アルミニウム 7050：成分、特性、調質ガイドおよび用途
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包括的な概要
7050は7xxx系アルミニウム合金に属し、亜鉛を主合金元素とする熱処理型の析出硬化アルミニウムとして設計されています。初期の高強度Zn–Mg–Cu系合金に比べて、高い静的強度、靱性、ならびに応力腐食割れ耐性の向上を組み合わせた高強度構造用途向けに開発されました。
7050の主な合金元素は亜鉛、マグネシウム、銅であり、熱間機械加工中の結晶粒構造制御と再結晶抑制のために微量のジルコニウムまたはチタンが添加されます。強化機構は古典的な時効硬化で、固溶処理、高速冷却により過飽和固溶体を保持し、制御された人工時効により細かなMgZn2（η′/η）相を析出させて析出強化を行います。
主な特長は、ピーク時効状態で非常に高い降伏強さおよび引張強さを持ち、厚板状態でも良好な靱性を示し、応力腐食割れ（SCC）に強い時効条件（例：T7451、T76）で処理すると耐割れ性が向上することです。一方で、5xxx系や6xxx系合金に比べて伸びや成形性が低く、ピーク時効状態では溶接性が限定的であるという制約があります。主な用途は航空宇宙および防衛分野（主構造部材、翼板、スパー、胴体ウェブ）、特殊輸送機器、高性能部品などであり、強度対重量比や損傷寛容性が材料選定のポイントとなります。
非常に高い静的強度、厚板の良好な靱性、向上したSCC耐性を同時に必要とする場合に、エンジニアは7050を他の合金より選択することが多く、SCC耐性と靱性のバランスを重視する場合には7075よりも優先されることがあります。コストおよびサプライチェーンの要因も選択に影響し、7050は一般的な構造用合金に比べて特殊で高価な合金と位置づけられています。
時効状態のバリエーション
| 時効状態 | 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。成形や深絞り加工に使用 |
| T5 | 中 | 普通 | 普通 | 限定的 | 高温から冷却後に人工時効。押出材に多い。 |
| T6 | 非常に高い | 低～普通 | 不良～普通 | 不良 | 固溶処理後に人工時効し、ピーク強度を実現 |
| T651 | 非常に高い | 低～普通 | 不良～普通 | 不良 | T6から伸張による応力除去処理を加えた状態。板材で歪み軽減のためによく使われる |
| T7451 | 高 | 普通 | 普通 | 不良 | 過時効状態でSCC耐性と靱性が向上 |
| T76 / T77 | 中～高 | 普通 | 普通 | T6より良好 | 強度を若干犠牲にし耐腐食性およびSCC耐性を向上させた過時効状態 |
| H14 | 中 | 普通 | 普通 | 限定的 | 加工硬化後に部分焼鈍。7050ではあまり一般的ではない |
7050の時効状態は、機械的性質や腐食性能に強くかつ予測可能な影響を与えます。ピーク時効状態（T6/T651）は降伏強さおよび引張強さを最大化しますが、延性および成形性を減少させ、腐食やSCCに対して敏感になります。一方、過時効状態（T7451、T76）は最高強度を若干低下させる代わりにSCC耐性と靱性を向上させます。
成形加工は通常、Oまたは軟質時効状態で行い、これに固溶処理と時効を施す工順で行われます。これにより成形性を保ちつつ高い最終強度が得られます。ピーク時効状態の7050の溶接は、熱影響部の軟化が著しいため通常は推奨されません。溶接する場合は、後熱処理や軟質時効の選択、適切な充填材の使用が必要になることがあります。
化学成分
| 元素 | 含有量範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.12 | 典型的な不純物であり、靱性維持のため低レベルに抑制 |
| Fe | ≤ 0.12 | 鉄分は低く抑え、粗大な金属間化合物や異方性を避ける |
| Cu | 2.0–2.6 | 強度向上や析出挙動に影響を与え、腐食特性にも関与 |
| Mn | ≤ 0.10 | 低レベルで結晶粒構造制御にわずかに寄与 |
| Mg | 2.3–2.6 | MgZn2相の形成に重要で、強度発現に寄与 |
| Zn | 6.0–6.8 | 主強化元素。高レベルで時効硬化能力を発揮 |
| Cr | ≤ 0.04 | 標準的な7050では主合金元素ではないが微量含有あり |
| Ti | ≤ 0.05 | 鋳造形状で結晶粒細化剤として、また圧延品の微量成分 |
| Zr / その他 | 0.04–0.20（Zr典型） | 溶製材および押出材において再結晶抑制と結晶粒構造制御のため一般的に添加 |
Zn、Mg、Cuのバランスがη′/η（MgZn2）析出相の体積率と形態を制御し、7050の高強度を決定します。ジルコニウムの微量添加は結晶粒を細かくし、熱機械加工中の再結晶を抑え、靱性を向上させるとともに厚板における機械的性質の安定性を高めます。FeやSiなどの不純物は厳密に管理され、粗大な金属間化合物が疲労、靱性および耐腐食性を劣化させるのを防ぎます。
機械的性質
7050はピーク時効で高い引張強さと降伏強さを示し、強い析出硬化により降伏点から引張強さへの差が比較的狭いのが特徴です。高強度時効では延性が低下し、特に厚板では拘束や加工履歴（圧延や急冷）が延性をさらに制限します。硬さは時効状態により相関し、ピーク時効状態は高硬度（密な析出物存在を示す）、過時効状態は硬さは低下しますが靱性とSCC耐性が向上します。
疲労性能は、微細かつ均質な微細構造で表面状態が良好（腐食孔なし）ならば非常に優れています。ただし、疲労寿命は厚みや残留応力、熱処理の均質性に敏感です。厚板では急冷や時効管理が不十分だと軟弱部が生じて疲労強度が低下するため、温度管理と熱機械加工、および専門的な時効条件（T7451、T76）が必要とされます。
| 特性 | O／焼なまし | 代表的時効（T6 / T651 / T7451） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（UTS） | 約240–320 MPa | 約500–570 MPa | 時効状態および板厚に依存。T6/T651がピーク強度域、T7451はやや低め |
| 降伏強さ（0.2%オフセット） | 約120–200 MPa | 約430–510 MPa | 時効状態により変動。構造用板材ではT651が一般的に指定される |
| 伸び（％） | 約20–30% | 約6–12% | O状態で伸びが高く、強度と厚みの増加で伸びは減少 |
| 硬さ（ブリネル） | 約40–70 HB | 約120–155 HB | 硬さはおおよその値で、引張強さからの換算は微細構造と時効状態依存 |
記載値は圧造された7050製品の代表的な範囲であり、正確な化学成分、加工ルート、板厚、熱処理条件によって変動します。設計者はミルシートを参照し、重要な構造部品には用途に合わせた試験を行うことが推奨されます。
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.83 g/cm³ | 高強度Al–Zn–Mg–Cu加工合金の典型的な密度 |
| 融点範囲 | 約477–635 °C | 固相線－液相線の範囲は組成により若干変動；熱処理時の過熱を避ける必要あり |
| 熱伝導率 | 約120–150 W/m·K | 純アルミニウムに比べ低い；合金化および時効により熱伝導率は低下 |
| 電気伝導率 | 約30–40 % IACS | 純アルミに比べ合金化により伝導率が大幅に低下 |
| 比熱 | 約0.90 kJ/kg·K | 室温付近のおおよその値 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 µm/m·K (20–100 °C) | 他の高強度アルミ合金と同等；組立てや応力設計に重要 |
これらの物理特性により、7050は電子ヒートシンク用途ほど熱管理が厳しくない軽量構造用に適しています。高い溶質含有量と濃密な析出分散物のため、純アルミに比べて熱伝導率および電気伝導率は低下しています。融点／固相線範囲や熱膨張係数は、溶接、ろう付け、熱処理時の変形や熱割れを防ぐために重要な管理項目です。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・寸法 | 強度特性 | 代表的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板 | 0.5–6.4 mm | 調質と圧延により強度が影響；薄板でもほぼ最大特性を得られる | T6, T651, T7451, O | 航空宇宙用スキンやパネルに広く使用され、高強度の航空宇宙調質が中心 |
| 厚板 | 6.4–200+ mm | 厚さによって強度や靭性が変動；冷却制御のため特殊処理が必要 | T651, T7451, T76 | 主に厚翼スキン、桁、構造用板で高い靭性が要求される用途に使用 |
| 押出材 | 形状により異なる | 成形後に時効硬化可能；機械的異方性の管理が必要 | T5, T6 | 複雑な構造形状に用いられ、歪みを管理するため熱処理ルートが影響 |
| 管 | 小径から大径まで | 丸棒や押出材と同様の挙動；肉厚が特性勾配に影響 | T6, T651 | 高強度・軽量用途向け；接合方法や成形オプションが異なる |
| 丸棒・棒鋼 | 径は最大約200 mmまで | 熱間加工時は均質な特性；サイズで焼入れ効率が変動 | T6, T651 | 鍛造材や丸棒は継手部品や機械加工された構造部品に使用 |
加工形態の違いにより用途選定が変わります：板および厚板は均質な機械的特性を得るため圧延・焼入れ・時効を制御します。押出材や鍛造形状は、歪みや残留応力管理のために形状に応じたT5またはT6調質が行われます。航空宇宙用の厚板はZr添加や特殊な焼入れ・時効サイクルが採用され、厚断面での安定した微細組織を実現しています。
同等級
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7050 | アメリカ | Aluminum Association規格における加工合金の主指定 |
| EN AW | 7050 (AlZn6.2MgCu) | ヨーロッパ | EN指定はAAの化学組成を概ね反映；航空宇宙向けの材料仕様も一致 |
| JIS | 直接の対応等級なし | 日本 | 単一の直接対応JISグレードは存在しない；A7075や類似の高強度合金が類似特性として参照されることもある |
| GB/T | 7050 | 中国 | 国内規格では7050を直接の同等品として扱うことが多く、化学成分や機械的仕様はほぼ一致 |
7050または化学的に類似の指定は複数国際標準で見られますが、不純物許容レベル、微量元素（Zr, Ti）添加、製造工程の違いにより靭性、応力腐食割れ（SCC）抵抗、時効応答に有意な差異が生じることがあります。異なる地域間で材料を置換する際は、各社の製造証明書や最新規格を詳細に比較することが重要です。
耐食性
7050の大気腐食耐性は高強度Al–Zn–Mg–Cu合金としては中程度で、多くの環境で許容される性能を示しますが、5xxx系や多くの6xxx系合金に比べて局部腐食（孔食）に対してやや敏感です。過時効調質（T76, T7451）および適切な表面処理（クロメート処理、陽極酸化、適用に応じた被覆）は一般腐食耐性と長期耐久性を向上させます。
海洋や高塩分環境では適切な調質選定と保護コーティングが必要であり、塩化物誘起の孔食および粒界腐食が疲労割れの発生原因となることがあります。古い7xxx系合金と比較すると、SCC耐性調質で処理された場合にSCC抵抗性は改善されていますが、依然として多くの5xxx系合金よりはSCCに敏感であるため、設計時には環境、応力レベル、保護策の検討が不可欠です。
異種金属（ステンレス鋼や炭素鋼など）とのガルバニック接合は、アルミの局部腐食を促進することがあるため、適切な絶縁、塗装、継手設計によってガルバニ電流の流れを抑制する必要があります。6xxx系合金と比較すると、7050は耐食性を若干犠牲にして高強度を得ています。7075と比較すると、7050は一般的にSCC抵抗性と靭性が優れており、腐食および破壊挙動が重要な主要航空宇宙構造材に適しています。
加工特性
溶接性
7050の溶接は、特にピーク時効調質で困難です。溶接熱による熱影響部（HAZ）で析出物が過時効し、局所的に強度が低下します。TIG/MIGなどの溶融溶接は、熱割れのリスクと熱影響部での機械的特性の大幅な低下を伴います。Al–Zn–Mg–Cu系の母材と強度が適合し、液相割れを防止できる溶接材（7xxx系専用フィラーなど）が用いられることもありますが、大型構造物では溶接後熱処理によるピーク特性の完全回復は困難です。
抵抗溶接や摩擦攪拌溶接（FSW）は一般的な代替手段であり、FSWは溶融溶接に比べ局所の微細構造が有利で軟化低減効果が高く、大型構造部品に多用されます。溶融溶接が避けられない場合は、局所的な機械的特性低下を考慮し、可能なら形状に応じた溶接後熱処理を行い、必要に応じてリベットや機械的締結部品を併用する設計が推奨されます。
切削性
7050は高強度アルミ合金としては加工性が比較的良好ですが、高強度と加工硬化傾向のため、より軟質アルミ合金に比べると切削性指数は低めです。ポジティブラジアスの超硬工具、剛性の高い治具、適度から高速の切削速度および充分な冷却剤の使用が、ビルドアップエッジや切りくず形成の管理に有効です。鋭利な工具と最適な送り条件により、表面仕上げと寸法安定性は優れていますが、荒切削や薄肉部の加工では振動や治具設計に注意が必要です。
高強度調質での穴あけ・タッピングは周囲に加工硬化を生じやすいため、軟質調質での予備穴あけやピーク加工を組み合わせると穴品質が向上します。疲労に厳しい部品では加工後の応力除去処理が必要な場合があります。
成形性
7050の成形は軟質調質（O）または成形後に熱処理して最終の時効調質に到達できるプロセスで行うのが最適です。高強度調質での冷間成形は反発や割れの原因となり、5xxx系や6xxx系合金に比べて最小曲げ半径が大きくなります。航空機用板材の標準的な推奨内曲げ半径は板厚の数倍で、調質に応じて異なります。重要部品は局所的なひずみ集中を抑えるため、金型や成形工程設計が必要です。
一部形状では加熱成形や予熱により成形性が向上しますが、その後の固溶処理・焼入れ・時効処理により歪みを抑えつつ目標の機械的特性を確保する工程設計が必須です。複雑成形が必要な場合はO調質で成形し、続いて適切な固溶・時効サイクルを経て強度を回復します。
熱処理挙動
7050の固溶処理は通常470–480 °C付近で行い、強化析出相を固溶体に溶解させます。具体的な温度・時間は断面厚さや製品形態によって異なります。固溶処理温度からの迅速な焼入れ（急冷）は溶質を固溶体として保持し、効果的な時効硬化を促すために極めて重要です。厚板では焼入れ速度が不足すると軟弱部位が生じ、強度低下を招くことがあります。
人工時効スケジュールは、強度とSCC耐性の望ましいバランスによって異なります。ピークエージングスケジュール（T6）は、通常120〜135 °Cの温度で数時間にわたり時効処理を行い、最高の強度を達成します。一方、過時効処理（T7451、T76）は、より高い時効温度や多段階の時効シーケンスを用いて析出物をやや粗大化させ、内部応力を軽減しSCC性能を向上させます。T処理間の移行（例：T6からT7451へ）は再時効によって可能ですが、均一な応答を確保するために厳密な加熱制御が必要です。
厚板の一貫した特性を達成するには熱機械履歴に注意が必要です。Zr含有材種、制御された急冷媒体、及び時効中の温度監視が板厚方向の特性差を低減するのに役立ちます。熱処理ができない合金の場合、主な強化手段は加工硬化ですが、7050は意図的に熱処理が可能な合金であり、適切な処理が求められます。
高温性能
高温環境（約150〜200 °C以上）では、7050は析出物の粗大化と過時効に伴い降伏強さおよび引張強さが漸進的に低下します。中温度域での長期静的強度およびクリープ耐性は特殊な高温合金に劣るため、寸法安定性や強度保持が必要な場合は連続使用温度を制限することが設計上望ましいです。
典型的な大気環境下では保護性のアルミナ層により酸化は抑制され、中温度まで耐えられます。しかし、高温や繰り返し熱負荷ではスケーリングや機械的性能を低下させる微細構造の変化が生じることがあります。溶接部の熱影響部（HAZ）は熱による変化に特に敏感であり、焼き戻しや溶接後処理で軟化や脆化を抑制することが必要です。
用途
| 産業分野 | 使用例部品 | 7050が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 翼板、スパー、胴体ウェブ | 高い強度対重量比、良好な靭性およびSCC耐性の処理により主要構造部材に適する |
| 防衛 | ミサイルおよび兵器システム構造部品 | 動的荷重に対応する高い静的強度および靭性 |
| 海洋 | 高性能構造用継手 | 有利な強度および過時効処理により耐食性およびSCC性能を向上 |
| 自動車 | 高性能シャシー部品 |