アルミニウム7001：組成、特性、硬さ状態ガイドおよび用途
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総合概要
7001はAl-Zn-Mg(-Cu)系の7xxxシリーズアルミニウム合金で、従来の高強度亜鉛アルミ合金に比べて高強度と耐食性のバランスを提供する目的で開発されました。本合金系は析出硬化による時効処理が可能で、主な強化要素は人工時効中に形成される微細なMgZn2の析出物です。主な合金元素は亜鉛とマグネシウムで、銅、クロム、チタンまたはジルコニウムが粒子微細化および再結晶阻害剤として制御添加されています。
7001の主な特長は、比強度が高く、疲労耐久性もそこそこあり、耐大気腐食性は高銅7xxx系合金より優れている点です。また、比較的軟らかい調質では成形性も保たれています。溶接性は調質や溶加材の選択によって一般に悪いから中程度であり、溶接時に熱影響部で軟化が顕著に生じるため、設計では機械的な接合や特殊な溶加材・後処理が優先されることが多いです。用途としては、航空宇宙の二次構造部材、輸送機器やスポーツ用品向け高性能押出材、そして7075ほどの耐食性のトレードオフを伴わずに高い強度対重量比が求められる構造用途があります。
エンジニアは、ピーク強度と環境耐性のトレードオフを求める熱処理可能な合金として7001を選択し、押出や複雑な断面形状が必要で、加工後に高い残留強度が求められる場合に使用します。1xxx～6xxx系列の低強度材よりも構造物の軽量化が重要な場合や、7075よりもわずかな強度低下で耐応力腐食割れや特定の使用環境における全体的な耐食性向上が得られる場合に選定されます。
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 | 完全な焼なまし。成形のための最大延性 |
| H14 | 中低 | 中程度 | 良好 | 普通 | ひずみ硬化処理。熱処理なし。7xxx系での使用は限定的 |
| T5 | 中高 | 中程度 | 普通 | 悪い | 高温からの冷却後に人工時効処理 |
| T6 | 高 | 低から中程度 | 限定的 | 悪い | 固溶化熱処理後に人工時効しピーク強度 |
| T651 | 高 | 低から中程度 | 限定的 | 悪い | 伸びにより応力除去したT6。構造部品で一般的 |
| H112 | 中高 | 中程度 | 普通 | 悪い | 強度を制御した加工用安定化調質 |
7001において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調質）は深絞りや曲げ加工に最適な成形性を示し、一方T6/T651は伸びや冷間成形性を犠牲にして最高の引張強度と降伏強度を提供します。
溶接や後加工部品においては、強度の低い調質を選ぶか、成形後に固溶化処理と再時効処理を行って特性を回復させる方法もありますが、その分コストや歪みのリスクが増大します。実務的には、寸法安定性と高強度を要する押出材ではT651を指定し、工場レベルの成形では可能な場合、OまたはH調質で加工後に固溶・時効処理を行うことが多いです。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤0.12 | 溶解・リサイクル由来の一般的不純物。脆い金属間化合物形成を避けるため低く抑制 |
| Fe | ≤0.30 | 一般的な不純物。高Feは靭性低下と押出成形品質悪化を招く |
| Mn | ≤0.10 | 微量。存在すれば結晶粒構造に影響を与える可能性あり |
| Mg | 1.5–2.5 | 亜鉛と共に主要な強化元素（MgZn2析出物形成を担う） |
| Cu | 0.05–0.30 | 7075より低めに管理し、応力腐食割れ感受性を低減。微量添加で強度向上効果も |
| Zn | 4.0–5.5 | 析出硬化の主合金元素 |
| Cr | 0.05–0.25 | 粒子制御や再結晶抑制に寄与 |
| Ti | ≤0.10 | 鋳造・インゴット製造時の粒子微細化剤 |
| その他（Zr、Ni、Be） | 均衡/微量 | Zr等微量添加で組織制御。添加量はメーカーごとに異なる |
7001の化学成分は、強度、押出性、耐食性のバランスを考慮して調整されています。マグネシウムと亜鉛の比率は人工時効中に希望するMgZn2の析出を促進するために重要であり、銅含有量は7075に比べて低く抑えることで応力腐食割れの感受性を下げています。
クロム、チタン、ジルコニウムなどの微量元素は、押出形状の結晶粒成長や再結晶、異方性の制御に用いられます。仕様や供給先によって成分範囲は異なるため、耐食性や熱処理の対応が重要な場合はミルシートで具体的な化学組成を確認することが推奨されます。
機械的性質
7001の引張特性は調質に強く依存します。焼なまし材は延性に富んだ典型的な延び曲線を示し、人工時効ピーク状態では引張強度・降伏強度が高い一方で伸び低下とより脆性的な破壊挙動を示します。T6/T651調質では降伏強さが引張強さのかなりの割合を占め、析出硬化により転位運動が制限されていることが反映されています。疲労強度は高強度アルミとしては良好ですが、表面状態、欠陥形状、冷間加工や溶接による残留応力に敏感です。
硬さは調質・時効状態と相関し、ピーク時効状態のT6/T651は焼なましやH調質に比べてブリネルやビッカース硬さが大幅に高いです。板厚による影響も大きく、厚みが増すと冷却速度が遅くなり硬化が不均一になったり、薄肉と比較して靭性が低下するため、固溶化・冷却条件の最適化が必要です。疲労亀裂進展速度はミクロ組織および析出物の分布に依存し、過時効処理はピーク強度を犠牲にする代わりに亀裂発生耐性を高めます。
表面仕上げや加工損傷も疲労寿命を大きく左右し、塩化物環境下では高強度調質での応力腐食割れが懸念されます。ポスト加工の表面処理やショットピーニング、曲げ半径の適切な設計は実使用部品の疲労および応力腐食耐性向上に有効です。
| 特性 | O（焼なまし） | 代表的調質（例：T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約200–260 MPa（代表値） | 約430–520 MPa（代表値） | 熱処理や断面形状により幅広く変動 |
| 降伏強さ | 約90–140 MPa | 約350–470 MPa | 析出硬化により降伏比率上昇 |
| 伸び | 約18–25% | 約6–12% | ピーク時効条件で延性低下 |
| 硬さ | 約50–80 HB | 約140–170 HB | 硬さ値は測定方法により変動 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.78 g/cm³ | 高強度Al-Zn-Mg合金として標準的。比強度計算に有用 |
| 融点範囲 | 約480–635 °C | 固相線・液相線範囲で、溶体化処理はこの範囲より低温で実施 |
| 熱伝導率 | 約120–160 W/m·K | 純アルミより低く、合金・温度依存。ヒートシンク設計で重要 |
| 電気伝導率 | 約30–38 % IACS | 合金化により純アルミより低下。電気用途で使用可能な場合あり |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 室温付近のアルミ合金の典型値 |
| 熱膨張係数 | 約23–25 µm/m·K | 他のアルミ合金と近似。異種材料との組み合わせ設計に重要 |
7001の物理特性は、高い強度対重量比を保ちながら合理的な熱性能を提供するため、広く利用されています。密度や熱膨張率は他のアルミ合金とほぼ同等で、非アルミニウム系材料と比較して多材質設計がしやすい特徴があります。
熱伝導率や電気伝導率は純アルミニウムより劣り、合金成分に依存するため、熱管理や電気用途に7001を指定する際には伝導率低下を考慮する必要があります。加えて、熱処理中の先溶融を防ぐため融点と溶体化処理温度の範囲を厳守することが重要です。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度の特性 | 一般的な硬化状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.4～6.0 mm | 薄板は迅速に完全硬化が可能 | O、T5、T6、T651 | 成形品やクラッド製品に一般的 |
| プレート | 6.0 mm超～100 mmまで | 厚板は時効硬化反応が低下する可能性あり | O、T6（限定的） | 産業用および航空宇宙用構造用プレートでは適切な焼入れ管理が必要 |
| 押出形材 | 複雑な断面形状、壁厚変動あり | 良好な断面強度；ビレット温度と冷却条件に依存 | T5、T6、T651 | 構造部材やレールに広く使用 |
| チューブ | 壁厚 1～20 mm | シートや押出形材に近い強度；冷間加工が特性に影響 | T6、T651 | 構造フレームや自転車部品に使用 |
| 丸棒・棒材 | 直径最大150 mm | 大断面は特別な熱処理が必要 | O、T6 | 加工部品やファスナー用途に適用される場合あり |
成形製品の選択は7001の使用中の挙動に大きく影響します。押出形材は形状の柔軟性があり7001の典型的な用途ですが、冷却履歴や断面厚さにより機械的性質が変わるため、硬化状態や後加工の指定が必要です。
プレート生産や厚板は焼入れ感受性や靭性低下の可能性から難易度が高く、信頼性向上のため異なる硬化状態や過時効状態を採用する場合があります。設計者は製造条件、硬化状態指定、部品形状を調整し、目的とする機械的性質や耐食性能を達成する必要があります。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7001 | 米国 | アルミニウム協会による元の合金ファミリー指定 |
| EN AW | 7001 | 欧州 | 参考として用いられることが多いが硬化状態や組成はEN規格によって異なる場合あり |
| JIS | A7001（非正式） | 日本 | 一対一の正式な相当品は存在しないことが多く、サプライヤーデータを参照のこと |
| GB/T | 7001 | 中国 | 中国規格は同じ数字指定を用いることがあるが、化学成分や硬化状態を確認要 |
7001に対して一対一の正確な相当品は稀であり、国によって許容不純物、微合金元素添加、硬化状態の定義が異なります。国際的な代替や調達時には、数字指定だけでなく組成限界、硬化状態定義、機械的性質を製造証明書で必ず確認してください。
7005や7075のような近縁合金が代替表に現れることがありますが、これらは銅や亜鉛含有量が大幅に異なり、応力腐食割れ（SCC）感受性や時効反応に大きな影響があるため注意が必要です。調達にはサプライヤーの試験報告書を含め、重要用途ではトレーサビリティと適格性試験が求められます。
耐食性
大気環境下で7001は高銅7xxx系合金に比べて耐食性が良好であり、銅含有量の低減およびZr/Cr添加の制御により粒界腐食や剥離感受性を抑制しています。ただし他の高強度Al-Zn-Mg合金同様、5xxx系や6xxx系に比べて局所腐食やピッティングに対する感受性は高く、特に塩化物を含む海洋性環境では表面保護が不可欠です。
応力腐食割れ（SCC）は腐食環境下の引張応力による7xxx合金の既知のリスクであり、7001は多くの場合7075より低いSCC感受性を示しますが無縁ではありません。対策としては過時効硬化状態の選択、残留引張応力の低減、耐食性コーティングの適用、より貴な材料との電食接触回避などが一般的です。
ステンレス鋼や銅を多く含む合金との電食作用は接触部の局所的な攻撃を加速することがあり、特にコーティングに損傷がある場合は注意が必要です。6xxx系（Al-Mg-Si系）に比べ7001は引張強さの向上と引き換えに耐食性は劣るため、保護コーティングや塗装体系、環境管理が施される用途に多く用いられます。
加工性
溶接性
7001の溶接は困難で、析出硬化した母材と亜鉛リッチの微細組織により溶接割れや熱影響部の強度低下が発生しやすいです。融合溶接では熱影響部（HAZ）が軟化する傾向にあり、特定の溶接棒合金の使用、低熱入力溶接法、場合によっては溶接後熱処理や局所的な時効回復が必要です。構造用途では熱影響部劣化を避けるため、機械的接合や接着接合を好む設計者も多いです。
切削性
ピーク時効硬化状態の7001の切削性は高強度アルミ合金の中では中程度から良好で、近代的なカーバイド工具と剛性のある工作機械で安定した切り屑制御と表面仕上げが得られます。切削速度と送りは硬化状態と断面寸法に応じて最適化し、登りフライス加工や給油冷却が工具寿命を延ばしバリ付きを抑制します。疲労性能に影響するため表面品質を保つための仕上げ切削やエッジ処理を重要視することが多いです。
成形性
成形はO状態や軽いH硬化状態の軟らかい硬化状態で実施するのが最適で、T6/T651硬化状態は延性が低く急激な曲げ加工で割れが生じやすいため注意が必要です。典型的には軟化状態で成形し、その後、溶体化処理および人工時効を施して最終製品の高強度を得る設計手法が一般的です。最小曲げ半径は板厚と硬化状態で異なりますが、保守的にはT6系で厚さの2～4倍、O系ではより小さい半径が使用されます。
熱処理特性
7001は熱処理可能合金で、機械的性質は主に溶体化処理、焼入れ、人工時効によって制御されます。一般的な溶体化処理温度は約470～485 °Cで可溶相を溶解し、その後急冷して超飽和固溶体を保持します。厚板では焼入れ感受性が重要です。人工時効（T5/T6）は120～160 °C程度の比較的低温でMgZn2の微細析出物を形成し、時効時間と温度で強度のピークと延性およびSCC耐性のバランスを調整します。
T系硬化状態の変化は典型的な7xxx系挙動を示し、未時効（underaging）は高い靭性とSCC耐性を得られますがピーク強度は低下します。過時効（overaging）は引張強度の一部を犠牲にして耐食・耐応力腐食性を向上させます。成形が必要な部品では溶体化-成形-再時効の工程を踏むことがありますが、工程の複雑化や変形リスクに注意が必要です。冷間加工による非熱処理強化効果はこの合金ファミリーでは限定的で、専用の加工硬化系シリーズに比べ効果が劣ります。
高温特性
7001は高温で著しい強度低下を示し、特に150 °C以上で降伏強さや引張強さが大幅に減少します。高温下での長期クリープ耐性も高温用合金に比べて限られているため、荷重を受ける用途では120～150 °C以下での使用が一般的です。過度の時効過程および析出粒子粗化により機械的性質や疲労寿命が劣化します。
アルミ合金の酸化は通常の使用温度では問題とならない場合が多いものの、高温は微細組織の変化を促進し、安定化不十分な硬化状態では再結晶を生じることがあります。溶接の熱影響部や局所的な高温部位で軟化や疲労強度低下が起こるため、設計者は重要な構造部位での長時間高温曝露を避けるか、高温用代替材料を検討すべきです。
用途例
| 産業分野 | 代表的な部品 | 7001の採用理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 二次構造部材、金具、押出形材 | 高い強度対重量比と優れた押出特性；一部7xxx系より改善されたSCC耐性 |
| 海洋・オフショア | 構造用押出形材およびフレーム（コーティング付き） | 管理された耐食性を持つ適度な強度；補強材や荷重支持用断面に適する |
| 輸送機器 | 高強度押出レールや衝撃吸収構造 | 軽量で高弾性率・高強度、重量敏感な構造部品に最適 |
| スポーツ用品 | 自転車フレーム、高性能部品 | 競技用機器向けの高い比強度と疲労特性 |
| 電子機器 | シャーシ・ハウジング | 剛性、加工性、熱放散性能のバランスが取れた中程度負荷用途 |
7001は高い静的強度と剛性を要求される押出形材が求められ、環境管理や保護仕上げの実施が可能な場合に有用です。熱処理による強化と良好な加工特性を組み合わせた部品に適し、適切な加工条件を守ることで安定した性能を発揮します。
選定のポイント
設計において、一般的な加工硬化系合金や6xxx系合金よりも高い比強度を持つ熱処理可能な合金が必要であり、押出し成形や複雑な断面形状が求められる場合は7001を選択してください。強度を優先するために、成形性や導電率の一部を犠牲にし、腐食対策はコーティングや硬質処理の選択で管理する必要があります。
一般純アルミニウム（1100）と比較すると、7001ははるかに高い強度を持ちますが、電気および熱伝導率は低下し、常温での成形性も劣ります。3003や5052のような加工硬化系合金と比べると、7001ははるかに高い強度を提供しますが、その分腐食感受性が高く、熱処理の管理が複雑になります。6061や6063のような一般的な熱処理可能合金と比較すると、7001は重要な構造部材においてより高い強度を発揮しますが、6061は多くの環境下でより優れた溶接性と耐食性を持っています。強度対重量比や押出し特性がこれらの妥協点を上回る場合に7001を選択してください。
まとめ
7001は、高強度、押出し加工性、制御された腐食挙動の最適なバランスが求められる実用的なエンジニアリング合金としての地位を維持しています。押出しされた構造部品への適用や重量敏感な用途における性能がその価値を保っており、設計者は硬質処理の選択、熱処理管理、適切な腐食防止策を十分に考慮する必要があります。