アルミニウム6013：組成、特性、硬質状態ガイド＆用途
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総合概要
Alloy 6013は6xxx系アルミニウム合金の一種で、主にAl-Mg-Si系であり、析出硬化を促進する添加元素を含んでいます。シリコンとマグネシウムが主要な時効硬化成分として機能し、一般的な6xxx系合金に対して銅とマンガンの含有量が多く、これにより強度、靭性、および熱処理への応答性が調整されています。
6013は熱処理可能な合金で、その主要な強化メカニズムはMg2Si関連の析出物および銅含有相による析出硬化（時効硬化）です。さらに、制御された分散粒子（Mn/Cr/Ti）が粒子微細化を促進し、変形や破壊開始に対する耐性を向上させます。
6013の主な特徴は、6000系基準合金と比較して高い比強度、Al-Mg-Si系材料に典型的な良好な一般腐食耐性、および適切な方法とフィラー材料を使用すれば良好な溶接性です。成形性と強度のバランスがとれており、自動車構造部品、航空機の二次構造、精密産業用途において、高い強度対重量比と耐損傷性を必要とする場合に適しています。
設計者が6061よりも高いピーク強度と疲労性能を求めつつ、十分な成形性と耐食性を維持したい場合に6013が選択されます。高価で耐食性が劣り溶接性も低い7xxx系合金よりコストを抑えて、高い降伏強さと引張強さを得るために年齢硬化が必要な部品に適しています。
調質バリエーション
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全焼なまし、成形に最適な最大の延性 |
| T4 | 中 | 中高 | 良好 | 良好 | 溶体化処理後自然時効 |
| T5 | 中高 | 中 | 可〜良 | 良好 | 高温から冷却後 人工時効 |
| T6 | 高 | 中低 | 可 | 良好 | 溶体化処理後、人工時効によりピーク強度 |
| T651 | 高 | 中低 | 可 | 良好 | T6調質に応力除去目的の伸ばし加工を加え残留応力を低減 |
| H14 | 中 | 中 | 良好 | 良好 | 軽度の変形硬化、適度な強度を要する部品向け |
調質の選択は機械的性能に直接かつ予測可能な影響を及ぼします。O、T4調質は成形加工に適し、一方でT6やT651は構造用荷重支持部品のピーク強度を提供します。T5やH14は完全な溶体化処理サイクルを行わずに強度の部分的向上を図る中間的な妥協案です。
熱処理およびその後の調質工程は機械加工性や疲労挙動にも影響を与え、過時効や不適切な時効は降伏強さを低下させ、微細組織の均質性を損ねます。特に航空機用機械加工部品では、歪み制御のために調質（T651のような応力除去処理を含む）を慎重に指定することが重要です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.4–0.8 | Mg2Si析出を促進し、強度と押出挙動を制御 |
| Fe | ≤0.7 | 不純物元素。高Feは脆性化する金属間化合物を形成し靭性に影響 |
| Mn | 0.3–0.8 | 分散粒子形成による粒子微細化および強度・靭性向上 |
| Mg | 0.8–1.2 | Siと共に析出硬化を担う主要元素（Mg2Si） |
| Cu | 0.6–1.6 | 強度向上および時効反応への影響。腐食および応力腐食割れ（SCC）にも関与 |
| Zn | ≤0.2 | 微量元素。低レベルでは影響限定的 |
| Cr | 0.04–0.35 | 粒子組織制御および再結晶抑制、靭性の改善 |
| Ti | ≤0.15 | 鋳造および圧延製品の粒子微細化 |
| その他（各々） | ≤0.05 | 痕跡元素および残留元素で影響は限定的 |
6013の合金組成は析出硬化（Mg＋Si）を促進しつつ、銅添加によって析出相の組成を変化させ、より高いピーク強度と異なる時効速度を実現しています。MnやCrは分散粒子や金属間化合物を形成し、加工中の粒子組織を安定化させ、局所的な変形および破壊に対する耐性を高めています。
FeおよびZnの含有量管理は、粗大な金属間化合物生成の抑制に重要で、これらの粒子は疲労割れの起点となり得るほか、板面の品質低下を招きます。本合金のバランスの取れた組成は、時効応答性、機械加工性、および多くの構造用途に適した耐食性を兼ね備えています。
機械的特性
6013の引張特性は調質と断面厚さに強く依存します。焼なまし状態からピーク時効状態まで、析出物の微細分布によって引張強さは大幅に増加します。T6およびT651調質の降伏強さは焼なまし状態より著しく高く、同等の荷重支持能力を薄肉化で実現できますが、そのぶん延性は低下します。
OまたはT4調質は多くの成形加工に十分な伸びを有し、ピーク時効調質（T6）は伸びは減少するものの、繰り返し荷重下での疲労耐久性が向上します。硬さは強度の変化に連動し、ブリネル硬さやビッカース硬さは合金がピーク時効に近づくほど増加します。疲労性能は微細な析出物と粒子分散制御の組み合わせにより利得し、機械加工および表面仕上げも疲労寿命に重要です。
厚さや製品形態によって冷却速度や自然時効挙動が異なるため、得られる特性にも差が生じます。薄肉部品は均一な特性と迅速な自然時効が期待でき、厚肉部品は均一な溶体化処理と時効を保証するための特別な熱処理が必要になる場合があります。
| 特性 | O/焼なまし | 代表的調質 (T6/T651) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 120–180 MPa | 330–380 MPa | T6値は断面厚さおよび時効条件に依存 |
| 降伏強さ | 40–90 MPa | 300–340 MPa | 典型的な板材・押出材で300 MPa以上に達する |
| 伸び | 20–30% | 8–14% | 強度上昇に伴い延性は低下、形状に依存 |
| 硬さ (HB) | 30–60 HB | 95–130 HB | 硬さは析出状態と加工硬化に比例 |
物理特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70 g/cm³ | 圧延アルミ合金として標準的。高い比強度に寄与 |
| 融点範囲 | 約555–650 °C | 固相線・液相線の範囲は局所組成に依存 |
| 熱伝導率 | 約150–170 W/m·K | 純アルミより低く、固溶元素や析出物の影響あり。熱拡散性は良好 |
| 電気伝導率 | 約30–45 % IACS | 純アルミより低下、調質や合金組成で変化 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 室温でのアルミ合金に典型的な値 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 µm/m·K | 他のアルミ合金と同様。熱設計や接合時に重要 |
6013の物理特性は、構造用金属として軽量かつ多くの構造用途で用いられる合金に比べ良好な熱伝導性能を示します。熱伝導率と熱膨張は、異種材料接合や局所加熱がある熱交換器・接着組立品の設計に考慮が必要です。
電気伝導率は中程度で、析出硬化後はさらに低下します。そのため、高い電気伝導率が要求される用途には不向きですが、二次的な熱・電気特性を求められる構造部品には依然として有用です。
製品形態
| 形態 | 一般的な厚さ/サイズ | 強度特性 | 代表的なテンパー | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.3～6 mm | 薄板では均一な強度；自然時効が早い | O, T4, T5, T6, T651 | 自動車の外板や構造用シートに広く使用される |
| プレート | 6 mm超～100 mmまで | 冷却により最高強度がやや低下する場合がある | O, T4, T6 | 厚板は均質性確保のため制御された固溶処理が必要 |
| 押出材 | 5～200 mmの断面 | 適切な熱処理で厚み方向も良好な特性 | T5, T6, T651 | 構造用フレームやリブ材のプロファイル |
| チューブ | 外径10～200 mm | 肉厚や成形後熱処理により性能が左右される | O, T6 | 構造用パイプやシャーシ部品として使用 |
| 棒材／丸棒 | 直径5～100 mm | 半固体および固溶処理状態で良好な加工性 | O, T6 | 継手、ファスナー、加工部品として一般的 |
6013ではシートと押出材が最も一般的であり、これらの形状は強度対重量比を最大化し、効率的な熱処理を可能にします。プレートや厚肉部品は、機械的性質を損なう共晶や未固溶部の残存を防ぐため、厳密な工程管理が必要です。
押出材やチューブは、合金の優れた熱間加工流動性により比較的複雑な断面形状が製造可能ですが、最終的な機械的性質は適用される固溶処理・時効サイクルおよび機械的矯正や応力除去処理に依存します。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 6013 | USA | この合金系のAluminium Associationによる公式指定 |
| EN AW | 6013 | ヨーロッパ | 一般的な欧州指定。組成とテンパーは概ね一致 |
| JIS | 直接の相当なし（最寄り：6061） | 日本 | JISカタログに6013の直接対応品がなく、6061が物性的に最も近い場合が多い |
| GB/T | 直接の相当なし（最寄り：6061A） | 中国 | 中国規格では一部仕様で6061系列を実質的代替とする場合がある |
6013は特定の機械的・加工性能目標に合わせて開発された成分のため、地域規格間で完全な一対一対応品が存在しないことがあります。EN AW-6013材料が入手できない場合、エンジニアは類似する6xxx系（例：6061）を代替利用しますが、銅やマンガンの含有差に起因する時効挙動や最終強度の違いを考慮する必要があります。
代替時は物性要件およびテンパー処理順序を必ず確認し、材料調達や仕様は単に合金番号でなく機械的目標に基づいて規格のマッピングを行ってください。
耐食性
6013は自己修復する保護酸化膜による大気環境下での優れた一般耐食性を有します。適切な陽極酸化やコーティングを施せば、工業都市環境でも十分な性能を示し、高強度7xxx系合金より応力腐食割れ抵抗性に優れています。
海洋環境では一定の耐食性を示しますが、塩化物に強いAl-Mg（5xxx系）合金ほどの耐久性はありません。銅添加により局部腐食の感受性が高まり、低銅6xxx系に比べピット耐性がやや劣ります。長期海洋使用には保護コーティングや犠牲陰極処理が一般的です。
6013をステンレス鋼などより貴な材料と組み合わせる場合、ガルバニック腐食が生じるため絶縁材やコーティングの適用が推奨されます。総じて、6013は耐食性の高い5xxx系と強度は高いもののSCCに弱い7xxx系の中間的な位置づけです。
加工性
溶接性
6013はTIGやMIGなど一般的な融解溶接が可能ですが、銅含有による熱割れや溶接後軟化を防ぐため充填材の化学組成選定が重要です。シリコン添加系（例：Al-Si系）充填材が流動性向上と割れ抑制に多用され、溶接後の強度や耐食性要件に応じて最適材を選択します。
溶接熱影響部（HAZ）は、析出物の粗大化や固溶化に伴う局所的な強度低下が不可避で、T6母材に比べ軟化が見られます。重要部位では溶接後熱処理で強度回復が行われますが、歪みや残留応力の管理が必要です。
切削加工性
6013は固溶処理や焼なまし状態で比較的硬度が中程度のため、高強度アルミ合金に比べ良好な切削加工性を示します。ポジティブねじれの超硬工具およびTiAlNなどのPVDコーティングで高切削速度が可能ですが、フリー加工用アルミよりは控えめな速度設定が望ましく、加工硬化やビルドアップエッジの発生を防ぎます。
切り屑制御は概ね良好ですが連続切り屑形成の可能性があるため、フラッド冷却や切り屑破砕具の使用が推奨され、寸法精度と工具寿命が維持されます。時効後の良好な仕上げ面が得られるため、精密機械部品や航空機用部品に適した合金です。
成形性
6013の成形はOおよびT4テンパーが適しており、これらの状態では割れなくより小径の曲げや複雑なプレス加工が可能です。ピーク時効（T6）状態では伸び率低下により強度な成形は困難であり、多くの場合、軟らかいテンパーで成形後に固溶処理と時効を行うか、部分的時効後に成形を実施します。
代表的な目安として、引き伸ばしや曲げ部品の最小外側曲げ半径は、適切に指定されたテンパーで材料厚さの2倍から4倍程度で、工具や潤滑性、結晶方位によって変動します。バネ戻りは中程度であり、精密部品の金型設計では考慮が必要です。
熱処理挙動
6013は溶解処理、急冷および人工時効による析出硬化型合金で、微細均一な析出物を形成し強度を付与します。典型的な溶解処理温度は525～555 °Cで、Mg、Si、Cuを固溶化させつつ低融点成分の局部溶融を防ぎます。急冷（水冷）により過飽和固溶状態を維持し時効処理に移行します。
人工時効（T6）は150～180 °Cで数時間行い、整合性の高い析出物を生成して降伏強さと引張強さを向上させます。銅添加が析出シーケンスに影響し、二元系Mg-Siよりピーク時効を早めることがあります。T5テンパー（高温から冷却後人工時効）は全面溶解処理が難しい場合に用いられますが、最高強度はやや劣ります。
過時効では延性が増し強度は低下しますが、応力腐食割れ耐性や寸法安定性の改善に利用されます。T651などは、溶解処理後の応力除去（伸展や低温焼きなまし）を示し、精密部品の残留応力管理に使用されます。
高温特性
6013は他の6xxx系同様、約125～150 °C以上で析出物の粗大化と整合性喪失が起き、強度低下が顕著になります。高温でのクリープや持続負荷に対し設計余力を十分取る必要があります。短時間の高温暴露は許容されますが、長時間のピーク時効以上の温度使用は永久的な強度低下と寸法変動の原因となります。
サービス温度での酸化はアルミニウム酸化膜が保護して限定的ですが、高温では表面粗さ増加や熱接合の複雑化が生じます。溶接やろう付けの熱影響部は熱循環負荷下で特性変化が起きやすく、後処理や設計配慮が必要です。
用途例
| 業界 | 代表部品 | 6013を使う理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | シートフレーム、構造補強部材 | 高い強度対重量比と疲労性能 |
| マリン | 小型構造ブラケット、継手類 | 耐食性と強度のバランス |
| 航空宇宙 | 二次構造用継手、アクチュエータハウジング | 高い比強度と良好な切削加工性 |
| 電子機器 | 筐体や熱伝導部品 | 適度な熱伝導性と寸法安定性 |
6013は標準的6xxx系より高い強度を必要としつつ、耐食性や製造性の面で高強度7xxx系のペナルティを避けたい設計者に適しています。時効硬化特性と加工性の両立により、自動車や航空宇宙、産業機械の中程度荷重構造部品で重宝されています。
選定のポイント
より高強度で熱処理対応可能な6xxx系合金が必要で、基準合金より優れた疲労特性と加工性を求める場合は6013を選択してください。特に、適度なピーク強度の向上と破壊抵抗の改善が求められ、かつ溶接性や一般的な耐食性を犠牲にしたくない場合に魅力的です。
商業的純アルミニウム（1100）と比較すると、6013は導電率や非常に高い成形性を犠牲にする代わりに、引張強さおよび降伏強さが大幅に向上し、より軽量で剛性の高い構造設計が可能になります。3003や5052のような加工硬化型合金と比べると、6013はより高いピーク強度と優れた疲労特性を提供しますが、熱処理と制御された調質が必要であり、局所的腐食に対してやや敏感です。
6061や6063といった一般的な熱処理対応合金と比較すると、6013は銅およびマンガンの添加により、同等の調質にもかかわらず、特化したエージング反応と疲労／強度特性の向上が得られます。最低コストや最大導電率よりも、加工性、達成可能なT6強度、および許容可能な耐食性のバランスを重視する場合に6013を用いてください。
- 疲労寿命が良好な中〜高強度の機械加工品やプレス部品には6013を選択してください。
- 複雑な成形にはO/T4調質を、最終的な構造性能にはT6/T651調質を推奨します。
- 設計最終確定前に、必要な調質および形状の供給可能性と供給者の能力を必ず確認してください。
まとめ
6013合金は、基本的な6xxx系合金よりも高い強度と強化された疲労性能を提供しつつ、優れた成形性と溶接性を維持する熱処理対応アルミニウムとして実用的な選択肢です。調整された化学成分と調質オプションにより、自動車、航空宇宙、海洋、産業用部品において、強度、耐食性、加工性のバランスが重要な用途で多用途に活用できます。