アルミニウム 7034:組成、特性、焼き戻し状態ガイドおよび用途
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総合概要
7034は7xxx系アルミニウム合金の一種で、亜鉛を主合金元素とする高強度Al-Zn-Mg(-Cu)ファミリーに属します。名称はZn–Mg–Cu析出硬化系を示し、1xxx~6xxx系に比べて高い降伏強さと引張強さを実現しつつ、優れた強度対重量比を維持するよう設計されています。
7034の強化は主に固溶熱処理、急冷および人工時効により、微細なη相(MgZn2型)析出物を生成することで達成されます。このT型熱処理機構は高い比強度をもたらしますが、熱サイクルへの感受性や局所腐食に対して脆弱になる傾向があります。典型的な特徴としては、ピークテンパーでの高い静的強度、溶接直後の機械的特性の保持は中程度から低く、テンパーによって成形性が変動し、中程度の耐食性がオーバーエージングや微少合金元素の添加で向上可能です。
7034のような合金は、航空機の胴体用金具や鍛造品、高性能自動車のサブフレームやサスペンション部品、防衛用機器、及び高い静的強度と剛性が求められる特殊スポーツ用品に広く使用されています。設計上、断面削減や軽量化、高い許容応力が必要な場合には3000系/5000系/6000系の低強度系に対して選択され、また7075系合金に対してはピーク強度の若干の低下を許容して靭性や応力腐食割れ(SCC)耐性を優先する際に用いられます。
7034は、熱処理可能なアルミニウム合金であり、高い静的強度を実現しつつ、オーバーエージングによるSCC感受性低減をコントロールできることが求められる場合に選ばれます。これは最大強度を持つ7xxx系合金と、より耐食性や成形性に優れた他ファミリーとの間の実用的なニッチに位置づけられます。
テンパーのバリエーション
| テンパー | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 非常に良い | 非常に良い | 成形・機械加工用の完全焼なまし状態 |
| H14 | 中 | 中 | 良い | 良い | 加工硬化および部分的に焼なましされた成形品向け |
| T4 | 中 | 中 | 良い | 良い | 固溶処理後自然時効した中間強度 |
| T6 | 高 | 低~中 | 可 | 悪い | 固溶処理および人工時効によるピーク強度 |
| T651 | 高 | 低~中 | 可 | 悪い | T6に引張による応力除去を施した状態。構造部品で一般的 |
| T73 | 中~高 | 中 | 可 | 悪い | オーバーエージングにより耐食性・SCC耐性向上 |
| T76 | 中 | 中 | 可 | 悪い | 安定化テンパーで応力腐食耐性を改良 |
7034のテンパーは析出状態を強く制御し、それが降伏強さ、靭性、応力腐食割れ耐性を直接決定します。T6やT651のようなピークエイジングテンパーは引張特性を最大化しますが、延性や成形性を低下させ、局所腐食および応力腐食割れに対する感受性を高めます。
T73やT76のようなオーバーエイジングテンパーはピーク強度の一部を犠牲にして応力腐食割れ耐性と長期安定性を向上させます。一方、焼なまし(O)、加工硬化テンパー(Hxx)は特定強度を犠牲にして最高の成形性と機械加工性を提供します。
化学成分
| 元素 | 含有率範囲(%) | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.00–0.50 | 主に不純物。鋳造やろ過挙動を制御 |
| Fe | 0.00–0.50 | 不純物。介在物の含有および靭性に影響 |
| Mn | 0.00–0.20 | 7xxx合金では少量でわずかに結晶粒構造に寄与 |
| Mg | 1.40–2.20 | 亜鉛と共に主要な強化成分(MgZn2形成) |
| Cu | 1.00–1.80 | 強度・硬さ向上。高含有はSCC感受性増加の要因 |
| Zn | 4.50–5.50 | 7xxx系で主強化元素 |
| Cr | 0.05–0.25 | 再結晶制御および粒構造改善、靭性向上に寄与 |
| Ti | 0.00–0.15 | 鋳造・インゴット冶金における結晶粒微細化材 |
| その他 (Zr含む) | 0.00–0.30 | Zrは晶粒成長制御と靭性向上によく用いられる |
高いZnおよびMg含有によりη相析出硬化能力が確保され、Cuはピーク強度レベルや析出物形態の調整に利用されますが、高Cuは粒界腐食や応力腐食割れの感受性増加をもたらすためバランスが重要です。クロムとジルコニウムは再結晶抑制と結晶粒微細化、均一な機械的特性獲得のため低濃度で添加されます。SiおよびFeの不純物は靭性や疲労性能を損なう粗大介在物の生成を抑制するよう管理されています。
機械的特性
7034の引張挙動は焼なまし状態とピークエイジングテンパーで顕著に異なります。固溶熱処理および人工時効により引張および降伏強さが著しく向上し、同時に均一伸びは減少します。降伏強さと最大強さの比率は析出硬化合金に典型的で、T6/T651では伸びは低く、T73のようなオーバーエイジングテンパーでは靭性は中程度から良好です。
硬さも同様の傾向を示し、焼なまし状態は軟らかく加工・成形しやすい一方で、T6は大幅に高いHB値に達します。疲労強さは細かく均一な析出物によって向上しますが、粗大介在物や表面欠陥によって悪化します。厚みや断面サイズは急冷感受性に影響を与え、厚板ほど冷却が遅いため粗大な析出物が生成され、急冷直後の強度が低下します。このため、特殊な急冷処理や微少合金添加が用いられることがあります。
テンパーや加工が切欠き感受性や疲労亀裂開始挙動に大きく影響し、表面仕上げ、ショットピーニング、熱処理後の応力除去などが重要な疲労寿命最適化手法として一般的に適用されます。
| 特性 | O/焼なまし | 代表テンパー (T6/T651) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ (MPa) | 120–260 | 480–540 | T6の範囲は断面や化学組成により変動 |
| 降伏強さ (MPa) | 80–220 | 415–480 | ピークテンパーで高く、加工硬化により増加可能 |
| 伸び (%) | 20–30 | 6–12 | 強度増加に伴い延性は低下 |
| 硬さ (HB) | 35–60 | 140–165 | 硬さは時効条件や析出状態に連動 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.78 g/cm³ | 高強度アルミ合金として典型的で良好な比強度 |
| 融点範囲 | 477–635 °C | 固相線・液相線の伸びは合金元素の影響を受ける |
| 熱伝導率 | 約120–140 W/m·K | 純アルミに比べ低いが、多くの熱用途に十分 |
| 電気伝導率 | 約28–36 %IACS | 合金元素の影響で純アルミより低下 |
| 比熱 | 約0.88 J/g·K | 室温でほぼアルミニウム基準値に近い |
| 熱膨張率 | 約23–24 ×10^-6 /K | 他のアルミ合金とほぼ同等の線膨張率 |
これらの物理特性は、7034が重量を重視した設計に好適な低密度の構造用金属であることを示し、適度な熱伝導性と電気伝導率も備えています。熱伝導率および電気伝導率は純アルミに比べ溶質散乱や二次相粒子により低下しているため、熱管理や電気用途において注意が必要です。
融点範囲はアルミニウムの標準的な溶解・鋳造温度を示し、成形や熱処理においてはAl-Zn-Mg-Cu合金の一般的なガイドラインに従い、固相線近辺で固溶処理を行いながら部分融解は避ける操作が必要です。
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 |
|---|---|---|---|---|
| 板 | 0.5–8 mm | 圧延と焼入れに敏感;薄板では均一性が良好 | O, T4, T6, T651 | 構造用パネルに広く使用;薄板はT6調質を良好に達成 |
| 厚板 | 8–200+ mm | 非常に厚い断面では焼入れによる強度低下あり | O, T6, T73 | 厚板は制御された焼入れまたは過時効が必要 |
| 押出材 | 断面が数百mmまで | 6xxx系より少ない;焼入れ感度により大断面は制約あり | T6(限定的)、O | 大断面押出材は熱割れのリスクが高い |
| 管 | 外径は小型から大型まで | 押出材と類似の特性;製造には溶接が多用される | O, T6(溶接品) | 無縫管も可能だが、合金の成形性に制限あり |
| 棒材/ロッド | 直径最大150 mmまで | 鍛造品や機械加工部品に適する | O, T6, T651 | 高強度鍛造品や機械加工部品に使用 |
製品形状により到達可能な特性や加工ルートに異なる制約があります。板材および薄板は急冷が可能でほぼピークのT6特性を得られますが、厚板や押出材は焼入れ速度に制限があり、過時効または熱機械的制御が通常必要となり、特性を安定化させます。鍛造や冷間成形は微細構造の改良と疲労寿命の向上に用いられますが、溶体化処理や時効との組み合わせを計画し、不必要な軟化や変形を避ける必要があります。
溶接や接合は母材熱影響部の軟化を最小化するため選択されることが多く、溶接が避けられない場合は設計とフィラー材の選択が構造的健全性を保ちつつ局所的な機械的性質の低下を受け入れる上で重要です。
等価鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7034 | 米国 | Aluminum Associationリストでの主要指定番号 |
| EN AW | 7034 | ヨーロッパ | EN規格下での一般的に同等の化学組成の指定 |
| JIS | A7075(概算) | 日本 | A7075は完全には一致しないが高強度7xxx系の代表的鋼種 |
| GB/T | 7A04 / 7A09(概算) | 中国 | 中国で使用される類似7xxx系鋼種。直接的な等価性は要検証 |
各規格間の正確なクロスリファレンスは、許容不純物量、微量合金元素、典型的な加工ルートの違いにより複雑です。EN AW-7034は化学的に近似していますが、JISおよびGB/Tの鋼種は厳密な化学的等価ではなく機能的に類似するものです。エンジニアは供給業者の認証と化学分析を確認し、同等性を判断してください。また、インゴット冶金や熱機械処理などの加工履歴により化学組成が同一でも性能差が生じることがありますので注意が必要です。
耐食性
7034の大気中耐食性は中程度であり、塗装やコーティング面は都市部や工業環境で良好な性能を示しますが、素地のままではAl-Mg(5xxx)合金よりもピット腐食や粒界腐食が発生しやすいです。高Zn含有合金に典型的な析出物に富む粒界は腐食環境下で陽極部位を形成するため、表面保護と隙間のない設計が標準的な対策です。
海洋や塩素イオンが多い環境では、7034は5000系合金よりも耐性が劣ります。感受性は過時効調質(T73、T76)指定や厳密な表面仕上げ管理により軽減可能です。海洋使用の重要部品にはカソード防護や高分子バリア処理が長期性能維持に一般的に用いられます。
応力腐食割れ(SCC)は高強度7xxx系合金の主な懸念事項であり、ピーク時効条件が最も感受性が高い一方で、制御された過時効、銅含有量の低減、微量合金添加(Cr、Zr)によってSCCリスクは大幅に低減されます。異種金属(鋼、銅など)とのガルバニック作用も重要であり、アルミ合金の陽極溶解を防ぐために絶縁層やガルバニック分離が必須です。
加工性
溶接性
7034の溶接は熱影響部の軟化と溶融溶接での熱割れリスクが高いため困難です。フィラー材の選択と前後処理がこれらの影響を最小化する上で重要です。TIGおよびMIG溶接は5xxx系や7xxx系対応の特殊フィラー材で可能ですが、局所的な機械的性質低下と局所腐食感受性の増大を想定すべきです。
切削性
7034はアニーリングおよびH調質で切削性が良好から非常に良好です。T6では適切なカーバイド工具と剛性の高い設備で良く切れますが、硬さにより工具摩耗は増加します。正角度のカーバイドインサート、高圧クーラント、中〜高速切削、チップブレーカーの使用が析出硬化合金に典型的なセレーションチップ制御に推奨されます。
成形性
成形はOまたはT4の条件で行うのが最適で、T6の材料を冷間成形すると割れや反発が生じ、十分な余裕設計がなければお勧めできません。板厚に対して1〜3倍程度の曲げ半径がO/T4で一般的で、T6では4〜6倍の曲げ半径または成形前の焼鈍が必要です。
熱処理挙動
熱処理可能な合金として7034は標準的な溶体化処理、焼入れ、人工時効工程を経てピーク特性を得ます。溶体化処理は通常470〜485 °C付近で可溶相を溶解し、その後急速冷却により溶質を過飽和状態に閉じ込めます。焼入れ速度は特に厚板で重要で、粗大析出物の形成を防ぎ硬化性を保持します。
人工時効スケジュールは様々で、T6様の時効は120〜125 °Cで18〜24時間が一般的でありピーク硬度と強度を得ます。T73/T76の過時効処理は高温または長時間の時効で粗大かつ安定した析出物を形成し、SCC感受性を低減します。T651は焼入れ後に残留歪みを減少させる応力除去伸び工程を含みます。
高温性能
7034は中程度の高温まで機械的性質を保持しますが、約150〜175 °C以上では析出物の粗大化・溶解により強度が著しく低下します。高温環境での連続使用時は熱安定性を重視した合金選択や酸化・クリープを抑制する表面処理を検討すべきです。
サービス温度での酸化耐性は安定したAl2O3皮膜により一般的なアルミ合金並みですが、高温長期曝露は析出系の微細構造変化を促進し永久的な軟化を招きます。溶接に隣接する熱影響部は熱サイクルにさらされることで特に顕著な特性劣化を起こします。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 7034が用いられる理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | フィッティングおよび鍛造品 | 高い静的強度対重量比と最適調質での優れた疲労性能 |
| 自動車 | サスペンション部品やシャーシ部品 | 高強度により断面厚さを削減し、疲労処理でNVH改善 |
| 海洋 | 構造用ブラケットおよびアウトリガー | 適切な過時効および表面保護により良好な強度維持 |
| 電子機器 | 構造パネルおよびハウジング | 熱伝導と剛性のバランスに優れた軽量エンクロージャ |
7034は高い静的強度、厳しい寸法安定性、熱処理および表面仕上げ後の優れた疲労性能が求められる用途に選択されます。調質による特性調整が可能で、ピーク時効では最大強度、過時効では耐食性・SCC耐性を優先できます。
選定のポイント
高い比強度が求められ、かつ調質によって長期耐食性を調整できる必要がある設計には7034が適します。特に軽量化によるシステムレベルの効果が期待される場合に有効です。コストおよび入手性のトレードオフを考慮し、6xxx系合金より材料費が高く大型押出品は入手困難な場合があります。また、溶接および修理溶接には特殊な手順が必要です。
商業用純アルミニウム(1100)と比較すると、7034ははるかに高い強度と剛性を提供しますが、