アルミニウム7068：化学組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
7068は、7xxx系アルミニウム合金に属し、高強度Al-Zn-Mg-Cuファミリーの一員です。織物用アルミ合金として可能な限り最高強度を実現するために、Zn–Mg–Cuの化学組成と結晶再結晶および析出物の分布を制御する微量合金添加をバランスよく設計して開発されました。
主な合金元素は亜鉛（主要強化元素）、マグネシウム（ZnとともにMgZn2析出物を形成）、銅（強度を高め、時効硬化応答を可能にする）、および結晶粒を微細化し再結晶を抑制するジルコニウムやクロムなどの微量合金元素です。本合金は熱処理が可能で、溶体化処理、急冷、人工時効（T系硬質状態）によりピーク強度を発揮し、析出物制御による耐クリープ性と破壊抵抗も付与されます。
主要な特長としては、他の市販アルミ合金に比べて極めて高い引張強さおよび降伏強さを有し、高強度アルミとして適切に時効処理された場合の疲労特性も競争力があり、機械加工性も合理的な水準です。耐食性は中程度で、過時効状態では非常に高強度のZnリッチ合金より優れますが、5xxx系Mg合金や多くのステンレス鋼よりは劣ります。溶接性は熱影響部軟化や熱割れ感受性のため制限があり、特殊な手順やフィラー材を用いない場合は使用が難しいです。主な用途分野は航空宇宙、防衛、高性能スポーツ用品、および最重要な強度対重量比を求められる特殊自動車部品などです。
エンジニアは、部品設計上、アルミニウム合金から最大の使用可能な降伏強さと引張強さを求めつつ、軽量で非鉄金属ならではの利点を保持したい場合に7068を選定します。7075などの合金よりも、わずかな強度の絶対的向上と細かい微細組織制御によって、高静的または高繰返し荷重を受けるファスナーや継手、構造部品における性能向上が期待できるためです。
調質の種類
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い (≥15%) | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし状態；最も成形・機械加工が容易 |
| T6 / T651 | 非常に高い | 中程度 (6–10%) | 制限あり | 低～中程度 | 溶体化処理・人工時効；T651は応力除去のため伸線処理を含む |
| T6511 / T651A | 非常に高い | 中程度 (6–10%) | 制限あり | 低～中程度 | T651の変種で、制御された応力除去または追加の矯正処理を実施 |
| T7（過時効） | 高い | 中〜やや高い (8–12%) | T6より優れる | 中程度 | ピーク強度を犠牲にして応力腐食割れおよび耐食性を向上 |
| Hx（加工硬化） | 中程度 | 可変 | 中程度 | 中程度 | あまり一般的でない；T系よりピーク強度は低いが成形性は改善される |
7078の特性は調質によって大きく左右されます。これは本合金が熱処理に強く反応するためです。溶体化処理と人工時効により、引張強さと降伏強さを高める細かく均一なMgZn2リッチ析出物が生成されます。過時効処理ではこれらの析出物は粗大化し、ピーク強度を減少させる代わりに応力腐食割れ耐性を改善します。
実際には、絶対的な強度および剛性を重視する場合にT6/T651系が指定され、耐食性、破壊靭性、使用中の耐久性を優先する場合にはT7やその中間調質が選ばれます。最終熱処理前の成形や機械加工には焼なまし（O）や加工硬化調質が使われます。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤0.12 | 不純物。脆い間接合物形成を防ぐために制御される |
| Fe | ≤0.30 | 不純物。高Feは粗大相を形成し靭性を低下させる |
| Mn | ≤0.10 | 微量元素。結晶粒微細化にやや寄与 |
| Mg | 2.0–3.0 | Znと共にMgZn2析出物を形成する主要強化元素 |
| Cu | 1.6–2.4 | 強度・硬さを高め、耐食性と靭性に影響を与える |
| Zn | 7.0–8.5 | 主要強化元素。高ピーク強度の鍵 |
| Cr | ≤0.20 | 結晶粒微細化および再結晶制御 |
| Ti / Zr | 0.05–0.25（合計） | 微量合金元素。析出物を形成し粒成長を抑制、靭性改善 |
| その他（各元素） | ≤0.05 | 清浄度確保のための微量元素；残りはAlのバランス |
合金バランスは、主にMg-Zn系の細かい析出物の体積分率と安定性を最大化するよう最適化されており、これが主要な時効硬化効果を生み出します。Cuは析出物構造を調整し、二次強化をもたらします。ZrやCrなどの微量合金元素は溶体化処理および急冷中の粒成長を防ぐ微細析出物を形成し、靭性向上、急冷感受性低減、熱機械加工中の再結晶制御を実現します。
機械的性質
7068は焼なまし状態とピーク時効状態で顕著な特性差を示します。T6/T651調質では、市販の織物用アルミニウムで最高レベルの引張強度および降伏強さを発揮し、断面設計での重量削減に寄与します。ピーク調質では伸びは中程度で、破壊靭性はより低強度のアルミ合金に比べて低めですが、部品形状や応力集中が適切に制御されていれば十分実用的です。
疲労性能は、微細組織が最適化され表面仕上げが適切な場合、Al–Zn–Mg–Cu系としては非常に良好ですが、高強度アルミ合金は表面欠陥や腐食環境に敏感で、疲労亀裂の発生源となります。断面厚さや形状も性能に影響し、薄肉断面は急冷後にピーク強度に達しやすい一方、厚肉断面では遅冷や修正熱処理が必要となる場合があります。
硬さは強度に比例し、焼なまし材は軟らかいアルミに相応しい低いブリネル・ビッカース硬さを示すのに対し、T6系調質では高硬さに達し、降伏強さと相関します。溶接時の熱影響部軟化や残留応力の発生も設計に考慮が必要です。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的調質 (T6 / T651) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 200–300 MPa（典型値） | 700–780 MPa（典型範囲） | ピーク硬化状態で織物用アルミ中でも最高レベル。断面厚さや時効条件に依存 |
| 降伏強さ | 100–250 MPa | 640–700 MPa | 特定調質では一部鋼種に匹敵する降伏強さに達する |
| 伸び | ≥15% | 6–10% | ピーク時効状態では延性が減少し、破壊形態は時効により粒間・粒亀裂変化 |
| 硬さ（HB） | 約60–90 HB | 約150–180 HB | 析出物の量と分布により硬さが決まる |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.78–2.81 g/cm³ | 低合金のアルミよりわずかに高いが、高強度を考えれば依然として軽量 |
| 融点範囲 | 約475–635 °C（Al–Zn–Mg–Cu系の標準的な固相線/液相線範囲） | 固相線/液相線は組成や微量元素により変動 |
| 熱伝導率 | 約120–150 W/m·K（20 °C時、合金化による典型値） | 純アルミに比べ合金元素による散乱があり低下。調質や組成により変動 |
| 電気伝導率 | 約30–45 %IACS | 純アルミに比べ合金元素により低減 |
| 比熱 | 約0.88–0.90 J/g·K | 他のアルミ合金と類似 |
| 熱膨張係数 | 約23–25 ×10⁻⁶ /K | 他の織物用アルミ合金とほぼ同等。複合材料や鋼との熱膨張不適合を考慮した設計が必要 |
7068の物理的性質は、他の高強度アルミ合金と概ね類似しています。高い溶質量のため熱伝導率や電気伝導率は犠牲になりますが、密度や比熱はアルミニウムの有利な特性を維持しています。熱膨張や伝導特性は熱管理や異材接合時に特に重要であり、複合材料や鋼材との組合せ時に注意が必要です。
製品形態
| 形態 | 典型的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な硬質処理 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材 | 通常0.5〜6 mm、最大約12 mmまで対応 | 薄板は均一にピーク特性を発揮しやすい | T6、T651、O | 高応力をかけるパネルや、時効処理後の機械加工部品に使用される |
| プレート | 6〜100 mm以上 | 厚板は焼入れ感受性が高く、プロセス管理がなければピーク特性が低下することがある | T6/T7系、応力除去用にT651 | 特殊な熱処理や焼入れ治具が必要な場合が多い |
| 押出形材 | 断面形状は多様 | 溶体化処理および時効処理で高特性を得られる | T6/T651 | 構造部材や継手に使われる複雑なプロファイル |
| チューブ | 外径/内径は多様 | 壁厚が焼入れや時効応答に影響を与える | T6/T651 | 重量制約のある構造用チューブで使用され、溶接・接合に配慮が必要 |
| 棒材/丸棒 | 直径は数インチまで | 棒材は製造後に時効硬化させることで高強度を実現可能 | T6、T651 | ファスナー、ピン、高強度機械加工部品によく用いられる |
圧延材は焼入れ性や残留応力の挙動が異なります。薄物はピーク特性を得やすい熱処理が可能ですが、厚板や大型断面は中心線部の十分な時効が得られない過熟化を防ぐため、制御された焼入れや改良された合金硬質処理（T7や多段時効）が必要です。押出材や鍛造材は成形後に溶体化処理を行い、均質な析出状態を実現します。
相当規格
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7068 | 米国 | アルミ協会におけるこの高強度合金の主要指定 |
| EN AW | 7068 | 欧州 | EN AW-7068として参照されることが多く、組成は類似。許容不純物に差異がある場合がある |
| JIS | A7068（概算） | 日本 | 類似の化学成分を持つ規格が別の指定や熱処理仕様で存在 |
| GB/T | 7068 | 中国 | 中国版標準のバリエーションがあり、化学成分や機械的性質保証に差異がある |
規格および指定は大枠で類似していますが、製造・試験方法は地域によって異なります。最大不純物濃度、微量合金添加、資格試験の違いにより、特性や破壊挙動に差が生じる可能性があるため、重要部品には仕様書および適合証明書を必ず確認し、互換性を保証してください。
耐食性
7068はAl–Zn–Mg–Cu系合金であり、塩素含有環境下の局所腐食に対して感受性があります。大気中で塩化物曝露が少ない場合、適切なオーバーエイジングや表面処理を施せば良好な性能を示しますが、裸のT6材は特に応力集中部でピット腐食や粒界腐食を受けやすいです。
海洋環境や高塩化物環境下では、防護コーティング、陽極酸化処理、またはオーバーエイジング（T7相当）硬質処理を選択して耐食性を向上させる必要があります。それでも、5xxx系のマグネシウム含有海洋合金やステンレス鋼と比較すると、長期浸漬や飛沫帯での耐食性は劣り、強固な防護がないと耐久性に制約があります。
高強度Al–Zn–Mg合金は応力腐食割れ（SCC）が懸念されます。ピーク時効のT6硬質処理はSCC感受性が高く、オーバーエイジングや微合金の析出分散体添加で感受性は減少するものの、ピーク強度は低下します。銅やステンレス鋼などの陰極材料とのガルバニックカップリングは局所腐食を促進するため、鋼材との接触は絶縁処理し、隙間や塩分残留を避ける設計が必要です。
他の合金系と比較して、7068は強度を優先するため耐食性は犠牲にしています。6xxx系より高強度ですが、多くの5xxx系や海洋用3xxx系アルミ合金より耐食性は劣ります。適切な硬質処理選定と表面保護が耐食設計の重要ポイントです。
加工性
溶接性
7068の溶接は、熱影響部（HAZ）の軟化や溶融部の強度低下が大きく、加工が難しいです。析出硬化型の微細組織は熱入力によって破壊されます。TIGやMIG溶接は非重要かつ局所的なジョイントで低熱量条件で実施可能ですが、大型構造物の溶接後に母材特性を回復する熱処理は困難です。溶接が必要な場合は、高強度およびSCC耐性に優れた専用のAl–Zn–Mg系溶接材料や、強度はやや劣るAl–Si系のフィラー材を使い、熱入力を最小限に抑える工程を推奨します。
切削性
ピーク硬質処理状態での7068の切削性は、高強度鋼と比べて密度が低いことや切りくず分断性に優れるため概ね良好ですが、高硬度により工具摩耗は進みやすいです。超硬工具、ポジティブラケ刃形状、高速切削、十分な冷却液使用が最適な加工条件です。最終時効処理前に軟質O材で加工することで、工具寿命延長や加工歪みの抑制を図る手法が一般的です。
成形性
成形加工は軟質（焼きなましO）または軟質硬質処理状態で行うのが最適です。T6/T651硬質処理材は冷間成形性が低く、反発が大きいため、ピーク硬質処理材での曲げ半径は板厚の大きめの倍数を確保し、応力集中部での割れを防止してください。大幅な成形を必要とする場合は、焼きなまし状態で成形後に溶体化処理と人工時効を行い、最終強度を得る方法が推奨されます。
熱処理挙動
熱処理可能合金として7068は典型的な析出硬化挙動を示します。溶体化処理は通常、合金元素を固溶体化させるため約470〜500 °C（断面サイズや炉条件に依存）で行い、急冷して過飽和固溶体を保持します。人工時効（例：T6時効）は約120〜160 °Cの範囲で断面サイズや過時効許容度に応じた時間で行い、ピーク硬さと強度を実現します。
T7型硬質処理はより高温または長時間の時効で析出物の粗大化を促し、ピーク強度を低下させる代わりに応力腐食割れ耐性や破壊靭性を向上させます。T651指定は焼入れ後の制御された曲げや引張りによる応力除去・歪み矯正を表します。焼入れ感受性が高いため、厚断面は改良された熱処理サイクルや中断焼入れなどを利用し、ZrやTiの微合金析出分散体によって熱処理の回復度合いを低減します。
高温性能
7068は比較的低合金のアルミニウムよりは高温での強度保持性が優れていますが、温度が約120〜150 °Cに達すると顕著な強度低下が起こります。長時間100〜120 °C以上の環境に晒されると、組織内の強化析出物が粗大化し、降伏強さや硬さが低下します。重要な荷重支持用途では、この温度域を大幅に下回る設計温度が設定されます。
酸化は鉄鋼系より少ないものの、高温曝露により表面酸化皮膜特性が変化し耐食性に影響する可能性があります。溶接部の熱影響部は特に脆弱で、局所的軟化や析出物の溶解・再析出により局所的な荷重支持能力が低下し、クリープや高温下応力破壊を招きます。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 7068採用理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 構造用継手、高荷重ピン | 卓越した強度対重量比と高い降伏強さにより軽量設計が可能 |
| 防衛・銃器 | レシーバー、ボルトキャリア、高強度部品 | 高い静的強度と加工性により精密部品製作に適する |
| モータースポーツ・自動車 | サスペンションリンク、ロールケージコネクター | 高強度により動的荷重下でも軽量部品を実現 |
| スポーツ用品 | 高性能自転車フレーム、ハードウェア | 競技用に軽量化と高剛性を両立 |
| 電子機器 | 構造フレームやブラケット | 高剛性対重量比と切削性によりコンパクト組立に最適 |
7068はピーク強度と高降伏強さにより軽量かつ高剛性を実現した設計に適し、製造工程で適切な熱処理・保護仕上げが可能な供給体制がある場合に選択されます。重量削減が性能や燃費向上に直結する用途や、保護コーティングや腐食・疲労設計を考慮できる場合に特に有効です。
選定のポイント
7068の選定は、最高レベルの降伏強さおよび引張強さが要求される鍛造アルミ合金設計で、制御された熱処理と保護仕上げを前提とする場合に優先してください。一般的なアルミ合金より材料コストは高く、取り扱い管理も厳密に行う必要があります。
市販の純アルミニウム（1100）と比較すると、7068は電気・熱伝導性および室温での成形性を犠牲にする代わりに、強度と剛性が数倍に向上します。構造的な性能が最重要な場合は7068を選択してください。加工硬化した合金（3003や5052など）と比べると、7068は静的強度がはるかに高い一方で、塩化物環境における固有の耐食性は一般に低く、冷間成形性も劣ります。6061や6063といった一般的な熱処理合金と比べると、7068は降伏強さおよび引張強さで大幅に上回ります。強度の向上によるコスト増が許容でき、溶接や接合の制約が管理可能な場合は7068を選んでください。
まとめ
7068は、実用上最高レベルの強度を持つ圧延アルミニウムが必要とされ、重量が重要な設計において優れた強度対重量比の恩恵を受ける場合に引き続き有効です。専用の化学成分と熱処理により、より低強度合金では実現できない構造的なソリューションを可能にしますが、設計、製造、耐食保護の各戦略で合金の特性に起因する課題を適切に対処する必要があります。