Aluminum 713：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
Alloy 713は、高強度かつ熱処理可能なアルミニウム合金ファミリーに位置し、7xxx系の化学組成および性能範囲に最も近い合金です。主に亜鉛を主要な強化元素として合金し、マグネシウムや銅と組み合わせて析出硬化型の微細組織を形成します。
713の主な強化機構は、溶体化処理後の制御冷却および人工時効による時効硬化であり、MgZn2（イータ）相の整合性のある半整合性析出物の形成を通じて顕著な強化効果を示します。特徴としては、比重に対して高い引張強さおよび降伏強さ、5xxx系や6xxx系合金と比較して中程度から低い固有の耐食性、柔らかい固溶状態での限られたが実用的な成形性、溶接時には熱影響部軟化や割れを避けるための注意が必要な溶接性を挙げられます。
一般的な用途は、航空宇宙の構造用フィッティング、高性能自動車部品、防衛装備品および重量対強度比が重要な海洋・スポーツ機器などです。絶対的な耐食性や溶接の容易さよりも、設計上ピークの静的・疲労強度、剛性、損傷許容性を重量当たりで優先する場合に低強度合金より713が選択されます。
設計者は、比較的予測可能な時効挙動を持つ溶体化処理可能なアルミニウム合金から最大強度を引き出す必要があり、かつ溶接後の機械的回復や腐食対策（塗装、アルマイト処理、犠牲陽極合金など）を適用可能な場合に713を選択します。
焼きなまし状態
| 状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 (12–20%) | 優秀 | 優秀 | 完全焼きなまし、成形や絞り加工に最適 |
| H14 | 中 | 中程度 (8–12%) | 良好 | 普通 | 加工硬化状態、追加の強化は限定的 |
| T5 | 中高 | 中程度 (6–10%) | 中程度 | 普通 | 熱間加工品を冷却し人工時効 |
| T6 | 高 | やや低め (6–10%) | 普通から劣る | 制限あり | 溶体化処理＋人工時効、ピーク強度状態 |
| T651 | 高 | やや低め (6–10%) | 普通から劣る | 制限あり | T6に応力除去のため伸張処理を加え安定化 |
| H112 | 変動あり | 変動あり | 変動あり | 変動あり | 製造時のままの状態；ベンダー管理条件 |
焼きなまし状態は713の機械的特性に大きく影響します。焼きなましO状態は強度を犠牲にして最大の延性と成形性を実現し、T6/T651は伸びや曲げ性は落ちるもののピークの降伏強さおよび引張強さを発揮します。焼きなまし状態の選択は、必要な成形工程、最終使用時の強度、溶接後の応力腐食割れや熱影響部軟化などへの耐性との間の工学的な折衷になります。
化学組成
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | 不純物；鋳造流動性や硬化性にわずかな影響 |
| Fe | ≤ 0.50 | Feリッチな介在物が靭性や疲労寿命を低下させる |
| Mn | ≤ 0.30 | 微細組織改良剤；固溶強化は限定的 |
| Mg | 2.0–2.9 | MgZn2析出物の主要成分；時効動力学を制御 |
| Cu | 1.2–1.8 | 強度と硬さ向上に寄与、耐食性は若干低下 |
| Zn | 5.1–6.5 | 主力強化元素としてMg-Zn析出物を形成 |
| Cr | 0.10–0.30 | 再結晶や組織制御、靭性向上に寄与 |
| Ti | ≤ 0.10 | 鋳造時や一次加工中の結晶粒細化剤 |
| その他（各） | ≤ 0.05–0.15 | 微量添加元素や残留元素；残部アルミニウム |
713の化学組成は析出硬化を目的に調整されており、亜鉛とマグネシウムの組み合わせが時効中の主要強化相を形成し、銅はピーク強度の向上と硬さ増加をもたらす一方で耐食性は若干低下します。クロムと微量チタンは微細組織の安定化剤として作用し、結晶粒を細かくして熱機械加工中の再結晶感受性を低減します。
機械的特性
引張挙動において、713は状態と断面厚さに強く依存します。ピーク時効のT6/T651状態では高い引張強さと降伏強さを示しながら、適度な伸びを持つのに対し、焼きなまし状態は強度は低いものの延性と靭性が優れます。応力-ひずみ曲線は高強度状態での一様塑性が限定的で局所的絞りが早期に発生しますが、弾性率や弾性挙動は他のアルミニウム合金と同様に適度に保持されます。
降伏強さおよび引張強さは時効条件や断面厚さに敏感です。厚みがあると冷却速度が遅くなり、ピーク硬さ低下や時効動力学の変動を引き起こします。硬さは工場内での熱処理判定や強度レベルの指標としてよく使われ、ブリネル硬さまたはビッカース硬さの測定値は引張強さに相関します。疲労性能は表面仕上げや残留応力の管理が良好であればクラス中で競争力がありますが、腐食、切欠き、冷間加工履歴に強く影響されます。
| 特性 | O／焼きなまし | 主要な状態（例：T6／T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ（UTS） | 240–320 MPa | 520–590 MPa | T6/T651ピーク時効値は厚みと時効スケジュールによる |
| 降伏強さ（0.2%オフセット） | 110–200 MPa | 450–540 MPa | O状態からT6で大幅に増加；HAZでは局所的に降伏強さが低下する可能性 |
| 伸び（50 mmゲージ長） | 12–20% | 6–12% | 時効および冷間加工により伸びが低下；測定方法に注意 |
| 硬さ（HB） | 60–80 HB | 140–170 HB | ブリネル範囲は目安；硬さは引張特性に相関 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.80 g/cm³ | 高強度Al-Zn-Mg-Cu合金に典型的；優れた比強度を有する |
| 融点範囲 | 約500–635 °C（固相線から液相線） | 純アルミニウムより液相線が若干低い；鋳造余裕が重要 |
| 熱伝導率 | 約120–140 W/m·K | 6xxx系や純アルミより低いが熱拡散性は良好 |
| 電気伝導率 | 約30–35% IACS | 合金化により低下；7xxx系合金として標準的 |
| 比熱 | 約0.88 J/g·K | 他の圧延アルミ合金とほぼ同等 |
| 熱膨張係数 | 約23.2 µm/m·K | 一般的なアルミニウムの数値に近い；熱ひずみ設計が必要 |
物理特性のセットにより、713は軽量で熱伝導性に優れ、熱管理用途において予測可能な膨張と熱容量を持つ構造用金属として定義されます。純アルミに比べて電気伝導率は低いため大電流導体としての使用は制限されますが、機械的強度が求められる熱シンク用途では熱伝導性能は十分です。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚さ・寸法 | 強度挙動 | 一般的な焼きなまし状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3–6.0 mm | 薄肉断面に均一な強度；OやH状態で冷間成形性良好 | O, H14, T5, T6 | パネルや外装部品に広く使用 |
| プレート | 6–200+ mm | 厚みによる影響大；厚板は特殊な冷却管理なしではフルT6強度に達しにくい | O, T6, T651 | 構造用途は冷却管理が重要 |
| 押出材 | 断面サイズが数百mmまで | 熱機械処理および時効により機械特性変動；方向性異方性あり得る | T5, T6, H112 | 枠材やリブ材など長尺部品 |
| 管 | 直径10–200 mm | 製造方法（シームレス・溶接）および熱処理に敏感 | T6, T651 | 油圧、構造用、輸送用管 |
| バー・ロッド | 直径5–100 mm | 通常T6またはOで製造；時効反応は予測可能 | O, T6 | ファスナー、継手、機械部品 |
シートや薄板は成形が容易で機械的特性も安定していますが、プレートや厚押出材は溶体化処理時の冷却速度や変形に注意が必要です。押出材や丸棒は後工程での時効処理（T5/T6）で強度最適化が一般的に行われます。一方、溶接管や構造材は溶接後の熱処理や熱影響部軟化を考慮した設計が必要です。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 713 | USA | この専用／業界グレードの指定。7xxx系の特性に近い挙動を示す |
| EN AW | — | ヨーロッパ | 正確なENの同等品なし。一般的な比較対象はEN AW-7075およびEN AW-7050 |
| JIS | — | 日本 | 直接のJIS同等品はなし。機械的性質の比較ではA7075系合金と類似 |
| GB/T | — | 中国 | 直接のGB/T同等品はなし。中国の7xxx系合金は類似の化学成分と性能を示す |
713と一対一にマッピングされる単一の国際標準は存在せず、設計、調達、認証のために一般的に確立された7xxx系合金（7075、7050）の挙動を参照します。銅、亜鉛、マグネシウムの含有量の微小な差異や微合金元素（Cr、Zr、Ti）の存在が、時効応答、靭性、応力腐食割れ感受性に実質的な違いをもたらし、供給者の材料証明書での確認が必須です。
耐食性
大気環境下では、合金713はコーティング、塗装、または陽極酸化膜で保護されている場合に概ね良好な性能を示しますが、露出した素地は5xxx系や6xxx系合金に比べてピット腐食や剥離が発生しやすい傾向があります。銅含有量と高強度析出相の構造により、局部腐食および粒間腐食の感受性が高まり、特に湿潤／乾燥の繰り返しや塩化物を含む環境下で顕著です。
海洋環境での使用は注意が必要で、適切な表面保護と陰極／陽極絶縁があれば、やや過酷な環境でも利用可能ですが、連続浸漬や波しぶきゾーンではステンレス鋼や5xxx系合金が好まれることが多いです。応力腐食割れは高強度の調質（T6/T651）で実際の問題であり、特に引張残留応力や高塩化物濃度下で顕著です。設計上の対策としては引張応力の低減、低強度調質の使用、あるいは防護システムの適用が挙げられます。
ステンレス鋼や銅合金などより貴な材料とのガルバニックカップリングは713の局部腐食を促進する可能性があり、異種金属の組み合わせには犠牲被覆や絶縁バリアが推奨されます。3xxx系／5xxx系合金に比べて713は優れた機械的性質を持つ一方で、基本的な耐食性は低く、システムレベルでの腐食制御が必要です。
加工性
溶接性
713は高強度調質での溶接が難しい合金です。標準的な溶接法（TIG/MIG）では熱影響部（HAZ）が大きく軟化し、溶接部周辺でピーク特性が失われ、フィラー材の選択と接合設計を最適化しないと熱割れが発生しやすいです。低強度のフィラー合金（アルミニウムでは5356や4043相当）を用いると割れリスクは低減しますが、母材より低強度の溶接部となります。可能な場合は溶接後熱処理や機械的回復処理を行い、構造的な回復を図る必要があります。
切削性
T6/H調質での713の切削性は多くの高強度鋼に比べて良好ですが、高強度かつ切削面での加工硬化傾向により堅牢な工具とコーティングが必要です。ポジティブラケット角と制御されたチップブレーカーを備えた超硬工具が効果的で、切削速度は中程度、送りは高めに設定してビルトアップエッジの発生を避けます。仕上げ面は非常に良好ですが、締め付けとワークホルダーは変形を制御して寸法公差を確保する必要があります。
成形性
成形はOまたは軟らかいH調質で最も効果的で、曲げ半径は調質と板厚で決まり、通常T6状態ではR/t比が大きくなります。時効と銅含有量により冷間成形性は急速に低下するため、設計者は軟調質で成形し、最終的に形状や残留応力が許せば後から時効処理を行うことが一般的です。複雑形状の加工にはアニーリング材および管理されたひずみ経路による水圧成形やストレッチフォーミングが実用的です。
熱処理挙動
合金713は熱処理可能な合金で、古典的なT調質遷移を示します：固溶化熱処理により可溶相が溶解し、過飽和固溶体を形成。急冷でその状態を保持し、人工時効で強化相を析出させます。一般的な固溶化処理温度は470～490 °Cの範囲で、粗大析出相の形成を抑えるため室温まで急冷します。
ピーク強度T6の人工時効は通常120～180 °Cで数時間行い、条件を変えることで、靭性向上や応力腐食割れ感受性低減を狙ったT5様または未時効状態を作ります。T651は急冷後の残留応力を緩和する制御された伸線を含み、寸法安定性を高め構造用に適します。
アニーリングが必要な場合は340～400 °C付近で完全な軟化熱処理（O）を行い、遅冷して再結晶化を促し延性を回復します。冷間変形による加工硬化は、熱処理が困難な場合の強度向上の代替手段となります。
高温性能
713の強度は約120～150 °Cを超えると明瞭に低下し始めます。析出相の安定性変化と粗大化により降伏強さ・引張強さが減少します。荷重をかける部品の連続使用温度は一般的に約150 °C以下が推奨され、特別な高温調質が開発されていない限りそれを超える使用は避けられます。空気中での酸化は自然生成するアルミナ層により抑制されますが、高温では表面スケール形成が促進され、疲労き裂の発生挙動に影響を与える可能性があります。
局所的な高熱入力（溶接）下の熱影響部では軟化帯や析出相溶解が発生し、重要部品では後処理の熱処理により特性回復が必要です。高温でのクリープ耐性は限定的で、長期の熱負荷がかかる場合は耐熱性アルミ合金や他の材料の採用が設計者により選択されます。
用途例
| 産業分野 | 代表的な部品 | 713が使われる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 高性能サスペンションアーム、構造用クロスメンバー | 軽量化のための高い比強度および剛性 |
| 海洋 | 舵軸、高強度ブラケット | 強度対重量比と適切なコーティングによる耐食性 |
| 航空宇宙 | フィッティング、フラップトラック、着陸装置部品（非主要部位） | 高い静的および疲労強度、良好な切削性 |
| 電子機器 | ヒートスプレッダーおよび構造用シャーシ | 良好な熱伝導性と高強度の両立 |
これらの分野では、単位質量あたりの剛性および強度が設計上の決定要因であり、表面保護戦略により腐食リスクを管理可能な場合に713が選択されます。複雑な荷重支持部品を製造するために切削や二次加工を要する用途で特に有用な合金です。
選定のポイント
最高の比強度を重視し、時効硬化工程や制御された熱処理を製造に組み込める場合に713を選択してください。成形時には軟らかい調質を指定し、最終的に必要な機械的性能を得るために後から時効処理を計画してください。
商業純アルミニウム（1100）と比較すると、713は高い強度と剛性と引き換えに電気伝導性とピーク調質時の成形性が低下します。3003や5052などの作業硬化合金と比較すると、713ははるかに高い強度と疲労耐性を実現しますが、基本的な耐食性は劣り熱処理が必要です。6061や6063などの熱処理可能合金と比較すると、713は同程度の密度でより高いピーク強度を達成しますが、靭性、溶接性、応力腐食割れ感受性において劣るため、強度と重量比がこれらのトレードオフを上回る場合に選択されます。
まとめ
合金713は、単位質量あたりの最大機械的性能が求められ、熱処理、表面保護、残留応力を管理可能な製造工程が整った場合に価値のある高強度熱処理アルミニウム合金です。設計者に対しては引張強さ、切削性、熱性能の優れたバランスを提供し、システムレベルでの腐食制御や接合戦略を含む場合に強力な選択肢となります。