ألمنيوم 6063: التركيب الكيميائي، الخصائص، دليل التصلب، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
تنتمي السبائك 6063 إلى سلسلة سبائك الألومنيوم 6xxx، والتي هي سبائك قابلة للمعالجة الحرارية تعتمد على ماغنسيوم-سيليكون (Mg-Si) مصممة أساساً للاستخدامات في عمليات البثق والتطبيقات المعمارية. يشكل الماغنسيوم والسيليكون هياكل Mg2Si المتراكمة أثناء عملية التعتيق، والتي توفر آلية التقوية الرئيسية، مما يجعل 6063 سبائك قابلة للمعالجة الحرارية بدلاً من أن تكون من الدرجات المعالجة بالتصلب البارد. درجات المعالجة التجارية النموذجية تشمل O (مخمرة بالكامل)، T5 (مبردة بعد البثق ومعالجة صناعية للتعتيق)، وT6 (معالجة حرارية بالإنحلال وتعتيق صناعي)، والتي تتيح ضبط التوازن بين سهولة التشكيل والقوة للعمليات اللاحقة.
يُظهر سبيكة 6063 قوة معتدلة، مقاومة جيدة جداً للتآكل، قابلية ممتازة للبثق وإنهاء السطح، وصفات لحام جيدة عموماً مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية الأخرى. سهولة تشكيلها في الدرجات الأطرى وقدرتها على إنتاج مقاطع نحيفة الجدران ومعقدة مع خواص ميكانيكية متجانسة يجعلها الخيار المفضل للتشطيبات المعمارية، إطارات النوافذ، والملامح الهيكلية. الصناعات التي تطلب 6063 بشكل شائع تشمل البناء والتشييد، الأنظمة المعمارية، البثق العام للاستخدامات المتعددة، المكونات الهيكلية خفيفة العبء، وبعض معدات إدارة الحرارة.
يختار المهندسون 6063 على سواها من السبائك عندما يكون مطلوباً تحقيق توازن أمثل بين سهولة البثق، جودة السطح، مقاومة التآكل، والأداء الميكانيكي الكافي بدلاً من القوة القصوى. مقارنة بالسبائك 6061، يحقق 6063 عادة زوايا أكثر حدة وإنهاءً أنظف ضمن مستويات تصنيع مماثلة لكنه يمتلك قوة قصوى أقل قليلاً. تحظى السبيكة بتفضيل حيث تكون دقة الأبعاد العالية، جودة الأكسدة، وتجانس جودة البثق من الأولويات الأساسية.
درجات المعالجة
| درجة المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | سهولة التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية (≈18–28%) | ممتازة | ممتازة | حالة مخمرة بالكامل للتشكيل والثني |
| H14 | منخفضة-متوسطة | متوسطة (≈12–18%) | جيدة | ممتازة | معالجة تصلب بالتشويه لتعزيز الصلابة المتوسطة |
| T5 | متوسطة | متوسطة (≈10–15%) | جيدة | جيدة جداً | مبردة بعد البثق ومعالجة صناعية للتعتيق؛ شائعة للبثق |
| T6 | متوسطة-عالية | أقل (≈8–12%) | مقبولة | جيدة جداً | معالجة حرارية بالإنحلال وتعتيق صناعي لزيادة القوة |
| T651 | متوسطة-عالية | أقل (≈8–12%) | مقبولة | جيدة جداً | T6 مع تخفيف الإجهاد بواسطة الشد لتقليل الإجهادات المتبقية |
تؤثر درجة المعالجة تأثيراً مباشراً على البنية المجهرية والأداء الماكروسكوبي لأن ترسبات التعتيق تتحكم في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد. الدرجات الأطرى مثل O توفر أقصى دكتيلية وسهولة في التشكيل للثني البارد والتشكيل المعقد، بينما توفر درجات T5/T6 قوة شد وخضوع أعلى مناسبة للاستخدامات الهيكلية.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق النسبي (%) | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.2 – 0.6 | عنصر سبائكي رئيسي يشكل ترسبات Mg2Si أثناء التعتيق |
| Fe | 0 – 0.35 | عنصر شوائب؛ يزيد القوة قليلاً لكنه يضر بجودة السطح |
| Mn | 0 – 0.1 | قليل جدًا؛ عادة منخفض في 6063 لتجنب تكوين مركبات بين معدنية خشنة |
| Mg | 0.45 – 0.9 | مساهم رئيسي للقوة مع السيليكون عبر تشكل Mg2Si |
| Cu | 0 – 0.1 | منخفض؛ زيادة النحاس تزيد القوة لكنها تقلل مقاومة التآكل |
| Zn | 0 – 0.1 | محافظ عليه منخفض للحفاظ على مقاومة التآكل وجودة البثق |
| Cr | 0 – 0.1 | نسب أثرية للتحكم في هيكل الحبوب في بعض المواصفات |
| Ti | 0 – 0.1 | محسن للحبوب بكميات صغيرة؛ يحسن القابلية للصب والبداية في البثق |
| العناصر الأخرى | كل منها ≤0.05، إجمالي ≤0.15 | مخلفات وعناصر أثرية خاضعة للرقابة للحفاظ على خصائص متوقعة |
يتم تحقيق التوازن بين محتوى Mg وSi لتشكيل ترسبات Mg2Si أثناء المعالجة الحرارية وحالة التعتيق، والتي تحدد القوة وسرعة تصلب العمر. المستويات المنخفضة من الحديد والشوائب الأخرى تحافظ على مظهر السطح واستجابة الأكسدة، وهو أمر مهم للاستخدامات المعمارية والزخرفية.
الخصائص الميكانيكية
تتغير سلوكيات الشد لسبيكة 6063 بشكل كبير حسب درجة المعالجة. في حالة المخمرة (O) تُظهر السبيكة مقاومة منخفضة للخضوع والشد مع استطالة عالية متجانسة، مما يفضل عمليات السحب، الثني، والرسم العميق. في درجات T5/T6 تحقق السبيكة مقاومة شد وخضوع أعلى تنبع من ترسبات Mg2Si الدقيقة والمتوزعة بشكل متجانس؛ كما تغير هذه الترسبات استجابة التصلب أثناء العمل وتقلل من الدكتيلية مقارنة بحالة O.
تتأثر قيم مقاومة الخضوع والشد أيضاً بسماكة المقطع وحالة البثق لأن معدلات التبريد بعد المعالجة بالإنحلال والتبريد تؤثر على توزيع الترسبات. أداء التحمل مت متوسط؛ حيث تُعد عيوب السطح والبثق مواقع شائعة لبدء تشققات التعب لذا يمكن لتحسين التشطيب مثل الأكسدة أو التلميع أن يحسن من عمر التعب. تتناسب الصلادة مع درجة المعالجة وتزداد عادة بشكل ملحوظ من O إلى T6 مع تكوّن ترسبات التعتيق.
| الخاصية | O/مخمرة | درجة رئيسية (مثلاً T6) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | 70–110 MPa | 170–215 MPa | تقريباً تضاعف مقاومة الشد القصوى في T6 مقارنة بالمخمرة؛ القيم تعتمد على حجم المقطع |
| مقاومة الخضوع | 35–55 MPa | 120–160 MPa | تزداد مقاومة الخضوع بشكل كبير مع التعتيق الصناعي والمعالجة بالإنحلال |
| الاستطالة | 18–28% | 8–12% | انخفاض الدكتيلية في T6 مع تقدم تصلب العمر |
| الصلادة | 20–35 HB | 60–75 HB | صلادة برونيل ترتفع مع درجة المعالجة؛ تعتمد على معايير التعتيق |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.70 غ/سم³ | شائعة في سبائك الألومنيوم التجارية |
| نطاق الانصهار | ~582–652 °C | تعتمد حدود الصلادة والانصهار قليلاً على السبائك والشوائب |
| التوصيل الحراري | ~170–220 W/m·K | موصل حراري جيد؛ ينخفض قليلاً مع العمل البارد والسباكة |
| التوصيل الكهربائي | ~34–47 % IACS | أقل من الألومنيوم عالي النقاء بسبب تشتيت المذابات والترسبات |
| السعة الحرارية النوعية | ~900 J/kg·K | قيمة نموذجية قرب درجة حرارة الغرفة لسبائك الألومنيوم |
| معامل التمدد الحراري | ~23.0–24.0 ×10⁻⁶ /K | معامل معتدل؛ مهم في تصميم الدورات الحرارية |
تحافظ 6063 على الكثافة المنخفضة والتوصيل الحراري العالي المميزة للألومنيوم، مما يجعلها جذابة حيثما يكون الوزن ونقل الحرارة مهمين. يجب مراعاة معامل التمدد الحراري والتوصيل في التركيبات التي تجمع بين مواد مختلفة لتجنب حدوث إجهادات ناجمة عن التمدد الحراري المختلف.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | درجات المعالجة الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.3–6 mm | انخفاض القوة في المقاطع الرفيعة بسبب معدلات التبريد العالية | O, T5 | تستخدم للألواح الرقيقة والتشطيبات؛ تؤكسد بشكل جيد |
| صفائح | >6 mm | مقاومة ذروة أقل قليلاً في المقاطع السميكة | O, T6 | المقاطع السميكة تحتاج تبريدًا محكمًا للحصول على خصائص T6 |
| بثوق | مقاطع معقدة، سماكة الجدار 0.7–10 mm | متجانسة في الملفات المستمرة؛ تتأثر القوة بالتبريد | T5, T6, T651 | الشكل التجاري الرئيسي؛ جودة سطح ممتازة وتحكم أبعاد دقيق |
| أنابيب | أقطار حتى 200+ mm | سلوك مماثل للبثوق؛ الجدران الرقيقة تبرد بسرعة | O, T6 | شائعة للأنابيب الهيكلية ودرابزينات المعمارية |
| قضبان/أعمدة | Φ3–100 mm | زيادة سمك المقطع يقلل من القوة الظاهرة | O, T6 | تستخدم القضبان الصغيرة للمكونات المشغلة والتجهيزات |
تحدد اختلافات المعالجة اختيار شكل المنتج: البثق يتيح مقاطع معقدة ونحيفة الجدران مع دقة أبعاد عالية، بينما توفر الصفائح والقضبان المخزون الخام للتصنيع. تؤثر سرعة التبريد وسماكة المقطع بشكل كبير على الخواص الميكانيكية النهائية للدرجات المعالجة حرارياً، لذا يجب على المصممين تحديد درجة المعالجة والعمليات اللاحقة للمعالجة الحرارية لتحقيق التماثل والموثوقية.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 6063 | الولايات المتحدة الأمريكية | تعيين جمعية الألومنيوم المستخدم شائعًا في أمريكا الشمالية |
| EN AW | AlMgSi0.5 / EN AW-6063 | أوروبا | التسمية الأوروبية EN AW ترتبط بالتركيب الكيميائي الاسمي والحالة الحرارية |
| JIS | A6063 | اليابان | المعيار الصناعي الياباني مع توازن Mg-Si وأهداف ميكانيكية مماثلة |
| GB/T | 6063 | الصين | معيار صيني مكافئ بشكل عام ولكن مع بعض فروقات التسامح في المواصفات |
بينما يظل التعيين العام 6063 متسقًا عبر المعايير، تختلف المواصفات الوطنية في حدود الشوائب المسموح بها ومعايير الاختبار. هذه الاختلافات البسيطة يمكن أن تؤثر على الخصائص المضمونة مثل الحد الأدنى للتمدد أو الحد الأعلى لمحتوى الحديد، وبالتالي قد تكون مهمة للمعالجة الأنودية الدقيقة أو معايير القبول الميكانيكي.
مقاومة التآكل
في البيئات الجوية، يوفر 6063 مقاومة عامة جيدة للتآكل بسبب تكوّن طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية. انخفاض محتوى النحاس والزنك يزيد من مقاومة التآكل الموضعي مقارنة ببعض السبائك ذات القوة الأعلى، ويعزز الأنودة من المظهر والمتانة البيئية. غالبًا ما تستغل التطبيقات المعمارية هذا التوليف لعمر خدمة طويل مع صيانة قليلة.
في البيئات البحرية أو الغنية بالكلوريد، يقدم 6063 أداءً معقولاً لكنه أقل مقاومة من بعض سبائك الألمنيوم المصبوب Al-Mg (مثل سلسلة 5xxx) المصممة خصيصًا للتعرض لمياه البحر. يمكن أن يبدأ التآكل التثقبي في الشقوق أو على الأسطح الخشنة حيث تتركز الكلوريدات، لذا يُفضل تصميم التصريف وتجنب أزواج المعادن المتباينة الكهروكيميائية حيثما أمكن. يعتبر القابلية لتشققات الإجهاد التآكلي منخفضة مقارنة بسبائك الألمنيوم عالية القوة، لكنها قد تزيد مع الإجهادات الشدّية ودرجات الحرارة المرتفعة والبيئات العدوانية.
يجب إدارة التفاعلات الجلفانية في التجميعات متعددة المعادن؛ فـ6063 أنودي مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس لكنه كاثودي مقارنة بالمغنيسيوم. تستخدم الطبقات الواقية والمواد العازلة لتخفيف التيارات الجلفانية في التجميعات. مقارنة بسلسلتي 2xxx أو 7xxx، يتخلى 6063 عن القوة القصوى لصالح استقرار أفضل ضد التآكل واستجابة أنودية أفضل.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يُلحَم 6063 بسهولة بواسطة عمليات الاندماج الشائعة مثل GTAW (TIG) وGMAW (MIG)، منتجًا خرَزات لحام نظيفة ومظهر فيليه جيد في معظم الحالات. تشتمل السبائك المضافة المفضلة على 4043 (Al-Si) و5356 (Al-Mg) حسب حالة المادة الأساسية ومتطلبات الخدمة؛ يقلل 4043 من خطر التشقق ويوفر تطابقًا لونيًا أفضل للأنودة. مناطق التأثير الحراري في اللحام تطرأ عليها تليين في حالة T6، وقد يتطلب الأمر معالجة تقسية صناعية بعد اللحام أو إعادة تسخين لاستعادة الخصائص.
قابلية التشغيل
قابلية التشغيل لـ6063 متوسطة وعادةً أفضل من الألمنيوم النقي الناعم، لكنها أقل من بعض السبائك سهلة التشغيل المضافة لها رصاص أو بزموت. تستخدم أدوات كربيد ذات زاوية قطع موجبة، مع إخلاء رقائق جيد وتركيبات صلبة لتحقيق أفضل تشطيب سطحي؛ يجب أن تكون سرعات التغذية والقطع محافظة لتجنب تراكم الحافة على الألمنيوم. عادةً ما تكون الرقائق طويلة وليّنة؛ يُستخدم التبريد الغامر واستراتيجيات التحكم في الرقائق للتشغيل الدقيق.
قابلية التشكيل
أداء التشكيل البارد ممتاز في حالات O وH14 حيث تمكّن اللدونة العالية من الثني والتشكيل بالدرفلة بنصف قطر انحناء صغير. يتطلب الثني في حالة T6 أنصاف أقطار أكبر وقد يتسبب في تشقق الحواف الحادة؛ يوصى المصممون بتحديد حالات O أو T4/T5 للتشكيلات القاسية ثم إجراء تعتيق إذا كانت القوة مطلوبة. للمقاطع المسحوبة، تساعد التصاميم المحكمة لسماكة الجدران وأنصاف أقطار الزوايا على تجنب التشقق والحفاظ على التحكم الأبعادي.
سلوك المعالجة الحرارية
يمكن معالجة 6063 حراريًا عبر المعالجة بالمحلول تليها التبريد السريع والشيخوخة. عادةً ما يتم إجراء المعالجة بالمحلول عند درجات حرارة حوالي 535–565 °C لحل Mg2Si في المحلول الصلب، تليها تبريد سريع للحفاظ على محلول متشبع فائق. يستخدم التعتيق الصناعي (T6) درجات حرارة تتراوح تقريبًا بين 160–220 °C لأوقات تختلف باختلاف حجم المقطع لترسيب جسيمات دقيقة من Mg2Si وتحقيق أقصى قوة.
تنتج حالة T5 عندما يُبرد المعدن بعد الشغل الساخن (مثل السحب) ثم يتم تعتيقه صناعيًا بدون معالجة محلول مسبقة. تمثل T651 حالة T6 مع خطوة "شد" مسيطرة لتخفيف الإجهادات المتبقية. يؤدي التعتيق المفرط أو التعرض المستمر لدرجات حرارة مرتفعة إلى تجميع الجسيمات وتقليل مقاومة الخضوع ومقاومة الشد، وزيادة اللدونة؛ لذا يجب تحسين دورات التعتيق حسب هندسة القطعة والاستخدام المقصود.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تقليل قوة 6063 مع تجميع الجسيمات وتراجع مساهمة تقسية المحلول الصلب. الأداء الهيكلي المفيد يقتصر عادة على درجات حرارة خدمة أقل من حوالي 150 °C؛ فوق هذا النطاق يحدث تليين كبير ويصبح الزحف طويل الأمد مصدر قلق. معدلات الأكسدة معتدلة لأن الألومنيوم يشكل طبقة أكسيد مستقرة، لكن تبقى الطلاءات الواقية أو التأنيد مهمة للحفاظ على سلامة السطح في الأجواء المؤكسدة ذات درجات الحرارة العالية.
يمكن أن تتعرض مناطق التأثير الحراري المجاورة للحامات إلى تجميع الحبيبات وتليين متبقٍ مما يقلل مقاومة الإجهاد والتعب أثناء الخدمة. للتطبيقات المستمرة عند درجات حرارة عالية أو تحميلات حرارية دورية، يُنصح باستخدام سبائك ذات استقرار حراري أعلى أو معالجات حرارية متخصصة. تعتبر هوامش التصميم واستراتيجيات إدارة الحرارة ضرورية عند استخدام 6063 قرب حدود درجة حرارة خدمته العليا.
التطبيقات
| الصناعة | مكون المثال | سبب استخدام 6063 |
|---|---|---|
| البناء والتشييد | أطر النوافذ، مقاطع الجدران الستارية | سهولة السحب، جودة السطح، واستجابة ممتازة للأنودة |
| السيارات | التشطيبات والملفات الزخرفية | توازن جيد بين القابلية للتشكيل والقوة المناسبة للأجزاء غير الهيكلية |
| البحري | مكونات هيكلية غير حرجة، درابزينات | مقاومة التآكل وجودة السطح المناسبة للبيئات المعرضة |
| الإلكترونيات | مشتتات حرارية، أغطية الحاويات | موصلية حرارية جيدة وسهولة التشغيل والسحب |
| السلع الاستهلاكية | الأثاث، السلع الرياضية | خفيف الوزن، تشطيبات جمالية، وسهولة التصنيع |
يجمع 6063 بين سهولة السحب وجودة السطح والخصائص الميكانيكية المعتدلة مما يجعله عنصرًا أساسيًا للمقاطع المعمارية والأغراض العامة. يستغل المصممون غالبًا الأنودة والربط الميكانيكي البسيط لإنتاج تجميعات اقتصادية وذات مظهر عالي الجودة.
نصائح الاختيار
للتطبيقات التي تكون فيها القابلية للتشكيل، السحب، وجودة الأنودة من الأولويات، يعتبر 6063 خيارًا قويًا لأنه يوفر قوة معقولة مع إمكانية تشكيل مقاطع رقيقة معقدة. مقارنة بالألمنيوم التجاري النقي (مثل 1100)، يتنازل 6063 عن بعض التوصيل الكهربائي واللدونة القصوى لكنه يكسب كثيرًا في مقاومة الخضوع والشد بفضل جسيمات التقسية الناتجة عن الشيخوخة.
مقارنة بالسبائك التي تقوى بالتشغيل مثل 3003 أو 5052، يقع 6063 أعلى في مقياس القوة عند الحالات المعالجة حراريًا مع توفير مقاومة تآكل مشابهة في معظم البيئات الجوية؛ ومع ذلك، غالبًا ما تتفوق 3003/5052 في التعرضات البحرية الشديدة وفي الحالات التي تعتبر فيها التقسية بالتشغيل الخيار المفضل. مقابل 6061، عادة ما يسحب 6063 بشكل أفضل وينتج تشطيبات سطحية فائقة ومقاطع أكثر تعقيدًا، لذا يُفضل للمقاطع المعمارية رغم أن 6061 يوفر قوة قصوى أعلى للتطبيقات الهيكلية.
الملخص الختامي
تظل سبيكة 6063 درجة ألمنيوم مستخدمة على نطاق واسع لأنها توازن بشكل فريد بين سهولة السحب، جودة السطح، مقاومة التآكل، وخصائص ميكانيكية كافية لمجموعة كبيرة من التطبيقات المعمارية والخفيفة الهيكلية. طبيعتها القابلة للمعالجة الحرارية توفر مرونة في سير العمل الإنتاجي، مما يتيح للمصممين والمصنعين تحسين القابلية للتشكيل أو القوة عبر اختيار الحالة الحرارية والمعالجات اللاحقة.