ألمنيوم 6061: التركيب، الخصائص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

6061 هو أحد أعضاء سلسلة سبائك الألومنيوم 6xxx، والتي تتميز باحتوائها على المغنيسيوم والسيليكون كعناصر أساس في السبائك لتشكيل راسب Mg2Si. تنتمي هذه السلسلة إلى السبائك القابلة للمعالجة الحرارية؛ حيث تتحسن خواصها الميكانيكية أساسًا من خلال المعالجة الحرارية بالتحليل، التبريد السريع، والشيخوخة الاصطناعية لاحقًا بدلاً من التصلب نتيجة العمل فقط.

العناصر الأساسية المضافة في 6061 هي المغنيسيوم (تقريبًا 0.8–1.2٪) والسيليكون (تقريبًا 0.4–0.8٪)، مع إضافات طفيفة من الكروم، والنحاس، والحديد، وبقايا أخرى تضبط القوة، المتانة وبنية الحبيبات. تشمل الصفات النموذجية نسبة قوة إلى وزن مناسبة في حالة T6، مقاومة جيدة للتآكل في العديد من البيئات، قابلية تشكيل معقولة في الحالة المخففة أو T4، وقابلية لحام ممتازة باستخدام عمليات لحام الألومنيوم القياسية.

تستخدم سبائك 6061 عادة في مجالات مثل المكونات الإنشائية للسيارات، التجهيزات البحرية، الأجهزة العامة في الطيران، المبادلات الحرارية، ومنتجات المستهلك الترفيهية. يختار المهندسون 6061 عندما يحتاجون إلى مزيج متوازن من القوة، مقاومة التآكل، وقابلية التشغيل، وعندما يُتوقع اللحام أو الأكسدة بعد التصنيع؛ وغالبًا ما ينافس 6063 في البثق وسبائك 5xxx في الأعمال البحرية التي تتطلب مقاومة تآكل عالية.

أنواع المعالجات الحرارية (Temper)

المعاملة الحرارية	مستوى القوة	الإطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	حالة مخففة بالكامل لأقصى ليونة
T4	متوسطة	عالية	جيدة جدًا	جيدة جدًا	معالجة حرارية بالتحليل وشيوع طبيعي؛ جيدة للتشكيل قبل الشيخوخة النهائية
T5	متوسطة-عالية	متوسطة	جيدة	جيدة جدًا	مبردة من درجة حرارة عالية وتمت معالجتها بالشيخوخة الاصطناعية
T6	عالية	متوسطة	متوسطة	جيدة	معالجة حرارية بالتحليل وتليها شيخوخة اصطناعية؛ المعاملة الإنشائية الشائعة
T651	عالية	متوسطة	متوسطة	جيدة	T6 مع تخفيف إجهاد ميكانيكي عن طريق التمدد؛ تستخدم في الألواح والبُثق
H14	متوسطة	متوسطة	متوسطة	جيدة جدًا	مصلدة بالتشغيل وجزئيًا مخففة؛ تستخدم للمكونات المشكلة
H18	عالية	منخفضة	ضعيفة	جيدة جدًا	صلبة بالكامل بالتصلب؛ قدرة محدودة على التشكيل

المعاملة الحرارية المختارة لـ 6061 ترتبط مباشرة بالبنية الدقيقة وحالة الراسب التي تحدد مقاومة الخضوع ومقاومة الشد بالإضافة إلى الليونة. المعالجة الحرارية بالتحليل والشيخوخة (T6) تنتج راسب Mg2Si ناعماً يزيد من القوة لكنه يقلل من قابلية التشكيل ويزيد من قابلية التليين في منطقة تأثير حرارة اللحام (HAZ) بعد اللحام؛ بينما تستعيد الحالات المخففة أو T4 قابلية التشكيل على حساب الحد الأقصى للقوة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.4–0.8	يرتبط السيليكون مع المغنيسيوم ليشكل راسب Mg2Si المقوي
Fe	≤0.7	الحديد شوائب يمكن أن تشكل مركبات بينية تؤثر على التآكل وقابلية التشغيل
Mn	≤0.15	موجود بكميات صغيرة؛ يمكن أن يصقل بنية الحبيبات
Mg	0.8–1.2	عنصر التقوية الأساسي عبر Mg2Si؛ يتحكم في استجابة التصلب بالشيخوخة
Cu	0.15–0.4	يحسن القوة وقابلية التشغيل لكنه قد يقلل من مقاومة التآكل
Zn	≤0.25	نسبة قليلة؛ تجنب زيادته لمنع التشققات الحرارية وتغير الخواص
Cr	0.04–0.35	يساعد في التحكم في بنية الحبيبات ويحد من إعادة التبلور أثناء المعالجة
Ti	≤0.15	مصقل للحبيبات في المصبوبات وبعض المنتجات المدلفنة
عناصر أخرى	≤0.15 (لكل منها)	بقايا وعناصر أثرية؛ الباقي ألومنيوم

يُحدد أداء السبائك بتوازن المغنيسيوم والسيليكون، اللذين يشكلان معًا راسب Mg2Si خلال الشيخوخة ويشكّلان المصدر الرئيسي للقوة. الإضافات الطفيفة مثل الكروم والعناصر الأثرية تعمل على تنقية بنية الحبيبات وتقليل التعرض للتآكل الموضعي وعيوب التشغيل الحراري، في حين أن النحاس يقدم توازنًا بين القوة العالية وقابلية المعالجة مع بعض التنازل في مقاومة التآكل.

الخواص الميكانيكية

يتغير سلوك الشد للسبائك 6061 بشكل كبير حسب المعاملة الحرارية. في حالة T6، توفر التوزيعة الدقيقة لرواسب Mg2Si مقاومات خضوع وشد مرتفعة نسبيًا مع ليونة معتدلة؛ ويكون معدل الإطالة عادة أقل مقارنة بالحالات المخففة.

قوة الإجهاد المتكرر (التعب) لـ 6061 معقولة للأحمال الإنشائية الخفيفة لكنها تتأثر بشدة بسطح النهاية، المعالجة الحرارية، ووجود اللحامات؛ يمكن أن تبدأ التشققات نتيجة التعب عند الشقوق ومناطق تليين HAZ للحام. كما تؤثر سماكة المنتج وشكله على الأداء الميكانيكي: السماكات الأقل غالبًا ما تسمح بقياسات أعلى لمقاومة الخضوع والإطالة بسبب تبريد أكثر اتساقًا واختلافات الإجهاد المتبقي، في حين أن الألواح السميكة قد تظهر ليونة أقل وتتطلب معاملة تخفيف الإجهاد من نوع T651.

الخاصية	حالة مخففة / O	المعاملة الحرارية الرئيسية (T6 / T651)	ملاحظات
مقاومة الشد	~70–150 MPa (10–22 ksi)	~260–320 MPa (38–46 ksi)	القيم الشائعة لحالة T6 ~290 MPa؛ تتغير حسب الشكل ومعيار الاختبار
مقاومة الخضوع	~35–90 MPa (5–13 ksi)	~240–275 MPa (35–40 ksi)	مقاومة الخضوع لحالة T6 عادة ~240 MPa؛ حالة O أقل مناسبة للتشكيل
الإطالة	15–25%	8–12%	الإطالة تقل مع زيادة قوة المعاملة
الصلادة	~30–60 HB	~80–110 HB	الصلادة تتناسب مع التصلب بالشيخوخة؛ T6 أكثر صلادة بشكل ملحوظ من O

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 g/cm³ (0.0975 lb/in³)	شائعة في سبائك الألومنيوم المدلوكة؛ مناسبة للهياكل خفيفة الوزن
نطاق الانصهار	~582–652 °C	امتداد الحالة الصلبة إلى السائلة يختلف حسب المكونات الثانوية؛ أساس الألومنيوم ~660 °C
الموصلية الحرارية	~150 W/m·K	موصل حراري جيد مقارنة بالصلب؛ مفيد في المبادلات الحرارية والمشعات
الموصلية الكهربائية	~30–40 % IACS	أقل من الألمنيوم النقي بسبب السبائكية؛ مقبول لبعض التطبيقات الكهربائية
الحرارة النوعية	~0.90 kJ/kg·K	حرارة نوعية عالية مقارنة بكثير من المعادن؛ تؤثر على الكتلة الحرارية
التوسع الحراري	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	معامل توسع متوسط؛ مهم للتماسات مع مواد مختلفة لتجنب التشوه

تجعل الموصلية الحرارية العالية والكثافة المنخفضة لـ 6061 منه خيارًا جذابًا حيثما تكون الحاجة إلى تبديد الحرارة ووزن خفيف متزامنة، مثل المشعات ومكونات المركبات. تحكم نطاق الانصهار والتوسع الحراري اختيارات اللحام، التلحيم، والتصميم حيث تستخدم مواد غير متجانسة؛ قد تتطلب معاملات التمدد السماح في تصميم الوصلات لمنع التشوه.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة / الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح (Sheet)	0.2–6.0 mm (0.008–0.25 in)	تجانس جيد	O, H14, T4, T6	مستخدمة على نطاق واسع للألواح والأجزاء المشكلة
صفائح (Plate)	6–200 mm (0.25–8 in)	انخفاض الليونة عبر السمك في القطاعات السميكة	T651, T6	الألواح السميكة غالبًا ما تُزوّد مخففة الإجهاد (T651)
بثق (Extrusion)	مقاطع بطول عدة أمتار	تتنوع القوة حسب المقطع والتبريد	T5, T6	6061 ينفذ بثلاثية جيدة؛ شائع في مقاطع الإطارات والهياكل
أنابيب (Tube)	أقطار صغيرة إلى كبيرة؛ ملحومة أو بلا وصلات	سلوك مماثل للألواح والصفائح في المعاملات الحرارية	O, T4, T6	مستخدمة للعجلات، القضبان، والمكونات الهيدروليكية
قضبان/أعمدة (Bar/Rod)	أقطار تصل إلى عدة إنشات	بنية دقيقة متجانسة في القضبان المسحوبة	O, T6	شائعة في المكونات المشغلة والتجهيزات

تحدد عمليات التصنيع الشكل والمعاملة الحرارية المختارة: غالبًا ما تكون البثق T5 أو T6 لأنها تحصل على شيخوخة اصطناعية بعد التشكيل، بينما تُزوّد الصفائح غالبًا بحالة T651 لتحقيق الاستقرار الأبعاد. يُختار الصفيح والأنابيب حسب متطلبات التشكيل؛ تسمح الحالات المخففة (O) أو T4 بالرسم العميق والثني، في حين أن T6 تقدم قوة أفضل كمنتج نهائي ولكنها تقلل قابلية التشكيل على البارد.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	6061	الولايات المتحدة الأمريكية	تعيين من Aluminum Association لسبائك سلسلة 6xxx المشغولة
EN AW	6061	أوروبا	EN AW-6061 هو التعيين الأوروبي الشائع (سبيكة مشغولة)
JIS	A6061	اليابان	درجة JIS A6061 تطابق الكيمياء والتمبرات المماثلة
GB/T	6061	الصين	GB/T 6061 هو المعيار الصيني المستخدم عادة لهذه السبيكة

المعايير عبر المناطق متناسقة من حيث الكيمياء وتعريفات التمبر، لكنها تختلف في حدود الشوائب المسموح بها، طرق الاختبار الميكانيكي وترميز التمبر. يجب على المشترين التحقق من ورقة المواصفات الخاصة بالمعيار المعمول به لضمان الخصائص الدنيا المطلوبة، تاريخ المعالجة الحرارية والتفاوتات المسموح بها، حيث يمكن أن يختلف "6061" الاسمي قليلاً بين الموردين والمعايير الوطنية.

مقاومة التآكل

تتمتع 6061 بمقاومة جيدة للتآكل الجوي العام، بسبب طبقة أكسيد الألومنيوم الحامية والمحتوى النسبي المنخفض من النحاس مقارنة ببعض سبائك سلسلة 2xxx. في الأجواء الريفية والصناعية، تؤدي أداءً جيدًا، وتعزز عملية الأنودة (anodizing) حماية السطح من التآكل والمظهر.

في البيئات البحرية، تقدم 6061 أداءً مقبولًا للعديد من التطبيقات الهيكلية وغير الحرجة، لكنها أقل تحملًا من سلسلة 5xxx (المعتمدة على المغنيسيوم) عند التعرض المستمر لمياه البحر الغنية بالأملاح. يمكن أن يحدث تآكل موضعي على شكل حفر (pitting) في الظروف الراكدة والمالحة بشدة؛ لذا يجب الانتباه للتصميم من حيث الصرف والتغطية والأنودة لضمان الأداء طويل الأمد.

لا يُعتبر تشقق الإجهاد الناتج عن التآكل (SCC) خطرًا بارزًا في 6061 في العديد من ظروف الخدمة، إلا أن الحساسية تزداد في التمبرات عالية القوة وعند التعرض لإجهادات مرتفعة في بيئات غنية بالكلوريدات. التفاعل الجلفاني مع معادن أكثر نبالة (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس) يمكن أن يسرع من التآكل الموضعي، لذا ينبغي النظر في العزل الكهربائي أو استخدام الأنودات القلبية في التجميعات المختلطة المعادن.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

تلحم 6061 جيدًا باستخدام طرق الانصهار الشائعة مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW)؛ قابلية اللحام واحدة من ميزاته الهندسية الرئيسة مقارنة بالسبائك المعالجة حراريًا ذات القوة الأعلى. سبائك الحشو النموذجية هي 4043 (Al-Si) لتحسين السيولة وتقليل الميل للتشقق، و5356 (Al-Mg) عند الحاجة إلى وصلات ذات قوة أعلى وتطابق لوني؛ يؤثر اختيار الحشو على مقاومة التآكل وقوة اللحام.

تميل منطقة التأثير الحراري بعد اللحام إلى التليين نسبيًا مقارنة بمعدن الأم T6 بسبب ذوبان أو تكبر المرسوبات، لذلك يُنصح بمعالجة حرارية بعد اللحام للأجزاء الهيكلية الحرجة أو استخدام T651/القاعدة في التصميم. خطر التشقق الحار منخفض نسبيًا مقارنة ببعض سبائك Al-Cu، لكن تصميم الوصلة، التقييد والنظافة ضرورية لتجنب المسام وعدم الانصهار الكامل.

قابلية التشغيل

تُعتبر 6061 ذات قابلية تشغيل جيدة بين سبائك الألومنيوم؛ تُشغل بسرعة ونظافة أفضل من العديد من السبائك ذات القوة العالية مع توفير تشطيب سطحي جيد. عادةً ما تُستخدم أدوات كربيد بسرعة قطع متوسطة إلى عالية، والمزلقات/المبردات تقلل تراكم الحافة وتحسن إخراج الرقائق؛ الرقائق تكون عامة قصيرة وسهلة الإدارة إذا تم التحكم في المعايير.

يجب أن يأخذ اختيار التغذية والسرعة في الحسبان التمبر وسمك المقطع؛ القوة الأعلى (T6) ترفع قوى القطع وتآكل الأداة مقارنة بالمادة المعتدلة. بالنسبة للمكونات الدقيقة، غالبًا ما يكون من الضروري التحكم في تكوين الحواف الزائدة وإزالة الزوائد الثانوية.

قابلية التشكيل

تعتمد قابلية التشكيل بشدة على التمبر: الحالات المليّنة (O) وT4 تشكل جيدًا وتتحمل الانحناءات الضيقة والسحب العميق، بينما T6 له قابلية تشكيل باردة محدودة وعرضة للتشقق عند إجهاد عالٍ. أنصاف أقطار الانحناء الداخلية الموصى بها لزوايا 90° في الصفائح الملينة عادةً ما تقترب من R/t ≈ 1–2 للتشكيل الخفيف، في حين تتطلب T6 أنصاف أقطار أكبر أو معالجة مسبقة بالحرارة/المحلول وإعادة التقديم لتحقيق أشكال مشابهة.

عندما يكون مطلوب تشكيل متوسط ثم تتبعه معالجة تقادم نهائية، يُستخدم تسلسل التشكيل T4 مع التقادم T6 لتحسين الهندسة والقوة النهائية. ينبغي للمصممين مراعاة ارتداد الزنبرك واللزجية المتباينة الناتجة من الدرفلة، واختيار اتجاه الحبوب والأدوات المناسبة لتقليل التشقق.

سلوك المعالجة الحرارية

يتم عادةً إجراء معالجة المحلول لـ 6061 في نطاق تقريبًا 520–560 °C لإذابة Mg2Si والمكونات القابلة للذوبان الأخرى في محلول صلب مشبع، تليها تبريد سريع للاحتفاظ بالمذاب في حالة تشبع فوق الوحدة. ثم تُجرى المعالجة الصناعية عند درجات حرارة أقل (عادة 160–190 °C) لعدة ساعات لترسيب جسيمات Mg2Si الدقيقة المقوية ولتحقيق حالة T6؛ تتحكم خاصية الزمن-درجة الحرارة في التوازن بين القوة والمتانة.

T4 هي حالة التقادم الطبيعي بعد المعالجة بالذوبان والتبريد، وتوفر قابلية تشكيل جيدة للتشكيل اللاحق قبل المعالجة الصناعية إلى T6 أو T5. التمبرات المستقرة مثل T651 تتضمن عملية شد أو تخفيف إجهاد منظمة بعد التبريد لتقليل الإجهادات المتبقية والتشوه في الألواح السميكة والمقاطع.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تتعرض 6061 لفقد تدريجي في القوة مع زيادة درجة الحرارة؛ تحدث انخفاضات كبيرة في مقاومة الخضوع والشد فوق تقريبًا 100–150 °C، مع حدود استخدام مستمر موصى بها عمومًا تحت ~120 °C للتطبيقات الهيكلية الحاملة للأحمال. عند درجات حرارة مرتفعة، تقل استقرار مرسبات Mg2Si، وقد يصبح الزحف ذا صلة للأحمال المستمرة في درجات حرارة عالية أو بيئات عدوانية.

تشكل الأكسدة عند درجات حرارة الخدمة النموذجية لـ 6061 قليلة مقارنة بالصلب، لكن لا تزال الطلاءات الواقية أو الأنودة تستخدم لإدارة تدهور السطح على المدى الطويل والمظهر. يمكن أن تعرض منطقة التأثير الحراري للمكونات الملحومة سلوكًا حراريًا مختلفًا بسبب تكبر المرسوبات، لذا يجب التحكم في التعرضات الحرارية للحفاظ على الهوامش التصميمية.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 6061
السيارات	حوامل هيكلية، قضبان الشاسية	توازن القوة، قابلية اللحام ومقاومة التآكل
البحرية	تجهيزات القوارب، الدرابزينات	مقاومة جيدة للتآكل وقابلية لحام في الاستخدام البحري المعتدل
الفضاء الجوي	وصلات، محولات، هياكل داخلية	نسبة قوة إلى وزن مناسبة وخصائص تشغيل جيدة
الإلكترونيات	مشتتات حرارية، أغلفة	موصلية حرارية عالية وسهولة في التشغيل
الترفيه	هياكل دراجات، معدات التخييم	خفيفة الوزن، قابلة للحام وفعالة من حيث التكلفة

تحظى 6061 بالتفضيل في التطبيقات التي تتطلب مزيجًا من القابلية للتشغيل، اللحام، القوة المتوسطة إلى العالية ومقاومة التآكل دون التكلفة العالية أو المعالجة المتخصصة للسبائك عالية القوة. تدعم تعدد أشكال المنتج وخيارات التمبر مجموعة واسعة من التصاميم الهندسية.

نصائح الاختيار

عند اختيار الألومنيوم للمكونات الهيكلية العامة والملحومة، تعتبر 6061 خيارًا جيدًا أولًا إذا كنت تحتاج إلى توازن بين القوة، مقاومة التآكل وسهولة التصنيع. يوفر تيمبر T6 قوة خضوع وشد محترمة مع احتفاظه بقابلية اللحام باستخدام معادن الحشو الشائعة، رغم ضرورة مراعاة تليين منطقة التأثير الحراري في التجميعات الملحومة.

مقارنة بالألومنيوم التجاري النقي (1100)، تتنازل 6061 عن بعض الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل مقابل قوة أعلى بشكل ملحوظ وقابلية تشغيل أفضل. مقارنة بالسبائك المشغولة بالعمل مثل 3003 أو 5052، تقدم 6061 قوة أعلى بفضل المعالجة الحرارية لكنها تقلل عادة من اللدونة ومقاومة تآكل الكلوريد إلى حد ما.

• اختر 6061 بدلاً من 6063 عندما تحتاج إلى قوة أعلى وقابلية تشغيل محسنة مع وجود 6063 لسطح أفضل قليلاً بعد البثق وخصائص أنودة.
• فضل سبائك 5xxx للخدمة البحرية المستمرة المعرضة لبيئات عالية الكلوريد حيث تكون مقاومة التآكل هي الأولوية.
• اختر التمبرات الملينة أو T4 عندما تكون تعقيدات التشكيل عالية، ثم قم بالتقادم إلى T6 للحصول على القوة بعد التشكيل.

ملخص ختامي

تظل 6061 من أكثر سبائك الألومنيوم المشغولة استخدامًا لأنها توفر توازنًا عمليًا بين القوة، مقاومة التآكل، قابلية اللحام والتشغيل عبر أشكال المنتج وتمبريات عديدة. تجعل قابليتها للمعالجة الحرارية القياسية، نضج سلسلة التوريد، وأداؤها المتوقع خيارًا موثوقًا للمصممين والمصنعين في صناعات متنوعة.