ألمنيوم 6081: التركيب، الخصائص، دليل التقسية والتطبيقات

نظرة شاملة

6081 هو أحد سبائك الألومنيوم من سلسلة 6xxx، وهي سبائك ألومنيوم-مغنيسيوم-سيليكون (Al-Mg-Si). وتُعرف هذه العائلة بنظام تقوية Mg2Si، وعادةً ما تكون قابلة للمعالجة حراريًا لتطوير مزيج مفيد من القوة والليونة.

العناصر الرئيسية المكونة لسبائك 6081 هي السيليكون والمغنيسيوم مع إضافات أقل من الحديد، والنحاس، والمنغنيز، والكروم، والتيتانيوم بكميات ضئيلة. آلية التقوية هي التقسية بالتساقط (الشيخوخة) عبر المعالجة بالحل، والتبريد السريع، والشيخوخة الصناعية لتكون ترسيبات Mg2Si التي تعيق حركة الانزلاق.

الصفات الأساسية لـ 6081 تشمل قوة متوسطة إلى عالية لسبائك Al-Mg-Si، مقاومة جيدة للتآكل، قابلية جيدة للحام بشكل عام، وقابلية تشكيل معقولة في حالات التطرية. الصناعات النموذجية التي تستخدم 6081 هي النقل، البحرية، المكونات الهيكلية، أوعية الضغط والهندسة العامة التي تتطلب توازنًا بين القوة ومقاومة التآكل.

يختار المهندسون 6081 على سبائك أخرى عندما يكون هناك حاجة إلى توازن مختلف قليلاً بين سهولة التشغيل، القوة المرتفعة بعد الشيخوخة، ومقاومة التآكل بالإجهاد مقارنةً بالسبائك الأساسية من سلسلة 6xxx. يُفضل 6081 على السبائك غير المعالجة حراريًا ذات القوة الأقل عندما تكون هناك حاجة لتقوية حرارية بدون تكلفة أو وزن أعلى لسبائك 2xxx أو 7xxx.

متغيرات التطرية

التطرية	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	حالة مطيلية بالكامل لأقصى ليونة
H14	متوسطة	متوسطة	جيدة	ممتازة	مُقسى بالتشوه لحالة ربع صلابة، عادة لتشكيل الألواح
T4	متوسطة إلى عالية	جيدة	جيدة	ممتازة	معالجة حرارية محلولة وشيخوخة طبيعية
T5	متوسطة إلى عالية	جيدة	جيدة	ممتازة	مبردة من درجة حرارة مرتفعة وشيخوخة صناعية
T6	عالية	متوسطة	معقولة	جيدة	معالجة حرارية محلولة وشيخوخة صناعية لأقصى قوة
T651	عالية	متوسطة	معقولة	جيدة	T6 بالإضافة إلى تخفيف الإجهاد بشد المعدن لتقليل الشدود المتبقية
T66	أعلى قليلاً من T6	متوسطة	معقولة	جيدة	شيخوخة صناعية ذات قوة أعلى ومستقرة لتحسين الثبات

تصنيف التطرية يتحكم في حالة الترسيب وبالتالي التوازن بين القوة والليونة في 6081. الحالات اللينة O وH تُستخدم حيث يلزم التشكيل أو السحب العميق، بينما T5/T6/T651 توفر قوة ثابتة أعلى للمكونات الهيكلية.

عند تحديد التطرية، يجب مراعاة تليين منطقة التأثير الحراري بعد اللحام والحاجة إلى شيخوخة بعد التصنيع. الأجزاء المعدة للتشكيل والشيخوخة اللاحقة قد تُسلم بحالة T4 للسماح بالتشكيل النهائي قبل خطوة شيخوخة صناعية من نوع T6.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	0.6–1.2	السيليكون يتحد مع المغنيسيوم لتشكيل ترسيبات Mg2Si للتقوية
Fe	0.1–0.7	الحديد شوائب تُكوّن مركبات بين فلزية؛ الإفراط يقلل الليونة
Mn	0.0–0.2	المنغنيز ينعم بنية الحبيبات ويحسن القوة بشكل طفيف
Mg	0.6–1.2	المغنيسيوم ضروري لتكوين ترسيبات Mg2Si والقوة
Cu	0.0–0.3	النحاس يزيد القوة واستجابة الشيخوخة لكنه قد يقلل مقاومة التآكل
Zn	0.0–0.2	الزنك عنصر ثانوي؛ الزائد قد يزيد تعرض التآكل الحبيبي
Cr	0.0–0.25	الكروم يتحكم في بنية الحبيبات أثناء المعالجة ويحسن المتانة
Ti	0.0–0.15	التيتانيوم يستخدم لتنعيم الحبيبات في المصبوبات وبعض المنتجات المشغولة
أخرى	بقائها Al، بمستويات أثرية	عناصر أثرية مثل B وZr للتحكم في البنية المجهرية

توازن السيليكون والمغنيسيوم يتحكم في حركية الترسيب والقوة القصوى التي يمكن تحقيقها بعد الشيخوخة. الإضافات والشوائب الثانوية (Fe, Cu, Mn, Cr) تتحكم في هيكل الحبيبات، المتانة، وحساسية التآكل الموضعي أو التشقق.

الخصائص الميكانيكية

يُظهر 6081 سلوك ميكانيكي واسع النطاق يعتمد بشكل كبير على التطرية. في الحالة المطيلية يظهر الفولاذ قوة خضوع ومتانة منخفضة ولكن استطالة وقابلية تشكيل ممتازة. في الحالات المعالجة محلوليًا والمشيّخة صناعيًا (T6/T651) يصل السبيكة إلى مقاومات شد وخضوع أعلى بشكل كبير مع انخفاض في الاستطالة وقابلية الثني.

الصلادة ترتبط بالتطرية؛ صلادة فيكرز في درجات الشيخوخة القصوى عادة ضمن نطاق يدعم تطبيقات هيكلية متوسطة الحمل. أداء الإجهاد عادة جيد لسبائك Al-Mg-Si بشرط التحكم في التشطيب السطحي والإجهادات المتبقية، لكن قوة الإجهاد تقل في منطقة التأثير الحراري بعد اللحام أو في الحالات المبالغ في شيخوختها.

السماكة تؤثر بشكل ملموس: القطاعات السميكة تتطلب أوقات معالجة محلول أطول وقد لا تحقق نفس الخصائص القصوى للأجزاء الرقيقة بسبب بطء معدلات التبريد وتوزيع الترسيبات الأكثر خشونة. يجب على المصممين مراعاة التدرجات عبر السماكة في القوة والإجهاد المتبقي للقطاعات الثقيلة.

الخاصية	O/مطيلة	التطرية الرئيسية (مثلاً T6/T651)	ملاحظات
مقاومة الشد	90–150 MPa	300–350 MPa	قوى الذروة تعتمد على التركيب الكيميائي ودورة الشيخوخة
مقاومة الخضوع	30–100 MPa	250–300 MPa	القوة ترتفع بشكل كبير مع التقسية بالتساقط
الاستطالة	20–30%	8–15%	الليونة تقل مع زيادة القوة في تطرية T6
الصلادة	30–60 HV	90–120 HV	الصلادة تتغير مع التطرية وتؤثر على قابلية التشغيل

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 g/cm³	نموذجية لمعظم سبائك الألومنيوم المشغولة
نطاق الانصهار	555–650 °C	عناصر السبائك توسع نطاق الانصهار مقارنة بالألومنيوم النقي
التوصيل الحراري	130–170 W/m·K	توصيل حراري جيد؛ أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائك
التوصيل الكهربائي	30–45 %IACS	أقل من الألومنيوم النقي؛ يختلف حسب التطرية والتركيب
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K	قيمة نموذجية قرب درجة حرارة الغرفة
معامل التمدد الحراري	23–24 ×10^-6 /K	معامل تمدد حراري مماثل لسبائك سلسلة 6xxx الأخرى

الخصائص الفيزيائية تجعل 6081 مفيدًا في التطبيقات التي تتطلب أداء حراري أو كهربائي حساس للوزن. التوصيل الحراري وسلوك التمدد مناسبان للمكونات المعرضة للتكرار الحراري، ولكن يجب على المهندسين مراعاة انخفاض التوصيل الكهربائي مقارنة بالألومنيوم النقي.

التغيرات في الخصائص حسب درجة الحرارة مهمة: التوصيل ينخفض والتمدد الحراري يرتفع قليلاً عند درجات حرارة مرتفعة، كما تؤثر المعالجة الحرارية أو العمل البارد على التوصيل الكهربائي والحراري. للتطبيقات إدارة الحرارة، تؤثر درجة التطرية وحالة السطح على انتقال الحرارة الفعال.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التطرية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.5–6 mm	قوة موحدة جيدة	O, H14, T4, T6	تستخدم على نطاق واسع للوحّات المشكلة والتكسية
صفائح	6–80 mm	القوة يمكن أن تتفاوت عبر السماكة	O, T6, T651	الصفيحة السميكة تتطلب معالجة محلول وتحكم بالتبريد
بروفيلات بثق	بروفيلات بطول عدة أمتار	قوة اتجاهية ممتازة	T6, T5, T651	مقاطع معقدة قابلة للتحقيق مع تحكم أبعاد جيد
أنابيب	جدران رقيقة إلى سميكة	مماثلة للبروفيلات؛ ملحومة أو بدون لحام	T6, T4	تستخدم في تطبيقات هيكلية وسوائل
قضبان / عصي	Ø5–200 mm	خصائص متساوية الخواص حسب التصنيع	O, T6	قضبان مشدودة باردة أو بثق لمكونات مُشغلة

تستجيب الألواح والبروفيلات الرقيقة بسرعة للمعالجة الحرارية بسبب معدلات التبريد العالية، مما يسمح بقوة ذروة أعلى وتحكم أدق في الترسيبات. الصفائح السميكة والبروفيلات كبيرة المقطع تتطلب أوقات معالجة محلول أطول وقد تحتاج إلى تجهيزات تبريد خاصة لتجنب التدرجات والتشوهات في الخصائص.

مسار التصنيع يؤثر على البنية المجهرية: المنتجات المسحوبة أو التي عولجت باردة تتمتع بحالات تقسية عمل قد تخضع لتخفيف الإجهاد أو إعادة شيخوخة لتحقيق ثبات أبعاد. يجب اختيار الشكل مع مراعاة التشغيل النهائي، واللحام، والشيخوخة لتقليل التليين في منطقة التأثير الحراري والانحرافات المتبقية.

درجات مكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	6081	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية جمعية الألمنيوم المستخدمة في أدبيات التجارة بأمريكا الشمالية
EN AW	6081	أوروبا	المعيار الأوروبي (EN AW‑6081) يتوافق بشكل وثيق مع نطاقات التركيب الكيميائي لـ AA 6081
JIS	A6081	اليابان	تسمية JIS تعكس تركيبات مشابهة من Al‑Mg‑Si
GB/T	6081	الصين	المعيار الوطني الصيني يستخدم نفس عائلة السبائك الرقمية

هذه التعيينات المعيارية متسقة بشكل عام، لكن قد تفرض المعايير الإقليمية حدودًا قصوى مختلفة قليلاً للعناصر أو تحكمات في العمليات تؤثر على الخواص الميكانيكية والأشكال المسموح بها. عند الشراء يجب تحديد المعيار والحرارة بشكل صريح لضمان التركيب الكيميائي المطلوب والأداء الميكانيكي.

قد يقدم الموردون أيضًا نسخًا محسنة للبثق أو الألواح أو التزوير مع سبائك دقيقة أو تحكمات معالجة مملوكة؛ يُنصح بطلب تقارير اختبار مواد معتمدة للتحقق من الامتثال للمعيار المختار.

مقاومة التآكل

يظهر سبيكة 6081 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام النموذجي لسبائك Al-Mg-Si، وتؤدي أداءً جيدًا في البيئات الحضرية الملوثة. طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية الطبيعية تتشكل بسرعة وتوفر فيلمًا سلبيًا مستقرًا ما لم تلحق بها أضرار ميكانيكية أو كيميائية.

في البيئات البحرية تظهر 6081 مقاومة معقولة للتآكل الموحد ومقاومة معتدلة لتآكل الحفر مقارنة بسبائك النحاس العالية. ومع ذلك، في ظروف غنية بكلوريد، يمكن أن يحدث تآكل حفر وترقق موضعي، ويتطلب ذلك تصميمًا دقيقًا للهندسة والصرف والمعالجة السطحية للتقليل من الهجوم.

التعرض لتشقق التآكل تحت الإجهاد (SCC) في 6081 أقل من بعض سبائك 2xxx عالية القوة لكنه لا يزال مصدر قلق تحت إجهاد شد مركب، وبيئات تآكلية ودرجات حرارة مرتفعة. ينبغي تجنب التفاعلات الجلفانية مع المواد النبيلة أكثر (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس) أو عزلها كهربائيًا لمنع التآكل الموضعي المعجل.

مقارنة بسلسلة 5xxx غير المعالجة حراريًا (مثل 5052)، تتنازل 6081 عن بعض مقاومة التآكل في بعض الظروف البحرية مقابل قوة أعلى بعد المعالجة بالتقدم في السن. مقارنة بسبائك 2xxx عالية النحاس، تقدم 6081 سلوكًا أفضل بكثير في التآكل العام.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

6081 قابلة للحام بسهولة بعمليات الانصهار والقوس الشائعة مثل TIG وMIG، وتستجيب جيدًا لاختيار حشوات مناسب وعلاجات ما قبل وبعد اللحام. الحشوات النموذجية هي من مستهلكات Al-Mg-Si (مثل ER4043، ER5356 حسب الخصائص المطلوبة)، ويؤثر اختيار الحشو على المتانة ومقاومة التآكل.

مناطق تَأثير الحرارة باللحام تتعرض لتليين نتيجة ذوبان وتكاثف المترسبات، لذلك يجب أخذ نقصان القوة المحلي في الاعتبار في تصميم اللحام. خطر التشقق الحار معتدل؛ التحكم في ترتيب الوصلات، كمية الحرارة المدخلة وتركيب الحشو يقلل من التشقق، خاصة في القطاعات السميكة.

قابلية التشغيل

قابلية تشغيل 6081 في درجات التصلب القصوى معتدلة؛ تُشغل بشكل أفضل من العديد من سبائك الفضاء عالية القوة لكنها ليست سهلة القطع كتلك المحتوية على الرصاص. يُنصح باستخدام أدوات كربيد، هندسة زاوية قطع إيجابية وتركيبات صلبة للتحكم بالرقائق وتجنب تكوين الحواف المترسبة.

سرعات وتغذية القطع الموصى بها تعتمد على درجة التصلب والمقطع؛ درجات O أو H الناعمة تسمح بتغذيات أعلى، بينما T6 تتطلب تغذيات مخفضة وأدوات أكثر حدة لتجنب الارتعاش وتآكل الأدوات. يمكن الحصول على تشطيب سطحي ممتاز باستخدام مبردات مناسبة ونوع الأدوات وتثبيت ثابت.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في درجات O وH الناعمة، مما يمكن من العمليات العميقة مثل السحب، الثني والتشكيل بالدرفلة بأشعة ثني صغيرة. في درجات T6/T651 تقل القابلية وتزداد ارتجاعية الانحناء، غالبًا ما يتم التشكيل في درجات أنعم يتبعها معالجة تقدم في السن لزيادة القوة إذا لزم الأمر.

الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء يعتمد على السماكة والحرارة؛ كقاعدة عامة، يمكن أن تكون قيمة R/t لـ 6081 في درجة O صغيرة (R ≈ 0.5–1× السماكة) بينما T6 قد تحتاج R ≥ 1.5–3× السماكة. تساعد طرق التشكيل التدريجي، التشكيل بالحرارة أو استراتيجيات التقدم في السن المسبق على تشكيل أشكال معقدة بدون تشقق.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبائك Al-Mg-Si قابلة للمعالجة الحرارية، تستجيب 6081 لتتابعات التقوية بالتسبيب التقليدية. تتم المعالجة بالمعالجة عند درجات حرارة عادة بين 515–540 °C لإذابة عناصر السبيكة في محلول صلب مشبع. يجب أن يكون التبريد سريعًا (تبريد مائي للعديد من المقاطع) للحفاظ على التشبع الفائق لمفعول التقدم في السن.

تتبعات التقدم في السن الاصطناعي (T5/T6) عند درجات حوالي 160–185 °C تعزز ترسيب Mg2Si بشكل محكم لإنتاج القوة القصوى؛ يجب تحسين دورات التقدم في السن بحسب سمك المقطع واستقرار الخصائص المطلوبة. T4 (التقدم الطبيعي) يمكن أن يطور قوة ملحوظة خلال أيام عند درجة حرارة الغرفة لكنه أبطأ وأقل استقرارًا من التقدم الاصطناعي لأجزاء الإنتاج.

التقدم في السن المفرط (تعرض حراري طويل) يسبب تكبير المترسبات ويقلل القوة مع تحسين المتانة ومقاومة تشقق التآكل. للأجزاء الهيكلية الحرجة، حدد وصفات المعالجة الحلولية والتقدم في السن بدقة وخذ بالحسبان إعادة تبلور مناطق تأثر الحرارة بسبب اللحام أو الدورات الحرارية أثناء التصنيع.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تظهر 6081 فقدان قوة تدريجيًا عند درجات حرارة فوق المحيط؛ درجات حرارة الخدمة المفيدة النموذجية تصل حتى حوالي 150–175 °C لفترات قصيرة. فوق هذا النطاق، تستقر الترسبات بشكل أقل وتنخفض مقاومة الخضوع والشد مع تكبير أو ذوبان الترسبات.

الأكسدة في سبائك الألمنيوم عادة معتدلة بفضل تكوين طبقة الأكسيد الواقية، لكن على درجات حرارة مرتفعة يمكن أن تؤثر قشرة السطح وتغيرات الانتشار في الميكروهيكل على السلوك الميكانيكي والتآكل. مناطق تأثر الحرارة بالقرب من اللحامات تكون خاصة عرضة للتليين عند التعرض طوال الخدمة للحرارة المرتفعة أو الدورات الحرارية.

ينبغي للمصممين تقليل إجهادات التصميم لأجزاء مخصصة لعمليات حرارة مستمرة والنظر في سبائك بديلة أو طلاءات وقائية عند الحاجة لقوة مستدامة في درجات حرارة مرتفعة. كما أن عمر التعب يقل عند درجات الحرارة العالية ويجب تأكيده اختباريًا.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 6081
السيارات	قواعد هيكلية، مقاطع	قوة جيدة إلى وزن، قابلية لحام وتشغيل مناسبة
البحرية	تجهيزات الهيكل، الأعمدة	توازن بين مقاومة التآكل والقوة في بيئات مياه البحر
الفضاء	مكونات غير هيكلية حرجة، التجهيزات	قوة قابلة للمعالجة الحرارية ومقاومة تعب جيدة
الإلكترونيات	مشتتات حرارية، أغطية	موصلية حرارية وقدرة على تشكيل بروفيلات معقدة

يتم اختيار 6081 للمكونات التي تتطلب مزيجًا من القوة بعد التشكيل والمتانة البيئية دون تكلفة السبائك الخاصة. تجعل قابلية السبيكة للبثق، اللحام والمعالجة الحرارية اللاحقة منها خيارًا جذابًا للأنظمة الهيكلية متوسطة القوة.

رؤى الاختيار

6081 خيار جذاب حيث يحتاج المهندسون إلى سبيكة Al-Mg-Si قابلة للمعالجة الحرارية تقدم قوة أعلى من الألمنيوم النقي التجاري عند كثافة مماثلة. مقارنة بـ 1100 (ألومنيوم نقي تجاريًا)، تتنازل 6081 عن بعض الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل مقابل قوة ومرونة أعلى بكثير بعد التقدم في السن.

مقابل سبائك العمل الصلب مثل 3003 أو 5052، توفر 6081 مقاومة خضوع وشد أعلى بعد التقدم الاصطناعي، مع مقاومة تآكل عامة مشابهة؛ اختَر 5052/3003 عندما تكون القابلية للتشكيل ومقاومة التآكل البحري أولوية على القوة القصوى. مقارنة بسبائك قابلة للمعالجة حرارية شائعة مثل 6061 أو 6063، تقع 6081 قريبًا في مجال الخصائص وقد تُفضّل لتوفر خاص أو استجابة تقدم في السن مختلفة قليلاً أو حيث تفضل ممارسات الشراء والبثق كيميائها رغم قوتها القصوى المماثلة أو الأقل قليلاً.

باختصار، اختر 6081 عندما تحتاج إلى سبيكة هيكلية متوسطة تجمع بين القوة، قابلية اللحام ومقاومة التآكل. حدد الحرارة والمعالجة الحرارية بعد التصنيع بشكل صريح لتحقيق أهداف القوة التصميمية واعتبر حدود السماكة وقابلية التبريد أثناء الشراء.

ملخص ختامي

تظل 6081 ذات صلة للهندسة الحديثة بسبب مزيجها المتعدد الاستخدامات من قوة التقوية بالتسبيب، مقاومة التآكل الجيدة والتوافق مع عمليات التصنيع الشائعة. إن تكيفها عبر طرق الصفيح، الألواح والبثق بالإضافة إلى سلوك المعالجة الحرارية المتوقّع يجعل منها سبيكة عملية للتطبيقات الهيكلية متوسطة القوة، البحرية وإدارة الحرارة حيث تُعتبر التكلفة وقابلية التصنيع عوامل هامة.