アルミニウム 7055：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
7055は7xxx系アルミ合金に属し、航空宇宙分野で広く使用される高強度なAl-Zn-Mg-Cu系合金ファミリーの代表的な材料です。本合金は、亜鉛とマグネシウムを高濃度に含み、銅や微量合金元素を加えることで、加工硬化ではなく熱処理による析出強化を可能にするよう意図的に設計されています。
主要な合金元素は、亜鉛（強度の主な寄与元素）、マグネシウムと銅（MgZn2やその他の強化析出物の形成を促進）、そしてジルコニウムやクロムなどの微量合金元素による結晶粒制御です。強化は、固溶熱処理、急冷および人工時効の管理によって、微細で整合性のある金属間化合物相を析出させることで実現され、高い降伏強さと引張強さを発揮します。
主な特性としては、7xxx系合金として非常に高い静的強度と良好な靭性を持ち、中程度の耐食性を示します。耐食性はオーバーエイジングや微量合金元素の制御により向上可能です。溶接性は従来の融合溶接方法では限定的であり、ピーク時効状態では成形性は中程度から悪いです。切削加工性は、超硬工具を用い、適切な送り速度・切削速度を設定すれば良好です。
主な用途は航空宇宙の主要構造部材および二次構造、ハイパフォーマンススポーツ用品、そして軽量化が最重要となる特殊な構造部品です。設計上、最高の比強度に加え、適切な靭性および適切なテンパー選択による腐食耐性のバランスが求められる場合に、他の合金に対して7055が選択されます。
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（20–30%） | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、熱処理前の成形および接合に最適 |
| H14 | 中 | 中程度（10–18%） | 良好 | 悪い（HL状態の場合） | 中程度の強度と成形安定性を向上させる加工硬化型 |
| T5 | 中高 | 中程度（8–15%） | 可 | 悪い | 高温から冷却後人工時効処理、迅速な処理が可能 |
| T6 | 高 | 低い（5–12%） | 限定的 | 悪い | 最大強度のピーク人工時効、延性と成形性は低下 |
| T7（例：T76） | 中高 | 中程度（8–14%） | T6より良好 | 悪い | オーバーエイジング／制御時効により、応力腐食割れ耐性と寸法安定性を改善 |
| T7451 / T7452 | 高 | 低〜中程度（6–12%） | 限定的 | 悪い | 応力ひずみ除去および人工時効処理を施し、航空宇宙用鍛造品や板材に最適化 |
テンパーは強度、延性、耐食性能のバランスに大きく影響します。焼なまし（O）材は成形性に優れ、最終的な析出熱処理前の複雑な成形に多用される一方で、T6は伸びや曲げ性を犠牲にして最高の静的強度を実現します。
T7のようなオーバーエイジングや、T7451のような安定化テンパーは、ピーク強度をわずかに犠牲にする代わりに、応力腐食割れ耐性や使用時の寸法安定性を向上させるために用いられ、長期の耐久性が重要な航空宇宙構造部品で一般的です。
化学組成
| 元素 | 含有率範囲 | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 最大0.4% | 不純物。鋳造や加工性制御に影響 |
| Fe | 最大0.5% | 金属間化合物形成元素。過剰は靭性低下の原因 |
| Mn | 0.05–0.3% | 微量。存在時は結晶粒構造に寄与 |
| Mg | 2.3–2.9% | 亜鉛と連携し強化析出物を形成 |
| Cu | 1.9–2.6% | 強度と靭性を向上。管理しなければ応力腐食割れを助長 |
| Zn | 7.3–8.4% | 7xxx系合金の主強化元素 |
| Cr | 0.04–0.2% | 結晶粒制御および再結晶抑制 |
| Ti | 0.02–0.12% | 鋳造・鍛造素材の結晶粒微細化剤 |
| その他（Zr、微量） | 0.08–0.25%（Zrが代表的） | 析出物制御と靭性向上のための微量合金元素。残りはAl |
高い亜鉛含有量に加え、マグネシウムと銅が細かくかつメタ安定なMgZn2系析出物を生成し、固溶処理・時効後に非常に高い強度を生み出します。ジルコニウムやクロムを微量添加することで再結晶や結晶粒径を制御し、靭性を改善するとともに、適切な機械的特性を保持したまま厚板の製造を可能にしています。鉄やシリコンの不純物は疲労寿命や成形性を損なう粗大な金属間化合物の生成を避けるため低く抑えられています。
機械的性質
7055は焼なまし状態とピーク時効状態で著しい性能差を示します。Oテンパーでは延性が高く成形が容易ですが、T6/T7451テンパーでは鍛造アルミ合金の中でもトップクラスの引張強さと降伏強さを発揮します。人工時効により整合析出物の核生成・成長が進むことで降伏強さと引張強さは劇的に増加しますが、伸びや切欠き靭性はピーク強度の増加により低下します。疲労特性は微細組織、冷間加工、表面状態に大きく依存し、小さな金属間化合物粒子や加工による傷がき裂発生源となります。
板厚や急冷速度も機械的挙動に大きく影響します。厚板は残留軟化部の発生リスクが高く、均一な特性を保持するためには微量合金元素添加や製造工程の厳格な管理が必要です。硬さは引張特性と強く相関し、溶接熱影響部やオーバーエイジング後は低下します。設計者は所望の静的および繰返し荷重性能を実現するために、テンパー選択、部品形状、後処理のバランスを考慮する必要があります。
| 特性 | O／焼なまし | 主要テンパー（T6 / T7451） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 220–280 MPa | 540–640 MPa | ピーク時効強度は板厚・正確なテンパーで変動。典型的には板・プレート向けの値 |
| 降伏強さ | 100–170 MPa | 470–580 MPa | ピークテンパーで高い降伏強さを示し、高応力部品に適する |
| 伸び | 20–30% | 6–12% | 強度と時効処理度合いの増加に伴い延性が低下 |
| 硬さ | 40–70 HB | 140–180 HB | 析出強化に伴い硬さ上昇。融合溶接部の熱影響部にて軟化 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.81 g/cm³ | 高強度アルミ合金として標準的。優れた比強度に寄与 |
| 融点範囲 | 固相線 約475–500°C；液相線 約640–650°C | 純アルミに比べ合金元素の影響で融点範囲が低下。詳細は供給元データ参照 |
| 熱伝導率 | 約120–140 W/m·K | 純アルミより低いが、多くの構造・熱管理用途で許容範囲 |
| 電気伝導率 | 約30–36 %IACS | 合金元素添加により純アルミに比べ大幅に低下 |
| 比熱 | 約0.96 J/g·K（960 J/kg·K） | アルミニウム合金一般的な値。熱浸透や急冷挙動に影響 |
| 線膨張係数 | 約23–24 ×10⁻⁶ K⁻¹ | 他のアルミ合金と同等。複合材組立設計時に考慮 |
密度および熱特性により、7055は構造部品において魅力的な比強度と合理的な熱管理性能を提供します。熱伝導率や電気伝導率は純アルミや低合金系と比べ低いため、主要なヒートシンク用途での使用は熱設計要件を確認した上で選定すべきです。
比熱や熱膨張の特性は熱処理スケジュールや寸法管理に影響し、固溶処理温度からの急冷では迅速な熱除去が求められ、残留する熱勾配は複雑形状部品に歪みを誘発する可能性があります。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度の挙動 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5〜6 mm | 時効反応が良好で、薄肉部はピーク強度に均一に達する | O、T6、T7451 | 皮膜パネルや時効後の補強部品に使用される |
| プレート | 6 mm超〜約200 mmまで | 厚肉部はマイクロ合金化および適切な焼入れ管理が必要で、軟質コアを避ける | T6、T7451、T7 | 航空宇宙用鍛造品や機械加工による構造部品に多用される |
| 押出材 | 複雑な断面形状、長さは様々 | 押出比率と後続の熱処理により性質が変わる | O、T6 | 補強リブを一体成形できるが、正確な時効処理が必要 |
| チューブ | 規格による外径/内径、薄肉〜厚肉 | 形状により焼入れの均一性や機械的性質の勾配が影響を受ける | O、T6 | 軽量化が重要な高強度構造用パイプに使用 |
| バー/ロッド | 鍛造品までの直径範囲 | 各種調質で機械加工可能；鍛造バーは大型部品の素材に供給される | O、T6、T7451 | 継手、ピン、機械加工される構造部品に用いられる |
圧延、鍛造、押出しの加工差異により、初期の微細組織や固溶処理および時効処理に対する合金の反応が変わります。シートや薄肉押出材は急冷が早く均一な析出が得られますが、厚肉プレートでは軟質内部層を避けるために制御された焼入れプロセス、ZrやCrなどのマイクロ合金化、または炉内均質化処理が必要です。製品形状は許容差、必要な機械的性質の勾配、後加工の切削や成形条件に基づいて選択されます。
同等規格
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7055 | 米国 | 一般的なUNS指定はA97055で、鍛造7055製品に使用される |
| EN AW | 7055 | 欧州 | EN AW-7055が一般的だが、化学成分の範囲や調質コードがわずかに異なる場合がある |
| JIS | A97055 / 類似品 | 日本 | 国内規格は同一表記ではなく類似の組成を示すことが多い |
| GB/T | 7055 | 中国 | 中国規格は類似した化学組成だが加工法や公差に差異がある |
同等グレードの呼称は規格団体や供給メーカーの加工履歴により異なりうるため、成分は類似していても公差や許容不純物、機械的性質指定には差異があります。特に航空宇宙や疲労に敏感な部品の場合、購入ロットの製造証明書、調質コード、AMS、ASTM、ENなどの仕様書を必ず確認してください。
耐食性
7055は7xxx系合金であり、自然時効またはピーク時効状態では5xxx系や6xxx系に比べ局所腐食や応力腐食割れ（SCC）に対して感受性が高いです。T7のような過時効調質やZrなどのマイクロ合金化は、応力腐食割れの耐性向上および粒界析出物構造の安定化に一般的に用いられ、過酷な環境下での長期使用に対応します。
大気中および軽度の海洋環境では、適切に過時効処理および表面被覆された7055は十分な耐食性を示します。一方、直接の海水浸漬や波飛沫帯での使用では、アルマイト処理、変換皮膜、シーラントなどの腐食防護策が必要です。異種金属とのガルバニック腐食も懸念されるため、アルマイト層や絶縁手法を用いて局所腐食の促進を防止します。
6xxx系（例：6061）に比べ7055は高強度ですが、基質の耐食性は一般に劣るため追加の表面処理や調質の選択が求められます。7075と比較すると、7055は靭性とSCC耐性のバランスが取れるよう設計されており、海洋環境や高湿度環境下ではいずれも適切な腐食対策が必要です。
加工性
溶接性
7055の従来の融合溶接では、融合部及び熱影響部において析出物構造が破壊され、再析出が局所的熱入力では完全に回復しにくいため機械的性質が大幅に低下します。構造用接合には摩擦撹拌接合が推奨されており、微細な組織を得て溶接後の時効処理により強度保持が向上します。融合溶接が避けられない場合は、溶接後の熱処理や適切なフィラー材・中間層の選定が必要ですが、多くの航空宇宙仕様では重要部品の融合溶接を禁止しています。
機械加工性
7055の機械加工性は中程度で、銅含有量の高い合金より良好ですが、より展延性の高い6xxx系合金よりは劣ります。カーバイド工具を用い、剛性の高いセットアップとポジティブな刃角形状、高圧冷却液で切りくずの制御と発熱を抑えることが必要です。切りくず形態は送り速度や調質により短い分割屑から長い連続屑まで変化し、最適な送り速度や回転数の設定で工具摩耗低減と疲労に影響する表面品質改善が可能です。
成形性
成形は焼なまし（O）または軽度の加工硬化調質で行うのが最適で、ピーク時効調質（T6など）は展延性が限定され曲げや伸ばし成形の際に割れを起こしやすいです。最小曲げ半径は5xxx/6xxx系より大きいのが一般的で、焼なまし状態で板厚の3〜4倍の内径半径を目安にし、強度の高い調質では更に大きくなります。ウォーム成形および後続の固溶処理・時効処理で複雑な形状かつ高性能を維持可能です。
熱処理挙動
7055は溶体化処理＋時効というクラシックな熱処理経路をたどる熱処理可能合金です。典型的には470〜485°C付近で溶体化処理を行い、可溶相を溶解した後に急冷して過飽和固溶体を保持します。人工時効（例：T6は約120〜130°Cで数時間）は微細なMg-Zn析出物を生成し、強度をピークレベルに引き上げます。高温または長時間の過時効処理（T7系）は析出物を粗大化させ、応力腐食割れ耐性や靭性を向上させる代わりに強度はやや低下します。
T6からT7への調質変化は長期使用挙動の改善を目的として意図的に行われるほか、T7451などの安定化調質は応力除去工程と制御された時効を含み、航空宇宙用鍛造品および厚板の寸法安定性や靭性要件を満たします。浸透時間、焼入れ媒体、時効サイクルは製品断面サイズや目的組織に応じて個別に調整され、一般的に供給元や業界の熱処理規格で規定されます。
高温性能
7055は温度上昇に伴い強度が大幅に低下します。概ね120〜150°Cを超えるとピーク強度を与える析出物構造が粗大化し、性質が劣化します。150°C以上での長時間曝露は過時効を加速させ静的強度を要求する構造用途には適しません。酸化はアルミ合金として標準的な程度であり、保護被膜やアルマイト処理により高温環境下の表面酸化を軽減できます。
溶接熱影響部は局所的に強度が低下し微細組織も変化しており、高温サービス温度に対して特に感受性があります。高温・クリープ耐性が必要な用途には、通常は7055ではなく熱安定性に優れた他の合金が選定されます。
用途例
| 産業分野 | 例示部品 | 7055を使用する理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 翼カバー、胴体補強部、ランディングギア継手 | 非常に高い強度対重量比と優れた靭性により、主要・二次構造に適する |
| マリン | 高性能船 hull 継手やスパー | 高い比強度に加え腐食対策を施した設計が可能 |
| 自動車／モータースポーツ | 構造用衝突吸収部品、ロールケージ（特殊用途） | 軽量化と高静的強度を求める性能部品に適する |
| スポーツ用品 | 高級自転車フレーム、ラケットフレーム | 適切に処理すれば剛性対重量比と疲労性能に優れる |
| 電子機器／熱管理 | 構造用ヒートスプレッダーフレーム | 比強度に対して良好な熱伝導性を持つ |
7055は設計上、最小重量での卓越した静的強度と剛性、十分な靭性および疲労寿命が求められる安全クリティカル用途で好まれます。製造管理および腐食防止が厳格に適用できる場合に限定されることが多いです。
選定のポイント
最大の比強度と良好な靭性が必要で、かつ製造工程で精密な熱処理、保護被膜、成形や接合の管理が可能な場合に7055が選ばれます。一般的な汎用用途や低コスト品よりは、航空宇宙や高性能構造部品に向いています。
商業用純アルミニウム（1100）と比較すると、7055は電気・熱伝導率が低下し成形性も劣る代わりに、はるかに高い強度を持っています。構造強度が機能的な導電性や成形のしやすさより優先される場合は7055を選択してください。加工硬化合金の3003や5052と比較すると、7055ははるかに強度が高いものの、成形性に劣り腐食に対しても敏感です。単純な成形性やコストよりも強度を重視する場合に適しています。熱処理可能な6xxxシリーズ合金（6061など）と比較すると、7055はピーク強度が大幅に高く、航空宇宙用途においては破壊靭性も優れることが多いですが、溶接性や固有の耐食性は劣ります。最高の強度対重量比が重要で、製造上の制約を管理できる場合に7055を選択してください。
まとめ
7055は極めて高い比強度とバランスの取れた靭性が要求される用途、特に航空宇宙や高性能構造分野で最上位の押出アルミ合金として位置づけられています。その性能を最大限に引き出すには、適切な調質の選択、厳密な加工管理、そして適切な耐食保護が不可欠です。