いくつかの一般的なアルミニウム材料の包括的な分析

紹介

アルミニウムおよびアルミニウム合金は、その低密度、高強度、良好な耐食性、優れた加工性能およびその他の多くの利点により、現代の産業および日常生活で広く使用されています。 6061-T6、6063、7075、および 5083 は代表的なアルミニウム材料の一部であり、それぞれに独自の性能特性があり、さまざまな用途シナリオに適しています。

6061-T6 アルミニウム

化学組成

• 6061アルミニウム合金の主な合金元素はマグネシウム（Mg）とシリコン（Si）で、少量の銅（Cu）、マンガン（Mn）、クロム（Cr）、亜鉛（Zn）も含まれています。 その中でも、マグネシウムとシリコンは強化相 Mg₂Si を形成し、合金の強度を向上させる上で重要な役割を果たします。

物理的特性

• 密度は約2.7g/cmです。³優れた熱伝導率と電気伝導率を備え、熱膨張係数が比較的低いため、温度変化の大きい環境でも寸法安定性が良好です。

機械的性質

• 力： 6061-T6 の状態では、引張強さは約 310MPa に達し、降伏強さは約 276MPa になります。 強度が高く、一定の荷重にも耐えられます。
• 硬度： ブリネル硬度は通常約 95HB で、多くの機械加工や構造用途の硬度要件を満たすことができます。
• 靭性： 靭性が高く、衝撃を受けても脆性破壊を起こしにくく、エネルギーを効果的に吸収します。

加工特性

• 切削： 切削性能が良く、旋削、フライス、穴あけなどの従来の様々な切削加工で容易に加工でき、良好な仕上げ面が得られます。
• 形にする： 押出、鍛造、圧延などの成形加工により、さまざまな形状の異形材、パイプ、バー、プレートに加工できます。 押出成形時に強い変形能力を持ち、複雑な断面形状の製品を製造することができます。

熱処理工程

• T6熱処理工程には溶体化処理と人工時効処理が含まれます。 固溶化処理は一般的に約30℃で行われます。 530°C. 合金はこの温度まで加熱され、一定時間維持された後、急速に冷却され、合金元素がアルミニウム母材に完全に溶解されます。 続いて、人工老化処理を行う。 熟成温度は約 180°Ｃでエージング時間は数時間である。 時効処理により合金に強化相が析出し、合金の強度と硬度が大幅に向上します。

耐食性

• 6061-T6 は優れた一般耐食性を備えており、大気、淡水、その他の環境において良好な安定性を維持できます。 表面に形成される酸化皮膜は一定の保護機能を果たしますが、強酸、アルカリ、高塩分などの過酷な環境では、ある程度の腐食が発生する場合があります。 合金中のクロム元素は耐食性を向上させ、孔食などの局部腐食にある程度耐えるようにします。

応用分野

• 航空宇宙、自動車製造、機械加工、建築装飾などの分野で広く使用されています。 航空宇宙分野では、航空機の構造部品や着陸装置部品などの製造によく使用されます。自動車分野では、車体フレーム、ホイールなどの製造に使用できます。機械加工では、さまざまな機械部品、工具治具などの製造に使用されます。建築装飾では、ドアや窓の輪郭、カーテンウォールのフレームなどに加工されることがよくあります。

6063 アルミ

化学組成

• 主な合金元素はマグネシウムとシリコンです。 化学組成は6061と似ていますが、各元素の含有量が若干異なります。 相対的に言えば、6063 のシリコン含有量はわずかに高く、マグネシウム含有量はわずかに低くなります。

物理的特性

• 密度も約2.7g/cm³. 熱伝導率が良く、熱膨張係数が低いのが特徴です。 光沢が良く、陽極酸化処理が容易で、美しく耐食性の高い表面が得られます。

機械的性質

• 力： 引張強さは一般に200～250MPa、降伏強さは180MPa程度で6061-T6より若干低くなります。
• 硬度： ブリネル硬度は約70HBと比較的小さいです。
• 靭性： 靭性は良好で、特に高い強度は必要としないが、成形性と外観の要件があるいくつかの用途シナリオに対応できます。

加工特性

• 押出成形： 押出成形性に優れ、複雑な形状の異形品を高い寸法精度で押出すことができ、表面品位も良好です。 建築用アルミニウム形材の主要な材料の 1 つです。
• 加工： 切れ味が良く、穴あけ、フライス加工、タップ加工などの加工が可能です。 加工後の表面仕上げが良好です。

熱処理工程

• 通常はT5またはT6熱処理プロセスが使用されます。 T5処理とは、高温押出後に直接空冷焼入れし、人工時効処理を行う処理です。 T6処理とは、まず固溶化処理を行った後、人工時効処理を行う処理です。 熱処理後、合金の強度と硬度は向上し、同時に良好な靭性と耐食性が維持されます。

耐食性

• 6063アルミニウム材は大気、水、一部の弱酸、弱アルカリ環境において良好な耐食性を示します。 陽極酸化処理後、その表面は耐食性をさらに高め、硬くて緻密な酸化皮膜を形成するため、外部媒体による浸食を効果的に防ぎ、良好な外観を維持しながら建築装飾の分野で長期間使用できます。

応用分野

• 主に建築業界で使用され、建物のドアや窓、カーテンウォールのフレーム、装飾ストリップなどに使用されます。また、一部の家具付属品、電子機器の筐体、および外観と成形性に対する高度な要件が求められるその他の製品の製造にも使用されます。

7075アルミニウム素材

化学組成

• 亜鉛（Zn）、マグネシウム（Mg）、銅（Cu）を主合金元素とし、微量のクロム（Cr）などを含む高強度のアルミニウム合金です。 亜鉛とマグネシウムは強化相を形成し、銅は合金の強度と硬度をさらに向上させます。

物理的特性

• 密度は約2.81g/cm³、熱伝導率が良く、熱膨張係数が比較的低く、高温環境下でも一定の性能安定性を維持できます。

機械的性質

• 力： 引張強さは570MPa以上にもなり、降伏強さは約500MPaになります。 数あるアルミ素材の中で最も強度が高く、耐荷重性も非常に高い素材です。
• 硬度： ブリネル硬度は約 150HB に達し、硬度が高く、耐摩耗性に優れています。
• 靭性： 強度は高いですが、靭性は6061、6063に比べて若干劣ります。 ただし、合理的な設計と使用条件下では、ほとんどの高強度用途の要件を満たすことができます。

加工特性

• 切削： カットは難しいですね。 強度が高いため、工具の摩耗が深刻です。 加工品質と効率を確保するには、高硬度で耐摩耗性の高い工具を使用し、切削パラメータを合理的に選択する必要があります。
• 形にする： 鍛造や圧延などで成形できますが、変形抵抗が大きいため、加工設備や工程への要求が高くなります。

熱処理工程

• 一般にT6熱処理プロセスが採用され、溶体化処理温度は約470℃、時効処理温度は約120℃です。 熱処理プロセスパラメータを正確に制御することにより、強度と靱性の最適な組み合わせを得ることができます。

耐食性

• 7075 アルミニウムの耐食性は比較的弱く、特に塩化物イオンを含む環境では応力腐食割れが発生しやすくなります。 銅の含有量が多いと強度は向上しますが、耐食性はある程度低下します。 通常、使用に際しては耐食性を高めるために塗装やアルマイト処理などの特殊な表面処理が必要となりますが、設計上応力腐食が起こりやすい環境条件では極力避ける必要があります。

応用分野

• 航空機のビーム、翼、着陸装置、その他の主要な構造部品など、航空宇宙分野で広く使用されています。軍事産業では、武器や装備品の部品の製造に使用されます。自転車のフレームやゴルフクラブヘッドなどの高級スポーツ用品の分野では、その高強度・軽量特性を生かして製品の性能向上に貢献しています。

5083アルミニウム素材

化学組成

• 主な合金元素はマグネシウムで、少量のマンガン (Mn) およびその他の元素も含まれています。 マグネシウムの含有量が高いため、合金に優れた耐食性と強度が与えられます。

物理的特性

• 密度は約2.66g/cm³、これらのアルミニウム材料の中で比較的低い値です。 熱伝導性、電気伝導性に優れ、適度な熱膨張係数を持っています。

機械的性質

• 力： 引張強さは約315MPaに達し、降伏強さは約230MPaです。 強度が高く、大きな引張荷重や曲げ荷重にも耐えられます。
• 硬度： ブリネル硬度は約 90HB で、一般的な工学用途の要件を満たすことができます。
• 靭性： 優れた靭性を持ち、特に低温環境においても良好な靭性を維持でき、脆性破壊が起こりにくいです。 低温性能が必要な場合に適しています。

加工特性

• 溶接性能： 溶接性能に優れており、さまざまな溶接方法（アーク溶接、抵抗溶接など）での溶接が可能です。 溶接継手の強度が高く、溶接品質も良好です。 溶接構造部品の製造に広く使用されています。
• 切削： 切れ味が良く、様々な形状の部品への加工が容易です。

熱処理工程

• 通常、強化のための熱処理は行わず、加工硬化により強度を向上させます。 冷間圧延や冷間引抜きなどの冷間加工中に、合金の強度は一定の可塑性と靭性を維持しながら徐々に増加します。

耐食性

• 5083 アルミニウムは、特に海洋環境や塩化物イオンを含む媒体において優れた耐食性を備えています。 合金元素の組成により表面に安定した酸化皮膜を形成し、海水や塩水などの浸食に効果を発揮し、造船、海洋工学などの分野に最適な材料です。 過酷な海洋環境に長期間さらされた場合でも、優れた構造的完全性と性能の安定性を維持できます。

応用分野

• 主に造船、海洋工学、圧力容器、冷凍機器などの分野で使用されます。 造船では、船体構造、甲板、隔壁などの製造に使用されます。海洋工学では、海洋プラットフォーム、海底パイプラインなどの製造に使用できます。圧力容器の分野では、耐食性と溶接性に優れているため、さまざまな液体や気体を保管する容器の製造に使用できます。冷凍機器では、その低温靭性と耐食性を利用して冷凍トラックの車体や冷蔵室の壁パネルなどを製造しています。

結論

4 つのアルミニウム材料 6061-T6、6063、7075、および 5083 は、化学組成、物理的特性、機械的特性、加工特性、熱処理プロセス、耐食性、および応用分野において明らかな違いがあります。 実際のエンジニアリング用途では、強度、硬度、靱性、耐食性、加工難易度、コストなどの用途に応じて、適切なアルミニウム材料を総合的に検討して選択する必要があります。 そうすることでこそ、アルミニウム素材の利点を最大限に活かし、さまざまな分野やエンジニアリングプロジェクトのニーズに応え、関連産業の発展と進歩を促進することができます。 航空宇宙などのハイテク分野でも、建築装飾や日用品製造などの一般産業でも、これらのアルミニウム素材は、かけがえのない重要な役割を果たしています。 材料科学と技術の継続的な発展により、その性能はさらに最適化および拡張され、その応用の可能性はさらに広がるでしょう。