アルミニウム7076：組成、特性、調質ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
7076は7xxx系アルミ合金の高強度品種であり、主に亜鉛を合金元素として添加し、航空宇宙用の高強度で熱処理可能な合金群に分類されます。その冶金学的特徴は亜鉛-マグネシウム-銅系であり、析出硬化によって高強度を生み出すため、市販されているAl-Zn-Mg(-Cu)組成の中でも上位の強度域に位置します。
主な合金元素は亜鉛とマグネシウムで、銅および微量元素（Cr、Ti、Zr）が結晶粒構造の制御、時効応答、局所腐食への耐性向上に寄与します。強化は固溶処理、急冷、その後の人工時効によって微細に分散したMgZn2および関連相を析出させることで達成されます。一部のH系熱処理では加工硬化も二次的に強化に関与します。
特徴としては、鍛造アルミニウム合金として非常に高い引張強さおよび降伏強さを有し、5xxx系や6xxx系に比べて中程度から劣る固有の耐食性、熱影響部（HAZ）での強度低下を伴う制限された溶接性、柔らかい熱処理状態での良好な成形性があります。主な用途は航空宇宙の構造部材、防衛関連機器、高性能スポーツ用品、そして高い比強度と剛性が求められる特殊運搬機器です。
エンジニアは、最大の強度重量比が重要な場合や製造後の熱処理および腐食保護（クラッド加工、コーティング、または犠牲陽極合金）の対策が可能な場合に7076を選択します。6xxx系合金よりも高いピーク強度が必要な場合や、7075に比べて靭性、加工性、または独自の組成調整が用途に適している場合に選定されます。
熱処理状態のバリエーション
| 熱処理状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高い（10〜25%） | 非常に良好 | 非常に良好（前後処理が必要） | 完全焼なまし状態で成形用 |
| T4 | 中程度 | 中程度（8〜15%） | 良好 | 制限あり | 固溶処理後自然時効 |
| T6 | 高 | 低〜中程度（5〜11%） | 中程度 | 不良（HAZで著しい軟化） | 固溶処理後人工時効でピーク強度 |
| T73 | 中高（応力腐食割れ抵抗改善） | 中程度（6〜12%） | 中程度 | 不良 | 過時効処理により腐食・応力腐食割れ耐性向上 |
| T651 | 高（残留応力除去済み） | 低〜中程度（5〜11%） | 中程度 | 不良 | T6状態から伸ばしによる応力除去処理 |
| H2X / H3X（加工硬化系） | 可変 | 可変 | 可変 | 制限あり | 加工硬化および部分焼なましによる特性調整形態 |
熱処理状態の選択は性能に大きく影響します。固溶処理後の人工時効（T6系）は引張強さおよび降伏強さを最大化する一方、延性や溶接性を犠牲にします。T73のような過時効状態はピーク強度を若干低減する代わりに応力腐食割れ（SCC）耐性や過酷環境での耐久性を大幅に向上させます。
深絞りや厳しい曲げなど高い塑性変形を要する成形加工の場合は、焼なましO状態または軽度時効のT4状態が好まれます。設計が許せば、最終強度は完全な熱処理により回復可能です。
化学組成
| 元素 | 含有率範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | 不純物；脆性および鋳造欠陥軽減のため制御 |
| Fe | ≤ 0.50 | 制御されている；過量は靭性低下を招く析出物形成 |
| Mn | ≤ 0.30 | 微量；一部変種では結晶粒制御に寄与 |
| Mg | 2.0〜3.0 | 主強化元素でMgZn2析出物を形成 |
| Cu | 1.2〜1.9 | 強度向上と時効反応に影響；SCC感受性を増加 |
| Zn | 5.6〜7.0 | 7xxx系合金の主強化元素 |
| Cr | 0.18〜0.35 | 微量合金元素で結晶粒制御と再結晶抑制 |
| Ti | ≤ 0.20 | 鋳造・鍛造時の結晶粒細化剤 |
| その他（Zr、Sc、Ni、Pb） | 各≤ 0.05、残部Al | 特殊鋳造で特性調整のための微量添加元素 |
合金の機械的・耐食性能はZn、MgおよびCuの比率で左右されます。ZnとMgは時効後にMgZn2析出物を形成し強化を担い、Cuはピーク強度を高め、析出過程に影響を与えます。Ti、Zrなどの結晶粒細化剤やCr、Zrの分散形成剤は熱機械加工中の微細構造安定化および再結晶抑制に用いられ、靭性やSCC耐性に寄与します。
機械的性質
7076の引張挙動は高強度7xxx系合金の典型であり、人工時効後に降伏強さおよび引張強さが急激に上昇しつつ、一様伸びは比較的低くなります。ピーク時効状態では破断形態は粗大析出物や粒界相の存在する部分で粒界破壊の要素を含む遷移侵害的延性破断が混在し、この微細構造の傾向は疲労亀裂の発生および進展に影響を及ぼします。
降伏強さは熱処理状態および板厚によって大きく異なります。薄板のT6材料はほぼピーク時効状態に達しますが、厚肉部材や溶接影響部は保持強度が低くなります。疲労性能は表面が良好に仕上げられて腐食ピットが回避されれば、合金群として良好です。表面処理やショットピーニングにより高サイクル疲労寿命は大幅に向上します。
硬さは引張強さ・降伏強さに相関し、焼なましO状態は比較的軟らかく機械加工性が良好ですが、T6/T651は高硬度となる反面、延性の低下や工具摩耗の増大を招きます。板厚の影響も著しく、断面積の増加に伴って冷却速度が遅くなり粗大析出物が形成されるため、ピーク時効特性が低下します。
| 特性 | O／焼なまし | 代表的熱処理（例：T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約240〜320 MPa | 約540〜620 MPa | 薄板鍛造品のT6値が典型的。熱処理や加工により範囲変動あり |
| 降伏強さ | 約120〜200 MPa | 約480〜560 MPa | 人工時効により大幅に上昇 |
| 伸び | 約10〜25% | 約5〜11% | 高強度熱処理状態で低下 |
| 硬さ（HB） | 約60〜95 HB | 約150〜190 HB | 析出物密度に比例。断面や試験方法で差異あり |
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。鋼材より軽量 |
| 融点範囲 | 固相線 約470〜490 °C、液相線 約635〜650 °C | 合金元素の影響で融点幅が広い |
| 熱伝導率 | 約120〜150 W/m·K | 純アルミより低いが、多くの金属に比べて放熱性は良好 |
| 電気伝導率 | 約28〜38 %IACS | 1xxx系や6xxx系に比べて合金添加により低減 |
| 比熱 | 約0.88〜0.90 J/g·K | 常温でアルミ合金として標準的 |
| 熱膨張係数 | 約23〜24.5 µm/m·K（20〜100 °C） | 他のアルミ合金とほぼ同等。熱サイクルに伴う設計上の考慮が必要 |
7076は低密度かつ適度な熱伝導率を兼ね備えており、質量が重要な熱管理用途において有利です。異種材料の接合部での熱膨張率の差による応力集中を防ぐため、高温環境の組み立てでは熱膨張や熱伝導率を考慮した設計が推奨されます。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材 | 0.5 mm – 6 mm | 薄板ではほぼピークのT6特性を発揮 | O, T4, T6, T651, T73 | 航空機用スキンやパネルに一般的。成形性は調質による |
| 厚板 | 6 mm – 150 mm以上 | 厚板ではピーク特性が低下しやすく、制御された焼入れが必要 | T6, T651, T73 | 厚板はやわらかい中芯や粗大析出物を防ぐために工程管理が必須 |
| 押出材 | 複雑な断面形状、直径数百mmまで | 冷却条件や均質化処理の影響を受ける | T6, T651 | 構造用プロファイルに使用。ビレットの化学成分や押出速度で組織が変化 |
| 管材 | 薄肉から厚肉まで | 時効硬化の傾向は類似。溶接・接合設計が重要 | T6, T651 | 構造部材用の引抜き・押出管。成形前には焼なましを行うことが多い |
| 棒材・丸棒 | 直径 3 mm – 200 mm | 焼なまし（O）状態は良好な加工性を持ち、時効後に強度向上 | O, T6, T651 | ファスナー、継手、機械加工部品に用いられる |
成形経路や製品形状は得られる特性に大きく影響します。板材や薄肉押出材は安定して完全なT6強度を出せる一方、厚板や大断面では特性の勾配を避けるために特殊な焼入れ・時効サイクルが必要となります。予備時効、制御された焼入れ媒体、応力除去ストレッチなど加工選択が寸法安定性と機械的均一性を確保するうえで重要です。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7076 | 米国 | Aluminum Associationの指定。組成・調質の基準参照 |
| EN AW | 約7076 | 欧州 | ENの指定はおおむね一致するが、限界値や調質コードは異なる場合がある |
| JIS | 約A7076 | 日本 | JISではすべてのロットに完全対応していないこともあるため、現地の材質証明を確認する必要がある |
| GB/T | 約7076 | 中国 | 中国規格はほぼ同等の組成を持つが、機械的性質の詳細な差異を検証すること |
相当鋼種の対応は慎重を要します。EN、JIS、GB/T規格の化学成分範囲や調質定義はAA表と完全一致せず、微量元素添加（Zr、Sc）やCu/Mg比率の異なる亜種は処理や性能に大きな違いを生じます。エンジニアは単なる名称に頼らず、認証済みの化学成分・機械試験報告書で材料を比較すべきです。
耐食性
7076は高Zn含有の7xxx系合金として大気中で中程度の耐食性を示しますが、5xxx系や多くの6xxx系合金に比べ局部腐食や応力腐食割れ（SCC）に敏感です。中性大気では無保護でも十分な性能を持ちますが、工業環境や海洋環境では保護塗装、クラッド（例：Alclad）、または陰極防食が長寿命確保に必要です。
海洋や塩化物環境では、ピーク時効調質での粒界付近の析出物が枯渇した領域にピッティングや粒界腐食が発生しやすいです。過時効（T73/T76相当処理）や微量元素添加（Cr、Zrなど）がSCC感受性低減および塩化物による腐食耐性向上の一般的な対策です。
金属接触腐食は典型的なアルミニウム挙動に従います。ステンレス鋼や銅と接触した場合、7076は陽極となり優先的に腐食するため、異種金属接合部では電気的絶縁や犠牲陽極が必要です。3xxx/5xxx系に比べると耐食性は強度とのトレードオフで低く、6xxx系より強度は高いものの特別な処理をしないとSCCに対して敏感です。
加工性
溶接性
高強度7xxx系合金の溶接は難易度が高いです。GMAW/MIG、GTAW/TIGなどの融接法は熱影響部(HAZ)の軟化や析出物の溶解・粗大化による強度低下をまねきます。組立品への前後熱処理が現実的でない場合、重要な構造部品はリベットや機械的締結が一般的です。溶接が必要な場合は低強度の充填材（例えば5356や4043）を用い、管理された手順で二次構造物用に許容できる接合を行いますが、接合部の強度低下やSCCリスク増加を設計上考慮すべきです。
切削性
焼なまし（O）状態での切削性は良好で、他の高強度アルミ合金と類似し、適切な工具を用いれば短く砕けやすい切りくずが得られます。ピーク時効状態では強度・硬度が高いため工具摩耗が増加し、高正面角の超硬工具と冷却液大量使用が推奨されます。切削性指数は中程度で、表面仕上げや工具寿命を維持するため、切削速度と送り条件は適宜調整が必要です。
成形性
成形性は調質に大きく依存します。OやT4調質は良好な曲げや引き抜き性を示し、適切な工具を用いれば一般的な板金成形操作が可能で、最小曲げ半径は板厚の2～4倍（エアーベンド時、工具により異なる）です。T6/T651では冷間成形性は限定され、応力除去処理なしに曲げると割れが生じやすいです。複雑形状で高い最終強度が要求される場合は温間成形や固溶化処理後の再時効サイクルを用います。
熱処理挙動
7076は熱処理可能な合金群であり、固溶処理は主に470～480 °Cの範囲で十分な浸透時間を添えて実施し、合金元素を過飽和固溶体として溶解させます。急冷（水冷または制御されたポリマー焼入れ）が高い過飽和度保持に必須で、その後人工時効により強化相を析出します。
T6時効は通常120～125 °Cで、機械的性質目標に応じた時間設定で行われます。高温焼き入れ（T73/T76処理）はピーク強度を低下させますが、応力腐食割れ耐性や高温での時効安定性を大幅に向上させます。T651調質は残留内応力を軽減するための制御された伸び加工を加え、ピーク時効特性を維持します。
加工硬化利用のH調質等ではひずみ時効や部分焼戻しで中間的な特性調整が可能ですが、7076は主に固溶化処理および時効による設計ルートが主流で、冷間加工強化は副次的です。
高温性能
7076の強度は温度の上昇に伴い低下します。約120～150 °C以上で顕著に軟化し、100～120 °Cを超える長期暴露は過時効を促進し、降伏強さ・引張強さ低下につながります。高温合金に比べクリープ耐性は限定的で、短期的な高温使用は許容されても熱サイクルを繰り返すと疲労寿命および寸法安定性が低下します。
構造用途の通常温度範囲では酸化は最小限ですが、高温暴露により析出相の粗大化や粒界相の変化が進み、SCCリスク増加や靭性低下を招きます。溶接や局所加熱により発生する熱影響部は特に物性劣化が起こりやすく、可能なら後処理や低減措置が推奨されます。
用途例
| 産業分野 | 代表部品 | 7076が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 翼取付金具、ハードポイント、構造鍛造品 | 荷重支持部品に求められる高強度・高疲労性能 |
| 海洋 | 高性能船舶構造部材 | 強度と適切な耐食対策の両立 |
| 防衛 | 小火器・弾薬部品 | 重要ハードウェアに必要な高強度と靭性 |
| 自動車 | 高性能サスペンション部品 | 軽量かつ剛性の高い部品を実現 |
| スポーツ・レジャー | 高級自転車フレーム、レーシング機器 | 合金選択の中で最大限の比強度・剛性を発揮 |
| 電子機器 | 構造フレーム、一部熱管理部品 | 熱伝導性と低密度のバランスが重要な組立品向け |
7076は非常に高い単位質量あたりの静的及び疲労強度が要求され、かつ適切な製造・耐食保護対策が指定可能な場合に選択されます。特に航空宇宙の一次・二次構造部材に多く用いられ、その機械的有利性が追加加工コストを上回るケースが多いです。
選択のポイント
7076は強度対重量比が設計の主目的であり、使用者がより厳しい製造及び耐食保護対応を受け入れられる場合に最適です。成形後の熱処理が可能な高負荷の構造部品や、腐食保護のための後処理が日常的に行われる部位に選択してください。
商業用純アルミニウム（1100）と比較すると、7076は電気伝導性および熱伝導性が低くなり、冷間成形性が劣る代わりにはるかに高い強度を持ちます。伝導性や深絞り成形性が優先される場合は1100を使用してください。3003や5052などの加工硬化合金と比べると、7076ははるかに高いピーク強度を提供しますが、より厳格な腐食対策が必要であり、溶接や冷間成形の許容性は低くなります。6061や6063などの一般的な熱処理可能合金と比較すると、7076はピークテンパー時により高い引張強さおよび降伏強さを提供しますが、コストが高く、耐腐食性が低く、溶接性も難しいことが多いです。加工や保護に伴うトレードオフを踏まえても追加の強度が求められる場合に7076を優先してください。
まとめ
7076は、優れた強度対重量比が要求され、製造プロセスにおいて熱処理、溶接、腐食保護を適切に管理できる場合に適した高性能アルミニウム合金です。その用途は、溶接性の低下や高度な腐食管理といった工学的なトレードオフを許容できる厳しい構造用途における性能向上を目指すニッチな分野にあります。