（１）７ＸＸＸ系アルミニウム合金の特性
7XXxシリーズアルミニウム合金は、Znを主な合金元素とするアルミニウム合金で、熱処理可能なアルミニウム合金です。合金にMgを加えると、Al-Zn-Mg合金になります。この合金は、熱変形特性が良好で、焼入れ範囲が広く、適切な熱処理条件下では、高強度と良好な溶接性が得られます。一般に、耐食性が良好で、応力腐食の傾向がある程度あります。高強度の溶接可能なアルミニウム合金です。Al-Zn-Mg-Cu合金は、Al-Zn-Mg合金をベースにCuを加えて開発されました。その強度は2Xシリーズアルミニウム合金よりも高く、一般に超高強度アルミニウム合金と呼ばれています。合金の降伏強度は引張強度に近く、降伏強度比が高く、比強度も高いですが、塑性と高温強度は低いです。常温および120度以下で使用される荷重支持構造部品に適しています。この合金は加工しやすく、耐食性が良く、靭性も高いため、航空・宇宙分野で広く使用され、この分野で最も重要な構造材料の一つとなっています。
（２）合金元素および不純物元素とその働き
① Al-Zn-Mg合金 Al-Zn-Mg合金ではZnとMgが主な合金元素であり、その含有量は通常7.5％以下です。
Zn と Mg: 合金中の Zn と Mg の含有量が増加すると、一般的にはそれに応じて引張強度と熱処理効果が高まります。合金の応力腐食傾向は、Zn と Mg の含有量の合計に関係しています。Mg が高く Zn が低い合金、または Zn が高く Mg が低い合金の場合、Zn と Mg の含有量の合計が 7% 以下であれば、合金は優れた応力腐食耐性を備えています。合金の溶接割れ傾向は、Mg 含有量の増加とともに減少します。
Al-Zn-Mg 合金に添加される微量元素には Mn、Cr、Cu、Zr、Ti が含まれ、主な不純物には Fe と Si が含まれます。
MnとCr: MnとCrを添加すると、合金の耐応力腐食性が向上します。Mn含有量は0.2%~です。
{{{0}}.4%で効果が顕著です。Cr添加の効果はMn添加よりも大きく、MnとCrを同時に添加すると、応力腐食傾向の低減効果が向上します。Crの適切な添加量は0.1%〜0.2%です。
Zr: Zr は A{{0}}Zn-Mg 合金の溶接性を大幅に向上させることができます。 AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35 合金に 0.2% Zr を添加すると、溶接割れが大幅に減少します。 Zr は合金の最終再結晶温度も上昇させます。 AlZn4.5Mg1.8Mn0.6 合金では、Zr 含有量が 0.2% を超えると、合金の最終再結晶温度は 500 度を超えます。 したがって、材料は焼入れ後も強度を保持します。 変形組織。 Mn を含む Al-Zn-Mg 合金に 0.1% ～ 0.2% の Zr を添加すると、合金の耐応力腐食性も向上しますが、Zr の効果は Cr よりも低くなります。
Ti: 合金にTiを添加すると、鋳造状態での合金の結晶粒度を微細化し、合金の溶接性を向上させることができますが、その効果はZrよりも低いです。TiとZrを同時に添加すると、効果はより良くなります。Ti含有量が0.12}％のAlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3合金では、Zr含有量が0.15}％を超えると、合金の溶接性と伸びが良好になり、0.2％を超えるZrを単独で添加した場合と同じ効果が得られます。Tiは合金の再結晶温度を上げることもできます。
Cu: Al-Zn-Mg 合金に少量の Cu を添加すると、応力腐食耐性と引張強度が向上します。ただし、合金の溶接性は低下します。
Fe: Fe は、特に Mn 含有量が多い合金の場合、合金の耐食性と機械的特性を低下させる可能性があります。したがって、Fe 含有量は可能な限り低くする必要があり、その含有量は 0.3% 未満に制限する必要があります。
Si: Si は合金の強度を低下させ、曲げ性能をわずかに低下させ、溶接割れの傾向を高めます。合金中の Si 含有量は 0.3% 未満に制限する必要があります。
② Al-Zn-Mg-Cu合金 Al-Zn-Mg-Cu合金は熱処理可能な合金です。主な強化元素はZnとMgです。Cuにも一定の強化効果がありますが、主な機能は材料の耐食性を向上させることです。
ZnとMg：ZnとMgは主な強化元素です。共存すると、η（MgZn2）相とT（Al2Mg2Zn3）相を形成します。η相とT相はAIに対する溶解度が大きく、温度の上昇と下降とともに劇的に変化します。共晶温度でのMgZn₂の溶解度は28％で、室温では4％〜5％に低下します。強力な時効強化効果があります。ZnとMgの含有量を増やすと、強度と硬度が大幅に向上しますが、可塑性、耐応力腐食性、破壊靭性が低下します。
Cu：Zn/Mgが2.2より大きく、Cu含有量がMgより大きい場合、Cuと他の元素は強化されたS（CuMgAlz）相を生成して合金の強度を高めることができますが、逆の場合、S相が存在する可能性は非常に小さいです。Cuは粒界と粒内の電位差を低減し、析出相構造を変えて粒界析出相を微細化することもできますが、粒界非析出領域の幅にはほとんど影響しません。粒界割れの傾向を抑制し、合金の応力腐食耐性を向上させることができます。ただし、Cu含有量が3％を超えると、合金の耐食性が低下します。Cuは合金の過飽和度を高め、合金の100〜200℃での人工時効プロセスを加速し、GPゾーンの安定温度範囲を拡大し、引張強度、塑性、疲労強度を向上させることができます。 Cu含有量が高すぎない範囲では、Cu含有量の増加とともに、繰り返しひずみ疲労抵抗と破壊靭性が向上し、腐食性媒体での亀裂成長速度が低下しますが、Cuの添加により粒界腐食と孔食腐食が発生する傾向があります。破壊靭性に対するCuの影響は、Zn / Mg比に関連しています。比率が小さい場合、Cu含有量が高いほど靭性が悪くなります。比率が大きい場合は、Cu含有量が高くても靭性は非常に良好です。
合金には、Mn、Cr、Zr、V、Ti、Bなどの微量元素も含まれています。FeとSiは合金中の有害な不純物であり、それらの相互作用は次のとおりです。
Mn、Cr：MnやCrなどの遷移元素を少量添加すると、合金の構造と特性に大きな影響を与えます。これらの元素は、インゴットの均質化焼鈍中に分散粒子を生成し、転位と粒界の移動を防ぎ、それによって再結晶温度を上げ、結晶粒の成長を効果的に防ぎ、結晶粒を微細化し、熱間加工と熱処理後に組織が再結晶しないか部分的に再結晶したままになるようにすることで、強度が向上し、耐応力腐食性がより良くなります。耐応力腐食性の向上という点では、Mnを添加するよりもCrを添加する方が優れています。
Zr: 最近、Cr と Mn を Zr に置き換える傾向があります。Zr は合金の再結晶温度を大幅に高めることができます。熱間変形でも冷間変形でも、熱処理後に非再結晶構造を得ることができます。Zr は合金の硬化性、溶接性、破壊靭性、応力腐食耐性などを改善することもできます。Zr は、Al-Zn-Mg-Cu 合金において非常に有望な微量添加元素です。
Ti と B: Ti と B は鋳造状態で合金の粒子を微細化し、合金の再結晶温度を上昇させます。
Fe と Si: Fe と Si は 7XxX アルミニウム合金に不可避の有害不純物であり、主に原材料、製錬および鋳造に使用される工具および設備に由来します。これらの不純物は、主に硬くて脆い FeAl: および遊離 Si の形で存在します。これらの不純物は、Mn および Cr とともに (FeMn)Als、(FeMn)Si2Als、Al(FeMnCr) などの粗大化合物を形成することもあります。FeAl3 は結晶粒を微細化する効果がありますが、耐食性への影響は大きくなります。不溶性相の含有量が増加すると、不溶性相の体積率も増加します。これらの不溶性第 2 相は、変形中に破断して伸長し、縞状構造になり、粒子は変形方向に沿って直線状に配列します。不純物粒子は結晶粒内または結晶粒界に分布しているため、塑性変形中に一部の粒子とマトリックスの境界に気孔が発生し、マイクロクラックが発生し、マクロクラックの起源になります。また、疲労亀裂の成長速度にも大きな影響を与え、破壊時の局所塑性を低減する一定の効果があります。不純物の増加は粒子間の距離を短くし、それによって亀裂先端周辺の塑性変形流動性を低下させます。 FeとSiを含む相は室温で溶解しにくいため、ノッチの役割を果たして亀裂源になりやすく、材料の破壊を引き起こし、合金の伸び、特に破壊靭性に非常に悪影響を及ぼします。そのため、新しい合金を設計して製造するときは、FeとSiの含有量を厳密に管理します。高純度の金属原料を使用することに加えて、溶解および鋳造プロセス中にも、これら2つの元素が合金に混入するのを防ぐためのいくつかの対策が講じられています。