7050アルミニウム合金の機械的特性と導電率

7050アルミニウム合金は、1970年代にアルコア社が7075アルミニウム合金の成分を調整して開発したAl-Zn-Mg-Cu合金の一種です。

7050アルミニウム合金中のZnとMgは、高強度アルミニウム合金の主強化相であるMgZn2相の強力なエージング効果を形成し、7050アルミニウム合金の強度を大幅に向上させることができます。

Cuは、粒界と結晶内領域の電位差を小さくし、粒界割れ感受性を抑制し、G.P.ゾーンの安定温度範囲を広げ、合金を過時効しにくくする。

Zrは、再結晶温度を上昇させ、合金の結晶粒径を微細化するのに良好な効果を有し、固溶体中のZn、Mg、Cuの安定性を維持することができ、7050アルミニウム合金の焼入れ感受性を著しく低下させる。

現在、安定した技術レベルを達成するのは難しい。 材料特性 7050アルミニウム合金の熱処理後の導電率は、実際の生産では不適合となるケースが多い。

導電率は、強度や応力腐食感受性因子と一致させることはできない。

したがって、熱処理工程が電気伝導率に及ぼす影響因子を見つけ出し、鍛造品の電気伝導率を他の特性と一致させることは非常に有意義である。

材料と試験方法

(1) この記事では、7050アルミニウム合金の角材を使用し、その標準化された化学組成を表1に示す。

表1 7050アルミニウム合金の化学組成（質量分率、%）。

(2) 鍛造寸法鍛造寸法と有効板厚を表2に示す。

表2 鍛造寸法と有効板厚。

(3) 熱処理システムを表3に示す。熱処理工程の設備精度は±3℃である。

表3 7050アルミニウム合金T7452の熱処理システム。

上記の課題を検討するため、生産に基づき、4組の実験計画を立案した。鍛造Aおよび鍛造Bの熱処理システムは、溶体化温度を変化させ、他のパラメータは変化させない。鍛造B、鍛造Cおよび鍛造Dの熱処理システムは、二次時効時間を毎回2時間ずつ増加させ、他のパラメータは変化させない。

実験結果と分析

鍛造品の電気伝導率に及ぼす4種類の熱処理システムの影響。

7050アルミニウム合金の電気伝導率は、主に合金化の程度、マトリックスの再結晶、溶体化処理と時効処理中の固溶体中の溶質の析出によって影響を受ける。

本研究では、表4に示すように、4種類の熱処理装置を用いて鍛造品を処理し、渦電流式電気伝導率計を用いて各鍛造品について5点の電気伝導率を測定した。

表4 4つのグループの鍛造品の電気伝導率/(mS/m)。

の溶液処理中に、次のことが起こった。 アルミニウム合金すなわち、過剰相の溶解とマトリックスの再結晶化である。これらはまた、溶液処理の過程で導電率に影響を与える主な要因でもある。

過剰相の溶解は、溶質原子を可能な限りマトリックスに溶解させ、過飽和固溶体を形成し、エージング過程における強化相の析出に備えることである。

7050アルミニウム合金は、合金元素の含有量が高く、内部構造が複雑で、T(AlZnMgCu)、S(Al2CuMg)、η(MgZn2)、Al7Cu2Feなど様々な共晶相が存在する。

文献報告によれば、溶体化温度471℃では、T相の一部がマトリックス中に部分的に溶融するが、マトリックス中にはまだ少量のS相が存在し、溶体化温度477℃では、合金中にS相がまだ検出される。

一定の範囲内では、鍛造品の固溶の程度は、溶体化温度の上昇とともに増加する。

溶液温度が471℃から477℃に上昇すると、変形構造が減少し、再結晶構造が増加する。

さらに、溶液温度が高いほど、合金の再結晶の割合が速く増加し、電気伝導率に対する再結晶の影響は、溶質原子がマトリックスに溶解する場合よりも大きい。

鍛造品Bと鍛造品Aの導電率を比較すると、溶体温度が471℃から477℃に上昇するにつれて導電率が上昇していることがわかる。

これは、溶液温度が高いほど、合金の再結晶の割合が速く増加し、このとき、合金の電気伝導率に対する再結晶の影響が、マトリックスに溶解する溶質原子の影響よりも大きくなり、電気伝導率が増加するためである。

鍛造品B、鍛造品C、鍛造品Dの導電率を比較すると、二次時効時間が長くなるにつれて順次導電率が上昇していることがわかる。

時効処理は、鍛造品の特性を制御する重要な熱処理工程だからである。

7050アルミニウム合金の2段階時効処理における析出シーケンスは、過飽和固溶体→G.P.ゾーン→η'相→η相である。

二次時効中、サイズの大きいG.P.ゾーンはη'相に変化し、二次時効時間が長くなるにつれて、G.P.ゾーンの含有量が減少し、η'相の含有量が増加し、同時に強度が低下し、電気伝導率が増加する。

鍛造品の室温引張特性に及ぼす4種類の熱処理システムの影響。

4つの熱処理システムで処理した7050アルミニウム合金の大型鍛造品の室温引張特性を表5に示す。

表5 鍛造品A、鍛造品B、鍛造品C、鍛造品Dの常温引張特性

鍛造品Aと鍛造品Bの室温引張データを比較すると、溶体化温度が471℃から477℃に上昇するにつれて、強度が約20MPa低下することがわかる。

これは、この温度範囲では再結晶の影響が支配的であり、再結晶のプロセスは完全に結晶粒の微細化のプロセスではないからである。

時効処理温度は固溶化熱処理温度よりはるかに低いため、固溶化熱処理後の合金結晶粒の形態や転位配置は、時効処理中に弱く変化する可能性がある。

したがって、固溶化処理後の再結晶の割合が高いと、材料中の転位密度が低下し、合金の強度が低下する。

このうち、鍛造品Bの溶体化温度471℃における横降伏強度が高すぎるため、鍛造品の応力腐食感受性係数（縦降伏強度-12×導電率）に影響を及ぼす。

一般に、横降伏強度が490MPaを超えると、応力腐食感受性係数は不適格となる。

鍛造品B、鍛造品C、鍛造品Dの室温引張データを比較すると、二次時効時間が長くなるにつれて、鍛造品の強度が低下する傾向にあることがわかる。

しかし、鍛造Dの強度はすでに限界まで押し込まれており、余裕がないため、不適格になりやすい。二次時効工程では、臨界サイズ以上のG.P.ゾーンの含有量が増加し、η'相が形成され、合金は過時効となり、合金の強度が低下する。

鍛造品の導電率、強度、応力腐食感受性因子の関係。

電気伝導率には、迅速な試験、非破壊、容易な測定という利点があるため、実際の生産において合金のいくつかの機械的特性を推定するために使用することができる。

過去の製造工程の性能データをまとめると、導電率の範囲に対応する強度性能データが表6にまとめられている。

表6 強度と電気伝導率データのまとめ。

表6から、導電率、強度、応力腐食感受性因子の性能には一致した関係があることがわかる。

高い強度が要求される鍛造品では、鍛造品の導電率を22.5～24.5mS/mの範囲に制御することができる。

応力腐食係数が要求される鍛造品については、導電率を22.5～23.5 mS/mの範囲に制御する必要がある。鍛造品の強度と応力腐食係数の両方が規格要求を満たすことができる。

7050アルミニウム合金の第2段時効時間の延長に伴い、結晶粒内に析出するη(MgZn2)平衡相はより均一化し、結晶粒界における析出相は不連続かつ粗大化する。

粒界とマトリックス間の電位差に起因する電気化学的腐食が減少するため、7050アルミニウム合金の耐ピール腐食性能が向上する。

第2段階の時効時間が長くなると、導電率も高くなる。したがって、日常的な生産では、強度の要求を満たしながら、鍛造品の耐剥離腐食性能を高めるために、わずかに高い導電率を制御することができる。

の間に相関がある。 アルミニウムの導電率 合金とその機械的特性のいくつかは発見されているが、これらの相関関係の本質的な関連性はまだ明らかではない。

そのため、分析しまとめるためには、まだ大量の実際の生産データが必要である。

結論

溶体化温度が471℃から477℃に上昇すると、鍛造品の強度が低下し、導電率が上昇する。

第2段階時効時間の延長により、鍛造品の強度は低下し、導電率は上昇し、耐剥離腐食性は向上する。

導電率を22.5～23.5mS/mの範囲に制御すれば、鍛造品の強度と応力腐食感受性因子の両方の要求を同時に満たすことができる。

⑷ 実際の生産では、鍛造品の機械的特性はその導電率から推測できる。