アルミニウム7072：組成、特性、材料調質ガイドおよび用途
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総合概要
合金7072は7xxxシリーズのアルミニウム合金に属し、高強度な7xxxシリーズ基材の耐食性を向上させるために開発されたアルミニウム-亜鉛含有クラッド合金として最もよく知られています。主要な構造用7xxx合金（例えば7075）とは異なり、7072は高い母材強度ではなく、表面の耐食性と加工性に最適化された化学組成で製造されています。
7072の主要合金元素は中程度の亜鉛であり、残りは基本的に商用純アルミニウムとシリコン、鉄、および微量のマグネシウムと銅の残留成分です。この合金は母材の析出硬化を目的としておらず、実質的に顕著な時効硬化反応を示さない非熱処理可能合金で、金属学的純度と冷間加工硬化処理によって機械的特性を制御しています。
7072の主な特徴は、クラッド層として使用した場合の優れた大気中および海洋環境での耐食性、焼なまし状態での高い成形性、非常に良好な表面仕上げ性とろう付け性、そして一般的にアルミニウム金属としての優れた溶接性です。一方で、構造用熱処理可能合金と比べると、固有の引張強さは比較的低いです。主な利用分野は、航空宇宙用構造7xxxシリーズ鋼板やシートのクラッド、海洋および沿岸構造パネル、建築用クラッド、そして清浄なアルミニウム表面が必要となる特定の電気および熱用途に及びます。
エンジニアは主に、高強度基材の耐食保護が必要だが、コア合金の機械的特性を大きく変えたくない場合に7072を選択します。ほかのクラッドやコーティング方式よりも、7xxxシリーズコアに対して金属学的に良好に接合し、多くの有機被覆より疲労性能を良好に保持し、穴あき腐食や剥離に耐える延性の犠牲表面層を提供するため選ばれます。
加工硬化系（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（＞20%） | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、クラッドおよび成形用途に最大の延性を提供 |
| H12 | 低～中 | 中程度（10～18%） | 非常に良好 | 非常に良好 | 軽度の冷間加工；複雑形状の成形性を保持 |
| H14 | 中 | 中程度（8～15%） | 良好 | 非常に良好 | クラッドシートの標準的な商用冷間加工硬化テンパー |
| H18 | 中～高 | 低め（5～10%） | やや劣る | 良好 | 冷間加工による高強度、成形性は低下 |
| H24 | 中 | 中程度 | 良好 | 良好 | 加工後の部分焼なましによる安定化硬化テンパー |
| T6 | 該当なし | 該当なし | 悪い | 該当なし | 7072は析出硬化合金ではないため、一般的にT6は使用されない |
7072のテンパリングは時効硬化サイクルよりも、焼なましおよび加工硬化のルートに依存しています。Oテンパーは最高の成形性を持ち、クラッド加工で最も多く使用されます。H系列テンパーは延性を犠牲にして一部強度向上を求める場合に用いられます。
実際にはクラッド厚さと基材合金のテンパーが相互作用します。O状態の薄いクラッド層は7xxxコアの下流成形時に優れた追従性を提供する一方、硬いHテンパーは圧延や取り扱い中の表面割れリスクを減少させるものの、犠牲的耐食保護効果を若干低減する可能性があります。
化学成分
| 元素 | 含有率範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | 不純物；鋳造・圧延挙動および介在物の制御 |
| Fe | ≤ 0.40 | 残留成分；組織および析出物に影響 |
| Cu | ≤ 0.05 | クラッドとの局所的陽極反応を避けるため低濃度に保持 |
| Mn | ≤ 0.10 | 微量不純物；微細結晶化をわずかに促進 |
| Mg | ≤ 0.15 | 非常に低濃度；時効硬化目的ではない |
| Zn | 0.6～1.3 | 主合金元素；耐食性調整に寄与 |
| Cr | ≤ 0.05 | 微量；一部テンパーで再結晶化抑制 |
| Ti | ≤ 0.05 | 鋳造製品で結晶微細化添加可能 |
| その他 | 残部Al、各≤ 0.05合計 | 規格に基づく残留および微量元素 |
7072の成分は、高純度アルミニウム基体内に耐食挙動を変えるのに十分な亜鉛量を制御しつつ、顕著な時効効果や水素脆化を避けることに重点を置いています。微量の鉄およびシリコンは、粗大な金属間化合物が表面品質や疲労寿命を低下させないよう管理されています。
この合金は主に犠牲的または保護用クラッドとして使用されるため、安定で付着性の良い酸化膜を形成し、一般的なコア合金との電気化学的な電位差を最小化するよう化学組成が最適化されています。極力低い銅およびマグネシウム含有により、局所的な陽・陰極カップルが腐食を促進しないよう配慮されています。
機械的性質
クラッド合金としての7072は、引張強さおよび降伏強さともに構造用7xxx合金よりも商用純アルミニウムに近い値を示します。引張曲線は低降伏強さ、控えめな最大引張強さ、そして焼なまし状態での良好な均一伸びで特徴付けられます。Oテンパーは最高の延性と最低の降伏強さを示し、厳しい成形作業に適しています。Hテンパーの冷間加工により、加工硬化によって降伏強さおよび引張強さは向上しますが、伸びおよびノッチ靭性はやや低下します。
硬さはOテンパーで低く、Hシリーズの冷間加工に伴い上昇します。典型的なビッカース硬さまたはロックウェル硬さは軟アルミニウム合金の範囲内であり、航空宇宙用熱処理アルミ合金の高硬度値とは比較になりません。薄いクラッドとしての疲労性能は基材の状態および良好な接合に大きく依存します。延性があり良好に接合されたクラッドは、穴あきによる疲労初期化抵抗を改善しますが、母材の荷重支持能力に寄与することはほとんどありません。クラッド層の厚さにより機械的寄与も異なり、薄いフォイルは表面保護のみを与え、強度効果は無視できる一方、厚い被覆は断面の剛性をわずかに向上させますが、コア合金に比べて力学的には従属的です。
| 特性 | O/焼なまし | 代表テンパー（H14） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 60–120 MPa | 90–150 MPa | 冷間加工で引張強さは増加。値は厚さや処理条件による。 |
| 降伏強さ | 25–50 MPa | 55–95 MPa | O状態では低降伏。Hテンパーはアルミ鋼中間値に近づく。 |
| 伸び | 20–35% | 8–18% | 焼なまし状態は高い均一伸びを示し成形性に優れる。 |
| 硬さ | 25–40 HV | 35–55 HV | 熱処理済み構造用合金と比較して絶対硬度は低い。 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 比重 | 2.70 g/cm³ | アルミ合金として標準的。重量計算に有用。 |
| 溶融範囲 | 643–658 °C | 狭い溶融範囲。純アルミに近い固相線温度。 |
| 熱伝導率 | 約210 W/m·K | 合金化で純アルミよりやや低下するが、熱放散に優れる。 |
| 電気伝導率 | 約30–40 % IACS | 亜鉛や残留不純物により純アルミより低い。 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 中温度範囲でアルミ合金として標準的。 |
| 線膨張係数 | 23.5–24.5 µm/m·K | 他のアルミ合金とほぼ同等。 |
これらの物理特性により、7072は軽量で導電性が高く熱的に適応性のある表面が求められる用途に適していることが確認されます。伝導率の数値は耐食性保護も兼ねた熱伝達および電気接触用途での使用を可能にします。線膨張率は一般的なアルミコア合金とほぼ一致し、使用中や熱サイクルによる界面応力を最小限に抑えます。
溶融温度および熱伝導率の数値は加工性にも関連し、鍛造、ろう付け、および溶接では高熱伝導率と純アルミに近い狭い溶融範囲が挙動に影響を及ぼします。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.1–5.0 mm | 薄く、低強度の表面層 | O, H14, H18 | 7xxx系シートおよび板材のクラッド用として最も一般的な形状 |
| プレート | 5–50 mm（クラッド厚さ0.05–0.5 mm） | 表面保護用；コアの強度にはほとんど影響しない | O, H12 | 航空宇宙分野の構造用プレートのクラッドとして使用 |
| 押出材 | 限定的な用途、小断面 | 構造的寄与は低い | O, H14 | 特殊な断面形状やオーバーレイ用途向けに稀に提供される |
| チューブ | 薄肉クラッドチューブ | 表面の耐食保護 | O | 耐食性コンジットなど特殊用途向け |
| バー/ロッド | 小径 | 低い全体強度 | O, H14 | 主に冶金用またはろう付け用原料形状として |
7072の主要な商用形状はシートおよび薄いプレートであり、この合金の主な役割は体積的構造ではなく表面保護にあります。クラッドは一般的に7xxxシリーズのコア材に対してロールボンディング、熱間圧延、または連続鋳造で製造され、その界面の冶金的結合品質は温度、圧下率、および表面状態で厳密に管理される重要なパラメータです。
押出材やバー/ロッド形状は稀で、主に小さな断面に耐食性表面を必要とする特殊用途向けに限定されています。これらの製品は成形および接合のための延性を維持するため、制御された化学組成と硬さ状態で製造されています。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7072 | アメリカ | クラッド合金として認知されているAluminum Associationの指定 |
| EN AW | 7072 | ヨーロッパ | クラッド用にヨーロッパの規格・取引で使用されるEN AW-7072 |
| JIS | A7072 | 日本 | 化学成分および用途が概ね一致する日本工業規格の指定 |
| GB/T | 7072 | 中国 | クラッドおよび表面合金に広く用いられる中国規格 |
7072はクラッド合金として狭い組成および処理条件を要求されるため、規格間の同等指定は概ね整合しています。存在する差異は主に最大不純物限度、表面品質規定、許容されるクラッド厚さ範囲などにあり、基本的な冶金学的特性の違いではありません。
異なる地域から調達する際は、それぞれの規格における鉄やシリコンの許容誤差を比較し、ロールボンドで構造用コアに接合する場合は接合性やクラッド厚さの承認状況を必ず確認することが重要です。
耐食性
7072は優れた大気環境耐食性を持ち、特に強固な酸化被膜を形成してピット腐食や一般腐食に強いため、農村および海洋環境での耐食用途に選ばれることが多いです。高強度7xxx系基材のクラッド層として用いる場合は犠牲防食的に機能し、苛酷な環境下での剥離や粒界腐食の進行を遅らせます。表面の連続性や厚み方向の欠陥の有無は非常に重要で、クラッドに破損があると基材が露出し局所的な腐食の進行を招きます。
海洋環境では7072は露出表面として優れた性能を発揮し、塩水噴霧や湿潤の繰り返しによる高強度コアのアノード溶解を抑制します。7072と一般的なコア材との電食的相互作用は概ね良好であり、クラッドはコアに対してやや陽極的に設計されて基材を保護しますが、設計時にはファスナーや接触材料、隙間条件などの局所腐食要因も考慮する必要があります。
7072自体の応力腐食割れ（SCC）リスクは強度が低いため無視できます。主なSCCの懸念は7xxx系基材にあり、連続した7072クラッド層が表面化学組成を制御し、金属間化合物を含む粒界の湿潤を妨げることで高強度コアの脆弱性を大幅に低減します。5xxx系や6xxx系合金と比べると、7072は7xxx系コアと組み合わせた際に犠牲防食保護に優れますが、これらのファミリーが有する機械的利点は付与しません。
加工特性
溶接性
7072は一般的なアルミニウム合金として容易に溶接可能ですが、クラッドシステムとして使用する場合は薄いクラッド層と基材の希釈に注意が必要です。クラッド/基材複合材の溶接では、必要な延性や耐食性に応じて4043や5356などのフィラー合金が一般的に用いられ、電食不適合を最小限に抑え、脆性金属間化合物の生成を避ける選択が求められます。7072単独の溶接での熱割れリスクは低いものの、高強度7xxx系コアの溶接ではその感受性によりリスクが高まるため、適切な溶接手順や溶接後処理が必要となる場合があります。
機械加工性
7072の機械加工性は商用純アルミニウムに近く、良好な切粉形成と低い切削力で加工しやすいですが、軟らかい硬さ状態では延性が高いため長く連続した切粉が発生しやすいです。推奨工具はカーバイドまたは高速鋼で、中程度から高速の切削速度および正角度の刃先形状が望ましく、バリの蓄積防止と表面仕上げ維持のため通常冷却液を用います。機械加工指数は鉛やビスマスを含む自由切削アルミニウム合金に比べ控えめであり、最大除去率よりも表面の健全性や耐食性を重視する用途に適しています。
成形性
O硬さ状態の7072は優れた成形性を持ち、適切な潤滑および工具先端半径の使用により深絞り、曲げ、小半径複雑打抜きが可能です。曲げ半径の推奨値は軟らかいアルミシートに準じ、多くの加工で板厚の0.5〜1.0倍程度の最小内半径が推奨されます。一方、硬いH硬さ状態ではより大きな半径が必要となり、表面亀裂回避のため中間アニールが求められる場合があります。冷間加工による硬化反応は予測可能で、累積ひずみに伴い延性は低下しますが、再アニーリングにより多段成形工程での成形性を回復可能です。
熱処理特性
7072は析出硬化用の熱処理がほぼ効果がなく、一般的な7xxx系構造用合金に対する溶解・時効処理を行っても著しい時効硬化を得られません。これはマグネシウムおよび銅の含有が不足しているためです。したがって、7072の強化に溶解処理は有効でなく、熱変形や過度の粒成長リスクを伴うだけです。人工時効処理（T硬さ状態）は標準的ではなく、通常は機械的硬さ（H）や焼鈍（O）工程で管理されます。
主な冶金的制御は加工硬化およびアニーリングであり、冷間加工により転位密度が増えて強度と硬さが上がる一方、適切な温度範囲（商用純アルミの焼鈍条件と同程度）でのアニーリングにより硬さが減少し延性が回復します。クラッド製品の場合は基材の硬さ状態や機械的特性を損なわないよう、アニーリング条件を基材と調整する必要があります。
高温性能
7072は他の低合金アルミ製品同様に温度上昇に伴い強度が急速に低下し、150〜200 °Cを超える長時間の荷重支持用途には適しません。高温下におけるアルミニウムの酸化は基本的に保護酸化皮膜形成に限られますが、長期の高温曝露は表面外観の変化や一部基材への機械的結合性を変える可能性があります。クラッド・コア間の溶接時には熱影響部で基材が局所的に軟化または脆化することがあり、7072自体は高温強度保持はなく、高い熱負荷を受けるコアを保護することはできません。
持続的な高温性能が求められる設計では、代替合金や保護システムの採用を検討すべきです。短時間の熱的過渡現象であれば、7072は寸法安定性と保護特性を維持しますが、機械的な補強は期待できません。
用途
| 産業分野 | 例示部品 | 7072が使用される理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | クラッドスキンおよび機体・翼パネル用アルミ板 | 犠牲防食効果を提供し、高強度コアの表面品質を維持するため |
| 海洋 | デッキパネル、上部構造のクラッディング | 露出面に対する優れた大気および塩水噴霧耐性 |
| 航空宇宙／防衛 | 継手部品および薄型オーバーレイ | 精密成形保護層用の良好な成形性と接合性 |
| 電子機器 | ヒートスプレッダーフェイス、筐体 | 高い熱伝導性と耐食性のある仕上げ |
| 建築 | ファサードパネルおよびルーバー | 耐久性のある外観と優れた金属加工性 |
7072は、強靭な構造用基材の上に高品質なアルミ表面が求められる場面で好まれます。7xxx系の航空宇宙用板材を保護するクラッド材の定番であり、外観や耐食性が重要な海洋・建築用パネルにも適しています。多くの場合、薄い保護層により、設計者は7xxx系コアの高強度を活かしつつ、環境劣化を抑制し、重量増大や接合方法の変更を伴わずに済みます。
選定のポイント
主な設計目的が高強度基材の耐食保護と優れた成形性・表面仕上げの両立である場合には7072を用います。疲労寿命の維持やピット腐食の回避が重要な航空宇宙および海洋システム、さらに7xxx系コアとの冶金的接合が求められる用途に特に適しています。コスト面や入手のしやすさも、定着した供給チェーンのシート・クラッド板材に生産が集中しているため概ね良好です。
商用純アルミニウム（1100）と比べると、7072は電気伝導率と絶対的な成形性の一部を犠牲にする代わりに、耐食性が向上し、7xxx系コア用クラッドとしての相性が良くなっています。最大伝導性や深絞り加工が最優先の場合は1100が選択されることがあります。加工硬化系合金（3003、5052）と比較すると、7072は機械的強度は低めですが、高強度基材のクラッド用途で優れた犠牲保護機能を発揮します。3003/5052はより高い母材強度や特定の成形特性が必要な場合に選択されます。熱処理による強化構造用合金（6061、6063）と比べると、7072は最大強度は及びませんが、表面防食と7xxx系コアとの冶金的適合性が決め手となる場合に選ばれます。
まとめ
合金7072は、保護性に優れ、延性のあるアルミクラッドとして、高強度基材の性能を維持するために現代のエンジニアリングにおいて特化した重要な材料です。良好な成形性、優れた耐食性、そして7xxx系コアとの適合性の組み合わせにより、航空宇宙・海洋・建築分野で、表面保護と疲労対策が不可欠な用途で存在感を保ち続けています。