航空機用アルミニウム合金展伸材の歴史
株式会社UACJ 技術開発研究所 八太 秀周 吉田 英雄１．はじめに
アルミニウム合金の時効硬化現象がウィルム （Alfred Wilm）によって発見1）されて以降、アル ミニウム合金の大幅な高強度化が可能となり、輸 送機器用の構造体としても用いられるようになっ た。アルミニウム合金を用いた軽量化によって、 輸送機器の高速化、燃費向上や快適性等の向上が 図られてきた。特に航空機用構造体として用いら れてきたアルミニウム合金は、ジュラルミン、超 ジュラルミン、超々ジュラルミンというように、 まさにアルミニウムの高強度化の歴史でもある。 ここでは、これらの材料開発の歴史を振り返り、 将来のアルミニウム合金の開発について考える。２．ジュラルミンの発明
2） ホール（C.M.Hall）とエルー（P.L.Heroult）に よって1886年にアルミニウムの電解精錬法が発明さ れ3）、その後、アルミニウムの本格的な工業生産が 始まった。1903年頃からドイツのウィルムは適当な 元素を添加して焼入れを行えば鋼のように硬さが増 すのではないかと考え、試験を繰り返したものの全 く硬くはならなかった。ところが1906年９月のある 土曜日に、銅を４％、マグネシウムを0.5％含むアル ミニウム合金を焼入れして硬さの測定を午後１時ま で行い、その続きを翌々日の月曜日に行ったとこ ろ、著しく硬くなっていた。これが時効硬化現象の 発見である。図１に示すような時効硬化が発表され ている1）。これをデュレナ・メタルヴェルゲ社に よって、Al-4.2％Cu-0.5％Mg-0.6％Mnの組成の合 金として製品化した合金がジュラルミンである。 この合金は従来の合金よりも強度が高いために、 早速ツェッペリン飛行船の骨組みに採用され、そ のツェッペリン飛行船は第一次世界大戦ではロン ドンなどの空襲等に用いられた。 一方、日本国内では、1916年ロンドン駐在の海 軍監督官が墜落したツェッペリン飛行船から骨材 を入手し、海軍が住友伸銅所に調査依頼したとこ ろから航空機用アルミニウム合金の開発が始まっ た。この入手した材料の分析結果や英国金属学会 誌の文献をもとに試作研究が行われ、1919年には 工場試作が完了したと言われている。そのツェッ ペリン飛行船の残材の一部は、現在も図２に示す よう形で（株）UACJの技術開発研究所で保管さ か た さ か た さ 時効時間〔hr〕 焼入温度〔℃〕 100 90 80 70 60 50 110 90 70 50 0 400 420 440 460 480 500 520 540 4 8 12 16 20 24 (a) (b) ４日時効後 焼入直後 図１ 銅及びマグネシウムを含むアルミニウム合金の 時効硬化（Cu3.5，Mg0.5，Al残）（Wilm）1）れている。その後、1921年に初めて住友伸銅所で ジュラルミンの工業生産が行われ、1922年には、 中島式ブレゲー型飛行機B-6型の構造体に国産 ジュラルミンが使用され、この飛行機は「軽銀」 と命名された。1930年以降の全金属製の機体と なってからジュラルミンが本格的採用された。
３．超ジュラルミンの開発
4） その後さらに高強度が求められ、ジュラルミ ンの強度を超えるいわゆる超ジュラルミンの開 発が進められた。1928年にケイ素を添加した14S （Al-4.4％Cu-0.4％Mg-0.9％Si-0.8％Mn）をアルコ ア社が開発した。この14Sは焼入れした後に人工 時効処理（T6調質）することで耐力42kg/㎟が得 られ、17Sの耐力を上回った。しかし、伸びが 13％と低いために、板材としてよりも鍛造品とし て多く用いられるようになった。当時はジュラル ミンの強度を超える合金は、どれも超ジュラルミ ンと呼ばれ、14Sのようにケイ素を多く含有した 超ジュラルミンは含ケイ素型超ジュラルミンと言 われていた。1931年には、アルコア社がジュラル ミンのマグネシウム量を1.5％まで増加した24S （Al-4.5％Cu-1.5％Mg-0.6％Mn）を開発した。こ の24Sは焼入れ後、室温時効でジュラルミンを超 える強度に達する合金であり、人工時効を施さず とも高強度が得られた。ジュラルミンの17S-T4 は代表値で引張強さ44㎏/㎟、耐力28㎏/㎟に対 し、24S-T3は引張強さ49㎏/㎟、耐力35㎏/㎟で あり、17Sに比べ耐力が20％高い合金である。さ らに焼入れ後矯正あるいは残留応力を最小限にす るために1.5〜3％の引張加工をすることで強度も 向上する。この合金は17Sに比べて強度が高いた めに、すぐに17S-T4に替わって航空用材料とし て採用された。現在では、一般にこの24Sが超 ジュラルミンと呼ばれている。そして、耐食性の 良好な純アルミニウムを皮材としたクラッド材 Alclad24S-T3が開発され、図３に示すDC-3など の胴体用材料として採用された5）。現在の航空機 にもAlclad24S-T3は使用されている。 日本国内でも、1931〜1932年頃になり飛行機が 全金属製の機体になると、同じように軽く、しか もさらに強度の高い材料が要求された。当時の住 友で1935年には24S型超ジュラルミンのSD、その 合わせ板はSDCと称される材料が開発され、 SDCの皮材はアルコア社の24SCよりも高強度の 合わせ板となったと言われている。４．超々ジュラルミンの開発
4） 将来、戦闘機の性能を飛躍させるには、軽く、 しかももっと強力な引張強さ50〜60㎏/㎟を有す るアルミニウム合金が必要ということで海軍から の要請を当時住友では受けている。住友において 材料の開発を担当した五十嵐博士は、強度と加工 図２ （株）UACJ 技術開発研究所で保管されている ツェッペリン飛行船の骨材の一部 図３ Alclad 24S-T3が用いられたDC-35）性から予備検討を行ない、最終的には表１に示す ようにサンダーのS合金、超ジュラルミンのD合 金、そして英国ローゼンハインのＥ合金をベース に合金成分が検討された。最大の懸念事項である 応力腐食割れに対して、図４に示すような各種試 験方法を確立し6）、クロムの微量添加が非常に有 効であることを明らかとしている。 その結果、新合金のAl-8％Zn-1.5％Mg-2％Cu-0.5％Mn-0.25％Crとなった。この合金は1936年６ 月に「鍛錬用強力軽合金」として出願され、図５ に示すように1940年２月に特許になっている7）。 1936年５〜６月頃にはベースとなったＥ合金、Ｓ 合 金、 Ｄ 合 金 の 頭 文 字 を と っ てESD（Extra-Super-Duralumin）超々ジュラルミンと命名され た。超々ジュラルミンESDの押出形材は図６示 す「零式艦上戦闘機」いわゆる零戦の主翼桁材に 適用された。零戦は各型合計すると約10400機生 産された。その後、アルコア社でも、超々ジュラ ルミンにおいて応力腐食割れに効果があるクロム を同様に添加して、7075合金を完成させ、現在で も航空機用材料として用いられている。 表１ 開発に用いた合金の組成 D：Duralumin（Alcoa 24S，超ジュラルミン） S：Sander合金（W. Sander氏の開発）
E：Zinc Duralumin（W. Rosenhain博士の開発）
図４ 応力腐食割れの各種試験方法6）
図５ 超々ジュラルミンESDの特許7）
５．戦後の高強度アルニムニウム合金
8） 戦後しばらくは日本国内では航空機の研究開発 および製造が禁止されたことから、アルミニウム 産業においても民需転換が進んだ。しかし1950年 頃には朝鮮戦争と関連して、米国極東空軍からの 発注で再び24S、75S等の航空機用高強度合金が 生産されるようになった。戦後、欧米および日本 国内とも、さらに高強度アルミニウム合金の材料 特性の改良が行われた。75Sでは応力腐食割れを 防ぐために微量のクロムが添加されているが、図 ７に示すように焼入れ感受性がクロムより低く、 応力腐食割れの抑制にも効果的な元素としてジル コニウムの添加が有効であることが明らかとなり 9、10）、鉄道車両などの分野でAl-Zn-Mg三元合金 系にジルコニウムを添加したAA7003が実用化さ れた。また銅を含むAl-Zn-Mg-Cu系合金において もAA7050やAA7150等のジルコニウムを添加し た合金がアメリカで開発され、現在の航空機にも 多く使用されている。さらに応力腐食割れを抑制 する熱処理方法として過時効処理が有効なことが 見出され適用されてきたが、過時効処理ではピー ク時効に比較して強度が低くなることから、最近 ではRRA（Retrogression and Re-Aging）処理を 用いたAA7055-T77511のような材料も実用化さ れている。 一方、加工熱処理方法の工夫もいくつか行われ ている。例えば、ボーイングのB767機体の製造 では7075のストリンガーの重量を低減するため に、板材を圧延により長手方向で肉厚を変動させ る必要があった。しかし、弱加工およびその後の 熱処理によって結晶粒の粗大化が生じ、疲労強度 の低下が懸念されたため、その対策として図８に 示すように連続焼鈍炉を用いた急速加熱および急 速冷却で結晶粒を50μm以下に微細化し、その後 適正な析出処理による軟化を施すことによって、 結晶粒の粗大化を抑制するプロセスが見出された11）。 このように合金組成のみならず、加工方法の検討 図７ Al-6％ Zn-1.8％ Mg合金の焼入れ感受性に及ぼす 添加元素の影響9，10） 図８ 航空機用ストリンガー材の板厚分布とその製造工程11）も盛んに行われてきた。
６．最近の開発
最近の航空機用材料の開発としては、Al-Li合 金等の軽量で高剛性の材料、さらにAA2013合金 などのコスト低減に寄与できる材料がある。 Al-Li合金の開発は、最近、欧米で復活しつつあ る。図９にAl-Li合金の開発の変遷を示す12）。開 発当初は、リチウム添加量が比較的多く密度も小 さい合金となっていた。しかし靭性などの問題か ら工業的に広く使用されるには至らなかった。最 近のAl-Li合金ではリチウム添加量を２％以下と 少なくすることによって、多少密度は犠牲になる ものの靱性などの材料特性の改善が行われ、実用 化されている。 もう一つの傾向はAA2013合金などのコスト低減 材の開発である。2024や2014などの2000系合金で はポートホール押出が出来ないことなら、それぞ れの部品形状に押出し、機械締結するためコスト 高になる。しかし表２に示す合金組成のAA2013合 金は、その合金組成が調整され、押出性が改善さ れていることから、2000系合金でありながらポー トホール押出が可能な合金となっている。 そのため、図10のようにAA2013合金では組み 立てコストが削減できるメリットがある13、14）。 さらに今後の材料開発の方向性としては更なる 高強度化高靭性化合金の開発である。航空機の軽 量化による燃費向上や設計の自由度のさらなる向 上を図るためには、現状のAA7150やAA7055の 強度および靱性を超える材料の開発が必要であ る。このような新しい材料を創成することで、ま すます輸送機器の性能向上も可能になるであろう。 図９ Al-Li合金開発の変遷12） 表２ AA2013合金と他の合金の成分規格＜参考文献＞ １）A.Wilm：Metallurgie、8（1911）、225. ２）吉田英雄：住友軽金属技報、53（2012）、60. ３）大澤正：よくわかるアルミニウムの基本と仕組み、秀和システム、（2010）、12. ４）吉田英雄：住友軽金属技報、54（2013）、250. ５）http：//www.louisvilleartdeco.com/feature/Transportation/Planes/Douglas％20DC-3％201935.jpg ６）五十嵐勇、北原五郎：高力Al合金の時期割れ其防止に就て、日本金属学会誌、3（1939）、531. ７）特許第135036号、鍛錬用強力軽合金、五十嵐勇、北原五郎、昭和15年2月28日. ８）吉田英雄：アルトピア、1（2013）、14. ９）寺井士郎、馬場義雄：住友軽金属技報、10（1969）、42. 10）馬場義雄：金属学会誌、31（1967）、910. 11）住友軽金属技報：新製品紹介、航空機ストリンガー用微細結晶粒7075合金板、23（1982）、120. 12）航空機国際共同開発促進基金【解説概要24-2】、航空機用アルミリチウム合金および航空機産業の動向、http：// www.iadf.or.jp/8361/LIBRARY/MEDIA/H24_dokojyoho/24-2.pdf 13）日本航空宇宙工業会：航空機部品・素材産業振興に関する調査研究、高強度成形6000系新合金の研究、住友軽金属 工業、川崎重工業、成果報告書、No.806（1994）、No.904（1995）. 14）日本航空宇宙工業会：航空機部品・素材産業振興に関する調査研究、新6000系合金の航空機用鍛造/押出材の開発、 住友軽金属工業、川崎重工業、成果報告書、No.1004（1996）、No.1102（1997）. 図10 AA2013合金形材を用いた場合の一体構造の例13，14）
