アルミニウムは地殻に最も多く存在する金属元素です。世界では鉄に次いで2番目に生産量と使用量が多い非鉄金属です。密度は鉄の約1/3と低く、純粋なアルミニウムは柔らかく強度が低いため、マグネシウム、銅、亜鉛、シリコン、リチウムなどの元素を少量添加することで、アルミニウム合金の性能が向上します。アルミニウム合金は、優れた機械的特性と耐食性を備えているため、産業界で最も広く使用されている非鉄金属構造材料です。建設、航空宇宙、自動車、機械製造、造船、化学産業など、幅広い分野で使用されています。
アルミニウム合金は機械的、化学的に優れた特性を持っています。
① 機械的性質は、主に低密度、高強度、高弾性率などに反映されます。アルミニウムは密度が低く、他の金属よりも軽く、鋼鉄の 1/4 しかないため、軽量化の要求が高い分野での使用に適しています。
②化学的性質の面では、アルミニウム合金は空気中で表面に緻密な酸化膜を形成するため、深部酸化から保護され、優れた耐食性と非常に安定した化学組成を有しています。
③アルミニウム合金は可塑性に優れ、様々な形状に加工でき、優れた電気伝導性と熱伝導性も備えているため、産業界で広く利用されており、その使用量は鉄鋼に次いで2番目に多い。
現在、アルミニウム合金は250種類以上もの組成の異なる種類に分かれています。中国では、合金組成の違いによる識別を容易にするため、国際的に認められた4桁の等級分類方法を採用し、生産拠点のマーキング、記録、計算管理を容易にしています。軍事産業で使用されるアルミニウム合金は、主にアルミニウム-リチウム合金、2XXX（A1-Cu-Mg）シリーズ、および7XXXシリーズのアルミニウム合金です。
各種アルミニウム合金材料の市場需要と開発動向
2XXXシリーズアルミニウム合金
2XXX（A1-Cu-Mg）シリーズのアルミニウム合金は、高い引張強度、靭性、疲労強度、優れた耐熱性、加工性、溶接性を備えており、航空宇宙、自動車、兵器産業などで広く使用されています。主なグレードは2A01、2A02、2A06、2A11、2A12などです。強度、靭性、耐損傷性を向上させるために、2024、2124、2524、2324合金など、一連の合金が開発されています。
中国の装備モデルは軽量、長寿命、高信頼性、低コストの方向に発展しており、機体外板材料の破壊靭性、耐亀裂伝播性、耐腐食性に対する要求は高い。海外では2024-T351アルミニウム合金厚板をベースに、強度、靭性、耐疲労性、耐腐食性が異なる2324、2624などの下翼表面用高耐損傷アルミニウム合金が開発され、既に実用化されている。中国は高耐損傷2XXXシリーズアルミニウム合金を開発しており、今後、複合マイクロアロイングはAl-Cu-Mg系高強度アルミニウム合金の重要な発展方向となるだろう。
4XXXシリーズアルミニウム合金
現在、中国では自動車ピストンに主に共晶Al-Si合金と亜共晶Al-Si合金が使用されています。しかし、エンジン性能の要求が継続的に向上するにつれて、性能要件を満たすことが難しくなっています。過共晶Al-Si合金は、共晶Al-Si合金と比較して、密度が低く、線膨張係数が小さく、耐摩耗性と体積安定性が高く、より理想的なピストン材料です。過共晶Al-Si合金ピストンは、米国のA390合金、日本のAC9AおよびAC8A（ZL109）合金、オーストラリアのA390合金など、海外で量産され、トラックや乗用車に適用されています。しかし、現在、中国で過共晶Al-Si合金ピストンを生産しているメーカーは少なく、ほとんどが輸入に頼っています。また、自動車ターボチャージャー用アルミニウム合金材料は海外と大きな格差があります。高性能自動車ターボチャージャー用アルミニウム合金材料は、主に日本などの国に依存しています。したがって、高性能ピストンやターボチャージャーインペラ用の重要な自動車用アルミニウム合金材料の開発が急務となっています。
5XXXシリーズアルミニウム合金
Al-Mg合金、特にMg含有量の高いAl-Mg合金は、比強度が高く、溶接性と耐食性に優れており、将来、航空宇宙、高速鉄道、海洋などの分野で競争力の高い材料となるでしょう。現在、航空宇宙、鉄道、海洋などの用途向けのAl-Mg合金板、プロファイル、溶接ワイヤは、主に輸入に依存しています。高級溶接ワイヤ市場は、米国ALCOAがほぼ独占しています。ER5183およびER5356合金は主に輸入に依存しており、輸入量は売上高の約70％を占めています。船舶用のAl-Mg合金は主にロシアに依存しています。従来の高Mg合金インゴットは、デンドライトが発達し、共晶相の偏析が激しく、成形性が悪いという問題がありました。現在の加工方法は、性能が低い、外観品質が悪い、工程が長い、品質が不安定、歩留まりが低いなど、依然として多くの問題を抱えています。亜急速凝固・成形は、マグネシウムの析出を抑制すると同時に、微細な等軸結晶とナノ析出相を得るための制御が可能であり、材料の性能と均一性を大幅に向上させます。したがって、高性能Al-Mg合金のための亜急速凝固連続レオロジー押出・圧延技術の開発は、高品質Al-Mg合金の需要を満たすことが期待されます。
6XXXシリーズアルミニウム合金
6XXX系アルミニウム合金材料は、鉄道輸送、自動車、電子などの分野の重要な材料です。1980年代以来、ヨーロッパ、米国、日本などの先進国・地域では、6009、6016、6010、6111、6022、6082などの登録グレードの自動車用アルミニウム合金が開発され、自動車の車体パネル、押し出し品、鍛造品などの比較的完全な生産・応用システムが形成されました。中国における6XXX系アルミニウム合金車体パネルと鍛造品の産業化研究開発は始まったばかりで、明確なギャップがあります。中国工業情報化部は、開発すべき自動車用アルミニウム合金板として、6016-S、6016-IH、6016-IBR、6A16-S、6A16-IBR、6022などを提案しています。典型的な6XXXシリーズアルミニウム合金板は、伸び率A50が25%以上、r値が0.60以上、60日駐車降伏強度Rp0.2が140 N/mm2以上、塗装硬化降伏強度増加が80 N/mm2以上です。多様なニーズに応えるため、6XXXシリーズアルミニウム合金の設計、製造、加工技術の開発は、もはや避けられない発展の潮流となっています。
7XXXシリーズアルミニウム合金
7XXXシリーズアルミニウム合金は、耐応力腐食性に優れ、アルミニウム合金の中で最も強度の高いシリーズであり、国際的に航空基幹材料として認められています。近年、海外ではT77511状態で降伏応力が620MPaを超える7055合金（Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr）が開発され、ボーイング777機に採用され、635kgの軽量化を実現しています。現在、中国には航空用7XXXシリーズアルミニウム合金の体系的な合金設計と製造・加工技術が不足しており、一部の製品は完全に輸入に依存しています。7XXXシリーズアルミニウム合金は、合金元素が多く、凝固範囲が広く、鋳造応力が大きく、合金元素が酸化・偏析しやすいため、インゴットの冶金品質が悪く、常温成形性が低いという問題があり、新たな7XXXシリーズアルミニウム合金の開発は極めて重要です。
アルミニウム-リチウム（Al-Li）合金
アルミニウムリチウム合金は、近年、航空材料の中で最も急速に成長している軽量素材です。低密度、高弾性率、高比剛性、優れた疲労性能、耐腐食性などの特徴を持ち、従来のアルミニウム合金に置き換えた後、質量は10％～20％削減され、剛性は15％～20％向上します。21世紀初頭、アメリカのALCOA社は「ALCOA Aviation 20/20 Plan」を立ち上げ、20年以内に航空アルミニウム合金のコストと重量をそれぞれ20％削減することを目標としました。コンステリウムは、低密度、高靭性、高損傷耐性を備えた2050および2198アルミニウムリチウム合金（Al-Cu-Li-Mg-Ag）を開発しました。中国で自主開発されたAl-Li合金グレードは非常に少なく、1420合金のみが使用されています。 C919旅客機に採用されているアルミニウムリチウム合金は、アルコア社が供給している。国内では1420、2195、2197、2A97といった限られた合金グレードしか生産できず、インゴットも（310～400）×1280×4000）mm以下の平インゴットとφ650mm以下の丸インゴットのみである。厚さ60mm以上、幅1500mm以上の平インゴット（2B16）や、ハイエンド航空用途の直径1500mm以上のインゴット（2B16）は、いまだ工業化されていない。そのため、新たなアルミニウムリチウム合金設計、超大型インゴット製造、深加工技術の開発は極めて重要である。
耐熱アルミニウム合金
耐熱アルミニウム合金は、Si、Fe、Ni、Ag、希土類元素などの元素を調整することで、高温でも酸化やクリープに強いアルミニウム合金を実現し、航空宇宙、自動車、鉄道輸送などの分野における重要な基礎材料です。従来の耐熱アルミニウム合金には、2519、2618、2219、2D70などがあります。航空宇宙産業と自動車産業の急速な発展に伴い、耐熱アルミニウム合金に対する要求は高まっています。新世代の戦闘機は巡航速度が高く、機体外板の動作温度は150℃を超えています。現在、2618や2D70などの耐熱アルミニウム合金の長期使用温度は150℃未満です。そのため、新しい耐熱アルミニウム合金の開発が急務となっています。
スカンジウム（Sc）含有量が極めて低いAl-Sc合金
Al-Sc合金は、高強度、良好な可塑性、耐食性などの優れた特性を備えており、Al-Li合金に続く航空宇宙、船舶などの新世代軽量材料となっています。微量のスカンジウムを含むAl-Mg合金の引張強度は5083合金より30％高く、降伏強度は2倍以上です。溶接性は従来の5XXXシリーズ合金に匹敵し、熱影響部および溶接部の機械的特性は母材とほぼ同等であり、耐食性は5083合金に匹敵します。航空宇宙部品の製造において5XXXまたは6XXXシリーズ合金を置き換えることで、大幅な軽量化効果が得られ、自動車や鉄道車両にも優れた材料です。ロシアはスカンジウム含有アルミニウム合金の開発において世界をリードしており、スカンジウム含有量が0.18％～0.5％のAl-Mg-Sc、Al-Mg-Li-Sc、Al-Zn-MgSc、Al-Zn-Mg-Cu-Sc、Al-Cu-Mg-Sc合金を開発しています。中国工業情報化部は、航空宇宙産業や自動車産業へのアルミニウム・スカンジウム合金の応用を促進するため、スカンジウム含有アルミニウム合金を重点開発新素材の一つに挙げています。中国はスカンジウム資源が豊富で、高純度スカンジウム酸化物抽出生産ラインを構築し、アルミニウム・スカンジウム合金開発の基礎を築いています。
自動車用500MPa級ホットスタンプアルミ合金
中国では、高強度アルミニウム合金材料のホットスタンプ加工において依然として空白が存在しています。新材料と新成形プロセスの開発を組み合わせることは、高強度アルミニウム合金自動車部品の成形における課題を解決するための有効な手段です。7XXX系合金に注力し、2XXX系合金の積極的な探索、そしてホットスタンプ加工用の500MPa級アルミニウム合金材料の開発は、複雑な形状の自動車部品の製造において重要な展望を持っています。
アルミニウム系複合材料
アルミ鋼多層複合板：大型船舶の上部構造軽量化において、アルミデッキと鋼板の効率的な接合は制約条件の一つとなっている。アルミ船体と鋼船体の溶接に用いられるアルミ鋼複合継手は、従来のリベット接合に代わるソリューションを提供する。ホンダは、量産車のフレームにグローバルに展開する鋼とアルミの接合技術を開発している。現在、中国で使用されているアルミ鋼複合継手は主に海外からの輸入品であり、価格は4×10 5 元/トンにも達する。今後の大型船舶では、継手にはより高い溶接温度、より大きな軸受け応力、そしてより強固な接合界面が求められており、高性能アルミ鋼継手が急務となっている。
投稿日時: 2025年3月8日
