ألمنيوم 6013: التركيب، الخواص، دليل المعالجة والدرجات، والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 6013 هي عضو في سلسلة سبائك الألمنيوم 6xxx، التي تعتمد أساسًا على Al-Mg-Si مع إضافات تعزز التقسية النُضجية (precipitation hardening). تحتوي على السيليكون والمغنيسيوم كمكونات رئيسية للتقسية النُضجية، مع إضافات كبيرة من النحاس والمنغنيز مقارنةً بالسبائك الشائعة من سلسلة 6xxx، مما يضبط متانتها وصلابتها واستجابتها للمعالجة الحرارية.

سبائك 6013 قابلة للمعالجة بالحرارة، وآلية التقوية الأساسية فيها هي التقسية النُضجية من خلال ترسيبات Mg2Si والمراحل المحتوية على النحاس التي تعزز قوة الذروة وتعدل المتانة. كما تساهم التوزيعات المتحكمة للمنتشرات الثانوية (Mn/Cr/Ti) في تنقية هيكل الحبيبات وتحسين مقاومة التشوه وبدء الكسر.

السمات الرئيسية لـ 6013 تشمل قوة نوعية أعلى مقارنةً بسبائك سلسلة 6000 الأساسية، ومقاومة جيدة للصدأ العامة النموذجية لمواد Al-Mg-Si، وقابلية لحام مقبولة عند استخدام الطرق والحشوات المناسبة. توفر توازنًا بين القابلية للتشكيل والقوة يناسب التطبيقات الهيكلية في السيارات، وهياكل الطائرات الثانوية، والتطبيقات الصناعية الدقيقة التي تتطلب نسبة قوة إلى وزن مرتفعة وتحمل الأضرار.

يتم اختيار 6013 على السبائك الأخرى عندما يحتاج المصممون إلى قوة ذروة وأداء إجهاد أفضل مقارنة بـ6061 مع الحفاظ على قابلية تشكيل ومقاومة للصدأ مقبولة. غالبًا ما يتم تفضيلها حيث تتطلب المكونات تقسية نُضجية إلى مقاومة خضوع وقوة شد أعلى دون الانتقال إلى سبائك السلسلة 7xxx الأعلى تكلفة والتي تعاني من مقاومة تآكل أقل وقابلية لحام أضعف.

أنواع المعالجة الحرارية (Temper)

النوع	مستوى القوة	التطويل	القابلية للتشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع	ممتاز	ممتاز	مخمرة بالكامل، أعلى دكتيلية للتشكيل
T4	متوسط	متوسط-مرتفع	جيدة	جيدة	معالجة حرارية بالذوبان وشيخوخة طبيعية
T5	متوسط-مرتفع	متوسط	مقبولة-جيدة	جيدة	تبريد من درجة حرارة مرتفعة وشيخوخة مصطنعة
T6	عالية	متوسط-منخفض	مقبولة	جيدة	معالجة حرارية بالذوبان وشيخوخة مصطنعة للقوة القصوى
T651	عالية	متوسط-منخفض	مقبولة	جيدة	T6 مع تخفيف الإجهاد بواسطة الشد، تقليل الإجهادات المتبقية
H14	متوسطة	متوسطة	جيدة	جيدة	تمدد شد بسيط، يستخدم للأجزاء التي تحتاج قوة متوسطة

اختيار النوع له تأثير مباشر ومتوقع على الأداء الميكانيكي؛ أنواع O وT4 تفضل عمليات التشكيل، في حين توفر T6 وT651 قوة ذروة للأجزاء الحاملة للأحمال الهيكلية. توفر T5 وH14 حلول وسطى حيث يلزم زيادة جزئية في القوة دون الحاجة إلى دورات معالجة حرارية كاملة.

تؤثر عمليات المعالجة الحرارية والتلطيف اللاحقة أيضًا على machinability وسلوك الإجهاد المتكرر، حيث يؤدي الشيخوخة الزائدة أو المعالجة غير الصحيحة إلى تقليل مقاومة الخضوع وظهور تباينات في التركيب المجهري. تحديد النوع بدقة (بما في ذلك تخفيف الإجهاد مثل T651) ضروري للتحكم في التشوه، خاصةً في التركيبات الجوية المعالجة ميكانيكيًا.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة %	ملاحظات
Si	0.4–0.8	يمكن من ترسيب Mg2Si؛ يتحكم في القوة وسلوك البثق
Fe	≤0.7	عنصر شوائب؛ التركيز العالي يشكل مركبات بينية قد تؤثر على المتانة
Mn	0.3–0.8	تحسين هيكل الحبيبات والقوة والمتانة عبر المنتشرات
Mg	0.8–1.2	العنصر الرئيسي للترسيب مع Si (Mg2Si) لتقسية النضج
Cu	0.6–1.6	يزيد القوة واستجابة التقسية؛ يؤثر على مقاومة التآكل والتصدع الجلفاني
Zn	≤0.2	عنصر ثانوي؛ تأثير محدود عند مستويات منخفضة
Cr	0.04–0.35	يتحكم في بنية الحبيبات وإعادة التبلور، ويحسن المتانة
Ti	≤0.15	مكرر حبيبات للمنتجات المصبوبة والمصنعة
أخرى (لكل منها)	≤0.05	عناصر أثرية وبقايا بتأثير محدود عند مستويات منخفضة

مصفوفة السبائك في 6013 مهيأة لتعزيز التقسية النُضجية (Mg + Si)، بينما تؤدي إضافات النحاس إلى تعديل كيمياء الرواسب لتحقيق قوة ذروة أعلى وسرعة نضح معدلة. تشكل عناصر مثل Mn وCr منتشرات وجزيئات بينية تثبت هيكل الحبيبات أثناء المعالجة وتحسن مقاومة التشوه الموضعية والكسر.

التحكم في مستويات Fe وZn مهم لمنع تكوين مركبات بينية خشنة زائدة قد تشكل مواقع بدء تشققات الإجهاد وتقلل من جودة سطح الألواح. تؤدي التركيبة الكيميائية المتكاملة إلى سبيكة توازن بين استجابة التقسية، سهولة التشغيل، ومقاومة الصدأ المقبولة للعديد من التطبيقات الهيكلية.

الخواص الميكانيكية

يعتمد سلوك الشد لـ6013 بشكل قوي على النوع وسمك القطعة؛ تزداد قوة الشد بشكل كبير من الحالة المخمرة إلى حالة النضج القمي بسبب توزيع الرواسب الدقيقة. مقاومة الخضوع في أنواع T6/T651 أعلى بكثير مقارنة بالحالة المخمرة، مما يتيح تصنيع مقاطع أرق مع الحفاظ على القدرة على تحمل الأحمال، لكن الدكتيلية تنخفض بالمقابل.

التطويل في الأنواع O أو T4 مرتفع بما يكفي لمعظم عمليات التشكيل، بينما تظهر الأنواع الناضجة (T6) عادة تطويلًا منخفضًا لكن مع تحسين في مقاومة الإجهاد المتكرر للاستخدام الهيكلي الدوري. تتبع الصلادة تغييرات القوة، حيث ترتفع صلادة برينل أو فيكرز مع تقدم السبائك للنضج القمي. يستفيد أداء الإجهاد المتكرر من مزيج من الرواسب دقيقة الحجم وتوزيع الجسيمات المتحكم به؛ كما تلعب جودة التشغيل والتشطيب السطحي دورًا مهمًا في عمر الإجهاد.

تؤثر السماكة وشكل المنتج على الخواص المتاحة بسبب اختلاف معدل التبريد والشيخوخة الطبيعية؛ حيث تحقق القطع الرقيقة خصائص أكثر تجانسًا وسرعة في الشيخوخة الطبيعية، بينما قد تتطلب القطع السميكة معالجة حرارية مخصصة لضمان الذوبان والشيخوخة المتجانسة.

الخاصية	حالة O/مخمرة	نوع رئيسي (T6/T651)	ملاحظات
قوة الشد	120–180 MPa	330–380 MPa	قيم T6 تختلف مع سمك المقطع ودورة الشيخوخة
مقاومة الخضوع	40–90 MPa	300–340 MPa	مقاومة خضوع T6 يمكن أن تصل لأكثر من 300 MPa في الألواح والبثق النموذجية
التطويل	20–30%	8–14%	الدكتيلية تنخفض مع زيادة القوة؛ تعتمد على شكل المنتج
الصلادة (HB)	30–60 HB	95–130 HB	الصلادة مرتبطة بحالة الترسيب وتقوية العمل

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 جرام/سم³	قيمة نموذجية لسبائك الألمنيوم المصروفة؛ تساهم في نسبة قوة إلى وزن جيدة
درجة الانصهار	~555–650 °C	مدى الصلبة والسائلة يعتمد على تركيزات السبائك المحلية
الموصلية الحرارية	~150–170 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي بسبب الذواب والرواسب؛ جيدة لتوزيع الحرارة
الموصلية الكهربائية	~30–45 % IACS	منخفضة مقارنة بالألمنيوم النقي؛ تختلف حسب النوع والسبائك
الحرارة النوعية	~900 J/kg·K	قيمة نموذجية لسبائك الألمنيوم عند درجة حرارة الغرفة
التمدد الحراري	~23–24 µm/m·K	مماثل للسبائك الأخرى؛ مهم لتصميمات التوصيل واللحام الحراري

تحدد الخواص الفيزيائية لـ6013 كونه معدن هيكلي خفيف الوزن مع نقل حراري جيد مقارنة بالعديد من السبائك المستخدمة في التطبيقات الهيكلية. يجب أخذ الموصلية الحرارية والتمدد في الاعتبار في تصميمات المبادلات الحرارية والتجميعات الملتحمة حيث تحدث تمددات مختلفة أو تسخين موضعي.

الموصلية الكهربائية متوسطة وتنخفض بعد التقسية النضجية؛ لذلك لا تُعد 6013 الخيار الأول عندما تكون الموصلية الكهربائية العالية مطلوبة، إلا أنها تظل مناسبة للمكونات الهيكلية ذات الوظائف الحرارية/الكهربائية الثانوية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التحاليل الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6 مم	منتظمة في السماكات الرفيعة؛ تعتيق طبيعي سريع	O, T4, T5, T6, T651	مستخدمة على نطاق واسع للألواح الخارجية للسيارات والألواح الهيكلية
صفائح	>6 مم حتى 100 مم	قد يكون لها قوة تحقيق أقل قليلاً بسبب التبريد	O, T4, T6	الصفائح السميكة تتطلب معالجة محلول منظمة لتحقيق التماثل
بثق	مقاطع عرضية 5–200 مم	خصائص جيدة عبر السماكة عند المعالجة الحرارية الصحيحة	T5, T6, T651	بروفيلات للأطر الهيكلية والمقويات
أنابيب	قطر خارجي 10–200 مم	الأداء يعتمد على سماكة الجدار والمعالجة الحرارية بعد التشكيل	O, T6	تستخدم لأنابيب هيكلية وعناصر الشاسی
قضبان/أعمدة	قطر 5–100 مم	قابلية تشغيل جيدة في حالات نصف صلبة ومحلول معالجة	O, T6	شائعة للتجهيزات، السحابات، والمكونات المجهزة

الأشكال الألواح والبثق هي الأكثر شيوعًا لـ 6013 لأن هذه الأشكال تعظم ميزة نسبة القوة إلى الوزن وتسمح بمعالجة حرارية فعالة. الصفائح والمكونات ذات القسم السميك تحتاج إلى تحكم دقيق في العملية لتجنب المناطق المحتفظ بها من الإيوتكتك أو غير المحلولة التي تضعف الخواص الميكانيكية.

يمكن إنتاج البثق والأنابيب بمقاطع عرضية معقدة نسبيًا بسبب خصائص التدفق الجيدة للسبيكة في العمل الساخن، لكن الخواص الميكانيكية النهائية تعتمد على دورات المعالجة بالحلّ والتعتيق بالإضافة إلى أي عمليات تسوية ميكانيكية أو تخفيف إجهاد.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	6013	الولايات المتحدة الأمريكية	التسمية الرسمية لجمعية الألمنيوم لمجموعة السبيكة
EN AW	6013	أوروبا	تسمية أوروبية شائعة؛ التركيب والتحاليل متطابقة في الغالب
JIS	لا يوجد مكافئ مباشر (الأقرب: 6061)	اليابان	دليل JIS لا يشمل دائمًا نظيرًا مباشرًا لـ 6013؛ 6061 غالباً الأقرب في الخواص
GB/T	لا يوجد مكافئ مباشر (الأقرب: 6061A)	الصين	المعايير الصينية قد تستخدم سلسلة 6061 كبديل عملي في بعض المواصفات

لا توجد دائمًا درجات مكافئة مباشرة واحد-لواحد في المعايير الإقليمية لأن تركيب 6013 تم تطويره لتلبية أهداف ميكانيكية ومعالجة محددة. حيث لا يتوفر مادة EN AW-6013 مباشرة، غالبًا ما يحل المهندسون مكانها بسبيكات 6xxx القريبة (مثل 6061) ولكن يجب مراعاة اختلافات النحاس والمنغنيز التي تؤثر على سلوك التعتيق والقوة النهائية.

يجب دائمًا تأكيد متطلبات الخواص ودورات المعالجة عند الاستبدال؛ يجب أن تعتمد المشتريات والمواصفات على الأهداف الميكانيكية وليس على ترقيم السبيكة فقط عند المقارنة بين المعايير.

مقاومة التآكل

تقدم 6013 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام بسبب طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية التي تعيد شفاء نفسها تحت ظروف الخدمة النموذجية. أدائها في الأجواء الصناعية والحضرية مرضٍ عند التأكسد الأنودي أو الطلاء المناسب، وتقاوم التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي أفضل من العديد من سبيكات 7xxx ذات القوة العالية.

في البيئات البحرية تظهر 6013 مقاومة معقولة لكنها ليست متينة مثل سبيكات الألمنيوم-المغنيسيوم (سلسلة 5xxx) المخصصة للتعرض العالي للكلوريد. تزيد إضافات النحاس من قابلية التآكل الموضعي وقد تقلل قليلاً من مقاومة التآكل الحفري مقارنة بسبيكات 6xxx ذات النحاس المنخفض؛ لذلك تُستخدم الطلاءات الواقية أو الإجراءات الكاثودية التضحوية للخدمة البحرية طويلة الأمد.

يجب مراعاة التفاعلات الجلفانية عند استخدام 6013 مع مواد أكثر نبلاً (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ)؛ يوصى باستخدام مواد عازلة أو طلاءات لمنع تآكل أسرع لسبيكة الألمنيوم. بشكل عام، تقع 6013 بين سلسلة 5xxx المقاومة بقوة للتآكل والسلسلة 7xxx الأقوى ولكن أكثر عرضة للتشققات في سلوك التآكل والتشققات.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يمكن لحام 6013 بعمليات الانصهار الشائعة مثل TIG وMIG مع تصميم مفصل واختيار حشوة مناسبين، رغم أن وجود النحاس يتطلب الانتباه إلى كيمياء الحشوة لتقليل التشقق الساخن واللين بعد اللحام. تُستخدم سبائك الحشوة المضافة للسيليكون (مثل حشوات Al-Si) لتحسين التدفق وتقليل ميل التشقق؛ الاختيار يعتمد على قوة ما بعد اللحام ومقاومة التآكل المطلوبة.

تظهر منطقة التأثير الحراري (HAZ) في اللحامات عادة تليينًا نسبيًا مقارنة بالمعدن الأساسي في حالة T6 لأن المواد المتراكمة تتضخم وتذوب أثناء اللحام مما يقلل قوة الخضوع المحلية. تُستخدم أحيانًا المعالجة الحرارية بعد اللحام لاستعادة القوة في التطبيقات الحرجة، مع ضرورة التحكم في التشويه والإجهادات المتبقية أثناء المعالجة.

قابلية التشغيل

تتمتع 6013 بقابلية تشغيل جيدة مقارنة بالعديد من سبائك الألمنيوم عالية القوة بسبب صلابتها المعتدلة نسبيًا في الحالات المعالجة بالمحلول والمطبوخة حراريًا. تُستخدم أدوات كربيد ذات زاوية هجوم إيجابية وطلاءات مناسبة (TiAlN/PVD) لتحقيق معدلات إزالة معدنية عالية؛ يجب أن تكون سرعات القطع محافظة مقارنة بسبيكات الألمنيوم سهلة التشغيل لتجنب التصلب أثناء العمل وتشكيل حافة متجمعة.

يمكن التحكم في تدفق الرقائق عادة لكن قد تتشكل رقائق مستمرة؛ يوصى باستخدام تبريد فيضان وكاسري رقائق للحفاظ على دقة الأبعاد وعمر الأداة. النهاية الدقيقة الممكن تحقيقها بعد التعتيق تجعل 6013 مناسبة للتجهيزات الدقيقة ومكونات صناعة الطيران.

قابلية التشكيل

تفضل عمليات التشكيل حالات الحالة O وT4 لـ 6013؛ حيث تسمح بنصف قطر انحناء أصغر وعمليات ختم معقدة بدون تشقق. في حالات التعتيق القصوى (T6) تقلل قدرة السبيكة على الاستطالة مما يقيد التشكيل الشديد؛ في هذه الحالات غالبًا ما يتم تشكيل القطع في حالات أنعم ثم معالجة حرارية أو تعتيق جزئي بعد التشكيل.

كمبدأ إرشادي، تتراوح أدنى أنصاف أقطار الانحناء الخارجية للمكونات المسحوبة أو المنحنية عادة بين 2× إلى 4× سماكة المادة في التحاليل المحددة بشكل صحيح، بحسب الأدوات والتشحيم واتجاه الحبوب. التراجع الزنبركي متوسط ويجب مراعاته في تطوير القوالب لأجزاء دقيقة.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة معالجة حراريًا، يتم تقوية 6013 بواسطة معالجة المحلول، التبريد والتعتيق الصناعي الذي ينتج معوقات موزعة بدقة. تتراوح درجات حرارة المعالجة النموذجية للمحلول بين 525–555 °C، حيث تُختار لحل Mg, Si, Cu في محلول صلب بدون ذوبان بداية للمكونات منخفضة الانصهار؛ يُستخدم التبريد بالماء للاحتفاظ بالمحلول المشبع قبل التعتيق.

يتم تعتيق صناعي إلى حالة T6 عادة عند 150–180 °C لعدة ساعات، مما يخلق معوقات متماسكة وشبه متماسكة تزيد من مقاومة الخضوع والشد؛ يغير النحاس تسلسل التكوين وأحيانًا يسرع التعتيق الأعلى مقارنة بأنظمة Mg-Si الثنائية. تُستخدم حالة T5 (تبريد من درجة حرارة مرتفعة وتعتيق صناعي) حيث يكون المعالجة بالمحلول كاملة غير عملية، لكنها تنتج خواص ذروة أقل قليلاً.

يزيد التعتيق الزائد من الليونة ويقلل القوة ويُستخدم لتحسين مقاومة التآكل الإجهادي أو الاستقرار الأبعادي. تشير تسميات T651 وما شابه إلى تخفيف الإجهاد (تمديد أو خبز منخفض الحرارة) بعد معالجة المحلول للتحكم في الإجهادات المتبقية للأجزاء الدقيقة.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تعاني 6013، مثل سبائك سلسلة 6xxx الأخرى، من انخفاض ملحوظ في القوة فوق ~125–150 °C بسبب تضخم فقدان تماسك المعوقات؛ يجب أن يعتمد التصميم ضد الزحف والأحمال المستمرة في درجات الحرارة المرتفعة على إجهادات مسموحة محافظة. قد يتحمل التعرض القصير لدرجات حرارة أعلى، لكن الخدمة الطويلة فوق درجات تعتيق ستؤدي إلى تدهور دائم في القوة وتحريك أبعاد محتمل.

الأكسدة في درجات حرارة الخدمة محدودة لأن الألمنيوم يشكل طبقة أكسيد واقية؛ لكن عند درجات حرارة مرتفعة يمكن أن تزداد خشونة السطح وتعقيد الروابط الحرارية. تكون منطقة التأثير الحراري (HAZ) في اللحامات أو اللحام النحاسي معرضة بشكل خاص لتغيرات الخواص تحت التحميل الحراري الدوري، مما يستلزم تعتيق بعد العملية أو تخصيصات تصميمية.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	لماذا تُستخدم 6013
السيارات	أطر المقاعد، التعزيزات الهيكلية	نسبة قوة إلى وزن عالية وأداء جيد ضد التعب
البحرية	حاملات هيكلية صغيرة وتجهيزات	توازن في مقاومة التآكل والقوة
الطيران	تجهيزات هيكلية ثانوية، أغطية مشغلات	قوة نوعية عالية وقابلية تشغيل جيدة
الإلكترونيات	أغلفة وحوامل حرارية	موصلية حرارية كافية واستقرار أبعادي

تتمتع 6013 بميزة عندما يحتاج المصممون إلى قوة أعلى من سبائك 6xxx القياسية لكن يرغبون في تجنب عقوبات التآكل والتصنيع لسلسلة 7xxx عالية القوة. يجمع هذا السبيكة بين استجابة التعتيق والقدرة على التشغيل مما يجعلها ذات قيمة لمكونات هيكلية متوسطة الحمولة عبر مجالات السيارات، الطيران، والمعدات الصناعية.

رؤى الاختيار

اختر 6013 عندما تحتاج إلى سبيكة 6xxx أقوى وقابلة للمعالجة الحرارية مع أداء أفضل في مقاومة التعب وقابلية التشغيل مقارنةً بالسبائك الأساسية. تعتبر هذه السبائك جذابة بشكل خاص عندما تكون هناك حاجة إلى زيادة معتدلة في مقاومة الخضوع وكذلك مقاومة الكسر المحسنة من دون التضحية بقابلية اللحام والأداء العام لمقاومة التآكل.

مقارنةً بالألمنيوم النقي تجارياً (1100)، تتنازل 6013 عن القدرة الكهربائية وقابلية التشكيل العالية جداً للحصول على مقاومة شد ومقاومة خضوع محسنة بشكل ملحوظ، مما يتيح تصاميم هيكلية أخف وزنًا وأكثر صلابة. أما مقارنةً بالسبائك المسننة مثل 3003 أو 5052، توفر 6013 مقاومة قمة أعلى وأداء أفضل ضد التعب، لكنها تتطلب معالجة حرارية ومعالجة تقسية محكومة، كما أنها أكثر حساسية قليلاً للتآكل الموضعي.

عند المقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، يتم اختيار 6013 حيث تمنح إضافات النحاس والمنغنيز استجابة تقسية مخصصة ومجالًا معززًا من مقاومة التعب والصلابة بالرغم من تداخل حالات التقسية. استخدم 6013 عندما يكون التوازن المستهدف بين قابلية التشغيل، وقوة T6 المحققة، ومقاومة التآكل المقبولة أكثر أهمية من التكلفة الأدنى أو الحد الأقصى للقدرة الكهربائية.

• اختر 6013 للأجزاء المتوسطة إلى عالية القوة التي تُشغل ميكانيكيًا أو تُطبع وتتطلب عمر تعب جيد.
• فضل حالات التقسية O/T4 للتشكيل المعقد وT6/T651 للأداء الهيكلي النهائي.
• تحقق من توفر الحالة والمورد للكال يتطلبها التصميم قبل تجميد التصميم.

الملخص النهائي

تظل سبيكة 6013 خيارًا عمليًا عندما يحتاج المهندسون إلى ألومنيوم قابل للمعالجة الحرارية يقدم قوة أعلى وأداء تعب محسن مقارنة بالسبائك الأساسية 6xxx مع الحفاظ على قابلية تشكيل جيدة وقابلية للحام. تجعل كيمياء السبائك المضبوطة وخيارات التقسية منها مادة متعددة الاستخدامات للمكونات في مجالات السيارات والطيران والبحرية والصناعات، حيث يكون التوازن بين القوة، ومقاومة التآكل، وقابلية التصنيع أمرًا حاسمًا.