アルミニウム 7049：組成、特性、硬さ区分ガイド＆用途
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総合概要
7049は7xxx系列に属する高強度アルミニウム合金で、Al-Zn-Mg(-Cu)系の合金であり、高い比強度が求められる用途で主に使用されています。その組成は亜鉛を主要合金元素としており、マグネシウムと銅が析出硬化を可能にする役割を果たしています。
7049の強化機構は熱処理による析出硬化（溶体化処理、急冷、時効）であり、微量元素（Zr、Ti）の添加および熱機械的加工により結晶粒の微細化と再結晶の抑制を実現しています。主な特性としては、ピーク時効状態で極めて高い降伏強さと引張強さを持ち、ピーク強度状態では延性は中程度から低め、溶接性は限定的で熱影響部の軟化リスクが高く、5xxxや6xxxシリーズに比べて成形性が劣る点が挙げられます。
7049は、航空宇宙や防衛分野の一次および二次構造部材、高強度の継手部品、そして高い強度対重量比や破壊靭性が要求されるその他の用途で広く用いられています。設計者は、静的強度が高く、ピーク時効よりも過時効状態での応力腐食割れ（SCC）や剥離腐食抵抗性が向上している利点を重視し、成形性や溶接性の制約を受け入れた上で7049を選択しています。
時効状態の種類
| 時効状態 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、最良の成形性 |
| T4 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 不良～中程度 | 溶体化後に自然時効 |
| T6 / T651 | 高い | 低～中程度 | 不良 | 不良 | 最大強度のピーク時効；T651は応力除去済み |
| T7 / T76 / T7651 | 中～高い | 中程度 | 普通 | 不良 | 過時効で応力腐食割れ・剥離腐食抵抗性を改善 |
| H14 / H24 | 中程度 | 低～中程度 | 普通 | 不良 | シート製品向けの歪み硬化または部分焼なましタイプ |
時効状態は強度と靭性と延性および耐食性のトレードオフを大きく左右します。T6/T651などのピーク時効は最大の引張強さと降伏強さを実現しますが、伸び率や成形性が低下し、条件によっては応力腐食割れのリスクが高くなります。
一方、T7やT76といった過時効時効状態はピーク強度の一部を犠牲にして応力腐食割れや剥離腐食への耐性を著しく向上させるもので、耐環境性が重要視される航空宇宙用構造部材で一般的に指定されます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.30（標準値） | 不純物；鋳造時の流動性向上に寄与、通常は低濃度 |
| Fe | ≤ 0.40（標準値） | 不純物；靭性に影響する介在物形成の原因 |
| Mn | ≤ 0.10（標準値） | 微量；一部のバリアントで結晶粒制御に寄与 |
| Mg | 2.0 – 3.0（概算） | 亜鉛とのMgZn2析出相を形成し主要な強化元素 |
| Cu | 1.4 – 2.6（概算） | 強度と硬化性を向上；耐食性を低下させる場合あり |
| Zn | 6.5 – 9.0（概算） | 高強度を実現する主合金元素（亜鉛リッチ析出物） |
| Cr | ≤ 0.25（標準値） | 再結晶抑制と靭性向上に寄与 |
| Ti | ≤ 0.10（標準値） | 鋳造・押出部品の結晶粒微細化剤 |
| その他（Zr、B含む） | 0.05 – 0.25 合計（標準値） | Zrは析出物形成により結晶粒を微細化し、再結晶を抑制 |
7049の元素含有は、析出硬化効果を最大化するZn-Mg±Cuの組み合わせを保ちつつ、有害な粗大介在物の形成を抑制するようにバランスされています。ZrやCrの微量添加は結晶粒界に微細な析出物を形成し、溶体化処理中の粒成長を抑えて厚肉部の靭性と疲労耐性を向上させます。
機械的性質
7049は時効状態、断面厚さおよび加工履歴により引張強さと降伏強さが大きく変動します。ピーク時効状態ではMgZn2型析出物が高密度に分布し非常に高い引張強さと降伏強さを示しますが、焼なましや自然時効状態では強度は大幅に低下し伸び率は大幅に向上します。
疲労性能は、結晶粒構造を制御し表面欠陥を最小化した場合、アルミ系合金として概ね良好です。ただし溶接後の熱影響部の損傷や表面腐食に対して疲労強度は感受性が高いため、表面仕上げや保護塗装が使用時の耐久性に大きく影響します。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的な時効（例：T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約220～300 MPa（標準値） | 約540～600 MPa（標準値） | ピーク時効で焼なましの約2倍以上の強度を発揮 |
| 降伏強さ | 約110～180 MPa（標準値） | 約470～520 MPa（標準値） | 引張強さ同様に時効状態に敏感 |
| 伸び率 | 約14～22% | 約6～12% | 高強度時効で延性は低下 |
| 硬さ（HB） | 約40～85 HB | 約140～165 HB | 硬さは時効状態の指標として実用的 |
7049で設計する場合、厚板は急冷速度の低下や析出物の粗大化により厚さ依存の強度低下が生じる点に注意が必要です。また、残留応力や寸法安定性を制御するために、T651（応力除去）や引張伸張後の制御時効処理が一般的に採用されます。
物理特性
| 特性 | 数値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.78～2.82 g/cm³ | 高強度Al-Zn-Mg合金として標準的 |
| 融点範囲 | 約480～635 °C（固相線・液相線範囲） | 純アルミニウムより融点範囲が広い |
| 熱伝導率 | 約120～140 W/m·K（概算） | 純アルミより低く、時効状態や組成に依存 |
| 電気伝導率 | 約28～36 % IACS（概算） | 一般純度アルミより低い |
| 比熱 | 約0.88～0.92 J/g·K | 常温のアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張係数 | 約23.5～24.5 µm/m·K | 他のアルミ合金と同程度 |
本合金は鋼材や多くの工学金属に比べて熱伝導率が高く、放熱が必要な構造部材にも適しています。電気伝導率や熱伝導率はいわゆる1xxxや一部6xxx系列合金に比べ溶質含有量と析出物の多さから低下しています。
製品形状
| 形状 | 一般的な厚み・サイズ | 強度挙動 | 代表的な時効状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5～6.0 mm | 冷間加工と時効状態で強度変動 | O、T4、T6、T7 | 外板、パネルに使用；成形性と時効選択に注意必須 |
| プレート | 6～250 mm | 厚さ依存の強度と靭性 | T6、T651、T76 | 厚板は急冷が不十分だと芯部が軟化しやすい |
| 押出 | 断面形状多様 | 断面サイズと冷却条件で強度変動 | T6、T651 | 複雑断面は均質化・溶体化処理が必要 |
| チューブ | 外径は棒材と同程度 | ピーク時効における良好な環状強度 | T6、T76 | 機械加工および冷間仕上げチューブは構造用途に適 |
| 棒材・丸棒 | 直径6～200 mm | 直径と時効状態により強度変動 | T6、T651 | 機械加工用継手部品やファスナーに一般的 |
加工工程は最終特性に大きく影響を与えます。プレートや厚押出材は芯部の軟化を防ぐために溶体化・急冷治具や制御された時効処方が必要です。シートや薄製品は、より軟らかい時効状態で冷間成形後、溶体化・時効処理を施し、適切な条件下でほぼピークの性能を得ることが可能です。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7049 | USA | この高強度Al-Zn-Mg(-Cu)合金の米国標準指定 |
| EN AW | 7049 | ヨーロッパ | EN AW-7049は同一組成系を示し、ヨーロッパ規格は硬質状態と製品形態を規定 |
| JIS | A7049（概算） | 日本 | 日本規格は類似の数字指定を用いることが多いが、仕上げや試験項目に差異あり |
| GB/T | AlZn7.5MgCu（概算） | 中国 | 中国GB/Tの表記は主な合金元素（Zn、Mg、Cu）を示し、AA番号とは必ずしも一致しない |
各規格間の同等指定は化学組成や製品仕様を対応させますが、不純物許容限界、機械的性質の認定方法、硬質状態の定義に違いがある場合があります。エンジニアは常に各規格（AA、EN、JIS、GB/T）のシートを参照し、硬質状態、機械的性質および検査要件が用途に適合するかを確認すべきであり、単なる合金番号の同等性に頼ってはなりません。
耐食性
7049は過時効硬化状態で大気中腐食抵抗が中程度ですが、ピーク時効状態では局部腐食および応力腐食割れ（SCC）に対し攻撃的な環境下ではより感受性があります。この合金系は板材形状でのかさぶた状腐食を起こしやすく、注意深く加工し過時効硬化または被覆処理を行う必要があります。
海洋環境下では、7049は適切なクラッディング、陽極酸化または有機コーティングなどの保護措置がなければ十分な性能を発揮しません。塩水噴霧曝露により孔食および粒界腐食が促進され、SCC耐性に最適化された硬質状態（T76/T7系）での供給か障壁層による保護が必要です。
3049は鉄鋼や多くの銅合金に対して陰極的材料のため異種金属とのガルバニック作用が激しく、組立時には絶縁バリアや犠牲陽極の設計が重要です。5xxx系（例えば5052）と比較すると犠牲的腐食耐性より高強度を優先し、6xxx系多くの合金よりは過時効硬化しない限り局部攻撃に敏感です。
加工特性
溶接性
従来の融合溶接（TIG/MIG）では、強化析出物の溶解と熱影響部（HAZ）の軟化により7049の機械的性質が大幅に低下します。高強度Zn-Mg-Cu合金はホットクラックのリスクが高く、一般的な合金系の溶接棒では母材強度や疲労特性を回復できません。
摩擦攪拌溶接（FSW）は溶融がないためホットクラックリスクを低減し、溶接部の微細組織を改善できることから推奨されます。融合溶接が避けられない場合は、特殊な充填材や後熱処理の最適化、受入試験が必要です。
切削加工性
7049の切削加工性は過時効硬化または応力除去状態で中程度から良好ですが、ピーク時効状態では工具摩耗が増加します。正のジオメトリを持つ超硬工具、剛性の高い機械、高圧冷却剤により最良の仕上がりと工具寿命が得られます。
切削速度はより軟らかい6xxx系や1xxx系に比べて低く設定し、切りくず処理には注意が必要です。軟化状態での予備加工後に最終熱処理を行う生産手法が一般的です。
成形性
退火（O）状態や固溶処理＋部分時効の硬質状態での成形は可能ですが、ピーク時効条件では制限されます。T6硬質状態はO硬質状態より曲げ半径の最小値が大きく、バネしろが顕著なため工具設計に留意が必要です。
冷間加工の後に固溶処理＋時効を行い、高強度の複雑形状を得る方法もありますが、熱処理中の歪みや寸法安定性の管理が重要です。
熱処理特性
熱処理可能なAl-Zn-Mg-Cu合金として、7049は典型的な固溶化-急冷-時効のサイクルを用い、断面厚さや要求特性に応じて条件を調整します。固溶化温度は約470〜480 °Cで可溶化相を溶解し、急速冷却により過飽和固溶体を保持します。
人工時効は通常120〜160 °Cの中温で行い、時効時間と温度によってピーク強度や過時効化の度合いが決まります。過時効（T7/T76系）では高温または長時間の処理で析出物の粗大化を促進し、SCC・かさぶた状腐食抵抗を高める代わりにピーク強度を若干犠牲にします。
高温性能
7049は室温強度のかなりの部分を、使用温度が典型的な時効温度を超えて上昇すると失います。約120 °C以上で軟化が顕著となり、125～150 °C以上の継続使用は高強度を要求する用途には推奨されません。析出物の粗大化により降伏強度や疲労耐性が低下します。
アルミ合金の酸化は鉄鋼と比べて緩やかですが、機械的性質の低下は主に析出物粗大化と熱影響部の残留応力緩和によるものです。設計者は高温暴露を制限するか、特に高温用途に設計された代替合金を採用すべきです。
用途例
| 業界 | 代表的な部品 | 7049が使われる理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 構造用フィッティング、着陸装置部品 | 最適化された硬質状態での高強度と靭性 |
| 防衛 | ミサイル本体、高性能構造部材 | 優れた静的強度と設計に応じた靭性 |
| 海洋 | 高強度ブラケットおよびフィッティング | 過時効硬化による耐腐食性を確保しつつ強度向上 |
| 電子機器 | 構造フレーム、ヒートスプレッダーハウジング | 良好な熱伝導性と高剛性の組み合わせ |
7049は、高静的強度、合理的な疲労特性、そして調整された耐食性が求められる用途で選ばれ、特に航空宇宙・防衛分野での軽量化に寄与します。コスト、溶接性の制限、成形性の制約から一般的な市場では少ないものの、要求の厳しい構造部品では重要な材料です。
選定のポイント
最大比強度と靭性最適化が優先され、成形性制限や溶接困難さを許容できる場合に7049は適しています。侵襲的環境下での応力腐食抵抗や長期耐久性が必要な場合は、過時効硬化材（T7/T76）を選び、ピーク強度の一部犠牲を容認します。
純アルミニウム（1100）と比較すると、7049は電気・熱伝導性を犠牲にして劇的に高い強度を提供します。加工硬化系合金（3003、5052）より高強度ですが、成形性は劣り、海洋条件での耐食性は過時効硬化しない限り同等かやや劣ります。
一般的な熱処理合金（6061）と比べて、7049は多くの硬質状態でより高いピーク強度と靭性を有し、高価な材料費や低い溶接性を補って航空宇宙フィッティングに選ばれます。結合性や成形性よりも構造性能を重視する場合に適しています。
まとめ
7049は、高い比強度と応力腐食割れ耐性が求められる航空宇宙、防衛、その他の厳しい構造用途で高性能なアルミニウム材料として位置づけられます。硬質状態、寸法、接合方法、保護処理に細心の注意を要しますが、適切に処理された場合、他に類を見ない特性の組み合わせを提供します。