Aluminum 771：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
合金771は7xxx系アルミニウム合金群に属し、主にアルミニウム-亜鉛-マグネシウム（および銅）系の高強度を目的とした析出硬化型合金です。その組成は亜鉛を主要元素とし、マグネシウムと銅を加えて時効硬化を促進します。微量元素としてクロム、ジルコニウムまたはチタンが添加され、結晶粒の微細化および再結晶制御に用いられます。
771の強化機構は熱処理による析出硬化であり、固溶処理によって合金元素を固溶させ、急冷で過飽和固溶体を固定し、その後の人工時効により微細で均一なη相（MgZn2）や関連析出物が形成され、降伏強さおよび引張強さを向上させます。主な特徴は、優れた重量当たりの強度比、時効過程や被覆がなければ中程度から低い耐食性、ピーク時効状態での限られた溶接性、および5xxx系や6xxx系合金に比べて低い室温成形性です。
典型的な用途としては、航空宇宙産業で高応力部品や構造用鍛造品、高性能自動車の構造部品およびサスペンション部品、船舶用の被覆を施す高強度部品、剛性と軽量性が求められる特殊スポーツ用品などが挙げられます。設計時に高い静的強度と疲労強度を質量低減と両立させたい場合に771が選択され、製造性や耐食管理における妥協を受け入れます。
時効状態のバリエーション
| 時効状態 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全退火状態で最大の延性を持ち成形に適する |
| T4 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 低下 | 急冷後自然時効による中間強度 |
| T6 | 高 | 低〜中程度 | 低〜可 | 低 | 固溶処理+人工時効で最大強度を発揮 |
| T73 | 中〜高 | 改善 | 可 | 低 | 過時効処理により応力腐食割れ(SCC)および耐食性を向上 |
| T651 | 高（安定化） | 低〜中程度 | 低〜可 | 低 | T6後に伸張応力除去処理を施し残留応力を低減 |
| H12 / H14 | 中程度 | 低〜中程度 | 限定的 | 良好 | 板材向けのひずみ硬化時効状態で段階的に強度向上 |
時効状態の選択は合金の機械的性質や加工挙動を大きく変えます。例えばT6のようなピーク時効状態は最大静的強度と疲労強度を示しますが、伸びや曲げ性を大幅に低下させるため、機械加工や成形が難しくなり、応力腐食割れのリスクも高まります。
T73やT651のような過時効または安定化時効状態は、ピーク強度の一部を犠牲にして耐食性や靭性を改善し、環境耐久性やSCC耐性が強度より重要視される用途に適しています。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Al | 残部 | 主成分金属；他元素添加後の残量 |
| Zn | 5.5–7.5 | 主強化元素でMgZn2析出物を形成 |
| Mg | 1.6–3.0 | Znと結合して時効硬化を促進；延性に影響 |
| Cu | 1.0–2.2 | 強度とクリープ抵抗を向上；耐食性は低下する場合あり |
| Cr | 0.05–0.25 | 結晶粒制御および再結晶阻害剤 |
| Ti | 0.01–0.15 | 鋳造材やインゴットの結晶粒微細化剤 |
| Fe | ≤0.5 | 不純物として介在物を形成し、脆性を抑制するため管理 |
| Si | ≤0.5 | 加工由来の不純物；脆性相発生を防ぐため制限 |
| Mn | ≤0.3 | 強度および耐食性にわずかに寄与 |
| Zr / その他 | 0.01–0.25 | 微量合金元素として結晶粒制御や熱安定性に寄与 |
Zn–Mg–Cuのバランスにより、771の析出硬化の進行や強化相のサイズ・分布が決まります。亜鉛とマグネシウムはη′/η析出物を介してピーク強度を制御し、銅は析出相の微細化と強度向上に寄与する一方で局部腐食感受性を高めます。クロムやジルコニウムなどの微量元素は再結晶抑制や核生成制御に働き、熱間加工中の安定性向上や微細粒組織の維持を通じて靱性を改善します。
機械的性質
熱処理可能な7xxx系合金として、771は時効状態や板厚によって広い機械的特性範囲を持ちます。退火状態（O）では引張強さ・降伏強さは低いものの良好な延性と高い成形性が得られ、重加工や引張加工に適します。ピーク時効状態（T6/T651）では引張強さと降伏強さが大幅に向上する反面、伸びや曲げ性が低下します。溶接部や熱影響部は、後熱処理がなければ軟化します。
ピーク時効状態における疲労強度は微細構造の管理が良好で表面状態が保たれている場合には非常に良好ですが、腐食孔や加工跡などのクラック起点には敏感です。厚板材は均一な固溶処理と急冷が難しく、薄板材や押出材に比べて強度や特性のばらつきが大きくなる傾向があります。
| 特性 | O／退火状態 | 代表的時効状態（例：T6／T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 240–320 MPa | 540–660 MPa | 高強度Al-Zn-Mg-Cu合金のピーク強度範囲 |
| 降伏強さ | 120–210 MPa | 470–600 MPa | 熱処理によって大幅に増加；板厚に依存 |
| 伸び | 12–20% | 6–12% | ピーク時効で延性低下；古い時効状態（T73）で一部回復 |
| 硬さ | 60–90 HB | 150–210 HB | 析出状態や時効安定性に応じて変化 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約2.78 g/cm³ | 高強度アルミ合金として標準的；高い比強度に寄与 |
| 融点域 | 約480–635 °C | 合金元素により固相線から液相線まで幅広い範囲 |
| 熱伝導率 | 120–150 W/(m·K) | 純アルミより低いが多くの放熱用途に十分 |
| 電気伝導率 | 約28–40 % IACS | 固溶元素による散乱で純アルミより低下 |
| 比熱 | 約0.9 J/(g·K) | 約900 J/(kg·K)で熱設計計算に有用 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 µm/(m·K) | 他のアルミ合金とほぼ同等の線膨張特性 |
密度と熱特性の組み合わせにより、強度を維持しつつ適度な熱伝導性が必要な軽量構造部材に771は適しています。一方で電気伝導率は純アルミや1xxx系合金より劣るため、一次導体としてはほとんど選ばれません。代わりに質量当たりの機械的性能が最重要視される用途で多く使われます。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚み／サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3～6.0 mm | O、T4、T6での生産が可能 | O、T4、T6、T73 | 薄板は均一な時効が可能でT6後に高強度を発現 |
| プレート | 6～200 mm | 焼入れ制限により厚み増加で強度低下の可能性あり | O、T6、T651 | 厚板は制御された冷却方法が必要；鍛造部品や構造材に使用 |
| 押出材 | 断面寸法最大200 mm | 方向性強度に優れ、冷却条件で特性が変化 | O、T4、T6 | 押出形状は複雑な断面作成が可能で静的剛性が高い |
| チューブ | 肉厚0.5～25 mm | 熱処理時の強度はシートに類似 | O、T6 | 無縫または溶接管；肉厚が熱処理反応に影響 |
| バー／ロッド | 直径5～200 mm | 調質により自己潤滑性や摩耗特性が変わる | O、T6 | 鍛造または圧延材で高負荷用部品や締付具に使用 |
加工経路は微細構造および結果的な特性に大きく影響する。鋳造品と圧延品は納品時の結晶粒径や介在物の状態が大きく異なる。シートや薄押出材は完全な固溶化と焼入れが容易で均一なT6特性を生みやすいが、プレートや大型鍛造品は残留応力抑制および靭性維持のために特別な冷却治具、中断焼入れ、あるいは調質の工夫が求められる。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 771 | 米国 | 一部メーカーカタログで使用；高強度Al-Zn-Mg-Cu系に該当 |
| EN AW | — | ヨーロッパ | 完全な1:1対応はないが、EN AW-7075/7010系に類似（組成調整あり） |
| JIS | — | 日本 | 類似する高強度Al-Zn-Mg-Cu合金は存在するが、直接的な相当は組成比較が必要 |
| GB/T | — | 中国 | Al–Zn–Mgシリーズに現地相当品あり；不純物規制や調質に仕様差異あり |
国家規格間の直接的な対応は、特に771のような専有的または一般的でない指定の場合は完全一致しないことが多い。不純物許容値のわずかな違いや微量元素の添加（例：ZrとTiの違い）、調質内容の差異が応力腐食割れ（SCC）耐性や破壊靭性に影響をもたらす。地域間での材料代替では鋼種ラベルだけに頼らず、化学成分と調質仕様を詳細に比較検討する必要がある。
耐食性
大気環境下での771は適切な塗装、アルマイト処理、オーバーエイジングにより中程度の耐食性を示すが、局部腐食や孔食の感受性はアルミニウム-マンガン系（3xxx）やアルミニウム-マグネシウム系（5xxx）より高い。銅と高い亜鉛含有により合金の電気化学的活性が増し、ガルバニック電位差が生じやすいため、多くの用途で保護被膜やクラッド材が一般的に用いられる。
海洋環境や塩化物が豊富な環境下では、局部侵攻および応力腐食割れ（SCC）が主要な破損モードとなり、特にピーク時効（T6）調質で顕著。オーバーエイジング調質（T73）や表面保護処理によりSCCリスクを軽減可能だが、加害塩水への直接暴露では犠牲防食や陰極防食を併用しない限りピークT6使用は避けられる傾向にある。
異種金属とのガルバニック相互作用は、771の開放電極電位が高いため低活性アルミ合金よりも激しい。ステンレス鋼や銅からの絶縁や接合設計に注意が必要。6xxx系（例：6061）と比較すると、771は高強度を有する反面、基礎的な耐食性は低く曝露使用時の防護措置がより重要となる。
加工特性
溶接性
ピーク調質の771溶接は困難であり、溶接部および熱影響部（HAZ）では強化析出物が溶解し、溶接後の熱処理なしには強度回復が難しい。TIG/MIGなどの融接は特殊なフィラー合金が必要で、HAZ軟化や疲労寿命低下が生じやすい。一般にAl-Mg系やAl-Mg-Si系フィラーが用いられ、強度と靭性のバランスを狙う。ホットクラック抵抗性は設計上極めて重要で、前後の熱処理や熱サイクル管理で残留応力と強度損失を最小限に抑える対応が行われる。
切削性
771は高強度アルミ合金中でも良好から非常に良好な加工性を示し、7075と同等程度。適切な工具と冷却戦略でクリーンな切削が可能。中高速の正面切削には超硬工具を推奨し、切りくずは短く制御しやすい。送り量は振動を避けつつ表面粗さと疲労感受性を考慮して最適化すべき。表面仕上げや加工時の残留圧縮応力は疲労特性に大きく影響するため、仕上げ工程やパラメータ調整が重要となる。
加工成形性
加工成形は低強度調質（OまたはT4）で行うのが最適で、靭性が最大となる。T6状態での過度な冷間加工は延性不足と割れリスクのため推奨されない。T6の最小曲げ半径は5xxx系より大きく、スプリングバックや部分焼鈍検討が必要となる。複雑な形状では温間成形や固溶処理後の制御焼入れでほぼT4状態に近い調質とし、最終時効前の準净形状形成が可能。
熱処理挙動
771の固溶化処理は通常470～485 °Cの範囲で行い、可溶相の溶解および微細組織の均質化を図る。固溶化温度から室温または冷浴への急冷が必要で、超飽和固溶体を保持する。断面厚みが増すと急冷速度の影響が大きくなり、冷却不足は到達可能なピーク強度を低下させる。
T6人工時効は120～160 °Cで数時間行い、η′(イータプライム)析出物を細かく分散させ、最大硬さと降伏強さを得る。T73やT7xのオーバーエイジング処理はより高温または長時間で析出物を粗大化させ、応力腐食割れ耐性および寸法安定性を向上させる一方で、引張強さはやや低下する。
熱処理が困難な現場や加工時には加工硬化により限定的な強度向上が得られるが、771は熱処理型合金であるため冷間加工は形状変更の微調整に用いられ、硬化目的は通常ではない。完全焼なまし（O）は固溶化温度以上で加熱し制御冷却により延性回復と残留応力除去を行う。
高温性能
高温環境では析出物が粗大化・溶解し、降伏強さおよび引張強さが120～150 °C以上で著しく低下する。連続使用の場合は機械的特性保持と過時効防止のため最高使用温度は約100 °C程度に制限されることが多い。
酸化は反応性金属より少ないものの、表面膜やコーティングは高温で劣化する可能性がある。熱サイクルによる残留応力変動や溶接部の熱影響層の挙動変化を考慮し、保護措置と材料選択が重要。クリープ抵抗は中程度で、高温負荷が持続する部品では代替合金や設計余裕の検討が望ましい。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 771を使う理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 軽量サスペンションアーム、構造補強部材 | 高強度対重量比によりばね下質量軽減と性能向上 |
| 海洋 | 高強度フィッティングおよびレーシング艇用船体部品 | 被覆処理により高強度と許容軽量化を両立 |
| 航空宇宙 | フィッティング、ランディングギア部品、鍛造品 | 主要・副次構造部品に必要な高引張強度と疲労強度を確保 |
| 電子機器 | 放熱器および補強材 | 良好な熱伝導性と構造剛性の組み合わせ |
| スポーツ用品 | 高性能自転車フレーム、ラケット | 剛性、低質量、耐疲労性を兼ね備え競技用機器に最適 |
総括すると、771は単位質量あたりの高い静的および疲労強度が求められ、防食および加工の課題を保護措置や特殊加工、適切な調質選択で管理可能な用途に選ばれる。軽量化が直接的に性能や効率の向上に結びつく場面での適用が多い。
選定のポイント
エンジニアによる材料選定において、771は強度対重量比および疲労性能を優先し、腐食耐性や接合の容易さを犠牲にした設計選択肢です。構造の軽量化と高い静的強度が主な条件であり、かつ製造段階で制御された熱処理と表面保護が提供できる場合に771を使用してください。
純アルミニウム（1100）と比較すると、771は電気伝導率の低下と成形性の減少を伴うものの、はるかに高い強度を持ちます。加工硬化合金である3003や5052と比べると、771は降伏強さおよび疲労強さが大幅に向上しますが、腐食保護の管理がより厳格に必要であり、延性は低下します。熱処理可能な一般的な合金である6061や6063と比較すると、構造用途向けのピーク強度が高く、追加の強度が要求され、より厳しい溶接および腐食管理プロトコルを許容できる設計の場合は771を選択してください。
溶接継手には保守的なアプローチを用い、腐食環境には過時効硬化状態を選び、重要部品の性能評価には疲労試験および応力腐食割れ（SCC）試験を実施してください。これにより、材料の高い機械的特性と加工・環境感受性のバランスが取れます。
まとめ
合金771は、優れた強度対重量比および疲労性能が設計目標の中心であり、かつ溶接性や耐食性の制限が硬化状態選択、保護システム、制御された製造プロセスにより対処される場合において、依然として有効な素材です。適切に仕様を定めて処理することで、航空宇宙、自動車、船舶、特殊スポーツ用途における高性能な軽量構造体の実現を可能にします。