アルミニウム合金7050は、航空宇宙用途で一般的に使用される高強度合金です。粉末状では、アルミニウム合金7050は積層造形と粉末冶金にユニークな利点を提供します。この記事では アルミニウム合金 7050 粉その特性、用途、加工方法を含む。
アルミニウム合金7050の紹介
アルミニウム合金7050は、AA7050としても知られ、アルミニウム合金の7xxxシリーズに属します。亜鉛、マグネシウム、銅、ジルコニウム、その他の合金元素を含み、6061のような従来の合金に比べて優れた強度を有しています。
7050アルミニウムの主な合金元素は以下の通りである：
- 亜鉛：最大6.2
- マグネシウム：2.0～2.6
- 銅：1.7～2.4
- ジルコニウム：0.08～0.15
少量の鉄、ケイ素、マンガン、チタンも含まれることがある。
これらの合金元素の組み合わせにより、アルミニウム7050はT6調質で530-570MPaの極限引張強さを達成することができる。また、他の7xxx合金と比較して、優れた耐応力腐食割れ性を持っています。
アルミニウム7050の主な特性には以下のようなものがある：
- 高い強度対重量比
- 優れた破壊靭性
- 優れた耐疲労性
- 良好な耐食性
- 高い熱伝導性
- 良好な加工性
7050アルミの強度は、アルミの軽量性を保ちながら、多くの鋼に迫るものです。そのため、軽量化を目的とした航空宇宙用構造材として理想的な選択肢です。
アルミニウム合金7050の用途
7050アルミの卓越した強度と耐損傷特性は、以下の用途に適しています：
航空宇宙構造
T7451やT7651のような7050アルミの最高強度調質材は、翼のスキン、リブ、スパー、フレームなどの航空機構造部品に広く使用されています。その軽さと強さの組み合わせは、航空機全体の重量を減らすのに役立ちます。
隔壁、胴体外板、着陸装置部品などの部品にも7050アルミニウムが使用されている。航空機の運航中に経験する繰り返し荷重に耐えることができます。
航空宇宙継手
7050-T7451アルミは、航空宇宙システム用の高強度継手の製造に使用されます。これには、油圧、燃料、空気圧、その他の部品用の継手が含まれます。
この合金は、必要な機械的性能を保ちながら、チタンに代わる選択肢を提供します。これにより、エンジニアは部品コストと製造の複雑さを軽減することができます。
オートバイと自転車のフレーム
アルミニウム7050の軽量性と優れた耐疲労性は、高級オートバイや自転車のフレームに使用されています。キャノンデールのようなブランドは、競技用サイクリング・フレームに7050合金チューブを使用しています。
この合金は、軽量でありながら、ペダリングや路面からの振動による繰り返しのストレスに対応できるフレームを提供する。この先進的な合金は、加速性、登坂能力、ハンドリングの向上を可能にする。
自動車シャーシ・サスペンション部品
アルミ7050は、バネ下重量の低減が優先される自動車用途で採用されることがあります。これには、サスペンションアーム、ハブ、ナックル、その他のシャーシ部品が含まれます。
この合金の強度は、より薄く、より軽い部品を使用することを可能にします。また、サスペンション部品が何百万サイクルも経験する荷重や振動にも耐えることができます。
海洋および原子力用途
7050アルミの優れた耐応力腐食割れ性は、海洋ハードウェアや原子力発電所設備に有用です。これらの産業で一般的な腐食性の塩水や放射性環境で、確実に性能を発揮することができます。
付加製造
粉末としてのアルミニウム7050は、選択的レーザー溶解（SLM）や電子ビーム溶解（EBM）のような付加製造技術に理想的です。これにより、航空宇宙およびその他の用途向けに、複雑で軽量な7050部品を3Dプリントすることができます。
微細で均一な粉末粒子は、最終的な印刷部品の良好な流動性、展延性、冶金的品質を促進する。
7050アルミニウム合金の特性
AA7050の特性を理解することは、構造用途を検討する上で重要である：
強さ
T7651のようなピーク時効調質において、7050アルミの極限引張強さは約570MPa、降伏強さは505MPaである。これは、極限強度が310MPa、降伏強度が275MPaの6061-T6よりもかなり高い。
7050合金板の強度は、熱影響部の局部的な軟化に より、溶接中にわずかに低下することがある。この影響を最小限にするために、適切な溶接手順が用いられる。
タフネス
アルミ7050は、アルミ合金としてはそれなりに良い靭性を維持していますが、5083や5454のような他の一般的な合金のレベルには及びません。厚い部分は切り欠きに敏感です。
強度レベルの上昇は、靭性の低下にも相関する。つまり、7050-T7651は7050-T7451よりも靭性が低くなる。
疲労強度
7050合金の主な利点は、その優れた疲労強度です。他の7xxx合金と比較して、繰返し荷重に対する耐性が優れています。これにより、損傷耐性が向上し、耐用年数が長くなります。
細粒微細構造とショットピーニングは、完成した7050部品の疲労性能をさらに向上させるために採用されています。この合金は、航空宇宙用途で50万回以上の疲労応力サイクルに耐えることができます。
破壊靭性
7050アルミニウムは、クラック先端の鈍化メカニズムにより、適度に良好な破壊靭性を有する。35-40MPa√mという値は、厚板部の典型的な値です。
ここでも、この破壊靭性レベルは、60 MPa√mを超える破壊靭性レベルを達成できる5xxxシリーズ合金よりもまだ低い。
耐食性
ピーク時効T7調質では、アルミ7050は良好な剥離と応力腐食割れ (SCC) 耐性を提供します。この点では他の7xxx合金を凌ぐ。
SCC耐性を向上させるために、固溶体中の銅とジルコニウムに依存している。これらの元素を適切に再分散させるには、適切な処理が重要である。
7050の一般的な耐食性は中程度である。必要に応じて、高純度アルミニウムによるクラッディングや陽極酸化処理が施され、耐食性が改善される。
溶接性
7050アルミの溶接性は、ガス・メタル・アーク溶接 (GMAW)またはガス・タングステン・アーク溶接 (GTAW)では、まずまずと考えられる。溶接強度は通常、母材の60-80%に達する。
溶接中の熱影響部における潜在的な歪みと亀裂 の形成には注意が必要である。冷却速度を遅くするため、予熱を推奨する。
摩擦攪拌接合も、適切に最適化すれば、高品質の 7050溶接部を製造できる。溶接後の熱処理は、焼戻し特性の回復に使用で きる。
熱伝導率
アルミ7050の熱伝導率は121W/m.Kと中程度に高いが、より純度の高い1XXX合金よりは低い。これは、電子機器や熱管理用途での放熱をサポートします。
加工性
アルミニウム7050は高強度合金としては良好な被削性を持つが、それでも5xxxや6xxx合金よりは低い。適切な工具選択と加工パラメータは、より高い強度を考慮するために使用されます。
切削工具には、加工中に発生する高い応力に耐える十分な靭性が求められます。また、潜在的なびびりの問題を回避するためには、機械のセットアップを厳密に行うことも重要です。
7050アルミニウム用温度
最適な性能を達成するため、7050アルミは用途に応じて異なる温度に熱処理されます：
- T7351 - この調質は、中程度から高強度で、若干の延性と靭性を持つ。一般的な引張強さは490MPa程度である。
- T7451 - T7451調質は、適度な延性と破壊靭性を保ちながら、最高の強度を提供する。引張強さは約520MPaに達する。
- T7651 - T7651調質材を使用することで、ダメージ・トレランスが要求される用途で最大の強度が得られる。引張強さは約570MPaまで上昇する。
- T736 – この調質は、強度を若干低下させる一方で、破壊靭性と耐食性を向上させるために過時効が施されている。T736の引張強さは約400MPaに達する。
数字は、基本的な熱処理の順序を示す：
- 7xxx = 溶体化熱処理 + 焼入れ
- 3xx = 焼入れ後のストレッチ
- 5倍または6倍＝人工老化
延伸は、T7451 および T7651 温 度の破壊靭性の改善に役立つ。時効の期間と温度は、強度と靭性のバランスを制御する。
アルミニウム合金7050の加工
最適な特性のバランスを得るためには、アルミニウム合金7050は、以下の重要なステップを経て慎重に加工されなければならない：
メルティング
7050合金では、酸化と水素ピックアップのリスクが高いため、空気溶解は推奨されない。真空誘導溶解が主に使用される。鋳造中の高い流動性は、約750℃の溶解温度で達成される。
アルゴンまたは窒素による脱ガスは、気孔率を最小限に抑えるために重要である。不活性カバーガス下での溶解は、水素吸収をさらに減少させる。
チタンやボロンのような結晶粒微細化剤は、鋳造時の結晶粒構造を改善するために添加される。また、引張特性をさらに向上させるために、ジルコニウムを溶融物に添加することもある。
成形
7050アルミは強度が高いため、熱間加工や成形工程により大きな力が必要となる。通常、370～440℃の温度が使用される。
冷却は、結晶粒を細かくして最適な特性を得るのに十分な速さでなければならない。しかし、急冷割れを避けるため、速すぎないこと。厚板製造では、260℃以上の温間圧延仕上げ温度を推奨する。
押出材はまた、低い押出温度に伴う局所的な弱点を避けるため、成形中に十分な熱を必要とする。
溶液熱処理
固溶化熱処理は、CuAl2やMgZn2のような可溶性粒子を固溶体に溶解させる。7050アルミニウムを465～485℃に約1時間加熱した後、水冷することにより行われる。
処理中の歪みと熱応力を最小限に抑えるため、加熱と冷却の速度を遅くする。急冷割れを最小限に抑えるために、冷却強度を下げた急冷修正も適用される。
冷間加工
7050アルミは、焼入れと時効の間に、しばしば5-10%の冷間加工を施される。これは、冷間加工硬化と時効硬化中の析出物形成促進による機械的性質の改善に役立つ。
延伸は、厚板や押し出し材などの7050製品を冷間加工する一般的な方法である。冷間圧延は、シートや箔製品にも使用できます。
年齢による硬化
時効硬化は、7050を121℃に24時間加熱してT7調質状態にすることで行われる。時効温度は、要求される強度によって100～150℃の範囲になる。
高い時効温度は、安定性と耐食性を向上させながら、低い強度をもたらす。多段階時効は、析出物の最適化によって強度をさらに高めることができる。
矯正
焼入れと時効の段階では、7050アルミ部品に反りや歪みが生じることがよくあります。矯正により、部品は最終寸法公差と表面仕上げの要件を満たすようになります。
ストレッチ矯正は、押出材や圧延シート製品に一般的に使用される。板材は、プレスやローラーのレベリング工程を利用して歪みを矯正することがある。
アルミニウム合金7050の微細構造
アルミニウム7050の微細構造は、二次析出物の微粒子と合金化したアルミニウムのマトリックスからなる：
アルミニウムマトリックス内の微細な析出物（ダークスポット）を示すピーク時効アルミニウム合金7050の顕微鏡写真。画像出典：ASTM International
主な沈殿物は以下の通り：
- MgZn2 このβ′相析出物は、7050アルミニウムの強化に最も大きく寄与している。β′相は、結晶粒内および結晶粒界に沿って微細に分散した粒子として形成されます。
- Al2CuMg - これらのT相析出物は、さらなる析出硬化をもたらす。転位や亜粒界に形成される。
- Al7Cu2Fe - 鉄を含むAl7Cu2Fe粒子は、熱処理中に再結晶の核生成サイトとして機能する。粗大なAl7Cu2Fe相も存在する。
- Al3Zr - Al3Zr分散体は、結晶粒組織を制御するために使用される。粒成長と再結晶を制限し、強度を維持するのに役立ちます。
微細で均一な結晶粒構造は、強度、靭性、その他の機械的特性の必要なバランスを達成するのに役立ちます。粒径は25μm前後が一般的です。
粉末冶金アルミニウム合金 7050
アトマイズ技術は、積層造形や粉末成形に適した微細なアルミニウム合金7050粉末を製造することができる：
ガス噴霧
不活性ガス霧化は、アルミニウム7050粉末を製造する最も一般的な方法です。高圧窒素ガスまたはアルゴンガスを使用して、溶融金属流を微細な液滴に分解します。
液滴は急速に凝固し、粒度分布が制御された球状の粉末粒子になります。ガスアトマイズされた7050パウダーの典型的な粒度範囲は20～150ミクロンです。
プラズマ霧化
プラズマアトマイズは、プラズマガスを利用して合金を溶融・微粒化する。5～45ミクロンまでの微細な粒子径を持つ、より球状の粉末を生成します。
これにより、粉末の流動性と緻密性が向上する。しかし、一般的に粉末はガスアトマイズされた代替品よりも高価である。
機械的合金化
アルミニウム元素と合金元素の粉末を機械的に合金化し、さらに微細な粒子径の7050合金粉末を合成する。
高エネルギー粉砕技術は、アルミニウム・マトリックス中の合金添加物の均質な分布を作り出すために使用される。これにより、ナノ構造およびアモルファス7050粉末の合成が可能になります。
製造方法にかかわらず、積層造形、金属射出成形、その他の粉末冶金プロセス向けの 7050 粉末には高純度が不可欠です。特に酸素と水分のレベルを厳しく管理することは、欠陥の回避に役立ちます。
使用前の粉体汚染を防ぐには、粉体の適切な取り扱い、保管、雰囲気管理が同様に重要である。
7050アルミニウムによる積層造形
アルミニウム合金7050粉末は、粉末床融合技術による軽量で高強度の航空宇宙・防衛部品の3Dプリントにますます使用されるようになっている。
選択的レーザー溶融(SLM)と電子ビーム溶融(EBM)はどちらもアルミニウム7050粉末を加工することができる。主な検討事項は以下の通りです：
パラメータ最適化
所望の機械的特性を備えた完全な高密度7050パーツを実現するには、機械パラメーターの最適化が必要です。これには、層厚、スキャン速度、ビームパワー、ハッチ間隔などの側面が含まれます。
ホットクラックや歪みを避けながら気孔率を最小化するには、印刷中の加熱と冷却の効果をバランスさせる必要がある。
高反射率
アルミニウム7050粉末の研磨された反射面は、SLM中にレーザー放射を効果的に吸収するのではなく、反射する可能性があります。より高い出力密度と各層の事前粗面化は、この問題を相殺するのに役立ちます。
酸化
粉末粒子表面の酸化膜は、最終部品への巻き込みを避けるため、溶解中に分解されなければならない。さもなければ、これらの酸化物は強度低下の原因となる。
アルゴンや窒素を使用した不活性雰囲気下での処理は、酸化を最小限に抑える。
残留応力
局所的な加熱・冷却サイクルによる残留応力は、アルミニウム7050のAM造形工程で依然として問題となっています。支持構造の慎重な最適化が必要です。
製造後の熱処理は、印刷部品の残留応力の緩和にも役立ちます。熱間等方圧加圧（HIP）はさらに、内部の空隙をなくすことで引張特性を向上させることができる。
7050アルミニウムパウダーの用途
積層造形に加えて、アルミ7050パウダーは次のような用途にも対応している：
金属射出成形（MIM）
アロイ7050パウダーは、金属射出成形に適しており、高い強度と精度を持つネットシェイプの航空宇宙および防衛コンポーネントを作成します。
MIMでは、良好な金型流動性とグリーンパーツの強度を達成するために、5ミクロン以下のパウダーが好ましい。バインダーの混合、射出成形、脱バインダー、焼結のステップが続く。
粉末鍛造
7050アルミニウム粉末は、直接鍛造により、ほぼ正味の形状の部品を作ることができます。プリフォーム形状に圧縮した後、閉塞鍛造により、制御された変形を通じて複雑な3D部品を作成します。
Al-Zn-Mg-Cu粉末は、成形時の流動と凝集を助ける。最終的な鍛造組織は、微細で均一な結晶粒と析出物を示す。
溶射
アルミニウム7050パウダーは、高速酸素燃料（HVOF）溶射のような溶射技術を用いてコーティング材として適用される。これにより、耐摩耗性と耐腐食性の層が形成されます。
このコーティングは、アルミニウムやマグネシウム部品の基本特性を変えることなく、軽量化を実現します。
粉体溶接
特殊なアルミ7050パウダーは、アルミ部品の補修や材料追加を目的とした粉末溶接プロセスに利用されます。この技術は、母合金と同様の強度を持つ冶金学的に結合した付着物を生成します。
低温投入により、熱に敏感なアルミ部品を溶接する際の損傷を防ぐ。微細なパウダーが、亀裂や損傷部分を埋める。
火工品パウダー
粒度分布が制御された球状の7050アルミニウム粉末は、照明弾や点火装置などの火工品組成物の燃料源として機能します。
この火薬は適切な酸化剤と組み合わせると高温で容易に燃焼する。火工品用粉末は、異物による汚染を最小限に抑えることが重要です。
アルミニウム合金7050パウダーに関するFAQ
Q: 7050パウダーにはどのような種類がありますか？
A: ガスアトマイズやプラズマアトマイズされた7050アルミニウムパウダーが最も一般的です。粉末サイズは約5ミクロンから150ミクロンです。球状形態と低酸素含有が典型的です。特注の粒度分布も可能です。
Q:7050パウダーを取り扱う際には、どのような注意が必要ですか？
A: 酸化や水素の吸収を防ぐため、空気や湿気への暴露は最小限に抑える必要がある。乾燥剤を入れた密閉容器での保管を推奨する。可燃性粉末については、適切な接地と防爆環境が必要な場合がある。
Q: 7050パウダーの用途例を教えてください。
A: 7050アルミパウダーの主な用途は以下の通りです：
- SLMまたはEBMによる積層造形– 複雑な形状の航空宇宙および防衛部品の製造。
- 金属射出成形 – タービンブレードのような小型の高精度部品用。
- 粉末鍛造 – 一体化された機能を持つ軽量構造部品を製造。
- 溶射 – アルミニウム部品の保護コーティングとして。
- 粉体溶接 – アルミニウム航空宇宙部品の亀裂や損傷を補修するため。
Q: 7050アルミ合金の典型的な化学組成は何ですか？
A：典型的な構成はこうだ：
- 亜鉛：6.0～6.7
- マグネシウム：2.0～2.6
- 銅：2.0～2.5
- ジルコニウム：0.08～0.15
- 鉄：0.10%以下
- シリコン 0.12%以下
- マンガン：0.10%以下
- チタン：0.06%以下
- クロム：0.04%以下
その他の微量元素も指定された限度まで含まれることがある。
Q: 7050アルミ合金と7075アルミ合金の違いは何ですか？
A：主な違いは以下の通り：
- 7050の方が強度が高く、7075の510MPaに対して570MPaに達する。
- 7050は耐応力腐食割れ性に優れている。
- 7050は、粒組織制御のためにジルコニウムを含む。
- 7075合金は破壊靭性がわずかに優れている。
- 7075は、やや応力の低い用途に広く使用されている。
