アルミニウム7150：組成、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

7150は7xxx系アルミニウム合金の一つで、高強度のAl‑Zn‑Mg‑Cu系ファミリーに属し、航空宇宙グレードの構造用途で広く使用されています。組成は亜鉛を主要合金元素とし、マグネシウムと銅を適量含み、粒子構造制御および再結晶耐性向上のために微量のジルコニウムが添加されています。

この合金は熱処理可能で、主に固溶化処理後の急冷と人工時効を経て、メタ安定型のeta（η′）および関連析出物の高密度分散によって強化されます。この析出硬化機構により、1xxx〜6xxx系合金と比較して非常に高い降伏強さおよび引張強さを実現しつつ、靭性（破壊抵抗）を保持しています。

7150の主な特長は、非常に高い強度対重量比、適切に過時効または熱機械的処理された場合の疲労亀裂進展抵抗の良好さ、中程度の耐食性であり、過時効やクラッディングによって耐食性を向上させることが可能です。ピーク時効状態では溶接性や成形性が制限されるため、設計や加工上の選択では成形性を犠牲にして強度や破壊性能を優先するケースが多いです。

典型的な用途は航空機の主要および二次構造部材、高性能防衛部品、ならびに重量軽減と耐損傷性が重要な選択された高強度産業用途です。エンジニアは、一般的な合金よりも溶接性が低く材料コストが高くなっても、高い静的強度、疲労性能、および許容される靭性の組み合わせが重視される場合に7150を選択します。

時効状態のバリエーション

時効状態	強度レベル	伸び率	成形性	溶接性	備考
O	低	高 (20–30%)	優秀	普通	最大の延性と成形性を得るための完全焼なまし状態；構造用鍛造にはほとんど使われない
T6	非常に高い	低～中程度 (8–12%)	制限される	不良	最大強度に達するピーク時効状態；成形後に時効処理する構造部品によく用いられる
T651	非常に高い	低～中程度 (8–12%)	制限される	不良	T6に引張による応力除去処理を加えた状態；残留応力を低減する精密部品に使用される
T73	高い	中程度 (10–14%)	制限される	不良～普通	最大強度を犠牲にして応力腐食割れ（SCC）耐性を向上させた過時効状態
T76 / T7451 / T7751	中程度～高い	中程度 (10–15%)	制限される	不良～普通	SCC耐性、破壊靭性、残留応力制御をバランスよく設計した航空機構造用の特別仕様

時効状態は7150の強度、靭性、耐食性のバランスを大きく変化させます。ピーク時効のT6/T651は最大の静的強度を示しますが応力腐食割れに対する感度が高く延性が低下するのに対し、過時効のT73などは一部強度を犠牲にしてSCC耐性を大幅に高め、伸び率もやや向上します。

製造工程と使用目的により時効状態は選択されます。大形状の成形はOや冷間成形時効状態で行い、可能であれば後工程で固溶処理と時効処理を施すか、腐食環境に晒される部品や高靭性を必要とする部品には過時効状態を用います。

化学成分

元素	含有範囲（％）	備考
Si	≤ 0.12	金属間化合物の形成を抑え、破壊靭性を保つために低シリコン管理
Fe	≤ 0.12	不純物制限。Feが高いと脆い金属間化合物が生成し靭性低下を招く
Mn	≤ 0.05	最小限。合金強化の主要因ではない
Mg	2.3–2.9	亜鉛と共にη′析出物を形成し高強度化の主因
Cu	2.3–3.1	強度と硬さを向上させ疲労性を改善するが、SCCの感受性を高めることもある
Zn	6.3–7.5	η/η′析出物を生じさせピーク強度を発現する主要元素
Cr	≤ 0.04	微量調整。粒界挙動を修正することがある
Ti	≤ 0.08	鋳造・インゴット製造時の脱酸剤および粒子細化添加物
その他（Zr, Vなど）	Zr 0.08–0.20; その他微量	Zrは析出物生成による再結晶制御と粒構造および靭性の向上を目的として意図的に添加される

各元素は明確な役割を持ちます。ZnとMgはη′析出物を形成し高強度をもたらします。Cuは析出物の組成と速度を変化させ強度と疲労抵抗を高める一方でSCCリスクを増加させることがあります。Zrや微量元素は熱機械加工や固溶化・急冷処理中の粒径と再結晶を制御し、損傷耐性を向上させ厚肉部の望ましい特性維持を可能にします。

機械的性質

7150は適切に時効処理された状態で非常に高い引張強さと降伏強さを示し、粗大な粒界析出物を最小化する加工条件下で良好な破壊靭性と疲労亀裂進展抵抗を持ちます。降伏挙動は一般に線形弾性から降伏へと移行し、限定的な降伏プラトーを示します。破壊までの加工硬化は適度ですが、ピーク時効状態では均一伸びは低くなります。

破断伸びは時効状態および製品形態に大きく依存し、焼なましや過時効状態は延性を改善しますが、ピーク時効の板材や鍛造品は低伸びとなり高拘束条件下で脆性破壊を起こしやすくなります。硬さは引張強さの傾向に沿い、工場での時効確認用管理指標として用いられます。厚肉部の硬さ分布は急冷効果を示唆することがあります。

厚みおよび急冷感受性は機械的性質の勾配に大きく影響します。板材および厚肉押出材は急冷速度が遅いため中間層で特性が低下しやすいですが、粒子細化とZr析出物を最適化すればこれを抑制可能です。疲労性能はT651/T7451型の時効が生む粒度均一な析出物と制御された残留応力により向上します。

性質	O/焼なまし	代表時効（T6 / T651）	備考
引張強さ	170–260 MPa	540–590 MPa	T6/T651の値は良好に加工された圧延製品の典型値。板厚や過時効で低下
降伏強さ	60–130 MPa	480–520 MPa	高降伏強さにより、ストレスの高い構造部品に適する
伸び率	20–30%	8–12%	ピーク時効で伸び率が大幅低下。過時効で延性やや向上
硬さ (HB)	40–80 HB	150–175 HB	硬さは強度に相関し、受け入れ検査や熱処理状態把握に有用

物理的性質

性質	値	備考
密度	2.81 g/cm³	高強度Al‑Zn‑Mg‑Cu合金として標準的。重量制約のある設計に有利
融点範囲	固相 ≈ 477 °C; 液相 ≈ 635 °C	純アルミニウムに比べて合金化により融点範囲が広がる
熱伝導率	≈ 120–150 W/m·K	合金化により純アルミ比で低下。多くの構造用途では十分だが高性能放熱用途には不向き
電気伝導率	≈ 30–40 % IACS	純アルミと比べて大幅に低下
比熱	≈ 0.88–0.92 J/g·K (880–920 J/kg·K)	熱容量の計算に便利な典型的なアルミニウム範囲の値
熱膨張率	≈ 23.0–24.0 ×10⁻⁶ /K	他の加工アルミニウム合金と類似。異種材料との接合設計時に重要

物理的性質は本合金の適用範囲を反映しています。比較的低密度により優れた比強度を実現しますが、合金化のため純アルミおよび一部の5xxx/6xxx系合金と比べて熱伝導率や電気伝導率が低下します。異種材料との組み合わせでは熱膨張の差異が疲労や応力集中の原因となるため考慮が必要です。

熱的特性や融点範囲は熱処理サイクルの制御や急冷媒体、加工機器の温度設定を決定する上で重要です。また熱伝導率は機械加工や溶接時の局所的な加熱挙動にも影響します。

製品形態

形態	代表的な厚さ／寸法	強度の挙動	一般的な熱処理状態	備考
シート	0.5–6.0 mm	適切な時効処理が行われないと局所的な軟化が起こる可能性あり	T6, T651, T73	航空機の外皮や補強パネルに一般的；成形は通常、最終時効前に行われる
プレート	>6 mm ～ 150 mm	厚みが増すほど焼入れ感度が上昇し、中間厚さ部に軟化帯が生じる可能性あり	T6, T651, T73	厚板は特別な管理プロセスとZr含有合金による性質維持が必要
押出形材	断面は大形状まで対応可能	断面厚さや焼入れ経路によって物性が変動することがある	T6, T651, T76	押出し品は急冷とZr分散物により均一な性質が得やすい
チューブ	直径数mmから大径まで	肉厚が焼入れと機械的性質の勾配を左右する	T6, T73	航空宇宙用チューブや構造フレームに使用され、厳格な品質管理が行われる
棒材／ロッド	直径／断面形状に依存	鍛造や圧延履歴が強度と靭性に影響を与える	T6, T651	高応力がかかる継手部品や加工部品向け；予熱や焼入れの管理が重要

形態は寸法だけでなく、焼入れ速度や熱間機械的履歴により達成可能な物性にも影響します。シートや薄押出形材は目標とするT6強度を比較的容易に達成しますが、プレートや厚鍛材は中間部の軟化を防ぎ破壊特性を維持するために特化した熱間機械的処理やZr分散物の制御が必要です。

設計者は成形工程、応力除去、最終時効処理の順序を連携させる必要があります。可能であれば成形は最終的な固溶化熱処理および時効前に行い、切削余裕は局部的な加熱や表面状態の管理ができるよう設定すべきです。

同等グレード

規格	グレード	地域	備考
AA	7150	USA	Aluminum Associationによる変形合金の指定；航空宇宙仕様で広く使用される
EN AW	7xxxシリーズ（単一番号なし）	ヨーロッパ	正確なENの一対一対応なし；AMS/EN規格に基づく化学成分や熱処理状態の指定が必要
JIS	A7xxx（概算）	日本	日本規格は7000系を基準とする；同等性判定は化学成分と熱処理状態による
GB/T	7A50（概算）	中国	中国の7A5x系合金は類似；直接代替は仕様により検証が必要

地域ごとの規格は化学成分、残留元素制限、および許容熱処理状態をそれぞれ異なる形で規定しているため、完全なクロスリファレンスは存在しません。重要な航空宇宙部品においては、名義上のグレード名だけでなく、化学成分範囲、熱処理方法（焼入れ速度やストレッチを含む）、検査基準を正確に照合する必要があります。

国際調達時は、供給状態での正確な組成、引張強さ／降伏強さの数値、熱処理および機械的応力除去の詳細を含む材料証明書の提示を求め、性能や破壊挙動の等価性を保証してください。

耐食性

7150は、より耐食性の高いAl‑Mg合金と比べると大気中での耐食性は中程度であり、標準的な熱処理状態では塗装や変換皮膜と組み合わせることで十分な性能を発揮します。海洋環境や塩化物濃度の高い条件では、5xxx系や一部の6xxx系合金に比べ孔食や粒界腐食を受けやすいため、過時効処理またはクラッド処理が推奨されます。

応力腐食割れ（SCC）は高強度7xxx系合金の主要な課題です。ピーク時効状態のT6/T651は強度が最大ですが同時にSCC感受性も最大となるため、T73の過時効やSCC耐性を考慮した熱処理状態（例：T76系）の選択が重要であり、重要構造物での一般的な対策手法です。

7150がステンレス鋼やチタンなどのより貴な陰極性材料と接触する場合、電気的に絶縁されていなければ、アルミニウムが優先して腐食します。6xxx系合金（例：6061）と比較すると、7150は強度や疲労性能は向上する代わりに、耐食性が低く、環境起因の割れに対して保護措置なしでの感受性が高い点に注意が必要です。

加工特性

溶接性

7150の溶接は難易度が高いです。TIGやMIGなどの融接では熱影響部（HAZ）で強度が著しく低下するため、主要な構造部材には一般的に推奨されません。溶接が必要な場合は、適切なフィラー合金選定と溶接後の固溶化処理・時効処理が重要ですが、局所的な溶接で母材の機械的性質を完全に回復させることはほぼ不可能です。

摩擦攪拌接合（FSW）や固相接合手法は溶融を伴わず熱影響を抑制できるため好まれますが、HAZ軟化は発生します。一般的なアルミニウム系接合用フィラー（例：4043、5356）は母材の元来の性質の回復はできず、電気化学的な違いからガルバニック腐食の考慮も必要です。

切削性

高強度Al‑Zn‑Mg‑Cu合金の7150は、鋼材に比べれば切削性は良好ですが、強度・靭性が高いため6xxx系や5xxx系に比べ加工難易度は高めです。切削工具は正面角がポジティブで高送り条件に適した超硬インサートを推奨し、切削速度は使用する加工種・冷却状況に応じて200〜600 m/min程度が一般的です。

工具および冷却条件が適切であれば切りくず制御は良好ですが、ステンレス鋼のような加工硬化はほとんどありません。ピーク時効状態で硬度が高いため、表面品質の維持および工具摩耗管理は注意が必要です。

成形性

成形は軟らかい熱処理状態または最終時効前に行うのが望ましく、T6/T651では延性が限られバネ性（スプリングバック）が大きくなります。ピーク時効状態では最小曲げ半径が大きく、機械加工や成形を伴う構造部材の曲げ半径は保守的に設定する必要があります（強硬状態では厚さの2～3倍以上が目安）。

冷間成形後に固溶処理と時効処理を行う手法が形状および機械的性質の最終調整に一般的です。7150は焼入れ感度が高く析出状態が最終物性を左右するため、加熱成形や超塑性成形はほとんど用いられません。

熱処理挙動

7150の固溶処理は通常470～500 °Cの範囲で行い、低融点成分の初期溶解を避けつつ合金元素を過飽和固溶体とします。過飽和固溶体を保持するために室温もしくはそれ以下への急冷が必要であり、特に厚い断面では焼入れ速度の管理が中間部の軟化防止に不可欠です。

焼入れ後に人工時効が続きます。典型的なT6時効サイクルは中間温度の時効（例：120