ألمنيوم 6111: التركيب، الخصائص، دليل التصلب، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
سب alloy 6111 ينتمي إلى سلسلة 6xxx من سبائك الألومنيوم، وهي عائلة تتميز بنظام Mg-Si الذي يشكل رواسب Mg2Si خلال المعالجة الحرارية. هو سبيكة ألومنيوم قابلة للمعالجة الحرارية مكونة عمدًا من المغنيسيوم والسيليكون مع إضافات مسيطرة من النحاس لتمكين قوة أعلى بعد التقادم الصناعي مقارنة بالتركيبات الأساسية لسلسلة 6xxx.
العناصر الأساسية المسبكة في 6111 هي المغنيسيوم والسيليكون، اللذان يتحدان لتكوين طور Mg2Si المعزز؛ يُضاف النحاس لزيادة القوة القصوى وضبط استجابة التقادم وسلوك الكسر. توجد عناصر ثانوية مثل الحديد والمنغنيز والكروم والتيتانيوم للتحكم في بنية الحبيبات، والحد من نموها أثناء المعالجة الحرارية، وتنقية عملية إعادة التبلور في إنتاج الألواح.
يُختار 6111 حيث يلزم تحقيق توازن بين القوة المتوسطة إلى العالية، قابلية التشكيل الجيدة، ومقاومة مقبولة للتآكل، مع قابلية واسعة للحام والطلاء لاستخدامه في الألواح الخارجية للسيارات والأغلقه الهيكلية. تستخدم الصناعات التي تعتمد على 6111 عادةً في بدن السيارة (body-in-white) وألواح الإغلاق، والحاويات الكهربائية التي تتطلب الطباعة والانضمام، وتطبيقات النقل الأخرى التي تطلب نسبة قوة إلى وزن مناسبة وجودة سطح جيدة.
أنواع العلاجات الحرارية
| العلاج الحراري | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالٍ | ممتازة | ممتازة | مخمرة بالكامل، الأفضل للتشكيل والسحب العميق |
| H14 | متوسطة | منخفضة-متوسطة | جيدة | ممتازة | مقساة ميكانيكيًا إلى ربع صلابة للحصول على قوة متوسطة |
| T4 | متوسطة | متوسطة | جيدة جدًا | جيدة جدًا | معالجة حرارية بالحل وتبريد طبيعي حتى حالة مستقرة؛ قابلية تشكيل جيدة للتقادم التالي |
| T6 | عالية | منخفضة-متوسطة | جيدة | جيدة | معالجة حرارية بالحل وتقادم صناعي حتى تصل للقوة القصوى؛ تقليل قابلية التشكيل |
| T61 / T651 | عالية | منخفضة | جيدة | جيدة | تشير إلى تلطيف الإجهادات المحكومة (T651 تتضمن تمدد أو تخفيف توتر) مناسبة للاستقرار البعدي |
اختيار نوع العلاج الحراري يتحكم في الحالة الميكروهيكلية وبالتالي يؤثر على المعادلة بين قابلية التشكيل والقوة. يمنح علاج O المخمر أفضل ليونة للعمليات المعقدة مثل الطباعة، لكنه يتطلب معالجة حرارية بعد التشكيل للوصول إلى قوى عالية، في حين يوفر T6/T651 أعلى قوة وصلابة ثابتة على حساب قابلية الانحناء والاستطالة.
يمكن استخدام انتقال من T4 إلى T6 عبر التقادم الصناعي لأداء التشكيل في حالة T4 تليها تقوية متوافقة مع طلاء الطلاء، وهو استراتيجيا شائعة في صناعة السيارات. تستخدم درجات H الوسيطة حيث يتم تطبيق العمل البارد التزايدي لتعديل الخصائص النهائية دون الحاجة لمعاملة حرارية إضافية.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.3–0.9 | ضروري مع Mg لتكوين طور Mg2Si المعزز |
| Fe | 0.2–0.6 | عنصر شوائب؛ المستويات العالية تقلل الليونة وتؤثر على جودة السطح |
| Mn | 0.0–0.5 | معدل لبنية الحبيبات؛ يحسن القوة والمتانة في بعض الأنواع |
| Mg | 0.4–0.9 | العنصر المسبك الأساسي للتقسية بالتقادم عبر Mg2Si |
| Cu | 0.2–0.6 | يُضاف لزيادة القوة وتعديل حركية التقادم؛ يؤثر على المقاومة للتآكل وقابلية اللحام |
| Zn | 0.0–0.2 | ثانوي؛ تأثير محدود في عائلة 6xxx لكنه يراقب لضبط الشوائب |
| Cr | 0.0–0.1 | يثبت الميكروهيكل ضد إعادة التبلور أثناء المعالجة الحرارية والميكانيكية |
| Ti | 0.01–0.1 | منقى الحبيبات في الصب والسبائك؛ كميات صغيرة تحسن ضبط النسيج |
| عناصر أخرى | التوازن Al؛ مستويات أثرية | عناصر متبقية (Ni, V, Zr) تتحكم بدقة للحفاظ على الخصائص |
تحدد محتويات Mg وSi الحجم المحتمل لرواسب Mg2Si التي تتكون أثناء التقادم وبالتالي تحدد الحد الأعلى للقوة في المعالجات الحرارية. يسرّع النحاس من حركية التقسية ويزيد من القوة القصوى لكنه قد يقلل من مقاومة التآكل ويزيد من القابلية لبعض أشكال التآكل المحلي. تتحكم العناصر الأثرية مثل Cr وTi في إعادة التبلور وحجم الحبيبات، مما يؤثر على المتانة، جودة السطح، وقابلية التشكيل أثناء الدلفنة والطباعة.
الخصائص الميكانيكية
سلوك الشد في سبيكة 6111 يعتمد بشدة على نوع المعالجة؛ في الحالة المخمرة يُظهر السبائك استطالة موحدة واسعة وقوى خضوع منخفضة، أما في المعالجات المزمنة فيظهر قوى شد وقوى خضوع مرتفعة مع تقليل الليونة. تتراوح نسب مقاومة الخضوع إلى مقاومة الشد في درجات T6 ما بين 0.7–0.9، مما يشير إلى قدرة متوسطة للتقسية قبل حدوث الرقبة. يستفيد الأداء الإجهادي من البنية الدقيقة والمتفرقة للرواسب بعد المعالجة المناسبة بالحل والتقادم، لكن بداية التشقق تحت الإجهاد حساس لجودة السطح والعيوب الناتجة عن التشكيل.
يؤثر سمك السماكة وتاريخ المعالجة بشكل ملموس على الخصائص الميكانيكية؛ حيث تصل السماكات الرقيقة إلى تقادم أسرع وأكثر توحيدًا أثناء تحميص الطلاء، في حين قد يظهر للألواح السميكة صلابة قصوى أقل بسبب تبريد أبطأ وترسب مغاير. الصلادة مرتبطة بمقاومة الشد ولكن تتأثر بالعمل البارد الباقي؛ قد تظهر عينات من نوع H صلادة ظاهرة أعلى دون متانة مساوية لنوع T6 المعالج بالكامل. تقلل التغايرات الدقيقة مثل الجسيمات بين المعدنيه الخشنة من الطور الغني بالحديد من الليونة وقد تعمل كمواقع بداية تشقق إجهادي إذا لم تُراقب أثناء الصب والدلفنة.
| الخاصية | O/مخمرة | العلاج الأساسي (مثلاً T6/T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | ~120–170 MPa | ~250–320 MPa | نطاق واسع حسب نوع المعالجة والسماكة وجدول التقادم |
| قوة الخضوع | ~60–100 MPa | ~200–270 MPa | الزيادة كبيرة بعد التقادم الصناعي؛ عادةً عند انحراف الخضوع 0.2% |
| الاستطالة | ~20–35% | ~6–15% | انخفاض الليونة في العلاجات عالية القوة؛ الاستطالة تعتمد على السماكة وحالة السطح |
| الصلادة | ~35–50 HB | ~80–110 HB | قيم برينل تقريبية؛ ترتبط بمقاومة الشد وكثافة الرواسب |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.70 g/cm³ | قيمة نموذجية للسبائك الألومنيومية؛ تسهم في نسبة قوة إلى وزن مناسبة |
| نطاق الإنصهار | ~555–650 °C (فاصل الصلبوس - السائلوس) | تنخفض درجة إنصهار السبيكة مقارنةً بالألومنيوم النقي بسبب العناصر المسبكة |
| الموصلية الحرارية | ~150–180 W/m·K | أقل من الألومنيوم الصافي لكنها جيدة لتطبيقات إدارة الحرارة |
| الموصلية الكهربائية | ~30–45 %IACS | منخفضة مقارنةً بالألومنيوم النقي؛ تتأثر بنوع المعالجة ومستوى الشوائب |
| السعة الحرارية النوعية | ~900 J/kg·K | قيمة نموذجية لفئة الألومنيوم؛ تتغير بشكل طفيف مع التسبك |
| معدل التمدد الحراري | ~23–24 ×10^-6 /K (20–100 °C) | معامل معتدل مهم في تصميم المكونات الملحومة |
الموصلية الحرارية والكهربائية المتوسطة تجعل 6111 قابلًا للاستخدام في تطبيقات تتطلب تبديد حرارة، لكن يجب على المصممين مراعاة الموصلية الأقل مقارنةً بالألومنيوم النقي أو بعض سبائك 1xxx. نطاق الإنصهار والصلبوس ذو أهمية في عمليات اللحام والتلحيم؛ فالسبائك المسبكة تضيق نطاقات المعالجة الآمنة وتزيد من احتمالات العيوب الناتجة عن الذوبان إذا لم تُتبع الإجراءات الصحيحة.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المقاسات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.4–3.0 mm | متجانس في السماكات الرقيقة؛ يتفاعل مع تقسية الطلاء بالخبز | O, T4, T6, T61 | يستخدم على نطاق واسع للوحوف الخارجية للأتموبيليات والأبواب |
| ألواح سميكة | 3–25 mm | تختلف القوة حسب السماكة بسبب معدلات التبريد | T6, T651 | أقل شيوعًا؛ يستخدم حيث الحاجة لألواح أكثر سمكًا وصلابة |
| بثق | مقاطع حتى 200 mm | تعتمد القوة على نسبة البثق والتقسية اللاحقة | T6, T651 | بروفيلات معقدة للأعضاء الهيكلية والتعزيزات |
| أنابيب | أقطار 10–150 mm | قابلية لحام جيدة وقوة بعد التشكيل | T4, T6 | تستخدم في أنابيب النقل والهياكل حيث لا يكون التشكيل بالختم هو الأساسي |
| قضبان/أعمدة | أقطار حتى ~100 mm | مقاطع صلبة ذات خصائص ميكانيكية متسقة | T6 | تستخدم للمكونات المجهزة والربط حيث الحاجة لقوة أعلى |
تصنع الألواح واللفات من 6111 باستخدام التحكم الحراري الميكانيكي لتوفير الجودة السطحية المطلوبة للطلاء وعمليات التشكيل. تتطلب منتجات البثق والكتل تجانسًا دقيقًا لتجنب التوزيع غير المتجانس؛ تُخصص عمليات المعالجة بالذوبان والتبريد اللاحقة حسب حجم المقطع لضمان ترسيب متسق خلال التقدّم الصناعي. قد تحتاج الألواح والسميكة إلى جداول تقدم معدلة لتحقيق خصائص متساوية من السطح إلى المركز.
درجات مكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 6111 | الولايات المتحدة الأمريكية | تسمية Aluminum Association المستخدمة شائعًا في كتالوجات الموردين |
| EN AW | 6111 | أوروبا | EN AW-6111 تطابق عادة كيمياء ومقاسات AA 6111 |
| JIS | A6111 | اليابان | JIS تعبر عادة عن كيمياء مشابهة لكن المعايير المحلية لحدود الشوائب قد تختلف |
| GB/T | 6111 | الصين | درجة المعيار الصيني متوافقة مع عائلة 6111 العالمية مع فروقات إقليمية |
التسميات المكافئة عبر المعايير متشابهة إلى حد كبير لكنها تختلف في حدود الشوائب والمحتوى المسموح للعناصر الثانوية التي تؤثر على الأداء في الختم والطلاء ومقاومة التآكل. يجب على المستخدمين التحقق من ورقة المعيار أو شهادة المصنع للمداها المسموح بها لعناصر مثل Fe وCu وMn لأنها تؤثر على مظهر السطح، وإعادة التبلور، وسلوك التقدم الصناعي. عند الاستبدال بين الدرجات، يجب مراعاة اختلاف طرق معالجة الموردين (الصب المباشر مقابل الصب المستمر) التي تغير نسيج المنتج بعد الدرفلة وسلوك إعادة التبلور.
مقاومة التآكل
يوفر سبيكة 6111 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العامة كما هو معتاد في سبائك 6xxx، حيث يقدم مصفوف Mg2Si سلبية معقولة في البيئات الحضرية والمناطق الريفية المعتدلة. يمكن أن تؤدي إضافات النحاس التي تزيد من القوة إلى تدهور مقاومة التآكل الموضعي والتآكل الحبيبي إذا لم تُدار عبر التحكم المناسب في السبكة والمعالجات السطحية.
في البيئات البحرية أو عالية الكلوريد، يتطلب 6111 طبقات حماية مثل التأكسد الأنودي، طلاءات التحويل، أو أنظمة الطلاء لضمان المتانة طويلة الأمد؛ حيث يتطور تآكل الحفر والتصدعات السطحية أسرع من سبائك الألومنيوم الأنقى عند تعرض السبكة المكشوفة لرذاذ الملح. قابلية التشقق بسبب التآكل الإجهادي (SCC) معتدلة وتزداد مع وجود إجهادات شد متبقية وعند وجود التآكل النشط؛ تخفيف الإجهاد بعد اللحام والتشكيل بالإضافة إلى السيطرة على حالة المقاس تقلل من خطر التشقق.
التفاعلات الجلفانية تتبع عادات الألومنيوم؛ عند اقتران 6111 مع معادن أكثر نبلاً (الفولاذ المقاوم للصدأ، النحاس) يجب عزله أو عزل التواصل لتجنب تسريع التآكل الأنودي. بالمقارنة مع سبائك 5xxx التي تحمل المغنيسيوم وتصلدت بالعمل، يوفر 6111 مقاومة أقل قليلاً في الأجواء البحرية لكنه يتميز بخصائص ميكانيكية أفضل وقابلية طلاء أعلى، ما يجعله خيارًا متوازنًا بين الأداء والمتانة.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يمكن لحام 6111 عمومًا باستخدام طرق الانصهار الشائعة مثل TIG وMIG، وتستخدم اللحامات البقعية المقاومة على نطاق واسع في تجميع السيارات. توجد حساسية للتشقق الحار بسبب عناصر السبك مثل Si وCu؛ لذلك من الضروري تأهيل إجراءات اللحام واختيار حشوات محكمة للحد من تليين منطقة التأثير الحراري HAZ وفراغات اللحام. يوصى عمومًا بأسلاك حشوة صلبة من سلسلتي 4xxx أو 5xxx (Al-Si أو Al-Mg)، مع استخدام بعض التطبيقات لسلسلة 4xxx لتحسين انسيابية اللحام وتقليل خطر التشقق. نادرًا ما تجرى معالجة حرارية بعد اللحام على ألواح الهيكل المركبة، لذا يجب على المصممين مراعاة خفض القوة في منطقة التأثير الحراري وتصميم الوصلات وفقًا لذلك.
قابلية التشغيل
يمتاز 6111 بقابلية تشغيل معتدلة نموذجية لسبائك الألومنيوم القابلة للمعالجة الحرارية؛ السيطرة على الرقائق جيدة عمومًا لكنها تعتمد على المقاس الحراري وتقسية العمل السابقة. مواد الأدوات مثل الكربيد المطلية بشكل مناسب (TiN, TiAlN) وزوايا حادة تنتج تشطيبًا سطحيًا عاليًا وطول عمر للأداة؛ سرعات القطع أعلى من الفولاذ لكنها يجب أن توزن مقابل تكوين حافات تراكمية. تُستخدم مبردات وسرعات تغذية عالية لتجنب رقاقة طويلة ومتمدة في المقاسات الدكتيلية؛ المادة بحالة T6 تُشغل بتنبؤ أفضل لكنها قد تكون كشطية بسبب الجسيمات البينية الصلبة.
قابلية التشكيل
تُعد قابلية التشكيل لسبائك 6111 ممتازة في المقاسات المعالجة حراريًا (O وT4) وتنخفض عند التقدّم نحو T6. عادةً ما يُحدد أقل نصف قطر انحناء داخلي كنسبة من السماكة وحالة المقاس؛ كقاعدة عامة، تتراوح نسب R/t بين 1–2 للألواح المُنكّسة و2–4 للمقاسات من نوع T6 كبداية. يجب الأخذ بالاعتبار النبث ونفسية الإجهادات المتبقية في قوالب الختم؛ يستخدم المصممون غالبًا الخرزات السحابية، تثبيت الفراغ الأمثل، والتشكيل الدافئ عند الضرورة لتحقيق أشكال معقدة. سلوك تقسية العمل قابل للتنبؤ به، مما يسمح بتنفيذ استراتيجيات إجهاد مسبق (المقاسات H) لتحقيق خواص نهائية مستهدفة بعد تقسية الطلاء بالخبز.
سلوك المعالجة الحرارية
كسبيكة قابلة للمعالجة الحرارية، يستجيب 6111 للمعالجة بالذوبان والتبريد السريع والتقسية الصناعية لتطوير ترسيبات Mg2Si ومركبات نحاسية تقوي المصفوفة. درجات حرارة المعالجة النموذجية تتراوح بين 520–540 °C مع زمن معالجة مرتبط بسماكة المقطع لإذابة الطور القابل للذوبان، تليها تبريد سريع للاحتفاظ بمذاب في محلول صلب مشبع. التقدّم الصناعي (مثل 160–190 °C لعدة ساعات) يكوّن حالة T6 ذات الصلابة القصوى والشد لتحقيق قوة عالية مناسبة للهياكل والتطبيقات الإغلاقية.
يُزود غالبًا في حالة T4 (معالجة حرارية بالذوبان وتقدم طبيعي) لتسهيل التشكيل قبل التقدّم الصناعي النهائي خلال طلاء الخبز؛ تقلل هذه الطريقة من النبث وتزيد القوة النهائية بعد التعرض الحراري أثناء الخدمة. الإفراط في التقدم يقلل القوة لكنه يحسن المتانة ويخفض الحساسية للتآكل الموضعي؛ تشير تسميات T61/T651 إلى عمليات تقسية وتحجيم محكمة لتعزيز الاستقرار الأبعادي. التبريد غير الملائم أو التقدّم غير الكافي يمكن أن يؤدي إلى خصائص غير متجانسة، أداء ميكانيكي ضعيف، وتقليل عمر التعب.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
يظهر 6111 فقدانًا ملحوظًا في القوة فوق درجات الخدمة التقليدية بسبب تكبير وحل الترسيبات؛ الخدمة المستمرة فوق ~120–150 °C تقلل مقاومة الخضوع والشد حيث يتقدم ترسيب التقدّم. يؤكسد السطح المؤكسد الذاتي ليشكّل طبقة حماية محدودة في درجات الحرارة المرتفعة المعتدلة، لكن التعرض الطويل للغلاف الجوي العدواني في درجات حرارة عالية يسرع تكون القشرة وقد يغير المظهر والخواص السطحية. منطقة التأثير الحراري حول اللحامات قد تظهر انخفاضاً في الصلابة والقوة إذا أدت دورات الحرارة إلى التقدّم المفرط المحلي؛ يجب على المصممين والمصنعين مراعاة الأداء المنخفض في مناطق HAZ للأجزاء المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة أو إجهادات حرارية دورية.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | لماذا يُستخدم 6111 |
|---|---|---|
| السيارات | ألواح الهيكل الخارجية، أغطية الأبواب، أغطية الصندوق | مزيج من القابلية للتشكيل، قابلية الطلاء والقوة المكتسبة بالتقسية؛ متوافق مع تقسية طلاء السيارات |
| البحرية | ألواح وعدد غير هيكلية | مقاومة معقولة للتآكل مع الطلاء وقابلية تشكيل جيدة للأجزاء المشكّلة |
| الفضاء الجوي | تجهيزات ثانوية وغطاءات | تناسب ممتاز بين القوة والوزن للأجزاء غير الأساسية للهيكل ولمظهر سطحي جيد بعد التشكيل |
| الإلكترونيات | أغطية وموزعات حرارة | توازن بين التوصيل الحراري وقابلية التصنيع للأجزاء المختومة أو المبثوقة |
ينتشر استخدام 6111 بشكل خاص في تطبيقات إغلاق السيارات واللوحات الخارجية بسبب قدرته على التشكيل في حالة منخفضة القوة ثم اكتساب القوة خلال دورات طلاء الخبز، مما يسهل الأشكال المعقدة وخصائص السلامة في التصادم. كما يدعم جودة سطح السبكة بعد الدرفلة والقدرة على التأكسد الأنودي أو الطلاء الفعال اختياره للأجزاء الخارجية المرئية.
رؤى الاختيار
اختر 6111 عندما يتطلب التصميم توازنًا بين قابلية التشكيل لعمليات الختم المعقدة والقوة النهائية الأعلى التي تتحقق عبر عملية خبز الطلاء أو التعتيق الصناعي. هو خيار عملي حيث تكون جودة السطح وقابلية الطلاء مهمة، وحيث تكون قابلية اللحام وسلوك اللحام النقطي مطلوبين لخطوط التجميع في الإنتاج الكمي.
بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجاريًا (1100)، يتنازل 6111 عن التوصيل الكهربائي والحراري بالإضافة إلى بعض قابلية التشكيل مقابل مقاومة خضوع وقوة شد أعلى بشكل كبير، مما يجعله مفضلًا عندما يكون الصلابة الهيكلية أو أداء التحمل عند التصادم مهمًا. بالمقابل، مقابل السبائك المعالجة بالتعتيق مثل 3003 أو 5052، يوفر 6111 قوة أعلى يمكن تحقيقها بعد التعتيق واستجابة أفضل لخبز الطلاء لكنه قد يظهر مقاومة أقل قليلاً للتآكل الفطري في البيئات البحرية.
عند مقارنته بالسبائك المعالجة حراريًا واسعة الاستخدام مثل 6061 أو 6063، قد يقدم 6111 قابلية أفضل للتخصيص لتعزيز الطلاء في السيارات بواسطة خبز الطلاء وجودة سطح محسنة لتطبيقات الألواح على الرغم من أن قوته القصوى قد تكون أحيانًا أقل من 6061. اختر 6111 عندما تكون جودة السطح ومسار التشكيل مع التعتيق وقابلية اللحام للتجميع أكثر أهمية من الحاجة إلى أعلى قوة ثابتة مطلقة.
ملخص ختامي
تبقى سبيكة 6111 من سلسلة 6xxx الألومنيوم ذات صلة ومستخدمة على نطاق واسع للمكونات الهندسية التي تتطلب القدرة المزدوجة على التشكيل السهل والقدرة على الوصول إلى قوة مرتفعة من خلال المعالجة الحرارية أو دورات الخبز أثناء الخدمة. إن تركيبتها المتوازنة من الخواص الميكانيكية وجودة السطح ومرونة التصنيع تجعلها ذات قيمة خاصة في تطبيقات السيارات والنقل حيث تكون القابلية للتصنيع وأداء الجزء النهائي حاسمة.