アルミニウム6101：組成、特性、焼き戻し状態ガイドおよび用途

製品概要

6101は6xxx系のアルミニウム合金であり、Al-Si-Mg系の熱処理可能な合金ファミリーに属します。この分類は、Mg2Si析出による時効硬化が主な強化機構である他のAl-Si-Mg合金と同様で、6000系合金に共通する固溶化熱処理および人工時効の加工法を適用します。

6101の主要合金元素はシリコンとマグネシウムであり、鉄、銅、クロム、チタンの微量添加も制御されています。シリコンとマグネシウムは時効中にMg2Si析出物を形成し、時効硬化の主な効果を発揮します。一方、微量元素は結晶粒の微細化や押出加工性、電気伝導性、耐食性に影響を与えます。

6101の特長は、中程度の構造強度と、多くの構造用合金に比べて優れた電気・熱伝導性、適度な耐食性、適切な成形性と溶接性を備えていることです。主な用途は送電・配電のバスバーや導体、変圧器ラジエーター、電気電子機器の筐体や熱交換部品、導電性と中程度の強度が求められる特殊構造用押出形材などです。

エンジニアは、一般的な構造用合金よりも優れた電気伝導性を必要とし、かつ熱処理による強度向上と良好な押出加工性を両立したい場合に6101を選択します。純アルミニウム系よりも引張強さを高めたい用途や、高強度の6xxx系合金よりも導電性と押出表面仕上げを重視する場合に適しています。

硬化状態の種類

硬化状態	強度レベル	伸び	成形性	溶接性	備考
O	低	高	優秀	優秀	完全に焼なまし状態で、成形時の最高伸びを実現
H12 / H14	低～中程度	中程度	良好	良好	制御された範囲の加工硬化が施され、形状保持が必要な断面に使用
T1	中程度	中程度～高	非常に良好	良好	高温成形後に冷却し自然時効
T4	中程度	中程度～高	非常に良好	良好	固溶化熱処理後に自然時効し、中間的な強度
T5	中程度～高	中程度	良好	良好	高温成形後に冷却し人工時効で温度安定性を確保
T6	高	中程度～低	可	良好	固溶化熱処理後に人工時効し最大強度を発現
T651	高	中程度～低	可	良好	T6に加えて応力除去のための制御された伸びを施し残留応力を低減

硬化状態は6101の性能に大きく影響します。Al-Si-Mg系合金は固溶化処理と人工時効に敏感に反応します。OやH1xのような軟質硬化状態は成形性を最大化し、バネ戻りを抑制します。一方、T5/T6系はMg2Si析出による時効硬化を発現し、引張強さや降伏強さを高める代わりに伸びが減少します。

化学成分

元素	含有範囲（%）	備考
Si	0.9 – 1.6	シリコンはマグネシウムと結合してMg2Si析出物を形成し、鋳造性と強度を向上させる。
Fe	0.0 – 0.35	鉄は不純物で介在物を形成し、延性や表面仕上げに影響を与える。
Mn	0.0 – 0.1	マンガンは結晶粒を微細化し、強度をわずかに向上させるが、伝導率維持のため低濃度に制限。
Mg	0.45 – 0.90	マグネシウムはMg2Si析出による時効硬化の主合金元素である。
Cu	0.0 – 0.2	銅は強度と硬化能力を増加させるが、耐食性と伝導率を低下させる。
Zn	0.0 – 0.1	亜鉛は6101では少量。過剰添加は熱割れや伝導率低下を招くため制限。
Cr	0.0 – 0.1	クロムは結晶粒制御と靭性、高温安定性を向上させる。
Ti	0.0 – 0.1	チタンは微量添加により押出加工性および表面品質の向上を目的とする結晶粒微細化剤。
その他	≦ 0.15 合計	残留元素や微量元素は伝導率や耐食性への悪影響を避けるため制御されている。

6101ではシリコンとマグネシウムの比率がMg2Si析出を効果的に行うために調整されており、これが人工時効時の最大強度を決定します。Fe、Cu、Crなどの微量元素のバランスは、電気伝導性や押出加工性を維持しつつ、延性や表面外観を損なう過剰な介在物生成を避けるよう設計されています。

機械的性質

引張特性は硬化状態に大きく依存し、焼なまし状態では降伏強さが低く伸びが大きいのに対し、T5/T6系硬化条件では析出硬化により降伏強さ・引張強さが大幅に向上します。ピーク時効状態の降伏強さは構造用押出形材や導体支持材として十分なレベルですが、構造強度向けに特化した他の6xxx系合金ほど高くはないため、設計時にはこの強度差を考慮する必要があります。

伸びと硬さは硬化状態によって予測可能なトレードオフがあり、Oの焼なまし材は深絞りや小径曲げが可能である一方、T6やT651は疲労に強く剛性の高い部品を提供しますが伸びは低下します。疲労特性は均一な微細組織と適切な析出分布によって有利になりますが、表面仕上げや切欠形状、成形や加工による残留応力に敏感です。

板厚や断面形状は冷却速度や時効速度に影響し、厚肉部品では均一なピーク硬度を得にくく、適切な熱処理サイクルが必要な場合があります。溶接により熱影響部（HAZ）が局所的に軟化し疲労寿命が短くなることがあるため、溶接後熱処理や設計上の考慮が求められます。

特性	O／焼なまし	代表的硬化状態（例：T6/T651）	備考
引張強さ	約80～140 MPa（代表値）	約160～260 MPa（代表値）	断面サイズや硬化度に依存し、T6はMg2Si析出による最大強度を発揮
降伏強さ	約30～70 MPa（代表値）	約120～220 MPa（代表値）	降伏強さは硬化状態に非常に敏感。サプライヤーの実測データを利用推奨。
伸び	20%以上	約6～15%	強度上昇に伴い伸びは低下。最小値は製品形状・厚さによる。
硬さ	約25～45 HB	約60～95 HB	ブリネル硬さは時効硬化に伴って上昇し、引張強さと相関する。

物理的性質

特性	値	備考
密度	2.70 g/cm³	アルミ合金の標準的値であり、質量や慣性モーメント計算に使用される。
融点範囲	約580～640 °C	シリコン含有量により固相線・液相線は変わり、融点は単一点ではなく範囲で表される。
熱伝導率	約150～170 W/m·K（代表値）	多くの構造用合金に比べ良好な熱伝導性を持ち、ヒートシンク用途に適する。
電気伝導率	約40～50 % IACS（代表値）	多くの6000系構造用合金より高いが、純アルミには及ばない。導体用途で評価される。
比熱	約0.90 J/g·K	熱エネルギー蓄積や過渡加熱計算で有用な値。
熱膨張係数	約23～24 µm/m·K	アルミ合金として標準的で、他材質との組み合わせ設計時に考慮が必要。

これらの物理特性により6101は、構造用合金と高伝導材料の実用的な妥協案となります。多くの高強度構造用合金よりかなり高い導電性を有しながら成形性や時効硬化能力も保持しています。熱伝導率および比熱の特性は熱交換器・フィン・導体用途での有効性を示し、多材質構造設計時には熱膨張を配慮すべきです。

製品形状

形状	代表的な厚さ/サイズ	強度特性	一般的な調質	備考
板材（シート）	0.5–6.0 mm	調質によって強度が変化；薄板は熱処理に対する反応が早い	O, H14, T5, T6	ハウジング、ラジエーター、フィンなど表面仕上げと熱伝達が重要な用途に使用
プレート（厚板）	>6.0 mm	厚みのあるセクションは異種析出硬化が起こりやすく、非常に厚いプレートでは有効強度が低下	O, T4, T6（一部限定）	プレートはあまり一般的でない；多くの6101用途では押出形材が好まれる
押出形材	薄肉から肉厚プロファイルまで	押出形材は析出硬化後に良好な機械的性質と導電性のバランスを実現	O, H12/H14, T5, T6, T651	6101の主要な製品形状；表面仕上げと寸法精度が大きな利点
管材	外径6–150 mm	管材は押出形材と同様の調質ルールに従う；強度は肉厚に影響される	O, T5, T6	冷却装置、バスコンジット、構造部材に使用
棒材/丸棒	各種直径	棒材は導体棒や鍛造部品に使用されることがあり、機械的性質は調質に依存	O, H12/H14, T6	端子、ファスナー、機械加工部品に用いられる

6101の商業的な主力形状は押出形材であり、合金の優れた熱間加工性と押出成形時の表面仕上げの良さが、導体やヒートシンクプロファイルに適しています。板材と管材は打抜き、曲げ、連続加工が必要な場合に使用され、一方でプレートは比較的稀であり、厚いセクションで均一な特性を確保するには注意深い熱処理が必要です。

同等鋼種

規格	グレード	地域	備考
AA	6101	USA	Aluminum Associationによる指定；製造仕様の基準参照
EN AW	6101	ヨーロッパ	同一化学組成および製品形状で一般的に用いられる欧州指定
JIS	A96101（概算）	日本	日本規格は同等のUNSまたは合金ファミリーを参照する場合あり；正確な一致はローカル仕様を確認
GB/T	6101	中国	中国国家規格が類似の組成を参照；調質や機械的特性の要求はサプライヤーと確認推奨

地域ごとの規格間の微細な違いは、許容不純物限度、要求される製品試験、および調質表記に関わることが多く、化学組成の根本的な変更はほとんどありません。電気導体等の重要用途では、導電率、引張強さ、調質要件を規格やメーカー間で照合するために、製造証明書と試験報告書を必ず確認してください。

耐食性

6101は多くのAl-Si-Mg系合金に匹敵する優れた一般大気耐食性を示し、典型的な屋外環境下では高銅アルミニウム材料よりも耐食性が高い場合が多いです。自然な酸化膜の形成により表面に保護層ができ、多くの産業環境や農村地域の大気暴露では、特別な塗装なしでも良好な外観と性能を維持します。

海洋環境では、6101は非浸漬曝露に対しては許容範囲ですが、高塩分で継続的な浸水が想定される場合は局所腐食やピッティングのリスクが高まるため第一選択ではありません。長期的な海洋暴露が予想される場合は、保護塗装、アルマイト処理、犠牲的設計要素の使用が一般的です。

6101の応力腐食割れ（SCC）感受性は高銅系アルミ合金より低いものの、他の6xxx系合金と同様に調質、残留応力、加わる荷重によって影響を受けます。ピーク硬化調質や溶接影響部のSCCのリスクは、重要用途では評価が必要です。異種金属との接触によるガルバニック腐食にも注意が必要です。例えばステンレス鋼や銅などカソード性の金属と接する場合、アルミはアノードとなり優先的に腐食するため電気的に絶縁するか防護措置が必要です。

他の合金系と比較すると、6101は多くの銅含有2xxx系より耐食性が優れ、同じ6xxx系内では同等の耐食性を持つことが多い一方で、高マグネシウム5xxx系の犠牲防食性能には及びません。表面処理の選択は腐食環境下での長期性能や疲労耐久性に大きく影響します。

加工特性

溶接性

6101はTIGやMIGなど一般的な融合溶接が可能ですが、溶接熱影響部では析出物の溶解や粗大化により軟化が生じやすいです。推奨される充填材は4043や5356で、耐食性や機械的特性のバランスによって選択します。充填材の選択は導電性、強度、母材との適合性を考慮しなければなりません。溶接前後の熱処理や機械的応力除去処理により特性回復が可能な場合があります。

加工性

中強度のアルミ合金として、6101は標準カーバイド工具で良好な表面仕上げが可能な適度な加工性を持ちます。加工パラメータは調質や断面サイズに応じて調整が必要です。高い調質は強度と工具負荷を増加させ、軟質アニーリング状態はより展性のある切りくずを生成します。複雑部品の加工では冷却剤の使用と高速送りが温度管理や切りくず排出に効果的です。

成形性

6101は軟質調質（O, H1x）で良好に成形可能で、深絞り、曲げ、ロール成形とも表面亀裂のリスクが比較的低いです。ピーク硬化調質では成形性が低下しばね戻りが増えるため、通常はO/T4状態で成形し、後から人工時効処理して寸法安定性と強度を付与します。最小曲げ半径や成形限界は板厚、調質、工具形状に依存し、狭曲げ半径や複雑プロファイルは試作を推奨します。

熱処理挙動

6101は熱処理可能な合金であり、伝統的な固溶化熱処理、急冷、人工時効サイクルによりMg2Si析出物を生成して強度を向上させます。固溶化処理は通常Mg2Siを溶解させる十分な温度（通常520〜560 °C）で行い、その後急冷して過飽和固溶体を保持し、人工時効に備えます。

人工時効（T5/T6）は中温域（一般的に160〜200 °C）で行い、強度と延性の最適な組み合わせを得るための時間調整が行われます。過時効は強度を低下させる一方で靭性や寸法安定性を改善します。T4（自然時効）は中間特性を持ち、成形後に最終的な人工時効を行う場合に有用です。

非熱処理状態では加工硬化により限定的に強度向上が可能ですが、最高性能を得るルートは熱処理と制御された時効サイクルです。アニーリングは合金を展性状態に戻し、冷間成形の準備や最終熱処理前の残留応力除去に使用されます。

高温性能

約150〜200 °Cを超える使用温度では、6101の析出硬化微細組織が劣化し始め、析出物の粗大化や溶解により強度が徐々に低下します。一般的な人工時効温度付近あるいはそれ以上の長期暴露は機械的特性を低下させ、寸法安定性にも影響を及ぼすため、荷重支持部材の連続使用温度には注意が必要です。

酸化は通常の工学用途温度域では軽微ですが、高温になるとスケーリングや拡散による劣化が加速します。溶接構造物では熱影響部の挙動が重要で、局所的軟化によりクリープ強度や疲労強度が低下するリスクがあります。

用途例

産業分野	代表部品	6101が採用される理由
電力伝送	バスバー、電流導体	良好な電気伝導性と十分な機械的強度、押出成形性の組み合わせ
海洋・オフショア	冷却フィン、浸水しない構造部材	適度な耐食性と熱伝達性が求められる熱交換部品に最適
航空宇宙（副次的用途）	継手、ハウジング	重量、適度な強度、導電性のバランスおよび耐食性が求められる場面
電子機器・熱管理	ヒートシンク、ラジエーター、フィン付き押出形材	高い熱伝導率と良好な表面仕上げによる効率的な放熱
一般産業	押出形材、フレーム、ケース	良好な押出性、外観の美しさと時効硬化による剛性向上

6101は導電性、熱性能、機械的強度の組み合わせが求められる部品に選択され、特に複雑な押出形状が有利な場合に用いられます。時効処理可能な合金特性により、成形または押出した後に制御熱処理で目標強度と寸法安定性を確保できます。

選定のポイント

6101は、一般的な構造用6xxx系合金よりも高い電気伝導性や熱伝導性が求められつつ、時効硬化が可能である必要がある用途に適しています。表面仕上げが良好で中程度の強度を持つ押出形材が求められるバスバーや熱交換用押出品などに特に魅力的です。

商用純アルミニウム（例：1100）と比較すると、6101は多少の成形性と最高伝導率を犠牲にする代わりに、はるかに高い強度と優れた構造性能を提供します。強度が必要ない場合、高い延性と伝導性を重視するなら1100を選択してください。また、3003や5052のような加工硬化系合金と比べると、6101はより高い時効硬化強度と優れた熱・電気伝導率を提供しますが、極端な海洋環境における一般的腐食性能はやや劣ります。

6061や6063のような一般的な熱処理可能合金と比較すると、6101は電気伝導性や熱伝導性、押出しやすさを最優先し、最高の構造強度を目指さない場合に推奨されます。6061は多くの調質でより高いピーク強度を提供しますが、一般に伝導率は低く、押出仕上げの特性も異なります。

まとめ

6101は、高伝導性の純アルミニウムと高強度の構造用合金の間に位置する実用的な中間スペースを占めており、電気・熱性能、押出性、時効硬化強度をバランス良く組み合わせた用途で今なお重要な存在です。導体設計や熱管理部品、複雑な押出形状の設計において性能のバランスが求められるエンジニアにとって、6101は安定した加工ルートと確実な現場性能を備えた堅実で理解の進んだ選択肢を提供します。