙産業の構造金属として使用されました。
- Pandalloy Pratt & Whitney 社独自の合金で、高い強度と優れた高温性能を備えていると言われています。
- 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)
- チタン(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の製品です。高性能スポーツ製品、特にスノーボードやスキーによく使用されます。
- Y 合金、ヒドミニウム合金、別名RR 合金: 高温でも強度を維持できるため、航空宇宙やエンジンのピストンに使用されていた戦前のニッケル - アルミニウム合金。現在では、300 °C 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。
アプリケーション
航空宇宙用合金

チタン合金はAl-Sc合金よりも強度は高いが重いため、今でも広く使用されている。[55]
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ある。これらの合金には、0.1%~0.5%(重量比)のスカンジウムが含まれている。これらはロシア軍の航空機MiG-21とMiG-29に使用されていた。[54]
高性能材料を必要とするスポーツ用具の中には、野球のバット、[56]、 ラクロスのスティック、自転車[57]のフレームや部品、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ているものがある。
米国の銃器メーカー、スミス・アンド・ウェッソンは、スカンジウム合金のフレームとチタンのシリンダーを備えたリボルバーを製造している。[58]
宇宙材料としての可能性
アルミニウム合金は軽量で強度が高いため、宇宙船、衛星、宇宙に配備されるその他の部品に適用される材料として望まれています。しかし、この用途は太陽から放出される高エネルギー粒子の照射によって制限されます。従来のアルミニウム合金の微細構造内での太陽高エネルギー粒子の衝突と堆積は、最も一般的な硬化相の溶解を引き起こし、軟化につながります。最近導入されたクロスオーバーアルミニウム合金[59] [60]は、高エネルギー粒子の照射が大きな懸念となる環境で、6xxxシリーズと7xxxシリーズの代替としてテストされています。このようなクロスオーバーアルミニウム合金は、T相と呼ばれる化学複合相の析出によって硬化することができ、その耐放射線性は従来のアルミニウム合金の他の硬化相よりも優れていることが証明されています。[61] [62]
航空宇宙用アルミニウム合金の一覧
以下のアルミニウム合金は航空機やその他の航空宇宙構造物に一般的に使用されています。[63] [64]
- 1420
- 2004年; 2014年; 2017年; 2020年; 2024年; 2080; 2090年; 2091年; 2095年; 2219 ; 2224; 2324; 2519 ; 2524
- 4047
- 6013 ; 6061 ; 6063 ; 6113; 6951
- 7010 ; 7049 ; 7050 ; 7055 ; 7068 ; 7075 ; 7079 ; 7093 ; 7150 ; 7178 ; 7475
- 8009
なお、航空機用アルミニウムまたは航空宇宙用アルミニウムという用語は通常7075を指す。[65] [66]
4047アルミニウムは、航空宇宙および自動車用途の両方で被覆合金または充填材として使用されるユニークな合金です。充填材として、アルミニウム合金4047ストリップを組み合わせて、2つの金属を接合する複雑な用途に使用できます。[67]
6951は熱処理可能な合金で、フィンの強度を高めながらたるみ抵抗力を高めます。これにより、製造業者はシートのゲージを小さくすることができ、結果として成形されたフィンの重量を減らすことができます。これらの独特の特徴により、アルミニウム合金6951は航空宇宙用途の熱伝達および熱交換器に好まれる合金の1つとなっています。[68]
6063アルミニウム合金は熱処理が可能で、適度に高い強度、優れた耐食性、良好な押し出し性を有しています。建築・構造部材としてよく使用されています。[69]
現在、以下のアルミニウム合金が生産されていますが、[引用が必要]、あまり広く使用されていません[引用が必要]。
- 2090アルミニウム
- 2124アルミニウム
- 2324アルミニウム
- 6013アルミニウム
- 7050アルミニウム
- 7055アルミニウム
- 7150アルミニウム
- 7475アルミニウム
海洋合金
これらの合金は、船舶や船舶建造、その他海洋や塩水に敏感な陸上用途に使用されます。[70]
4043、5183、6005A、6082 は海洋構造物やオフショア用途にも使用されます。
自動車用合金
6111 アルミニウムと 2008 アルミニウム合金は自動車の外部ボディパネルに広く使用されており、5083と5754 は内部ボディパネルに使用されています。ボンネットは 2036、6016、および 6111 合金から製造されています。トラックとトレーラーのボディパネルには5456 アルミニウム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 アルミニウム成形シート、6061または6063押し出し材がよく使用されます。
車輪は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ている。[71]
エンジン ブロックとクランクケースは、多くの場合、アルミニウム合金で鋳造されています。シリンダー ブロックに使用される最も一般的なアルミニウム合金は、A356、319 で、少量ですが 242 も使用されています。
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や、その他のエネルギー生成用途で開発され、実装されています。[72]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切望される元素を得るために希土類鉱山で過剰生産されているセリウムの使用量を増やす方法として開発されましたが、[73]高温で長期間強度があることで注目を集めました。[74]セリウムの強度は、540 °C まで安定し、300 °C まで強度を維持する Al 11 Ce 3 金属間相の存在によって得られ、高温でも十分に実用的です。 アルミニウム - セリウム合金は、優れた鋳造特性のため、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できることを[75]最近の研究は主に、鉄、ニッケル、マグネシウム、銅などの高次の合金元素をAl-Ce二元系に加えて、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が当てられており、合金元素の相互作用をさらに理解するための研究が行われています。[76]
空気およびガスシリンダー
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。[77]
参照
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文献
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外部リンク
- 日本規格、中国国家規格、米国規格、ドイツ規格に準拠したダイカスト用アルミニウム合金
- 日本、中国、アメリカ、ドイツの工業規格に準拠したチル鋳造および低圧鋳造用のアルミニウム合金
- ドイツ規格に準拠した押出用アルミニウム合金
- アルミニウム協会の鍛造アルミニウムの化学成分規格
- 「EAA Alumatter」は、最も広く使用されているアルミニウム合金、その機械的、物理的、化学的特性に関する技術情報を含むコンピュータベースの参照データベースです。
- アルミニウム合金および焼戻し材の用途
- アルミニウム合金の機械的性質に対する熱処理の影響
- アルミニウム:物理的性質、特徴、合金
