アルミニウム EN AW-7020：組成、特性、調質ガイドおよび用途
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総合概要
EN AW-7020は、主にZn-Mg添加によって強化され、Cu含有量が制限された7xxx系アルミニウム合金です。標準ではAlZn4.5Mg1として知られ、熱処理可能で高強度のAl-Zn-Mg系に属し、靭性と耐食性向上のために不純物レベルが管理されています。
主な合金元素は亜鉛（主成分）、マグネシウム、微量の銅に加え、少量のマンガン、鉄、クロム、チタンが含まれます。溶体化処理後の人工時効による析出硬化で強化されますが、T651のような特定の調質では残留応力除去のために、限られた範囲で加工硬化も組み合わせられます。
主な特性は、高い比強度、競争力のある疲労耐性、そして7xxx系としては比較的良好な大気腐食性が挙げられます。これはCu含有量が低いためです。溶接性と成形性は中程度で、軟質調質では成形が可能で、適切な溶接材料と後処理を用いることで溶接も可能ですが、熱影響部の軟化や応力腐食割れ（SCC）への注意が必要です。
EN AW-7020を利用する代表的な業界には、航空宇宙の構造金具、高性能自動車部品、鉄道・船舶構造部品、押出成形の建築用部材などがあります。特に7075の高強度が不要で、6000系合金が強度的に不足する場合に、適度な強度、耐食性、押出性のバランスを求めるエンジニアに選ばれています。
調質バリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし品。最大の成形性・加工性、最低の強度 |
| H14 | 中 | 中〜やや低 | 良好 | 良好 | 加工硬化品。部分的なばね戻り抑制。薄板への適用は限定的 |
| T5 | 中〜高 | 中 | 普通 | 普通 | 熱間加工直後に冷却し人工時効。寸法安定性良好 |
| T6 | 高 | 低〜中 | 普通 | 普通〜やや劣る | 溶体化処理後人工時効。多くの用途でピーク強度を発揮 |
| T651 | 高 | 低〜中 | 普通 | 普通〜やや劣る | T6の後に伸びによる応力除去処理。クリティカル部品の残留応力低減 |
調質は微細組織と転位密度を調整し、強度と延性、成形性のバランスを制御します。Oなどの軟質調質は延性を最大化し、厳しい成形加工に適していますが、T6/T651は伸びや冷間成形性を犠牲にしてピーク性能を発揮します。
化学組成
| 元素 | 含有比率（％範囲） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | ≤0.3 | 制御された不純物。不適正に多いと靭性を低下させる金属間化合物を形成 |
| Fe | ≤0.5 | 典型的な不純物。多いと脆性増加、延性低下 |
| Mn | 0.05–0.5 | 微細組織制御と破壊靭性の向上に寄与 |
| Mg | 0.8–1.3 | Znとの共析で時効中に強化析出物（MgZn2）を形成 |
| Cu | 0.05–0.4 | 7075より低く抑え、耐腐食性向上に貢献。一方で強度にも寄与 |
| Zn | 3.5–5.0 | 主強化元素。析出硬化の鍵となる |
| Cr | 0.05–0.25 | 粒界制御、再結晶抑制。靭性向上に有効 |
| Ti | ≤0.15 | 鋳造品・圧延品の結晶粒微細化に寄与 |
| その他（Alを残り量） | バランス | アルミ基材＋微量不純物。合計100％になるよう調整 |
Zn-Mgの組み合わせは、人工時効中に細かいメタ安定なMgZn2析出物を形成し、高い引張強度と降伏強度をもたらします。CrやMnは粒度微細化と再結晶抑制役として働き、靭性や疲労耐性を高めます。制御されたCuレベルは応力腐食割れ（SCC）防止と大気耐久性向上を目的としています。
機械的性質
EN AW-7020は熱処理可能合金であり、焼なましとピーク時効状態で引張・降伏強度に大きな差が見られます。焼なまし（O調質）では成形向けに適した中程度の強度と高伸びを示し、一方T6やT651では伸びは減少するものの大幅に高い強度を実現します。疲労特性は析出安定化した微細組織と不純物管理のため、6xxx系合金と比較して良好です。
降伏強度に対する引張強度比は中程度で、ピーク時効時の伸びは構造用ファスナーや金具用途には十分ですが、大幅な伸張加工には不向きです。硬さは溶体化処理と時効で顕著に向上し、ブリネル硬さやビッカース硬さは機械的性質とよく相関し、製品受入れ検査にも用いられます。板厚により熱処理および急冷の効率が変わるため、薄板は標準熱処理でピーク近い特性が得られますが、厚板は時効レスポンスと強度が低下する場合があります。
疲労き裂の起点は表面仕上げ、残留応力、微細組織の均質性に敏感です。ショットピーニングや制御された時効処理などの後加工は高サイクル用途で標準的に行われます。T6調質の破壊靭性はCu低含有に加え、Fe/Mn不純物量管理による晶出割れ傾向の低減により、強度レベルに対して良好です。
| 物性 | O／焼なまし | 代表的調質（T6 / T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約 210–260 MPa | 約 380–440 MPa | T6/T651は溶体化後人工時効でピーク強度。板厚により変動 |
| 降伏強さ | 約 110–160 MPa | 約 320–380 MPa | 時効による大幅増加。降伏台形の形状は時効条件に依存 |
| 伸び | 約 15–25% | 約 8–12% | 強度向上に伴い伸びは減少。試験片径および調質により差異あり |
| 硬さ | 約 60–80 HB | 約 120–150 HB | ブリネル硬さは調質を反映し、ロットおよび板厚検査に使用 |
物理的性質
| 物性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 約 2.78 g/cm³ | Al-Zn-Mg合金として標準的。多くの鋼材より軽量で高比強度 |
| 融点範囲 | 約 480–635 °C | 合金元素により固相線・液相線が拡大。鋳造時の熱割れ注意 |
| 熱伝導率 | 約 130–150 W/m·K | 中程度。1xxx系・6xxx系よりやや低い |
| 電気伝導率 | 約 30–40 % IACS | 純アルミより低い。強度重視で導電率を犠牲にしている |
| 比熱 | 約 880–910 J/kg·K | アルミ合金の通常範囲、常温付近基準 |
| 線膨張率 | 約 23–24 µm/m·K（20–100°C） | 他のアルミ合金と類似。異材接合時に注意すべき |
比較的高い熱伝導率と低密度は、放熱性や軽量化を設計指針とする製品においてEN AW-7020を魅力的にします。線膨張率は一般的なアルミニウム合金の値であり、異なるCTEの材料との接合部では配慮が必要です。
融点および熱処理温度の管理は製造過程で重要で、特に薄肉部や厚板部で温度勾配が大きいため、過時効や発火点近傍の局部溶融を避ける必要があります。
製品形態
| 形状 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼板 | 0.5–6 mm | 薄板は標準的な時効でフル調質に到達 | O, T5, T6, T651 | パネル、押出部材、プレス部品に使用 |
| 厚板 | 6–100+ mm | 厚板は急冷限界によりT6応答が低下する場合あり | O, T6（限定的） | 重量構造部品。急冷・時効条件の最適化が必要 |
| 押出形材 | 数メートルまでのプロファイル | 断面の均一性良好。T5/T6によく応答 | T5, T6, T651 | 構造用プロファイル、レール、フレームに一般的 |
| チューブ | 直径多様、肉厚1–15 mm | 溶接管・無縫管ともに高強度を実現可能 | O, T6 | 軽量構造部材用途に適合 |
| 丸棒／丸材 | 直径最大200 mm | 均一特性のため管理された熱処理が必要 | O, T6 | ファスナー、金具、機械加工部品に用いる |
シートおよび押出形材はEN AW-7020で最も一般的な製品形態で、良好な押出性とアルマイト処理向けの表面品質を特徴とします。厚板および大型断面製品は均一な機械特性を達成するために、専用の熱処理サイクルと積極的な急冷管理が求められます。
製品形状の選択は加工工程に影響を与えます。押出材はライン上でT5処理が可能ですが、重要な航空宇宙用継手などでは、残留応力を最小限に抑え寸法精度を維持するために、溶体化熱処理、焼入れ、伸張処理の後にT6またはT651の時効処理を行うことが一般的です。
同等鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 7020 | USA | 合金ファミリーを示す米国アルミニウム協会の一般的な呼称 |
| EN AW | 7020 | ヨーロッパ | EN命名規則で、T6やT651などの調質記号が付くことが多い |
| JIS | A7020 | 日本 | 類似の組成と調質を参照する国内規格 |
| GB/T | 7020 | 中国 | 同じ数値呼称を使用しながら、ローカライズされた公差が適用される中国規格 |
7020のような塑性変形性合金ではこれら規格間で同等性は概ね直接的ですが、調達時には不純物最大値、調質手順、必要な試験プロトコルなど地域ごとの仕様の違いを考慮する必要があります。保証組成や熱処理受入基準のわずかな違いが疲労寿命や応力腐食割れ（SCC）性能に有意な差をもたらすことがあります。
国境を越えた調達の際は、適用規格、調質、要求機械的性質、および伸張やアルマイト処理などの後加工を明示し、互換性と性能の一貫性を確保してください。
耐食性
EN AW-7020は、銅含有量が限定されているため、多くの高銅7xxx系合金よりも大気中耐食性に優れています。これにより、通常環境下での局部腐食耐性が向上しています。アルマイト処理やクロメート変換被膜などの表面処理に良好に反応し、障壁保護や塗装の密着性をさらに高めます。工業的環境下においても、適度な保護と定期的なメンテナンスにより構造部品としての長寿命が期待できます。
海洋環境では許容範囲の性能を示しますが、5xxx系マグネシウムリッチ合金や適切に処理された6xxx系合金ほどの長期浸漬耐久性はありません。塩化物による穴あき腐食や粒界腐食は、焼入れ・時効の管理や保護コーティングの使用により抑制されます。7xxx系合金は引張残留応力と腐食性環境下で応力腐食割れ（SCC）のリスクがありますが、7020は低い銅含有量と制御された不純物によりSCCリスクは低減されますが完全に排除はされません。
異種金属間のガルバニック作用は一般的なアルミニウムの挙動に従い、ステンレス鋼や銅などの貴金属との接触は電気的連続性と電解質の存在で局部腐食を促進します。異種金属接合時は絶縁バリア、犠牲陽極、選択的コーティングの使用が推奨されます。6xxx系合金と比較すると、7020は耐食性を若干犠牲にする代わりに高強度と改善された疲労性能を実現しています。
加工性
溶接性
EN AW-7020はTIGおよびMIG溶接が可能ですが、熱割れや熱影響部の軟化に敏感です。そのため、一般にはより軟らかい調質状態で溶接を行い、可能であれば部分的または全体の再時効処理を施します。推奨されるフィラー合金は、十分な延性と耐食性を備えたAl-Mg系（例：5356）やAl-Si系で、接合形式により選択され、溶接後の強度やSCC耐性に影響します。航空宇宙や高強度構造用途では、熱影響部の調質低下を避けるため、溶接は避け機械的接合が選ばれることが多いです。
切削性
EN AW-7020の切削性は焼鈍状態で中程度から良好と評価され、T6調質では硬度・強度上昇によりやや低下します。正面角を持つ超硬工具と適切な送り速度が最適な工具寿命をもたらし、軟らかい調質では高速鋼も使用可能です。切りくずの制御は良好ですが断面変化や熱処理状態により影響を受けやすく、冷却剤の使用や剛性の高い固定具が表面仕上げと工具寿命を向上させます。
成形性
冷間成形性はO調質で優れており、高強度調質に向かうほど低下します。複雑な曲げや深絞り加工にはOまたはH系列調質が推奨されます。最小曲げ半径は板厚と調質に依存しますが、割れを避けるためT6状態では大きめの半径が必要です。前加熱や温間成形により適度な成形延性が改善されます。バネ戻りは高強度ほど顕著であり、金型設計時に補正が必要です。
熱処理挙動
熱処理可能な合金として、EN AW-7020は溶体化熱処理、焼入れ、人工時効によりピーク強度を発現する析出相微細組織を形成します。典型的な溶体化温度は470～480 °Cで、母材断面厚みに応じて処理時間を調整し、可溶相の溶解を促します。溶体化後は水冷などの急冷が必要で、時効前に超飽和固溶体を保持します。
T6調質の人工時効は120～160 °Cで、強度と靭性のバランスに応じ8～24時間程度実施されます。T5調質は熱間加工後の空冷または水冷後に直接人工時効する形態です。T651はT6の後に制御された伸張処理を施し、残留応力低減と寸法安定性を向上させます。不適切な熱処理や緩慢な焼入れは粗大析出物を招き、強度低下や破壊・疲労性能の劣化をもたらします。
非熱処理操作では加工硬化による強度増加は限定的であり、成形や切削前には焼鈍（O調質）で延性を回復する場合があります。
高温性能
高温曝露により、EN AW-7020の析出相強化による硬さと降伏強さは徐々に低下し、約120〜150 °C以上で著しい強度低下が生じます。通常の人工時効温度範囲を超える温度で使用すると過時効が進み、強化析出物の粗大化が起こり、機械的性質や疲労耐久性の低下を招きます。持続的に高温に曝される部品には、代替合金の選択や保護設計措置が推奨されます。
アルミニウムの不動態酸化皮膜により通常大気環境での酸化は最小限ですが、高温長時間曝露は表面仕上げの変化や耐食性低下（特に塩化物環境下）を引き起こします。溶接による熱影響部（HAZ）は局所的な軟化と高温性能低下が見られ、後熱処理で部分的に回復可能ですが、大型組立品では実施困難な場合があります。
クリープ耐性は鋼やニッケル合金に比べ劣るため、高温域近傍での長期使用では寸法変化の考慮が必要です。
用途例
| 産業分野 | 例示部品 | EN AW-7020を採用する理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 構造用押出しレールおよび衝突管理部品 | 高い強度対重量比と複雑形状の押出成形性 |
| 海洋 | 艦橋部品および継手 | 高銅7xxx系よりもバランスのとれた強度と大気耐食性 |
| 航空宇宙 | 継手、ラグ、二次構造部材 | 高い比強度と良好な疲労特性、精密熱処理対応能力 |
| 電子機器 | シャーシおよびヒートスプレッダ | 優れた熱伝導性と剛性を兼ね備えた軽量筐体 |
EN AW-7020は、6xxx系合金より高強度が要求されつつも、耐食性と押出し性の良好なバランスが必要な部品に選ばれています。押出構造材や切削加工継手において、T6/T651調質で高強度を発現しつつ、実用的な靭性や疲労寿命を維持する合金として活用されています。
選定のポイント
6xxx系より強度が高く、高銅7xxx系より耐食性に優れた熱処理可能なアルミニウム合金が必要な場合にEN AW-7020を選択してください。押出形状や機械加工部品でT6/T651の強度・疲労性能を重視し、最大の溶接性を優先しない用途に適した選択肢です。
1100（商用純アルミ）と比較すると、電気・熱伝導性や優れた成形性を犠牲にする代わりにはるかに高い強度と剛性を持ちます。3003や5052などの加工硬化系合金に対しては、成形容易性が劣りSCC感受性がやや高くなるものの、著しい強度向上を提供します。6061/6063のような一般的な熱処理合金と比較すると、7020は構造用で高いピーク強度と疲労性能を示しますが、溶接性や海洋環境での耐食性を重視する場合は6061が優先されることもあります。
7020の選定にあたっては、強度、腐食環境、溶接性の必要性、後加工能力（熱処理や機械加工）を総合的に検討してください。特に押出形状やT6/T651の強度対重量比が決定的要因となる場合に有利です。
まとめ
EN AW-7020は、高い比強度、優れた疲労耐性、構造用途における許容できる耐食性をバランス良く兼ね備えており、押出や機械加工による成形性が重要な場面で依然として有用なエンジニアリング合金です。その成分管理と熱処理特性により、高銅含有の7xxx系合金や、強度の低い6xxx系合金に代わる実用的な選択肢として、要求の厳しい軽量構造設計に適しています。