ألمنيوم 6201: التركيب، الخواص، دليل المعالجة الحرارية، والتطبيقات

نظرة عامة شاملة

6201 هي من سبائك الألومنيوم من سلسلة 6xxx (عائلة Al‑Mg‑Si) القابلة للمعالجة الحرارية والمصممة لتحقيق مزيج من القوة المعتدلة، سهولة السحب الجيدة، ومقاومة معقولة للتآكل. العناصر الأساسية في السبائك هي المغنيسيوم والسيليكون، حيث يشكلان هزاز Mg2Si عند التعتيق؛ وتُضاف كميات صغيرة ونتحكم في الشوائب (Fe, Mn, Cu, Cr, Ti) لضبط السلوك الميكانيكي ومعالجة السبائك.

يتم تعزيز قوة 6201 بشكل رئيسي عن طريق المعالجة الحرارية بالانحلال ثم التبريد السريع، تليها التعتيق الصناعي (تقسية بالتراكم)، على الرغم من إمكانية تعديل بعض الخواص عن طريق العمل البارد المسيطر عليه قبيل التعتيق. تشمل الصفات الرئيسية قوة متوسطة إلى عالية في الحالات المعالجة حرارياً، سهولة أنودة جيدة، قابلية تشكيل جيدة في الحالات اللينة، وقابلية لحام مقبولة مع الانتباه إلى تليين منطقة تأثير الحرارة؛ وهذا المزيج يجعل 6201 مفيدًا حيث يتطلب توازن بين أداء السحب والقوة الهيكلية والمقاومة الكهربائية.

تستخدم 6201 عادة في صناعات النقل (مقاطع هيكلية ومكونات وظيفية)، النقل الكهربائي والطاقة (تطبيقات الموصلات وقضبان التوصيل حيث يجب موازنة التوصيل والقوة)، المقاطع المعمارية، وبعض المكونات الميكانيكية التي تتطلب مقاطع سحبية. يختار المهندسون 6201 على سبائك أخرى عندما يحتاجون إلى تسوية بين القوة العالية لسلسلة 6xxx مثل 6061 وسهولة السحب والتوصيل الأفضل للسبائك المخصصة لاستخدام الموصلات، أو عندما يستفيد شكل المقطع المحدد من خصائص تدفق وتعتيق 6201.

مقارنةً بالسبائك الأخرى من سلسلة 6xxx، تُختار 6201 غالبًا لأشكال منتجات محددة (مقاطع مصبوبة، موصلات مسحوبة) ونطاقات معالجة حرارية معينة؛ حيث توفر استجابة جيدة لتقسية التراكم مع الحفاظ على مقاومة تآكل مقبولة وتشطيب سطحي مناسب للتأنيد أو الدهان.

الأنواع الحرارية (التراتيب)

النوع الحراري	مستوى القوة	الإطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالية	ممتازة	ممتازة	حالة مخدرة بالكامل، أقصى ليونة للتشكيل
T4	متوسطة	متوسطة-عالية	جيدة	جيدة	معالجة حرارية بالانحلال وتعتيق طبيعي؛ توازن جيد بين التشكيل والقوة
T6	عالية	منخفضة-متوسطة	مقبولة	مقبولة	معالجة حرارية بالانحلال وتعتيق صناعي لتحقيق أقصى قوة؛ شائع للتطبيقات الهيكلية
T5	متوسطة-عالية	متوسطة	جيدة	جيدة	تبريد بعد العمل الساخن وتعتيق صناعي؛ غالبًا يستخدم للمقاطع المسبوكة مع تعتيق فوري
T651	عالية	منخفضة	مقبولة	مقبولة	معالجة حرارية بالانحلال، تخفيف إجهاد بالتمديد، ثم تعتيق صناعي؛ تقليل الإجهاد المتبقي للتشغيل
H14	متوسطة	منخفضة-متوسطة	محدودة	جيدة	مشغولة بالتصلب وشبه مخدرة إلى حالة باردة مستقرة؛ تستخدم لأجزاء الألواح المشكلة

التعتيق يؤثر بشدة على الأداء الميكانيكي لـ6201 لأن حالة هزاز Mg2Si تتحكم في مقاومة الخضوع والشد. تستخدم الحالات اللينة (O, T4) حيث تكون عمليات التشكيل والسحب هي العمليات الأساسية، في حين تُختار T5/T6/T651 عندما تكون الاستقرار البُعدي والقوة القصوى مطلوبة للخدمة؛ ويجب مراعاة قابلية اللحام وتليين منطقة تأثير الحرارة في التجميعات الملحومة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.5–1.2	يعزز تكون هزاز Mg2Si؛ يتحكم في القوة وسهولة السحب
Fe	0.0–0.7	شوائب؛ تزيد القوة وتقلل الليونة والتشطيب السطحي إذا كانت مرتفعة
Mn	0.0–0.5	يُحسن صقل الحبيبات والمتانة؛ غالبًا منخفض في درجات الموصلات
Mg	0.4–0.9	العنصر الرئيسي للتقوية عبر تكون Mg2Si
Cu	0.0–0.2	إضافات صغيرة تعزز القوة لكنها تقلل مقاومة التآكل
Zn	0.0–0.2	عادة منخفض؛ زيادة Zn تزيد القوة لكنها تقلل مقاومة التآكل الشقوقي
Cr	0.0–0.25	يتحكم في هيكل الحبيبات وإعادة التبلور أثناء المعالجة
Ti	0.0–0.15	يُستخدم كعامل صقل الحبيبات في المنتجات المصبوبة أو المشغولة
عناصر أخرى (كل منها)	0.0–0.05	عناصر أثر وبقايا؛ توازن الألومنيوم

تم ضبط التركيب لتحسين التقسية بالتراكم (Mg + Si) مع الحفاظ على انخفاض الشوائب للحفاظ على التوصيل والتشطيب السطحي. تساعد الإضافات الصغيرة مثل Cr وMn في التحكم بإعادة التبلور ونمو الحبيبات أثناء العمل الحراري والدوارات الحرارية اللاحقة، مما يدعم تحسين التحكم البُعدي وأداء التعب.

الخصائص الميكانيكية

سلوك الشد لـ6201 يميز سبائك الألومنيوم القابلة للمعالجة الحرارية من نوع Al‑Mg‑Si: لينة وذات ليونة عالية في الحالة المخدرة أو T4 مع مدى بلاستيكي واسع، وقوة أعلى مع إطالة أقل في حالات T5/T6 بسبب تشتت دقيق لهزاز Mg2Si. تقاس مقاومة الخضوع والشد بدرجة كبيرة حسب جدول التعتيق، العمل البارد السابق، وسمك المقطع؛ حيث تصل المقطاعات الرقيقة إلى خصائص الذروة بشكل أسرع وأكثر توحيدًا من المقطاعات السميكة.

الصلادة تتبع حالة هزاز Mg2Si، وعادةً ما تزيد من حوالي 35 HB في حالة O إلى 70–95 HB في حالة التعتيق الذروي T6، مع زيادة مقابلة في مقاومة الخضوع والشد. تتأثر مقاومة التعب بالجودة السطحية، عيوب السحب، والمسامات المحلية؛ وتُظهر 6201 المعالجة والتعتيق الجيد مقاومة تعب جيدة في الدورات العالية للمقاطع الهيكلية لكنها أقل مقاومة للتعب مقارنة ببعض السبائك العالية القوة من سلسلة 2xxx/7xxx.

تؤثر السُمك وجيومترية المقطع على حركية الانحلال والتعتيق؛ حيث تبرد المقطاعات السميكة أبطأ وقد تتطلب جداول تعتيق معدلة لتجنب التقسي المؤقت في المناطق المركزية. خطوات التصنيع مثل التمليس بالتمدد (في T651) والعمل البارد المسيطر عليه قبل التعتيق يمكن أن تضبط موازنة مقاومة الخضوع والإطالة لمتطلبات التشكيل أو الخدمة المحددة.

الخاصية	الحالة O/مخدرة	نوع حراري رئيسي (مثلاً T6)	ملاحظات
مقاومة الشد	~90–140 MPa	~240–310 MPa	مقاومة الشد النهائية تعتمد على التعتيق وسمك المقطع؛ يظهر النطاق النموذجي للتعتيق الذروي
مقاومة الخضوع	~40–80 MPa	~130–260 MPa	مقاومة الخضوع تزيد بشكل ملحوظ مع التقسية؛ العمل البارد قبل التعتيق يرفع المقاومة
الإطالة	~20–35%	~6–14%	الليونة تقل في حالات التعتيق الذروي؛ تعتمد الإطالة على سمك المقطع واتجاه الاختبار
الصلادة	~25–40 HB	~70–95 HB	قيم برينل تقريبية؛ الصلادة مرتبطة بتوزيع الهزازات

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.68–2.70 g/cm³	نموذجي لسبائك Al‑Mg‑Si؛ مفيد لحساب القوة إلى الوزن
نطاق الانصهار	~580–650 °C (نافذة الصلابة والسائلة)	السبائك تخفض وتوسع نطاق الانصهار قليلاً مقارنة بالألومنيوم النقي
التوصيل الحراري	140–170 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي ولكنه كافٍ للعديد من تطبيقات إدارة الحرارة
التوصيل الكهربائي	~30–45 % IACS	أقل من الألومنيوم النقي؛ التوصيل مقابل القوة يتم بالتعديل بالسبائك
السعة الحرارية النوعية	~0.90 kJ/kg·K (900 J/kg·K)	قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم عند درجات حرارة البيئة
التوسع الحراري	~23–24 µm/m·K (23–24 ×10⁻⁶ /K)	تمدد حراري نموذجي لسبائك الألومنيوم، مهم لتصميم الوصلات

تحافظ 6201 على الجمع المفضل بين الكثافة المنخفضة والخصائص الحرارية الجيدة للألومنيوم، ولهذا تُستخدم كثيراً في الهياكل الناقلة أو المبردة حيث تكون وفورات الوزن مهمة. تقل التوصيلية الحرارية والكهربائية مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب تشتت المذاب من Mg وSi؛ ويجب أخذ هذه الانخفاضات بالحسبان عند تصميم المنتجات التي تتطلب توصيلاً عاليًا.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النمطي	سلوك القوة	المعالجات السطحية الشائعة	ملاحظات
ألواح (Sheet)	0.5–6.0 mm	السمك الرقيق يستجيب بسرعة للمعالجة الحرارية؛ قابلية تشكيل جيدة في O/T4	O, H14, T4	تستخدم للواجهات المشكلة والمكونات الهيكلية الخفيفة
صفائح (Plate)	6–50+ mm	الأقسام السميكة تنتقل الحرارة فيها ببطء؛ قد تظهر خصائص أقل في القلب بعد المعالجة الحرارية	O, T4, T651	الصفائح السميكة تحتاج إلى معالجات حرارية مخصصة لضمان توازن الخصائص عبر القسم
بثق (Extrusion)	أقسام الجدران من 1–100+ mm	قابلية بثق ممتازة؛ معالَج حرارياً للوصول إلى القوة القصوى	T5, T6, T651	شائع للملامح المعقدة، القضبان، الألواح الناقلة والعناصر الهيكلية
أنابيب (Tube)	قطر من بضع مم إلى أقطار كبيرة	الخصائص تختلف حسب السحب البارد والمعالجة الحرارية	O, T4, T6	تستخدم للأنابيب الهيكلية وأغلفة الموصلات
قضبان/عصي (Bar/Rod)	قطر من بضع مم إلى 50+ mm	الأقسام الصلبة تتأثر بمعدلات التبريد	O, T6	تستخدم للمكونات الميكانيكية والبراغي

يختلف تشكيل ومعالجة الأشكال بين الألواح والبثقات بشكل كبير: تستفيد البثقات من تدفق 6201 خلال التشغيل الساخن وتستجيب جيدًا للمعالجة الحرارية الفورية (T5) أو المعالجة بالحل ثم التشيخ بعد البثق (T6). الصفائح والأقسام السميكة تحتاج إلى أوقات حل أطول أو معالجات تشيخ معدلة لتطوير خصائص متناسقة عبر القسم، في حين إن السماكات الرقيقة أكثر تسامحًا وتستخدم عادة في المكونات المشكلة أو المنتجات المسحوبة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	6201	الولايات المتحدة الأمريكية	التسمية في جمعية الألمنيوم للسبائك المشغولة 6201
EN AW	6201	أوروبا	عادة ما يُشار إليها باسم EN AW‑6201؛ الكيمياء والمعالجات متوافقة مع معايير AA
JIS	—	اليابان	لا توجد درجة JIS مطابقة مباشرة؛ سلوك مماثل لعائلة JIS A6061/A6063 حسب المعالجة
GB/T	—	الصين	ليست دائماً مدرجة كدرجة منفصلة في GB؛ قابلة للمقارنة مع سبائك الألمنيوم-المغنيسيوم-السيليكون المشغولة محليًا

ممارسات التسمية والمواصفات المكافئة تختلف حسب المنطقة؛ EN AW‑6201 و AA 6201 عادة متوافقين في التركيب والمعالجات، لكن التفاصيل مثل حدود الشوائب، اتجاهات اختبار الخصائص الميكانيكية، والمعالجات المقبولة قد تختلف. حيث لا توجد مكافئات مباشرة في المعايير الوطنية (JIS, GB/T)، يحل المهندسون السبائك الأقرب تركيبًا واستجابة معالجة ويراجعونها باختبارات ميكانيكية وكهربائية في التطبيقات الحرجة.

مقاومة التآكل

يظهر 6201 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام مشابهة لسبائك Al‑Mg‑Si الأخرى بسبب طبقة أكسيد الألمنيوم التي تمرّدت السطح وعدم تأثير العناصر السبائكية الثانوية بشكل كبير على مقاومة الحفر. في الأجواء الريفية والحضرية يعمل السبيكة بشكل جيد، وقابل للتشطيب الزخرفي أو الأنودة التي تعزز حماية التآكل ومقاومة التآكل.

في البيئات البحرية أو الغنية بالكلوريدات، 6201 مقاوم بشكل متوسط لكنه أقل تحملاً من سبائك Al‑Mg (5xxx) المصممة خصيصًا لمياه البحر؛ قد يبدأ تآكل الشقوق والحفر عند الخدوش، اللحامات أو الأماكن التي تحبس الملح. للتعرض البحري الطويل، يُوصى بالطلاءات الواقية أو الأنودة أو اختيار سبائك أكثر مقاومة للتآكل، ويجب الانتباه إلى التآكل الكلفاني.

قابلية التشقق التآكلي بالإجهاد (SCC) لسبائك 6xxx منخفضة مقارنة بسبائك 2xxx و7xxx عالية القوة، لكن التركيب الهيكلي المبالغ في معالجته أو ناقص المعالجة والضغط المتبقي بالقرب من اللحامات يمكن أن يزيد الخطر. التفاعلات الكلفانية مع المعادن النبيلة (النحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ) يمكن أن تسرّع من التآكل الموضع لـ 6201، لذا يجب اعتبار العزل الكهربائي أو الأنودات الفائضة في التجميعات متعددة الأطوار.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

6201 قابل للحام عمومًا بواسطة عمليات الانصهار الشائعة (TIG/GTAW، MIG/GMAW) ويمكن ربطه باستخدام سبائك حشو مناسبة (شائع 4043 (Al‑Si) أو 5356 (Al‑Mg) حسب القوة المطلوبة ومقاومة التآكل). تعاني اللحامات من ترقق منطقة تأثر الحرارة بسبب ذوبان وتكتل الرواسب؛ يجب على المصممين توقع انخفاض القوة في مناطق اللحام والنظر في معالجة حرارية بعد اللحام أو تصميم ميكانيكي لتجنب التركيزات الإجهادية عند المفاصل الملحومة.

قابلية التشغيل الميكانيكي

قابلية التشغيل لـ 6201 معتدلة وتشبه سبائك 6xxx الأخرى؛ يكون القطع عادةً سلسًا مع رقائق مستمرة في المعالجات الطرية وشرائح أقصر ومجزأة في المعالجات ذات القوة القصوى. يوصى باستخدام أدوات كربيد ذات زاوية قطع إيجابية وتبريد كافٍ للقطع والخراطة؛ يجب تحسين سرعات التغذية والدوران لتجنب تراكم الحافة، وقد يكون من اللازم تخفيف الضغط لتقليل تشوه القطع المشغولة.

قابلية التشكيل

أداء التشكيل ممتاز في معالجات O و T4، مما يسمح بثني، السحب العميق وتشكيل الملامح المعقدة مع ارتداد نابضي منخفض نسبيًا. يجب اتباع قواعد خمات الألمنيوم العامة فيما يتعلق بأقطار الانحناء (الحد الأدنى للنصف القطر الداخلي ~1–2× السماكة لمعظم العمليات) ويجب أن تأخذ التعويضات عن الارتداد النابضي في الاعتبار المعالجة وحالة التشيخ. التشكيل بعد المعالجة بالحل عادة ما يتطلب التشيخ أو التثبيت للتحكم في التغيرات الأبعادية أثناء الخدمة.

سلوك المعالجة الحرارية

يستجيب 6201 لتسلسلات المعالجة الحرارية النموذجية لسبائك Al‑Mg‑Si: معالجة الحل عند درجات حرارة ~520–560 °C لإذابة Mg2Si في المحلول الصلب، تبريد سريع للاحتفاظ بمصفوفة مشبعة فوق الحد، يتبعها التشيخ الطبيعي (T4) أو التشيخ الصناعي المتحكم به (T5/T6) لترسيب Mg2Si الدقيقة وتطوير القوة. جداول التشيخ تختلف (مثلاً 160–180 °C لعدة ساعات) حسب حجم القسم والتوازن المطلوب بين القوة والليونة.

انتقالات المعالجات T تتحكم بها جداول الزمن والحرارة: المعالجة الناقصة تعطي ليونة أعلى وقوة خضوع أقل، التشيخ الذروي (T6) يعظم القوة، والتشيخ الزائد يقلل القوة مع تحسين المتانة ومقاومة SCC. T651 (محلول معالجة، استقام مصنوع، تشيخ صناعي) شائع الاستخدام حيثما يكون تقليل الإجهادات المتبقية والاستقرار الأبعادي مطلوبين.

لخطوات التصنيع غير القابلة للمعالجة الحرارية، يمكن للعمل بزيادة الخضوع بشكل معتدل لكنه ليس آلية تقوية رئيسية لـ 6201؛ التلدين الكامل (O) يعيد الليونة القصوى ويستخدم قبل التشكيل أو السحب.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تبدأ قوة الخدمة لـ 6201 في الانخفاض عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة حيث تتكتل الرواسب وتتراخى المصفوفة المشبعة؛ الاستقرار طويل الأجل فوق ~120–150 °C يقلل كثيرًا من القوة الذروية ولا يُنصح به للتطبيقات الهيكلية. التعرضات القصيرة حتى ~100–120 °C عادةً لها تأثير محدود على الخصائص إذا لم يُحتفظ بالمادة عند درجة الحرارة لفترة كافية لتحفيز التشيخ الزائد.

يُحد من الأكسدة عند الحرارة العالية بواسطة طبقة الألومينا الواقية، لكن التعرض الطويل للحرارة العالية في بيئات عدائية قد يغير تركيب السطح ويقلل من عمر التعب. منطقة تأثر الحرارة المجاورة للحامات حساسة بشكل خاص للتليين عند درجات مرتفعة، ويجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار احتمالية الزحف أو الاسترخاء إذا كانت القطع تعمل في ظروف خدمة دافئة.

التطبيقات

الصناعة	مثال عن المكون	سبب استخدام 6201
السيارات	ملامح هيكلية بُثقية، قضبان الزينة	توازن جيد بين قابلية البثق والقوة والانتهاء للملامح المعقدة
البحرية	الأقسام الهيكلية غير الحرجة، التركيبات	مقاومة كافية للتآكل وقابلية للأنودة للطلاء الوقائي
الفضاء الجوي	التركيبات الداخلية الثانوية، القضبان الناقلة	نسبة قوة إلى وزن ملائمة، ومتانة جيدة وقابلية تشغيل ميكانيكي عند المعالجة الصحيحة
الكهرباء	قضبان التوصيل، الموصلات، ملامح الموصل	موصلية كهربائية مناسبة مع قوة ميكانيكية محسنة مقارنة بالألمنيوم النقي
العمارة	إطارات النوافذ، ملامح الجدار الستار	تشطيب سطحي ممتاز، قابلية الأنودة، وتحكم أبعادي بعد التشيخ

يُختار 6201 غالبًا للملامح البُثقية التي تتطلب مزيجًا من الأداء الهيكلي، التشطيب السطحي الجيد، والقدرة على التصنيع إلى أشكال معقدة. تكييفه مع المعالجات المختلفة وما بعد المعالجة (الأنودة، الطلاء) يجعله خيارًا شائعًا حيث تكون الجمالية والوظيفة مهمة معًا.

نصائح الاختيار

اختر 6201 عندما تحتاج إلى سبيكة Al‑Mg‑Si قابلة للمعالجة الحرارية تجمع بين أداء البثق، القوة المتوسطة إلى العالية، وموصلية مقبولة لاستخدامات الموصلات أو القضبان الناقلة. إنها سبيكة متوسطة الأداء مناسبة للملامح الهندسية حيث توفر معالجات T5/T6 القوة اللازمة بدون التكلفة العالية وتعقيد المعالجة المرتبط بسبائك القوى العالية جدًا.

بالمقارنة مع الألمنيوم النقي تجاريًا (1100)، يقدم سبيكة 6201 قوة ميكانيكية أعلى وثباتًا أبعاديًا أفضل على حساب انخفاض الموصلية الكهربائية والحرارية؛ يُستخدم 6201 عندما تكون القوة أولوية ولكن يجب الحفاظ على بعض الموصلية. بالمقارنة مع السبائك المقساة بالعمل مثل 3003 أو 5052، تتميز 6201 بقوة أعلى (عند المعالجة الحرارية) لكنها توفر مقاومة تآكل أقل قليلاً في البيئات القلوية الشديدة؛ يُفضل اختيار 6201 للمُنشآت الهيكلية بدلاً من التعرض المستمر لمياه البحر. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061/6063، يُختار 6201 عندما يُفضل سهولة البثق ونوافذ المعالجة بأسلوب الموصل، أو عندما يكون التوازن المحدد بين سرعة الترسّب والتشطيب السطحي مطلوبًا بالرغم من قوة عظمى مماثلة أو أقل قليلاً.

الملخص الختامي

تظل سبيكة 6201 ذات صلة كبيرة في الهندسة الحديثة لأنها تقدم توازنًا عمليًا بين أداء البثق، والقوة القابلة للمعالجة الحرارية، وجودة التشطيب السطحي، مما يجعلها قيمة للمقاطع الهيكلية، والمكونات الموصلة، والتطبيقات المعمارية التي تتطلب خصائص ميكانيكية وحرارية ومقاومة للتآكل متوازنة.