航空機用アルミニウム合金の系統化調査

■要旨
戦前の日本のアルミニウム工業は航空機用材料の生産が中心であった。その材料開発の中で世界最強の超々ジ
ュラルミンが発明された。それが零戦主翼に採用されたことで零戦の性能を飛躍的に向上させ、零戦は先の戦争
初期には華々しい成果をあげた。米軍は零戦の秘密を解き明かそうとして、不時着した零戦を調べ、その主翼に
Al-Zn-Mg-Cu系合金の超々ジュラルミンが使用されていることを明らかにし、アルコアに同じような合金を作
らせた。これが7075であり、戦後の代表的な航空機用合金となり現在でも使用されている。超々ジュラルミン
が7075の産みの親と言える。アルミニウム発見から超々ジュラルミン開発に至るまでの合金開発に焦点を当て
て、日本の航空機用アルミニウム合金開発の系統化調査を行った。そして戦後世界の航空機と材料開発の発展と
の関係も明らかにした。以下にその要点をまとめる。
第一は、アルミニウムの発見である。アルミニウムは1820年代にエールステッドやヴェーラーにより金属ア
ルミニウムが初めて抽出された。その後1855年にはナポレオン3世に後押しされたドヴィルが量産できる工場
を作るところまでになった。1886年米国のホールとフランスのエルーが同時に溶融塩電解法を発明し、大量生
産ができるようになり大幅にコストダウンが可能となった。こうして20世紀に入ると台所用品や建築、車など
にアルミニウムが多く使用され始めた。
第二は、1906年、ドイツのヴィルムによって、偶然にアルミニウムに銅とマグネシウムを添加した材料を焼
入れした後、室温に放置しておくと自然に硬くなる時効硬化現象が発見された。このAl-Cu-Mg系合金はジュラ
ルミンと名づけられた。この材料を飛行船の骨組みの材料に適用したのがツェッペリン伯爵である。ドイツは第
一次世界大戦でツェッペリン飛行船をロンドンなどの空爆に利用した。しかしながら、一方で、飛行船より速い
航空機も発達して、飛行機は木製からジュラルミンを用いた全金属製となった。戦争で勝利を収めるには軽量で
高速の戦闘機が必要になり、ジュラルミンよりもさらに高強度が求められるようになった。こうした要請のなか
で、米国のアルコアはAl-Cu-Mg系の超ジュラルミン24S(2024)を開発した。
第三は、日本海軍は24Sよりもさらに高強度の合金開発を住友に要求した。その結果開発されたのが超々ジ
ュラルミン,ESDである。住友の五十嵐勇らはAl-Zn-Mg-Cu系合金で高強度化を達成したが、問題は応力腐食割
れであった。彼らは応力腐食割れの評価法を確立し、微量元素の影響を徹底的に調べた。その結果Cr添加が最
も有効であることを明らかにし、開発開始から１年以内に特許を出願した。この合金に注目したのが、三菱で
零戦の試作機の設計に当たっていた主任技師の堀越二郎であった。彼は五十嵐からの説明を聞いて、飛行機の重
量は30 kg軽くなることがわかり、すぐに海軍に使用許可を願い出て、押出材での使用が認められた。その結
果、ESDを主翼の桁材に用いることで零戦の軽量化に成功した。
第四は、第一次世界大戦の頃の日本はアルミニウム板材を大量生産できる機械や設備、人材もなかった。第一
次世界大戦で日本はドイツに対して戦勝国であったので、賠償の一環としてドイツの技術を学ぶことができた。
第一次世界大戦も終了すると、アルコアはアルミニウム地金を売るために日本にも進出して住友と共同でアルミ
ニウムの板や押出、鍛造品の製造工場を作ることになった。日本はドイツや米国の技術をベースに製造技術を確
立した。しかし、第二次世界大戦までにはアルコアは製造技術をさらに進化させ、連続鋳造技術や熱間圧延での
タンデム圧延技術を完成させ、先の戦争では日米間で大きな技術力の差ができた。
第五に、第二次世界大戦後は日本の航空機の製造や研究が禁止され、多くの航空機関係者は、鉄道車両、自動
車、モーターサイクルに移った。鉄道車両の構体のアルミ化が検討され、戦前、研究開発されたAl-Zn-Mg-Cr系
の押出材が適用された。応力腐食割れ防止のためにCrが添加されたが、焼入れ感受性が敏感なため冷却速度が遅
くなると強度が出にくいのが問題で、五十嵐らの研究を受け継いだ馬場義雄はZrを添加して焼入れ感受性を鈍感
にしたAl-Zn-Mg-Zr合金7N01(7204)を世界に先駆けて開発した。さらに馬場により7204のMg量を低減さ
せ押出性を向上させた7003が開発され、新幹線の車両構体を初め自動車のバンパーやトレーラーのコンテナ、
モーターサイクルのリムなどに適用された。

■ Abstract
Before World War II, Japan's aluminum industry was mainly focused on the production of aircraft materi-
als. In the process of developing these materials, the world's strongest aluminum alloy was invented. The
use of this material in the main wings of the Zero fighter, named after the Type Zero Carrier-Based Fighter,
dramatically improved its performance, helping it achieve spectacular results in the early stages of the
Pacific War. In an attempt to unlock the secrets of the Zero fighter, the U.S. military examined Zero fighter
planes that had been crash-landed and discovered that their main wings were made of an Al-Zn-Mg-Cu
alloy called Extra Super Duralumin (ESD), and had Alcoa produce almost the same alloy. This is 7075 alloy,
which became the typical aircraft alloy after the war and is still used today. It can be said that ESD is the
originator of 7075. Focusing on the development of alloys from the discovery of aluminum to the devel-
opment of ESD, we conducted a systematic survey of the development of aluminum alloys for aircraft in
Japan. The relationship between the development of materials and aircraft in the postwar period was also
clarified. The main points are summarized below.
The first is the discovery of aluminum. In the 1820s, the first metallic aluminum was extracted by H. C.
Ørsted and F. Wöhler. Then, in 1855, Sainte-Claire Deville, encouraged by Napoleon III, built a plant capa-
ble of mass production. In 1886, C.M. Hall in the United States and P. Héroult in France both invented the
method of molten salt electrolysis at about the same time, which enabled mass production and significantly
reduced costs. Thus, in the 20th century, aluminum began to be widely used in kitchenware, construction,
cars, etc.
Second, in 1906, A. Wilm in Germany serendipitously discovered the phenomenon of age hardening,
which occurred when aluminum with copper and magnesium was quenched and left at room temperature
to harden naturally. This Al-Cu-Mg alloy was named Duralumin. It was Count Zeppelin who applied this
material to the framework of airships. In World War I, Germany used Zeppelin airships to bomb London
and other cities. At the same time, however, faster airplanes than airships were developed, and airplanes
went from being made of wood to being made of all-metal with Duralumin. In order to win the war, lighter
and faster fighter planes were needed, and the aluminum alloy had to be even stronger than Duralumin.
In response to these demands, the Al-Cu-Mg based alloy, Super Duralumin 24S (2024) was developed by
Alcoa in the United States.
Third, the Japanese Navy requested Sumitomo to develop an alloy with even higher strength than 24S.
The result was the development of Extra Super Duralumin (ESD). Isamu Igarashi and his colleagues at
Sumitomo achieved high strength with an Al-Zn-Mg-Cu alloy. However, the problem of stress corrosion
cracking remained. They established an evaluation method for stress corrosion cracking and thoroughly
investigated the effects of trace elements. As a result, they found that addition of Cr was the most effective
countermeasure and applied for a patent within a year of starting the development. This alloy attracted the
attention of Jiro Horikoshi, a chief engineer at Mitsubishi who was working on the design of the Zero fighter
prototype. After hearing Igarashi's explanation, he realized that the weight of the plane could be reduced
by 30 kg, and he immediately requested permission from the Navy to use the alloy in extruded materials. As
a result, he succeeded in reducing the weight of the Zero fighter by using ESD as a spar of the main wing.
Fourth, at the time of World War I, Japan did not have the machinery, equipment, or human resources to
mass produce aluminum alloy sheets. Since Japan was the victor against Germany in World War I, it was
able to learn German technology as part of the reparations. After World War I ended, Alcoa expanded into
Japan to sell aluminum ingots, and worked with Sumitomo to build a plant to manufacture aluminum sheets,
extrusions, and forgings. Japan's manufacturing technology was based on those of Germany and the Unit-
ed States. However, by the time of World War II, Alcoa had further developed its manufacturing technology,
perfecting continuous casting technology and tandem hot rolling technology, and the Pacific War created
a huge technological gap between Japan and the United States.
Fifth, after World War II, Japan was prohibited from manufacturing and researching aircraft, and many
aircraft developers moved on to railroad cars, automobiles, and motorcycles. The use of aluminum for the
body structure of railroad cars was considered, and Al-Zn-Mg-Cr extrusions, which had been researched
and developed before the war, were applied. Cr was added to prevent stress corrosion cracking, but this
time it was difficult to obtain high strength when the cooling rate was slow because of high quench sen-
sitivity. Yoshio Baba, who continued the research of Igarashi, developed Al-Zn-Mg-Zr alloy 7N01 (7204)
with low quench sensitivity by adding Zr, ahead of the rest of the world. In addition, Baba developed 7003,
which has improved extrudability, achieved as a result of reducing the amount of Mg in 7204, and this has
since been used in Shinkansen train bodies, automobile bumpers, trailer containers, and motorcycle rims.