アルミニウム AlZnMgCu：組成、特性、調質ガイドおよび用途

総合概要

AlZnMgCu合金は、7xxxシリーズのアルミニウム合金に属し、亜鉛を主な合金元素とし、マグネシウムおよび銅が重要な二次元素となっています。これらの合金は熱処理可能であり、溶液処理、焼入れ、人工時効の工程を通じた析出硬化によって主に強度を得ます。代表的な高強度合金であるAA 7075は、圧延アルミニウム合金の中でも最高クラスの強度対重量比を持ちますが、低強度ファミリーに比べて腐食耐性や溶接性はやや劣ります。航空宇宙、防衛、ハイパフォーマンススポーツ用品、特定の自動車構造部材など、高静的強度または疲労強度が設計上重要な用途で広く使用されています。

Al–Zn–Mg–Cu系合金の主要な合金元素は、亜鉛（時効硬化析出物を促進）、マグネシウム（亜鉛と結合して強化析出物を形成）、銅（強度を増加させるが腐食耐性を低下させ、応力腐食割れ（SCC）感受性を高める）です。微量元素としては、結晶粒を微細化し再結晶制御を行い、熱機械的加工製品の強度維持に寄与するクロムやジルコニウムが添加されます。これらの合金は、ピーク強度および単位質量あたりの破壊靭性が優先される場合に6xxxや5xxx系より選ばれ、同等の剛性や疲労性能で軽量化が求められる場合にはステンレス鋼より選択されます。選択は、機械的性能（強度、剛性、疲労）と、塗装、クラッド、オーバーエイジングなどの腐食対策の必要性とのトレードオフで決まることが多いです。

製造上の考慮点も、特定のAlZnMgCuグレードや焼き状態の選定に大きく影響します。熱処理の可否、板材、シート、押出形材などの製品形態の入手性、溶接後または成形後の処理実施能力が、合金の持つ本来の性能を発揮可能かどうかを左右します。高強度、適度な機械加工性、一般的なアルミ接合および仕上げ工程への適合性の組み合わせにより、質量効率が重要視される構造用材料として実用的な選択肢となっています。

設計者は、AlZnMgCu合金を指定する際に環境条件やライフサイクルの制約も考慮する必要があります。腐食防護策、引張応力下での応力腐食割れ（SCC）感受性および特定の焼き状態、板厚や熱履歴による特性の変動が、材料選定、製造工程、使用中の保守計画に影響を与えます。結果として、重量敏感設計の目的がある場合に不可欠な高性能合金ファミリーであり、腐食・溶接性の適切な対策が講じられることで、その価値が最大化されます。

焼き状態バリエーション

焼き状態	強度レベル	伸び率	成形性	溶接性	備考
O	低	高	優秀	優秀	完全焼なまし状態；最大の延性および成形性を有する
T4	低～中	中	良好	良好	溶液処理後自然時効；中間的状態
T6	高	低～中	まずまず	悪～まずまず	溶液処理後人工時効による最高強度
T73 / T76	中～高	中	改善	T6より良好	オーバーエイジングでSCC耐性と靭性向上
T651	高	低～中	まずまず	悪～まずまず	T6に応力除去のための伸張または圧縮処理を付加
H112 / H116	可変	可変	可変	可変	市販の制御された焼き状態で特性の部分的制御
H14	中	低	まずまず	悪～まずまず	変形硬化および部分焼なまし；押出およびシートに使用

焼き状態は、AlZnMgCu合金の機械的性能、耐食性、成形挙動に強い影響を与えます。T6のようなピーク時効焼き状態は引張強度および降伏強度を最大化しますが、延性を大幅に減少させ、後処理なしでは成形や溶接が困難になります。

T73/T76のオーバーエイジングは、応力腐食割れの駆動力を低減し、層状剥離や粒間腐食への抵抗性を向上させますが、その代償として降伏強度や引張強度は一定程度低下します。したがって、焼き状態の選択は必要なピーク強度と環境耐久性のバランスによって決まります。

化学成分

元素	含有範囲（%）	備考
Si	≤ 0.40	不純物；鋳造時の流動性を促進し、靭性を低下させる可能性のある金属間化合物を形成
Fe	≤ 0.50	不純物；脆い金属間化合物を形成し、延性および耐食性を低下させる
Mn	≤ 0.30	微細組織修正剤；7xxx系では有害な金属間化合物を避けるため制限
Mg	1.5 – 3.0	強度寄与元素；時効時にZnとともにMgZn2析出物を形成
Cu	0.5 – 2.5	強度および靭性を増加させるが、腐食性能およびSCC感受性を高める
Zn	3.5 – 8.0	主強化元素；亜鉛含有量が高いほど析出硬化により強度が向上
Cr	0.04 – 0.35	再結晶および結晶粒構造を制御し、靭性および粒成長抵抗を改善
Ti	≤ 0.20	結晶粒微細化剤；凝固および熱機械的加工時に作用
その他	バランスAl + 微量	微量添加元素および残留元素（例：Zr）は結晶粒制御および組織修正に使用

Al–Zn–Mg–Cuの合金成分は、時効時に細かなGP帯やMgZn2（η′/η）析出物を効果的に形成させるよう最適化されています。これらが主な硬化要素です。銅は析出配列を変化させ、ピーク強度および靭性を高める一方で、電気化学的挙動を変え、局所的腐食やSCCのリスクを高めるため、焼き状態選択やクラッドによる対策が求められます。

クロムやジルコニウムのような微量元素は、結晶粒界を安定化させ、高温加工および熱サイクル中の再結晶を制御するために意図的に添加されています。鉄やケイ素などの不純物を厳密に管理することも重要です。これらの元素由来の金属間化合物は、高強度焼き状態で割れの発生源や局所腐食の起点となるためです。

機械的特性

AlZnMgCu合金の機械的特性は、焼き状態、製品形態、板厚によって大きく異なります。ピーク時効状態のT6では、高い引張強度および降伏強度を示し、延性は単桁台から十数％程度です。一方、焼なましや溶液処理状態では、同じ合金でもはるかに高い伸び率と低い降伏強度を示し、T6状態では不可能な成形加工が可能となります。

疲労特性は、結晶粒構造が制御され、表面欠陥が最小限であれば一般的に優秀であり、繰返し荷重がかかる用途に適しています。ただし疲労および破壊靭性は、残留引張応力や微細組織の非均質性に敏感であり、オーバーエイジング状態（T73/T76）は静的強度の減少を代償に疲労亀裂伝播抵抗を向上させます。板厚の影響も顕著で、厚板は冷却速度が遅く粗大な析出物分布となるため強度が低下する傾向があり、冷却抑制措置や時効サイクルの最適化などの加工管理が必要です。

硬さは引張特性と連動し、ピーク時効焼き状態が焼なましや自然時効状態よりも著しく高い硬さを示します。溶接や局所的な高温加工による熱影響部（HAZ）では、強化析出物が溶解または粗大化し、局所的な降伏強度および疲労強度が低下します。このため、多くの場合、溶接後熱処理や設計上の対策が必要となります。

特性	O／焼なまし	主な調質（例：T6／T651）	備考
引張強さ	250 – 350 MPa	480 – 620 MPa	合金の種類や板厚により幅が大きい。T6は最大値近くの強度
降伏強さ	120 – 300 MPa	410 – 540 MPa	時効により降伏強さが著しく向上。降伏強さ／引張強さ比は調質により変動
伸び	12 – 20%	5 – 15%	ピーク時効では延性が低下。O／T4系では成形性が良好
硬さ	60 – 95 HB	135 – 165 HB	硬さは析出物密度と調質に依存。測定値は表面状態による影響あり

物理特性

特性	値	備考
密度	2.78 – 2.82 g/cm³	鉄鋼よりやや軽く、構造部品の質量効率が優れる
融点範囲	約480 – 635 °C	固相線−液相線の差は亜鉛と銅の含有量に依存。共晶融点付近での使用は避けるべき
熱伝導率	120 – 160 W/m·K	純アルミより低いが鉄鋼と比較すれば高い。熱設計上の利点がある
電気伝導率	20 – 35 % IACS	合金化により純アルミより低減。板厚や調質による影響は小さい
比熱	約870 – 910 J/kg·K	室温付近の概算値で、熱容量設計に用いる
熱膨張率	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	アルミの典型的な膨張率。異種材料接合部設計で重要

AlZnMgCu合金はアルミニウムの優れた物理特性、特に低密度と鉄系材料に比べて高い熱伝導率を多く保持しています。これらの特性は熱管理や軽量構造部材を必要とする用途に適していますが、設計時には純アルミに対し電気伝導率が低い点を留意して、電気用途での仕様を検討する必要があります。

熱安定性および融点特性は、加工および使用中の熱暴露の実用的な制限を定めます。析出強化された微細組織は温度に敏感で、融点の絶対温度の約1/3～1/2以上の長時間熱曝露で軟化と機械的強度の低下を招きます。これは特に溶接、ろう付、高温使用で影響が大きいです。

製品形態

形態	代表的な厚さ／サイズ	強度挙動	代表的な調質	備考
鋼板	0.4 – 6.0 mm	厚板では板厚方向の均一性が重要	T6、T651、T73	構造用外板やパネルによく使われる。厚板では焼入れの影響を受けやすい
板材	6 – 200 mm	冷却速度の遅さにより厚みで強度低下の傾向あり	T6、T651、T73	厚板は焼入れと調質管理が必要で、特性保持に注意を要する
押出材	複雑な断面プロファイル、多様な壁厚	押出後の時効処理により微細組織が強化される	T6、T73、H112	高強度構造用プロファイルや継手に使用される
管材	薄肉から厚肉まで幅広く対応	溶接・成形により局所特性が変化。T6調質で高い耐圧能力を持つ	T6、T73	熱交換器や軽量構造用管に適用される
丸棒・棒材	直径数百mmまで	機械加工性良好。大断面は熱処理を要する場合がある	T6、O、T73	鍛造材、機械加工部品、航空機部品に用いられる

製品形態ごとに加工ルートが異なります。鋼板や板材は通常、量産規模で固溶処理後に焼入れおよび時効処理を行いますが、押出材は焼入れ速度の管理や直接時効処理による特性制御が重要です。板厚や焼入性は設計上の重要な入力条件であり、最大限の調質均一性を求める場合は薄板の選定や後処理の均質化処理が指定されます。

用途に応じて製品形態や調質が選択されます。例えば、航空機構造外板ではT6/T651調質でクラッドまたは耐食処理付きの圧延鋼板が用いられ、一方で海洋構造物には過時効調質や表面処理が多用されます。加工余裕や歪み防止策も製品形態と調質に基づいて検討されます。

相当鋼種

規格	鋼種	地域	備考
AA	7075 / AlZnMgCu	米国	7075は高強度Al–Zn–Mg–Cu系合金の代表的商用合金
EN AW	7075	欧州	EN AW-7075は欧州の合金番号体系による。類似の化学成分と調質
JIS	A7075	日本	7075系統の日本規格指定。地域特有の加工公差あり
GB/T	7075	中国	中国規格で7075系相当および熱処理仕様を含む

規格間の微細な違いは、不純物元素の許容値、精密な組成範囲、および各調質における機械的性質の許容範囲から生じます。航空宇宙や安全性要件の高い部品では、調達仕様は特定の規格および調質に準拠し、試験および認証要件を明記して性能の互換性と再現性を保証します。

地域ごとの熱処理慣行や許容調質（例：T651、T6511、T73などの区別）は、同一化学成分の合金であっても残留応力制御や伸び目標に違いをもたらします。設計図面の指定と供給者のミル認証書および試験報告は必ず照合してください。

耐食性

AlZnMgCu合金は大気環境で中程度の一般耐食性を示しますが、5xxx系や一部の6xxx系合金に比べて局部腐食（孔食・剥離腐食）や応力腐食割れに対して感受性が高いです。銅の存在と高いZn：Mg比は電気化学的不均一性を増し、塩化物環境で局部攻撃を促進します。このため、海洋・沿岸用途には防護塗装、クラッド（Alclad）、あるいは犠牲陽極処置が一般的です。過時効処理（T73／T76）や高純度アルミクラッドにより剥離腐食やSCC耐性が大幅に向上しますが、最高強度はやや低下します。

海水やスプラッシュゾーンでの使用では適切な対策が不可欠です。保護されていない高強度AlZnMgCu合金は、引張応力下で孔食や応力腐食割れによる性能低下が急速に進行します。設計上の対策としては、犠牲防護層、防食陰極保護、過時効調質の選択、クリープ部位回避などがあります。ファスナーや組立部は異種金属との接触を避けるか耐食性ハードウェアを利用し、ガルバニック腐食の促進を防ぎます。

応力腐食割れは、高強度調質で持続的に引張応力を受ける腐食性の塩化物環境下で顕著な破壊様式です。耐性低下を防ぐには、降伏強さを下げる過時効処理、表面圧縮応力付与（ショットピーニング）、あるいは合金成分の調整が有効です。6xxx系合金（例：6061）と比較すると、7xxx系は強度は高いものの、SCC管理と設計上の配慮をより厳密に行う必要があります。

加工特性

溶接性

AlZnMgCu合金の溶接は、ピーク調質状態では強化析出物が溶解または粗大化し、熱影響部の軟化により降伏強さや疲労強度が著しく低下するため難しいです。TIGやMIGなどの溶接法は修理や組立加工に適用されますが、溶接金属および熱影響部は親材のT6材に比べて一般に大幅に強度が低いままです。溶接後の固溶処理・時効処理が可能であれば改善できますが、組立構造物では実用的でない場合が多いです。溶加材は5356や4043が一般的に用いられますが、5356（Al–Mg系）はより高強度で、7xxx系専用の溶加材もガルバニック作用や強度差の低減に用いられます。高亜鉛合金の溶接は熱割れのリスクがあるため、前処理、継手設計および熱入力管理が重要です。

機械加工性

AlZnMgCu合金の機械加工性は一般的に鉄鋼と比べて良好で、切りくず形成が安定し切削温度も低いですが、時効調質の高強度・高硬さにより工具の摩耗は軟質アルミ合金より大きくなります。切削工具は刃先が鋭利で正の逃げ角を持つ超硬工具が好ましく、切りくず排出性の向上とビルドアップエッジの低減を図ります。切削速度は鉄鋼より速く設定されますが、局所温度上昇による調質変化を防ぐため制限が必要です。寸法精度や機械的性能の確保のために、航空宇宙部品の機械加工では応力除去や歪み制御も欠かせません。

成形性

冷間成形は、O、T4、または部分的に焼なましされた硬さで、曲げや深絞り加工に十分な延性がある状態で最も効果的です。一方、T6やH14の硬さは成形性が低く、急激な曲げ加工時に亀裂が入りやすくなります。最小曲げ半径は硬さと板厚によって決まり、T6板材の場合の保守的な目安は内側曲げ半径を板厚の1～2倍とすることです。より軟らかい硬さでは、成形金型やブランク保持条件によって板厚の1倍付近またはそれ以下の半径も許容される場合があります。複雑な形状が求められる場合は、まず軟らかい硬さで成形し、その後に制御された熱処理で強度を復元するか、ヘミング加工やインクリメンタル成形を採用してワークの破損を回避する設計が推奨されます。

熱処理挙動

AlZnMgCu合金は代表的な熱処理硬化型合金であり、主な熱処理工程は固溶化処理、急冷、人工時効です。固溶化処理は通常470～480 °C付近で行い、ZnとMgを過剰固溶状態にしてから水冷や高分子冷却による急冷でその状態を保持します。人工時効（T6）は120～160 °C程度で既定時間処理し、微細なη′相やGP帯状析出相を析出させて最大の硬さと強度を得ます。

自然時効（T4）は中間的な強度を与え、一部の加工工程の出発点となります。過時効処理（T7/T73/T76）は析出物を意図的に粗大化させ、応力腐食割れ感受性を低減し、破壊靭性や寸法安定性を向上させます。T651指定は、T6硬さで急冷後に引張または圧縮処理による応力緩和を施し、精密部品の変形を抑制した状態を示します。急冷速度の管理は非常に重要で、厚肉部品は冷却が遅いため、同程度の過剰固溶が得られず、達成可能な強度が低下する場合があります。

非熱処理硬化であるH硬さ系は変形硬化による強化が中心ですが、高強度のAlZnMgCu合金群は一般的に熱処理による強度発現を主軸としています。焼なましは再結晶と強化相の溶解により延性を回復させ、再時効前の成形加工を可能にします。

高温性能

AlZnMgCu合金の高温強度は温度上昇に伴い急激に低下し、約100 °Cを超えると顕著に強度が減少します。150 °C以上での荷重支持用途は一般に制限されます。強化に寄与する析出相は高温で粗大化または溶解し、軟化、降伏強さおよび疲労耐性の低下を引き起こします。アルミニウムは鋼と比べて中温域での酸化は小さいものの、表面の保護酸化膜は微細構造の粗大化を防ぎません。

溶接部品では高温での熱影響部（HAZ）の挙動が大きな課題で、局所的な過時効化や強化析出相の溶解により軟化した領域が残り、高温サイクル負荷やクリープ条件下で破損の起点になりえます。高温暴露設計には、より熱安定性の高い合金の選定や熱バリアの導入、頻繁な検査が必要です。

用途例

産業分野	代表的部品例	AlZnMgCuが使われる理由
航空宇宙	翼外板、胴体骨格、フィッティング	構造部材として卓越した強度重量比と破壊靭性を実現
海洋	高強度船体付属品、マスト	高い静的強度と腐食対策が重要であり、軽量化が不可欠
自動車	高性能シャシー部品、サスペンションパーツ	重量低減と質量効率が動的性能向上に寄与
防衛	装甲ケース、ミサイル筐体	高強度・軽量の構造解決策によりペイロード効率を向上
スポーツ・レクリエーション	高級自転車フレーム、登山用品	高い比強度と疲労耐性でパフォーマンスギアに適合

AlZnMgCu合金は、単位質量あたりの構造効率最大化を設計目標とし、制御された加工および腐食対策が実施できる用途で依然として材料の第一選択肢です。この合金群は静的および疲労荷重が設計要件の主軸となる産業分野で重要部品に採用されています。

選定のポイント

AlZnMgCu合金は、強度重量比および疲労耐性が最優先で、かつ熱処理や腐食保護を考慮した加工が可能な場合に特に推奨されます。最大の展延性、導電性、簡単な溶接性が優先される場合は、商用純アルミニウム（例：1100）がそれらの性能でAlZnMgCuを上回り、構造容量は犠牲となります。

3003や5052のような変形硬化型合金と比較した場合、AlZnMgCuははるかに高い静的・疲労強度を示しますが、腐食防止がより重要であり、ピーク硬さの状態では成形性も低下します。6061や6063などの代表的な熱処理型合金と比較すると、AlZnMgCuは通常より高いピーク強度と優れた疲労性能を持ちますが、コストが高く、後処理なしの溶接は困難で、過時効または保護対策なしでは応力腐食割れを受けやすい傾向があります。

AlZnMgCuは、循環荷重下での設計寿命、質量あたりの剛性、最小限の部品重量を重視し、仕上げや腐食制御コスト増を容認できる場合に適しています。過時効処理やクラッドタイプは厳しい環境向けに使用し、ピーク時効硬さの硬さはサービス中の腐食曝露が限定的または十分管理された部品に選択してください。

まとめ

AlZnMgCu合金は、圧延アルミニウム合金の中で最高レベルの強度と良好な疲労特性を兼ね備えており、重量が重要な高性能エンジニアリング用途に不可欠です。性能を最大限に引き出すには、硬さの選択、腐食対策、製造管理に注意を払い、耐久性を損なわない責任ある使用が求められます。