アルミニウム A6061：組成、特性、硬さ規格および用途ガイド
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総合概要
6061は6xxx系の加工用アルミニウム合金に属し、主な合金元素としてマグネシウムとシリコンを含みます。溶体化処理、急冷、人工時効を経て析出硬化（Mg2Si）によって強度を得る熱処理可能な合金です。
代表的な特性としては、中〜高程度の強度、幅広い環境での優れた耐食性、良好な溶接性、軟質の状態では合理的な成形性の組み合わせが挙げられます。これらの特性のバランスにより、6061は構造部品、輸送機器や車両のフレーム、汎用航空宇宙用継手、海洋機器、計測機器の筐体などに適しています。
エンジニアは、強度、機械加工性、溶接性、耐食性のバランスが求められ、より高い強度の7xxx系合金の高コストや加工の複雑さを避けたい場合に6061を選択します。構造的な荷重能力が必要な場合はより軟らかい1xxx系や3xxx系合金よりも6061が選ばれ、耐食性や溶接性を重視する場合は2xxx系合金に対して優位性があります。
調質の種類
| 調質 | 強度レベル | 伸び | 成形性 | 溶接性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| O | 低 | 高 | 優秀 | 優秀 | 完全アニーリング、最大限の延性で成形向き |
| H14 | 低〜中 | 中 | 良好 | 優秀 | 加工硬化、加工硬化後の成形は限定的 |
| H32 | 中 | 中 | 良好 | 優秀 | 加工硬化かつ安定化されており一定の成形性を保持 |
| T5 | 中〜高 | 中 | 普通 | 優秀 | 熱間加工後に冷却して人工時効した状態 |
| T6 | 高 | 低〜中 | 普通 | 非常に良好 | 溶体化処理後に人工時効、一般的な構造用調質 |
| T651 | 高 | 低〜中 | 普通 | 非常に良好 | T6に加えて伸張または圧縮の応力除去を実施 |
| T4 | 中 | 良好 | 良好 | 優秀 | 溶体化処理後に自然時効、後加工時の時効硬化が必要な場合に使用 |
調質の選択は強度と延性のトレードオフを制御し、OおよびT4調質は成形加工を多用する場合に優先され、T5/T6/T651は高い降伏強さ・引張強さが要求される構造用途に選ばれます。自然時効（T4）および人工時効（T5/T6）により細かく分散したMg2Siが析出し、強度が向上する一方で延性は低下し、疲労挙動や硬さも変化します。
溶接後の熱影響部（HAZ）での調質別軟化挙動の理解は設計に不可欠です。T6などの調質は局所的な強度低下を伴うHAZ軟化を示す一方で、OやT4は工程の制約が許せば溶接後に人工時効を実施することで強度を回復可能です。
化学成分
| 元素 | 含有範囲 (%) | 備考 |
|---|---|---|
| Si | 0.40–0.80 | シリコンはマグネシウムと結合してMg2Siの析出相を形成し強化に寄与 |
| Fe | 0.00–0.70 | 鉄は不純物であり、金属間化合物を形成し延性や耐食性を低下させる |
| Mn | 0.00–0.15 | マンガンは結晶粒を微細化し、若干の強度向上に寄与 |
| Mg | 0.80–1.20 | 主要な強化元素で、SiとMg2Siを形成し時効硬化特性を制御 |
| Cu | 0.15–0.40 | 銅は強度と時効硬化応答を高めるが、耐食性を低下させる可能性あり |
| Zn | 0.00–0.25 | 亜鉛は微量の不純物で、含有量が多いと強度や耐食性に影響を与える |
| Cr | 0.04–0.35 | クロムは結晶粒成長を抑制し、靭性や応力腐食割れ抵抗を改善 |
| Ti | 0.00–0.15 | チタンは鋳造や一次加工時の結晶粒微細化に用いられる |
| その他（各々） | ≤0.05 | バナジウム、ジルコニウムなどの微量元素および残留物。バランスはAl |
マグネシウムとシリコンの含有量はMg2Siによる析出硬化の可能性を左右し、両者の比率と分布が時効硬化の速度と程度を制御します。微量添加元素や残留元素は結晶粒サイズ、再結晶挙動、靭性、金属間化合物生成のリスクに影響を及ぼすため、機械的性質と耐食性の安定性のためには厳密な成分管理が必要です。
機械的性質
6061の引張特性は調質の影響を強く受けます。溶体化処理および人工時効状態（T6）では高い降伏強さと引張強さを持ち、適度な延性を確保することで、予測可能な弾性および塑性挙動が要求される構造用途に適します。疲労性能は一般的な合金として妥当ですが、表面仕上げ、応力集中、調質状態によって大きく左右されます。
降伏強さおよび引張強さはO/T4からT6へ向けて大幅に向上し、伸びと靭性はそれに伴い低下します。硬さも同様の傾向で、T6ではOの状態に比べてブリネル硬さやロックウェル硬さが著しく高くなります。板厚は焼入れの冷却速度に影響するため、厚板では急冷が困難であり、時効硬さのピークが低下することがあります。
| 特性 | O（アニーリング） | 代表的調質（T6/T651） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強さ | 90–160 MPa | 275–350 MPa | T6は約310 MPaが典型値。製品形状や厚さで変動 |
| 降伏強さ | 35–100 MPa | 240–300 MPa | T6は約275 MPa。降伏点は0.2%オフセットで定義 |
| 伸び | 18–25% | 8–12% | 強度向上に伴い延性が低下 |
| 硬さ（ブリネル） | 35–60 HB | 80–110 HB | 硬さは析出状態に連動し、T6は大幅に硬い |
機械的性質の値は製品形状、加工履歴、試験方向によって変動します。重要構造部材の設計においては、圧延や押出に起因する異方性、溶接熱影響部の軟化による局所的強度低下、不完全な溶体化や急冷遅れによる厚板の強度低下などを考慮する必要があります。
物理的性質
| 特性 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| 密度 | 2.70 g/cm³ | 加工用アルミ合金として標準的。質量や剛性計算に使用 |
| 融点範囲（固相線–液相線） | 約582–652 °C | 合金の局所成分や金属間化合物の含有量に依存 |
| 熱伝導率 | 約150 W/m·K | 純アルミより低いが放熱用途としては十分高い |
| 電気伝導率 | 約30–45 % IACS | 合金化により低下。IACSは純銅の伝導率に対する割合 |
| 比熱 | 約900 J/kg·K | 室温付近のアルミ合金の典型値 |
| 熱膨張係数 | 約23.5 ×10⁻⁶ /K | 鋼に比べて高く、熱ひずみ計算に重要 |
6061は多くの放熱用途に適した良好な熱伝導率を持ちつつ、低密度で軽量設計に有利です。熱膨張係数が比較的大きく、電気伝導率が中程度であるため、異種材料との接合や熱管理システム設計時には考慮が必要です。温度サイクル環境での弾性率や降伏強さの温度依存変化も材料選定時に留意すべきポイントです。
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 |
|---|---|---|---|---|
| シート | 0.2 mm ～ 6 mm | エージング後の薄板において良好な強度 | O, T4, T6 | パネルや筐体、成形部品に広く使用される |
| プレート | 6 mm ～ 200 mm | 板厚が熱処理の影響を左右する | O, T6（限定された厚さまで） | 厚板は焼入れ感度により達成可能な強度が低下する場合が多い |
| 押出材 | 複雑な断面形状、長さは数メートルに及ぶ | 押出方向に沿った良好な方向性強度 | T5, T6, T651 | 複雑な断面形状が可能だが物性に異方性がある |
| チューブ | 直径 数mm ～ 300+ mm | 同等断面と同様の強度 | O, T6 | シームレスおよび溶接チューブは構造用および油圧用途に使用される |
| バー／ロッド | 直径および断面形状各種 | エージング硬化で高い縦強度を発揮 | T6, T651 | 機械加工部品やシャフトに一般的 |
シートと押出材は設計要件に応じて容易に成形および熱処理が可能であり、特に長尺の直線部品で一体成型された特徴を持つ押出断面は有用です。プレートや大断面部品は均一な物性を得るために熱処理や焼入れの工夫が必要です。機械加工特性および最終的な機械的性質は形状と調質に強く依存するため、設計仕様には両者を明確に示すことが重要です。
同等グレード
| 規格 | グレード | 地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| AA | A6061 | USA | 北米で一般的に使用されるAluminum Association指定 |
| EN AW | 6061 | ヨーロッパ | EN規格下でEN AW-6061（AlMg1SiCu）として表記されることが多い |
| JIS | A6061 | 日本 | 日本工業規格の指定。化学組成は類似しているが、試験基準が異なる |
| GB/T | 6061 | 中国 | 中国規格では6061合金を類似の成分範囲で規定している |
化学成分は大まかに一致していますが、不純物許容値、機械的性質の公差、受け入れられる調質や試験方法は異なる場合があります。調達や仕様記述には、合金記号と該当規格（ASTM、EN、JIS、GB/Tなど）の両方を明記し、機械試験要求、寸法公差、認証要件の整合性を確保してください。表面仕上げ、結晶粒制御、保証靭性の差異が地域規格間にわずかに存在することがあります。
耐食性
6061はアルミニウム酸化皮膜の形成により、大気中で一般的に良好な耐食性を示し、多くの環境で均一腐食速度を抑制します。塩素イオンを含む環境では局所腐食（ピッティング）が発生する可能性がありますが、適切な犠牲設計やコーティングを用いた場合、中程度の海洋暴露では競争力のある性能です。
厳しいまたは長期の海水浸漬環境では、5xxx系（Al-Mg）合金が裸材条件での局所腐食に対してより強固なバリアを持つため一般的に6061を上回ります。一方で6061はアルマイト処理や防護コーティングにより著しく耐用年数を延ばすことが可能です。応力腐食割れ（SCC）の感受性は調質で変化し、ピークエージング（T6）調質でSCC感受性が高く、溶接または成形による残留応力がSCCリスクを増大させることがあります。
異種金属接触によるガルバニック反応は、絶縁処置や適合性の高い犠牲材の選択で管理すべきで、より貴な金属と接合した場合、6061は陽極となり優先的に腐食します。2xxx系合金と比較すると6061は耐食性と溶接性に優れ、5xxx系と比べると耐食性を若干犠牲にして強度向上と熱処理特性を獲得しています。
加工性
溶接性
6061はGMAW（MIG）やGTAW（TIG）など一般的な溶接法で良好に溶接可能です。溶接金属には強度や耐食性に応じて4043（Al-Si）や5356（Al-Mg）などのフィラー合金が用いられます。熱入力の制御が不可欠で、熱影響部（HAZ）の軟化を抑制します。T6材は溶接後にHAZで強度低下を示すため、場合によっては溶接後熱処理（PWHT）や局所的な再エージングが強度回復に有効ですが、溶接歪みや寸法管理も注意が必要です。
切削加工性
6061はアルミニウム合金中で良好から非常に良好な切削性を持ち、多くの鋼材より速く加工可能で、適切な工具形状では良好な切りくず形成を示します。 carbideや高速度鋼工具が標準的に使用され、適度な切削速度と高送り速度、切りくず排出の確保が組み合わされます。表面仕上げや工具寿命は調質と熱処理状態に左右され、T6調質は析出硬化相の影響でO調質より若干研磨作用が強くなります。
成形性
成形性はアニーリングまたはT4調質で最も良く、冷間成形や複雑な加工に適しています。曲げ半径は調質と板厚に応じて選択し、T6シートでは割れ防止のため最小曲げ半径は大きく、OやT4調質はより小さい半径で対応可能です。冷間加工は加工硬化により強度を増加させますが、エージング硬化調質ではスプリングバックが大きく延性低下も伴うため、金型設計や成形順序で補正が必要です。
熱処理挙動
6061の溶体化処理は通常約520〜550 °Cで行い、可溶性相を溶解し過飽和固溶体を生成します。溶体温度からの急冷（溶水冷却または制御冷却）が必要で、これにより析出物の固溶保持と後のエージング強化が可能となります。板厚が厚くなるほど焼入れ感度は増加します。
T6調質用の人工時効は通常160～190 °Cで6～18時間程度実施し、板厚や目標機械的性質により時間は変動します。Mg2Siの微細析出により大部分の強度向上が得られます。T5調質は溶体化処理なしで高温から冷却後に人工時効のみ実施、T4は溶体化処理後に室温で自然時効します。T651は残留応力軽減のためストレッチング処理を加えたT6調質です。
熱処理不可の合金は加工硬化やアニーリング挙動が主な強化機構ですが、6061では熱処理が主力の強化手段です。サービス中の局所的な過時効や不適切な熱暴露は機械的性質を大幅に低下させ得るため、可能な場合は再溶体化と再時効が推奨されます。
高温性能
6061は中程度の高温まで機械的性質を維持しますが、約150 °C以上では強度低下が顕著になります。長期の高温使用は時効過進行や析出物粗大化を促進し、降伏強さや疲労強度を低減させます。
高温での酸化は安定したアルミニウム酸化物皮膜で抑制されますが、繰り返し熱サイクル環境では寸法安定性や機械的健全性が劣化する可能性があります。120～150 °C以上での摂氏継続使用が求められる用途では、通常6061よりも耐熱専用のアルミ合金や高温金属が選択されます。
用途例
| 産業 | 代表部品 | A6061が使用される理由 |
|---|---|---|
| 自動車 | シャーシ部品、ブラケット | 優れた強度対重量比と溶接性 |
| 海洋 | 構造用金具、手すり | 耐食性と容易な加工性 |
| 航空宇宙 | 金具、バルクヘッド、チューブ | 強度、切削性、軽量化のバランス |
| 電子機器 | 放熱器、筐体 | 熱伝導性と切削加工性 |
| レクリエーション用品 | 自転車フレーム、キャンプ用品 | 剛性・強度・製造性のバランス |
6061は製品形状の多様性、熱処理後の予測可能な性能、広い供給範囲により、多くの汎用構造用途で標準選択肢となっています。複雑な機械加工や溶接、強度と耐食性の組み合わせが求められる部品において、バランスの取れた機械的および物理的特性が活かされます。
選定のポイント
溶接性、切削性、耐食性の優れた熱処理可能な合金が必要な構造用として6061を選択してください。商業純度アルミ（1100）や多くの加工硬化合金より高強度であり、Al-Cu系（2xxx）高強度合金より溶接性が良く耐食性が優れている中間的位置付けの合金です。
1100と比較すると、6061は電気伝導率がやや劣る代わりに、はるかに高い強度と剛性を持ち、優れた成形性を兼ね備えているため、構造用用途により適しています。3003や5052のような加工硬化合金と比較すると、6061は時効処理後のピーク強度が高い一方で、一部の塩化物を含む環境下での耐食性はやや劣ります。6063と比較すると、6063は押出し加工性と仕上げの美観に最適化されていますが、6061はより高い構造強度を提供し、機械的性能が主な要件で表面仕上げがそれほど重要でない場合に好まれます。
まとめ
6061は、強度、耐食性、成形性、コストの実用的なバランスを提供し、多様な製品形態および状態で広く入手可能なため、広く使用されるエンジニアリングアルミニウムとしての地位を維持しています。その予測可能な熱処理特性と優れた加工適性により、信頼性の高い構造性能と製造性が求められる多くの産業で今後も重要な材料であり続けます。