ألمنيوم 6151: التركيب، الخصائص، دليل التلدين والتطبيقات

نظرة شاملة

6151 هو أحد سبائك الألومنيوم من سلسلة 6xxx (فئة Al-Mg-Si) ويصنف كسبائك قابلة للمعالجة الحرارية وتقوية بالترسيب. تتكون تركيبته الكيميائية بشكل رئيسي من المغنيسيوم والسيليكون اللذين يشكلان ترسيبات Mg2Si أثناء التعتيق الصناعي لتوفير تقوية كبيرة.

يجمع السبيكة بين قوة متوسطة إلى عالية مع مقاومة جيدة للتآكل وقابلية تشكيل معقولة عند توريده بحالات حرارة أنعم. تشمل الاستخدامات الصناعية النموذجية مقاطع معمارية، تشطيبات هيكلية للسيارات، تجهيزات بحرية، وأقسام هندسية عامة حيث يتطلب مزيج من القوة، والتشطيب السطحي، وإمكانية التأكسد الأنودي.

يُختار 6151 حيث يكون مطلوبًا الجمع بين قوة أعلى من الألومنيوم النقي أو السبائك المقواة بالعمل دون التكاليف أو قيود الربط التي تترافق مع سبائك سلسلة 7xxx الأعلى قوة. غالبًا ما يُفضل على العائلات الأقل قوة للمقاطع الهيكلية أو الحاملة للأحمال وحيث يُخطط لأكسدة أنودية أو دهان بعد التصنيع.

أنواع الحالات الحرارية

الحالة الحرارية	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	حالة مُعتّمة بالكامل؛ الأفضل للتشكيل والتشغيل.
H14	متوسطة	متوسطة	جيدة	جيدة	مقواة بالتشوه إلى قوة محددة؛ تقوية محدودة.
T4	متوسطة	متوسطة	جيدة	جيدة	معالجة حرارية للتحليل ثم تعتيق طبيعي؛ قاعدة جيدة للتعتيق الصناعي.
T5	متوسطة إلى عالية	متوسطة	مقبولة	جيدة	مبردة بعد التشكيل ومعتمدة بالتعتيق الصناعي؛ تستخدم عادة للمقاطع المستخرجة.
T6	عالية	متوسطة إلى منخفضة	مقبولة	جيدة	معالجة حرارية للتحليل وتعتيق صناعي للوصول لأقصى قوة؛ حالة حرارية هيكلية قياسية.
T651	عالية	متوسطة إلى منخفضة	مقبولة	جيدة	معالجة حرارية للتحليل، تخلص من الإجهاد بالشد، تعتيق صناعي؛ تستخدم للصفائح/المقاطع مع تقليل الإجهاد المتبقي.

تؤثر الحالة الحرارية بشكل كبير على توازن 6151 بين القوة، اللدونة وقابلية التشكيل لأن حجم وتوزيع الترسيبات تتحكم في الاستجابة الميكانيكية. تسمح الحالات الأطرى (O، H1x) بالسحب العميق وانحناءات ضيقة، بينما تولد T5/T6 أقصى قوة مع تقليل الاستطالة، مما يتطلب تصميمًا دقيقًا للتشكيل والربط.

التركيب الكيميائي

العنصر	نسبة %	ملاحظات
Si	0.4 – 0.9	السيليكون يتحد مع المغنيسيوم ليشكل ترسيبات Mg2Si؛ يتحكم في القوة وخصائص الصب/التدفق.
Fe	≤ 0.50	الحديد وشوائب قد تشكل مركبات بين معدنية وتقلل من اللدونة ومقاومة التآكل إذا زادت نسبته.
Mn	≤ 0.15	المنغنيز ينقح البنية الحبيبية ويمكن أن يزيد القوة قليلاً دون فقدان كبير في اللدونة.
Mg	0.6 – 1.2	المغنيسيوم هو العنصر الأساسي للتقوية عند اتحاده مع السيليكون؛ يتحكم في استجابة التعتيق.
Cu	≤ 0.15 – 0.30	النحاس قد يوجد بكميات صغيرة لضبط القوة وسرعة التقسية؛ زيادته تقلل مقاومة التآكل.
Zn	≤ 0.25	الزنك عادة منخفض؛ زيادته تغير السلوك باتجاه سبائك سلسلة 7xxx وتزيد حساسية الشقوق التآكلية.
Cr	≤ 0.25	الكروم يساعد على التحكم في البنية الحبيبية ويحد من إعادة التبلور أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية.
Ti	≤ 0.15	التيتانيوم يستخدم بكميات آثار كمنقح للحبيبات أثناء الصب أو معالجة السبيكة.
عناصر أخرى	≤ 0.15 بالمجموع	بقايا صغيرة (مثل Sr، B) تتحكم لضمان سلوك ميكانيكي وسطحي متسق.

نسبة Mg–Si والمحتويات المطلقة تتحكم في تسلسل الترسيب (مناطق GP → β″ → β′ → β) وبالتالي تحدد القوة القصوى، سرعة التعتيق، والاستجابة للمعالجة الحرارية. تؤثر العناصر والملوثات الصغيرة على حجم الحبيبات، سلوك إعادة التبلور، وحساسية التآكل بين الحبيبات أو الهشاشة.

الخواص الميكانيكية

يُظهر 6151 سلوك شد نموذجي مقوّى بالترسيب حيث تزداد مقاومة الخضوع ومقاومة الشد القصوى بشكل ملحوظ بعد التعتيق لحالات T5 وT6. توفر الحالة المخمدة (O) استطالة جيدة وقدرة امتصاص طاقة، لكن التطبيقات الحاملة للأحمال عادة ما تحدد حالات T6 أو T651 للحصول على قيم خضوع مستقرة وأعلى.

قيم مقاومة الخضوع والشد القصوى تعتمد على السُمك والحالة الحرارية؛ حيث تصل المقاطع المستخرجة الرقيقة إلى مستويات الخصائص القصوى بشكل أكثر انتظامًا مقارنة بالصفائح السميكة بسبب توحيد التفاعل الحراري وسرعة التبريد. الصلادة تتبع مقاومة الشد؛ وتُظهر حالات T6 ارتفاعات كبيرة في صلادة برينل أو فيكرس مقارنة بحالات O أو H1x.

أداء الإجهاد الدوري لسبائك 6151 مقبول عمومًا للتطبيقات الهيكلية ويتحسن مع تحسين جودة السطح وإجهادات متبقية انضغاطية ناتجة عن العمل البارد أو تقسية الرش. تشكل الجسيمات بين المعدنية الخشنة (المراحل الغنية بالحديد) وعيوب السطح مواقع انطلاق شائعة للإجهاد الدوري، لذا فإن التحكم في نظافة الصب والطرح مهم.

الخاصية	O/مخمّدة	الحالة الحرارية الرئيسية (مثل T6)	ملاحظات
مقاومة الشد	~100 – 150 MPa	~260 – 320 MPa	القيم تختلف حسب سُمك المقطع وطريقة التعتيق؛ T6 توفر قوة قصوى للاستخدام الهيكلي.
مقاومة الخضوع	~40 – 90 MPa	~220 – 280 MPa	زيادة مقاومة الخضوع مع التعتيق كبيرة؛ يجب استخدام خصائص مقاسة لكل حالة حرارية في التصميم.
الاستطالة	~15 – 25%	~8 – 15%	تنخفض اللدونة مع زيادة القوة؛ عادة ما تظهر الأقسام الرقيقة استطالة أعلى.
الصلادة (برينل)	~30 – 60 HB	~90 – 130 HB	الصلادة مرتبطة بحالة الترسيبات؛ تؤثر المعالجات السطحية والعمل البارد على النتائج.

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 جم/سم³	قيمة نموذجية لسبائك Al–Mg–Si؛ تستخدم في حسابات الهياكل خفيفة الوزن.
نطاق الانصهار	~582 – 652 °C	نطاق الصلابة/الانصهار يعتمد على محتوى السيليكون والمغنيسيوم والملوثات.
التوصيل الحراري	~160 – 180 واط/م·ك	أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية لكنه مرتفع مقارنة بالصلب؛ جيد في تطبيقات تبديد الحرارة.
التوصيل الكهربائي	~28 – 38 %IACS	السبائكية تقلل التوصيل مقارنة بالألومنيوم النقي؛ والحالة الحرارية لها تأثير محدود.
الحرارة النوعية	~0.90 جول/جم·ك (900 جول/كجم·ك)	قيمة نموذجية تستخدم للنمذجة الحرارية وحسابات الحرارة العابرة.
المعامل الحراري للتمدد	~23 – 24 ميكرومتر/م·ك	معامل التمدد مشابه للسبائك الأخرى من الألومنيوم؛ مهم للتوصيلات الثنائية المعدن.

تجعل هذه الخواص الفيزيائية 6151 جذابًا حيث توجد حاجة إلى نسبة قوة إلى وزن عالية ونقل حراري جيد معًا. التوصيلان الحراري والكهربائي أقل من الألومنيوم النقي، لكنهما يظلان مفضلين لتطبيقات نقل الحرارة والموصلات الخفيفة الوزن مع المتطلبات الميكانيكية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المقاومة	التمبرا الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3 – 6 mm	متجانسة في السماكات الرقيقة؛ يسهل معالجتها حراريًا بعد التصنيع	O, T4, T5, T6	تُستخدم في التشطيبات، الألواح، والحوامل؛ تتمتع بلمعة سطح ممتازة للأنودة.
صفائح	6 – 50+ mm	الأقسام السميكة تتطلب وقت أطول للعلاج بالمعالجة الحرارية وقد تظهر خصائص قمة أقل	O, T6, T651	قد تكون سرعة التبريد محدودة للصفائح السميكة؛ تُستخدم للأعضاء الهيكلية.
بثق	مقاطع عرضية معقدة، تصل إلى عدة أمتار	تستجيب بسرعة لتمبرا T5/T6؛ الجدران الرقيقة تصل لخصائصها بسرعة	T5, T6	شائعة في إطارات النوافذ، المقاطع المعمارية والبثقات الهيكلية.
أنابيب	قطر صغير إلى كبير، سماكة جدار متغيرة	مصنّعة بالبثق أو السحب؛ خصائصها مشابهة للألواح والبثق	O, T6	تستخدم لأنابيب هيكلية، خطوط أنابيب لتطبيقات غير مضغوطة.
قضبان/أعمدة	قطر من عدة مم حتى 200+ مم	متجانسة؛ القضبان الصلبة توفر خصائص ميكانيكية متناسقة بعد المعالجة الحرارية	O, T6	تُستخدم لأجزاء التشغيل، العُقد، والمقاطع المبثوقة التي تُشكل لاحقًا.

مسار التصنيع (البثق مقابل تدوير الصفائح) يؤثر بقوة على البنية المجهرية واللاتماثل؛ المقاطع المبثوقة عادةً ما تحتوي على بنية حبيبية مستطيلة وقوة اتجاهية. قدرة المعالجة الحرارية وسرعات التبريد الممكنة تحدّ من الخصائص في الأقسام السميكة، لذا يجب أن يأخذ التصميم بعين الاعتبار حجم القسم، التمبرا، وخطوات التصنيع اللاحقة مثل الشد أو التشغيل.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	6151	الولايات المتحدة/دولي	معترف بها ضمن نظام Aluminum Association؛ تفاصيل المواصفة تحدد الحدود.
EN AW	6151 (AlMgSi)	أوروبا	غالبًا ما يُشار إليها كـ EN AW-6151 في الممارسات الأوروبية؛ الحدود الكيميائية والميكانيكية تتبع معايير EN.
JIS	A6151/A6061*	اليابان	المعايير اليابانية قد تشير إلى أقرب درجات Al–Mg–Si؛ تحقق من التصنيف والتمبرا المحدد لـ JIS.
GB/T	6151	الصين	تستخدم التسميات الرقمية نفسها عادة في GB/T الصينية، لكن التفاوتات قد تختلف.

التكافؤ الدقيق بين المعايير ليس بسيطًا: تباينات مواصفات الكيمياء، البيانات الاختبارية المطلوبة وتعريفات التمبرا يمكن أن تختلف حسب الجهة المعتمدة وشكل المنتج. يُنصح المهندسون بمراجعة تقارير اختبار المصنع المعتمدة وجداول الخصائص الميكانيكية عند تبديل الدرجات بين المناطق.

مقاومة التآكل

يُظهر 6151 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام مماثلة لسبائك Al–Mg–Si الأخرى بفضل طبقة Al2O3 الحامية ومحتوى النحاس والزنك المنخفض نسبيًا. في البيئات المعتدلة الأداء جيد، ويُحسن الأنودة من المظهر والحماية السطحية.

في البيئات البحرية يوفر 6151 أداءً مقبولًا لتطبيقات فوق سطح الماء ومنطقة الرش لكن مع الحاجة إلى الحذر في التصميم؛ يمكن حدوث تآكل بالتنقيط وتآكل الفراغات في مياه البحر الراكدة، خاصة حول العُقد والأزواج الجلفانية. التحضير السطحي المناسب، الطلاءات الأنودية أو العضوية، واختيار العُقد المتوافقة مهمة للحفاظ على المتانة على المدى الطويل.

تعرض التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي (SCC) منخفض إلى متوسط في 6151 وعادة أقل بكثير من سبائك السلسلة 7xxx عالية القوة. ومع ذلك، في وجود إجهادات شد وبيئات كلوريد عدوانية، يتواجد بعض الخطر، خصوصًا إذا كان هناك شيخوخة مفرطة موضعية أو لاتجانسية في البنية المجهرية. التفاعلات الجلفانية تفضل استخدام معادن مشابهة أو أكثر نبلاً بحذر؛ حيث يتآكل الألمنيوم تفضيليًا عند اقترانه بالفولاذ أو النحاس ما لم يتم عزله أو توفير أنودات تضحوية.

خصائص التصنيع

القابلية للحام

6151 يُلحم بسهولة بعمليات الانصهار التقليدية مثل MIG (GMAW) وTIG (GTAW) عندما يأخذ التصميم في الاعتبار تليين منطقة التأثير الحراري (HAZ). تُستخدم سبائك ملء مثل ER4043 (AlSi) أو ER5356 (AlMg5) اعتمادًا على القوة المطلوبة ومقاومة التآكل؛ المحاليل التي تحتوي على السيليكون تحسن سريان المعدن وتقلل التشقق. لا يمكن للمعالجة الحرارية اللاحقة أن تعيد بالكامل خصائص T6 في منطقة HAZ، ويجب اتخاذ الحيطة ضد المسامية والتشقق الحراري أثناء تحضير المفاصل وإعدادات اللحام.

القابلية للتشغيل

القابلية للتشغيل في 6151 في التمبرا الأطرى جيدة وتقارب معايير عائلة 6xxx، مما يسمح بسرعات تغذية ومناولة معقولة باستخدام أدوات كربيد حديثة. تكون رقائق التشغيل عادة مستمرة إلى متقطعة حسب التمبرا والسماكة؛ استخدام أدوات ذات زاوية قطع موجبة، التبريد، وتثبيت العمل المستقر يحسن السطح. التمبرا الأقوى (T6) تزيد من تآكل الأدوات؛ يُنصح بتقليل عمق القطع وزيادة الصلابة.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل البارد ممتازة في تمبرا O وH1x، تدعم السحب العميق والانحناءات الضيقة والمقاطع المعقدة. في التمبرا T5/T6، تقل قابلية التشكيل ويزداد الارتداد؛ من الأفضل تشكيل هذه التمبرا قبل الشيخوخة النهائية أو باستخدام معالجة حل وسط. نصف قطر الانحناء الأدنى الموصى به يعتمد على التمبرا والسماكة ولكن عادةً يتراوح من 1 إلى 3 أضعاف السماكة في الحالات الممطوطة وأكبر في T6.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبائك 6xxx قابلة للمعالجة حراريًا، يتبع 6151 تسلسل العلاج بالحل، التبريد المفاجئ ومعالجة التقدم بالترسيب. يتم إجراء المعالجة بالحل عند درجات حرارة كافية لإذابة Mg2Si (عادة ضمن نطاق سبائك Al–Mg–Si)، يليها تبريد سريع للاحتفاظ بحل صلب مشبع؛ ثم تتم معالجة تقدم مصطنعة بدرجات حرارة معتدلة لترسيب مراحل تقوية.

الشيخوخة الطبيعية (T4) تنتج زيادة أولية في القوة مع الوقت لكنها لا تصل إلى قيم الذروة الخاصة بالشيخوخة الاصطناعية. تُختار برامج الشيخوخة الاصطناعية (T5, T6) لموازنة القوة القصوى مقابل المتانة وللتحكم بالتشوه؛ التجاوز في الشيخوخة يؤدي إلى تضخم الترسيبات وتقليل الحد الأقصى للقوة مع تحسين الليونة ومقاومة SCC.

لمصممي المنتجات، تشير نسخة T651 إلى المعالجة بالحل بالإضافة إلى الشد لإزالة الإجهادات المتبقية قبل الشيخوخة الاصطناعية، وهو أمر مهم للمقاطع الدقيقة السماكة حيث يمكن أن تسبب التشوهات والإجهادات بقاء مشاكل.

الأداء في درجات الحرارة العالية

يفقد 6151 جزءًا كبيرًا من قوته عند درجة حرارة الغرفة مع ارتفاع درجة حرارة التشغيل فوق درجات الشيخوخة المعتادة، حيث يحدث تليين ملحوظ فوق نطاق ~150–200 °C. التعرض الطويل الأمد لدرجات حرارة مرتفعة يعجل من تضخم الترسيبات ويقلل من مقاومة الخضوع والمقاومة للتعب، مما يقيد درجات حرارة التشغيل المستمرة للأغراض الهيكلية.

الأكسدة في الهواء مرتفع الحرارة منخفضة نسبيًا مقارنة بالسبائك الحديدية بسبب طبقة الألومينا المستقرة، ولكن البيئات العدوانية والدورات الحرارية يمكن أن تعزز تقشر القشرة والتآكل الموضعي. مناطق HAZ المجاورة للحامات عرضة بشكل خاص لفقدان القوة ونمو الحبوب عند التعرض للحرارة، لذا فإن إدارة الحرارة والمعالجات بعد اللحام ضرورية لتطبيقات درجات الحرارة العالية.

الاستخدامات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 6151
السيارات	تشطيبات، بثقات هيكلية، حوامل خفيفة الوزن	نسبة قوة إلى وزن جيدة، تشطيب سطحي وقابلية التشكيل للأجزاء المختومة/المبثوقة.
البحرية	مقابض الأسطح، الدرابزين، العناصر المعمارية	توازن بين مقاومة التآكل وقابلية الأنودة للأجهزة الظاهرة.
الطيران	قطع تركيب ثانوية، هياكل داخلية	نسبة قوة إلى وزن مقبولة وقابلية تشغيل جيدة للهياكل غير الأساسية.
الإلكترونيات	موزعات حرارة، هياكل	موصلية حرارية عالية مع قدرة هيكلية للمحافظات.

غالبًا ما يُحدد 6151 حيث يحتاج المصممون إلى ألومنيوم متوسط إلى عالي القوة قابل للأنودة أو الطلاء وقابل للالتحام أو التشغيل التقليدي. تعدد استخداماته عبر أشكال المنتجات والتمبرا يجعله الاختيار المفضل للعناصر المعمارية المبثوقة والأجزاء الهيكلية متوسطة التحميل.

نصائح اختيارية

للأجزاء الهيكلية الخفيفة الوزن التي تحتاج قوة أعلى من السبائك النقية تجاريًا مثل 1100، يقدم 6151 تحسنًا واضحًا في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد مع التخلي عن جزء من الموصلية الكهربائية وقابلية التشكيل. اختر 6151 عندما تكون قدرة التحميل الميكانيكي واللمعان السطحي (الأنودة) أولوية وأما الموصلية فلا تشكل متطلبًا أساسيًا.

مقارنة بالسبائك المُقعدة ميكانيكيًا مثل 3003 أو 5052، يوفر 6151 قوة أعلى قابلة للتحقيق بالشيخوخة مع محافظته على مقاومة تآكل مماثلة في العديد من البيئات. اختر 6151 عندما تكون القمة في القوة وقدرة الشد الحراري مرغوبة؛ وفضل 5052/3003 عندما تكون قابلية التشكيل ومقاومة التآكل البحري في الظروف القاسية هي العوامل المسيطرة.

مقارنةً مع الألمنيوم القابل للمعالجة الحرارية المماثل مثل 6061 أو 6063، قد يُختار 6151 لأداء معين في عملية البثق، أو لمتطلبات سطحية، أو اعتبارات التوريد على الرغم من تمتعها عادةً بقوى قصوى مشابهة أو مختلفة قليلاً. يجب على المهندسين تقييم البيانات الميكانيكية الخاصة بدرجات التصلب، وسلوك الأنودة، والتوفر عند اختيار بين 6151 وسبائك Al–Mg–Si الأخرى.

الخلاصة

تظل 6151 سبائك Al–Mg–Si ذات صلة ومتعددة الاستخدامات للتطبيقات الهندسية التي تتطلب مزيجًا عمليًا من القوة، ومقاومة التآكل، وجودة السطح. يجعلها قابليتها للمعالجة الحرارية وتوفرها الواسع في أشكال البثق والتشكيل اليدوي خيارًا عمليًا لمكونات هندسية في المجالات المعمارية، والسيارات، والبحرية حيث الأداء المتوازن وقابلية التشطيب مطلوبان.