アルミニウム 7039：化学組成、特性、硬化状態ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
Alloy 7039は7xxx系アルミニウム合金に属し、亜鉛を主要合金元素とし、しばしばマグネシウムおよび微量の銅を合金化しているファミリーです。熱処理可能な析出硬化型合金であり、アルミニウム本来の低密度の利点を維持しつつ、高い比強度と適度な靭性を提供することを目的としています。
主な合金元素はZn、Mgおよび少量のCuで構成され、結晶粒制御と再結晶抑制のために微量のCr、Mn、Tiが添加されます。強化は主に固溶処理、急冷、そして制御された人工時効によって達成され、微細な準安定なZn-Mg（およびZn-Mg-Cuが含まれる場合）析出物が転位の運動を妨げます。
7039の主要な特性は、高い強度対重量比、高強度合金として良好な疲労耐性、適切な熱処理と表面保護を施した場合の許容される耐食性です。成形性および溶接性は中程度であり、軟らかい調質では成形が可能で、溶接も注意を払えば実施可能ですが、過時効や熱影響部（HAZ）軟化が発生しやすく、5xxx系や3xxx系の軟らかい合金と比較するとトレードオフとなります。
代表的な用途は航空宇宙用鍛造品および継手、自動車やモータースポーツ分野の高性能構造部品、強度・損傷許容性・加工性のバランスが求められる特殊な海洋・防衛用ハードウェアなどです。エンジニアは、6xxx系より高い強度が必要で、かつ非常に高価で超高強度の7075系まで選ばない場合や、疲労と局所的な靭性の特定のバランスが求められる際に7039を選択します。
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 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし状態で成形および応力除去用途 |
| H14 | 中低 | 低〜中 | まずまず | 良好 | 加工硬化後、部分的に安定化させて中程度の強度 |
| T4 | 中 | 中程度 | 良好 | 良好 | 固溶処理後自然時効で部分的強度 |
| T5 | 中高 | 中程度 | まずまず | まずまず | 高温から冷却後人工時効 |
| T6 | 高 | 低〜中 | 限定的 | まずまず〜悪い | 固溶処理後人工時効で最大強度 |
| T62 | 高（過時効） | 改善 | 改善 | T6より良好 | 人工時効でわずかに過時効状態とし、応力腐食割れ（SCC）耐性を向上 |
| T651 | 高 | 低〜中 | 限定的 | まずまず〜悪い | T6に応力除去のための伸張処理を加えたもので、板材や押出材で一般的 |
調質の選択は7039の強度と成形性のバランスに大きく影響します。OやT4のような軟らかい調質は複雑な成形および後続の時効処理用に用いられ、T6/T651は伸び・成形性を犠牲にして最大静的強度を実現します。
また、溶接時の応力腐食割れの感受性や熱影響部軟化にも調質が影響を及ぼします。設計者は絶対的な最大強度を犠牲にしても、より耐久性の高い環境適応を求めてわずかに過時効の調質（T62）や溶接後の制御時効を選択することが多いです。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.50 | 一般的な不純物管理。過剰なSiは靭性低下を招く |
| Fe | ≤ 0.50 | 不純物。疲労起点に影響する金属間化合物を形成 |
| Mn | 0.05–0.40 | 結晶粒制御および低濃度で靭性向上 |
| Mg | 1.0–2.0 | Znと共に主要析出物形成元素 |
| Cu | 0.1–1.2 | 強度および硬化性を向上。耐食性をやや低下させる場合あり |
| Zn | 3.5–5.5 | 7xxx系における主強化元素 |
| Cr | 0.02–0.25 | 再結晶抑制および応力腐食割れ耐性の向上に寄与 |
| Ti | 0.05–0.20 | 鋳造または押出時の結晶粒細化 |
| その他（Alを除く） | 残りはAlバランス | 機械的性質や耐食性の目的に合わせて微量元素を管理 |
Zn–Mg比率および微量のCu添加は析出物の化学組成を決定し、ピーク硬さや時効反応を左右します。クロムやマンガンは固溶処理および熱機械加工中の過剰な結晶粒成長を抑制し、粒界を固定化するために使用されます。
FeやSiなどの不純物元素は比較的硬い金属間化合物粒子を形成し、加工性や疲労性能のバランスを取るために含有量が管理されています。上記成分範囲は代表的であり、供給元や規格によって若干異なる場合があります。
機械的性質
引張特性において、7039は固溶処理および人工時効後に著しい強度向上を示しますが、焼なまし状態に比べて延性は低下します。ピーク時効調質（T6/T651）は高い降伏強さおよび引張強さを示し、伸びは中程度ですが、軟らかい調質は成形に必要な延性を提供します。
降伏強さは調質や板厚によって大きく変動し、急冷の効果や冷間加工の有無に依存します。7039の疲労性能は高強度アルミ合金として概ね良好で、ショットピーニングや応力除去処理を施すとさらに耐疲労性が向上します。ただし疲労亀裂の発生は表面仕上げや金属間化合物粒子の分布に敏感です。
硬さは調質および時効状態に比例し、焼なまし品は比較的軟らかく加工・成形しやすい一方、T6/T651調質ではブリネル硬さ（HB）やロックウェル硬さ（HRC）が大幅に向上します。板厚による影響も顕著であり、厚板は均一急冷が困難でピーク強度が薄板と比べて低下しやすいです。
| 特性 | O/焼なまし品 | 代表的調質（T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約230 MPa（代表値） | 480–540 MPa | 引張強さは板厚や時効条件により変動 |
| 降伏強さ | 約130 MPa（代表値） | 430–500 MPa | 析出硬化により降伏強さが大幅に増加 |
| 伸び | 18–25% | 6–12% | 強度向上に伴い伸びは減少。加工工程に依存 |
| 硬さ | 60–75 HB | 140–170 HB | ピーク調質ではブリネル硬さが大幅に向上 |
記載の数値は代表的な範囲であり、製品形状、板厚、供給元の加工条件により異なります。
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.79 g/cm³ | Zn含有のため純アルミニウムより若干高い |
| 融点範囲 | 約480–640 °C | 固相と液相の温度範囲は合金成分に依存。機械加工時は保守的な温度管理が必要 |
| 熱伝導率 | 約140 W/m·K | 純アルミより低いが、依然として熱放散に優れる |
| 電気伝導率 | 約30–40 %IACS | 合金化により純アルミより低下。調質により変動 |
| 比熱 | 約875 J/kg·K | 室温近傍のアルミ合金として典型的な値 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 µm/m·K（20–100 °C） | 他のAl-Zn-Mg系合金と類似。異種材料接合時は考慮が必要 |
7039は鋼材に比べて高い熱伝導率を保持しており、熱拡散部品に適しています。また、密度の利点により、重量を厳しく制限される設計において比剛性や比強度の向上が得られます。
電気伝導率は純アルミや一部6xxx系合金に比べて低く、最大の電気伝導性が求められる用途には適しません。熱膨張係数はアルミ合金の一般的な範囲内であり、異素材と接合する際は熱膨張差に配慮が必要です。
製品形状
| 形状 | 典型的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な熱処理状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材（Sheet） | 0.5～6.0 mm | 薄板では厚さ方向の特性良好 | T4、T5、T6 | 成形パネルや外装材に使用；焼入れ感受性は管理可能 |
| 厚板（Plate） | 6～150 mm以上 | 厚肉部では得られる強度が低下 | T651、T62 | 厚板は特別な焼入れ／時効処理が必要な場合あり、性能最大化のため |
| 押出材（Extrusion） | 数メートルまでの複雑形状 | 方向性強度良好 | T6、T651 | 押出金型設計と冷却速度が最終特性に影響 |
| チューブ（Tube） | 外径数百mmまで | 板厚により強度が変化 | T6、T651 | 構造用パイプや高強度フレームによく使われる |
| 丸棒／棒材（Bar/Rod） | 直径最大200 mm | 加工性の良い高強度材料 | T6、T61 | 機械加工部品や継手に使用 |
製造工程や製品形状は機械的性能に大きく影響します。押出材や薄板は急冷が容易で時効後にピーク特性に近づきますが、厚板や厚肉部は冷却ムラが生じやすく、均一化のため熱処理サイクルの調整や過時効処理が必要になることがあります。
設計者は素材供給者の能力（例えば冷却槽、オーバーストレッチ、均質化処理）と使用用途の要求を調整する必要があり、加工選択によって最終部品に求められる特性バランスが決定されます。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7039 | 米国 | アルミニウム協会の指定グレード；主要な規格参照 |
| EN AW | 7039 | ヨーロッパ | EN AW-7039として参照されることが多い；化学成分と機械的特性をEN規格で確認 |
| JIS | — | 日本 | 直接の一対一対応するJISは無し；近似特性は高強度7xxx系に類似 |
| GB/T | — | 中国 | 類似の7xxx系成分規格があるが、成分や熱処理条件を必ず確認すること |
7039のグレードは地域ごとの不純物管理、微量元素添加、許容熱処理条件の違いから完全な一対一対応は存在しません。代替合金選定時には、引張・降伏強さ、靭性、焼入れ感受性および耐食性の仕様を基に評価し、単なるグレード名だけに頼らないことが重要です。
供給者によっては類似の7039表示で独自変種が販売されている場合もあるため、調達時には必ず化学成分証明書および機械的試験成績書を要求し、重要用途では試験用クーポンやバッチ単位の機械的特性検証を行うことが推奨されます。
耐食性
7039は適切に過時効処理やコーティングが施されれば、他のZn-Mg系7xxxアルミニウム合金と比較して大気中耐食性が中程度に良好です。中性大気環境では許容範囲ですが、ZnとCu含有量が高い場合やピーク時効（T6）状態ではピット腐食や剥離腐食など局部腐食のリスクが高まります。
海洋環境や塩素イオンが多い環境では、陽極酸化処理、クロメートコンバージョンコーティング、有機塗装などの保護処理が長寿命化に必須です。過時効状態（T62またはT7系）や排水設計、シール接合などの詳細設計により粒界腐食のリスクを大幅に低減できます。
高強度7xxx合金で問題となる応力腐食割れ（SCC）は7039にも注意が必要です。T6状態は最高強度を得られますが、腐食性環境下での引張応力時にSCC感受性も高まります。若干の過時効処理を選択し、残留応力をストレッチや溶接後熱処理で制御することがSCCリスク低減と長期耐久性向上に効果的です。
加工性
溶接性
7039の溶接は注意が必要で、溶融溶接（TIG／MIG）は可能ですが、熱影響部（HAZ）で軟化や靭性低下が起こることがあります。推奨される充填材は、やや過時効の7xxx系充填材か、耐食性および靭性が許す場合5356／5183系合金を使用して、接合部の靭性と耐食性を向上させることです。
溶接前後の熱処理や機械的応力除去（伸張処理）が一般的に用いられ、溶接後の特性バランス回復に役立ちます。ピーク時効状態は熱割れリスクが中～高であるため、接合設計や溶接パラメータは拘束を減らし、急速凝固を避ける必要があります。
加工性
7039の機械加工性は非常に高強度な2xxx系や工具鋼より良好ですが、6xxx系よりは強度が高く析出物も硬いためやや難易度が上がります。正の逃げ角のカーバイド工具、剛性の高い固定、保守的な切削速度と送り量が最適で、冷却剤や適切な工具形状が切りくず制御に寄与します。
表面仕上げやバリ発生は熱処理状態に依存し、T4やO状態は加工しやすいものの、ピーク強度を必要とする場合は後続の熱処理が不可欠です。量産加工では前処理硬化（適用可能な場合）やほぼ成型品形状での鍛造を検討し、材料除去を最小限に抑えます。
成形性
ピーク時効状態では冷間成形性は限定的です。成形時はOまたはT4状態で使用し、より小さい曲げ半径や複雑形状の成形を行います。板厚の1～2倍程度の内曲げ半径が可能な場合が多いですが、変形硬化挙動が変動するため試作成形による確認が必要です。
軟らかい状態で成形すると加工硬化が発生し、その後の自然時効や人工時効により局所的な強度向上が期待できます。厳しい成形が必要な場合は温間成形や後の固溶処理・時効処理サイクルで寸法と最終機械的性質を調整します。
熱処理特性
7039は熱処理可能合金であり、クラシックな固溶処理－焼入れ－時効の析出硬化型経路で強化されます。固溶処理はZn-Mg析出物の前駆体を溶解するのに十分な高温で行い、その後急冷して過飽和固溶体を保持します。急冷速度が不十分だと粗大な析出物が形成され、最終強度が低下します。
人工時効（T6）は微細かつ分散した析出物を促進し、ピーク強度を発揮します。過時効処理（T62やT7系）は意図的に析出物を粗くし、応力腐食耐性やHAZ安定性を向上させる一方でピーク強度はやや低下します。残留応力に敏感な部品にはT651処理や焼入れ後の伸張処理で応力を低減します。
薄肉部材は急冷が容易なため目標特性を得やすいですが、厚肉部は特殊な冷却媒体、中断冷却、または時効条件の調整が必要で、強度と靭性のバランスを取ります。溶接接合体は歪み抑制のため溶接後熱処理が制限されることが多く、設計段階で熱処理回数を最小限に抑えて所要性能を達成することが一般的です。
高温性能
7039は常温から中程度の高温環境向けに設計されていますが、約100～150 °C以上では析出物の粗大化や固溶体の元素再分布により時効強化が低下し始めます。長期間の高温曝露は過時効を促進し、降伏強さや疲労特性を室温条件よりも悪化させます。
通常の使用温度における酸化は鋼材と比較して微小ですが、高温長期曝露で表面状態に変化が起こり、粒界のZnリッチ析出物の亜鉛脱離が進行することがあります。溶接部の熱影響部は熱変動に特に敏感で、局所的な過時効により強度低下や局部腐食が起こるリスクがあります。
高温構造用途では熱サイクル下の寿命評価が重要であり、場合によっては他合金の選択や保護設計を検討すべきです。7039は析出物安定性が長時間の高温使用で損なわれる温度域を超えない範囲での使用に適しています。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 7039が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 構造用ブレースおよびサスペンションリンク | 安全部品に求められる高い比強度と良好な加工性 |
| 海洋 | 構造用継手およびブラケット | コーティング・陽極酸化で強度と耐食性のバランスを実現 |
| 航空宇宙 | 継手、鍛造部品、機械加工継手 | 主要・副次構造部材に求められる高強度・軽量・疲労特性 |
| 防衛 | 装甲用ブラケット、発射装置部品 | 静的強度と損傷許容性に優れた制御加工 |
| 電子機器 | 構造フレームおよび熱拡散部品 | 高強度と良好な熱伝導性の組み合わせによるコンパクト設計 |
7039は高強度アルミニウムが必要な領域で、7075が高コストまたは応力腐食割れ感受性の問題となる場合に選択されます。良好な疲労寿命、加工性、耐食性を備えた機械加工品、鍛造品、押出材に適したニッチな合金です。
選定のポイント
材料を選ぶエンジニアにとって、7039は明確なトレードオフを提供します。商用純アルミニウム（1100）と比較して、7039は電気伝導率および熱伝導率の一部と優れた成形性の多くを犠牲にする一方で、降伏強さおよび引張強さを数倍に高めています。これにより、導電性よりも構造性能が重要視される場合に7039は適しています。
一般的な加工硬化系合金である3003や5052と比較すると、7039は高性能部品向けに静的強度が大幅に高く、加工性にも優れています。ただし、特に海洋環境の塩化物における耐食性は、より慎重な表面保護が必要です。成形性や常温下での溶接性が優先される場合は、3xxx/5xxx系合金のほうが依然として適しています。
より一般的な熱処理系合金である6061や6063と比較すると、7039は通常、ピーク強度が高く疲労性能も向上しており、軽量化や高い作動応力が求められる場合に好まれます。ただし、接合性、陽極酸化による着色の均一性、またはコスト・供給安定性が最大強度より重要な場合は6061/6063が選択される傾向にあります。
まとめ
合金7039は、高い比強度と良好な疲労耐性が求められる場面において、適切な表面保護を施した場合に十分な耐食性を備えた有力なエンジニアリング選択肢です。熱処理が可能な特性により、テンパリングの選択や制御された加工を通じて性能のバランス調整が可能であり、航空宇宙、輸送、海洋、防衛分野などで、軽量化・強度・加工性の最適な組み合わせを追求する用途に適しています。