アルミニウム 7175：組成、特性、焼き入れ状態ガイドおよび用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
7175は7xxx系に属する高強度アルミニウム合金で、亜鉛を主要な合金元素としています。主に航空宇宙や高性能構造用途向けに設計されており、強度対重量比や疲労耐性が重要視される分野で使用されます。
この合金の主要な合金元素は亜鉛、マグネシウム、銅であり、微量のクロム、チタンまたはジルコニウムが結晶粒の制御や再結晶の抑制に用いられています。これらの元素により析出硬化性の微細組織が形成されます。7175は熱処理可能な合金であり、溶体化処理、焼入れ、人工時効を経て微細なη相（MgZn2型）析出物を形成し、強度を得ます。
7175の主な特徴は、非常に高い静的強度と良好な疲労性能を持つ一方で、5xxx系や6xxx系に比べると耐食性は中程度〜低く、溶接性は限定的で、ピークテンパー時の成形性が劣ることです。航空宇宙の一次・二次構造材、防衛装備品、高負荷部品など、最大の構造効率が求められる分野で多く使われます。エンジニアは、溶接性や成形性、材料コストよりも最大の引張強さ・降伏強さと疲労亀裂成長抵抗が重要な場合に7175を選定します。
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 (20–30%) | 非常に良好 | 非常に良好 | 完全焼なまし、成形と応力除去用 |
| H112 | 中 | 中 (10–15%) | 良好 | 普通 | 加工硬化、限定的な成形と安定化に使用 |
| T6 | 非常に高い | 中 (6–12%) | 限定的 | 悪い | 溶体化処理と人工時効によるピーク強度 |
| T651 | 非常に高い | 中 (6–12%) | 限定的 | 悪い | 伸張により応力除去したT6、航空宇宙用板材に多い |
| T73 | 高（T6より低い） | 改善 (8–14%) | 中程度 | 悪い | 過時効処理により耐食性および応力腐食割れ抵抗向上 |
| T7651 | 高 | 中程度 | 限定的 | 悪い | 制御された予時効と安定化による靭性向上 |
テンパーは7175の性能に大きな影響を与えます。ピーク時効（T6/T651）は引張強さと降伏強さを最大化しますが、延性・成形性を低下させ、応力腐食割れに対する感受性を高めます。T73のような過時効処理は強度を意図的に下げて応力腐食割れ耐性と破壊靭性を大幅に改善し、強度と耐環境性のトレードオフを生み出します。
製造におけるテンパー選択は、最終特性、後工程での成形や機械加工、使用環境によって決定されます。例えば、高い静的強度を保持しつつ残留応力を抑えたい板材にはT651が多く用いられ、腐食環境に晒される部品にはT73や化学処理仕上げが指定されます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（％） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.10 | 不純物。介在物を抑制し鋳造品質を改善 |
| Fe | ≤ 0.15 | 不純物。過剰は靭性低下と介在物増加を招く |
| Mn | ≤ 0.10 | 低含有。7xxx系の主要強化元素ではない |
| Mg | 2.0–2.9 | 亜鉛と結合してMgZn2析出物を形成し強化に寄与 |
| Cu | 1.2–2.0 | 強度と硬化性を向上させるが耐食性は低下する可能性あり |
| Zn | 6.0–7.5 | Mg–Zn析出物を通じ主な強化元素 |
| Cr | 0.10–0.30 | 結晶粒構造と再結晶制御、靭性向上に寄与 |
| Ti | ≤ 0.05 | 結晶粒微細化剤。インゴット冶金およびビレット加工に使用 |
| その他（Zr, V, 残部 Al） | 微量 / 残部 | 微合金元素として微細組織安定化に寄与する場合あり |
Zn–Mg–Cuの複合システムが7175の析出硬化特性の主因であり、亜鉛とマグネシウムがη相析出物を形成して主な強化を実現し、銅は強度の向上および析出物形態や電気化学特性に影響を与えます。クロムおよび微量のジルコニウムやチタンは加工中の結晶粒成長や再結晶を抑制し、厚物の靭性および疲労耐性維持に不可欠です。
機械的性質
7175はピーク時効テンパー時に非常に高い引張強さと降伏強さを示し、引張曲線には明瞭な降伏点が見られ、その後の均一伸びは限定的です。制御された微細組織と低介在物含有によって優れた疲労強度と亀裂発生開始抵抗を持ち、繰返し荷重がかかる構造部品に適しています。
降伏強さと伸びはテンパーに強く依存し、T6/T651は最高の降伏強さを示すものの延性と靭性が低下します。一方、T73は降伏強さをやや抑えますが破壊靭性と応力腐食割れ耐性を向上させます。硬さも強度の傾向に準じ、ピーク時効条件では焼なまし状態に比べてブリネル硬さやロックウェル硬さが大幅に向上します。
板厚や製品形状は冷却速度、残留応力、結晶粒構造の違いにより特性に影響します。厚板や鍛造品では均一な特性を得るために特別な熱機械処理や時効サイクルを用い、焼入れ歪みや残留応力の抑制を行う場合があります。
| 特性 | O／焼なまし | 主要テンパー（T6 / T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約240–320 MPa | 約540–590 MPa | 航空宇宙用7xxx系合金の典型的なピーク時効値 |
| 降伏強さ | 約120–220 MPa | 約470–520 MPa | 時効により降伏強さが顕著に増加。製品形状で幅あり |
| 伸び | 20–30% | 6–12% | 高強度テンパーで延性が低下 |
| 硬さ（HB） | 約60–80 HB | 約150–165 HB | 析出硬化レベルと相関 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.80–2.82 g/cm³ | 高強度アルミニウム合金として標準的 |
| 融点範囲 | 約477–635 °C | 固相線は約477–490 °C、液相線は純アルミに近い約635 °C |
| 熱伝導率 | 約120–140 W/(m·K) | 合金元素により純アルミより低いが、鋼に比べて高い |
| 電気伝導率 | 約30–40 % IACS | 溶質原子による散乱で低下。電気伝導重視では選択されない |
| 比熱 | 約0.90 kJ/(kg·K) | 室温で約900 J/(kg·K) |
| 熱膨張率 | 約23–24 µm/(m·K) | 他のアルミ合金と同程度。ボルト締結部品設計時に考慮 |
重合金元素の添加にもかかわらず、7175は鋼に比べ良好な熱伝導率を保持しており、一部用途で適度な放熱能力を発揮しますが、純アルミに比べると熱性能は劣ります。電気伝導率は溶質散乱により低下しているため、電気伝導性が主要要求である用途には適しません。比較的低密度かつ高強度の組み合わせにより、優れた強度対重量比を実現し、高性能構造用途での採用理由となっています。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5–6 mm | 薄板において良好；成形性に制約がある場合あり | O, H112, T6 | 二次構造物に使用；T6では過酷なプレス成形には適さない |
| プレート | 6–150+ mm | 焼入れ感受性により厚みによって強度が変動 | T651, T73 | 制御された焼入れと時効処理で製造される航空宇宙用構造用プレート |
| 押出材 | 限定的 | 商業的な流通は限られる；断面形状により強度が変わる | T6, T73（稀） | 7xxx系押出材は稀で、均質化に細心の注意が必要 |
| チューブ | 多様 | 引抜き・加工チューブで高い強度が可能 | T6, T651（加工品） | 高荷重用のパイプ継手に使用；溶接・接合には制約あり |
| バー／ロッド | 直径最大200 mm | 適切な熱処理により良好な軸方向特性 | T6, T73 | 鍛造品・機械加工品、高荷重ピンや継手に使用 |
加工方法の違いにより得られる微細構造が変わります。プレートやシートは通常圧延で製造され、過時効や軟化帯を避けるために精密な焼入れ制御が必要です。一方、鍛造品やバーは均質化・固溶化処理の違いで粒径制御が行われます。押出材や複雑な断面形状は、7xxx系特に7175ではホットクラックや再結晶化の傾向が強く稀であり、複雑な押出形状が必要な場合は6xxx系合金が好まれます。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7175 | アメリカ | 合金組成を示すAluminum Associationの指定 |
| EN AW | 7175 | ヨーロッパ | EN AW-7175は欧州仕様に使用；加工起源が物性表に影響する |
| JIS | A7175 | 日本 | 類似組成；JISは追加の生産管理を含むことが多い |
| GB/T | 2A7175 / 7175 | 中国 | 中国標準はAA 7175に相当する組成・機械的範囲を参照 |
地域ごとの規格差は主に許容組成、公称調質、検査方法の違いに起因し、基本的な化学成分の差は小さいです。鋳造法（インゴット冶金 vs 連続鋳造・均質化ビレット）や国別の熱処理慣行により、不純物レベル、結晶粒制御、典型的な機械的性質に微細な差異が生じます。設計者は、単に名称でなく要求される機械的性能および環境性能を明確に指定すべきです。
耐食性
大気暴露では、7175は中程度の耐食性を示しますが、銅含有量の高さにより5xxx系や多くの6xxx系より劣り、電気化学活性が増大します。清潔、塗装、あるいはその他の保護環境では多くの構造用途に十分な性能を発揮しますが、長期大気暴露にはクラッド（alclad）や耐久性のある表面被覆による保護が推奨されます。
海洋環境や塩水噴霧環境では、高強度の7xxx系は孔食や粒界腐食が促進されます。7175はT73などの過時効処理を行わない限り局所的な腐食に弱く、保護コーティングおよびシーラント処理が必要です。ファスナーや継手の設計ではすき間を最小限にし、異種金属が存在する場合には犠牲陽極保護や絶縁材料の導入が求められます。
応力腐食割れ（SCC）は7xxx系の高強度調質で知られるリスクであり、引張残留応力や腐食環境の存在下で特に顕著です。過時効、溶接後熱処理、表面仕上げや化学的管理が一般的な対策手段です。鋼や銅含有合金との電気化学的相互作用は悪影響を及ぼすため、より貴な材料との直接接触を避けるか絶縁措置が必要です。
加工性
溶接性
7175の溶接は困難です。融合溶接（TIG/MIG）では熱影響部の強度低下が著しく、ホットクラックの発生リスクが高いです。溶接が避けられない場合は専用のフィラー材や厳密な前後熱管理を用いることがありますが、構造的完全性を保つためにはリベット、ボルト接合、接着接合が望ましいです。熱影響域の軟化は局所的な補強や溶接後処理が必要であり、他の特性を損なうこともあります。
機械加工性
ピーク調質の7175は軽量かつ良好な切りくず性から多くの鋼種に比べて加工性が良いですが、高硬度や加工硬化の影響で工具摩耗が進みます。カーバイド工具の使用、剛性の高い固定、保守的な送り速度と正ラ切削角の工具形状が推奨されます。冷却剤は寸法安定とビルドアップエッジ低減に不可欠です。機械加工指標は一般に2xxx系アルミ合金より低いですが、他の7xxx系材料とは競合します。
成形性
成形は焼なまし調質（O）や加工硬化調質（H）で最も効果的です。深絞りや複雑プレス加工はT6/T651調質では事前の焼鈍や温間成形技術なしでは実用的でありません。曲げ半径はより柔らかい合金に比べ大きくすべきで、降伏強さが高いためスプリングバックも大きいです。冷間加工は強度をさらに高め、有効な時効サイクルと組み合わせて目標機械的性質を得ることが可能です。
熱処理挙動
7175の固溶化熱処理は一般に470～480 °C範囲で実施し、強化相を固溶体に溶解させます。温度保持時間と断面厚みが均質化管理を左右します。急冷は過飽和固溶体の維持に必須であり、冷却不足は粗大析出物を生じ、ピーク時効強度と靭性を低下させます。
T6の人工時効は約120～140 °Cで、断面の大きさに応じて時間を調整し、η相の細分散析出を促進し最大強度を得ます。過時効処理（T73）は高温または長時間の時効により析出物を粗大化させて強度を若干犠牲にする代わり、応力腐食割れ抵抗と靭性を大幅に向上させます。
T調質の遷移は事前の冷間加工、急冷速度、不純物レベルに敏感で、制御された伸び加工（T651生成）は残留応力を低減し寸法安定性を向上させますが、機械的特性維持には厳密なパラメータ管理が必要です。航空宇宙用途では重要部品に対し、熱処理後の安定化処理や溶体化・時効スケジュールの指定が一般的です。
高温性能
7175は温度上昇に伴い強度低下が著しく、約120 °C以上の使用温度で析出強化が劣化し、降伏強さおよび引張強さが大幅に低下します。高温でのクリープ耐性は耐熱合金に比べ限定的であり、100～125 °Cを超える長期荷重下では寸法安定性と耐用年数の検証が不可欠です。
酸化は通常の使用温度域では主な劣化要因ではありませんが、熱暴露により過時効が促進され、析出物分布が変化して疲労寿命や応力腐食割れ耐性が低下します。溶接構造物では熱影響部が特に強度低下しやすく、高温荷重支持用途では避けるべきです。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 7175を使用する理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 胴体継手、翼連結継手 | 卓越した比強度および疲労耐性を要する一次構造部材に最適 |
| 防衛 | 高荷重構造用鍛造品および武器マウント | 要求荷重下での高い静的強度と靭性 |
| 自動車 | 高性能シャーシ部品（一部限定的） | 性能やレース用途における強度対重量比の高さ |
| 海洋 | 構造用ブラケットや継手（保護状態） | 腐食防護が施された条件での良好な強度対重量比 |
| 電子機器 | 構造フレーム | 軽量フレームに求められる高い弾性率と剛性（熱的役割は限定的） |
7175は構造効率、疲労寿命、高静的応力下での破壊靭性が最優先事項の際に選定され、主に航空宇宙および防衛分野に集中しています。材料コストが性能で正当化される場合に採用されています。制御環境外での使用時は、応力腐食割れ対策として保護仕上げや保守的設計が標準です。
選定のポイント
最大の強度と疲労耐性が主要設計要求であり、接合および環境耐性を管理する製造・耐腐食保護戦略が確立されている場合に7175を選択してください。最高静的強度が必要ならT6/T651を、環境耐久性や応力腐食割れ耐性が重要ならT73やその他の過時効調質を指定してください。
商業純アルミニウム（例：1100）と比較すると、7175は電気伝導率と成形性を犠牲にして、はるかに高い強度と疲労耐性を実現しています。電気伝導性と深絞り成形性が不可欠で荷重が低い場合は1100を選択してください。焼きなまし状態の合金（例：3003や5052）と比べると、7175は著しく高い強度を持ちますが、一般的に成形性が劣り、塩化物環境下では腐食挙動が悪化する可能性があります。成形工程が多い部品や海洋環境にさらされる非構造部品には5052や3003を選ぶとよいでしょう。熱処理可能な6000系合金（6061や6063）と比べると、7175はより高いピーク強度と疲労性能を持ちますが、コストが高く、溶接性が劣ります。溶接性や経済性、中程度の強度が求められる場合は6061を推奨します。
まとめ
7175は、トップレベルの強度重量比と疲労耐性が求められ、製造工程がその限定的な溶接性と腐食感受性を許容できる高性能構造用途において依然として重要な材料です。適切な調質選択、表面保護、継手や応力集中部の設計に注意を払うことで、7175は低合金や熱処理不能なアルミニウム材では成し得ない機械的性能の組み合わせを提供します。