الألومنيوم 6069: التركيب، الخواص، دليل التخشين، والتطبيقات

نظرة شاملة

الدرجة 6069 هي من سبائك الألومنيوم من سلسلة 6xxx، والتي تُسبَك بشكل رئيسي بالمغنيسيوم والسيليكون لتكوين طور تقوية Mg2Si. وباعتبارها سبائك من سلسلة 6xxx، تصنف كسبائك قابلة للمعالجة الحرارية بالتقسية بالتساقط، مع إمكانية تحقيق قوة أعلى من العديد من درجات سلسلة 1xxx–5xxx المعالجة بالتصلب البارد، مع الاحتفاظ بقابلية تشكيل جيدة ومقاومة للتآكل.

العناصر الرئيسية في السبائك هي السيليكون والمغنيسيوم، مع كميات محكومة من الحديد والنحاس وعناصر أثرية مثل الكروم والتيتانيوم لضبط القوة وبنية الحبيبات واستجابة السبائك للمعالجة الحرارية. آلية التقوية تعتمد بشكل رئيسي على المعالجة الحرارية بالحل تليها التشيُّخ الصناعي، مما يؤدي إلى ترسيب نوى Mg2Si بشكل ناعم يعوق حركة الانزلاقات ويرفع مقاومة الخضوع ومقاومة الشد.

الصفات الرئيسية للدرجة 6069 تشمل توازن قوي بين القوة المرتفعة، مقاومة جيدة لتأثيرات الجو، قابلية جيدة للّحام باستخدام سبائك حشو مناسبة، وقابلية تشكيل متوسطة في الحالات اللينة. الصناعات النموذجية التي تستخدم 6069 تشمل مكونات هياكل السيارات، تركيبات الطيران، البثق الدقيق، ومكونات هندسية عامة تتطلب مزيجاً من القوة وسهولة التشغيل والمقاومة للتآكل.

يختار المهندسون 6069 عندما يحتاجون إلى سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية يمكن أن تحقق قوة هيكلية أعلى من 6063 مع تقديم قدرة بثق أفضل وتشطيب سطحي أفضل من سبائك سلسلة 7xxx الأعلى قوة. وتُفضّل هذه الدرجة على 6061 في التطبيقات التي تتطلب تحسين قابلية البثق أو استجابة شيخوخة معينة، وعلى السبائك غير المعالجة حرارياً عند الحاجة إلى نسبة قوة إلى وزن متفوقة مع أداء تآكل معقول.

أنواع التصلب

درجة التصلب	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	حالة أنيلة بالكامل لأقصى ليونة
H14	متوسطة	متوسطة-منخفضة	جيدة	جيدة	تشديد بالتصلب بالتشويه، تقوية باردة محدودة
T4	متوسطة	متوسطة	جيدة	جيدة	معالجة حرارية بالحل مع شيخوخة طبيعية
T5	متوسطة-عالية	متوسطة	جيدة	جيدة	تبريد من درجة حرارة مرتفعة مع شيخوخة صناعية
T6	عالية	منخفضة-متوسطة	مقبولة	جيدة	معالجة حرارية بالحل مع شيخوخة صناعية للقوة القصوى
T651	عالية	منخفضة-متوسطة	مقبولة	جيدة	معالجة حرارية بالحل مع تخفيف الإجهاد عن طريق الشد، تليها شيخوخة T6

يُغير التصلب بشكل كبير سلوك 6069 الميكانيكي والتشكيل عن طريق تغيير حجم وتركيز الترسيبات؛ إذ تمتزج عناصر السبائك عند المعالجة الحرارية بالحل، ثم يُحبس التبريد المفاجئ هذه العناصر في محلول صلب مشبع فوق اللازم ليتم التحكم بتقوية مصطنعة لاحقاً. يؤدي التشيُّخ الصناعي في حالات T5/T6 إلى تكوين ترسيبات Mg2Si دقيقة تزيد من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد، لكنها تقلل من الاستطالة وقابلية التشكيل بزوايا حادة مقارنةً بحالات O أو T4.

التركيب الكيميائي

العنصر	نسبة %	ملاحظات
Si	0.6–1.2	مساهم رئيسي في تكون ترسيبات Mg2Si المقوية
Fe	0.10–0.50	عنصر شوائب؛ يؤثر على القوة وتكوين المركبات بين الفلزات
Mn	0.0–0.20	معدل للبنية المجهرية، يحسن القوة والنسيج المعدني
Mg	0.8–1.4	يتحد مع السيليكون لتشكيل ترسيبات Mg2Si المقوية
Cu	0.0–0.25	إضافات صغيرة تزيد القوة لكنها قد تقلل مقاومة التآكل
Zn	0.0–0.25	كميات صغيرة؛ الزنك الزائد يسبب مركبات بينية وهشاشة
Cr	0.00–0.10	يضبط بنية الحبيبات وميلها لإعادة التبلور
Ti	0.00–0.15	منعم للبنية عند استخدامه بكميات مضبوطة
عناصر أخرى	رصيد/أثر	مخلفات وعناصر أثرية محكمة لضبط الخواص

يحدد السيليكون والمغنيسيوم إمكانية تقسية التساقط من خلال كيمياء طور Mg2Si؛ حيث يتحكم محتوى السيليكون في النسبة التركيبية وسلوك التبلور، بينما يتحكم المغنيسيوم في حجم كسر الترسيبات المقوية. العناصر الثانوية مثل الحديد والنحاس تؤثر على المركبات بين الفلزات عند الصب، مظهر التأكسد الكهربائي ومقاومة التآكل الموضعي، في حين يستخدم الكروم والتيتانيوم لضبط حجم الحبيبات وعملية إعادة التبلور أثناء العمليات الحرارية الميكانيكية.

الخصائص الميكانيكية

يعتمد سلوك الشد للدرجة 6069 بشكل كبير على حالة التصلب: ففي الحالة الأنيليّة تظهر منحنيات شد مطيلة مع مقاومة خضوع منخفضة نسبياً وقوة شد معتدلة، أما في حالات التصلب من نوع T6 فيتضمن منحنى الإجهاد والانفعال مقاومات خضوع وقوة شد أعلى مع انخفاض الاستطالة المنتظمة. غالباً ما يظهر سلوك الخضوع حد تناسبي واضح يتبعه تصلب تشوهي؛ وكمية التصلب بعد الخضوع معتدلة مقارنةً بالألمنيوم عالي النقاء لكنها مناسبة للتطبيقات الهيكلية.

تتراوح الاستطالة بين قيم عالية في حالات O (عادة نسب مئوية من خانتين) إلى قيم أحادية أو منخفضة مزدوجة في حالات التصلب الناضج؛ يجب أخذ الانخفاض في قابلية الثني والحساسية للشقوق في الحسبان عند التصميم. الصلادة تتناسب جيداً مع مقاومة الشد وتُتابع عادة عبر مقاييس برينل، روكويل أو فيكرز للتحكم بدورات التشيخ؛ حيث تظهر حالة 6069 المركزة تدريجياً صلادة أكبر بكثير مقارنة بالحالات الأنيليّة.

تحسن الأداء في مقاومة الإجهاد المتكرر بفضل السطوح المشذبة جيداً للقطع والبثق والمعالجات الحرارية المناسبة بعد اللحام حيثما يُطبق، لكنها تظل حساسة لعوامل مثل العيوب السطحية، علامات التشغيل وعيوب اللحام. تؤثر السماكة بشكل واضح على القوة الممكنة وفترات التشيخ؛ تحتاج القطاعات السميكة لفترات معالجة حرارية بالحل أطول وتكون أكثر عرضة لإجهادات بقايا ناتجة عن التبريد المفاجئ وترسيب غير متجانس.

الخاصية	حالة O/أنيلية	حالة رئيسية (T6/T651)	ملاحظات
قوة الشد	120–180 MPa (نموذجية)	280–340 MPa (نموذجية)	تعتمد قوة الحالة الناضجة على التركيب الدقيق وجدول التشيخ
مقاومة الخضوع	60–110 MPa (نموذجية)	240–300 MPa (نموذجية)	الحساسية لسرعة التبريد بعد المعالجة الحرارية عالية
الاستطالة	12–30%	6–12%	الاستطالة تقل بزيادة مستوى القوة
الصلادة	25–50 HB	85–120 HB	الصلادة تعكس حالة التشيخ وتُستخدم في التحكم بالعمليات

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.70 جم/سم³	نموذجية لسبائك ألمنيوم-Mg-Si؛ تؤثر على حسابات الوزن
نطاق الانصهار	~555–650 °C	مدى الحالة الصلبة والسائلة يعتمد على نسبة السيليكون والمغنيسيوم والعناصر الثانوية
التوصيل الحراري	~140–170 واط/م·ك	أقل من الألمنيوم النقي لكنه جيد لإدارة الحرارة
التوصيل الكهربائي	~28–38 % IACS	أقل من الألمنيوم النقي بسبب السبائكية؛ التصلب له تأثير طفيف
السعة الحرارية النوعية	~0.90 جول/جم·ك	مفيدة في التحليلات الحرارية العابرة
معامل التمدد الحراري	~23–24 ميكرون/م·ك (20–100 °C)	مماثل لسبائك 6xxx الأخرى؛ هام لتصميم الإجهادات الحرارية

تجعل الكثافة والخصائص الحرارية من 6069 خياراً جذاباً حيث يتطلب الأمر نسبة قوة إلى وزن عالية وتوصيل حراري معقول، مثل مكونات تبديد الحرارة في السيارات والإلكترونيات. نطاق الانصهار يوجه ممارسات اللحام والتلحم؛ وينبغي تجنب التسخين الموضعى المفرط الذي قد يؤدي لنمو حبيبات زائد أو تشيخ مفرط.

التوصيل الكهربائي متوسط وينخفض قليلاً مع زيادة السبائك والتصلب البارد؛ يجب على المهندسين أخذ ذلك بعين الاعتبار عند تحديد 6069 لتطبيقات كهربائية أو كهرومغناطيسية. معامل التمدد الحراري نموذجي لسبائك الألمنيوم ويجب الأخذ به في الاعتبار عند تجميع قطع من مواد مختلفة لتجنب الإجهادات الحرارية أو التسرب خلال نطاقات درجات التشغيل.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التمبرا الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	سماكة متجانسة، شيخوخة متوقعة	O, T4, T5, T6	تُستخدم لألواح الهيكل، الأغلفة ومشتتات الحرارة
صفائح	6–50 mm	تتطلب أوقات نقع أطول للمعالجة الحرارية بالحل	O, T6, T651	صفائح إنشائية للمكونات المعالجة
بثق	بروفيلات معقدة، سماكة الجدار 1–25 mm	قوة جيدة عند التشيخ	T4, T5, T6	مستخدمة بشكل واسع للأطر الإنشائية والمقاطع
أنبوب	قطر خارجي 6–250 mm	يعتمد على عمليات البثق والسحب	O, T4, T6	هياكل أنبوبيّة مائية أو مسحوبة
قضيب/عصا	3–200 mm	مخزون صلب للتشغيل	O, T6	تستخدم للوصلات، المثبتات والأجزاء المعالجة

تُعد الألواح والبثقات الأشكال التجارية السائدة لـ6069 لأن السبيكة تسمح بحصول على سطح أملس وأقسام دقيقة بعد البثق. تتطلب أشكال الصفائح والقضبان معالجة حرارية أكثر شدة لتوحيد التركيب الكيميائي والقضاء على التجزئة؛ تُباع هذه الأشكال عادة في حالة O أو مخففة التوتر لتسهيل المعالجة الحرارية اللاحقة.

تختلف طرق التشكيل حسب شكل المنتج: الثني والهبروفورمينج للألواح يفضلان التيمبراات اللينة مثل O أو T4، في حين أن البروفيلات المبثوقة المخصصة للاستخدام الإنشائي غالبًا ما يتم تقويتها إلى T5/T6 بعد التشكيل لتعظيم القوة. يجب أن تأخذ استراتيجيات التشغيل بعين الاعتبار التيمبرا وسماكة المقطع لتجنب تصلب العمل المفرط أو التليين الحراري.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	6069	الولايات المتحدة الأمريكية	التسمية الأساسية تحت نظام رابطة الألمنيوم
EN AW	6069	أوروبا	تسمية معادلة عامة؛ راجع المعايير الخاصة بالتيمبرا
JIS	A6069	اليابان	رقابة تركيب مماثلة؛ راجع JIS للحدود الدقيقة
GB/T	6069	الصين	توجد معايير محلية مكافئة؛ التركيبات الكيميائية قابلة للمقارنة عموماً

الدرجات المكافئة عبر المعايير متشابهة اسميًا لكنها قد تختلف في حدود الشوائب، الخواص الميكانيكية المضمونة والتيمبراات المسموح بها. عند تحديد 6069 للشراء الدولي، تحقق من المعيار الدقيق، التيمبرا وأية متطلبات إضافية مثل تشطيب السطح، الاستقامة ومعايير القبول لضمان الاستبدال.

مقاومة التآكل

تتمتع 6069 بمقاومة جيدة للتآكل الجوي العامة النموذجية لسبائك 6xxx بفضل الفيلم الساكن Al2O3 ودرجات السبائك المعتدلة التي تتجنب النشاط الجلفاني الشديد. في الأجواء الصناعية، تؤدي السبيكة أداءً جيدًا، كما أنها تقبل الطلاءات المؤكسدة الحامية بفعالية، مما يعزز مقاومة الهجوم الموضعي ويزيد من المتانة الجمالية.

في البيئات البحرية توفر 6069 مقاومة مقبولة لمياه البحر والطرقات المرتششة لكنها أقل مقاومة مقارنة بسلسلة 5xxx (غنية بالمغنيسيوم) في الظروف عالية الكلوريد؛ لذلك يجب على المصممين النظر في المعالجات السطحية، الحماية الكاثودية أو الطلاءات التضحية للتعرض البحري المطول. حساسية التشقق الإجهادي التآكلي منخفضة نسبيًا مقارنة بسلاسل 7xxx عالية القوة، رغم أن بقايا الشد، اللحامات وأنواع التيمبرا يمكن أن تزيد من الحساسية في ظروف معينة.

التفاعلات الجلفانية مع مواد أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس يمكن أن تسرع التآكل الموضعي لـ6069 عند وجود وصول للمحلول الإلكتروليتي؛ يجب تصميم النظام لتقليل الاتصال المباشر أو استخدام حواجز عازلة وخيارات المسامير المناسبة. بالمقارنة مع سلاسل 1xxx و5xxx، تتنازل 6069 عن بعض المقاومة الداخلية ضد التآكل لصالح قوة أفضل وقابلية للمعالجة الحرارية، لكنها تظل مفضلة مقارنة بسلاسل 2xxx و7xxx عالية القوة والأقل مقاومة للتآكل.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

تُلحَم 6069 جيدًا باستخدام عمليات الانصهار الشائعة مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW) عند اختيار سبائك الحشو المناسبة (مثل ER4043/ER4047 أو ER5356 حسب الخصائص المطلوبة). خطر التشقق الحراري معتدل ويمكن التحكم به من خلال تصميم الوصلات الجيد، الممارسات الصباحية للقطع السميكة، واستخدام معدن حشو متوافق؛ الحشوات المحتوية على النحاس قد ترفع القوة لكنها قد تقلل مقاومة التآكل. يحدث تليين في منطقة التأثير الحراري (HAZ) في التيمبراات المتشيخة بشكل كامل وقد يستلزم التشيخ بعد اللحام أو دورات إعادة الحل/التشيخ الموضعية لاستعادة الخواص.

القابلية للتشغيل

تُصنف قابلية التشغيل لـ6069 عادةً على أنها متوسطة؛ تشغل بسهولة أفضل من العديد من سبائك 7xxx بسبب انخفاض تصلب العمل وتشكيل الرقائق الأنظف مقارنة بالسبائك عالية النحاس. أدوات الكربيد ذات الزاوية الإيجابية ومعدلات التغذية العالية تعطي أفضل تشطيب سطحي وعمر للأداة، ويُنصح باستخدام المبردات للتحكم بدرجة حرارة الأداة وتجنب تكون الحواف المتراكمة. التحكم في الرقائق عمومًا ملائم لكن القطاعات ذات المقطع المتغير تتطلب برمجة دقيقة لتجنب الاهتزاز وزيادة الأبعاد بسبب حالة المخزون اللينة.

القابلية للتشكيل

القابلية للتشكيل ممتازة في التيمبراات المخرمة O والطبيعية التشيخ T4، مع إمكانية تحقيق أنصاف أقطار ثني معقولة اعتمادًا على السماكة والأدوات؛ الحد الأدنى لأنصاف الأقطار في الألواح الرقيقة قد يقترب من 1–2× السماكة في التيمبراات اللينة. يزيد التشغيل البارد من القوة لكنه يقلل اللدونة، لذا يتم غالبًا إجراء التشكيل المعقد قبل التشيخ النهائي لمكونات T5/T6. للثنيات الحادة أو السحب العميق، يُفضل اختيار التيمبراات اللينة والتزليق المضبوط، والاعتبار للتشيخ بعد التشكيل للوصول إلى المستويات الميكانيكية المطلوبة.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة قابلة للمعالجة الحرارية، تستجيب 6069 للمعالجة الحرارية بالحل، التبريد والتشيخ الاصطناعي لتطوير القوة القصوى. عادةً ما تتم معالجة الحل في نطاق 500–540 °C مع أوقات نقع متناسبة مع سماكة المقطع لإذابة Mg وSi في مصفوفة الألمنيوم، تليها تبريد سريع للحفاظ على محلول صلب مشبع فوق الحالتها الطبيعية. التبريد غير المناسب في القطاعات السميكة يمكن أن يؤدي إلى ترسيب جزئي، تقليل استجابة التشيخ وخواص ميكانيكية غير متجانسة.

تُجرى التشيخات الاصطناعية عادةً في نطاق 150–185 °C لجدوال T5/T6، مع ضبط الأوقات لتحقيق توازن بين القوة والمتانة؛ درجات حرارة أقل تطيل أوقات التشيخ وتحسن المتانة، في حين تسارع درجات حرارة أعلى القوة القصوى لكنها تقلل اللدونة. تحولات التيمبرا T تشمل مزيجًا من التشغيل البارد والتشيخ (مثل T4 إلى T6) ويجب التحكم بها بعناية لتجنب التشيخ الزائد الذي يخفض القوة ويزيد الحساسية للتآكل.

في خطوات المعالجة غير القابلة للمعالجة الحرارية مثل التخمير، تُجرى دورات التخمير الكامل لإعادة التبلور عند درجات حرارة أعلى تليها تبريد بطيء لتحقيق التيمبرا O وتعظيم اللدونة. التصلب الناتج عن التشوه البارد ممكن لكنه ينتج تقوية أقل ديمومة من تصلب الترسيب ويُستخدم غالبًا لتعديلات صغيرة أو خطوات تشكيل محددة.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تحافظ 6069 على قوة مفيدة حتى درجات حرارة مرتفعة معتدلة، ولكن مثل معظم سبائك Al–Mg–Si، تفقد القوة تدريجيًا فوق حوالي 100–150 °C مع ت coarsening للتراكيب وترقق الحواجز الفعالة لحركة الانزلاقات. للخدمة المستمرة بالقرب أو فوق درجات تشيخ الاصطناعية النموذجية، يجب على المصممين توقع انخفاضات ملحوظة في مقاومة الخضوع والحمولة المتكررة والنظر في استراتيجيات التثبيت الحراري أو استخدام سبائك بديلة.

الأكسدة قليلة بسبب الفيلم المؤكسد المستقر على الألمنيوم، لكن التعرض المطول في درجات حرارة عالية يمكن أن يسبب تقشير وتغيرات في المظهر السطحي والانبعاثية. يمكن لسلوك منطقة التأثير الحراري بالقرب من اللحامات تحت دورات حرارية مرتفعة أن يسبب مناطق لينة موضعية وانخفاض مقاومة الزحف؛ يجب تقييم المكونات المخصصة للخدمة بدرجات حرارة مرتفعة من حيث الاستقرار الميكروي البنيوي على المدى الطويل وسلامة الأبعاد.

مقاومة الزحف لـ6069 محدودة مقارنة بالسبائك المتخصصة للحرارة العالية ولا تُعتمد عادةً للحمل المستمر عند درجات حرارة مرتفعة. يُنصح بهوامش تصميم واختبار الخدمة للتطبيقات التي تواجه دورات حرارية أو تعرضًا طويل الأمد للحرارة.

التطبيقات

الصناعة	المكون النموذجي	سبب استخدام 6069
السيارات	بثقات هيكلية وحوامل الشاسيه	مزيج من القوة، القابلية للبثق ومقاومة التآكل المعتدلة
البحرية	أعضاء هيكلية غير حرجة وتركيبات	مقاومة جيدة للتآكل الجوي والمناطق المرتششة مع إمكانية التأنيق الأكسيدي
الفضاء	وصلات ثانوية وأُطُر الأجزاء العازلة	توازن القوة إلى الوزن وسلوك شيخوخة متوقع
الإلكترونيات	الشاسيهات ومشتتات الحرارة	موصلية حرارية وقابلية التشغيل للحصول على أجزاء دقيقة

غالبًا ما تُستخدم 6069 حيث يحتاج المصمم إلى حل وسط بين قوة 6061 وقابلية بثق 6063، مستفيدة من البروفيلات المعقدة المبثوقة التي تتطلب تشيخًا بعد البثق للوصول إلى القوى المستهدفة. كما تجعل قابلية التشغيل والتشطيب السطحي منها خيارًا مناسبًا للمكونات الدقيقة التي تخضع لعمليات ثانوية.

نصائح للاختيار

اختر 6069 عندما تحتاج إلى سبيكة يمكن معالجتها حراريًا وتوفر قوة أعلى من السبائك المعالجة بالتصلب عن طريق العمل مع الحفاظ على قابلية جيدة للسحب وجودة سطح ممتازة. تكون مفيدة بشكل خاص عند الحاجة إلى بروفايلات معقدة أو قطع مشغولة بدقة يجب تقويتها بعد التشكيل من خلال التقديد الحراري.

بالمقارنة مع الألمنيوم النقي تجاريًا (1100)، يقدم 6069 قوة أعلى وموصلية كهربائية أقل مقابل قدرة هيكلية وقابلية تشغيل أفضل؛ اختر 6069 عندما تكون الأداء الميكانيكي أهم من أعلى موصلية كهربائية. وبالمقارنة مع السبائك المعالجة بالتصلب مثل 3003 أو 5052، يوفر 6069 قوة قصوى أعلى بشكل ملحوظ على حساب بعض قابلية التشكيل وربما تكلفة تصنيع أعلى بسبب المعالجات الحرارية. وبالمقارنة مع 6061 أو 6063، يمكن تفضيل 6069 عند الرغبة في قابلية سحب أو سرعة تقسية حرارية معينة على الرغم من تشابه أو اختلاف طفيف في القوة القصوى؛ يُنصح بالتحقق من مواصفات الحالة الحرارية وعملية التصنيع لضمان التبادلية.

ملخص ختامي

تبقى 6069 خيارًا مهمًا كسبيكة متخصصة ضمن سلسلة 6xxx تجمع بين قابلية السحب، جودة السطح، وقوة المعالجة الحرارية للتطبيقات الهيكلية والدقيقة. تتيح كيمياء السبيكة المتوازنة ومرونة الحالة الحرارية للمصممين تخصيص الأداء من خلال المعالجة، مما يجعلها خيارًا عمليًا حيث يتطلب الأمر مزيجًا من الخواص الميكانيكية، مقاومة التآكل، وقابلية التصنيع.