アルミニウム 6111：組成、特性、焼き戻し硬さガイドおよび用途
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総合概要
合金6111は6xxx系アルミニウム合金に属し、Mg-Si系統に特徴があり、熱処理時にMg2Si析出物を形成します。マグネシウム、シリコン、そして制御された銅の添加によって意図的に合金化された、熱処理による強化が可能なアルミニウム合金であり、基本的な6xxx系化学組成よりも人工時効後の強度が向上します。
6111の主要な合金元素はマグネシウムとシリコンで、これらは強化相であるMg2Si相を形成します。銅はピーク強度を高め、時効応答や破断挙動を調整するために添加されています。鉄、マンガン、クロム、チタンといった微量元素は、結晶粒構造の制御、熱加工時の結晶粒成長の抑制、シート生産における再結晶微細化を目的として配合されています。
6111は、中程度から高強度のバランス、良好な成形性および許容できる耐食性が求められ、自動車用外板や構造的閉鎖部材向けに優れた溶接性と塗装適性を持つ用途で選ばれます。主な用途は自動車のボディインホワイト部品やドアパネル、プレス加工と接合が必要な電気機器筐体、その他強度対重量比や表面品質が重要な輸送用途です。
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、成形や深絞りに最適 |
| H14 | 中程度 | 低〜中程度 | 良好 | 優秀 | 一段階の加工硬化（1/4硬）で中程度の強度 |
| T4 | 中程度 | 中程度 | 非常に良好 | 非常に良好 | 固溶化処理後、自然時効により安定した調質。後加工時効に適した良好な成形性 |
| T6 | 高 | 低〜中程度 | 良好 | 良好 | 固溶化処理後、人工時効によるピーク強度。成形性は低下 |
| T61 / T651 | 高 | 低 | 良好 | 良好 | T61/T651は制御された応力緩和処理を示し（T651は伸長処理または応力緩和を含む）、寸法安定性に適す |
調質の選択は微細構造状態を制御し、成形性と強度のトレードオフを変化させます。焼なましO調質は複雑なプレス成形に最良の延性を持ちますが、高強度を得るには成形後の熱処理が必要です。一方、T6/T651は最高の静的強度と硬さを提供しますが、曲げ性や伸びは犠牲になります。
T4からT6への人工時効による移行は、T4状態で成形後にペイントベイク対応の硬化が可能であり、自動車業界では一般的な戦略です。中間のH系調質は追加の熱処理なしに増分的な冷間加工を行い、最終特性を調整するために用いられます。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.3–0.9 | Mgと共にMg2Si強化相を形成するため必須 |
| Fe | 0.2–0.6 | 不純物元素。高含有量は延性低下および表面品質に影響 |
| Mn | 0.0–0.5 | 結晶粒組織調整剤。一部バリエーションで強度と靭性の向上 |
| Mg | 0.4–0.9 | Mg2Siによる時効硬化の主な合金元素 |
| Cu | 0.2–0.6 | 強度上昇と時効挙動調整のため添加。耐食性と溶接性にも影響 |
| Zn | 0.0–0.2 | 微量。6xxx系では影響は限定的だが、不純物管理のため監視される |
| Cr | 0.0–0.1 | 熱間加工中の再結晶抑制に寄与し、微細構造を安定化 |
| Ti | 0.01–0.1 | 鋳造物やビレットの結晶粒微細化。少量で組織制御を助ける |
| その他 | 残りはAlおよび微量元素 | Ni、V、Zrなどの残留元素は特性維持のため厳密に管理される |
MgとSiの含有量は、時効中に形成可能なMg2Si析出物の体積分率を決定し、熱処理調質における強度の上限を設定します。銅は時効硬化速度を加速しピーク強度を高めますが、耐食性を低下させ、一部の局所腐食形式に対する感受性を増加させます。クロムやチタンなど微量元素は再結晶抑制や結晶粒サイズ制御に寄与し、靭性、表面仕上げおよび圧延やプレス時の成形性に影響します。
機械的性質
合金6111の引張特性は調質に強く依存します。焼なまし状態では広い均一伸びと低降伏強さを示しますが、時効調質では高い引張強さと降伏強さを示し伸びは低下します。T6型調質の降伏強さと引張強さの比率は通常0.7〜0.9の範囲にあり、絞り込み前の加工硬化能力が控えめであることを示します。疲労性能は適切な固溶化処理と時効後の微細な分散析出物構造により向上しますが、表面品質や成形による欠陥に対して疲労き裂の発生は敏感です。
板厚や加工履歴は力学特性に大きく影響します。薄板は塗装ベイク時により迅速かつ均一な時効を実現できますが、厚板は冷却速度の遅さと析出の局所差からピーク硬さが低下する場合があります。硬さは引張強さと相関しますが、残留冷間加工の影響も受けます。H調質の試料は同じ強度の完全時効T6材と比べて、高い見かけの硬さを示す場合がありますが靭性は低いです。Fe含有の粗大な金属間化合物などの微細構造の不均一性は延性を低下させ、鋳造冶金や圧延時に管理されない場合は疲労発生源となります。
| 特性 | O/焼なまし | 主要調質 (例：T6/T651) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約120–170 MPa | 約250–320 MPa | 調質、板厚、時効条件で幅広い |
| 降伏強さ | 約60–100 MPa | 約200–270 MPa | 人工時効による顕著な増加。降伏点は通常0.2%オフセット |
| 伸び | 約20–35% | 約6–15% | 高強度調質は延性低下。伸びは板厚や表面状態に依存 |
| 硬さ | 約35–50 HB | 約80–110 HB | ブルネル硬さは引張強さおよび析出物密度と概ね相関 |
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70 g/cm³ | アルミニウム合金として標準的。優れた強度対重量比に寄与 |
| 融点範囲 | 約555–650 °C（固相温度-液相温度） | 純アルミに比べて合金元素により固相温度が低下 |
| 熱伝導率 | 約150–180 W/m·K | 純アルミより低いが熱管理用途には良好 |
| 電気伝導率 | 約30–45 %IACS | 純アルミより低い。調質や不純物レベルに依存 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | アルミニウム系の標準的な値。合金元素の影響は小さい |
| 線膨張係数 | 約23–24 ×10^-6 /K (20–100 °C) | 接合部品設計に重要な適度な膨張係数 |
熱伝導率や電気伝導率の中程度の特性により、6111は放熱が必要な用途で使用可能ですが、純アルミニウムや一部の1xxx系より伝導率は低いため設計時に考慮が必要です。融点および固相温度の範囲は溶接やろう付けの加工ウインドウに影響し、合金元素の多さにより安全な加工ウインドウが狭まり、不適切な加工条件での溶融欠陥発生リスクが高まります。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ・サイズ | 強さ特性 | 一般的な熱処理状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.4–3.0 mm | 薄板では均一な強度；塗装焼き付け時の時効に反応 | O, T4, T6, T61 | 自動車の外板やドア類に広く使用される |
| プレート | 3–25 mm | 冷却速度の影響で厚さにより強度が変動 | T6, T651 | 厚い剛性パネルが必要な場合に限定的に使用される |
| 押出材 | 断面寸法最大200 mmまで | 押出比率およびその後の時効によって強度が決まる | T6, T651 | 構造部材や補強材向けの複雑な断面形状 |
| チューブ | 直径10–150 mm | 良好な溶接性と成形後の強度 | T4, T6 | トランスポート分野や主要形状とならない構造用チューブに使用 |
| 丸棒・棒材 | 直径最大約100 mm | 機械的特性が安定した実断面 | T6 | 機械加工部品や締結部品において高強度が要求される場合に使用 |
6111のシートおよびコイルは、塗装や成形に適した表面品質を得るために熱間機械制御によって製造されています。押出材やビレット製品は偏析を防ぐために均質化処理が必要で、続く固溶処理や急冷は断面サイズに合わせて調整され、人工時効中の析出を均一にします。プレートや厚物製品では、表面から中心まで均質な特性を得るために時効スケジュールの調整が求められる場合があります。
相当鋼種
| 規格 | 鋼種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 6111 | アメリカ | Aluminum Associationの指定で、サプライヤーカタログによく使用される |
| EN AW | 6111 | ヨーロッパ | EN AW-6111は概ねAA 6111の化学成分および熱処理状態に対応 |
| JIS | A6111 | 日本 | 類似の化学組成を指すが、不純物許容値は地域基準によって差異あり |
| GB/T | 6111 | 中国 | 国際的な6111ファミリーに準じるが、地域別の公差範囲が存在 |
各規格間で同等品の表示は大まかに類似していますが、不純物限度や微量元素の許容値が異なり、これが打抜き、塗装、耐食性に影響を与えます。フェライト（Fe）、銅（Cu）、マンガン（Mn）などの元素の許容範囲は、表面外観や再結晶挙動、時効挙動に関係するため、使用時は該当規格書やメーカー認証書で確認してください。代替鋼種を選定する際は、直接凝固（DC鋳造）か連続鋳造かの処理方法の違いも考慮する必要があり、これにより圧延組織や再結晶挙動も異なります。
耐食性
合金6111は6xxx系アルミ合金に典型的な大気環境での一般的な耐食性を示し、Mg2Siマトリックスにより都市部や緩やかな農村環境での受動性が期待できます。強度向上のための銅添加は、適切な合金管理や表面処理を行わないと局所腐食や粒間腐食の耐性を劣化させる可能性があります。
海洋環境や塩化物が多い環境では、6111は陽極酸化処理や変換皮膜、塗装などの保護コーティングが長期耐久性確保に必須です。むき出しのまま塩水噴霧にさらすと、ピッティングや隙間腐食が純粋なアルミ合金より速やかに進行します。応力腐食割れ（SCC）の感受性は中程度で、引張残留応力の存在や活性腐食環境で増加します。溶接後や成形後の応力除去処理および合金の熱処理管理によりSCCリスクは低減可能です。
異種金属接触腐食（ガルバニック腐食）はアルミニウムの通常の特性を示し、6111がステンレス鋼や銅などのより貴金属に接触する場合、加速された陽極腐食を防ぐため絶縁処理が必要です。5xxx系のMg含有加工硬化合金と比較すると、6111は海洋大気環境でやや耐食性が劣る一方、機械的特性と塗装適性に優れ、性能と耐久性のバランス型といえます。
加工性
溶接性
6111は一般的な溶接法であるTIGおよびMIGで溶接可能で、自動車組立てでは抵抗スポット溶接が広く使用されています。SiやCuといった合金元素によるホットクラック感受性があるため、溶接手順の認証や適切なフィラー材の選択が必要で、熱影響部（HAZ）の軟化や孔隙を最小限に抑えます。一般的には4xxx系または5xxx系のソリッドワイヤーフィラー（Al-Si系またはAl-Mg系）が推奨され、一部用途では流動性を高めクラックリスクを抑えるため4xxx系フィラーが利用されます。溶接後の熱処理はボディパネル組立て時にはほとんど行われないため、設計段階でHAZの強度低下を考慮し継手設計を行う必要があります。
機械加工性
6111は熱処理可能なアルミ合金に典型的な中程度の機械加工性を持ちます。切りくず制御は良好ですが、熱処理状態や既存の加工硬化の影響を受けます。カーバイド工具のTiN、TiAlNなど適切なコーティングと鋭い刃形状により、良好な表面仕上げと長寿命が達成できます。切削速度は鋼より高いですが、ビルドアップエッジの形成を抑えるため適切に調整する必要があります。冷却剤と高送り加工が使われ、延性のある状態では長いヒモ状切りくずを避けます。T6硬質状態の材料はより安定した加工が可能ですが、硬い金属間化合物粒子が摩耗を促進します。
成形性
6111の成形性は焼なましやT4の軟質状態で非常に良好で、T6に近づくと低下します。最低内側曲げ半径は厚さと熱処理状態に応じて指定され、目安として焼なましシートではR/t比が1～2、T6系では2～4が一般的な初期値です。ばね戻りや残留応力を考慮して打ち抜き型を設計し、複雑な形状にはドロービードやブランキングホルダーの最適化、温間成形が利用されます。加工硬化挙動は予測可能で、塗装焼き付け時効後に所望の最終特性を得るための予備ひずみ（H熱処理状態）戦略も用いられます。
熱処理特性
熱処理可能合金である6111は、固溶処理、急冷、人工時効によりMg2SiおよびCu含有析出物を形成してマトリックスを強化します。代表的な固溶処理温度は520〜540 °Cで、断面厚さに応じた処理時間で可溶相を溶解し、急冷により超飽和固溶体を保持します。人工時効（例：160〜190 °C数時間）により引張強さと降伏強さが最大化されたピーク時効（T6）状態が得られ、構造および外閉部品に適しています。
T4状態（固溶処理＋自然時効）は最終人工時効前の成形を可能にするため一般的に供給され、ばね戻りが最小化され、塗装焼き付け熱処理後に強度が最大化されます。過時効は強度を低下させますが靭性を高め、局所腐食感受性を低減します。T61/T651は寸法安定性を向上させる制御焼きなましおよび応力除去処理を示します。急冷不良や時効不足は非均質な特性、機械的性能低下、疲労寿命短縮の原因となります。
高温性能
6111は時効析出物の粗大化および溶解により、一般的な使用温度以上では強度低下が著しくなります。120〜150 °Cを超える長時間使用で降伏強さおよび引張強さが減少します。アルミ表面の酸化皮膜は自己制限的で中程度の高温環境では一定の防護効果がありますが、攻撃的環境下での高温長時間暴露によりスケール形成が加速され、外観や表面特性に影響を与えます。溶接部の熱影響部は熱サイクルによって過時効が進み硬さ・強度が低下することがあるため、高温や周期的熱負荷がかかる部品では設計と製造で十分考慮が必要です。
用途例
| 産業分野 | 例示部品 | 6111が使用される理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 外板パネル、ドアスキン、トランクリッド | 成形性、塗装適性、熱処理による強度付与の組み合わせ；自動車塗装焼き付け強化に適合 |
| 海洋 | 非構造用パネルおよび筐体 | 適切なコーティングにより十分な耐食性と優れた成形性 |
| 航空宇宙 | 二次部品およびフィアリング | 非主要構造部品向けの優れた強度対重量比と成形後の良好な表面仕上げ |
| 電子機器 | 筐体および放熱部品 | スタンプ加工や押出材向けの熱伝導性と加工性のバランス |
6111は特に自動車の外閉部品や外装パネルで広く用いられており、低強度状態での成形性と塗装焼き付け時の強度向上を利用して、複雑な形状と耐衝撃性を両立させています。また、圧延後の表面品質や陽極酸化・塗装の適性が良好で、外観が求められる外装部品での採用を後押ししています。
選定のポイント
複雑なプレス加工に対応する成形性と、塗装焼付けや人工時効によって得られる高い最終強度のバランスが求められる設計には6111を選択してください。表面仕上げや塗装適性が重要であり、大量生産の組立ラインで溶接性やスポット溶接特性が必要な場合にも実用的な選択肢です。
商用純アルミニウム（1100）と比較すると、6111は電気伝導性や熱伝導性、一部の成形性を犠牲にする代わりに、はるかに高い降伏強さと引張強さを持ち、構造剛性や衝突性能が重視される場合に適しています。硬化加工された合金である3003や5052と比較すると、6111は時効処理後により高い強度を達成でき、塗装焼付けに対する反応性も優れていますが、海洋環境下での固有の耐食性はやや劣ることがあります。
広く使用されている熱処理可能な合金である6061や6063と比較すると、6111は自動車の塗装焼付け強化に対する調整性が優れ、パネル用途での表面品質も改善される場合があります。6061よりも最大強度はやや低いこともありますが、表面仕上げ、プレスから時効までの経路、組立時の溶接性を重視する場合は6111を選択してください。
まとめ
6111合金は、容易な成形性と熱処理または使用時の焼付けサイクルによって高強度を得る二つの性能を併せ持つ、設計用途に適した6xxx系アルミニウムとして今なお広く用いられています。機械的特性、表面品質、加工の多様性をバランスよく備えているため、製造性と最終部品の性能がいずれも重要となる自動車や輸送機器分野で特に価値があります。