アルミニウム7056：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
7056は高強度アルミニウム合金の7xxx系（Al-Zn-Mg-Cu）シリーズに属し、非常に高い静的強度と疲労強度を航空宇宙品質の靭性と組み合わせて要求される用途向けに設計されています。本合金の主な強化元素は亜鉛とマグネシウムで、銅の適量な添加およびクロム、ジルコニウム、チタンなどの微細合金元素が結晶粒構造と再結晶を制御します。
7056は熱処理可能な合金であり、機械的性能は固溶処理、急冷、析出（時効）硬化によって得られます。また、靭性と応力腐食割れ耐性を向上させるために過時効処理も可能です。主な特長は非常に高い強度重量比であり、5xxx系および6xxx系合金と比較すると溶接性が限定的で、ピーク時効硬化状態では常温での成形性が制限されます。耐食性は中程度であり、時効処理の選択や表面処理によって大幅に改善可能です。
7056を使用する代表的な産業分野には、航空宇宙（構造鍛造品、継手、ランディングギア部品）、高性能モータースポーツ、防衛装備品があり、静的強度と疲労強度が極めて重要とされる領域です。最大の強度と疲労性能が優先される場合、特に機械的締結や制御された製造プロセスが適用可能な場合に本合金が選択されます。
設計者は、靭性とピーク強度の特定のバランスが要求される場合や、微細結晶微合金元素（例：Zr/Ti）と最適な時効処理を用いて応力腐食割れを軽減しつつ高い降伏強さ・引張強さを維持したい場合に、他の7xxx系合金の代わりに7056を選択します。
硬質状態のバリエーション
| 硬質状態 | 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、成形用に最大の延性 |
| H12 / H14 | 低～中程度 | 中～高 | 良好 | 良好 | 軽く加工硬化させた成形用で一定の強度あり |
| T5 | 中程度 | 中程度 | 制限あり | 不良～普通 | 高温から冷却し人工時効処理済み |
| T6 | 高い | 低～中程度 | 制限あり | 不良 | ピーク時効で強度最大化、一般的な構造用硬質状態 |
| T651 | 高い | 低～中程度 | 制限あり | 不良 | T6に応力除去の矯正処理を施した状態で航空宇宙で一般的 |
| T76 / T7451 | 中～高 | 中程度 | 改善 | 不良～普通 | 過時効硬質状態で応力腐食割れ耐性と靭性を向上 |
| Hxxx（冷間加工） | 変動あり | 変動あり | 中程度 | 良好 | 強度と成形性を調整した複合硬質状態 |
硬質状態は7056の性能を大きく支配します。焼なまし（O）の板厚およびシートは最も成形性が高く加工もしやすい一方、T6/T651は伸びおよび曲げ特性を犠牲にして最大の静的強度を提供します。T76/T7451などの過時効状態はピーク強度を一部犠牲にするものの、応力腐食割れ耐性と破壊靭性を大幅に向上させており、安全性が重要な航空宇宙部品に不可欠です。
化学成分
| 元素 | 含有量範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | 一般的不純物。過剰なSiは溶融挙動に影響する場合あり |
| Fe | ≤ 0.50 | 介在物を形成する不純物。脆化を防ぐため制限される |
| Cu | 1.4～2.4 | 強度と硬化性を向上。耐食性にも影響。 |
| Mn | ≤ 0.10 | 微量で、存在すると再結晶制御に寄与 |
| Mg | 2.0～2.8 | MgZn2析出物を通じた主な強化元素 |
| Zn | 7.0～8.8 | 主な強度寄与元素。高Znは硬化性を高める |
| Cr | 0.04～0.20 | 結晶粒構造を制御し再結晶を抑制 |
| Ti | 0.05～0.20 | 鍛造・鋳造部品の結晶粒細化材 |
| Zr / その他微合金元素 | 0.05～0.25 | Zr等は析出物を形成し、結晶粒の成長を抑制 |
| その他／残留成分 | それぞれ≤ 0.15 | 微量元素や未指定残留物を含む。残部アルミニウム |
高いZnとMgの組み合わせにより、人工時効後のピーク強度をもたらすMgZn2型析出物が生成されます。銅は強度と破壊靭性を高めますが耐食性を低下させる傾向があるので、CuとZnのバランス調整と共にZr、Cr、Tiなどの微合金元素が投入され、細かく安定した結晶粒構造と熱間機械加工時の再結晶制御を実現しています。
機械的性質
7056は硬質状態や製品形態により引張強さ、降伏強さの幅が広く、ピーク時効硬質状態（T6/T651）はアルミニウム合金中で最高レベルの静的強度を誇りますが、延性や曲げ性は低下します。T6相当の硬質状態では降伏強さは他の高強度7xxx系合金に匹敵またはそれ以上となりますが、断面厚さの増加により冷却速度が低下するため強度は若干低下します。
破断伸びは焼なまし状態で著しく高くなり、強度向上に伴い減少します。T6の典型的伸びは加工や軽成形には十分ですが、激しい冷間成形には不適切です。硬さは時効状態と相関し、品質管理に有用です。疲労強度は鍛造および厚肉部品で良好ですが、表面状態や熱処理の均一性に敏感です。
断面厚みによる影響は大きく、厚肉部品やプレートでは急冷および時効によるピーク硬化が難しくなることから、設計時には強度低下を考慮するか、熱処理の変更や合金の調整を行う必要があります。
| 特性 | O／焼なまし | 主な硬質状態（例：T6／T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 220～300 MPa（典型値） | 540～640 MPa（典型値） | 硬質状態、断面厚さ、時効により幅が大きい |
| 降伏強さ | 110～200 MPa（典型値） | 470～560 MPa（典型値） | 急冷および硬質状態に強く依存 |
| 伸び率 | 18～28% | 6～12% | ピーク時効状態は延性が低下 |
| 硬さ（HV） | 60～90 | 150～200 | ビッカース硬さは引張特性と相関 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.78 g/cm³ | 高強度Al-Zn-Mg-Cu合金として典型的 |
| 融点範囲 | 約500～635 °C（固相線から液相線） | 固化範囲は成分および不純物によって変動 |
| 熱伝導率 | 約120～140 W/m·K | 純アルミニウムより低いが多くの熱用途には十分 |
| 電気伝導率 | 約30～45% IACS | 合金元素のためピュア合金と比較して低下 |
| 比熱 | 約880～910 J/kg·K | 常温で一般的なアルミニウム合金に近い値 |
| 線膨張係数 | 約23～24 µm/m·K | 常温でアルミ合金の典型的な線膨張率 |
これらの物理定数は、金属の伝導性と合金元素添加のバランスを反映しています。熱伝導率および電気伝導率は、大量のZn/Mg/Cu添加により1xxx系合金と比べて低下しています。設計者は本合金が7xxx系の他の合金と同様に速い熱拡散能力を持ちつつ、高周波電気用途ではやや伝導率が低下していることを踏まえる必要があります。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な焼き戻し状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5–6 mm | 厚さが増すと低下 | O, T6, T76 | 航空機の外板や精密パネルに使用；ピークエイジング状態では成形が制限される |
| プレート | 6–200+ mm | 厚さによる特性勾配あり | T6, T651, T76 | 厚板は冷却制御が必要；厚みのある部位では特性低下が見られる |
| 押出材 | 断面形状多様 | 同様の焼き戻し状態でプレートと同等の強度 | T6, T651 | 複雑な押出が可能だが、直接エイジング管理が重要 |
| チューブ | 外径 10–300 mm | 肉厚に依存 | T6, T76 | 疲労性能が求められる構造用チューブに使用 |
| 棒材/丸棒 | 直径 5–200 mm | O状態で良好な切削性；T6で高強度 | O, T6 | 重要部品用に鍛造棒材は熱処理されることが多い |
成形および加工経路により得られる特性が決まります。薄板部品は固溶処理後の急冷によりピークエイジングに近い状態が得られますが、厚板や鍛造品は冷却感受性が高く、しばしば修正エイジングが必要です。押出材や鍛造品では微合金元素の添加により結晶粒成長の抑制および大断面の構造的均質性向上が図られます。
相当グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7056 | USA | Aluminum Associationの主要指定名 |
| EN AW | AlZn7.5MgCu?* | Europe | 類似成分は存在するが、焼き戻し状態との整合は確認が必要 |
| JIS | A7056（概算）* | Japan | 国内カタログには近似品種が異なる規定値で掲載されることがある |
| GB/T | Al-Zn-Mg-Cu 系列（7056相当）* | China | 中国規格にも近似の高強度Zn-Mg-Cu合金が存在 |
7056の直接的な一対一の相当グレードは限られています。これは成分や加工条件が規格ごとに異なるためで、アスタリスク付きは地域指定が7056に近似するものの、微量元素の限度や微合金添加、使用可能な焼き戻し状態が異なることを示しています。国際調達時には名目グレード名に頼らず、化学成分表および機械的特性表の厳密な確認が必要です。
耐食性
7056は大気環境下で中程度の一般耐食性を持ちますが、他の高Zn含有7xxx系合金同様、処理がなければ塩化物の強い環境でピッティングおよび剥離腐食を起こす可能性があります。過エイジング処理（T76/T7451）や被覆層、陽極酸化処理により応力腐食割れや粒界腐食抵抗が大幅に向上します。
海洋環境下では、適切な表面処理や犠牲防食がない場合、7056は5xxx系や被覆された6xxx系合金よりも耐久性が劣ります。局所的な腐食進行や応力腐食割れが主な課題となります。アプリケーションレベルでの対応策として、防護塗装、接合部のシーラント施工、陰極防食、塩水が溜まりやすい隙間を避ける厳密な設計管理などがあります。
応力腐食割れは高強度7xxx系合金の重要な破損要因であり、7056の微合金元素（Zr/Cr）と焼き戻し選定によりSCC耐性は向上しますが、設計者は保守的な安全率の適用および重要部品では過エイジング状態の使用を検討すべきです。ステンレス鋼やチタンなど、より貴な材料との接触腐食はアルミニウムに不利となるため、絶縁措置や締結部材の選定に注意が必要です。
加工性
溶接性
7056の溶接は一般に困難です。TIGやMIGなどの溶融溶接では熱割れ、多孔質、熱影響部の軟化が生じやすく、局所的な強度が大幅に低下する恐れがあります。溶接が不可避の場合は、Mg含有量の高い充填材（例：5356）や特別調合の7xxx系充填材を使用することがありますが、それでも母材より溶接部強度が劣ることが多く、可能ならば後工程での熱処理が推奨されます。
電子ビーム溶接や摩擦攪拌溶接は重要用途で好まれます。これらは熱影響部の範囲が狭く、液相割れを回避可能ですが、工程管理と溶接後の固溶処理や人工エイジングが必要であり、機械的特性の回復を図ります。航空機用途の多くでは、溶接よりも機械的締結や接着が推奨されます。
切削性
7056は退火状態およびピークエイジング状態でも他の高強度合金と比べて良好な切削性を示しますが、工具選定とワークの剛性がチャタリングや加工硬化防止に重要です。正の逃げ角を持つ超硬工具、水冷却、適度な切削速度が推奨され、切り込み速度は連続切り屑形成と加工熱の抑制に配慮すべきです。
7056は高精度寸法公差で製造可能なため、フィッティングやファスナーの仕上げ加工によく用いられます。予備エイジングや応力除去処理により、重切削中の寸法安定性が向上します。表面仕上げと切り屑制御は疲労に厳しい部品で特に重要です。
成形性
成形は退火（O）または部分的に軟化した焼き戻し状態で行うのが最適です。T6/T651状態では冷間での成形性は限定的で、大きな曲げ半径や段階的成形技術が必要です。ピークエイジング状態の薄板における最小内半径は材料厚さの3～6倍程度が一般的ですが、設計者は試作による検証と局所的なスプリングバックを考慮するべきです。
プレス成形や複雑形状には、固溶処理後成形や加温成形を組み合わせ、その後人工エイジングを施すことで最終的に許容される特性のニアネットシェイプを得ることができます。冷間加工（H系）は完全退火せずにある程度の成形性と強度の折衷を提供します。
熱処理挙動
7056は従来の固溶処理、急冷、人工エイジングで熱処理可能です。固溶処理はZn/Mg/Cu系合金の共析温度付近（約470–480 °C）で行い、固溶成分を溶解させた後、急冷して固溶過剰状態を保持します。
T6条件の人工エイジングは、中間温度（通常120–160 °C）でピーク強度と靭性のバランスを考慮して時間を調整します。早いエイジングは高いピーク強度をもたらしますが、SCC感受性が増加する可能性があります。過エイジング処理（T76/T7451）は高温または長時間処理により析出物を粗大化させ、降伏強さと引張強さを若干低下させる反面、破面靭性およびSCC耐性を大幅に向上させます。
T系の移行は予測可能で、T4（自然時効）からT6（人工時効）へ強度が向上し、T73/T76はピーク強度を減少させつつ耐食性と靭性を改善します。厚板用には冷却速度とエイジングサイクルの制御が重要で、特性の勾配および内部軟化層の発生を防ぎます。
高温性能
7056は温度上昇に伴い比較的速やかに強度が低下します。静的強度は約100～125 °C以上で減少し、150 °Cを超えると著しい特性劣化が見られます。耐クリープ性は耐熱合金に比べ限られているため、高温の長時間荷重下での使用は推奨されません。
航空機環境で典型的な使用温度までは表面酸化は最小限ですが、高温曝露が長期にわたると析出物分布が変化し疲労寿命が短くなる可能性があります。設計者は連続使用温度を制限し、持続的な熱負荷には代替合金を検討するか、保護および熱管理対策により部品温度を安全域に維持すべきです。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 7056の採用理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 構造用フィッティング、ウィングリブ、ラグ鍛造品 | 最大限の実用的比強度と疲労性能を持つ重要部品向け |
| 海洋／防衛 | ミサイル・兵器ハウジング、高強度コネクタ | 高い比強度と適切な靭性；微合金元素によりSCC耐性向上 |
| モータースポーツ／自動車 | ロールケージ部品、構造用クロスメンバー（限定的） | 重量制約のある構造部品で溶接・加工方式が許容される場合 |
| 電子機器／熱管理 | 小型ヒートスプレッダ、ブラケット | 高剛性と高熱伝導率を兼ね備えた小型荷重支持部品 |
7056は最大の比強度と疲労耐性が必須で、溶融溶接の悪影響を回避できる加工経路が許される部品に通常使われます。その高強度、制御可能な靭性、豊富な焼き戻し状態の組み合わせにより、安全性が重要な航空宇宙サブコンポーネントの定番材料となっています。
選定のポイント
7056は加工のしやすさや原材料コストよりも比強度と疲労性能を重視する場合に選ばれます。商用純アルミニウム（1100）と比較すると、7056は引張強さ・降伏強さが遥かに高い代わりに電気伝導性が低く成形性も劣るため、構造性能が伝導性や成形容易性を上回る場合に使用されます。
一般的な加工硬化合金である3003や5052と比較すると、7056は強度が大幅に高く、一方で耐食性は熱処理状態によって同等かやや劣る程度です。3xxx系や5xxx系で要求される強度を満たせない荷重支持構造には7056を選択してください。広く使用されている熱処理合金である6061や6063と比較すると、7056はピーク強度や疲労寿命に優れていますが、コストが高く溶接が難しい場合があります。高い比強度により、より厳格な製造管理や特殊な接合技術が許容される場合に7056を選ぶとよいでしょう。
7056を選択する際はトレードオフを考慮してください。航空宇宙グレードの強度と疲労特性を持つ一方で、注意深い熱処理、表面保護、そしてしばしば代替接合技術が必要です。6xxx系および5xxx系合金との入手性やコスト差を踏まえ、最終的な特性に対する熱処理状態や板厚の影響を検証してから選定することを推奨します。
まとめ
7056は鍛造アルミニウム合金の中で最高レベルの強度対重量比を実現しつつ、靭性や応力腐食割れ（SCC）耐性を改善するための冶金的調整が可能なため、航空宇宙や防衛分野の安全性が重要で重量制約のある部品に最適です。熱処理状態の選択、熱処理および製造方法に適切に配慮することで、7056の性能優位性を最大限に引き出しながら、7xxx系の一般的な制約を軽減できます。