ジュラルミンとアルミの違いと特徴と強度と加工性について

ジュラルミンとアルミの違いと特徴と強度と加工性

ジュラルミンとは？種類と成分の特徴

 

ジュラルミンは、アルミニウムに銅やマグネシウムを加えた高強度の合金です。純アルミニウムの軽さを保ちながら、鉄鋼に匹敵する強度を持つことが最大の特徴です。1906年にドイツの冶金学者アルフレート・ヴィルム博士が発見し、1909年に「duralumin（ジュラルミン）」として市場に登場しました。

 

ジュラルミンは大きく3種類に分類されます。

1. ジュラルミン（A2017）：アルミニウムに銅（3.5～4.5％）とマグネシウム（0.4～0.8％）などを添加した合金です。ブリネル硬さは約105HBで、純アルミニウム（65HB）と比較してかなり高い強度を持ちます。
2. 超ジュラルミン（A2024）：ジュラルミンの強度をさらに向上させたもので、ブリネル硬さは約120HBです。銅とマグネシウムの含有量が調整されており、より高い強度が特徴です。
3. 超々ジュラルミン（A7075）：亜鉛（5.1～6.1％）を添加した合金で、アルミニウム合金の中で最も高い強度を誇ります。ブリネル硬さは約160HBにも達し、時効硬化により鋼材並みの強度を獲得します。

これらのジュラルミンの共通点は、熱処理（時効硬化）によって強度を高められることです。熱処理を行うことで金属内部の組織が変化し、強度が大幅に向上します。この特性を発見したのがヴィルム博士で、熱処理後の合金を常温で放置すると時間の経過とともに硬度が上昇する「時効硬化」現象を世界で初めて見出しました。

 

ジュラルミンとアルミの強度と硬度の比較

 

ジュラルミンとアルミニウムの最大の違いは、その強度です。純アルミニウムは軽量ですが柔らかく、強度が低いという弱点があります。一方、ジュラルミンはアルミニウムの軽さを保ちながらも、添加元素による強化で大幅に強度が向上しています。

 

以下に各材料の特性を比較します。
硬度比較

• 純アルミニウム：約65HB
• ジュラルミン（A2017）：約105HB
• 超ジュラルミン（A2024）：約120HB
• 超々ジュラルミン（A7075）：約160HB
• 炭素鋼：約180HB
• ステンレス鋼：約180HB
• チタン合金：約330HB

ジュラルミンは純アルミニウムの約1.6倍の硬度を持ち、超々ジュラルミンに至っては約2.5倍にもなります。このように、ジュラルミンは金属の中では比較的柔らかい部類に属しますが、アルミニウム合金としては高い強度を誇ります。

 

比重（密度）比較

• ジュラルミン：約2.79
• 超ジュラルミン：約2.78
• 超々ジュラルミン：約2.80
• ステンレス鋼：約7.93
• 鉄：約7.85

ジュラルミンの比重はステンレス鋼の約1/3程度と非常に軽量です。この軽さと強度の両立が、航空機部品や宇宙機器などへの採用理由になっています。

 

融点比較

• ジュラルミン：約660℃
• 鉄：約1536℃
• 銅：約1083℃

ジュラルミンの融点は比較的低いため、加工時の熱による変形や溶着に注意が必要です。

 

ジュラルミンの強度向上のメカニズムは、主に「銅の添加」と「時効硬化処理」にあります。特に超々ジュラルミンはT6処理（溶体化処理後の人工時効硬化処理）により、最高の強度を得ることができます。このバランスの良さが、軽量かつ強度が必要な場面での重宝される理由です。

 

ジュラルミンの加工性と切削のポイント

 

ジュラルミンの加工性は、その種類や加工方法によって大きく異なります。基本的な特徴として、切削加工には適していますが、溶接加工には注意が必要です。

 

切削加工の特徴
ジュラルミンは切削性に優れた材料です。アルミニウムの含有量が90％以上を占めているため、切削はしやすいと言えます。被切削指数（快削性を示す指数）も比較的高く、特にA7075の被切削指数は120と、切削加工がしやすい素材です。

 

ただし、種類によって切削性が異なります。

• ジュラルミン（A2017）：切削性は良好
• 超ジュラルミン（A2024）：やや切削性が落ちる
• 超々ジュラルミン（A7075）：強度が高いため他の二つより切削性が落ちるが、アルミ合金としては依然良好

切削加工のポイント

1. 熱管理を徹底する：ジュラルミンは融点が低く（約660℃）、熱伝導率が高いため、切削時の発熱で工具への溶着が起こりやすいです。切削速度を適切に調整し、鋭利な工具を使用しましょう。
2. 適切な切削油の選択：アルミニウム合金専用の切削油を使用することで、切削後の変色を防止できます。また、加工後はクーラントでしっかり洗浄することも重要です。
3. 工具の選定：硬度の高い超々ジュラルミンを切削する場合は、特に工具の選定が重要です。超硬工具やPCDツールが適しています。
4. 切削パラメータの最適化：高速切削が可能ですが、温度上昇を抑えるために、回転数と送り速度のバランスを適切に設定しましょう。
5. 後処理の検討：ジュラルミンは耐食性が低いため、切削加工後にアルマイト処理などの表面処理を検討するとよいでしょう。

快削ジュラルミンは、通常のジュラルミンに鉛やビスマスを添加したもので、さらに切削性が向上しています。用途によっては、これらの材料を選択することで加工効率を上げることができます。

 

ジュラルミンの溶接性と耐食性の課題

 

ジュラルミンの最大の弱点は、溶接性の低さと耐食性の低さにあります。これらの課題は、ジュラルミンを使用する際に常に考慮すべき重要なポイントです。

 

溶接性の課題
ジュラルミンは溶接が難しい材料とされています。その主な理由は以下の通りです。

1. 溶接割れの発生：ジュラルミンは溶接時に割れが発生しやすい特性があります。特に超々ジュラルミン（A7075）は溶接性が最も低く、注意が必要です。
2. 低い融点と高い熱伝導率：アルミニウムの融点が低く、熱が急速に広がるため、溶接部の温度管理が難しくなります。
3. 亜鉛中毒のリスク：超々ジュラルミンは亜鉛を含むため、溶接時に亜鉛蒸気が発生し、作業者の健康に影響を与える可能性があります。

溶接が必要な場合は、以下の対策が考えられます。

• ボルトやリベットなどの機械的接合方法を優先する
• 抵抗スポット溶接など、低温での溶接法を検討する
• 適切な溶接条件を設定し、経験豊富な業者に依頼する

耐食性の課題
ジュラルミンの耐食性は、純アルミニウムよりも低下しています。これは主に銅の添加によるもので、特に銅含有量の多い超ジュラルミン（A2024）はアルミニウム合金の中でも耐食性が低いとされています。

 

耐食性の課題に対する対策。

1. アルマイト処理：陽極酸化によって表面に酸化被膜を生成させ、耐食性を向上させる最も一般的な方法です。
2. 防食塗装：適切な防食塗料を塗布することで、腐食環境からジュラルミンを保護できます。
3. 犠牲防食：より卑な金属（亜鉛など）を接触させることで、ジュラルミンの腐食を防ぐ方法です。
4. 環境配慮：使用環境を考慮し、特に海洋環境や高湿度環境では適切な防食処理を施すことが重要です。

耐食性と溶接性は、ジュラルミンを選定する際の大きな制約要因となりますが、適切な対策を講じることで、これらの弱点を補いながらジュラルミンの優れた特性を活かすことが可能です。

 

ジュラルミンの産業応用と今後の技術動向

 

ジュラルミンは、その軽量性と高い強度を活かして、様々な産業分野で幅広く利用されています。ここでは、その代表的な応用例と最近の技術動向について解説します。

 

産業応用例

1. 航空宇宙産業。
   • 航空機の機体構造（約70%がアルミニウム合金）
   • 人工衛星の構造部品
   • ロケットの燃料タンク
2. 交通・輸送機器。
   • 高速鉄道車両の構体
   • 自動車のエンジン部品やボディパネル
   • 船舶の軽量化部品
3. スポーツ・レジャー用品。
   • 金属バット（特に超々ジュラルミン）
   • スキー板やストック
   • 釣り竿のリール部品
4. 精密機器。
   • カメラボディ
   • スマートフォンケース
   • アタッシュケース

特に航空機分野では、機体の軽量化が燃費向上に直結するため、ジュラルミンの貢献度は非常に高いです。第二次世界大戦前の零戦（ゼロ戦）には、世界に先駆けて超々ジュラルミンが使用され、その優れた性能を発揮しました。

 

最新の技術動向

1. 新型合金の開発。
   • アルミリチウム合金：従来のジュラルミンよりもさらに軽量で高強度の特性を持つアルミリチウム合金が、最新の航空機（ボーイング787やエアバスA350など）に採用されています。
   • チタンアルミニウム合金：高温強度に優れ、エンジン部品などの特殊用途に使用されています。
2. 複合材料との競合と共存。
   • 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）などの複合材料が航空機分野で使用が拡大していますが、ジュラルミンにはデータの蓄積があり、設計・製造プロセスの信頼性が高いという利点があります。
   • 複雑な形状部材や応力の向きが変動する部材など、CFRPでは実現が難しい部分を補完する役割が注目されています。
3. 環境対応型合金の研究。
   • リサイクル性を高めた合金組成の研究
   • 有害物質（鉛など）を含まない快削合金の開発
   • エネルギー消費の少ない製造プロセスの確立
4. 加工技術の革新。
   • 3Dプリンティング技術を用いたジュラルミン部品の製造
   • レーザー溶接など、従来溶接が難しかったジュラルミンの新たな接合技術の開発
   • AIを活用した最適切削条件の自動設定システム

特に注目すべきは、CFRPなどの新素材とジュラルミンのハイブリッド構造です。それぞれの材料の長所を組み合わせることで、より軽量で高強度な構造体が実現可能になっています。航空機製造大手のボーイングやエアバスは、このようなハイブリッド構造を積極的に採用しています。

 

70年以上前に開発された超々ジュラルミンですが、現在も研究開発が続けられており、さらなる性能向上が期待されています。金属加工技術の進化とともに、ジュラルミンの可能性はさらに広がっているといえるでしょう。

 

航空機用アルミニウム合金展伸材の歴史についての詳細資料