アルミニウム 7010：化学成分、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

7010は、7xxxシリーズの高強度アルミニウム合金で、主にAl-Zn-Mg-Cu系に分類されます。析出硬化（時効硬化）によって主な強化が得られる熱処理可能なアルミ合金の一種であり、板材や厚肉部品向けに適切な熱間機械加工処理が補助的に用いられます。

主要な合金元素は亜鉛（強度の主な寄与元素）、マグネシウム（亜鉛と強化析出物を形成）、銅（強度と硬度を向上させるが、耐食性に影響を及ぼす場合があります）です。微量のクロム、ジルコニウムまたはチタンが添加されており、これは航空宇宙用構造部品向けの厚肉部での結晶粒組織制御、再結晶抑制、靭性向上を目的としています。

7010の主な特徴は、7xxxシリーズの板材合金として非常に高い静的強度と良好な破壊靭性を示すこと、無クラッド状態での一般腐食耐性は中程度から限定的であること、最高強度状態では溶融溶接性が低いことです。成形性は最高強度状態で制限されますが、固溶処理後や過時効状態では比較的良好です。機械加工性は他の高強度アルミ合金と比べて一般的に優れています。

7010を使用する代表的な産業は、航空宇宙の一次・二次構造材、防衛部品、高性能自動車・モータースポーツの構造部品、質量対強度比と損傷耐性が必須な特殊産業用途です。設計で厚肉部の強度維持、7075の一部と比較した応力腐食割れ耐性の向上、重要構造部品の高い破壊靭性が求められる場合に、同様の合金よりも7010が選択されます。

調質のバリエーション

調質	強度レベル	伸び率	成形性	溶接性	備考
O	低い	高い	非常に良い	非常に良い	完全焼鈍、成形・加工の最大の延性
T4	中程度（固溶処理済み）	中～高	良好	悪いから普通	固溶処理後、自然時効、冷間加工準備状態
T6	高い	低～中程度	限定的	悪い	最大強度のため人工時効ピーク状態
T651	高い（応力除去済）	低～中程度	限定的	悪い	T6を伸張応力除去して残留応力を削減
T7x (T73/T76)	中～高（過時効）	中程度	T6より良好	悪い	応力腐食割れ耐性と靭性を改善するための過時効
Hxx（例：H111/H112）	変動あり	変動あり	変動あり	変動あり	特定の成形工程に使われる加工硬化型のバリエーション

調質はZn-Mg-Cu析出物のサイズ、分布および整合性を変化させることで7010の性能を大きく変えます。ピーク時効調質（T6、T651）は引張強さと降伏強度を最大化しますが、延性や一部形状での靭性、応力腐食割れ耐性を犠牲にします。

過時効調質（T7x）は析出物を意図的に粗大化し、ピーク強度をわずかに犠牲にして応力腐食割れ耐性と厚肉部の割れ進展挙動を著しく改善します。焼鈍もしくは固溶処理状態は最終的な時効前の成形および加工に使用されます。

化学成分

元素	含有範囲(%)	備考
Si	≤ 0.40	典型的な不純物; Fe-Si間金属化合物の抑制のため管理される
Fe	≤ 0.50	靭性に影響する硬質の間金属化合物を形成する不純物
Cu	0.80–2.00	強度と硬度を高める; 応力腐食割れ感受性を増加
Mn	≤ 0.05	7010では最小限; 高Mnは通常含まれない
Mg	1.8–2.8	時効硬化析出物形成のためのZnの主要パートナー
Zn	5.6–6.8	7xxxシリーズで主な強化元素
Cr	0.04–0.35	結晶粒組織や再結晶抑制のための微量合金元素
Ti	≤ 0.15	鋳造又は圧延加工時の結晶粒細化剤
その他（Zr, V, Al）	残部/微量	Zrは析出物制御のため添加される場合あり; Alは残部

Zn–Mg–Cuの組み合わせが、7010の高強度の源泉となる析出硬化のメカニズムを形成し、η'相およびη相（MgZn2型）が人工時効中に硬化をもたらします。銅はピーク強度と硬度を向上させますが、局所的な腐食や応力腐食割れへの感受性を上げるため、調質設計と粒子微量合金元素（Cr、Zr）による結晶粒の微細化や基体安定化で対策が取られます。

機械的性質

7010はピーク時効調質において非常に高い引張強さおよび降伏強さを示し、厚肉向けに設計された他の7xxx合金と比較して優れた破壊靭性を持っています。降伏強さは引張強さの高い割合を占め、設計時の応力範囲は狭くなりますが、損傷許容構造物の場合は切欠きや破壊挙動の詳細検討が必要です。

伸びは調質と厚みに依存し、焼鈍または固溶処理後の材料はT6やT651調質に比べて高延性を示します。T6/T651調質は伸びが低く、曲げ半径も大きく取る必要があります。硬さは時効状態に強く相関し、ピーク時効状態は高荷重部品に適したビッカースまたはブリネル硬さ範囲に達し、過時効調質は硬さを下げて応力腐食割れ耐性を改善します。

疲労特性は多くの高強度アルミ合金と比較して良好であり、表面仕上げ、残留応力、腐食管理が適切に行われれば優れた性能を発揮します。厚さの影響は著しく、急冷の影響と中心線析出物分布が関係するため、厚板は板厚レベルの性能に近づけるために急冷条件と熱間機械加工処理の最適化が必要です。

特性	O・焼鈍	代表的調質（例：T6 / T651）	備考
引張強さ	約250–320 MPa	約540–610 MPa	T6/T651のピーク強度範囲は製品形状・厚みに依存
降伏強さ	約120–200 MPa	約480–560 MPa	降伏強さと引張強さの比率は変動し、塑性余裕設計に注意が必要
伸び率	約12–20%	約6–12%	薄板および焼鈍状態で高い
硬さ	約60–90 HB	約150–185 HB	時効と共に硬さが増し、過時効で低下

物理的性質

特性	値	備考
密度	2.78–2.82 g/cm³	典型的なアルミ合金の密度で、優れた質量対強度比
融点範囲	約475–635 °C	成分により固相線-液相線範囲が変動
熱伝導率	約110–140 W/m·K	純アルミニウムより低いが、一部の放熱用途には十分
電気伝導率	約30–40 %IACS	1xxx・3xxxシリーズより低下、合金元素の影響
比熱	約880–910 J/kg·K	他のアルミ合金と同等
熱膨張係数	約23–24 µm/m·K (20–100 °C)	一般的なアルミニウム範囲であり、熱膨張差異の設計配慮が必要

7010の物理的性質は、強度重視の合金化に起因するため電気・熱伝導率は商業純度級より低下しています。鋼材に比べて密度が低く、かつ高い引張性能を備えているため、質量削減が重要な用途で魅力的です。

熱処理や時効によって熱伝導率や熱膨張はわずかに変化しますが、寸法安定性は主に調質（T651対T6）や冷却・応力除去工程での残留応力管理によって制御されます。

製品形態

形態	代表的な厚さ/サイズ	強度特性	一般的な硬質化状態	備考
シート	0.5–6 mm	適切に時効された薄板では高強度を示す	T6、T651、T73	二次構造物に使用；ピーク硬質化状態では成形性が制限される
プレート	6–200+ mm	板厚に依存した強度；厚み方向の特性を考慮した加工が施される	T6、T651、T73	航空宇宙の構造部品に広く使用される
押出材	大型断面までのプロファイル	強度は中程度；一部形状ではプレートに比べ限られる	T6、T651	7010の押出断面材は可能だが、6xxx系合金ほど一般的ではない
チューブ	肉厚1–50+ mm / 各種直径	押出材と同様の硬質化挙動	T6、T651	強度が重要な高性能チューブに使用される
バー/ロッド	各種直径	ピーク硬質化状態で良好な切削性と高強度を発揮	T6、T651	継手、ファスナー、作動部品に利用される

7010のプレート製造には特定の圧延・焼入れスケジュールを伴い、焼入れによる中心部軟化を防ぐために微合金元素が添加されることが多い。シートや押出材の加工では、熱処理（固溶処理と時効）の厳密な管理が求められ、成形性と最終特性のバランスを図る必要がある。

使用時には、設計者が断面厚さや荷重経路に基づき製品形態を選択する。厚板はSCCを回避し、厚み方向でより均一な特性を得るために過時効または応力除去処理されることが多い。一方、薄板は許容される延性を維持しつつ高強度硬質化状態で利用される。

同等鋼種

規格	鋼種	地域	備考
AA	7010	アメリカ	Aluminum Associationの指定で、航空宇宙仕様で一般的に使用される
EN AW	7010	ヨーロッパ	欧州の鍛造指定；組成および硬質化状態は整合しているが、仕様限界は異なる場合あり
JIS	A7070（概算）	日本	組成および用途範囲が近似；製品形態により特定のJIS番号は異なることがある
GB/T	7010（概算）	中国	国家規格はAA組成を反映するが、加工や硬質化呼称が異なる場合あり

同等鋼種表は指標的なものであり、正確な仕様、硬質化状態の指定および許容公差は規格や製品種類により異なる。ユーザーは航空宇宙調達において特に必須となるトレーサビリティや加工履歴を含む特定の規格（AA/AMS/EN/JIS/GB）および製品仕様を参照して合格基準を確認する必要がある。

微妙な違いは不純物限界、許容される残留元素、規定された機械的試験に現れる。これらの違いは特に厚板の焼入れ・時効挙動や中心部特性に影響し、物性の基準値を変動させる可能性がある。

耐食性

7010は高強度7xxx系合金に典型的な中程度の大気耐食性を有するが、多くの5xxx系や6xxx系合金と比べると局所腐食やピット腐食に対して感受性が高い。保護被覆や適切な過時効硬質化状態がない場合、特に海洋性大気への暴露では応力がかかる部分や加工面で腐食速度が加速する。

7010のピーク時効状態では高い残留引張応力と析出物の性質により応力腐食割れ（SCC）が主な懸念となる。過時効（T7x）や微量合金元素（Cr、Zr）の添加は、析出物の粗大化や再分布を促進し、電気化学的な勾配を低減することでSCC抑制に広く用いられている。

ステンレス鋼やチタンなどのより高貴な材料と7010を接合する際は、特に電解質存在下でのガルバニック作用を考慮しなければならない。純アルミによるクラッドや変換被膜処理、陽極酸化処理、塗装システムの適用は、海洋・沿岸用途で長期性能を向上させる標準的な工学的対策である。

6xxx系合金と比較して7010は耐食性より強度を優先し、7075と比較すると、適切に処理された7010プレートは厚板性能を目指した最適化された組成や熱機械的処理により類似の強度とSCC耐性の向上を示す場合がある。

加工性

溶接性

7010は母材熱影響部の軟化によって強度低下が生じ、溶接の融合部では熱割れ感受性が増すため、構造用途でのピーク硬質化状態ではTIGやMIGなどの融合溶接は一般に推奨されない。摩擦攪拌接合は溶融凝固を避け多孔質を減少させ、適切な後熱処理により溶接部で良好な機械的性質を保持できるため、多くの7xxx系部品で好まれる接合法である。

7010用のフィラー材や溶接手順は慎重に選定する必要がある。異種フィラー（例：2319系統）は修理や非重要継手で用いられることがあるが、局所的な機械的特性の低下や耐食性の悪化を設計側が考慮すべきである。後熱処理（固溶処理・人工時効）は大型組立品では現実的でないため、機械的締結が一般的に行われる。

切削加工性

7010の切削性は多くの高強度アルミ合金に比べ良好で、超硬工具と剛性の高いワーククランプを用いることで、予測可能な切りくず形成と良好な表面仕上げが得られる。工具寿命と熱管理のために切削速度は最適化すべきであり、高速度鋼は高除去率には一般に適さない。

厚肉断面で許容できる寸法公差を達成するには熱処理による残留応力を考慮し、プレストレスリリーフ処理や機械加工に適した硬質化状態を選択することが通常行われる。切削液および切りくず排出はビルドアップエッジ防止や疲労に関わる表面品質維持に重要である。

成形性

7010のピーク時効状態での成形は制限される。スプリングバックが顕著で、最小曲げ半径は5xxx系や6xxx系合金に比べ大きい。一般的にはO、T4、または過時効状態で成形され、必要に応じて後から時効処理を行い強度を回復させる。

冷間成形操作では推奨曲げ半径（延性硬質化状態では一般に板厚の3～6倍）を守り、T6状態での急激な曲げや大きな引き形状は避けるべきである。複雑形状が必要な場合は、後熱処理（固溶処理・時効）を前提とした設計や、成形性に優れた代替合金の検討が推奨される。

熱処理挙動

7010の固溶処理は通常470～485 °C程度の範囲で実施し、Zn–Mg–Cu可溶相をアルミ基体に溶解させてから急冷する。水冷などの急冷により過飽和固溶体状態が保持され、急冷速度と板厚はその後の時効硬化反応および中心部特性に大きく影響する。

人工時効の条件は目標硬質化状態により異なる。標準的なT6は約120～125 °Cでメタ安定η'相を析出させてピーク強度を得る。一方、T7x過時効はより高温または長時間の処理により安定η相を促進し、SCC耐性や靭性が向上する。T651はT6後に制御された伸張処理を行い、残留応力を低減した状態である。

非熱処理系合金の主な強化機構は加工硬化であるが、7010は熱処理可能なため、焼なましや固溶処理が主要な製造工程となる。設計者やプロセスエンジニアは板厚の厚いプレートで特に制限要因となる急冷感受性を考慮し、加熱温度・保持時間・冷却媒体・時効処理条件を厳密に指定して所望の特性を達成する必要がある。

高温性能

7010は約100～120 °Cを超える高温環境下で析出相の粗大化や整合強化相の減少により大幅に強度を失う。継続的な高温サービス温度設計は保守的に設定されるが、短時間の高温暴露は可能であるものの時効状態や残留強度に変化を及ぼす。

酸化耐性はアルミ合金として標準的であり、安定な酸化アルミニウム皮膜が内部材の急速酸化を防ぐ。溶接部や熱循環を受けた部分の熱影響部では局所的な微細構造変化が生じ機械的特性低下や腐食感受性増加の恐れがあるため、製造および使用中の熱暴露管理が重要である。

用途

産業分野	例示部品	7010が選ばれる理由
航空宇宙	翼および胴体の取付部、スパーウェブ、厚板構造体	高い強度対重量比、優れた靭性、厚さに応じた性能調整
防衛	装甲部品、ミサイル構造体	高い静的強度とダメージ耐性
自動車／モータースポーツ	高応力サスペンションリンク、シャーシ補強部品	重量制約のある部品に対する卓越した強度
海洋	高強度構造部材、フレーム	時効過剰化またはクラッド処理により、一部7xxx系合金よりも優れた応力腐食割れ耐性を提供
産業用	高荷重用シャフト、治具プレート	T6/T651の時効状態での寸法安定性および加工性

7010は、高い静的強度、厚板対応性能、靭性が重視される部品に選ばれます。溶接を必要とする部品にはあまり適しておらず、代替の接合方法を用いる場合を除いて、多くの用途では機械的締結や摩擦攪拌接合が好まれます。

選定のポイント

7010は、中〜厚板部材における高強度とダメージ耐性が優先される場合に選ばれる特殊合金です。特に航空宇宙や防衛用途の非溶接荷重支持構造部材で最高の強度を求める設計者には、化学成分と時効処理の選択肢が多いことから、しばしば第一選択となります。

商業用純アルミニウム（1100）と比べると、7010は電気及び熱伝導性や成形性を犠牲にする代わりに、降伏強さや引張強さを飛躍的に向上させています。加工硬化合金である3003や5052と比較すると、7010ははるかに高い強度を提供しますが、それに伴い成形性が低下し、ピーク時効状態では応力腐食割れの感受性が高まります。

一般的な熱処理系合金である6061や6063と比べると、7010は厚板向けにより高いピーク強度と優れた靭性を発揮しますが、材料コストが高くなり溶接性は劣ります。容易な溶接性、広範な成形性、最大の耐食性よりも、強度対重量比や厚板の一体性を重視する場合に7010を選択してください。

総括

7010