アルミニウム 7012：組成、特性、硬質状態ガイドおよび用途
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総合概要
7012は7xxx系アルミニウム合金に属し、亜鉛を主合金元素、マグネシウムと銅を副元素とするファミリーです。これらの合金は一般的に析出硬化による高強度を目的として配合されており、単なる加工硬化材ではなく熱処理可能なアルミニウム合金に分類されます。
7012の主な合金元素は亜鉛（Zn）、マグネシウム（Mg）、銅（Cu）で、プロセス制御のためにクロム（Cr）、チタン（Ti）、微量の鉄（Fe）およびシリコン（Si）が添加されています。強化機構は主に時効硬化（MgZn2および関連相の析出）によるもので、固溶処理と制御された時効サイクルを経て発現します。微量元素由来の結晶粒制御や析出物が損傷許容性や再結晶制御に寄与します。
7012の主な特性は、高い比強度、適度から良好な疲労特性、適切な処理により得られる靭性であり、耐食性は中程度であり、熱処理状態や局所的な冶金に敏感です。また、溶接性は熱影響部の軟化や特定条件下での熱割れ感受性により制限される場合があります。7xxx系合金の典型的な用途としては、航空機の構造部品、軍事・防衛部品、高性能スポーツ用品、高比強度が要求されるニッチな自動車・海洋部品などがあります。
エンジニアは、高い静的強度、良好な疲労抵抗性、調整された靭性のバランスが求められ、成形性や溶接のしやすさを重視した低強度合金よりもデザイン要件が優先される場合に7012を選択します。また、耐応力腐食割れ性（SCC）に弱い高強度の7075系よりも耐食性向上と特定の熱処理状態での延性保持を重視した場合に7012が選ばれます。
熱処理状態のバリエーション
| 熱処理状態 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い（20–30%） | 優秀 | 優秀 | 完全退火、最終熱処理前の成形および接合に最適 |
| H14 | 中程度 | 中程度（10–18%） | 良好（深絞りは制限あり） | 良好 | 加工硬化材、加工強化された部品に使用 |
| T5 | 中～高 | 中程度（8–14%） | 普通 | 制限あり | 高温後冷却し人工時効処理、迅速な加工が可能 |
| T6 | 高 | 控えめ（6–12%） | 制限あり | 制限あり（溶接熱影響部の軟化） | 固溶処理および人工時効による最大強度取得状態 |
| T651 | 高 | 控えめ（6–12%） | 制限あり | 制限あり | T6状態に焼戻し伸張応力除去を加えた状態、重要構造部品に使用 |
7012の強度と延性のトレードオフには熱処理状態が大きく影響し、退火品（O）が最大の成形性を提供するのに対し、T6/T651は延性を犠牲にしてピーク強度を発揮します。実際の加工では、O状態での成形後、固溶処理および時効処理を行うか、寸法安定性が求められる場合は完全な固溶処理なしで制御された予時効処理（T5）を適用することがあります。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.10–0.40 | 脆性な間相生成を避けるための不純物管理範囲 |
| Fe | 0.10–0.50 | 不純物レベル、管理しなければ粗大な間相粒子を促進 |
| Mn | 0.05–0.30 | 結晶粒構造と靭性向上のための微量添加 |
| Mg | 1.0–2.5 | ZnとともにMg-Zn析出物を形成する主強化元素 |
| Cu | 0.2–2.0 | 最大強度と硬さ向上に寄与するが、SCC耐性を低下させる可能性あり |
| Zn | 3.5–6.5 | 時効によるMgZn2析出物を介した主強化元素 |
| Cr | 0.05–0.25 | 再結晶抑制や靭性向上のための微細組織制御 |
| Ti | 0.02–0.15 | 鋳造品および圧延品の結晶粒精錬材 |
| その他 | アルミニウムバランス、微量不純物 | 低融点相形成元素の厳格な管理によるアルミニウムバランス |
Zn、Mg、Cuの割合は析出速度や得られるピーク強度、靭性および耐食性に大きく影響します。微量元素や不純物は結晶粒径、再結晶挙動、析出物形成、局所腐食や加工中の熱割れ感受性に影響します。
機械的特性
引張用途において7012は、適切に時効処理された状態で高い引張強さを示し、降伏強さは主に析出強化された基体により引張強さに近い値をとります。強度が上がるにつれ伸びは減少し、典型的なT6タイプの熱処理では多くの構造部品に十分な延性を備えるものの、高ひずみ用途では設計上の注意が必要です。
硬さは時効度合いに比例し、ピーク時効状態で最大硬さと静的強度が得られますが、過時効により強度を犠牲に靭性と耐食性が向上します。疲労性能は7xxx系合金として最適化された微細構造および表面状態管理により良好ですが、局所的な冶金的不連続や表面傷に敏感で疲労寿命に影響します。
板厚は機械的性質に大きく影響し、板厚の増加により冷却速度や残留応力が変化するため、厚板は完全な固溶処理と急冷が困難であり、得られる強度が低下しやすく、冷却歪みが生じやすくなります。
| 特性 | O/退火 | 代表熱処理状態（例：T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約120–200 MPa | 約450–560 MPa | 高亜鉛7xxx合金のT6ピーク時効強度に相当 |
| 降伏強さ | 約40–110 MPa | 約380–500 MPa | 高強度熱処理で降伏が引張に近接、設計に注意 |
| 伸び率 | 20–30% | 6–12% | ピーク時効状態で延性減少、板厚依存 |
| 硬さ（HB） | 30–60 HB | 120–170 HB | 硬さは析出状態に連動。過時効は硬さ低下だが靭性向上 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.78 g/cm³ | 合金元素添加により純アルミニウムよりやや高い |
| 融点範囲 | 約475–635 °C | 7xxx系典型。局所組成で固相線・液相線変動あり |
| 熱伝導率 | 約120–160 W/m·K | 純アルミより低い。合金化により伝導率低下 |
| 電気伝導率 | 約30–45% IACS | 合金元素による散乱で低下。熱処理や組成で変動 |
| 比熱 | 約0.88–0.95 J/g·K | 他のアルミ合金とほぼ同等。熱容量計算に有用 |
| 熱膨張係数 | 約23.5 ×10⁻⁶ /K | 周囲温度域において他の圧延アルミ合金と類似 |
7012の物理的特徴は、高い比強度を維持しつつ適度な熱伝導率を持ち、熱管理コンポーネントでの利用に適しています。適度な熱伝導率と比較的低い密度の組み合わせは、重量に制約のある熱的および構造的用途で有利に働きます。
製品形態
| 形態 | 一般的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 代表的熱処理状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3–6.0 mm | 薄板で均一性良好 | O, T5, T6 | パネルや成形部品に一般的。薄板急冷で効果的に強度発現 |
| プレート | 6–200 mm | 厚板ではピーク強度低下 | T6（制限あり）, T651 | 厚板は冷却速度や歪みにより熱処理限界あり |
| 押出形材 | 数メートルまでのプロファイル | 押出方向に良好な強度、断面に依存 | T6, T5 | 複雑断面も製造可能。急冷管理が重要 |
| チューブ | 外径6–200 mm | 肉厚や加工条件により強度変動 | T6, T651 | 高強度構造用チューブに使用。溶接やERW対応可能 |
| 棒材・丸棒 | 直径5–200 mm | 適切な処理で均質な特性 | O, T6 | 機械加工用継手やファスナーに利用。成形後に時効処理適用 |
シートや薄押出形材は急冷後に高ピーク強度を達成するために最も一般的に使用されます。一方でプレートや厚押出形材は、急冷に伴う強度低下を最小限に抑えるため慎重なプロセス設計が必要です。製品形態の選択は求められる機械的特性、寸法公差、後加工（加工、溶接、熱処理）により決定されます。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7012 | USA | 一部のサプライヤーリストで7xxx系加工合金として認識されている |
| EN AW | 直接の同等品なし | ヨーロッパ | 正確なEN AWの同等品はなし。高強度のAl-Zn-Mg系合金に類似した挙動を示す |
| JIS | 直接の同等品なし | 日本 | ローカライズされた仕様が異なるため、直接の鋼種置換ではなく組成による設計が必要 |
| GB/T | 直接の同等品なし | 中国 | 中国規格では市販7xxx系の機能的に同等な品種が存在する可能性あり |
7012の直接的な1対1の同等品は稀であり、エンジニアは通常、化学組成や物性マトリクスを基にクロスリファレンスを行い、鋼種名だけに依存しません。国際調達時には鋼種名に頼らず、組成範囲や機械的性質の保証を検証することが重要です。
耐食性
7012の大気中耐食性は中程度で、材質の状態（テンパー）、表面状態、合金化学成分に大きく依存します。ピークエイジング状態ではZnとCuの組み合わせにより、低合金の5xxx系や6xxx系に比べて局所腐食の感受性が高まることがあります。特に表面被膜の一体性が損なわれた場合に顕著です。
海洋環境では、7012は被覆材、陽極酸化処理、または特殊コーティングなどの保護措置が必要であり、より耐食性の高い合金の長期性能に近づけるためには必須です。保護なしでは、塩化物の強い環境下でピッティング腐食や粒間腐食が発生することがあります。応力腐食割れ（SCC）のリスクは高強度テンパーで存在し、Cu含有量、熱処理、残留応力、使用環境によって影響を受けます。対策としては、オーバーエージング、陰極防食、引張残留応力を低減する慎重な設計などが挙げられます。
ステンレス鋼や銅などのより貴な金属との接触によるガルバニック腐食を加速することがあるため、海洋や湿潤環境でこれらの材料と組み合わせる場合は7012を電気的に絶縁する必要があります。Mgを多く含む5xxx系に比べ、7012は静的強度に優れますが、一般的な耐食性は劣り、塩化物環境ではより積極的な腐食対策が求められます。
加工性
溶接性
7012の溶接は高強度テンパーでは難しく、熱影響部（HAZ）が強化析出物の溶解や粗大化により軟化します。ガスタングステンアーク（TIG）またはガスメタルアーク（MIG）溶接は適切なフィラー材（例：低強度の5xxx系や特別配合の7xxx系フィラー）を用いれば可能ですが、接合設計ではHAZ強度の低下と熱割れのリスクを考慮する必要があります。溶接前後の処理により一部の問題を軽減可能です。
切削加工性
7012はオーバーエイジングまたは焼なまし状態であれば一般的に良好ですが、ピークエイジングテンパーでは硬度と強度が高いため加工が難しくなります。超硬工具、剛性の高い固定具、保守的な送り速度が工具摩耗の制御に推奨されます。切り屑は送り速度や工具形状が最適化されていれば短い区分け切り屑になりやすいです。
成形性
成形性は焼なまし（O状態）で最良となり、テンパリングが進むと急速に低下します。最小曲げ半径や絞り限界はサプライヤーのデータを参照してください。強度処理が必要な部品の成形はO状態で行い、その後溶体化処理・時効硬化を行うか、または中程度の成形ならば予備的に時効処理されたテンパー（T5）を用いる方法が推奨されます。
熱処理挙動
7012は熱処理可能であり、典型的な析出硬化処理（溶体化処理、焼入れ、人工時効）に従います。代表的な溶体化処理温度は断面や組成により約470～500 °Cの範囲で、可溶相の溶解と組織の均質化に十分な保持時間が必要です。
焼入れは過飽和固溶体を保持するため迅速に行う必要があり、薄肉では水冷やポリマー焼入れが一般的ですが、厚肉では歪みや性質のムラを避けるため慎重に制御されます。人工時効は中温（通常120～170 °C）でMgZn2型強化相を析出させ、ピークエイジング（T6）では最大強度を得られ、オーバーエイジング（T7）では靭性と耐食性が向上します。
Tテンパーはひずみ硬化（Hテンパー）と熱時効のバランスを示し、T651は浸炭後の応力除去のための引張処理を経たT6を特に指します。6xxx系合金に比べて熱処理のウィンドウは狭く、繰り返し可能な結果を得るためにプロセス管理がより厳格に必要です。
高温性能
7012の機械的強度は温度上昇に伴って劣化し、約100 °C以上で顕著に減少し、150～200 °Cに近づくと更に顕著になります。高温でのクリープ耐性は特殊高温合金に比べ限られており、連続運転は一定の強度保持が可能な中温域に制限されます。
一般的な使用温度域では酸化は大きな制約にはなりませんが、長期の熱曝露で析出物のオーバーエイジングや粗大化が進み、静的強度や疲労強度を低下させます。溶接熱影響部は高温曝露で特に性質劣化が起こりやすく、熱サイクルや持続加熱がある環境では注意が必要です。
用途
| 産業分野 | 代表部品 | 7012が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 継手、ブラケット | 高い強度対重量比と優れた疲労性能 |
| 海洋 | 構造用ブラケット | 強度と修復可能な耐食対策のバランス |
| 自動車 | 軽量構造部品 | 重量影響が大きい部品向けの高静的強度 |
| 防衛 | 武器マウント、小型構造部品 | 高強度かつ靭性を調整可能 |
| 電子機器 | 構造フレーム、熱拡散板 | 構造剛性と許容される熱伝導性 |
7012は高い静的強度と良好な疲労性を求める設計者に適しており、成形性や溶接性のトレードオフを許容できる用途で用いられます。軽量化を重視し、成形後に熱処理が経済的に可能な部品で多く採用されています。
選定のポイント
高強度かつ熱処理可能で妥当な疲労抵抗を必要とし、管理された加工と耐食保護が可能な場合に7012は選択肢となります。時効硬化の利点を生かし、寸法安定性がT651処理で達成できる部品に適しています。
商用純アルミ（例：1100系）に比べ、7012は電気・熱伝導率と成形性を大幅に犠牲にする代わりに、はるかに高い静的強度と疲労性能を持ちます。また、作業硬化合金（例：3003、5052）と比較すると、7012は強度が格段に高いものの、耐食性向上のためコーティングやクラッドが必要になることが多いです。6061や6063のような熱処理系一般用合金に比べると、多くのテンパーでピーク強度は高いものの、耐食性、溶接性、押出加工のしやすさが優先される場合は選択頻度が低下します。
エンジニアは7012を他の近隣合金系と比較検討する際に、必要な強度、疲労寿命、腐食対策、熱処理の生産能力、単価および入手性などを総合的に考慮すべきです。
まとめ
7012は厳密な熱処理管理および製造管理が行える場合に、高い強度対重量比と優れた疲労挙動を実現する特殊高強度アルミ合金として依然として有効です。成形性、溶接性、耐食曝露における不利を許容でき、構造性能を最大限に重視する用途で、機械的特性と耐久性を最適化するための精密な冶金管理が適用される際にその価値を発揮します。