アルミニウム 6151：組成、特性、硬化状態ガイドおよび用途

総合概要

6151は6xxx系列アルミニウム合金（Al-Mg-Si系）に属し、熱処理可能な析出硬化型合金として分類されます。その化学組成はマグネシウムとシリコンが主で、人工時効によってMg2Si析出物を形成し、大幅な強化をもたらします。

この合金は中程度から高強度を持ち、耐食性に優れ、柔らかい調質で供給された場合は成形性も良好です。典型的な産業用途には建築用押出材、自動車のトリムおよび構造部品、船舶用付属品、強度、表面仕上げおよび陽極酸化処理性のバランスが求められる一般的なエンジニアリング部材が含まれます。

6151は純アルミニウムや加工硬化合金よりも高強度を必要とし、7xxx系列の高強度合金のコストや接合の制約を避けたい場合に選択されます。構造用または荷重支持用押出材として、または後工程での陽極酸化や塗装が予定されている場合に、より低強度の系列よりも好んで選ばれることが多いです。

調質のバリエーション

調質	強度レベル	伸び	成形性	溶接性	備考
O	低い	高い	優れている	優れている	完全に焼きなまし状態。成形および機械加工に最適。
H14	中程度	中程度	良好	良好	指定強度までの塑性加工による加工硬化。硬化は限定的。
T4	中程度	中程度	良好	良好	溶体化熱処理後自然時効。人工時効のベースラインとして良好。
T5	中程度から高い	中程度	普通	良好	成形後に冷却し人工時効。押出材に一般的に使用。
T6	高い	中程度から低い	普通	良好	溶体化熱処理後人工時効しピーク強度を実現。標準的な構造用調質。
T651	高い	中程度から低い	普通	良好	溶体化熱処理後、引張応力除去し人工時効。残留応力を抑えた板材・押出材に使用。

調質は、析出物のサイズと分布が機械的特性に大きく影響するため、6151の強度、伸び、成形性のバランスを大きく左右します。OやH1xの柔らかい調質は深絞りや小径曲げに適し、T5/T6はピーク強度を発現し伸びが減少するため、成形や溶接時には慎重な設計が必要です。

化学成分

元素	含有率範囲（％）	備考
Si	0.4 – 0.9	シリコンはマグネシウムと結合してMg2Si析出物を形成し、強度や鋳造性・流動特性を制御。
Fe	≤ 0.50	鉄は不純物で、金属間化合物を形成し、含有量が多いと伸びや耐食性を低下させる。
Mn	≤ 0.15	マンガンは粒細化を促進し、伸び低下が少なくわずかに強度を向上。
Mg	0.6 – 1.2	マグネシウムは主な強化元素でシリコンと結びついて時効硬化に寄与。
Cu	≤ 0.15 – 0.30	銅は微量混入により強度や硬化速度に影響を与えるが、多すぎると耐食性低下。
Zn	≤ 0.25	亜鉛は通常低含有。高Znは7xxx系列の特性に近づき、応力腐食割れのリスクが増加。
Cr	≤ 0.25	クロムは粒構造を制御し、熱機械的加工時の再結晶を抑制。
Ti	≤ 0.15	チタンは鋳造またはインゴット処理時の粒径調整に微量添加。
その他	合計で ≤ 0.15	ストロンチウムやホウ素など微量元素は機械的特性や表面特性の安定のために管理。

Mg–Si比率および絶対含有量が析出の進行（GPゾーン → β″ → β′ → β）を制御し、ピーク強度、時効速度、溶体化処理への反応を決定します。微量元素や不純物は粒径、再結晶挙動、粒界腐食や脆化の感受性に影響を与えます。

機械的性質

6151は古典的な析出硬化型引張挙動を示し、時効（T5/T6）により降伏強さと引張強さが著しく向上します。焼なまし（O）状態では伸びおよびエネルギー吸収に優れますが、荷重支持用途では安定した高い降伏強さを得るためにT6またはT651が指定されることが一般的です。

降伏強さおよび引張強さは板厚や調質に依存し、薄い押出断面では溶体化および急冷が均一なためピーク特性がより均一に達成されます。硬さは引張強さと連動し、T6調質はOまたはH1x調質に比べてブリネル硬さやビッカース硬さの著しい上昇を示します。

6151の疲労性能は一般的な構造用途で十分であり、表面仕上げや冷間加工、ショットピーニングによる圧縮残留応力の付与で改善します。鉄分多い粗大な金属間化合物や表面欠陥は疲労開始点になりやすいため、鋳造および押出の清浄性管理が重要です。

特性	O/焼なまし	代表調質（例：T6）	備考
引張強さ	約100 – 150 MPa	約260 – 320 MPa	断面厚さや時効条件で変動。T6は構造用でピーク強度を発揮。
降伏強さ	約40 – 90 MPa	約220 – 280 MPa	時効による降伏強さの増加が大きい。設計時は調質別の測定値を使用。
伸び	約15 – 25%	約8 – 15%	強度増加に伴い靭性は低下。小断面は一般に高伸び。
硬さ（ブリネル）	約30 – 60 HB	約90 – 130 HB	硬さは析出状態に比例。表面処理や冷間加工により変動。

物理特性

特性	値	備考
密度	2.70 g/cm³	Al–Mg–Si系合金の典型値。軽量構造計算に使用。
融点範囲	約582 – 652 °C	固相線・液相線はSi/Mg含有量や不純物に依存。
熱伝導率	約160 – 180 W/m·K	純アルミより低いが鉄鋼に比べて高い。放熱用途に適する。
電気伝導率	約28 – 38 % IACS	合金添加により純アルミより低下。調質の影響は小さい。
比熱	約0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	熱モデルや過渡熱計算に使用される典型値。
熱膨張係数	約23 – 24 µm/m·K	他のアルミ合金と類似。異種金属接合部の設計に重要。

これらの物理特性により、6151は高強度対重量比と良好な熱伝達性能が同時に求められる用途に有利です。熱および電気伝導率は純アルミより低下するものの、機械的要求がある放熱および軽量導体用途に十分適しています。

製品形状

形状	代表的な厚さ／寸法	強度特性	一般的な硬質処理	備考
板材（Sheet）	0.3 – 6 mm	薄板では均一な特性を持ち、加工後の熱処理が容易	O, T4, T5, T6	トリム、パネル、ブラケットに使用。陽極酸化処理に適した優れた表面仕上げ。
厚板（Plate）	6 – 50+ mm	厚みがあるため、溶解処理時間が長くなり、ピーク特性が低下する場合がある	O, T6, T651	厚板は焼入れ速度に制限がある場合があり、構造部材に使用される。
押出形材（Extrusion）	複雑な断面形状、数メートルまで	T5/T6時効に非常に敏感。薄肉部は特性の獲得が早い	T5, T6	窓枠、建築用プロファイル、構造用押出形材に一般的。
管材（Tube）	小径から大径、板厚は多様	押出しまたは引抜きで製造される。板材・押出形材と同等の特性。	O, T6	構造用チューブ、非圧力用途の配管に使用。
丸棒・棒材（Bar/Rod）	直径数mmから200mm以上	均質で、熱処理後に一貫した機械的性質を持つ	O, T6	機械加工部品、ファスナー、後加工される押出形状部材に使用。

製造工程（押出しと厚板圧延）は微細構造や異方性に大きく影響し、押出形材は結晶粒が伸長し、方向性のある強度特性を示す。熱処理能力や焼入れ速度の限界により、厚板では特性が制限されるため、設計時には形状寸法、硬質処理、伸ばし加工や機械加工などの後工程を考慮する必要がある。

相当鋼種

規格	鋼種	地域	備考
AA	6151	米国／国際	Aluminum Associationシステムで認められている。特定の仕様詳細で制限が定められている。
EN AW	6151 (AlMgSi)	ヨーロッパ	欧州ではEN AW-6151と呼ばれることが多い。化学成分・機械的特性はEN規格に準拠。
JIS	A6151/A6061*	日本	日本規格では最も近いAl–Mg–Si系鋼種を参照することが多い。具体的なJIS制定品番および硬質処理を確認すること。
GB/T	6151	中国	中国のGB/T指定も同じ数値体系を用いるが、公差が異なる場合がある。

規格間の完全な同等性は難しく、化学成分の許容差、試験データの要件、硬質処理の定義などが規格団体や製品形態によって異なる。地域間で鋼種を代替する際には、認証されたミルテストレポートや機械的性質表を必ず照合すべきである。

耐腐食性

6151は保護性のあるAl2O3の不動態皮膜と比較的低いCuおよびZn含有により、他のAl–Mg–Si合金と同様に優れた大気環境下での耐腐食性を示す。軽度の腐食環境で良好な性能を発揮し、陽極酸化処理により外観および表面保護がさらに向上する。

海洋環境下では、水面上および飛沫帯での使用に適合するが、設計上の配慮が必要である。停滞した海水環境ではピッティング腐食や隙間腐食が発生しやすく、特にファスナーや異種金属接触部で注意を要する。長期耐久性のためには適切な表面処理、陽極または有機系コーティング、互換性のあるファスナー選定が重要となる。

応力腐食割れ（SCC）感受性は低〜中程度であり、一般に高強度の7xxx系合金より低い。ただし引張応力がかかり塩化物腐食環境下ではリスクが存在し、特に局所的な過時効や微細組織の不均一性がある場合に注意が必要。異種金属の接触では陽極反応が起こり、アルミニウムは鋼や銅と接触すると優先的に腐食するため、絶縁または犠牲陽極の設置が推奨される。

加工性

溶接性

6151はMIG（GMAW）やTIG（GTAW）などの一般的な溶融溶接が可能であるが、熱影響部（HAZ）の軟化を考慮した設計が必要。ER4043（AlSi系）やER5356（AlMg5系）の溶接棒が用途に応じて使われる。シリコン含有のフィラーは流動性を高め割れを防止する。溶接後の熱処理ではHAZのT6特性は完全回復しないため、溶接準備やパラメーター管理による多孔質やホットクラック防止が必須である。

機械加工性

軟質の硬質処理製品は6xxx系の標準に近い良好な加工性を示し、現代の超硬工具で適切な切削速度・送り速度を実現できる。チップ形成は硬質処理や断面により連続または断片的に変化し、正面リード角工具の使用、クーラントの適用、安定した保持により表面粗さを改善できる。高強度硬質処理（T6）では工具摩耗が増大するため、切込み量を減らし剛性を高めることが推奨される。

成形性

O、H1x硬質処理では冷間成形性に優れ、深絞り、タイトな曲げ、複雑断面形状の成形が可能である。T5/T6硬質処理では成形性が低下し、バネ戻りも増大するため、最終時効前に成形するか、中間的な溶解処理を行うことが望ましい。推奨曲げ半径は硬質処理と板厚に依存し、軟質状態で板厚の1～3倍程度、T6ではより大きい半径が一般的である。

熱処理挙動

6xxx系の熱処理可能合金として、6151は典型的な溶体化処理、急冷、時効のサイクルを経る。Mg2Siを溶解するのに十分な高温での溶体化処理を行い（Al–Mg–Si合金で一般的な温度範囲）、その後急冷して過飽和固溶体を保持。続いて中程度の温度で人工時効を施し強化相を析出させる。

自然時効（T4）では時間経過で初期的に強度が向上するが、人工時効のピーク値には達しない。人工時効（T5、T6）はピーク強度と靭性のバランスを考慮し、変形抑制を制御している。過時効は析出物の粗大化をもたらしピーク強度を低下させる一方で延性およびSCC耐性を向上させる。

設計者向けには、T651は溶体化処理に加え、人工時効前に伸ばし加工を行い残留応力を除去する処理を表し、厳しい公差の押出形材や厚板での歪みや残留応力対策で重要である。

高温特性

6151はサービス温度が一般的な時効温度を超える150～200 °C以上になると室温強度のかなりの割合を失い軟化する。長時間の高温曝露は析出物の粗大化を促進し、降伏強さや疲労耐久性が低下し、構造用としての連続使用温度に制約を与える。

高温空気中での酸化は不動態アルミナ皮膜により鉄系合金に比べて少ないが、過酷な環境や熱サイクルによりスケール剥離や局所腐食を起こすことがある。溶接部の熱影響部は強度低下や結晶粒粗大化が特に起こりやすいため、高温用途では熱管理と溶接後処理が必要である。

用途例

業種	例示部品	6151採用理由
自動車	トリム、構造用押出形材、軽量ブラケット	優れた強度・重量比、表面仕上げ、スタンピング・押出加工適性。
海洋	デッキ付属品、手すり、建築用部材	耐腐食性と陽極酸化処理適性のバランスが良く、視認性のあるハードウェアに適する。
航空宇宙	二次的な付属品、内部構造	強度・重量比が良好で、主要構造部以外の機械加工性に優れる。
電子機器	ヒートスプレッダ、シャーシ	高い熱伝導性と構造機能を両立するハウジング材料。

6151は中高強度で陽極酸化や塗装が可能、かつ一般的な接合および機械加工に対応できるアルミニウム合金として広く使用されている。多様な製品形態と硬質処理に対応できるため、押出形建築部材や中程度荷重の構造用部材の標準合金として選ばれている。

選定のポイント

1100などの純アルミニウム系に比べより高い強度を必要とする軽量構造部品には、6151は明確に引張強さ・降伏強さが向上しており、電気伝導性や成形性を多少犠牲にしている。機械的荷重に耐え、陽極酸化などの表面仕上げが重視され、伝導性が主な要求でない場合には6151が適している。

3003や5052などの加工硬化系合金と比べると、6151は時効によりより高い強度を発揮し、多くの環境で同等の耐食性を示す。ピーク強度や熱時効性が求められる場合は6151を選択し、成形性や過酷な海洋腐食耐性が優先される場合には5052や3003を推奨する。

6061や6063などの近い熱処理可能な材料と比較して、6151は同程度またはわずかに異なるピーク強度を持つことが多いにもかかわらず、特定の押出し性能、表面仕上げ、供給面の理由で選ばれることがあります。エンジニアは6151と他のAl–Mg–Si合金を選択する際に、調質別の機械的特性データ、陽極酸化処理の挙動、入手可能性を評価する必要があります。

まとめ

6151は、強度、耐食性、表面品質の実用的なバランスが求められるエンジニアリング用途において、依然として重要かつ多用途なAl–Mg–Si合金です。熱処理可能な性質と、押出材および加工材としての幅広い入手性が、建築用、自動車用、船舶用部品などでバランスの取れた性能と仕上げ性が求められる場面での実用的な選択肢となっています。