アルミニウム 712：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 712は高強度かつ熱処理可能なアルミニウム合金で、亜鉛を主要強化元素とする7xxx系ファミリーに属します。化学成分はZn-Mg-Cuが主成分であり、時効硬化を促進します。さらに結晶粒制御と靭性向上のためにCr/TiまたはZrの微量添加がよく用いられます。主な強化機構は、溶体化処理後の人工時効による析出硬化ですが、一部の硬度処理では性質調整のために限定的な加工硬化も使用されます。典型的な特長としては、高い静的強度と重量に敏感な構造物に適した良好な剛性、中程度の熱伝導性および電気伝導性、そして5xxx系や6xxx系と比較した場合の一般的な耐食性と溶接性の低下が挙げられます。
Alloy 712は主に航空宇宙分野や高性能輸送機器で使用されており、強度対重量比と破壊性能が重視されます。また高強度を必要とする海洋用途や特殊自動車用途にも採用され、優れた構造性能が求められます。設計範囲内で高い降伏強さと引張強さが必要とされる場合、より低強度の合金の代わりに選択されることが多く、特殊材料やより厚い材厚への依存を避けることができます。エンジニアは、設計が高い比強度と疲労耐性を要求しつつも、管理された製造プロセスと腐食対策が必要な場合に712を選択します。6xxx系と比較すると、712は成形性と溶接性が犠牲になる代わりにより高いピーク強度を提供するため、汎用構造用合金というよりは専門用途向けの材料です。
硬質状態の種類
| 硬質状態 | 強度レベル | 伸び率 | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、成形用の最大の延性 |
| H14 | 中 | 中-低 | 良好 | 普通 | 時効なしの中間強度まで加工硬化 |
| T5 | 中-高 | 中 | 普通 | 普通 | 高温成形プロセスから冷却後に人工時効 |
| T6 | 高 | 低-中 | 限定的 | 不良 | 溶体化処理および人工時効でピーク強度達成 |
| T651 | 高 | 低-中 | 限定的 | 不良 | 溶体化処理後に伸張応力除去し、人工時効 |
| T73 | 中-高 | 中 | 良好 | 改善 | 過時効状態により応力腐食割れ抵抗と靭性が向上 |
硬質状態は712の強度と延性のバランスを強く支配します。OおよびH硬質状態は大幅な成形が必要な場合に使用され、T硬質状態は制御された析出硬化により強度を最大化します。T73のような過時効硬質状態は、若干のピーク強度低下を犠牲にして破壊靭性と応力腐食割れ抵抗の向上を目的として採用されます。
化学成分
| 元素 | 含有率範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.10–0.40 | 微量不純物で鋳造特性の調整に寄与 |
| Fe | 0.10–0.50 | 不純物で、靭性に影響する金属間化合物を形成することがある |
| Mn | 0.05–0.30 | 微量添加で結晶粒構造と強度をわずかに改善 |
| Mg | 1.3–2.5 | Znと共にMgZn2析出物を形成する主要共合金元素 |
| Cu | 0.8–2.0 | 強度向上および時効硬化速度制御に寄与 |
| Zn | 4.5–6.5 | 7xxx系合金における主要強化元素 |
| Cr | 0.02–0.30 | 再結晶制御と靭性向上のための微量合金元素 |
| Ti | 0.01–0.10 | 加工品における結晶粒微細化剤 |
| その他 | 残り / 不純物（各々<0.05–0.5） | 結晶粒制御や微細構造安定化に寄与するZr、Vなどの残留元素 |
Zn-Mg-Cu系が時効硬化特性を決定付けます。ZnとMgは細かいMgZn2析出物を形成し、時効後の大部分の強化を担います。Cuは析出速度を変化させ、ピーク強度を向上させます。Cr、Ti、Zrといった微量合金元素は、溶体化処理中の結晶粒成長を抑制し、微細な亜粒子構造を安定させることで破壊靭性や疲労耐性を向上させます。残留元素および不純物は粒界相の形成および応力腐食割れの感受性および靭性に影響を与えます。
機械的性質
引張荷重下で712は典型的な熱処理可能アルミ合金の挙動を示し、強度および延性は硬質状態に強く依存します。溶体処理およびピーク時効状態では高い引張強さと降伏強さを持ちながら、適度な延性を維持します。ピーク硬質状態における降伏強さは通常、最終引張強さの大部分に達し、これは使用環境下での寸法安定性を高めますが、成形性の低下やバネ性（スプリングバック）の増大を招きます。硬さは引張特性と良好に相関し、時効による析出物の発生に伴い大幅に上昇します。この硬化は加工特性や疲労クラックの初期発生に影響します。板厚や断面サイズは冷却速度に関係する焼き戻し感受性のためピーク強度に影響し、厚板は冷却が遅いため引張強さおよび靭性が低下する傾向があります。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的硬質状態（例：T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約220–260 MPa | 約520–580 MPa | T6のピーク時効値は他の高Znアルミニウムと同等。断面厚さ依存あり |
| 降伏強さ | 約60–120 MPa | 約460–520 MPa | 時効により大幅増加。T6状態の降伏率は高い |
| 伸び率 | 約18–26% | 約6–12% | 時効により延性低下。成形が厳しい場合はO状態が推奨 |
| 硬さ | 約50–75 HB | 約140–165 HB | 時効および析出によりブリネル硬さは大幅上昇 |
適切に処理された712の疲労性能は、表面状態、残留応力状態、腐食管理が適切であれば、低強度合金と比較して優れています。ピーク疲労強度はT651や過時効状態で達成され、この状態は強度とクラック進展抵抗のバランスを取ります。一方、ピーク時効状態は静的強度を最大化しますがクラック感受性が高まる傾向があります。
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.78 g/cm³ | Al-Zn-Mg-Cu合金として標準的、優れた比強度を持つ |
| 融点範囲 | 約500–645 °C | Zn/Cu含有量と二次相によって固相線・液相線の幅に差がある |
| 熱伝導率 | 120–150 W/m·K | 純アルミニウムより低く、合金元素および析出物により減少 |
| 電気伝導率 | 28–38 % IACS | 溶質および析出物の存在により純アルミニウムより低い |
| 比熱 | 約0.90 J/g·K | 多くの加工アルミ合金とほぼ同等 |
| 熱膨張係数 | 23–24 µm/m·K | アルミ合金の特性を代表する熱膨張率 |
この物理的性質により、712は熱安定性と十分な熱拡散性が求められる重量制約が厳しい構造部品に適しています。ただし、電気および熱伝導率はより純度の高いアルミニウム材よりも劣ります。融解および凝固範囲は鋳造性や溶接性に影響を与え、第二相の形成は合金成分の調整と工程管理により制御される必要があります。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な硬さ | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3–6.0 mm | 薄板で強度が安定しており、成形パネルに適する | O, H14, T5, T6 | 高い比強度と薄板成形が必要な用途に使用される |
| プレート | 6–150+ mm | 厚さにより強度と靭性が変化し、厚板は焼入れの影響を受けやすい | O, T6, T651, T73 | 厚板セクションは焼入れおよび時効処理中の熱管理が厳密に求められる |
| 押出材 | 肉厚 1–20 mm | 押出形状は高強度を実現できるが、焼入れ速度に制約がある | T5, T6（後時効） | 複雑な断面は直接時効や塗装焼付けサイクルが必要な場合がある |
| チューブ | 外径 10–300 mm | 機械的性質は製造工程や肉厚の減少度に依存する | O, T6 | シームレスまたは溶接チューブはピーク特性を得るために後熱処理が必要 |
| 丸棒／棒材 | 直径 3–150 mm | 棒材は固溶化／焼入れ／時効処理に良く反応し、断面サイズが特性を制御する | O, T6 | 継手部品、機械加工部品、高応力部品に使用される |
各製品形状によって目標特性達成のための加工条件は異なります。薄板は急冷・時効処理が速やかに行えピーク状態を得やすい一方、厚板は残留応力勾配を低減するために特殊な焼入れや過時効処理が求められます。押出・圧延の履歴は再結晶挙動や最終的な異方性に影響を及ぼすため、設計者は配向特性や冷間加工・伸線矯正による硬さ変化を考慮する必要があります。
相当グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 712 | USA | 高強度Zn–Mg–Cu系加工合金ファミリーの業界指定 |
| EN AW | 直接の相当なし | ヨーロッパ | 712に正確に対応するEN AW指定はなく、最も近いのはAW-7075およびAW-7050 |
| JIS | 直接の相当なし | 日本 | 正確なJIS対応品はなく、性能的に近いのはA7075シリーズ合金 |
| GB/T | 直接の相当なし | 中国 | 中国の規格でも類似の高強度Zn–Mg–Cu合金はあるが712の直接的相当品はない |
712と近接した標準グレード間の微妙な差異は、正確なZn/Mg/Cu比率および微量添加元素の違いによる析出シーケンスや焼入感度の変化から生じます。CuやZnのわずかな変動でもピーク時効強度、破壊靭性、応力腐食割れの感受性が変わるため、直接置換の際は機械的試験や腐食評価による検証が必要です。地域ごとの規格には性能が近い代替品が存在しますが、硬さ指定、製品形状の適用範囲、性能証明書を十分に確認して指定してください。
耐食性
合金712は非腐食性環境において中程度の大気腐食耐性を示しますが、ZnやCu含有量が高いため5xxx系やアニールされた6xxx系合金に比べて局部腐食やピット腐食に対して感受性が高いです。海洋や塩化物環境下では塗装系やアルマイト処理、陰極防食などの保護措置が必要で、そうしないとピット腐食や層状剥離が部品の劣化を加速させます。応力腐食割れ（SCC）は高強度Zn–Mg–Cu系合金でよく知られたリスクで、冶金状態、残留応力、時効状態に敏感です。過時効（例：T73）や伸延による残留応力除去はSCC感受性を低減します。異種金属との起電力差による影響も重要で、712はステンレス鋼に対して陰極、マグネシウムに対して陽極のため、ガルバニック腐食を避けるために絶縁や適合するファスナー・コーティングの使用が推奨されます。
5xxx系（Mg基）合金と比べると、712は耐食性を犠牲にして強度を高めています。5xxx系は一般に重厚な保護なしでも海洋環境に強い傾向があります。6xxx系合金と比較すると、712は静的強度が高いものの、一般的腐食性および溶接部性能は劣るため、露出環境では追加の表面保護が必要です。
加工性
溶接性
従来の溶融溶接（TIG/MIG）による合金712の溶接は困難です。熱入力により析出状態が変化し、熱影響部（HAZ）が軟化して溶接部周辺の強度が大幅に低下するためです。特殊なフィラー材と工程管理により熱割れリスクは抑えられますが、適切なフィラーを使用しても修理・溶接継手は母材のピークT6強度を回復できることは稀です。より高い機械的特性および気孔や割れを最小限にするためには摩擦撹拌溶接（FSW）が好まれます。歪み防止と継手性能最適化のために溶接前後の制御加熱、焼入れ／時効処理や局所的な機械的残留応力除去処理が一般的に必要です。
切削性
712の切削性は、T6硬さで多数の高強度アルミニウム合金と比較して良好ですが、工具に対する力や切り屑処理はより大きくなります。正の逃げ角を持つ超硬工具や適切なコーティングが施された高速鋼工具が推奨されます。切削速度と送り速度は工具寿命と仕上げのバランスを考慮して調整し、熱影響を抑え工具のビルドアップエッジ防止に冷却液使用が望ましいです。表面仕上げや加工起因の残留応力は疲労特性に影響を与えるため、航空宇宙部品などでは最終仕上げ切削や応力除去処理を指定してください。
成形性
成形は延性と曲げやすさが最大となるO硬さまたは軟質H硬さ条件が最適です。T6やその他のピーク時効硬さは冷間成形能力が制限され、バネ性が大きく割れのリスクが高まります。最小曲げ半径は板厚や硬さに依存しますが、経験則としてはT6状態で材料厚さの2–4倍、O硬さでは1–2倍の半径を設計するのが安全です。高強度部品の複雑形状成形には、概形成形後に熱処理（時効または固溶化／時効工程）を行う手法が最も実用的な場合が多いです。
熱処理特性
熱処理によって強化可能な合金である712は、標準的な固溶化処理、焼入れ、人工時効のプロセスを経て最大の機械的性能を発揮します。固溶化処理温度は通常470–490 °Cで可溶相を溶解させ、その後急冷して過飽和固溶体を保持し、時効中に析出させます。人工時効条件は強度とSCC耐性のバランスにより変化し、典型的なT6時効は120–130 °Cで数時間加熱してピーク硬さを得ます。過時効処理（T73）は高温または長時間加熱により析出物を粗大化させ、破壊靭性と耐食性を改善します。T硬さ遷移は特性調整に用いられ、再結晶焼鈍や管理された自然時効がその後の人工時効応答を左右するため、再現性ある特性取得には厳密な管理が必要です。
712では析出硬化が主な強化機構であり、加工硬化の寄与は限定的ですが、冷間加工を利用して中間硬さ（例：H1xシリーズ）で強度を補強することも可能です。全面焼鈍によりO硬さに戻し、成形前の準備工程として用いられます。
高温特性
合金712の高温での強度保持は限定的で、約120–150 °C以上で析出組織が粗大化・整合性を失い著しく軟化します。約200 °Cまでの短時間暴露ではある程度の残留強度を維持しますが、高温での長期使用は降伏点低下やクリープおよび残留応力の緩和を加速させます。アルミニウム合金では中程度の温度で酸化は少ないものの、保護コーティングが劣化し熱安定性が不足すると局部的な腐食が生じます。溶接やその他の熱処理による熱影響部は析出溶解と再析出により強度低下が顕著なため、製造工程中の熱管理が機械的完全性の維持に極めて重要です。
用途
| 業界 | 代表的な部品 | 712を使用する理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 胴体金具および翼貫通構造 | 主要構造部材に求められる高い比強度と破壊靭性 |
| 海洋 | 高強度船体金具およびスパー | 適切な耐食保護と併せての高い強度対重量比および優れた疲労耐性 |
| 自動車 | 高性能シャーシ部品およびサスペンション部品 | 最大強度と剛性により質量低減を実現する軽量化 |
| 電子機器 | 構造フレームおよび高強度ブラケット | 強度と寸法安定性、適度な熱伝導性 |
| 防衛 | 砲弾の筐体、構造用ブラケット | 高強度と繰り返し荷重下での優れた疲労性能 |
合金712は、高い静的強度、許容できる靭性、および管理可能な製造工程のバランスが、安全性や重量が重要な構造物に明確な性能上の利点をもたらす場合に選定されます。追加の耐食保護と制御された製造プロセスを予算に組み込める場合に最も効果的です。
選定のポイント
合金712は、高い静的強度と剛性が設計上の優先事項で、かつ熱処理や耐食保護を管理した製造計画が含まれる場合に最適です。商業用純アルミニウム（例：1100）と比較すると、電気・熱伝導性および成形性を犠牲にして大幅に高い引張強さと降伏強さを得られるため、最高の伝導性や深絞り加工が要求される用途には適しません。
一般的な加工硬化系合金（例：3003や5052）と比べると、合金712は著しく高い強度を提供しますが、成形性が低下し、海洋環境での耐食性も劣ります。成形のしやすさや固有の耐食性よりも構造強度を優先する場合に712の使用が推奨されます。熱処理可能な6xxx系合金（例：6061/6063）と比較すると、712はピーク強度で優れますが、通常、溶接部の特性や耐食性は劣ります。最大の重量対強度比が必要で、設計段階で特殊な接合や摩擦撹拌接合（FSW）、および保護コーティングが考慮されている場合に712を選択してください。
総括
合金712は、優れた比強度と良好な疲労特性を持つ高強度の熱処理型アルミニウムを求める設計者にとって依然として有力な選択肢です。製造管理と耐食対策が適切に実施される場合に、航空宇宙、海洋、高級輸送用途に対して信頼性の高い高性能ソリューションを提供します。