アルミニウム7071：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
7071は7xxx系アルミニウム合金の一種であり、主な合金元素として亜鉛を含み、マグネシウムおよび銅を添加して非常に高い強度を得ています。ほかの7xxx系合金と同様に、7071は主に熱処理が可能なアルミニウム合金であり、固溶熱処理後の急冷および人工時効により、微細で分散した強化相を析出させて強度を発揮します。
7071の主要合金元素は亜鉛（Zn）、マグネシウム（Mg）、銅（Cu）であり、微量のクロム（Cr）やジルコニウム（Zr）を添加して結晶粒構造や再結晶を制御しています。これらの元素の組み合わせにより、7071は高い強度重量比、中程度の疲労耐性、そして合理的な加工性を持ちながら、軟らかいアルミニウム系よりも成形性や溶接性がやや劣る傾向があります。
7071の主な特徴は、引張強さおよび降伏強さが高強度アルミニウム合金の中でも上位に位置し、5xxx系や6xxx系に比べて大気腐食耐性は中程度から低めであること、ピークテンパーでは熱影響部（HAZ）の軟化や割れのリスクにより直接溶接性が限定されることなどです。使用分野としては、航空宇宙、高性能自動車、防衛、特殊スポーツ用品など、高い比強度と剛性が求められる産業が挙げられます。
エンジニアは、静的強度と剛性が高く、寸法管理が厳密な用途で、局所的な機械加工や高速成形が少ない場合に7071を選択します。軽量化が重要な場合は鋼材よりも7071を、より高い許容応力や断面積の削減が必要な場合には低強度アルミよりも7071が選ばれます。
テンパーバリアント
| テンパー | 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；成形に最適な最大延性 |
| H14 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 良好 | 加工硬化；Oより降伏強さが向上しながら冷間成形性は限定的 |
| T5 | 高 | 中程度 | 普通 | 限定的 | 熱加工後冷却し人工時効；押出形材によく使用される |
| T6 | 非常に高い | 低〜中程度 | 限定的 | 低い（割れリスク増大） | 固溶熱処理後に人工ピーク時効；最も一般的かつ最高強度 |
| T651 | 非常に高い | 低〜中程度 | 限定的 | 低い | T6に応力除去の伸び加工を加えた状態；高強度を保ちつつ残留応力を低減 |
| T73 | 高（過時効） | 改善 | 改善 | T6より良好 | 過時効テンパー；ピーク強度を犠牲にして応力腐食割れ耐性を向上 |
| T76 | 中〜高 | 中程度 | より良好 | より良好 | 制御された過時効；強度と応力腐食耐性のバランスをとる |
テンパーは7071の性能に第一級の影響を与えます。固溶処理と時効（Tテンパー）はZn–Mg–Cu析出相の大きさと分布を制御し、降伏強さと引張強さを直接決定します。過時効テンパー（T73/T76）はピーク強度を犠牲に応力腐食割れや靱性を改善し、OおよびHテンパーは成形に必要な延性を提供します。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 最大0.10 | 不純物レベルのシリコン；低融点相の抑制 |
| Fe | 最大0.50 | 残留元素；靭性に影響を与える化合物を形成し得る |
| Mn | 最大0.10 | 微量；存在時に結晶粒構造を制御 |
| Mg | 2.0～2.8 | 亜鉛と強化相MgZn2を形成する主要強化元素 |
| Cu | 1.0～2.0 | 強度と硬さを上げるが耐食性を低下させる場合もある |
| Zn | 5.5～7.0 | 7xxx系の主要強化元素；析出硬化に重要 |
| Cr | 0.04～0.20 | 再結晶や結晶粒サイズを制御する微細合金元素 |
| Ti | 0.02～0.10 | 鋳造品や圧延品に添加する結晶粒細化剤 |
| その他 | アルミの残部および微量元素 | 残留元素（V、Zr）や意図的な微細合金化元素を含む |
亜鉛とマグネシウムは主な析出強化相MgZn2を形成し、銅は析出相の化学組成と生成速度を変化させ、ピーク強度を向上させます。クロムや微量元素は結晶粒界を固定し、熱機械加工中の制御されない再結晶を抑制して、靭性および時効中の安定性を向上させます。
機械的性質
7071の引張挙動は、ピーク時効テンパーにおいて高い最終引張強さと、それに対応する高い0.2％オフセット降伏強さで特徴づけられます。T6/T651テンパーでは均一伸びが比較的低く、軟らかいアルミ合金に比べて延性が減少します。一方で焼なまし状態やHテンパーでは伸びが大幅に増加し、成形が可能です。硬さも同様に、Oテンパーでは低く、固溶処理および人工時効後に著しく上昇します。
7071の疲労特性は高強度アルミニウム合金としては良好ですが、表面仕上げ、残留応力、腐食や損傷の有無に敏感です。薄肉部品は一般的に均一に高硬度に時効処理できますが、厚さによる急冷速度の違いが強度に影響し、厚肉部品では時効条件の調整が必要な場合があります。降伏強さと引張強さの比率は鋼材に比べて低いものの、構造用アルミニウム合金としては有利な値を持っています。
破壊モードはテンパーと加工条件で異なり、粗大な金属間化合物粒子が繰り返し荷重下で割れの起点となります。過時効テンパーは疲労亀裂進展抵抗や応力腐食割れ（SCC）性能を向上させます。インクルージョン含有量の管理、熱処理時の厳密な工程管理、表面処理は、重要用途での長寿命性能を確保するために必要です。
| 特性 | O／焼なまし | 代表的テンパー（T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 220～280 MPa | 540～610 MPa | T6はピーク引張強さを付与；範囲は断面厚さと時効条件に依存 |
| 降伏強さ | 95～150 MPa | 480～540 MPa | 時効で大幅増加；降伏強さは析出相分布に依存 |
| 伸び | 12～20％ | 6～12％ | ピークテンパーで著しく減少 |
| 硬さ（ブリネル） | 35～70 HB | 145～185 HB | 硬さは析出状態と微細構造の均一性に相関 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.78 g/cm3 | 高強度Al–Zn–Mg–Cu合金として一般的；優れた比強度 |
| 融点範囲 | 約477～635 °C | 合金成分により幅広い融点範囲；溶接時の低融点共晶に注意 |
| 熱伝導率 | 約120～140 W/m·K（25 °C） | 純粋アルミより低いが多くの熱管理用途に十分 |
| 電気伝導率 | 約30～40 %IACS | 低合金アルミに比べ低下；時効後はさらに低減 |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K | 一般的なアルミ母材と同等 |
| 熱膨張率 | 23.0～24.5 µm/m·K（20～100 °C） | 中程度の係数；異種材料との接合では設計時に考慮を要する |
7071は高強度7xxx系合金として典型的な熱的および電気的特性を示します。熱伝導率や電気伝導率は高合金含有により純アルミに比べ低下しますが、密度の優位性により重量削減が重要な構造設計において有利な比強度を持ちます。
熱処理の温度管理は残留元素から形成される低融点化合物により制約されており、溶接、ろう付け、局所加熱などの製造工程は局所的な融解や有害な微細構造変化を避けるため厳しい管理が必要です。熱膨張率は他の圧延合金と同様のため、複合材料や鋼材との接合部では熱ひずみ差の対策が必要となります。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 一般的な処理剤 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2 mm – 6 mm | 薄板は均一な時効硬化を達成しやすい | O, H14, T6, T73 | 軽量で高強度が求められる用途に使用。表面欠陥の管理が重要 |
| プレート | 6 mm – 100 mm | 厚板は焼入れ感受性があり、T73が必要となる場合がある | T6, T651, T73 | 厚板は改良された工程がなければ完全なT6特性を得られないことがある |
| 押出形材 | 数メートルまでの断面形状 | 優れた方向性特性を持ち、時効硬化可能 | T5, T6 | 高強度の構造部材に使用される押出成形品 |
| チューブ | 直径は小径から大径まで、肉厚は用途に依存 | 丸棒・押出材に類似した特性 | T6, T651 | 溶接または引抜きチューブは歪みを避けるために熱処理管理が必要 |
| 丸棒・棒材 | 直径最大200 mm | 均質性が重要。冷間加工で残留応力が高くなる傾向あり | O, T6 | 機械加工部品やファスナー用に使用される棒材 |
シートは二次加工や成形に適した表面仕上げや硬さ管理のもとで製造されることが多く、プレートは厚断面の熱処理が必要で、残留応力や割れ防止のためにT73処理が用いられることが多いです。押出形材やチューブは寸法安定性と高強度を得るためにT5/T6処理が活用されますが、長尺品では均一な冷却が求められます。丸棒や鍛造品は一般に溶体化処理後に時効処理または機械的安定化（T651）を施し、精密加工や構造用途に用いられます。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7071 | 米国 | 7xxx系の独自合金指定。正確な化学組成は製造証明書で要確認 |
| EN AW | 7071 | ヨーロッパ | EN AW-7071で参照される場合あり。微量元素の上限が地域で異なることがある |
| JIS | A7071 | 日本 | Zn–Mg–Cu系合金の類似鋼種として用いられる場合がある。引張・降伏強さの比較が必要 |
| GB/T | 7071 | 中国 | 中国の規格は地域特有の成分や加工方法を含むため、互換性を検証することが重要 |
7071の相当鋼種リストはあくまで目安です。7xxx系合金はZn/Mg/Cu比率や微量元素の添加に差異があり、地域をまたいだ互換性は化学組成と機械的性質の両面で検証が必要です。許容不純物、熱処理工程、試験基準が異なる場合もあるため、代替使用時は製造証明書や機械試験成績書のクロスチェックが必須です。
耐食性
7071の大気腐食抵抗は中程度です。高ZnおよびCu含有により5xxx系や6xxx系と比較して自然耐食性は低下します。一般的な大気中では酸化皮膜が形成されますが、塩素イオン濃度が高い環境や工業環境ではピット腐食や沿晶腐食のリスクが増加するため、保護コーティングや適切な熱処理（例：T73）が推奨されます。
海洋環境ではMg含有の5xxx系や特定の6xxx系コーティング材と比較して耐食性は劣ります。長時間の曝露、飛沫帯、塩霧により局所的腐食が促進され、脆化や断面減少を招く恐れがあります。長期的な海洋用途には腐食留保分や犠牲防食被覆を用いることが一般的で、過時効処理は応力腐食割れ（SCC）耐性向上に効果的です。
高強度7xxx系合金においては特にピーク時効状態での応力腐食割れが問題となります。これは、引張残留応力が高く、塩素や苛性環境が存在する場合に顕著です。過時効（T73/T76）やストレッチ・アニーリングによる残留応力管理によりSCC感受性が低減されます。異種金属接合時、7071はステンレス鋼よりアノード的ですが、より高貴な金属に対してはカソード特性を示すため、絶縁コーティングや絶縁ファスナーの使用が一般的です。
他合金系と比較すると、7071は耐食性より強度を優先する合金です。耐食性や溶接性が重視される場合は6xxx系、特に海洋性に優れる5xxx系を選択する傾向があります。
加工特性
溶接性
ピーク硬化状態の7071は溶接が困難です。TIGおよびMIG溶接では熱影響部（HAZ）が軟化しやすく、強度低下や熱割れ・冷割れのリスクが高くなります。これは低融点の粒界相が原因です。重要応力部位では溶接を避けるか、可能であれば溶接前後の熱処理を施すことが推奨されます。母材と類似の機械的性質を持ち、融点の低い相の発生を抑えるフィラー材の使用で熱割れリスクを軽減可能です。構造的完全性が要求される場合は抵抗溶接や機械的締結が好まれます。
機械加工性
7071は高強度アルミ合金として「普通から良好」な加工性を有します。鋼材より切削性は良好ですが、ビビリや付着を防ぐために剛性の高いセットアップ、良鋭利な超硬工具、最適な送り速度が必要です。切削速度は鋼より速く、柔らかいアルミ合金ほど速くはありません。クーラントの供給や切りくず排出も重要で、刃具寿命はT6硬化状態の高硬度により短くなる傾向があります。粗加工は軟らかい状態またはT651安定化処理状態で行うことが一般的です。
成形性
7071は時効硬化状態では冷間成形性が制限され、展性が低く、降伏強度も高いため最小曲げ半径は5xxx系や3xxx系より大きく、スプリングバックも大きいです。成形はO硬さやH硬さで行うか、加温成形後に溶体化・時効処理を経て強度を回復させることが推奨されます。深絞りや深刻なプレス加工はT6状態では避けられ、T73などの調整硬さや分割成形技術を用いた後に最終時効処理を行う方法が採用されます。
熱処理特性
7071は古典的な溶体化処理－焼入れ－時効という系列で熱処理されます。溶体化処理温度は通常470～480 °Cで、ZnとMgを過飽和固溶体に溶解させ、急速冷却で固溶体状態を保持します。人工時効（例：T6は約120～135 °Cで24時間程度、合金仕様による）により微細な準安定相が析出し最大強度が得られます。板厚や初期冷却速度に応じて時効条件は調整が必要です。
過時効処理（T73/T76）は高温または長時間の時効により析出物を粗大化させ、残留応力や応力腐食割れ感受性を低減しますがピーク強度はやや減少します。T651処理は溶体化処理・焼入れ後に残留応力を除去するために制御伸張を加え、時効してT6に近い強度で寸法安定性を向上させます。
熱処理ができない合金変種や一時的な成形性向上には、冷間加工硬化（H硬さ）が適用され、時効なしに降伏強度を向上させます。アニーリングはO状態に戻し再結晶および延性回復をもたらしますが、アニーリング後に再び強度を回復するには複数回の完全溶体化処理が必要です。
耐高温性能
7071は温度上昇に伴い強度が低下し、実用上の上限温度は一般に150 °C以下です。高温環境では析出物の粗大化が促進され、降伏強度・引張強度の低下や疲労・クリープ耐性の劣化が生じます。
短時間の高温曝露では表面酸化は軽微ですが、長時間曝露により粒界の相変化や脆化が進行し、クリープ損傷や沿晶破壊のリスクが高まります。溶接熱影響部は高温条件下で軟化および脆化が顕著であり、高熱安定性が要求される設計では代替合金の選定や熱障壁の併用が求められます。
用途例
| 産業分野 | 例示部品 | 7071採用理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 構造用継手、バルクヘッドフレーム | 高い強度対重量比と優れた機械加工性が重要な部品に適する |
| 自動車 | 高性能シャーシブラケット、サスペンション部品 | 高い静的強度を維持しつつ軽量化が可能 |
| 海洋 | 高強度構造要素、継手部品 | 強度が必要な用途に、適切なコーティングで耐食性を補完 |
| 電子機器 | ヒートスプレッダーハウジング、剛性フレーム | 剛性と熱伝導性のバランスが良く、コンパクトなアセンブリに最適 |
7071は高強度、寸法安定性、適度な疲労特性を兼ね備えた精密加工部品に多用され、断面積の削減や軽量化に寄与します。腐食対策が施され、溶接が最小限にされる設計では、より強度の低いアルミニウム系材料では得られない優れた性能を発揮します。
選定のポイント
材料を選定するエンジニアには、高い比強度と剛性が主な要求であり、さらに加工（機械加工、熱処理）を厳密に管理できる場合には7071を推奨します。最大の静的強度を求める場合はT6/T651を使用し、応力腐食割れ耐性が必要でありながら最大強度の一部を犠牲にしてもよい場合はT73/T76を選択してください。
商用純アルミニウム（1100）と比較すると、7071は電気伝導性や熱伝導性、成形性を犠牲にする代わりに、はるかに高い引張強さと降伏強さを提供します。加工硬化合金である3003や5052と比較すると、7071は大幅に高い静的強度を持ちますが、一般的に耐食性や溶接性は劣ります。したがって、構造性能が成形性や表面耐久性を上回る場合に7071を選びます。熱処理可能な6xxx系合金（6061/6063など）と比較すると、7071は同等の密度でより高いピーク強度を提供しますが、応力腐食割れや溶接に対してより敏感です。7071は強度対重量比が決定的な指標であり、適切な耐腐食・接合対策が講じられている場合に選択されます。
まとめ
7071は、特に機械加工や制御された熱処理が製造工程に含まれる場合に、低質量で高い強度と剛性を要求される用途で7xxx系ファミリーの高性能材として依然重要な役割を果たしています。腐食・溶接・成形の制約を十分に考慮した上で使用されるべきですが、適切に指定すれば航空宇宙、自動車、特殊工学分野における最適な軽量設計を可能にします。