アルミニウム2007：組成、特性、材質区分ガイドおよび用途
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総合概要
2007は2xxx系アルミニウム合金の一種で、主成分として銅を含む合金群に属します。このシリーズの合金は、熱処理可能なアルミニウム－銅（－マグネシウム／マンガン）合金として分類され、加工硬化だけでなく、析出硬化によって高強度を実現するよう設計されています。
2007の主な合金元素は銅（主要な強化元素）で、析出速度や結晶粒の制御のためにマグネシウムとマンガンが適量添加されています。鉄、シリコン、クロム、チタンは制御された微量不純物または微合金元素として含まれます。強化機構は典型的な時効硬化であり、固溶化熱処理、急冷、人工時効によって微細なtheta相（Al2Cu）や関連する析出物が生成され、降伏強さおよび引張強さを大幅に向上させます。
2007の主な特徴は、他の2xxx系合金と比較して高い強度対重量比、中程度の加工性、及び適正な熱伝導率です。耐食性は5xxx系や6xxx系合金に劣り、溶接性は特殊なフィラー材の選定や溶接後処理なしには制限されます。成形性は焼なましおよび自然時効の状態で良好ですが、人工時効によって強度が増すとともに劣化します。
2007が使用される代表的な分野には、高強度と疲労耐性が求められる航空機のサブ構造やフィッティング、防衛および兵器システムの構造部品、部分的な強度向上が必要な特殊自動車用途があります。エンジニアは比較的高い静的および疲労強度を、より高価で加工複雑なアルミリチウム合金や高強度7xxx系合金を避けて得るために2007を選択します。
調質バリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし状態、最大の延性を持ち成形に適す |
| H14 | 中 | 低～中程度 | 不良～可 | 中程度 | 中程度に加工硬化した状態で曲げ性は制限される |
| T4 | 中 | 中程度 | 良好 | 中程度 | 固溶化処理後自然時効、強度と成形性のバランス良好 |
| T5 | 中～高 | 低～中程度 | 可 | 中程度 | 高温加工から冷却後、人工時効処理 |
| T6 | 高 | 低 | 不良～可 | 難しい | 固溶化処理後、人工時効により最高強度を実現 |
| T651 | 高 | 低 | 不良～可 | 難しい | T6に応力除去の伸張処理を加え残留応力を最小化 |
2007の調質は強度と延性のトレードオフを大きく左右します。焼なまし（O）および自然時効（T4）は深絞りや複雑成形に適しますが、人工時効（T5/T6/T651）は曲げ性やばね戻りの制御と引き換えに、最大の静的強度と疲労強度を提供します。
熱処理および機械的処理は溶接性や残留応力にも影響を与えます。より高強度の調質では、熱影響部（HAZ）で軟化しやすく、溶接後の人工時効や局所的な補強が必要となる場合があります。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.5 | 鋳造中の給餌相制御のためのシリコン。高Siは延性を低下させる |
| Fe | ≤ 0.5 | 鉄は不純物。過剰に含まれると脆い金属間化合物を形成 |
| Mn | 0.3～1.0 | 結晶粒構造制御、分散相形成。靭性向上と再結晶挙動を改善 |
| Mg | 0.2～1.0 | 銅と組み合わせて析出硬化および強度向上に寄与 |
| Cu | 3.5～5.0 | Al2Cu析出による主な強度付与元素 |
| Zn | ≤ 0.25 | 微量。2xxx系では高含有は通常ない |
| Cr | ≤ 0.25 | 結晶粒成長制御と急冷感度低減のための微合金元素 |
| Ti | ≤ 0.15 | 意図的に添加すると結晶粒微細化効果あり |
| その他（各） | ≤ 0.05～0.15 | 微量元素および残りをアルミニウムで調整し100%にする |
残部はアルミニウムで、機械的性質や加工性の目標に合わせて上記元素が調整されています。銅含有量は時効硬化反応のピークや最終的な最大強度を直接支配し、マグネシウムとマンガンは析出速度の微調整や熱機械的処理時の再結晶抵抗性に寄与します。
機械的性質
ピーク時効調質（T6/T651）で加工された2007は、高強度2xxx系合金に匹敵する高い引張強さと降伏強さを示します。引張応力－ひずみ曲線は調質および製品形態により特徴的な降伏点または緩やかな加工硬化を示します。伸びは強度と逆相関で、ピーク時効の板材やプレートは焼なまし状態に比べて伸びが低下します。
硬さは時効硬化と相関し、生産管理の実用的な指標となります。ロックウェル硬さやブリネル硬さは焼なまし状態からT6状態へ大きく上昇します。疲労特性は同形状の低強度合金と比べて概ね良好ですが、疲労寿命は表面状態、局所的な応力集中、腐食環境に敏感です。板厚や形態も急冷速度に影響し、肉厚が増すとピーク特性が低下し、残留応力が大きくなる傾向があります。
| 特性 | O／焼なまし | 主な調質（T6 / T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (MPa) | 180～260 | 400～480 | ピーク値は断面厚さや時効サイクルによる |
| 降伏強さ (MPa) | 70～140 | 300～370 | 0.2%オフセット降伏。加工履歴や調質に依存 |
| 伸び (%) | 20～35 | 8～15 | O/T4で高く、T6調質で伸びと強度をトレードオフ |
| 硬さ (HB) | 35～80 | 110～160 | ブリネル硬さ範囲。硬さは析出物分布に対応 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.78 g/cm³ | Al-Cu合金標準。合金成分により純アルミニウムよりわずかに高い |
| 融点範囲 | 約500～650 °C | 固相線／液相線は局所組成や不純物により変動 |
| 熱伝導率 | 120～160 W/m·K | 銅やその他溶質のため純アルミより低い |
| 電気伝導率 | 25～40 %IACS | 100%アルミに比べ減少。調質や冷間加工により変動 |
| 比熱 | 約880～900 J/kg·K | 常温近傍における近似値 |
| 熱膨張係数 | 22～24 µm/m·K | アルミ合金として一般的な範囲 |
物理特性は強度のために高含有された銅とのバランスによる妥協を示します。熱伝導率は鋼材より大幅に高く熱管理用途に適しますが、6xxx系や1xxx系合金に比べると伝導率の低下があるため、最大の熱伝達を求める設計では考慮が必要です。
熱膨張は他のアルミ合金と同様であるため、アルミ基材で構成される組立品との適合性は良好ですが、異種材料と組み合わせる際は設計上の配慮が求められます。融点および固相線域は、局所的な溶融や界面液化を防ぐために溶接やろう付けの管理が必要です。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な硬質状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材（シート） | 0.3〜6.0 mm | 薄板では良好。急冷感受性はあまり重要でない | O、T4、T6 | 成形部品やパネルに広く使用される |
| 厚板 | 6〜100+ mm | 厚肉部は遅い急冷により強度低下の可能性あり | T4、T6 | 厚板は管理された急冷および場合によっては追加時効が必要 |
| 押出材 | 断面形状は多様 | 機械的性質は断面の厚さと固溶処理による | T4、T5、T6 | 複雑な形状が可能。析出物分布の制御が重要 |
| チューブ | 外径および肉厚は様々 | 押出材と類似の性質。熱影響部（HAZ）および歪みの管理が必要 | O、T4、T6 | 継目なしまたは溶接管が構造部材に使用される |
| 棒材／丸棒 | 直径 ≤ 200 mm | 一般的に良好な縦方向特性。時効均一性が重要 | O、T4、T6 | 鍛造部品や機械加工部品に使用される |
異なる製品形状は熱処理および急冷速度に異なる制約を課します。薄板や小断面の押出材は急冷が迅速に行え、ピーク時効強度を安定して得られますが、厚板や大断面の押出材は途中急冷、中程度のピーク強度目標、あるいは延長された人工時効処理を必要とし、断面全体でバランスの取れた特性を確保します。
加工方法は最終用途への適合性にも影響を与えます：板材および厚板は最終時効前に打ち抜きや成形を行う場合が多く、押出材や棒材は一般に固溶処理および時効処理を施し、方向性機械的特性を活かします。異なる製品形状の溶接では、充填材の選択と局所的な熱管理により熱影響部（HAZ）の軟化を最小限に抑える必要があります。
相当グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 2007 | USA | アルミニウム合金分類で認識される。サブバリアントにより組成が異なることがある |
| EN AW | 2007（または2xxxシリーズ） | ヨーロッパ | EN AW-2007またはEN AW-2xxxファミリーで表記されることが多い。国別のデータシートを確認 |
| JIS | A2007（または類似） | 日本 | 日本規格ではほぼ同等の合金を示すが、不純物の許容範囲が異なる場合がある |
| GB/T | 2007 | 中国 | 中国工業用表示では2007および2007Aバリアントが存在。化学成分の許容差異あり |
正確な相当品は具体的なバリアントおよび支配規格に依存します。一部の地域では2007Aや2007Sが存在し、銅、マグネシウム、マンガンの限界値に微妙な違いがあります。規格を越えた代替時には、グレード名だけでなく機械的特性、熱処理条件、許容不純物レベルを必ず確認してください。
耐食性
2007の大気中耐食性は熱処理不可合金シリーズと比較して中程度から低く、銅の含有により5xxx、6xxx系列と比べて局所腐食や全般腐食の感受性が増します。防護コーティング、クラッド（例：Alclad）、および変換処理が屋外用途での環境攻撃を抑制するためによく用いられます。
海洋環境は懸念事項です：高塩分環境は銅含有合金の孔食および隙間腐食を促進し、未保護の2007は海洋大気中の主要な船体構造材として通常推奨されません。陰極防食や他金属との電食防止のための絶縁材料の使用が、2007を他金属近傍で使用する際の共通対策です。
応力腐食割れ（SCC）は、高強度の2xxx系合金が塩化物を含む腐食性環境下で引張応力を受けると問題になることがあります。引張残留応力、脆弱な微細構造、腐食性媒体の組み合わせが粒界腐食およびSCCを促進します。設計では腐食環境下での持続的な高引張応力を避けるか、防護措置を規定することが一般的です。
異種金属間の電気化学的相互作用は管理が必要です：2007をステンレス鋼と組み合わせる場合は電気的絶縁があれば許容されますが、絶縁なしにより貴金属との接触はアルミニウム溶解を促進します。ほかの合金ファミリーに比べ、2007は強度に優れる反面、5xxx・6xxx系アルミニウム合金よりもより厳密な耐食保護策を必要とします。
加工特性
溶接性
2007の溶接は銅含有量の高さによる熱割れ感受性およびHAZでの溶接直後強度低下に注意が必要です。構造用全貫通溶接は可能な限り避けるのが一般的で、必要な場合はAl-Cu系用の充填材（例えば2319などのAl-Cu-Mn系）を使用し、熱入力および前後熱処理を管理します。T6などの硬質状態ではHAZ軟化が予想されるため、溶接後の固溶処理および再時効、あるいは局所的な補強が母材性能回復に必要です。
切削性
2007の切削性は比較的高い強度と制御された切りくず形態により、多くの航空宇宙用アルミ合金と比べ良好です。高シリコン合金よりはきれいに切削できますが、2xxx系の切削性優良合金ほどではありません。正面刃角のカーバイド工具と十分な冷却が推奨されます。中〜高速の切削速度で良好な仕上げ面が得られ、適切な送りで短く制御可能な切りくずを作り、ビルトアップエッジを防止します。
成形性
成形性能は硬質状態に強く依存します。O、T4硬質状態は曲げや絞り加工に最適であり、T6や加工硬化状態では常温での成形性が限定的です。最小曲げ半径は硬質状態および厚さに基づき決定します。一般的な指標として、軟化状態の板材は多くの加工で厚さの1〜2倍の半径まで曲げられますが、T6では割れ防止のためより大きな半径や温間成形が必要になることがあります。段階的曲げと適切な工具半径の使用が高強度硬質状態での局所割れを防止します。
熱処理特性
2007は熱処理可能な合金であり、典型的な固溶処理および時効サイクルに応じます。固溶処理は通常495〜520 °Cの範囲で行われ（断面サイズやバリアントによる）、銅含有相が基体に溶解しやすい条件で実施され、続いて急冷により過飽和固溶体を保持します。急冷速度は極めて重要で、不十分な急冷は粗大な析出物の形成を招き、ピーク強度の低下および厚肉部の急冷感受性増加をもたらします。
T6硬質状態向けの人工時効は一般的に150〜190 °Cの範囲で、断面厚さや望ましい特性バランスに応じて時間が調整されます。低温長時間の処理は急冷感受性を低減し靭性を向上しますが、ピーク強度はやや低下します。T4（自然時効）は中程度の強度と制御された室温析出により優れた成形性を提供し、T5は高温処理後に冷却し指定硬度まで時効する場合に用いられます。
非熱処理処理（加工硬化）では、冷間加工および焼鈍温度の制御により中間特性を設定します。焼鈍処理は材料を完全に軟化させO硬質状態に戻し、最終的な時効硬化前の成形作業を可能にします。
高温特性
2007は析出物の粗大化と基体の軟化により温度上昇とともに強度が徐々に低下します。約120〜150 °Cを超える使用温度では、常温条件に比べて降伏強さおよび引張強さが著しく低下します。短期的あるいは断続的な200 °C程度までの露出ではいくつかの特性が維持される場合もありますが、高温での長時間曝露は過時効および微細構造の粗大化を促進します。
酸化抵抗性はアルミニウム合金として典型的で、高温では保護的なAl2O3被膜が速やかに形成されますが、機械的性能を制限するのは表面酸化よりも内部の微細構造の不安定性です。高温での加工や溶接時の熱影響部（HAZ）の挙動にも注意が必要で、局所的な軟化が応力集中を招き疲労寿命を低減させる恐れがあります。
用途
| 業界 | 例示部品 | 2007が使用される理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 継手、ブラケット、サブフレーム | 重要部品に求められる高い強度対重量比と疲労耐性 |
| 自動車 | 構造補強、シャーシ部品 | 軽量化が求められる箇所への局所的な高強度 |
| 船舶 | 特殊構造継手（コーティングあり） | 保護されている場合の良好な強度；重要度の低い船舶ハードウェアに使用 |
| 防衛 | 兵器筐体、構造部品 | 高い静的強度と精密部品向けの機械加工性 |
| 電子機器 | 放熱器、機械的支持部品 | 熱伝導性と剛性を兼ね備え、機械加工が可能 |
2007は、アルミニウムの低密度と機械加工性を維持しつつ、一般的な6xxx系合金よりも高い強度が要求される部品に選ばれる傾向があります。腐食に曝される場合は、保護処理や設計余裕が通常組み込まれます。
選定のポイント
設計において高い強度と疲労耐性を優先し、かつ機械加工性が許容範囲である場合、またコーティングやクラッドで腐食曝露を制御できるなら2007を使用してください。成形や機械加工後に特定の強度を得るために時効硬化を利用する用途に最適です。
市販の純アルミニウム（1100）と比較すると、2007は電気伝導性・熱伝導性および成形性を犠牲にする代わりに、著しく高い強度と優れた疲労特性を有します。3003や5052などの加工硬化合金と比べると、2007はピーク強度が大幅に高いものの、より厳しい腐食保護が必要であり、T6の状態での深絞りには適しません。6061や6063などの一般的な熱処理合金と比べると、多くの焼き戻し状態で高い強度を発揮する一方、腐食耐性は劣り、溶接性も厳しくなります。溶接性や耐食性よりも強度と疲労性能を重視する場合に2007を選択してください。
まとめ
2007は、特に航空宇宙、防衛、および特定の自動車用途において、アルミニウムの低密度と高い強度・疲労性能を両立させる必要がある場合に引き続き重要です。効果的な使用には慎重な焼き戻し状態の選択、熱処理の管理、腐食保護戦略が不可欠であり、その高強度の利点と溶接性・環境に対する感受性のバランスをとることが求められます。