الألومنيوم 6951: التركيب الكيميائي، الخصائص، دليل الحالة الحرارية والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
الدرجة 6951 هي جزء من سلسلة سبائك الألومنيوم 6xxx، والتي تُصنف بشكل عام على أنها سبائك Al-Mg-Si وقابلة للمعالجة الحرارية من خلال تقسية الترسيب. تنتمي إلى مجموعة فرعية من سبائك 6xxx التي تحتوي على كمية معتدلة من النحاس وكميات متحكم بها من الزنك والكروم لزيادة القوة وتعديل سرعة التقدم بالترسيب مع الحفاظ على أداء جيد ضد التآكل.
العناصر الرئيسية في السبائك 6951 تشمل المغنيسيوم والسليكون (لترسيبات Mg2Si المقوية)، مع النحاس كعامل مقصود لزيادة القوة وتسريع التقسية. تُضاف كميات ضئيلة من الكروم والتيتانيوم وكذلك الحديد والمنجنيز بنسب محكومة للسيطرة على بنية الحبيبات، وإعادة التبلور، وتشكيل الجسيمات المشتتة التي تؤثر على المتانة، وسلوك منطقة التأثر بالحرارة (HAZ)، وعمر التعب.
آلية التقوية الرئيسية هي تقسية الترسيب مع تقسية ميكانيكية محدودة؛ حيث ينتج المعالجة بالتحليل ثم التعتيق الاصطناعي ترسيبات دقيقة من Mg-Si (ومعدلة بالنحاس) تقوم بقفل الانزلاقات. تشمل الصفات الأساسية نسبة قوة إلى وزن مرتفعة مقارنة بسبائك 6xxx القياسية، مقاومة جيدة للتآكل العام، قابلية معقولة للحام مع بعض المخاطر في تليين HAZ، وقابلية تشكل متوسطة في حالات الدرجات الأطرى.
تستخدم 6951 بشكل شائع في الصناعات الجوية كإطارات فرعية وتركيبات، الهاردوير العسكري، مكونات السيارات عالية الأداء وبعض الأجزاء الهيكلية البحرية حيث يتطلب التوازن بين القوة، مقاومة التآكل، والقدرة على التصنيع. يختار المهندسون 6951 عندما يكون هناك حاجة إلى قوة قصوى أعلى وتوازن ملائم بين التعب والوزن دون التكاليف أو قيود التصنيع أو مشاكل الأنودة المتعلقة بأعلى سبائك سلسلة 7xxx.
الدرجات/التمبير
| التمبير | مستوى القوة | الاستطالة | القابلية للتشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالٍ | ممتازة | ممتازة | مطيل بالكامل للتشكيل والسحب |
| H111 / H11 | منخفض-متوسط | متوسط-عالٍ | جيدة جداً | جيدة | مقوى خفيف بالتشغيل مع احتفاظ ببعض القابلية للتشكيل |
| H14 | متوسط | متوسط | جيدة | جيدة | تشغيل بمراحل واحدة لزيادة مقاومة الخضوع |
| T4 | متوسط | متوسط-عالٍ | جيدة | جيدة | معتق طبيعياً بعد التحليل؛ خواص متوسطة |
| T5 | متوسط-عالٍ | متوسط | مقبولة | جيدة | مبرد بعد التشكيل ومعتق اصطناعياً |
| T6 | عالٍ | منخفض-متوسط | محدودة | جيدة (مع تليين HAZ) | معالجة بتحليل وتعتيق اصطناعي حتى تصل لأقصى قوة |
| T651 | عالٍ | منخفض-متوسط | محدودة | جيدة (مع تليين HAZ) | T6 بالإضافة لإزالة الإجهاد بالتطويل؛ شائعة في التطبيقات الجوية |
| H24/H34 | متوسط-عالٍ | متوسط | مقبولة | جيدة | مزيج من التشغيل والتعتيق الاصطناعي للخواص المسيطر عليها |
التمبير له تأثير أساسي على القوة، الليونة، وقابلية التشكيل في 6951، حيث تُستخدم درجات O وسلسلة H في التشكيل الثقيل والسحب العميق. توفر درجات T6 وT651 أعلى القوى الثابتة وأفضل أداء في التعب ولكن تقلل القابلية للتشكيل وتزيد حساسية المادة للحرارة أثناء اللحام.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.4–1.0 | يتفاعل مع المغنيسيوم لتكوين ترسيبات Mg2Si المقوية |
| Fe | 0.1–0.5 | شائبة تشكل مركبات بينية؛ محكومة للحد من الهشاشة |
| Mn | 0.05–0.3 | معدّل بنية الحُبيبات؛ كميات صغيرة تحسن المتانة |
| Mg | 0.6–1.3 | العنصر الأساسي للتقوية عبر Mg2Si؛ يتحكم في تقسية الترسيب |
| Cu | 0.6–1.5 | يرفع القوة، يسرّع التعتيق ويؤثر على التآكل وHAZ |
| Zn | 0.05–0.30 | إضافة بسيطة لضبط القوة واستجابة التعتيق |
| Cr | 0.05–0.35 | يسيطر على إعادة التبلور وتشكيل الجسيمات المشتتة وثبات HAZ |
| Ti | 0.02–0.15 | مُنعِّم بنية الحُبيبات يستخدم أثناء الصب/البثق |
| عناصر أخرى | المتبقي (بما في ذلك كميات أثرية من Zr، و B) | إضافات صغيرة أو شائبة للتحكم في العملية |
تركيبة 6951 مصممة لتعزيز ترسيبات Mg-Si مع عمل النحاس كعامل تقوية ومعدل للعتيق. تتحكم نسب السليكون والمغنيسيوم في حجم وثبات ترسيبات Mg2Si، في حين يعدل النحاس تسلسل وترسيب هذه الجسيمات مما ينتج قوة قصوى أعلى. تشكل عناصر الكروم والعناصر الأثرية جسيمات مشتتة تحد من نمو الحبيبات وتحسن خواص HAZ وعمر التعب.
الخواص الميكانيكية
السلوك الشدّي في 6951 مميز لسبائك Al-Mg-Si-Cu المعالجة حرارياً: يحدث زيادة كبيرة في القوة بعد المعالجة التحليلية والتعتيق الاصطناعي نتيجة تكوّن ترسيبات دقيقة. نسبة مقاومة الخضوع إلى الشد تعتمد على التمبير والمعالجة، حيث يمكن أن تظهر حالات التعتيق الأقصى مقاومات إثبات عالية مع استطالة معتدلة. الاستطالة في الحالة المطيلة عالية للتشكيل، لكنها تنخفض بشكل كبير في درجات T6/T651 بسبب زيادة حساسية المادة للتقلص الموضعي.
تُظهر الصلادة نفس الاتجاه مع مقاومة الشد وتستخدم مؤشرًا عمليًا للتحقق من التمبير على أرض المصنع؛ تزداد الصلادة بحوالي 2–3 أضعاف من الدرجة O إلى T6 في سمك المنتج المماثل. يستفيد أداء التعب من وجود ترسيبات دقيقة ومتوزعة بشكل منتظم وبنية دقيقة مسيطرة؛ تؤثر نعومة السطح، الإجهادات المتبقية والسماكة تأثيرًا قويًا على حد التعب. تأثير السماكة هام لأن القطاعات العرضية الأكبر تؤدي إلى توزيع أوسع للترسيبات ومعدلات تبريد أبطأ، مما قد يقلل القوة القصوى المتاحة ويغير سلوك تليين HAZ.
| الخاصية | O / مطيل | التمبير الرئيسي (مثلاً T6/T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 110–180 MPa | 320–420 MPa | مدى واسع يعتمد على السماكة، التعتيق والكيمياء الدقيقة |
| مقاومة الخضوع | 55–110 MPa | 280–380 MPa | مقاومة الإثبات تزداد بشكل ملحوظ مع التعتيق الاصطناعي |
| الاستطالة | 18–30% | 8–15% | تنخفض الليونة في درجات التعتيق الأقصى؛ تتأثر بالسمك |
| الصلادة | 25–50 HB | 90–140 HB | الصلادة مرتبطة بكثافة وتوزيع الترسيبات |
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.78 g/cm³ | نمطية لعائلة سبائك Al-Mg-Si |
| مجال الانصهار | 555–640 °C | الفاصل تقريبا بين الصلب والسائل |
| التوصيل الحراري | ~140–160 W/m·K | منخفض قليلاً عن الألمنيوم النقي بسبب السبائكية |
| التوصيل الكهربائي | ~30–38 %IACS | أقل من الألمنيوم النقي؛ يعتمد على التمبير |
| الحرارة النوعية | ~880–910 J/kg·K | قريبة من قيمة الألمنيوم النقي |
| التمدد الحراري | ~23.5–24.5 µm/m·K | معامل التمدد الخطي النموذجي لسبائك الألمنيوم |
تجعل هذه الخواص الفيزيائية من 6951 خيارًا جذابًا حيث يكون الوزن الخفيف وإدارة الحرارة مطلوبين، على الرغم من أن التوصيل يتم التضحية به مقابل القوة الناتجة عن السبائكية. يجب مراعاة التمدد الحراري والتوصيل في التجميعات التي تشمل مواد مختلفة لأن التفاوت قد يؤدي إلى تعب حراري وضغوط على الوصلات.
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | التمبيرات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح (Sheet) | 0.4–6.0 mm | تقل القوة قليلاً مع زيادة السماكة | O, H14, T4, T6 | تستخدم للألواح والواجهات المشكّلة |
| لوح (Plate) | >6 mm حتى 100 mm | حساسية تبريد أبطأ؛ قوة قصوى أقل من السماكات الرقيقة | O, T6 | مكونات هيكلية وقواعد آلات |
| بثق (Extrusion) | بروفيلات بطول عدة أمتار | قوة جيدة في درجات T6/T651 بعد التعتيق | T5, T6, T651 | بروفيلات معقدة للتركيبات والسكك |
| أنابيب (Tube) | أقطار وسماكات متنوعة | ملحومة أو بدون لحام؛ الخواص تعتمد على المعالجة | Hx, T5, T6 | خطوط السوائل، أنابيب هيكلية |
| قضيب/صفيحة (Bar/Rod) | أقطار حتى 200 mm | بنيوي موحد مطلوب لثبات الخواص | O, T6 | تركيبات، مكونات مُشغّلة |
الشكل وطريقة المعالجة تتحكم في معدلات التبريد وإعادة التبلور، مما يؤثر على القوة والمتانة النهائية في 6951. يمكن تبريد البثق والألواح الرقيقة بسرعة والوصول بسهولة إلى درجات التمبير القصوى، بينما تحتاج الألواح السميكة إلى تحكم دقيق في العملية وربما معالجات حرارية ميكانيكية للاقتراب من الخواص المشابهة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 6951 | الولايات المتحدة الأمريكية | تسمية تستخدم في أدبيات المصنع/المنتج |
| EN AW | لا يوجد مكافئ مباشر | أوروبا | البدائل الشائعة الأقرب: EN AW-6061 / EN AW-6082 حسب الاستخدام |
| JIS | لا يوجد مكافئ مباشر | اليابان | لا توجد درجة موحدة في JIS تطابق 6951 مباشرة |
| GB/T | لا يوجد مكافئ مباشر | الصين | قد يتم تحديد سبائك محلية ذات تركيبات كيميائية مشابهة؛ يجب التحقق من البيانات |
لا يوجد دائمًا مرجع تقاطع دقيق لتسمية دولية واحدة للعديد من النسخ الخاصة مثل 6951؛ لذلك يجب على المستخدمين التحقق من التركيب الكيميائي وخصائص المادة بدلاً من الاعتماد فقط على التكافؤ الاسمي. في التطبيق العملي، غالبًا ما يُستخدم 6061 أو 6082 كبدائل وظيفية للمقارنات التصميمية، ولكن محتوى النحاس واستجابة التشيخ في 6951 ينتجان مقاومات ذروية مختلفة وحساسية منطقة تأثير الحرارة (HAZ) متنوعة.
مقاومة التآكل
في البيئات الجوية، يوفر 6951 مقاومة عامة جيدة ضد التآكل مقارنةً بالسبائك الأخرى من سلسلة 6xxx، مدعومة بتكوين طبقة أكسيد مستقرة ومحتوى نحاس منخفض نسبيًا مقارنة بسلسلة 2xxx أو 7xxx. مقاومة التآكل الموضعية جيدة ولكنها تعتمد على المعالجة الحرارية والتشطيب السطحي؛ درجات التشيخ الذري التي تحتوي على النحاس قد تظهر مقاومة مخدوشة أقل مقارنة بالسبائك منخفضة النحاس.
يتطلب التعرض البحري عناية خاصة: يعمل 6951 بشكل مقبول في الظروف البحرية الخارجية ومنطقة الرش ولكنه قد يحتاج إلى طلاءات، أو تأنيد أنودي، أو حماية تضحياتية عند التعرض لفترات غمر طويلة في مياه البحر العدوانية. تعرض الشقوق الناجمة عن إجهاد التآكل معتدل ويتأثر بدرجة المعالجة الحرارية والضغوط المتبقية؛ بحيث تكون الظروف المصنعة بالتشيخ الذري مع ضغوط شد متبقية أكثر عرضة للخطر مقارنة بالمواد المعالجة بالمعالجة الحرارية أو المخففة من الإجهاد.
تتبع التفاعلات الجلفانية سلوك الألمنيوم القياسي: عند اقترانه مع معادن أكثر نبالة (كالصلب المقاوم للصدأ، النحاس/البرونز) يتآكل 6951 تفضيليًا ما لم يكن معزولًا كهربائيًا؛ كما أن التأنيد الأنودي يحسّن مقاومة السطح ويقلل التآكل الجلفاني. بالمقارنة مع سبائك سلسلة 5xxx المقواة بالمغنيسيوم، يضحي 6951 ببعض مقاومة التآكل البحرية الفطرية مقابل قوة أعلى وقابلية أفضل للتشيخ الذري.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يمكن لحام 6951 بعمليات الانصهار الشائعة (TIG, MIG)، لكن السبائك تظهر بعض التليين في منطقة تأثير الحرارة (HAZ) بسبب ذوبان وتكبير مقرنات التقوية. يمكن التخفيف من بعض فقدان القوة عبر اختيار سبائك حشو متوافقة القوة (مثلاً 4043، 5356 حسب متطلبات الوصلات) والمعالجات الحرارية قبل وبعد اللحام. خطر التشقق الحراري متوسط ويتأثر بتصميم الوصلة، سرعة اللحام، والنظافة؛ لذلك فإن تركيبات الوصل المناسبة والتحكم في تركيبة حمم اللحام أمران مهمان.
قابلية التشغيل
تشغيل 6951 يتسم بالطابع النموذجي لسبائك Al-Mg-Si القابلة للمعالجة الحرارية وعادةً ما يكون جيدًا في درجات T6/T651 بسبب الصلادة الأعلى التي تمنح تكوين رقائق مستقرة. تؤدي أدوات الكربيد ذات الزاوية الإيجابية وتوفير التبريد الكافي إلى أفضل أوقات الدورات؛ يمكن أن تكون سرعات القطع عالية مقارنة بالصلب ولكن يجب اختيارها لتجنب تراكم الرقائق على الأدوات. التشطيب السطحي والضبط الأبعاد ممتازان، لكن يمكن أن تؤثر الضغوط المتبقية الناتجة عن التشغيل على أجزاء حساسة للإجهاد، لذا قد تكون هناك حاجة لتخطيط العمليات ومعالجات تخفيف الإجهاد.
قابلية التشكيل
يُفضل التشكيل في درجات الصلادة الأقل (O, H1x, T4) حيث تكون القدرة على السحب ونصف قطر الثني ممتازة؛ مع تزايد صلابة المعالجة (H2x, H14) تقل قابلية التشكيل لكن تتحسن السيطرة على ارتداد الربيع. في درجات T6/T651 يمتلك السبائك قدرة محدودة على التشكيل البارد ويكون عرضة للتشقق عند الانحناءات الحادة؛ يمكن استخدام المعالجة الحرارية وإعادة التشيخ الذري أو التشكيل الدافئ لتحقيق أشكال معقدة مع تقليل التشقق. ينبغي تحديد نصف قطر الحد الأدنى للثني وسماحات التشكيل بناءً على تجارب للجبريات الحرجة.
سلوك المعالجة الحرارية
كبوليّ حراري، يستجيب 6951 للمعالجة الحرارية التقليدية بالتحليل والشيخوخة الاصطناعية. تتم المعالجة الحرارية للتحليل عند درجات حرارة كافية لإذابة مركبات Mg2Si والطور المحتوي على النحاس (عادة ضمن مدى 510–540 °C للعديد من سبائك 6xxx)، تليها التبريد السريع لتثبيت محلول صلب فوق مشبع. تعتبر معدلات التبريد الصحيحة حاسمة لتعظيم حجم المادة المذابة المتاحة للترسيب والتحقيق في القوة الذروية.
تؤدي الشيخوخة الاصطناعية (T5/T6) إلى ترسيب مراحل دقيقة من Mg-Si والطور المحتوي على النحاس؛ تكون حركية الشيخوخة أسرع والقوى الذروية أعلى مع تعديل النحاس، إلا أن الثبات الحراري وسلوك الشيخوخة الزائدة يجب التحكم فيهما لتجنب الانخفاض المفرط في الخصائص. انتقالات حالة T معكوسة ضمن حدود: يمكن إعادة معالجة القطع بالتحليل والشيخوخة الاصطناعية إلى T6، أو العمل البارد الجزئي مع شيخوخة اصطناعية إلى متغيرات H2x/H3x للحصول على توليفات خاصة للحد الأدنى من مقاومة الخضوع والمتانة. بالنسبة لمسارات المعالجة غير الحرارية، يُستخدم التقسية التدريجية والتمديد الحراري لتعديل الخصائص حسب التطبيق.
الأداء في درجات الحرارة العالية
يفقد 6951 تدريجيًا مقاومة الخضوع والقوة القصوى فوق درجات الحرارة التشغيلية النموذجية؛ ويتوقع تدهور كبير في القوة فوق ~150 °C مع تكبير وذوبان المقرنات. يكون تأكسد السطح في الهواء طفيفًا عند درجات الحرارة المرتفعة المعتدلة نظرًا لطبقة الألومينا المستقرة، لكن التعرض الحراري الطويل سيغير بنية المقرنات ويقلل المقاومة للإجهاد والتعب والثبات الساكن.
تكون مناطق تأثير الحرارة في اللحام حساسة بشكل خاص للتليين عند درجات الحرارة المحلية المرتفعة بسبب ذوبان المقرنات والشيخوخة الزائدة؛ يمكن لاستراتيجيات تقليل المدخلات الحرارية، والشيخوخة ما بعد اللحام، أو المعالجات الموضعية أن تستعيد جزءًا كبيرًا من القوة الأصلية. للخدمات الطويلة الأمد في درجات الحرارة المرتفعة، يجب النظر في سبائك ألومنيوم أخرى مقاومة للحرارة العالية أو مواد غير الألمنيوم بناءً على متطلبات الزحف.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | سبب استخدام 6951 |
|---|---|---|
| السيارات | الدعائم الهيكلية، حوامل الشاسيه | قوة نوعية عالية، أداء جيد ضد التعب |
| البحرية | عوامل التقوية والهياكل الفرعية | توازن مقاومة التآكل والقوة |
| الفضاء الجوي | الملحقات، أعضاء هيكلية صغيرة | نسبة قوة إلى وزن محفزة وتحكم في HAZ مع T651 |
| الدفاع | حوامل الأسلحة والأغطية المقواة | قوة ثابتة عالية مع قابلية تشغيل جيدة |
| الإلكترونيات | الأغطية وناشري الحرارة | موصلية حرارية وتشغيل جيدان |
يتم اختيار 6951 في التطبيقات التي تحتاج إلى سبيكة 6xxx ذات قوة أعلى دون الانتقال إلى السلاسل الأثقل أو الحساسة أكثر للتآكل. تسمح قابلية تشغيلها وتنوع أشكالها للمصممين بتحديد مكونات معقدة تستفيد من قوة ذروية أعلى مع الحفاظ على أداء مقبول للتآكل.
نصائح الاختيار
استخدم 6951 عندما تحتاج إلى قوة ذروية أعلى من سبائك 6xxx القياسية مع الاحتفاظ بمقاومة تآكل معقولة وقابلية تشغيل جيدة. إنه خيار عملي للمكونات متوسطة إلى عالية القوة حيث يكون عمر التعب من العوامل التصميمية الأساسية وتكون درجات المعالجة T6/T651 مقبولة.
بالمقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي (مثل 1100)، يقدم 6951 قوة ومقاومة تعب أعلى على حساب الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل الفائقة. بالمقارنة مع السبائك المقواة بالعمل مثل 3003 أو 5052، يمنح 6951 مقاومات خضوع وشد أعلى بكثير لكنه يتمتع بمقاومة تآكل بحرية أقل وقابلية تشكل بارد أقل. وبالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، قد يُفضل 6951 عند الحاجة إلى توليفة مختلفة قليلاً من القوة، استجابة التشيخ، وأداء التعب، بالرغم من أنه لا يقدم دائمًا قوى ذروية أعلى من أفضل سبائك 7xxx أو 2xxx المتخصصة.
الملخص الختامي
يظل 6951 ملائمًا للهندسة الحديثة حيث يتطلب التوازن الهندسي بين قوة تقسية التترسيب، أداء التعب، ومقاومة التآكل المعقولة. تجمع مرونته في العمليات عبر الأشكال من الصفائح، الألواح، والسباكة مع قابلية التشغيل الموثوقة مما يجعله مرشحًا قويًا لتطبيقات الفضاء، الدفاع، والسيارات عالية الأداء حيث تكون نسب القوة إلى الوزن المثلى ضرورية.