ジュラルミンの金属加工と切削における強度と加工性

ジュラルミンの金属加工の特徴と技術

ジュラルミンの種類と強度特性について

ジュラルミンは高強度アルミニウム合金の代表格として、様々な産業分野で活用されています。その種類は主に3つに分けられ、それぞれ特有の組成と強度特性を持っています。

 

▼ジュラルミン（A2017）の特性

• 組成：銅が3.5～4.5%、マグネシウムが0.4～0.8%
• 硬度：約120HB（ブリネル硬度）
• 特徴：通常のアルミニウムより高い強度を持つが、3種の中では最も低強度

▼超ジュラルミン（A2024）の特性

• 組成：銅が3.8～4.9%、マグネシウムが1.2～1.8%
• 特徴：ジュラルミンより銅とマグネシウムの添加量を増やすことで強度向上
• 用途：航空機部品、精密機械部品に多用

▼超々ジュラルミン（A7075）の特性

• 組成：銅が1.2～2.0%、マグネシウムが2.1～2.9%、亜鉛が5.1～6.1%
• 硬度：約160HB（ブリネル硬度）
• 特徴：アルミニウム合金中最高クラスの強度を持つ

超々ジュラルミンの名前の由来は意外に興味深いものがあります。開発段階で使われた3つの合金、E合金（Zinc Duralumin）、S合金（Sander合金）、D合金（Duralumin）の頭文字を取ってESD合金と呼ばれ、これがExtra Super Duralumin（超々ジュラルミン）の語源となりました。

 

強度比較では、超々ジュラルミンのブリネル硬度は160HBで、これはステンレス材のSUS304（187HB）には及ばないものの、密度がステンレスの約1/3であることを考慮すると、比強度（強度/密度）では約2倍優れています。この特性により、軽量化が求められる航空宇宙分野や高性能スポーツ用品で重宝されています。

 

ジュラルミンの切削加工における注意点と条件設定

ジュラルミンの切削加工は比較的容易ですが、素材特性を理解した適切な条件設定が品質向上の鍵となります。

 

【切削性の特徴】
A7075（超々ジュラルミン）の被切削指数は120と高く、切削加工しやすい素材です。ただし、以下の点に注意が必要です。

 

1. 熱による問題
   • アルミニウム合金は熱伝導率が高く、切削熱が工具や加工物に伝わりやすい
   • 溶融点が低いため（約660℃）、切削による温度上昇で工具への溶着が発生しやすい
   • 適切な切削油剤の使用と切削速度の調整が必要
2. 工具選定のポイント
   • 切れ味の良い工具を使用する（超硬工具が適している）
   • チップブレーカー付きの工具を使用し、切りくず処理を改善する
   • コーティング工具を使用する場合は、アルミニウム用に特化したものを選定
3. 切削パラメータの設定

   パラメータ	推奨値（A7075）
   切削速度	300～500 m/min
   送り速度	0.1～0.3 mm/rev
   切込み量	1～3 mm

最近の研究では、ミスト給油方式を用いることで、ジュラルミンの切削加工における工具寿命の延長と表面粗さの改善が可能であることが分かっています。これは従来の大量給油と比較して環境負荷も少ない方法です。

 

切削加工後は、バリ（バリは切削加工後に材料の端に生じる微小な突起）の処理が重要です。特にジュラルミンは柔らかい素材のため、鋭利なバリが発生しやすく、作業者の怪我や組立時の問題の原因となります。

 

ジュラルミンの溶接技術と課題解決法

ジュラルミンの溶接は、その特性から非常に難しいとされていますが、近年の技術進歩により可能性が広がっています。

 

◆溶接が難しい理由

1. 材料特性による課題
   • アルミニウムの融点が低く（約660℃）、熱による変形が生じやすい
   • 熱伝導率が高く、熱が逃げやすいため溶接部の温度コントロールが困難
   • 銅の含有量が多いため酸化しやすく、溶接部が弱くなりやすい
   • 熱処理で得た強度が溶接熱で失われる
2. 特にA7075（超々ジュラルミン）の溶接難易度
   • 亜鉛の含有量が多く、溶接時に亜鉛が蒸発して気孔を形成
   • 熱影響部（HAZ）での強度低下が著しい
   • 応力腐食割れ（SCC）の感受性が高くなる

◆課題解決のアプローチ
従来の溶接に代わる方法として、以下の技術が効果的です。

1. 摩擦撹拌接合（FSW: Friction Stir Welding）
   • 材料を溶融させずに接合するため、溶接による欠陥が少ない
   • A7075同士の接合も高い強度で可能
   • 熱影響が少なく、強度低下を最小限に抑えられる
2. レーザー溶接の最適化
   • パルスレーザーを使用することで入熱量を制御
   • 溶接速度を上げることで熱影響を低減
   • 専用フィラーワイヤ（5356や4043など）の選定が重要
3. 抵抗スポット溶接の活用
   • 局所的な加熱で全体への熱影響を抑制
   • 航空機産業ではリベットと併用される方法
4. ハイブリッド接合法
   • 接着剤と機械的締結を組み合わせた方法
   • 溶接の弱点を補いながら強度確保が可能

最新の研究では、A7075でも溶接後の特殊熱処理を施すことで、母材の95%程度まで強度を回復させる技術も開発されています。この方法では、溶接直後に急冷し、その後適切な時効処理を行うことが鍵となります。

 

溶接が困難な場合、設計段階で締結方法を検討することも重要です。リベットやボルト締結、あるいは特殊なジョイント設計を採用することで、溶接に頼らない接合方法も検討価値があります。

 

ジュラルミンの熱処理工程と強度向上のメカニズム

ジュラルミンの強度特性は、適切な熱処理により引き出されます。特にA7075（超々ジュラルミン）は、熱処理により驚異的な強度を発揮します。

 

◇熱処理の基本工程

1. 溶体化処理（固溶化処理）
   • 目的：合金元素を均一に固溶させる
   • 温度：約465～475℃
   • 時間：素材厚みにより異なるが、通常1～2時間
   • プロセス：合金元素（Cu、Mg、Zn）をアルミニウム母相に十分溶け込ませる
2. 急冷処理（焼入れ）
   • 目的：過飽和固溶体の状態を作り出す
   • 方法：水や空気による急速冷却
   • 重要点：冷却速度が遅いと合金元素が析出し、後の時効効果が低下
3. 時効処理（析出硬化処理）
   • 目的：微細な析出物を形成させ、強度向上
   • 自然時効：室温で数日間放置
   • 人工時効（T6処理）：120～150℃で12～24時間加熱

◇特殊処理バリエーション

• T651処理：溶体化処理と人工時効の間に引張加工を行い、残留応力を除去
• T652処理：焼入れ後1～5%の永久歪みを与える圧縮矯正で残留応力を除去

◇強度向上のメカニズム
ジュラルミンの強度向上は、主に「析出硬化」と呼ばれる現象によるものです。熱処理により、合金元素が母相中に微細な金属間化合物として析出し、これが転位の動きを妨げることで強度が向上します。

 

A7075の場合、主にMgとZnがMgZn2などの化合物として析出し、これが強度向上の鍵となります。適切な時効温度と時間を設定することで、析出物の大きさと分布を最適化し、最大の強度を引き出すことができます。

 

熱処理条件の厳密な管理は、最終製品の品質を左右する重要な要素です。特に大型部品では、内部まで均一に加熱・冷却されるよう、時間とプロセスの調整が必要となります。

 

ジュラルミンの加工後処理と耐食性向上策

ジュラルミン加工における最大の課題の一つが耐食性の低さです。特に銅を多く含むため、適切な防食処理が不可欠となります。

 

■主な腐食問題

1. 全面腐食：材料表面が均一に腐食する現象
2. 孔食：局所的に深い穴ができる腐食
3. 応力腐食割れ（SCC）：引張応力と腐食環境の相乗効果で発生するひび割れ
4. 異種金属接触腐食：異なる電位を持つ金属と接触した際の電気化学的腐食

■効果的な防食処理方法

1. アルマイト処理（陽極酸化処理）
   • 特徴：電気化学的に表面に酸化皮膜を形成
   • 種類。
     • 硬質アルマイト：厚い皮膜で耐摩耗性向上（30～100μm）
     • 通常アルマイト：一般防食用（5～20μm）
     • 着色アルマイト：装飾性と防食性の両立
   • 注意点：A7075などの高銅含有合金は処理条件の調整が必要
2. 化成処理
   • クロメート処理：六価クロムを使用した古典的な方法（環境規制により制限あり）
   • クロムフリー処理：環境に配慮した代替技術（ジルコニウム系など）
3. 塗装
   • エポキシ系塗装：高い密着性と耐食性
   • ポリウレタン系塗装：耐候性と装飾性に優れる
   • 粉体塗装：環境負荷が低く、厚膜形成が可能
4. 複合防食システム
   • アルマイト処理＋塗装：相乗効果で高い防食性能
   • プライマー＋トップコート：海洋環境など過酷な条件下で効果的

■設計段階での対策
耐食性向上は加工後の表面処理だけでなく、設計段階からの配慮も重要です。

 

• クラッド材の使用：A7075の表面に純アルミ系のA7072を圧着した合わせ板を用いる
• 応力集中の回避：鋭角の角や急激な断面変化を避ける設計
• 水分滞留防止：水が溜まらない構造設計
• ガルバニック腐食対策：異種金属との接触面に絶縁材を挟む

■事例：航空機部品での耐食性確保
航空機の構造材には超々ジュラルミンが多用されていますが、耐食性向上のため、表面処理にはアルマイト処理後、エポキシプライマー、さらにポリウレタントップコートを施す三層防食システムが採用されています。この方法により、過酷な環境下でも10年以上の耐食性が確保されています。

 

加工後の防食処理は、製品の寿命を左右する重要な工程です。ジュラルミンの持つ高い強度と軽量性を最大限に活かすためには、適切な防食設計と処理が不可欠と言えるでしょう。

 

ジュラルミン加工において、機械的特性の向上と同時に耐食性の確保は、製品の信頼性と寿命を左右する重要な要素です。材料選定から設計、加工、そして表面処理まで一貫した品質管理が、高品質なジュラルミン製品の鍵となります。