ZT68 高力アルミ合金ボルト：600 MPa 強度が軽量化と両立する仕組み
エグゼクティブサマリー
マグネシウム合金ダイカストの採用が増える一方、鋼ボルトはますます窮屈に見えます。6056 アルミボルトは420 MPa で強度不足、炭素鋼ボルトは強度十分でもマグネシウム母材を腐食させ熱膨張差に悩みます。ZT68 は冷間圧造高力アルミ合金の引張強さを600 MPa 超へ引き上げながら、マグネシウム合金と電位が近く熱膨張係数も適合します。
目次
鋼ボルトがマグネシウム合金で直面する3つのハードル
NEV の e-ドライブ筐体やバッテリトレイのプロジェクトで、技術者はすぐに袋小路に陥る：構造部品はすでにマグネシウムまたはアルミ合金ダイカストへ切替わっているのに、ファスナーは依然炭素鋼。
第1は腐食。マグネシウム合金の電極電位は約 −1.6 V、炭素鋼は約 −0.44 V——差は1 V 超。湿潤または被水条件では、この電位差は連続稼働するガルバニ電池を駆動するのに十分：マグネシウム母材がアノードとして絶えず消費され、めねじ穴が腐食で失われ、最終的に接合が破損する。
第2は熱膨張差。マグネシウム合金の熱膨張係数は鋼の約2倍。車両が高低温サイクルを受けると、ボルトと母材の変形が異なり、予張力が繰返し消費され、結末は緩み・異音・シール不良。
市場の 6056 アルミボルトは腐食と重量を解決するが、引張強さは約420 MPa にすぎず、NEV 三電システムの高トルク・高荷重・長寿命要求を満たしにくい。強度・耐食性・軽量化は長らく3つのうち2つを選ばざるを得なかった。
600 MPa はどこから来るか
ZT68 は7系アルミ合金ファミリーに属し、引張強さは安定して 600 MPa 超、市場主流の420 MPa 高力アルミボルトより約40% 高い。この数値は単にグレードを替えて達成できるものではなく、材料系と熱処理経路が共同で決定する。
溶体化、焼入れ、時効——3工程
- 溶体化：Zn、Mg、Cu などの溶質原子を基地に完全固溶させ、後の析出に備える。
- 焼入れ：急速冷却で過飽和固溶体を作り、溶質原子を格子内に強制保持。
- 人工時効：微細で分散した強化相（MgZn2 など）の均一析出を促進し転位をピン留め——これが強度の主要源。
熱処理後ねじ転造と冷間圧造成形
ねじ谷はボルトの疲労弱点。熱処理後にねじを転造すると、谷部に均一な残留圧縮応力層が導入される。使用時の引張応力はまずこの圧縮層を打ち消さねばならず、疲労亀裂発生が大幅に遅延する。
ZT68 技術仕様
| 項目 | 代表値 | 備考 |
|---|---|---|
| 材料系 | 7系高力アルミ合金（Zn-Mg-Cu） | 溶体化+焼入れ+時効 |
| 引張強さ Rm | ≥600 MPa | 主流アルミボルト420 MPa に対し |
| 耐力 Rp0.2 | ≥520 MPa | 上限予張力はこれで設定 |
| 伸び A | ≥8% | 強度と靭性を両立 |
| 密度 | 約2.8 g/cm³ | 鋼の約36% |
| 軽量化 | 同サイズ鋼ボルト比 約60%〜65% 減 | 等体積比 |
| ねじかかり長さ | 1.3d〜1.5d | 鋼ボルトは通常2d 以上必要 |
| 総摩擦係数 μtot | 0.09〜0.15 | 3段潤滑系で管理 |
| 塩水噴霧性能 | 中性塩水噴霧60日を安定合格 | 陽極酸化+緻密組織が共同で働く |
強度と軽量化が同時に成り立つ仕組み
強さと軽さは相反すると思われがちだが、鍵は比強度——強度を密度で割ったもの。
| ファスナー解 | 引張強さ（MPa） | 密度（g/cm³） | 比強度（MPa・cm³/g） |
|---|---|---|---|
| 炭素鋼 8.8 | 800 | 7.85 | 約102 |
| 炭素鋼 10.9 | 1040 | 7.85 | 約132 |
| 従来アルミボルト 6056 | 420 | 2.70 | 約156 |
| ZT68 高力アルミ合金 | ≥600 | 約2.80 | 約214 |
この表が示すことは2つ。第1に、6056 はわずか420 MPa でも、その比強度はすでに 10.9 鋼ボルトを上回る——軽量化自体が一種の強さ。第2に、ZT68 が強度を600 MPa へ上げた後、その比強度は約214 に達し、同じ重量で 10.9 鋼ボルトの約1.6倍の荷重を担える。実プロジェクトに翻訳すれば：M8×40 の 10.9 鋼ボルトは約21 g、同サイズ ZT68 ボルトは約7.5 g。
比強度を超えた2つのボーナス点
近い電位でガルバニック腐食を源で抑制
ガルバニック腐食の駆動力は電位差。ZT68 とマグネシウム合金母材の電位差は、炭素鋼とマグネシウム合金の1 V オーダーの差よりはるかに小さく、ガルバニ電池の駆動電圧を大きく弱める。陽極酸化で形成される緻密酸化皮膜と併せ、中性塩水噴霧60日を安定合格できる。
近い熱膨張係数で熱緩みを解消
ボルトと被締結部の熱膨張係数が近いほど、温度サイクル下の予張力減衰は小さい。ZT68 はアルミ系材料を用い、その熱膨張係数はマグネシウム合金と高度に適合；−40°C 〜150°C のサイクル下でボルトと母材はほぼ同期変形し、予張力変動は極めて小さい。
4つの代表適用場面
| 適用部位 | 主な使用課題 | ZT68 が効く場所 |
|---|---|---|
| 電動駆動系（モータ筐体、減速機フランジ、インバータ筐体） | 長期150°C 高温+高トルク | 熱膨張適合が予張力減衰を抑制、600 MPa が高トルクを支持 |
| 電池システム（マグネシウムトレイ、ケースフレーム、水冷板） | 高シール要求+湿潤腐食 | 近い電位が腐食駆動力を除去、陽極酸化が保護を厚く |
| 軽量シャーシ（コントロールアーム、ナックル、サブフレーム） | 複雑な交番荷重と衝撃 | 熱処理後ねじ転造が谷部残留圧縮応力を生み疲労強度を上昇 |
| 大型ダイカスト（インパネビーム、車室内構造） | 高タクト自動組立 | μtot が0.09〜0.15 に安定、トルクばらつき小 |
選定アドバイスと結び
ZT68 を検討すべき場合
- 被締結部がマグネシウムまたはアルミ合金ダイカストで、湿潤または被水の使用条件；
- 使用温度が明確なサイクルを持つ（例：−40°C 〜150°C）、鋼ボルトで予張力減衰が見られる；
- プロジェクトに明示的な軽量目標があり、ファスナー重量が計算に含まれる；
- 組立ラインが自動締付けを用い、低トルクばらつきを要求；
- 取付けスペースがコンパクトで、鋼ボルトが要する2d 以上のかかり長さを確保できない。
注意を要する場合
- 被締結部が炭素鋼または鋳鉄：ガルバニック腐食と熱膨張差リスクは低く、アルミボルトの強度天井が主な短板に；
- 使用温度が長期150°C 超：析出相の安定性を再評価する必要；
- 極端な荷重スペクトルを持つ支持構造：アルミボルトは弾性係数が低いため、剛性敏感条件は専用検証を要する。
軽量化の難しさは、単一部品の重量を減らすことではなく、軽量化後も接合が持ちこたえるかどうかにある。ZT68 の価値は、アルミ合金の軽さ、マグネシウム合金との適合性、使用可能な強度を同一ボルトに載せ、軽量構造部品を選ぶ設計者がファスナーで妥協を強いられないようにすること。
