アルミニウム 7077：組成、特性、焼き戻し状態ガイドおよび用途
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包括的な概要
合金7077は7xxx系アルミニウム合金の一種で、主に亜鉛によって強化され、マグネシウムおよび銅も重要な役割を果たしています。これは、Al-Zn-Mg-Cu系の析出硬化型、熱処理可能な合金に属し、高い強度と適度な靭性を両立させ、要求の厳しい構造用途向けに設計されています。
7077の主な合金化戦略は時効硬化（固溶化熱処理、急冷、人工時効）であり、これによりGuinier-Prestonゾーンやeta（MgZn2）型析出物の微細な分散が生成されます。微量合金元素や制御された熱・機械的処理により、靭性や割れ抵抗を最適化しつつ、多くの競合合金を上回る引張・降伏強さを実現しています。
7077の主な特長は、非常に高い静的強度、適切に処理された場合の良好な疲労耐性、テンパー選択や表面処理により向上可能な中程度の耐食性です。溶接性や冷間成形性は軟らかいアルミ合金に比べて制限されるため、主に航空宇宙、防衛、高性能自動車、特殊産業構造物など、強度対重量比が設計の主要要素である場合に使用されます。
エンジニアは薄肉部品や鍛造品で最高強度と疲労性能が求められ、材料および加工コストの増加が重量削減で正当化される場合に7077を選択します。6xxx系合金より高い静的および疲労強度が必要な場合や、7075を超える特定用途で、調整された化学組成や優れたSCC／疲労バランスが求められる場合に採用されます。
テンパーの種類
| 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 | 成形・機械加工向けの完全焼なまし状態 |
| H14 | 中 | 中程度 | 可 | 悪い | 加工硬化・非熱処理；7xxx系の用途は限定的 |
| T5 | 高 | 低～中程度 | 限定的 | 悪い | 高温形状加工後の冷却＋人工時効 |
| T6 | 高 | 低 | 限定的 | 悪い | 固溶化熱処理および人工時効；一般的な高強度テンパー |
| T651 | 高 | 低 | 限定的 | 悪い | T6に応力除去伸ばしを施したもので、航空宇宙鍛造品に一般的 |
| T7651 / T77x | 高 | 低～中程度 | 限定的 | 悪い | 応力腐食割れや靭性向上のための過時効や特別時効テンパー |
テンパーは7077の強度、伸び性、残留応力状態に大きく影響します。焼なまし（O）テンパーはプレス加工や深絞りに最適な成形性を提供し、一方でT6/T651は伸び性や冷間成形性を犠牲にして最高の静的強度を発揮します。
時効および過時効テンパー（例：T7651）は、応力腐食割れ耐性や破面靭性が重要な場合に指定されることが多く、最高の降伏強さや引張強さの一部を犠牲にします。溶接は通常、熱影響部（HAZ）が軟化するため時効硬化テンパーにとって有害であり、特殊な溶接工程および溶接後処理が必要です。
化学成分
| 元素 | ％範囲 | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.10 max | 鋳造特性や組織に影響する典型的な不純物 |
| Fe | 0.30 max | 析出相を形成し延性を低下させる不純物 |
| Mn | 0.05 max | 組織制御と靭性改良のための微量元素 |
| Mg | 2.0–3.5 | Znと共にMgZn2析出物を形成する主要強化元素 |
| Cu | 1.2–2.2 | 強度を付与するが耐食性やSCC感受性を高める |
| Zn | 5.5–8.5 | 主たる強化元素で、最高時効硬化反応を決定 |
| Cr | 0.05–0.25 | 再結晶制御と粒径微細化のための微量元素 |
| Ti | 0.02–0.10 | インゴット・鋳造組織改善のための粒子微細化剤 |
| その他 | 残部／微量 | Zr、Niなど微量添加で特性調整されることがある |
7077の化学組成は、高ZnおよびMg-Cu析出硬化系に属し、ZnとMgの濃度がMg-Zn相析出の制御を通じてピーク強度を決定します。銅は強度を増す一方で伸び低下をある程度補うものの、テンパーや微量合金元素の調整がなければ局所腐食や応力腐食割れの感受性を高めます。
Cr、Ti、Zrなどの微量添加元素は、再結晶の抑制や熱加工中の結晶粒成長制御、破壊靭性および疲労割れ進展抵抗の向上に使用されます。製造公差や国家規格は範囲や上限を定めており、供給元により最適な時効反応は若干異なります。
機械的性質
7077はテンパーや加工条件により広範な機械的性質を示し、比較的軟らかく延性の高いO状態から、非常に高強度のT6/T651および特殊な過時効テンパーまでがあります。T6/T651の処理では、引張強さは一般に500〜650 MPaを超え、降伏強さは450〜600 MPaに達し、均一伸びは減少します。焼なまし（O）材料は通常、180〜300 MPaの引張強さと10〜20％以上の伸びを示します。
最高時効テンパーの硬さは焼なまし条件より遥かに高く、典型的なブリネルまたはビッカース硬さは析出状態を反映しており、溶接後の熱影響部では急激に低下します。7077の疲労性能は微細構造や表面状態が制御されれば優れ、表面欠陥、残留引張応力、テンパーに関連する微細構造の影響を受けやすいです。
厚みや断面形状は、固溶化熱処理および急冷速度に影響し、厚肉部では粗大な結晶粒や溶質勾配がピーク硬さや強度を低下させることがあります。鍛造品や厚板は、薄肉圧延材で得られる特性に近づけるために制御された固溶化処理および急冷方法が必要です。
| 特性 | O／焼なまし | 代表的テンパー（例：T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 180–300 MPa | 520–680 MPa | 時効、厚み、供給者の加工によって広範な範囲 |
| 降伏強さ | 80–180 MPa | 450–600 MPa | テンパーに強く依存；航空宇宙用途でT651が多用 |
| 伸び | 12–25% | 5–12% | 強度増加に伴い延性は低下；厚みも伸びに影響 |
| 硬さ | 40–70 HB | 150–190 HV（約150–180 HB） | 硬さは析出状態に連動しHAZで低下 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.78–2.81 g/cm³ | 高強度Al-Zn-Mg-Cu合金に典型的；鋼材より軽量 |
| 融点範囲 | 約500–640 °C | 化学組成により固相線・液相線は変動；アルミ基材は約660 °Cで融解 |
| 熱伝導率 | 約120–160 W/(m·K) | 合金のため純アルミより低下；鋼より熱放散に優れる |
| 電気伝導率 | 約30–45 % IACS | 合金元素添加により商用純アルミより低減 |
| 比熱 | 約875–910 J/(kg·K) | 常温でのアルミ系合金の典型値 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 ×10⁻⁶ /K | 他のアルミ合金と同等；熱設計で考慮が必要 |
密度および熱特性は、7077を高い比強度と適切な熱伝導性が求められる用途に魅力的にします。熱伝導率と比熱は多くの構造材や熱管理用途に十分ですが、純アルミや低合金系よりは低いです。
電気伝導率は高合金含有量により低く、電気的経路が必要な場合は検討が必要です。伝導率が重要な部品にはより低合金のシリーズが選ばれます。熱膨張率は他のアルミ合金とほぼ同じであり、多種材料の組み合わせでは熱応力回避のため考慮が必要です。
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 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5–6.0 mm | 適切な時効により薄板で良好な強度を発揮 | O, T5, T6, T651 | 航空機外皮や高強度パネルに使用 |
| プレート | 6–150+ mm | 焼入れ感受性により厚板では強度低下がある | T6, T651, 過時効（オーバーエイジド） | 厚断面は特殊な焼入れ管理が必要で、鍛造品にも使用される |
| 押出材 | 断面形状は多様 | T処理や焼入れにより特性管理が可能 | T6, T5 | 複雑なプロファイルが可能だが焼入れ速度に注意が必要 |
| チューブ | 肉厚1–25 mm | 薄肉の場合はシートと類似の挙動を示す | T6/T651, O | 構造用や航空機用チューブ材として多用される |
| バー／ロッド | 直径200+ mmまで | 鍛造バーは適切な加工で板厚方向の特性を良好に保持 | T6, T651 | 機械加工の構造用継手や高強度部品に使用 |
シートや薄押出材は有利な焼入れ速度によりピーク時効に近い強化が可能で、航空機の外皮やパネルに適しています。プレートや大型鍛造品は冷却速度が遅く局所的な軟化や析出物の不均一分布が生じやすいため、厳密な工程管理が必要です。
用途に応じて商用形状は選択されます：成形や軽量構造にはシート、荷重の大きい継手にはプレートや鍛造バー、複雑断面の構造部材には押出材が用いられます。各形状ごとに適切な熱処理や場合によっては機械加工後の時効処理が求められ、寸法・機械的特性を満たす必要があります。
相当規格
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7077 | 米国 | Aluminum Associationによる合金ファミリーの指定 |
| EN AW | 7077 | ヨーロッパ | EN AW-7077が一般的；化学成分の許容差や調質に差異あり |
| JIS | A7077 | 日本 | JISによる指定；加工・調質コードはJIS規格に準拠 |
| GB/T | 7077 | 中国 | GB/T規格はAAの化学成分に準拠するが、供給元によって独自の制限あり |
各国・地域の規格は基本的に7077を指定しますが、化学成分の許容差、不純物限界、調質定義に小差が存在します。重要な航空宇宙部品や安全部品には、設計者は供給先の正確な規格、ミルシートおよび機械的特性試験結果を必ず確認してください。
調質コードや加工条件（例：T651とT6511の違い）も含めて相互参照が必要です。応力除去伸張量、時効時間、不純物許容範囲のわずかな違いがSCC耐性、疲労、靭性に大きな影響を与えるためです。
耐食性
7077の大気環境における耐食性は中程度で、ZnおよびCu含有量が高いため5xxx系や6xxx系合金より劣り、局所的な腐食機構を促進しやすいです。屋外や厳しい環境では、変換被膜、アルマイト処理、塗装などの表面保護が一般的に指定され、ピッティングや剥離の制御に用いられます。
海洋や塩化物環境では7077はAl-Mg系(5xxx系)や一部の6xxx系よりピッティングや応力腐食割れに対する感受性が高いです。SCC耐性を向上させた過時効調質を使用しない限り注意が必要です。過時効とマイクロアロイ改善によりSCC感受性を低減できますが、長期の海水暴露では保護被膜やカソード絶縁が必要となることが多いです。
高強度7xxx系合金は応力腐食割れが依然として懸念材料であり、引張残留応力と腐食環境の同時作用で活性化します。設計・製造上は、制御された時効処理、残留応力除去（伸張）、引張表面応力の回避によりリスクを低減しています。ステンレス鋼などより貴な材料とのガルバニック作用は局所腐食を促進するため、絶縁インターフェイスや適切なファスナー選定が推奨されます。
5xxx系、6xxx系と比べると7077は耐食性を犠牲にして大幅に高い強度と疲労特性を得ています。設計者は用途に応じて保護処理と調質の選択を検討し、機械的性能とメンテナンスライフサイクルのバランスを取る必要があります。
加工性
溶接性
7077の融接は困難で、熱影響部で著しい軟化が起き、熱割れや溶接継手強度低下が発生しやすいです。通常のTIG/MIG溶接では母材強度より著しく低下した継手になることが多く、重要構造部品では融接を避けることが推奨されます。摩擦撹拌接合や固体状態接合が必要な場合に用いられ、熱割れ抑制や耐食性調整のために5xxx系や6xxx系のフィラー材選定が行われます。
機械加工性
7077はピーク時効時に高い強度と安定した切り屑形状で加工しやすいものの、摩耗がやや激しい傾向があります。カーバイド工具でポジティブラジ角かつ十分な冷却を行いビルトアップエッジの発生を防ぎ、表面品質を維持します。調質に応じて切削条件を選定し、重切削はチャタリングや変形防止のため保守的なパラメータが必要です。
成形性
時効硬化調質では冷間成形性が限定され、割れを防ぐためO材質や特別な固溶化・部分時効品での成形が推奨されます。最小曲げ半径は調質や板厚に依存しますが、5xxx系や3xxx系より大きめを設計段階で見込むべきです。狭い曲げが必要な場合はアニーリング後の溶液処理・時効や、段階的成形や温間成形を検討してください。
熱処理特性
7077は熱処理可能なアルミ合金で、固溶化処理後に急冷し制御された人工時効により強化相を析出させます。Al-Zn-Mg-Cu合金の代表的な固溶化温度は470～500 °Cの範囲で、水冷焼入れしますが、断面寸法や供給元の指示により温度・時間は調整し、部分溶融や過時効を回避します。
人工時効（T6調質）は120～180 °C程度の中間温度で数時間処理しピーク強度を得ます。過時効（T7x調質）はさらに高温または長時間処理し、析出物を粗大化させてSCC耐性や靭性を向上させる代わりに最大硬さは低下します。T調質の遷移は降伏強さ、靭性、環境割れ耐性のバランスを調整します。溶接後や成形後の再時効処理で、適切な焼入れと時効が行われていれば性質の一部回復が可能です。
無熱処理の最終形状付けなどでは、7077は加工硬化による高強度化は実用的でないため、成形や機械加工の際はO調質（焼鈍）を使用し、その後に熱処理で設計性能を得ます。厚断面では焼入れ速度の管理と迅速な水冷が軟部や組織不均一の回避に重要です。
高温性能
7077は室温強度のかなりの部分を温度上昇により失い、約120 °C以上の使用温度で長期的な機械的安定性や析出物分布に影響が出ます。高温でのクリープ耐性は限定的なため、長時間の高温荷重用途には適しません。熱曝露により過時効が進行し強度低下を招きます。
アルミニウムの酸化は自己制限的でAl2O3の保護膜を形成し、他の腐食形態に比べ表面腐食は通常軽微ですが、高温と応力の組み合わせで環境損傷が加速することがあります。溶接やろう付けなど高温加工部の熱影響部は軟化と粗大な析出物組織を特徴とし、部品設計や後処理が必要となります。
設計者は持続的な高温曝露を制限し、老化や過時効閾値に近づく環境では代替合金や保護被膜の検討が望ましいです。断続的な高温サイクルでは再時効処理により機械的特性を部分回復できる場合があるものの、元の組織を完全には復元できません。
用途
| 産業分野 | 代表的な部品 | 7077が使われる理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 構造用部品、鍛造品、ストリンガー | 極めて高い強度対重量比と優れた疲労性能 |
| 防衛 | ミサイル及び打ち上げロケットの部品 | 強度、厳しい公差、そして重量の重要性 |
| 高性能自動車 | サスペンション部品、ロールケージ | 高い静的強度と疲労強度を保ちながら質量を削減 |
| 産業用／機械 | 高荷重のシャフト及びバー | 高強度で厳しい公差への加工性 |
| 電子機器／熱管理 | 構造用ヒートスプレッダー（限定的） | 合理的な熱伝導性と剛性 |
7077は特に航空宇宙や防衛分野などで、構造的な軽量化と高い荷重容量が決定的な要素となる場合に使用されます。製造コストは性能向上で正当化される傾向にあります。その高い静的強度、疲労耐性、鍛造および精密加工部品での製造能力の組み合わせにより、フィッティングや高応力部品に適しています。
溶接性及び耐食性に制限があるため、7077は保護仕上げと厳密に管理された接合方法と組み合わせて使用されることが多く、荷重や疲労要求を満たしつつ重量増加が許されない場合に代替合金が使えない際に指定されることが多いです。
選定のポイント
単位重量あたりの最大静的強度および疲労強度が最優先であり、製造サプライチェーンが制御された熱処理と表面保護を提供できる場合に7077を使用してください。性能面で材料費や加工費の増加が正当化される構造用鍛造品、高荷重のフィッティング、薄肉航空宇宙部品に最適です。
純アルミニウム（例：1100）と比較すると、7077は電気・熱伝導性や成形性を犠牲にする代わりに、劇的に高い強度を持ちます。3003や5052のような加工硬化系合金と比べると、7077ははるかに高い強度を提供しますが、一般的に耐食性と成形性は劣ります。7077は構造用強度を目的として選び、成形の容易さや被覆なしの海洋腐食耐性を求める場合は適していません。
6061や6063のような一般的な時効硬化性合金と比べると、7077はピーク強度が大幅に高く、疲労寿命も優れることが多いですが、加工の難易度が上がり、応力腐食割れ（SCC）に対する感受性が増し、材料コストも一般的に高くなります。荷重、重量、疲労性能が主な選定基準であり、対象の設計が調質による制約に対応可能な場合に7077を選択してください。
まとめ
合金7077は、卓越した強度対重量比と調整可能な疲労特性を要求される高性能構造用途において、ニッチながら重要な材料です。適切な調質選択、工程管理、腐食防止により、7077は低強度アルミニウム合金では実現困難な部品の製造を可能にし、航空宇宙、防衛、その他の厳しいエンジニアリング分野での存在価値を保っています。