アルミニウム 6951：組成、特性、調質ガイド＆用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
総合概要
6951は6xxx系アルミニウム合金の一部であり、広くAl-Mg-Si合金として分類され、析出硬化による熱処理が可能です。6951は、適度な銅と管理された亜鉛およびクロム含有量を特徴とし、強度向上および時効特性の調整を行いながら、良好な耐食性を維持する6xxx系合金のサブグループに属します。
6951の主な合金元素は、Mg2Si強化相を形成するマグネシウムとシリコンであり、銅は強度向上と時効促進の役割を果たします。微量のクロム、チタン、および制御された鉄とマンガンの添加によって、靭性、熱影響部（HAZ）の挙動、疲労寿命に影響を与える結晶粒構造、再結晶、および分散析出物が制御されています。
主要な強化機構は析出硬化と限定的な加工硬化の組み合わせであり、固溶化処理後の人工時効によって細かいMg-Si（銅修飾）析出物が形成され、転位を固定します。特徴としては、標準的な6xxx系合金に比べて高い強度重量比、良好な一般耐食性、溶接性は合理的であるものの熱影響部の軟化リスクがあること、柔らかい調質における成形性が比較的良好であることが挙げられます。
6951を使用する代表的な産業は、航空宇宙のサブ構造および部品、防衛用ハードウェア、高性能自動車部品、および強度、耐食性、加工性のバランスが求められる一部の海洋構造部品です。エンジニアは、最高強度の7xxx系合金のコストや製造制約、陽極酸化処理の問題を避けつつ、より高い最大強度と有利な疲労寿命重量比が必要な場合に6951を選択します。
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 | 成形および絞り加工のため完全焼鈍 |
| H111 / H11 | 低～中 | 中～高 | 非常に良好 | 良好 | 軽度加工硬化、ある程度の成形性保持 |
| H14 | 中 | 中 | 良好 | 良好 | 単段階の加工硬化による降伏強化 |
| T4 | 中 | 中～高 | 良好 | 良好 | 固溶化後自然時効、特性は中間的 |
| T5 | 中～高 | 中 | やや劣る | 良好 | 成形後の冷却と人工時効 |
| T6 | 高 | 低～中 | 限定的 | 良好（熱影響部軟化あり） | 固溶化＋人工時効でピーク強度を付与 |
| T651 | 高 | 低～中 | 限定的 | 良好（熱影響部軟化あり） | T6に伸張応力除去を加えた調質、航空宇宙で一般的 |
| H24/H34 | 中～高 | 中 | やや劣る | 良好 | 加工＋人工時効による特性制御 |
6951における調質は強度・延性・成形性に第一義的な影響を与え、重加工や深絞りにはO及びH系列調質が用いられます。T6およびT651は最高の静的強度および疲労性能を提供しますが、成形性を低下させ、溶接時の熱入力に対する感受性が増します。
化学成分
| 元素 | 含有範囲（%） | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.4–1.0 | Mgと反応してMg2Si析出物を形成し強化をもたらす |
| Fe | 0.1–0.5 | 不純物であり、金属間化合物を形成。脆化を抑制するため制御される |
| Mn | 0.05–0.3 | 結晶粒構造調整剤であり、微量で靭性向上に寄与 |
| Mg | 0.6–1.3 | Mg2Si形成の主要強化元素で、時効硬化を制御 |
| Cu | 0.6–1.5 | 強度向上、時効促進および耐食性・熱影響部に影響 |
| Zn | 0.05–0.30 | 強度および時効応答微調整のための少量添加 |
| Cr | 0.05–0.35 | 再結晶、分散析出物形成および熱影響部安定性を制御 |
| Ti | 0.02–0.15 | 鋳造・押出成形時の結晶粒細化剤 |
| その他 | 残部（微量Zr、B含む） | 工程管理のための微量添加・不純物 |
6951の化学組成はMg-Si析出を促進するよう調整されており、Cuが強度と時効特性の修飾を担います。シリコンとマグネシウムの比率がMg2Si析出物の体積率および安定性を制御し、銅は析出物の形成順序や熱安定性を変化させ最大強度を高めます。クロムや微量元素は分散析出物を形成し粒成長を抑制、熱影響部や疲労特性を改善します。
機械的性質
6951の引張特性は熱処理可能なAl-Mg-Si-Cu系合金の特徴を示し、固溶化処理と人工時効後に細かい析出物の形成で強度が大幅に向上します。降伏強さと引張強さの比率は調質と処理によって異なり、ピークエイジング条件では比較的高い降伏強さと適度な伸びを示します。焼鈍状態では成形のための伸びが高いですが、T6/T651調質では局部的な絞り込み（ネックイング）により伸びが大幅に低下します。
硬さは引張強さと同じ傾向を示し、調質確認の現場での指標として有用です。OからT6で硬さが約2～3倍に上昇します。疲労性能は細かく均一に分布した析出物と制御された微細組織により向上し、表面仕上げ、残留応力、板厚が疲労限界に大きく影響します。板厚の影響は顕著であり、断面が厚くなると析出物が粗大化し冷却速度が遅くなるため最大強度が低下し、熱影響部軟化の挙動も変わります。
| 特性 | O/焼鈍 | 主要調質（例：T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 110–180 MPa | 320–420 MPa | 板厚、時効、化学組成により幅がある |
| 降伏強さ | 55–110 MPa | 280–380 MPa | 人工時効で降伏強さが著しく上昇 |
| 伸び | 18–30% | 8–15% | ピークエイジングで延性が低下。板厚も影響 |
| 硬さ | 25–50 HB | 90–140 HB | 析出物の密度・分布に相関 |
物理的特性
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.78 g/cm³ | Al-Mg-Si系合金として典型的 |
| 融点範囲 | 555–640 °C | 固相線から液相線までのおおよその範囲 |
| 熱伝導率 | 約140–160 W/m·K | 純アルミニウムよりやや低い、合金の影響 |
| 電気伝導率 | 約30–38 %IACS | 純アルミより低く、調質に依存 |
| 比熱 | 約880–910 J/kg·K | 純アルミニウムに近い値 |
| 熱膨張係数 | 約23.5–24.5 µm/m·K | アルミニウム合金として標準的な線膨張係数 |
これらの物理特性により、6951は軽量化と熱管理が要求される用途に適しますが、強度向上のため合金化されているため熱伝導率は犠牲になっています。異種材料との組み合わせでは熱膨張係数や熱伝導率の不一致が熱疲労や接合部応力の原因となるため考慮が必要です。
製品形態
| 形態 | 代表的な厚さ・サイズ | 強度傾向 | 一般的な調質 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 板材（シート） | 0.4–6.0 mm | 厚みが増すとわずかに強度低下 | O、H14、T4、T6 | 成形用パネルや外板として使用 |
| 厚板（プレート） | 6 mm以上〜100 mmまで | 冷却感度が低く、薄板よりピーク強度は低い | O、T6 | 構造部材や機械基台に使用 |
| 押出材 | 数メートルの長さのプロファイル | T6/T651調質後に良好な強度を発揮 | T5、T6、T651 | 複雑な形状の継手やレールに使用 |
| チューブ | さまざまな直径・板厚 | 溶接・無縫製品あり。加工方法で特性が変化 | Hx、T5、T6 | 流体配管、構造用パイプ |
| 丸棒・バー | 直径最大200 mmまで | 均一な特性のため均質化処理が必要 | O、T6 | 継手や機械加工部品 |
形状と加工方法が冷却速度や再結晶挙動を制御し、6951の最終的な強度や靭性に影響を与えます。押出材や薄板は急冷が可能でピーク調質に達しやすい一方、厚板は工程管理が難しく、熱機械的処理も必要となる場合があります。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | 6951 | USA | 製造者・製品資料で使用される呼称 |
| EN AW | 直接の同等品なし | ヨーロッパ | 用途に応じてEN AW-6061またはEN AW-6082が最も近い一般的代替品 |
| JIS | 直接の同等品なし | 日本 | 6951に直接対応する単一の標準化されたJISグレードはなし |
| GB/T | 直接の同等品なし | 中国 | 類似組成の現地合金が指定される場合あり。データの確認が必要 |
6951のような多くの独自変種には単一の国際的な呼称で常に正確なクロスリファレンスは存在しません。使用時には名目上の同等性に依存するのではなく、化学成分や物性データを確認すべきです。実際には設計比較のために6061や6082が機能的な類似品として用いられることも多いですが、6951の銅含有量や時効応答によりピーク強度やHAZ感受性は異なります。
耐食性
大気環境下では、6951は他の6xxx系と同等の堅実な一般耐食性を示します。これは安定した酸化膜の形成と、2xxx系や7xxx系に比べ抑えられた銅含有量によるものです。局所的耐食性も良好ですが、熱処理や表面仕上げに依存します。銅を含むピーク時効状態では、低銅合金と比べて孔食抵抗が低下することがあります。
海洋環境では注意が必要です。6951は沖合や波しぶき帯域での性能は許容範囲ですが、攻撃的な海水に長期間浸漬する場合は塗装、アルマイト処理、犠牲防食などの保護が必要となる場合があります。応力腐食割れ感受性は中程度で、鋭敏さは時効状態や残留応力によって左右されます。ピーク時効状態かつ引張残留応力があると、固溶処理や応力除去状態よりも脆弱です。
ガルバニック相互作用は標準的なアルミニウムの挙動に従います。ステンレス鋼や銅・真鍮などより貴な金属と接触すると、6951が優先的に腐食します。ただし電気的に絶縁すれば防げます。アルマイト処理により表面耐食性が向上し、ガルバニックカップリングの影響を抑えられます。5xxx系のマグネシウム強化合金と比べ、6951は強度や時効性を優先するため若干海洋耐性は低いですが、より高い強度を得られます。
加工性
溶接性
TIGやMIGなどの一般的な溶融溶接で6951を溶接することは可能ですが、強化析出物の溶解や粗大化によりHAZの軟化が見られます。接合部の強度に応じた適合補強材（例：4043、5356）を選定し、溶接前後の熱処理を適切に行うことで強度低下をある程度抑制できます。熱割れのリスクは中程度で、接合設計、溶接速度、清浄度に依存します。正確な合わせと溶融プールの成分管理が重要です。
切削加工性
6951の切削加工性は時効性のAl-Mg-Si合金で一般的な特性を示し、硬度が高いT6/T651状態でチップ形成が安定するため良好です。ポジティブラケットの超硬工具と十分な冷却剤使用でサイクルタイムを最適化できます。切削速度は鋼材と比較して高めに設定可能ですが、ビルトアップエッジを避けるために注意が必要です。仕上げ面の品質と寸法精度は優れているものの、切削による残留応力が疲労を受けやすい部品に影響する可能性があるため、加工計画や応力除去処理を検討すべきです。
成形性
O、H1x、T4などの軟らかい状態では絞り加工性や曲げ半径耐性が優れ、成形は容易です。硬化が進むH2x、H14になると成形性は低下しますが反発のコントロール性は向上します。T6/T651状態では冷間成形性は制限され、急曲げ部で割れが生じやすいです。溶体化処理と再時効、または温間成形を活用することで複雑形状を割れを抑えて実現可能です。重要な形状については推奨最小曲げ半径や成形許容差を試験で確認してください。
熱処理挙動
30数年培われた慣習に則った熱処理が可能な合金であり、6951は従来の溶体化処理と人工時効に反応します。溶体化処理温度はMg2Siや銅含有相の溶解を促すため、一般的な6xxx系設計では510～540°C程度が多いです。その後急冷して超飽和固溶体を保持します。急冷速度は析出形成に利用できる固溶中の溶質量を最大化するために重要なパラメーターです。
人工時効（T5/T6）では細かなMg-Si（および銅含有）相が析出し、銅修飾により時効速度は速くピーク強度は高くなりますが、過時効や熱安定性のコントロールが必要で性質低下を防ぎます。T処理状態の遷移は一定範囲内で可逆的であり、部材は溶体化処理後にT6時効、もしくは部分的に冷間加工してH2x/H3x状態への時効を行い耐力と靭性の最適化が可能です。熱処理不能の加工経路では、累積的な加工硬化と焼なましを併用して性能調整します。
高温性能
6951は通常の使用温度を超えると降伏強さおよび引張強さが徐々に低下します。150°Cを超えるあたりから著しい強度低下が見られ、析出相の粗大化や溶解が進むためです。中程度の加熱温度では安定したアルミナ層により空気中の酸化は軽微ですが、長期の熱曝露によって析出相構造が変化し疲労強度と静的強度の低下を招きます。
溶接熱影響部は特に高温局所領域で軟化しやすく、析出相の溶解・過時効によるものです。低熱入力設計や溶接後の時効処理、局所的熱処理を行うことで元の強度のかなりの部分が回復可能です。高温下での連続使用では、クリープ要件を踏まえたうえで高温用アルミ合金や非アルミ材料の検討が推奨されます。
用途例
| 産業分野 | 代表部品例 | 6951が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | 構造用補強部材、シャーシブラケット | 高い比強度と優れた疲労耐久性 |
| 海洋 | 補剛材および構造用サブフレーム | 耐食性と強度のバランスに優れる |
| 航空宇宙 | フィッティング、小規模構造部材 | 重量対強度比の良さとT651時のHAZ制御性 |
| 防衛 | 武器架台および硬化ケース | 高静的強度と良好な切削加工性 |
| 電子機器 | 筐体および放熱体 | 良好な熱伝導性と切削加工性 |
6951は、より重くまたは耐食性の低いシリーズに移行せずに、高強度の6xxx系合金を必要とする用途に選ばれます。切削加工性や形状の多様性に優れ、設計者は高いピーク強度で複雑な部品を仕様化しつつ、受容可能な耐食性能を維持可能です。
選定のポイント
標準的な6xxx系よりも高いピーク強度を必要としつつ、合理的な耐食性と良好な切削加工性を維持したい場合に6951を使用してください。中～高強度部品で疲労寿命が設計上の重要因子であり、T6/T651の時効状態が許容される場合に実用的な選択肢です。
商用純アルミ（例：1100）と比べると、6951は電気・熱伝導性と優れた成形性を犠牲にして、著しい強度増強と疲労耐性向上を実現します。3003や5052のような加工硬化合金と比較すると、6951ははるかに高い降伏・引張強さを示しますが、海洋腐食耐性はやや低下し冷間成形性も劣ります。6061、6063など一般的な時効性合金と比べて、6951は強度、時効応答、疲労性能のバランスに若干の差異が求められる場合に優先されることがあります。ただし、最高特性を示す7xxx系や特殊な2xxx系よりピーク強度が常に高いわけではありません。
まとめ
6951は、析出硬化による強度、疲労性能、適度な耐食性のバランスが求められる現代のエンジニアリングにおいて意義のある合金です。板材、プレート、押出材を含む幅広い形態に対応可能で、安定した切削加工性を備えているため、航空宇宙、防衛、高性能自動車分野における、最適な強度対重量比が重要な用途で有力な候補となります。