アルミニウム7020：組成、特性、硬質状態ガイドおよび用途
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総合概要
7020は7xxx系アルミニウム合金（Al-Zn-Mg系）であり、従来の7xxx系合金に比べて靭性と応力腐食割れ性能を向上させつつ、高強度を実現するよう設計されています。その標準的な化学成分は亜鉛を主要な強化元素とし、マグネシウムを第二元素として配合、銅とクロムは微量に抑え、結晶粒組織や再結晶を制御しています。
この合金は熱処理可能であり、主に固溶処理、焼入れ、人工時効（Zn-Mg相の析出硬化）により強度が向上しますが、非熱処理系シリーズに比べると加工硬化の効果は限定的です。主な特性としては、高い比強度、高強度アルミ合金としては比較的良好な疲労耐性、中程度の耐食性（高銅7xxx系合金より改善）、ピークテンパーでの室温成形性は限定的、及び熱影響部(HAZ)の軟化に注意が必要な溶接性が挙げられます。
7020は航空機の継手部品や構造部材、輸送機器および船舶用途に広く使われており、高強度と優れた破壊靭性、適度な耐食性を求められる場面で選ばれます。エンジニアは、6xxx系合金に比べて高い強度対重量比と応力腐食割れ抵抗を必要とする場合、あるいは7xxx系の強度が必要であっても7075の腐食感受性および破壊靭性の低さが問題となる場合に7020を選択します。
7020は高い静的および疲労強度と改良された応力腐食割れ耐性、及び時効安定性のバランスを求める設計者に好まれます。6061および7075と多くの構造用途で競合し、特に溶接性や特定テンパーでの高い延性が考慮される場合に選択されることが多いです。押出材、板材、シート材で入手可能で、確立された熱処理スケジュールを持つため、機械的性能が予測可能な量産部品に適しています。
テンパーバリエーション
| テンパー | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、成形用に最高の延性 |
| T4 | 中程度（自然時効） | 中〜高 | 良好 | 良好 | 固溶処理+自然時効；中強度向けに良好な成形性 |
| T6 | 高 | 中程度 | 普通〜不良 | 限定的 | 固溶処理+人工時効；静的荷重に対するピーク強度 |
| T651 | 高（応力除去処理済） | 中程度 | 普通〜不良 | 限定的 | T6＋残留応力を減らすための制御伸張処理 |
| H14 | 中〜高 | 低〜中程度 | 限定的 | 良好 | 部分冷間加工による加工硬化；熱処理なしで中間強度 |
| T5 | 中〜高 | 中程度 | 限定的 | 限定的 | 高温から冷却後、人工時効；押出材に使用 |
テンパーは7020の強度と延性のバランスを大きく左右します。焼なまし（O）やT4条件はスタンピングや深絞り成形に最適ですが、T6/T651は最高の静的強度を提供するものの、曲げ性が低下し、ばね戻りや割れ防止に注意が必要です。
熱処理可能なテンパーは溶接部の熱影響部（HAZ）軟化が顕著であるため、重要な構造部品では残留応力と安定性を管理するためにT651が選択されることが多いです。中間テンパーであるHやT5は、部分的な冷間加工や押出時のオンライン時効で十分な強度を得つつ成形や接合を可能にします。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.12 | 不純物；鋳造欠陥を抑え強度への影響を低減 |
| Fe | ≤ 0.50 | 不純物；高含有量は靭性と切削性を低下させる |
| Mn | 0.03 – 0.20 | 微量合金元素；結晶粒構造と再結晶を制御 |
| Mg | 1.0 – 1.8 | Znとの主要強化元素（MgZn2析出相） |
| Cu | ≤ 0.10 – 0.25 | 低～中程度；高銅7xxx系合金に比べ応力腐食割れリスクを低減 |
| Zn | 3.8 – 4.8 | 主強化元素；析出硬化を制御 |
| Cr | 0.04 – 0.20 | 結晶粒微細化剤；靭性向上および再結晶制御 |
| Ti | ≤ 0.05 | インゴット処理時の微細粒核形成剤 |
| その他（各元素） | ≤ 0.05 | V、Zrなどの微量元素含む；残部はAl |
合金元素の添加により7020の機械的特性および耐食性が調整されます。ZnとMgは時効中に一貫性のある析出物を形成し、主要な強化機構を提供します。クロムや微量のMn/Ti添加は結晶粒を微細化し、再結晶や粒界破壊の感受性を低減します。銅含有量が低く抑えられていることで、高銅7xxx系合金に比べ応力腐食割れのリスクを最小限にしています。
FeやSiのような不純物元素は粒間に金属間化合物を形成し、破壊靭性を低下させ疲労き裂の起点となるため厳密に管理されています。化学成分の管理により、熱処理に対する安定した反応と製品形状にかかわらず一貫した機械的性能が実現されます。
機械的性質
T6/T651テンパーでは、7020は構造用として十分な高い引張強さを示し、高い荷重を受け持つ部品に適します。ピークテンパーでの降伏強さは6xxx系合金を大きく上回り、さらに高強度7xxx系よりも破壊靭性が改善されています。伸びはピークテンパーで中程度であり、多くの機械加工部品や構造部品に十分な延性です。
焼なまし（O）や固溶処理（T4）条件では伸びが著しく増加し引張強さは低下するため、成形作業にはこれらのテンパーが好まれます。硬さは人工時効の程度と強く相関し、T6が最も高い硬さと静的荷重耐性を示す一方で、焼なまし条件は低硬さで優れた打痕抵抗性を持ちます。
7020の疲労特性は高強度アルミとして一般に良好であり、結晶粒構造の制御や低銅含有の恩恵を受けています。ただし表面仕上げや残留応力、局所的な切欠に敏感です。材料の厚みや製品形状は熱処理時の冷却速度や再結晶挙動に影響し、析出硬化の進行速度や結晶粒形態を変えるため機械的特性に違いが生じます。厚板は薄い押出材に比べてピーク硬さや靭性がやや低くなる傾向があります。
| 特性 | O／焼なまし | 主要テンパー（T6 / T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（MPa） | 160 – 240 | 360 – 420 | T6はOの約2～2.5倍の強度；値は製品形状と厚みに依存 |
| 降伏強さ（MPa） | 55 – 110 | 320 – 370 | 時効によって降伏強さが急激に向上；T651は応力除去伸張処理を含む |
| 伸び（A％） | 18 – 30 | 8 – 14 | 強度向上に伴い延性は低下；破壊靭性とのトレードオフ |
| 硬さ（HB） | 40 – 70 | 110 – 140 | ブリネル硬さは時効で上昇；硬さは強度と耐摩耗性に相関 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.78 g/cm³ | Al-Zn-Mg合金として典型的；良好な強度対重量比 |
| 融点範囲 | 固相線約475～490°C；液相線約635～645°C | 合金の正確な組成と不純物により変動 |
| 熱伝導率 | 約130～160 W/m·K | 純アルミより低いが鋼材に比べて放熱性は十分 |
| 電気伝導率 | 約28～36％ IACS | 合金効果で1xxxおよび6xxx系より低い；高強度合金として一般的 |
| 比熱 | 約880 J/kg·K | 熱設計や過渡熱計算に有用 |
| 熱膨張率 | 約23～24 µm/m·K（20～100°C） | 他のアルミ合金と類似；異種材料間の熱膨張差設計に関連 |
7020はアルミニウムの低密度と良好な熱伝導性を維持しており、軽量化や放熱が求められる用途に適しています。純アルミに対して電気および熱伝導率は低下しますが、析出硬化相による強度向上の交換条件といえます。
熱特性は熱処理工程の範囲や使用限界を左右するため、設計者は部品が通常の時効温度に近いあるいは超える高温環境下で使用される場合、析出強化効果の著しい低下を考慮する必要があります。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5 – 6 mm | 薄板では最適な焼入れ時効特性を示す | O, T4, T6 | 軽量構造パネルや加工部品に広く使用される |
| プレート | 6 – 100+ mm | 厚板になるとピーク強度がやや低下する場合がある | T6, T651 | 均一な特性を得るために焼入れ管理が必要 |
| 押出し材 | 大断面までのプロファイル | 優れた方向性強度を持ち、時効はオンラインで実施可能 | T5, T6, T651 | 構造フレームや複雑断面に人気 |
| チューブ | 径は多種、多様（シームレス/溶接） | 押出し材に近い特性。肉厚が時効特性に影響 | T6, T651 | 高強度チューブや構造部材に使用される |
| 丸棒/ロッド | 最大径200 mmまで | 機械加工性と均一性は断面サイズに依存 | O, T6 | 継手部品や機械加工品、鍛造品に使用される |
シートや薄肉押出し材は急冷速度が速いためピーク特性を得やすい一方、厚板では芯部の軟化を防ぐため慎重に処理する必要があります。押出しプロファイルは断面形状の自由度が高く、焼入れ直後の時効（T5）または応力除去後の時効（T651）で寸法安定性を持たせることが可能です。
製造選択は求められる機械的性能や形状の複雑さに依存します。曲げ加工を伴う部品には形状加工後の熱処理が一般的で、一方で丸棒からの機械加工品は寸法管理と疲労耐性を優先したT6状態が好まれます。
対応等級
| 規格 | 等級 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7020 | USA | Aluminum Associationによる一般的な合金記号 |
| EN AW | 7020 | ヨーロッパ | EN AW-7020が一般的。化学成分や機械的仕様はEN規格に準拠 |
| JIS | A7020 | 日本 | JISの変種は元素組成はほぼ同じだが地域特有の許容差あり |
| GB/T | 7020 | 中国 | 中国GB/T等級は国際的な7020と化学組成・用途が整合 |
7020の各地域規格は元素範囲や調質定義は概ね一致していますが、不純物元素の許容差や機械的検査方法には差異があります。特に欧州のEN AW-7020規格は板材や押出し品質向けに再結晶阻害元素の厳格管理が特徴です。
使用者は寸法公差、含有異物の許可範囲、サプライヤーの製造管理体制などの具体的な規格証明を確認すべきであり、これらが疲労寿命、応力腐食割れ（SCC）耐性、重要部品の許容欠陥レベルに影響します。
耐食性
大気環境下での7020は中程度の耐食性を持ち、含銅量の多い7xxx系合金より優れています。自然陽極酸化処理やクロメート処理、最新の有機コーティングにより孔食および全般腐食耐性が大幅に向上し、屋外構造用途に適した性能を示します。
海洋環境では局部的な腐食が促進されるため、7020は陽極酸化や変換被膜、接合部シール、保護塗装などの追加防護を施すことで海洋構造物にも使用可能です。停滞した海水の付着を避け、異種金属の絶縁施工を行うことが電食を抑制する設計上の重要なポイントです。
応力腐食割れの感受性は高銅7xxx系より低いものの、高強度調質（T6）では設計上の考慮が必要です。ジョイント設計、適切な調質選択（使用環境に応じてT4/T651推奨）、および溶接後熱処理の戦略がSCC対策に用いられます。
クロライド環境下での鋼、銅、ステンレス鋼との電食反応も無視できず、接合部に絶縁バリアや犠牲防食、陰極保護を施すことが推奨されます。5xxx系（Mg系）、6xxx系（Mg-Si系）に比べて7020は強度が高い反面、より厳密な耐食管理を必要とします。
加工特性
溶接性
7020はTIG、MIGなど一般的な溶融溶接法で接合可能ですが、高強度調質では熱影響部の軟化が顕著です。重要部品では強度回復のため溶接後熱処理が必須となることが多いです。溶加材には5356などのAl-Mg系を使用し、割れ感受性を軽減し溶接金属の延性向上を図ります。接合設計、溶接前後の機械的応力除去、熱入力制御により孔隙やHAZ問題を低減し、荷重支持部品は資格取得を経て溶接後局所的な時効を行う場合があります。
機械加工性
7020の機械加工性は高強度アルミ合金としては中程度から良好と評価され、固体断面は鋭利なカーバイド工具で安定した切りくず形成が可能です。推奨工具はコーティングカーバイドインサートで、ポジティブラケット形状と大量のクーラントまたは潤滑剤使用によりビルドアップエッジを抑制し表面仕上げを改善します。切削速度は鋼より高く軟質の軟鋼アルミより低めで、送り速度・切り込み深さは振動防止と切削熱管理に最適化されます。
成形性
成形性は調質に大きく依存し、O、T4は良好な曲げ性、深絞り、プレス加工特性を示します。一方、T6、T651は成形性が著しく劣り、特に曲げ半径が小さい場合に割れやすいです。焼なまし状態の7020シートの最小内曲げ半径は板厚の約1倍程度ですが、T6材は2〜4倍の半径を必要とするか、専用工具や加熱成形が欠かせません。高強度調質ではばね戻りが大きいため、精密成形品には工具補正と試作が必須です。
熱処理特性
7020は代表的な熱処理可能合金で、溶体化処理は一般に約470〜480°Cで実施し、Zn-Mg濃化相を固溶体中に溶解後急冷して過飽和固溶体を保持します。人工時効（T6）は通常120〜160°Cの範囲で数時間行い、強化相を析出させてピーク硬さを得ます。時効曲線は断面サイズや強度・靭性のバランスに合わせて調整されます。
T651調質はT6の後、応力除去伸線を施して残留応力や歪みを最小化した状態で、寸法安定性と疲労耐性が求められる構造部品に適しています。非熱処理合金とは異なり、7020の強度は冷間加工よりも析出相の大きさと分布に左右されるため、時間・温度プロファイルおよび急冷速度の厳密な管理が仕様通りの機械的特性獲得の鍵となります。
高温特性
7020は使用温度が上昇すると析出強化が著しく低下し、約120°C以上の長期露光で析出相が粗大化し降伏強さ・引張強さが徐々に低下します。短時間のやや高温環境での使用は許容されますが、繰り返しの温度変動や長期間の曝露は疲労寿命を縮め荷重保持能力を損ないます。アルミとしては通常使用温度で酸化は最小限ですが、被覆は高温で劣化し素地の腐食リスクが高まります。
溶接部の熱影響帯は特に脆弱で、局所的な熱履歴により析出相分布が変化し、応力が集中する軟化帯が形成され機械的・熱的サイクルでの割れ集中を引き起こします。高温下での機械的特性維持が必要な用途は、耐高温用に設計された他の合金を検討すべきです。
用途
| 産業分野 | 例示部品 | 7020が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 構造用継手、バルクヘッド部品 | 高強度対重量比、良好な破壊靭性及びSCC抵抗性 |
| 海洋 | デッキ支持部材、フレーム | 高銅7xxx系に比べ耐食性が向上し、良好な強度 |
| 自動車・鉄道 | 高強度押出形材、シャシー部品 | 軽量構造部材としての強度及び疲労性能 |
| スポーツ・レクリエーション | 高性能自転車フレーム、構造用チューブ | 優れた強度対重量比と機械加工性による精密部品向け |
| 電子・熱管理 | 構造用ヒートスプレッダ、ハウジング | 剛性、熱伝導性、加工性のバランス |
7020は強度、靭性、及び比較的良好な耐食性を両立した高性能合金として設計者に支持されています。多様な形状で入手可能で確立された熱処理方法により、性能の安定性と耐用期間が求められるエンジニアリング部品に幅広く採用されています。
選定のポイント
7020は、高い静的強度および疲労強度が求められる場合に選択してください。さらに、7xxx系高銅合金と比較して耐割れ靱性が向上し、応力腐食割れ（SCC）のリスクが低減されています。構造用、航空宇宙用、海洋用部品に適しており、軽量化と安定した時効挙動が求められる用途に最適です。
商用純アルミニウム（例えば1100）と比較すると、7020は著しく強度が向上する代わりに、電気および熱伝導性や成形性は劣ります。電気伝導性や成形性が優先される場合は1100を、荷重を受ける能力が必要な場合は7020を使用してください。加工硬化型合金である3003や5052と比較すると、7020ははるかに高い強度を提供しますが、熱処理管理と腐食防止が必要です。熱処理を行わずに塩素環境下での成形または耐食性を重視する場合は3003／5052を選択してください。一般的な熱処理可能な6xxx系合金（6061／6063）と比較して、7020は通常、より高い強度と優れた疲労性能を発揮しますが、材料コストが高く、溶接や熱処理に関する要求が厳しくなります。より高い強度対重量比と靭性が追加の加工制約を正当化する場合に7020を推奨します。
まとめ
7020は、強度、靭性、管理された腐食挙動の好バランスと、多彩な製品形態の提供および確立された熱処理手法と相まって、現代のエンジニアリングにおいて依然として有用な高強度アルミニウム合金です。従来の6xxx系合金と、高強度ながら耐食性に劣る7xxx系合金の中間的な位置づけであり、信頼性が高く再現性のある性能を求める構造用途において実用的な選択肢となります。