アルミニウム 7015：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 7015は7xxx系アルミニウム合金の一種で、主成分として亜鉛を含み、通常は微量のマグネシウムや銅を添加して析出硬化を促進しています。熱処理によって強化される析出硬化系合金であり、7015はZn-Mg-Cu系の化学組成を用いて、冷間加工ではなく、固溶熱処理、急冷、人工時効によって高い強度を実現します。
7015の主な特長は、高い引張強さと降伏強さ、適切に処理・検査された場合の中程度から良好な疲労特性、そして過時効や被覆処理によって改善可能な実用的な耐食性です。同合金は5xxx系や6xxx系合金に比べて溶接性が劣り、製造時には熱・機械的制御が求められます。成形性は焼なまし状態や特定のH系硬化材で十分ですが、ピーク時効状態では著しく低下します。
7015は航空宇宙の構造部品、高強度ファスナー、強度対重量比を優先する用途で使われます。6061や6063よりも高い比強度を必要とし、設計寿命や剛性の点で、加工硬化よりも熱処理による固溶体時効処理経路が有利な場合にエンジニアにより選択されます。
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 (18–30%) | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、成形と機械加工に最適 |
| F | 非常に低～低 | 高 | 優秀 | 良好 | 成形後、そのままの状態で制御された調質なし |
| H12 | 中程度 | 低～中 (6–10%) | 普通 | 制限あり | 部分的な加工硬化、曲げ加工の可否は限定的 |
| H14 | 中程度 | 低 (6–8%) | 普通 | 制限あり | 軽度の加工硬化による中程度の強度向上 |
| H114 | 中程度 | 中 (8–12%) | 良好 | 制限あり | 応力腐食割れ（SCC）耐性向上のため安定化した調質 |
| T6 | 高 | 低～中 (6–10%) | 不良～普通 | 困難 | 最大強度を得るピーク時効、SCCに弱い |
| T651 | 高 | 低～中 (6–10%) | 不良～普通 | 困難 | 固溶処理後、伸張による応力除去済み、航空宇宙で一般的な調質 |
| T73 | 中～高 | 中 (8–12%) | 普通 | 中程度 | 過時効による耐腐食性・応力腐食割れ耐性の向上 |
| T76 / T77 | 中程度 | 中 (8–13%) | 普通 | 中程度 | 破壊靭性や応力腐食耐性を改善するための改良型時効 |
調質選択は最終性能を大きく左右します。T6／T651は最大強度を達成しますが延性低下と応力腐食割れのリスクが増加し、過時効（T73／T76）はピーク強度を犠牲にして耐腐食性やSCC耐性を高めます。冷間加工（H調質）は固溶熱処理を行わずに中間的な強度を実現しますが、成形性が低下し、板厚方向にわたって異種性のある特性を生じる場合があります。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | 不純物；鋳造や粒界相を制限するため管理 |
| Fe | ≤ 0.50 | 靭性を低下させる金属間化合物を最小化するため管理 |
| Cu | 1.0–2.0 | 強度と析出時効の促進に寄与；SCCの感受性を増加 |
| Mn | ≤ 0.10 | 微量；結晶粒構造を修正し靭性をわずかに向上 |
| Mg | 1.6–2.6 | Znと共にMgZn2析出物を形成し主要強化元素 |
| Zn | 5.0–6.8 | 主な強化元素；ピーク時効強度を制御 |
| Cr | 0.05–0.25 | 結晶粒構造と再結晶を制御する微量合金元素 |
| Ti | ≤ 0.10 | 鋳造・押出製品の結晶粒細化剤 |
| その他（Zr, V, 微量） | 合計で ≤ 0.20 | 再結晶制御と疲労寿命向上のための微量元素添加 |
7015の性能は、時効後の強化析出物の体積率、化学組成、整合性を決定するZn、Mg、Cuの相対比に依存します。Cr、Zr、Tiといった微量元素は熱間・機械的加工時の再結晶や結晶粒径を制御して、靭性を高め、層状剥離や粒間腐食の発生を抑制します。
機械的性質
引張特性では、ピーク時効条件（T6/T651）において7015は他の高強度7xxx系合金と同等の高い最大引張強さおよび降伏強さを示し、降伏までほぼ線形弾性挙動を示し、塑性変形開始前の一様伸びは限定的です。焼なまし状態（O調質）では強度は大幅に低下しますが、伸びは著しく大きく、最終熱処理前の冷間成形や深絞り加工に適しています。
硬さは引張特性と同様の傾向を示し、時効後に急激に上昇し、T6調質でピークに達します。硬さデータは調質、板厚、具体的な熱処理条件とあわせて解釈する必要があります。疲労特性は表面状態が良好で腐食が抑制されていれば、高強度アルミの中では概ね良好ですが、強度上昇や応力腐食割れの原因となるピットや金属間化合物の存在で疲労および破壊靭性は低下します。
板厚は得られる特性に大きな影響を及ぼします。固溶熱処理と急冷の効果は板厚増加とともに低下し、厚板では均一な急冷が難しく、その結果として降伏強さ・引張強さが低くなる場合があります。急冷後の残留応力やその後の矯正または伸長応力除去（T651など）は構造用途での寸法安定性や疲労寿命にも影響します。
| 特性 | O／焼なまし | 主要調質（例：T6／T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 230–320 MPa（典型） | 520–570 MPa（典型） | 板厚や時効により変動；T6が最大強度 |
| 降伏強さ | 110–200 MPa（典型） | 470–520 MPa（典型） | 固溶処理・時効で著しく上昇 |
| 伸び | 18–30% | 6–10% | 強度増加にともない伸び低下；調質・板厚依存 |
| 硬さ | 60–90 HB | 140–160 HB | 目安のブリネル硬さ範囲；熱処理・微細構造に依存 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約 2.80 g/cm³ | 合金元素による純アルミニウムよりやや高い |
| 融点範囲 | 約 475–635 °C | 固相線・液相線は組成や不純物で変動 |
| 熱伝導率 | 約 120–140 W/(m·K) | 純アルミニウムより低く、調質や加工履歴に左右される |
| 電気伝導率 | 約 30–40 %IACS | 合金化により純アルミより低下；調質依存 |
| 比熱 | 約 880–910 J/(kg·K) | 室温付近のアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張率 | 約 23–25 µm/(m·K) | アルミ合金中は同程度；熱サイクル設計時に重要 |
これらの物理特性は熱管理や接合の際のトレードオフを示しています。熱伝導率は多くの放熱用途に十分な水準ながら純アルミや6xxx系より低く、電気伝導率は合金化により低下しているため、電気用途や接触抵抗が重要な用途では考慮が必要です。
製品形状
| 形状 | 代表的厚さ／サイズ | 強度挙動 | 一般的な硬質処理 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5～6 mm | 中程度の厚さまでは厚み方向に均一な強度 | O、H1x、T6、T73 | 軽量パネルや航空機外板に一般的；T6では深絞り性が限定的 |
| プレート | 6～200+ mm | 焼入れ制限により厚み増加で強度低下の可能性あり | O、T6、T651、T73 | 厚板は制御された焼入れが必要で、腐食が重要な部品にはT73が多用される |
| 押出材 | 壁厚は可変 | 方向性特性あり；強度は熱処理に依存 | O、T6、T651 | 複雑形状が可能だが、大断面は焼入れ感受性により制限される |
| チューブ | 壁厚0.5～20 mm | 縦方向強度良好；端部や接合部は熱処理が重要 | O、T6 | 適切な熱処理後の高強度構造用チューブとして使用される |
| バー／ロッド | 直径6～200 mm | 適切な加工および固溶処理で均一性良好 | O、T6、T651 | 継手、ファスナー、加工部品に使用される |
加工差は最終特性に大きく影響する：シートや薄押出材は焼入れと時効処理によりピーク強度に達しやすい一方、厚板や大断面は寸法安定性や耐食性確保のために特別な冷却や過時効が必要になることが多い。用途は形状により異なり、複雑形状には押出材、構造部品にはプレート、機械加工部品にはバーが用いられる。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7015 | USA | 航空宇宙規格で一般的に用いられるAmerican Aluminum Association指定 |
| EN AW | 7015 | ヨーロッパ | 特定の硬質処理記号と組合せて使用されることが多いヨーロッパEN規格指定 |
| JIS | A7015（概略） | 日本 | 日本規格では同様のZn-Mg-Cu合金を地域独自の硬質記号で示すことがある |
| GB/T | 7015（概略） | 中国 | 中国規格の同等品が存在するが、化学成分や許容差は製造所により異なる場合がある |
各地域の規格間の微妙な差異は、許容不純物レベル、Zn/Mg/Cuの厳密な範囲、微合金元素（Zr/Cr/Ti）および各厚さでの機械的性質限界に関わる。別地域の鋼種を代替する際は、呼称だけでなく詳細な化学成分・機械的特性表、時効処理および認証条件を比較する必要がある。
耐食性
7015の大気中耐食性は中程度で、穏やかな環境下では許容できる性能を示すが、塩化物含有や海洋性雰囲気では5xxxや6xxx系の多くの合金ほど耐ピッティング性や粒界腐食耐性に優れていない。陽極酸化処理、純アルミによるクラッド、クロメート変換皮膜、もしくは過時効硬質処理（T73/T76）の採用で表面耐久性が大幅に向上する。
応力腐食割れ（SCC）は、ピーク硬質処理（T6/T651）状態での高応力腐食環境において重要な問題である。高強度と特定の粒界析出物の組み合わせがSCCの発生を促進するため、過時効処理や制御された熱間機械的加工により析出物を粗大化・再分布させ、内部応力を低減することでSCCの感受性を低減する。
ガルバニック腐食作用はアルミ合金で典型的であり、7015はステンレス鋼や一部の銅合金に比べて陽極的であるため、混合金属の組み立てでは絶縁または犠牲防食が推奨される。5xxx系の加工硬化合金（例：5052）と比較すると、7015は高強度を示すが適切な保護や過時効を行わなければ耐食性は劣る。
加工特性
溶接性
7015は亜鉛・マグネシウム含有量が高く、析出硬化型であるため溶接が難しい。TIGやMIGのような融接では熱影響部(HAZ)で硬さ低下域が形成され強度が著しく減少することが多い。化学成分に適合した専用の溶接棒を使用し、可能なら溶接後に固溶化および時効処理を施すのが望ましい。重要構造では機械的ファスナーや接着接合を優先する場合が多い。厚板や汚染・不適切熱入力時は熱割れや気孔のリスクが高まる。
加工性
アニール（軟化）状態の7015は良好から非常に良好な切削性を示し、安定した切りくず形成と適度な切削抵抗となるが、ピーク硬質処理状態では加工性が低下し工具摩耗が増大する。超硬工具の使用と剛性の高い機械設定が推奨され、仕上げ加工では中〜高速切削、荒取り加工では低速が適する。表面仕上げと疲労クリティカルな部位は制御された硬質処理での加工が望ましい。
成形性
成形はOや一部H1x硬質処理で最も容易で、延性が高く曲げ半径も小さくできる。ピーク硬質処理(T6)では成形性が悪くバネ戻りが大きい。T6条件での推奨最小曲げ半径は厚さの2～4倍で、OやH14ではより小さい半径も可能。複雑形状は温間成形や固溶＋時効サイクルで成形し、最終時効前に行うのが一般的。設計者は最終熱処理前に成形するか、成形後の安定化処理で歪み制御を行う計画を立てるべきである。
熱処理挙動
7015は典型的な熱処理型合金で、固溶化熱処理後の急冷と人工時効に強く反応する。固溶化温度は約470～480 °Cで主要合金元素を超飽和固溶体に溶解させ、急冷（水冷）が必要である。
人工時効は目的特性に応じて変わり、T6は低温（120～145 °C程度）で数時間処理してピーク硬さを得る。T73/T76の過時効はより高温または長時間で析出物を粗大化させ、耐食性とSCC耐性を向上させる。硬質処理の移行では制御冷却、場合により矯正・伸線処理（T651）、厳密なプロセス管理が繰り返し可能な機械的性質の達成に必要。
非熱処理型の特性は限定的で、7015は主に析出硬化型であるため、加工硬化はわずかな強度向上を与えるが固溶＋時効の効果に及ばない。アニーリング（O）は完全軟化状態で、最終熱処理前の成形や加工に使用される。
高温特性
高温では7015は降伏強さおよび引張強さが著しく低下し、構造的な有効性能は一般的に約120～150 °C以下に限られる。クリープ耐性は高耐熱合金に比べ劣り、持続荷重で過時効と析出物粗大化が加速され、強度・疲労寿命が低下する。
これらの温度でのアルミの酸化は保護性酸化膜形成により一般に自己制限されるが、化学的に攻撃的または塩化物を含む環境では母材および保護皮膜の腐食が促進される。溶接部の熱影響部はその後の熱曝露で強度低下や微細組織変化の影響を受けやすい。
用途
| 産業分野 | 代表部品 | 7015が使われる理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 胴体・翼継手、構造鍛造品 | 適切な硬質処理後の高い比強度と疲労性能 |
| 海洋 | 高強度構造部材、継手 | 過時効とコーティングにより優れた損傷許容性；軽量化メリット |
| 防衛 | 装甲部品、兵器マウント | 比較的低密度で高強度・高剛性 |
| 自動車 | 高性能シャシ部品 | 強度重視で小ロット製造が可能な場合の軽量化に貢献 |
| 電子機器 | 構造フレーム、ヒートスプレッダ（限定的） | 適切な熱伝導性とコンパクトアセンブリにおける剛性が有用 |
7015は航空宇宙グレードの比強度と許容できる疲労性能を兼ね備え、時効処理により強度重視または耐食性重視の特性を調整できる合金が設計者に求められる場合に選択される。加工難易度およびコストの高さから、これらの特性が厳格な製造管理を正当化する用途に限られることが多い。
選定のポイント
溶接のしやすさや最高の耐食性よりも高い比強度と制御された疲労特性を重視する場合に7015の選択が適している。熱間機械的処理や溶接後熱処理が可能な航空宇宙および高性能構造部品に特に適用される。
商業用純アルミニウム（例：1100）と比較すると、7015は導電性や成形性を犠牲にして大幅に高い強度と剛性を提供するため、電気伝導性や極端な成形性が主要な要求条件である場合には適していません。加工硬化型合金の3003や5052と比べると、7015はピークテンパーで格段に高い強度を持ちますが、一般的に成形性は劣り、時効管理が必要です。また、塩化物による腐食に対しても感受性が高い傾向があります。一般的な熱処理型合金である6061や6063と比較すると、7015は高いピーク強度と剛性を発揮しますが、多くの場合、コスト増、溶接性の低下、応力腐食割れ（SCC）リスクの増加を伴います。これらのトレードオフを承知の上で、余剰な強度マージンや疲労特性が決定的な場合に7015を選択してください。
まとめ
合金7015は、航空宇宙グレードに求められる特定強度および疲労性能が必要で、熱処理や表面保護の製造工程を管理できる場合において、有効な高強度アルミニウムの選択肢として残っています。その化学成分とテンパーの柔軟性により、設計者は強度と耐腐食性のバランスを調整でき、要求の厳しい構造用材料として専門的に用いられています。