アルミニウム 6201: 化学成分、特性、材質状態一覧および用途
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総合概要
6201は、6xxx系アルミニウム合金（Al‑Mg‑Si系）に属し、熱処理が可能で、中程度の強度、良好な押出し性、適度な耐食性の組み合わせを目的に設計されています。主な合金元素はマグネシウムとシリコンで、これらが時効によりMg2Si析出物を形成します。微量添加元素や制御された不純物（Fe、Mn、Cu、Cr、Ti）は、機械的性質や加工特性の調整に用いられます。
6201の強化は主に固溶処理後の急冷と人工時効（析出硬化）によって得られますが、時効前に制御された冷間加工によって性質の調整も可能です。主な特徴として、熱処理状態での中～高強度、良好な陽極酸化処理性、軟材質での良好な成形性、および熱影響部軟化に注意すれば許容できる溶接性が挙げられます。この組み合わせにより、押出し性、構造強度、導電性のバランスが求められる用途に適しています。
6201を使用する代表的な産業分野には、輸送機器（構造押出材や機能部品）、電気・送電（導電性と強度のバランスが必要な導体・バスバー用途）、建築用押出材、押出形状が必要な機械部品などがあります。エンジニアは、6061のような6xxx系合金の高強度と導体用合金の良好な押出し性・導電性の中間的な妥協が必要な場合や、6201の流動性と時効特性が特定の形状に有利な場合に6201を選択します。
他の6xxx系合金と比較すると、6201は特定の製品形態（押出材、引抜導体）や熱処理条件で選ばれることが多く、析出硬化反応が良好で、耐食性や陽極酸化・塗装時の表面仕上げも許容範囲にあります。
調質の種類
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低い | 高い | 優秀 | 優秀 | 完全焼鈍状態で最大の延性を持ち成形に最適 |
| T4 | 中程度 | 中～高 | 良好 | 良好 | 固溶処理後自然時効；成形性と強度の良好なバランス |
| T6 | 高い | 低～中 | 普通 | 普通 | 固溶処理後人工時効でピーク強度；構造用に一般的 |
| T5 | 中～高 | 中程度 | 良好 | 良好 | 熱間加工後急冷し人工時効；即時時効された押出材に多い |
| T651 | 高い | 低い | 普通 | 普通 | 固溶処理後、伸張による応力除去、人工時効；加工に伴う残留応力を低減 |
| H14 | 中程度 | 低～中 | 限定的 | 良好 | ひずみ硬化および部分焼鈍により安定した冷間加工調質；成形板部品に使用 |
調質により6201の機械的性能は大きく変わります。Mg2Siの析出状態が降伏強さと引張強さを制御するためです。軟質調質（O、T4）は成形や引抜が主な作業の場合に使われ、T5/T6/T651は寸法安定性とピーク強度が求められる用途に選ばれます。溶接部組立では溶接性と熱影響部軟化に注意が必要です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.5–1.2 | Mg2Si析出を促進；強度と押出流動性を制御 |
| Fe | 0.0–0.7 | 不純物；高濃度だと強度増加だが延性および表面仕上げを悪化 |
| Mn | 0.0–0.5 | 粒界細化と靭性向上；導体用合金では低め |
| Mg | 0.4–0.9 | Mg2Si形成を通じた主強化元素 |
| Cu | 0.0–0.2 | 少量添加で強度向上も腐食抵抗性低下 |
| Zn | 0.0–0.2 | 通常は低濃度；高レベルで強度増加するも応力腐食割れ抵抗性低下 |
| Cr | 0.0–0.25 | 加工中の結晶粒構造制御および再結晶制御 |
| Ti | 0.0–0.15 | 鋳造品や軟鋼製品の結晶粒細化用 |
| その他（各元素） | 0.0–0.05 | 微量元素と残留成分；残りはアルミニウム |
成分は析出硬化（Mg＋Si）を最適化し、不純物は低く抑えて導電性と表面仕上げを保持するよう調整されています。CrやMnの少量添加は、熱間加工やその後の熱処理中の再結晶・粒成長の制御に寄与し、寸法管理や疲労性能の向上を支えます。
機械的性質
6201の引張性質は、熱処理可能なAl-Mg-Si合金の特性で、焼鈍やT4調質では軟らかく高延性で広い塑性変形範囲を持ち、T5/T6調質ではMg2Si析出物の細分散により強度は上がるものの伸びは低下します。降伏強さや引張強さは時効条件、前処理の冷間加工量、断面厚さに強く依存します。薄押出材は厚断面より速く均一にピーク強度に到達します。
硬さは析出状態に従い、O状態の約35 HBからピーク時効T6の70～95 HBまで上昇し、それに伴い降伏強さと引張強さも増加します。疲労抵抗性は表面仕上げ、押出欠陥、局所的な孔隙に影響されます。適切に加工・時効処理された6201は構造用押出材として良好な高サイクル疲労性能を示しますが、2xxx系・7xxx系の高強度合金にはやや劣ります。
板厚や断面形状は固溶処理や時効の動力学に影響を与えます。厚断面は冷却が遅いため、芯部の過小時効を防ぐために時効条件を調整する必要があります。製造工程の伸張矯正（T651）や制御された事前冷間加工により、特定の成形・使用条件での降伏強さと伸びのバランスを調整可能です。
| 項目 | O／焼鈍 | 代表調質（例：T6） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 約90–140 MPa | 約240–310 MPa | 引張強さは時効と断面厚さに依存；代表的なピーク時効範囲を示す |
| 降伏強さ | 約40–80 MPa | 約130–260 MPa | 析出により降伏強度は著しく増加；時効前冷間加工でさらに向上 |
| 伸び | 約20–35% | 約6–14% | ピーク時効状態で延性は低下；伸びは断面や試験方向により異なる |
| 硬さ | 約25–40 HB | 約70–95 HB | ブリネル硬さ（概算）；硬さは析出分布に相関 |
物理的性質
| 項目 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.68–2.70 g/cm³ | Al-Mg-Si系合金では一般的；強度/重量計算に有用 |
| 融点範囲 | 約580–650 °C（固相線～液相線範囲） | 純アルミより合金元素の影響で融点はわずかに下がり範囲が広い |
| 熱伝導率 | 140–170 W/m·K | 純アルミに比べ低いが、多くの放熱用途に十分 |
| 電気伝導率 | 約30–45 % IACS | 純アルミより低く、強度とのトレードオフとして合金化されている |
| 比熱 | 約0.90 kJ/kg·K（900 J/kg·K） | 常温における典型的なアルミ合金の値 |
| 熱膨張係数 | 約23–24 µm/m·K（23–24 ×10⁻⁶ /K） | アルミ合金で一般的な値。接合設計に重要 |
6201はアルミニウムの低密度と良好な熱物性の組み合わせを維持しており、質量削減が重要な導電・放熱構造体によく用いられます。熱伝導率および電気伝導率は、MgやSiによる溶質散乱のため純アルミより低下しており、導電性が重要な設計ではこれらの低下を考慮すべきです。
製品形状
| 形状 | 代表的な厚さ／サイズ | 強度特性 | 一般的な硬質状態 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.5〜6.0 mm | 薄板は時効反応が早く、O/T4で良好な成形性を示す | O, H14, T4 | 成形パネルや軽構造部品に使用される |
| プレート | 6〜50+ mm | 厚板は熱伝導が遅く、時効後に内部で強度が低下する場合がある | O, T4, T651 | 均一な特性を得るため、厚板には適切な熱処理が必要 |
| 押出材 | 壁厚 1〜100+ mm | 優れた押出性を持ち、ピーク時効で強度が向上 | T5, T6, T651 | 複雑な断面形状、レール、バスバー、構造部材によく用いられる |
| チューブ | 直径数mmから大径まで | 冷間伸線や時効で特性が変化する | O, T4, T6 | 構造用チューブや導体スリーブに使用される |
| バー／ロッド | 直径数mm〜50+ mm | ソリッドセクションは冷却速度の影響を受ける | O, T6 | 加工部品やスタッドに用いられる |
シートと押出材では成形や加工方法が大きく異なります。押出材は6201のホットワーク中の流動性を活かせ、即時時効（T5）や押出後の固溶処理＋時効（T6）によく反応します。プレートや厚板は断面全体にわたる均一な特性を得るために、より長い固溶時間や改良された時効が必要です。一方、薄板は許容度が高く、成形部品や引抜製品に多く使用されます。
対応規格
| 規格 | 品種 | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 6201 | USA | Aluminum Associationによる加工用6201合金の指定番号 |
| EN AW | 6201 | ヨーロッパ | 一般にEN AW-6201と表記され、化学成分や硬質状態はAAに準拠 |
| JIS | ― | 日本 | 一対一の対応JIS品種はなく、硬質状態によってJIS A6061/A6063系と類似 |
| GB/T | ― | 中国 | 区別されたGB品種としては必ずしも記載されず、国内のAl-Mg-Si軟質合金に近い |
地域ごとに同等品名や仕様の取り扱いは異なります。EN AW-6201およびAA 6201は組成や硬質状態で概ね互換性がありますが、不純物の上限や機械的性質の試験方向、認められる硬質状態に差異が見られる場合があります。JISやGB/Tにおいて直接の同等規格がない場合、エンジニアは最も類似するAl-Mg-Si合金を硬質状態に応じて選択し、重要用途では機械的・電気的検査によって検証します。
耐食性
6201はアルミニウム酸化皮膜による表面の不動態化により、他のAl-Mg-Si系合金と同様に大気中で良好な耐食性を示します。微量の合金元素も、ピッティング耐性を著しく損なうことはありません。田舎や都市部の大気環境で良好に耐え、装飾仕上げや陽極酸化処理が容易で、耐食性と耐摩耗性をさらに向上できます。
海洋環境や塩化物の多い条件下では、6201は中程度の耐食性を持つものの、海水対応に特化したAl-Mg（5xxx）合金ほど耐塩化物性は高くありません。スクラッチや溶接部、塩分が溜まりやすい箇所で隙間腐食やピッティング腐食が発生しやすいです。長期間の海洋露出には防護塗装や陽極酸化処理、高耐食合金の選択を推奨し、異種金属接触によるガルバニック腐食への注意も必要です。
6xxx系は高強度の2xxx系、7xxx系に比べて応力腐食割れ（SCC）感受性が低いですが、過時効や未時効の微細組織、溶接周辺の引張残留応力によってリスクが増す場合があります。また、銅やステンレスのような貴金属とのガルバニック作用で局所腐食が促進されることがあるため、多相組み立てでは電気的絶縁や犠牲陽極の設置を検討すべきです。
加工性
溶接性
6201は一般的な溶融溶接法（TIG/GTAW、MIG/GMAW）で良好に溶接可能で、適切なフィラー合金（一般的に4043（Al-Si）または5356（Al-Mg）を用途に応じて使用）で接合します。溶接部及び熱影響部（HAZ）は析出物の溶解・粗大化による軟化が生じるため、設計段階で溶接部の強度低下を考慮し、溶接後熱処理や機械的設計により応力集中を避ける必要があります。
切削性
6201の切削性は中程度で、他の6xxx系と同様の特性を持ちます。軟質状態では連続した切りくずが形成され、ピーク時効状態では短く断片的な切りくずになります。旋盤・フライス加工には正ラジアスの超硬工具と十分な切削液が推奨され、切削速度・送りを最適化してビルドアップエッジの発生を防ぎます。加工歪み低減のため、応力除去処理が必要な場合もあります。
成形性
成形性はOおよびT4硬質状態で特に優れており、曲げ加工、深絞り、複雑な形状成形に適しています。スプリングバックは比較的低く、曲げ半径は一般的なアルミニウムの指針に従い（多くの加工で板厚の1〜2倍程度の最小内半径）、硬質状態や時効状態に応じた補正が必要です。固溶処理後の成形では、使用中の寸法変動を抑えるために時効や安定化処理が求められます。
熱処理特性
6201はAl-Mg-Si合金の標準的な熱処理サイクルに反応します。Mg2Siを固溶体として溶解するため、約520〜560 °Cで固溶処理を行い、急冷して過飽和固溶体を保持。その後、自然時効（T4）または人工時効（T5/T6）で微細なMg2Si析出物を形成し強度を発現します。時効条件は断面寸法や強度・靭性のバランスにより変わり、例えば160〜180 °Cで数時間程度の処理が一般的です。
T硬質状態の変移は時温条件により制御されます。未時効（過小時効）は靭性が高く降伏点は低め、ピーク時効（T6）は強度最大、過時効は強度低下するが靭性や応力腐食割れ耐性が向上します。T651（固溶処理後伸線矯正・人工時効）は残留応力低減と寸法安定性が必要な用途で多用されます。
熱処理しない製造工程では加工硬化により降伏強さが多少上昇しますが、6201の主な強化機構ではありません。完全焼きなまし（O）は最大の靭性を回復し、成形・引抜前に用いられます。
高温特性
6201の実用強度は、中程度の高温で析出物の粗大化や過飽和固溶体の緩和により低下し始めます。120〜150 °C以上で長期間使用するとピーク時効強度は大幅に減少するため、構造用途には推奨されません。100〜120 °C程度の短時間曝露では時効の進行が限定的なら特性への影響は小さいです。
高温酸化は保護的な酸化皮膜により抑制されますが、過酷な環境で長時間の高温曝露は表面化学組成を変え疲労寿命を低下させます。溶接部周辺の熱影響部は高温軟化に弱いため、温暖な使用環境下でのクリープや応力緩和に注意した設計が必要です。
用途例
| 産業 | 例示部品 | 6201が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 押出構造部材、トリムレール | 複雑形状向けに優れた押出性、強度、仕上げ性のバランスが良い |
| マリン | 非重要構造部材、継手類 | 十分な耐食性と陽極酸化による保護仕上げが可能 |
| 航空宇宙 | 二次内部継手、導電用バスバー | 適度な強度対重量比、疲労耐性、加工性に優れる（適正な処理前提） |
| 電気 | バスバー、導体、コネクタ形状材 | 純アルミより機械的強度が向上しつつ合理的な電気伝導性 |
| 建築 | 窓枠、カーテンウォール押出材 | 優れた表面仕上げ性、陽極酸化性、時効後の寸法安定性 |
6201は構造的性能と良好な表面仕上げ、複雑形状加工性を兼ね備えた押出形状材で最も多く採用されます。様々な硬質状態や後処理（陽極酸化、塗装）への適応性が高く、美観と機能性の両立が重要な用途に最適です。
選定のポイント
6201は熱処理可能なAl-Mg-Si合金で、押出性能、中程度から高強度、合理的な導電性のバランスを求める導体やバスバー用途に適しています。T5/T6硬質状態で必要な強度を達成できるため、極めて高強度合金の高コスト・加工難易度を回避した設計重視の押出材における中間的な選択肢として優秀です。
一般純アルミニウム（1100）と比較すると、6201は電気及び熱伝導率が低下する代わりに、より高い機械的強度と優れた寸法安定性を持ちます。強度が優先されるが、ある程度の導電性も必要とされる場合に6201を使用してください。加工硬化型合金の3003や5052と比較すると、6201は時効処理後により高い強度を示しますが、過酷な塩化物環境下での腐食抵抗性はやや劣ります。したがって、6201は構造用押出材として、常時海水にさらされる用途には適していません。一般的な熱処理合金である6061や6063と比較して、押出し性や導体用途の加工ウィンドウを重視する場合、または降伏挙動の制御と表面仕上げのバランスが求められる場合に6201が選ばれます。ただし、ピーク強度は同等か若干低めです。
まとめ
6201は押出し性能、熱処理強度、表面仕上げ性の実用的な妥協点を提供するため、構造用形材、導電部品、および機械的、熱的、耐食性のバランスが要求される建築用途において、現代のエンジニアリングにおいて依然として有用なアルミニウム合金です。