アルミニウム 7085：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
7085は7xxx系に属する高強度アルミニウム合金で、主にZn–Mg–Cuを含む合金であり、航空宇宙構造用に最適化されています。この合金は高い降伏強さおよび引張強さを重視しており、従来の7xxx系合金と比較して、強度、破壊靭性、および応力腐食割れに対する耐性のバランスを取るために合金成分が調整されています。
主要合金元素は、強化元素としての亜鉛、MgZn2強化析出物を形成するマグネシウム、そして焼入れ直後の強度を上げ、時効速度に影響を与える銅です。さらに、ジルコニウム、クロム、チタンの微量添加が一般的に用いられ、粒構造の制御、再結晶の抑制、および厚肉板や押出材における再結晶微細組織の精錬を図っています。
7085は熱処理可能な合金であり、溶体化熱処理、焼入れおよび人工時効により、緻密で一貫したMg–Zn系析出物を形成して最高強度を得ます。主な特性としては、非常に高い静的強度と同レベルの強度に対して良好な破壊靭性、従来の溶融溶接法による中程度から低い溶接性、最高強度時合金での成形性は限定的ですが、管理された過時効条件では優れた性能を示します。
典型的な用途は、航空宇宙の一次・二次構造材、高性能防衛部品および強度対重量比や損傷許容性が重要なその他の分野です。厚肉部での強度向上、割れ開始耐性の改善、航空宇宙用に適格な製品形状が必要な場合に、7075や7050が厚板で靭性や応力腐食割れの性能目標を満たさない際に7085が選択されることが多いです。
調質バリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優 | 優 | 完全焼鈍、冷間成形のための最大延性 |
| H111 | 低〜中 | 中 | 良 | 可 | 部分的に加工硬化、軽度の曲げ成形が可能 |
| T5 | 中〜高 | 中 | 可 | 低 | 高温からの冷却後に人工時効 |
| T6 | 高 | 低〜中 | 低 | 低 | 最大強度を得るためのピーク時効。静的構造に一般的 |
| T651 | 高 | 低〜中 | 低 | 低 | T6に加え、残留応力低減のための伸張応力除去処理 |
| T73 / T76 | 中〜高 | 中 | 可 | 低 | 応力腐食割れ耐性と破壊靭性を向上させる過時効調質 |
| H14 | 中 | 中 | 可 | 可 | 加工硬化済みで成形性は限定的、板材に使用 |
調質は強度・靭性・成形性のトリオを調節する主要な要素です。焼鈍状態は冷間成形性は大幅に高いものの強度は犠牲になります。一方、T6およびT651は最大静的強度を提供しますが延性は低減します。T73やT76などの過時効調質は、ピーク強度を意図的に下げて応力腐食割れ耐性と破壊靭性の向上を図っており、厚肉航空宇宙用板材で人気があります。
化学成分
| 元素 | 含有範囲(％) | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 最大0.10 | 不純物；強度への影響は限定的 |
| Fe | 最大0.20 | 一般的な不純物；過剰なFeは組織中の相を形成し靭性に影響 |
| Mn | 最大0.05 | 7xxx系では通常低濃度；役割は限定的 |
| Mg | 2.0〜3.0 | 主要な析出物形成元素（MgZn2）、時効硬化を促進 |
| Cu | 1.5〜2.5 | 強度向上および時効挙動と靭性に影響 |
| Zn | 6.5〜8.5 | 主要強化元素；強度と応力腐食割れ特性に合わせて調整 |
| Cr | 0.05〜0.25 | 再結晶抑制のための微細組織制御添加元素 |
| Ti | 0.02〜0.10 | 鋳造または圧延品での粒径細化剤 |
| その他（Zr, Ag, B） | 微量添加 | Zrなど微量添加により粒成長制御と靭性改善を行う。添加量は製造所や製品によって異なる |
この合金の性能は、元素系であるZn–Mg–Cuの組み合わせが支配的で、時効速度および析出物構造を決定します。高いZnおよびMgは強化析出物の濃密な分布を促し、Cuは析出物の組成および一貫性ひずみを修飾します。微量のZrやCrは厚肉板においてサブグレイン構造を生成し、回復および粒界析出物形成を抑制することで破壊靭性を改善し粒界腐食の感受性を減らします。
機械的性質
7085はピーク時効調質で高い引張強さおよび降伏強さを示し、低強度のアルミニウム合金と比較して伸びは低下します。降伏挙動は限定的な降伏降下を示しますが、板厚および時効状態に大きく依存します。厚板では焼入れ速度が遅いため、通常は降伏強さおよび引張強さが低下します。伸びは調質および厚さによって大きく変動し、Oまたは焼鈍材は20〜30％程度の伸びを示すのに対し、T6/T651は単桁台から低い二桁台にとどまります。
ピーク時効調質での硬さは高く、引張強さと相関します。T6/T651板材のブリネル硬さは通常、一般的な6xxx系よりかなり高く、他の高強度7xxx系合金と同等です。疲労性能は表面仕上げおよび残留応力に注意を払うと、同等の強度クラスにおいて一般的に良好ですが、局所的な腐食や加工傷により疲労裂けの進展および発生が悪化する可能性があります。板厚および熱処理経路は、焼入れおよび時効条件に敏感であり析出物分布や残留応力を制御するため、静的および疲労特性に大きく影響します。
| 特性 | O／焼鈍 | 代表的調質（例：T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約300〜380 MPa | 約540〜620 MPa | 厚さ増加で引張強さ低下；T6が最高強度 |
| 降伏強さ | 約140〜250 MPa | 約470〜560 MPa | 調質・時効状態により降伏／引張比率が変動 |
| 伸び | 約20〜30％ | 約6〜12％ | 焼鈍材はピーク時効材よりもはるかに高い成形性を持つ |
| 硬さ | 約70〜95 HB | 約150〜190 HB | 硬さは析出物密度および調質に相関 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.78〜2.82 g/cm³ | Zn–Mg–Cu合金アルミとして典型的。純アルミよりやや高密度 |
| 融点範囲 | 約480〜635 °C | 固相線・液相線は合金成分に依存。純アルミより融点範囲は広い |
| 熱伝導率 | 約120〜150 W/m・K | 純アルミより低く、固溶体散乱の影響による |
| 電気伝導率 | 約30〜40 % IACS | 低合金アルミより低い。固溶体元素により低下している |
| 比熱 | 約0.88〜0.90 J/g・K | 常温でのアルミニウムの典型的な比熱値 |
| 線膨張率 | 約23〜24 ×10⁻⁶ /K | 室温における圧延アルミ合金の典型的線膨張係数 |
物理特性は、高強度圧延アルミ合金として期待される範囲内にあり、密度は鋼材と比べて低く、優れた強度対重量比を実現します。熱伝導率および電気伝導率は、電子やフォノンの散乱を起こす合金元素の影響で低下しているため、設計者は商業用純アルミや1xxx系合金と同等の熱放散性能は期待しない方が良いでしょう。
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 mm | 薄板では強度が安定し、焼入れ感受性が低い | O, H111, T5 | 成形が必要な二次構造に一般的 |
| プレート | 6–200+ mm | 焼入れが遅い場合、厚みが増すにつれて強度が低下 | T6, T651, T73/T76 | 重量級プレートは応力腐食割れ対策のため焼入れ・過時効制御されることが多い |
| 押出材 | 大断面まで対応可能 | 断面サイズおよび析出制御により強度が決まる | T6/T651, T5 | プレートより稀で、複雑なリブなどの構造補強に使用される |
| チューブ | カスタム径・肉厚 | 成形および熱処理が機械的性質に影響 | T6/T651 | 溶接制限のある高強度構造用チューブに使用 |
| バー／ロッド | 直径最大150 mm | 断面寸法や後加工の時効により特性が変化 | T6, T651 | 鍛造品や継手、機械加工部品に使用される |
加工形態の違いが用途選択に影響し、シート・薄板は成形性や軽量構造向けに好まれ、厚肉断面の強度・靱性が必要な場合はプレートが指定されます。7085の押出や鍛造は稀で、高強度・靱性と特定断面形状が要求される部品に限定されることが多いです。
対応鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7085 | アメリカ | 北米の航空宇宙用プレートで主に使用される呼称 |
| EN AW | — | ヨーロッパ | 単一の直接的なEN標準対応はなく、多くの欧州製造所が独自の7xxx系合金を供給 |
| JIS | — | 日本 | 広く採用された直接的なJIS対応はなく、AAや独自呼称に依存する場合が多い |
| GB/T | — | 中国 | 中国製造所では類似の高Zn合金を生産するが、AA7085の直接的な標準対応は限られる |
7085は航空宇宙用の独自合金であり、国家規格で互換性の高い一対一の対応はほとんどありません。サプライヤーは機械的性質、化学成分、靱性基準に基づいたミル仕様を提供し、設計者は細かな成分範囲、調質定義、靱性データを比較して選定すべきです。単純な呼称番号だけでの照合は推奨されません。
耐食性
7085は大気曝露環境で一般腐食に対して一定の耐性を示しますが、亜鉛と銅含有量が高いため5xxxや6xxx系合金より局部腐食にはやや弱いです。ピッティングや剥離傾向を抑えるため、外装や過酷環境下では表面処理、クラッド材、保護コーティングが一般的に指定されます。適切に過時効（T73/T76）を施すことで、ピーク調質と比較して応力腐食割れ（SCC）耐性が向上します。
海洋環境での挙動は一様ではありません。保護されれば軽度の腐食環境では十分な性能を示しますが、裸露した塩水噴霧や波しぶき領域では長期耐久のためにコーティングやクラッドが必須です。一般的な締結部品や接触材料とのガルバニック作用にも注意が必要で、SUS304などのステンレス鋼と組み合わせると、アルミが陽極となり腐食を促進します。絶縁や陰極防食による対策が求められます。
7xxx系合金では応力腐食割れが重要な設計課題です。ピーク強度調質は特に、引張残留応力および腐食性電解質がある状況下で脆弱になります。過時効処理やZr/Cr添加による粒界析出物制御により耐SCC性を向上させることが標準的な対策です。5xxx・6xxx系と比較すると高強度を優先して耐腐食性は犠牲にされており、7075や7050と比較しては厚肉の靱性・耐SCC性で優れたバランスを目指しています。
加工性
溶接性
7085の従来型熔融溶接は、一次構造材としては熱影響部（HAZ）の軟化が激しく、強度低下や熱割れ・気孔の問題があるため一般的には推奨されません。溶接が必要な場合は摩擦撹拌接合（FSW）や固相接合が望ましく、これにより熔融関連の欠陥を減らし母材特性を保ちます。熔融溶接を非重要接合に使用する際は、専用の充填材や前後処理の温度管理が必須ですが、設計者はHAZ軟化帯と疲労寿命低下を考慮する必要があります。
切削性
T6/T651調質の7085は他の高強度7xxx系合金に比べて中程度から良好な切削性を示します。展延材中の比較的均一な微細組織が有利ですが、6xxx系合金よりも工具摩耗は大きくなります。カーバイド工具の鋭い刃先形状、ポジティブラケット、剛性の高い機械設定および充分な冷却液の使用が推奨され、切り屑管理と発熱抑制に寄与します。加工面の仕上げや残留応力は疲労寿命やクラック開始に影響するため、航空宇宙部品では最終仕上げや応力除去処理が重要です。
成形性
成形性能は調質および厚さに大きく依存し、OおよびH111調質が最も良好な冷間成形性と小曲げ半径を持ちます。T6/T651は曲げ加工時に割れが発生しやすく不向きです。推奨曲げ半径は強度増加に伴い大きくなり、板厚増加で小さくなります。厚板の複雑形状加工には温間成形や予熱後再時効処理が用いられます。シート成形では適切な調質選択と工具設計により、ばね戻りとエッジ割れの低減が可能です。
熱処理特性
7085は熱処理可能な合金であり、溶体化処理は通常470–480 °C付近で可溶相を溶解させ、急冷して過飽和固溶体を保持します。人工時効は目的性能に応じて変わり、典型的なピーク時効（T6）は120–130 °Cで16–24時間程度です。過時効（T73/T76）は析出物の粗大化を促し、応力腐食割れ抵抗性を向上させるため、より高温または長時間の処理が行われます。T651はT6に制御された伸張処理を加え、残留応力を低減した調質で航空宇宙用プレートに多用されます。
T調質は急冷後の自然時効効果と、中間的な特性を得るために途中時効や逆戻り再時効（RRA）処理を行い、強度損失を抑えつつ靱性と耐SCC性を回復することが特徴です。厚板では急冷速度、時効温度、溶体化時間の厳密な管理が求められ、局所軟化帯の発生や機械的性質のばらつきを防止します。
耐高温特性
7085の強度は高温で低下し、析出物の粗大化により効果が減少します。常温付近の静的性質を維持できる使用限界温度は概ね100–120 °C以下で、時間や荷重条件によって異なります。時効温度を超える長時間の曝露は強度低下と過時効を促進するため、設計者は運用や加工中の一時的高温にも配慮が必要です。アルミ合金として通常のサービス温度での酸化は最小限ですが、高温かつ湿潤環境では局部腐食が進行しやすくなります。
溶接部では熱影響部（HAZ）が特に弱点で、析出物の溶解・粗大化により軟弱帯が発生し、荷重支持能力および疲労抵抗が低下します。加熱や熱サイクルのある部品は応力除去処理や適切な調質選択で長期的な特性劣化を抑制します。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 7085を使用する理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 翼板および構造リブ | 厚板における高い強度対重量比と靱性 |
| 海洋／防衛 | 高強度構造用継手 | 損傷許容性と高静的強度、重量低減が重要 |
| 輸送機器 | 高性能車両の軽量シャーシ継手 | 強度が優れ薄肉化・軽量化に貢献 |
| 電子機器／熱管理 | 堅牢な電子機器向け構造熱拡散板 | 適度な熱伝導率と構造性能の両立 |
7085は高価で安全性要求が高い部品に選定されることが多く、高い引張・降伏強さと厚板における靱性向上のバランスを重視します。採用は航空宇宙・防衛分野に集中し、仕様レベルの認証、プレートの入手性、トレーサビリティのある加工が求められます。
選定のポイント
7085は厚板での高強度・靱性向上が必要で、溶接性や成形性の制限を設計者が許容できる場合の自然な選択肢です。成形や熔融溶接が優先される場合は、強度の低い合金や特別調質のほうが適している可能性があります。
一般的な純アルミニウム（1100）と比較すると、7085は電気伝導性や熱伝導性、成形性を犠牲にして大幅に高い強度と剛性を実現しており、伝導性や深絞り加工が必要な用途には適しません。加工硬化系合金の3003や5052と比較すると、7085ははるかに高い強度を持つ一方で、腐食耐性や延性は一般的に劣ります。腐食によるメンテナンスの懸念よりも構造性能を重視する場合に7085を選択してください。熱処理可能な一般的な合金である6061と比較すると、7085は板厚において著しく高い最大強度としばしば優れた靭性を提供しますが、材料コストが高く溶接のしやすさは低下します。追加の強度と損傷許容性が求められる主要構造部材には7085が推奨されます。
まとめ
7085は7xxx系合金の中で高い性能を持つニッチな位置を占めており、厚肉板において非常に高い強度を発揮しながら、制御された化学組成と熱処理（テンパー）により靭性と応力腐食割れ（SCC）抵抗のバランスを取っています。この合金は航空宇宙や防衛部品での採用例が示すように、損傷許容性を犠牲にすることなく構造重量を削減できる能力を持っており、材料性能がコストおよび加工制約を正当化する厳しい構造用途に適した選択肢です。