ألمنيوم A6061: التركيب، الخصائص، دليل المعالجة الحرارية والتطبيقات

نظرة شاملة

6061 هو عضو في سلسلة 6xxx من سبائك الألومنيوم المشغولة، يتميز أساسًا بالمغنيسيوم والسيليكون كالعناصر الرئيسية للسبائك. هو سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية تكتسب قوتها من خلال التقسية بالتسنن (Mg2Si) بعد المعالجة بالمحلول، والتبريد السريع، والشيخوخة الاصطناعية.

تتميز هذه السبيكة بخصائص نموذجية تشمل مزيجًا مناسبًا من القوة المتوسطة إلى العالية، ومقاومة جيدة للتآكل في بيئات متعددة، وقابلية ممتازة للحام، وقابلية تشكيل معقولة في الحالات اللينة. تجمع هذه الخصائص تجعل 6061 جذابًا للمكونات الهيكلية، وأُطُر النقل والمركبات، وقطع التوصيل العامة في مجال الطيران، والأجهزة البحرية، وحاويات الأدوات الدقيقة.

يختار المهندسون 6061 عندما يكون هناك حاجة لتوازن بين القوة، وقابلية التشغيل، واللحام، والأداء المقاوم للتآكل دون تكلفة عالية أو تعقيدات معالجة مرتبطة بسبيكات 7xxx ذات القوة الأعلى. يتم اختياره على سبائك العائلة 1xxx أو 3xxx الأكثر ليونة عند الحاجة إلى قدرة تحمل هيكلية، وعلى سبائك العائلة 2xxx عند إعطاء الأولوية لمقاومة التآكل المحسنة وقابلية اللحام.

أنواع المعالجة الحرارية

نوع المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مخمرة بالكامل، أعلى ليونة للتشكيل
H14	منخفضة–متوسطة	متوسطة	جيدة	ممتازة	مشدودة ميكانيكيًا، تشكيل محدود بعد تصلب العمل
H32	متوسطة	متوسطة	جيدة	ممتازة	مشدودة ميكانيكيًا ومستقرة للحفاظ على بعض القابلية للتشكيل
T5	متوسطة–عالية	متوسطة	متوسطة	ممتازة	مبردة بعد العمل الساخن ومشيّخة اصطناعيًا
T6	عالية	منخفضة–متوسطة	متوسطة	جيدة جدًا	معالجة حرارية بالمحلول وشيخوخة اصطناعية، نوع معالجة هيكلية شائع
T651	عالية	منخفضة–متوسطة	متوسطة	جيدة جدًا	T6 مع تخفيف التوتر بواسطة الشد أو التثبيت الانضغاطي
T4	متوسطة	جيدة	جيدة	ممتازة	معالجة حرارية بالمحلول وعمر طبيعي، يستخدم عند الحاجة إلى تقسية بعد التشكيل

اختيار نوع المعالجة يتحكم بالمقابل بين القوة والليونة، حيث يفضل استخدام المعالجة المخمرة (O) وT4 للتشكيلات المكثفة، بينما تُختار T5/T6/T651 للتطبيقات الهيكلية التي تتطلب مقاومة خضوع وشد أعلى. التشيخ، سواء كان طبيعيًا (T4) أو اصطناعيًا (T5/T6)، يسبب ترسيب Mg2Si متناهية الصغر، مما يزيد القوة مع تقليل الليونة ويؤثر على استجابة التعب والصلادة.

فهم التليين الخاص بالنوع في منطقة التأثير الحراري (HAZ) بعد اللحام أمر حاسم للتصميم؛ حيث يظهر نوع T6 وأنواع مشابهة تليينًا في منطقة HAZ غالبًا ما يقلل القوة المحلية، بينما نوعي O وT4 قد يستعيدان القوة من خلال التشيخ الاصطناعي بعد اللحام إذا سمحت ظروف العملية.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة %	ملاحظات
Si	0.40–0.80	السيليكون يتحد مع المغنيسيوم لتكوين ترسيبات تقسية Mg2Si.
Fe	0.00–0.70	الحديد شوائب تشكل مركبات بين فلزية تقلل الليونة ومقاومة التآكل.
Mn	0.00–0.15	المنغنيز يكرر هيكل الحبوب ويمكن أن يحسن القوة قليلاً.
Mg	0.80–1.20	العنصر الأساسي للتقسية الذي يشكل Mg2Si مع السيليكون؛ يتحكم في استجابة التشيخ.
Cu	0.15–0.40	النحاس يزيد القوة واستجابة التشيخ لكنه قد يقلل مقاومة التآكل.
Zn	0.00–0.25	الزنك شوائب بسيطة؛ مستويات أعلى تؤثر على القوة والسلوك التآكلي.
Cr	0.04–0.35	الكروم يعيق نمو الحبوب ويحسن المتانة ومقاومة تشققات التآكل بالإجهاد.
Ti	0.00–0.15	التيتانيوم يستخدم كمكرر للحبوب أثناء الصب والمعالجة الأولية.
عناصر أخرى (لكل منها)	≤0.05	عناصر أثر مثل V، Zr، وبقايا؛ التوازن ألومنيوم

مستويات Mg وSi تحدد إمكانية التقسية بالتسنن عبر Mg2Si؛ نسبة وتوزيع هذه العناصر يتحكمان في سرعة ومقدار التشيخ. الإضافات الثانوية وبقايا العنصر تؤثر على حجم الحبوب، وإعادة التبلور، والمتانة، وقابلية تكوين المركبات بين الفلزية؛ لذلك فإن التحكم الدقيق بالتركيب ضروري لتحقيق أداء ميكانيكي وتآكلي ثابت.

الخصائص الميكانيكية

سلوك الشد في 6061 يعتمد بشكل كبير على نوع المعالجة. في حالة المعالجة بالمحلول والشيخوخة الاصطناعية (T6)، تظهر السبيكة قوة عالية للخضوع والشد مع استطالة متوسطة، مما يمكّن من استخدامها في تطبيقات هيكلية تتطلب استجابة مرنة وبلاستيكية متوقعة. أداء التعب معقول كسبيكة متعددة الأغراض، لكنه يتأثر بشدة بنوعية السطح، وتركيز الإجهاد، ونوع المعالجة.

تزداد مقاومة الخضوع والشد بشكل ملحوظ من حالات O وT4 إلى T6، بينما تقل الاستطالة والمتانة بالمقابل. والصلادة تتبع نفس الاتجاه؛ فحالة T6 تظهر صلادة برينل أو روكويل أعلى بكثير مقارنة بحالة O. يؤثر سمك المنتج على الخصائص الممكن تحقيقها بسبب حساسية التبريد السريع؛ فالأجزاء الأكثر سمكًا يصعب تبريدها بسرعة مما يقلل من الصلادة القصوى بعد التشيخ.

الخاصية	O/مخمرة	نوع رئيسي (T6/T651)	ملاحظات
قوة الشد	90–160 MPa	275–350 MPa	قيمة T6 نموذجية حوالي 310 MPa؛ النطاق يعتمد على شكل المنتج والسمك
مقاومة الخضوع	35–100 MPa	240–300 MPa	قيمة T6 نموذجية حوالي 275 MPa؛ الخضوع معرف عند 0.2% تعويض
الاستطالة	18–25%	8–12%	الاستطالة تقل مع ازدياد القوة وتقليل الليونة
الصلادة (برينل)	35–60 HB	80–110 HB	الصلادة تتوافق مع حالة الترسيب؛ T6 أكثر صلادة بشكل ملحوظ

تختلف قيم الخصائص الميكانيكية حسب شكل المنتج، وتاريخ المعالجة، واتجاه الاختبار. لمصممي الهياكل الحرجة يجب أن يأخذوا في الاعتبار اللاتماثلية الناتجة عن الدرفلة أو البثق، وتأثير التليين في منطقة التأثير الحراري للحام على القوة المحلية، واحتمال انخفاض القوة في الأجزاء السميكة بسبب المعالجة غير الكاملة أو تأخيرات التبريد.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 جم/سم³	قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم المشغولة، تستخدم في حسابات الكتلة والصلابة
نطاق الانصهار (الصلب–السائل)	~582–652 °C	نطاق انصهار السبيكة يعتمد على التركيب المحلي ومحتوى المركبات بين الفلزية
التوصيل الحراري	~150 واط/م·ك	أقل من الألومنيوم النقي ولكنه لا يزال مرتفعًا نسبيًا لتبديد الحرارة
التوصيل الكهربائي	~30–45 % IACS	التوصيل يقل بفعل السبائكية؛ يعبر عنه كنسبة مئوية من معيار النحاس النقي (IACS)
الحرارة النوعية	~900 جول/كجم·ك	حرارة نوعية نموذجية لسبائك الألومنيوم عند درجة حرارة الغرفة
معامل التمدد الحراري	~23.5 ×10⁻⁶ /ك	تمدد حراري مرتفع مقارنة بالصلب، مهم لحساب إجهادات الحرارة

تقدم سبيكة 6061 توصيلًا حراريًا مناسبًا للعديد من تطبيقات تبديد الحرارة مع الحفاظ على كثافة منخفضة تفيد التصميمات حساسة الوزن. يجب مراعاة معامل التمدد الحراري المرتفع نسبيًا والتوصيل الكهربائي المتوسط عند الدمج مع مواد مختلفة أو تصميم أنظمة إدارة حرارية. يجب أن يأخذ اختيار المادة في الاعتبار التغيرات المعتمدة على درجة الحرارة في معامل المرونة ومقاومة الخضوع في ظروف التكرار الحراري.

ألواح المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التمبيرات الشائعة	ملاحظات
لوح	0.2 mm – 6 mm	قوة جيدة في السماكات الرقيقة بعد المعالجة الحرارية	O, T4, T6	يُستخدم على نطاق واسع للألواح، الحاويات، والقطع المشكلة
لوحة صفيحية	6 mm – 200 mm	السماكة تؤثر على استجابة المعالجة الحرارية	O, T6 (سماكة محدودة)	ألواح السماكة الكبيرة غالباً ما تقل فيها القوة الممكنة بسبب حساسية التبريد السريع
بثق	بروفيلات معقدة، أطوال تصل إلى عدة أمتار	قوة جيدة باتجاه محور البروفيل	T5, T6, T651	البثق يسمح بمقاطع عرضية معقدة لكن تظهر خواصها متجهة الاتجاه
أنبوب	قطر من عدة مم حتى أكثر من 300 مم	قوة مماثلة لمقاطع عرضية مشابهة	O, T6	أنابيب بدون درز وملحومة تُستخدم للتطبيقات الإنشائية والهيدروليكية
قضيب/عمود	أقطار ومقاطع عرضية مختلفة	قوة طولية عالية عند التقسية بالشيخوخة	T6, T651	شائعة للمكونات المشغولة والأعمدة

تُشكل الألواح والبثوقات بسهولة وتُعالَج حرارياً حسب متطلبات التصميم؛ البروفيلات المبثوقة ذات قيمة خاصة للمكونات الخطية الطويلة ذات الميزات المدمجة. تحتاج الألواح والأجزاء ذات المقاطع الكبيرة إلى معالجة حرارية دقيقة واستراتيجيات تبريد لضمان خواص متجانسة. سلوك التشغيل والخواص الميكانيكية النهائية مرتبطة بقوة بالشكل والتمبير المختار، لذلك يجب ذكر كلاهما في مواصفات التصميم.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	A6061	الولايات المتحدة	تعيين Aluminum Association الشائع الاستخدام في أمريكا الشمالية
EN AW	6061	أوروبا	غالباً مدرج كـ EN AW-6061 (AlMg1SiCu) حسب معايير EN
JIS	A6061	اليابان	تعيين المعيار الصناعي الياباني؛ حدود كيميائية مشابهة لكن معايير اختبار مختلفة
GB/T	6061	الصين	تشير معايير الصين إلى السبائك 6061 بتركيبات مشابهة

التوازي الكيميائي عام لكنه قد يختلف في حدود الشوائب، تباينات الخواص الميكانيكية، والتمبيرات أو أساليب الاختبار المعتمدة. يجب عند الشراء والتحديد ذكر تعيين السبيكة والمعيار المرتبط (مثل ASTM، EN، JIS، GB/T) لضمان التوافق مع متطلبات الفحص الميكانيكي، التفاوتات البُعدية، وتوقعات الشهادات. قد توجد فروق طفيفة في التشطيب السطحي، السيطرة على هيكل الحبيبات، أو الضمان على المتانة بين المعايير الإقليمية.

مقاومة التآكل

يتمتع 6061 بمقاومة جيدة عامة لتآكل الغلاف الجوي بفضل تكوين طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية التي تحد من معدل التآكل العام في العديد من البيئات. يمكن حدوث تآكل موضعي مثل التآكل النقطي في البيئات الحاوية على الكلوريد؛ الأداء تنافسي في تعرضات بحرية متوسطة عند استخدام التصميم القائم على التضحية والطبقات الحامية.

في حالات التعرض البحري الشديد أو الطويل الأمد، غالباً ما تتفوق سبائك السلسلة 5xxx (Al-Mg) على 6061 في البيئات العارية بفضل حاجز أقوى ضد التآكل الموضعي؛ مع ذلك، 6061 يستفيد من الأكسدة والتغطيات الواقية التي تطيل عمر الخدمة بشكل كبير. قابلية التشقق بالتآكل الإجهادي (SCC) معتدلة وتتأثر بالتمبير، حيث تظهر تمبيرات الشيخوخة القصوى (T6) حساسية أعلى تجاه SCC مقارنة بالتمبيرات الطرية؛ الإجهادات المتبقية الناتجة عن اللحام أو التشكيل قد تزيد من مخاطر SCC.

يجب إدارة التفاعلات الكهروكيميائية عن طريق عزل الواجهات أو اختيار مواد تضحية متوافقة؛ عند الاقتران بمعادن أكثر نبالة، يعمل 6061 كمصعد ويتعرض للتآكل التفضيلي. مقارنةً بسلسلة 2xxx، يقدم 6061 مقاومة تآكل وقدرة لحام أفضل، بينما بالمقارنة مع سبائك 5xxx يضحي قليلاً في مقاومة التآكل مقابل قوة أعلى وسلوك قابل للمعالجة الحرارية.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

يلحم 6061 بشكل جيد بعمليات شائعة مثل GMAW (MIG) وGTAW (TIG)؛ عادة ما يستخدم معدن حشو من السبائك 4043 (Al-Si) أو 5356 (Al-Mg) حسب متطلبات القوة ومقاومة التآكل. يجب التحكم في كمية الحرارة لمنع تليين منطقة التأثير الحراري (HAZ)؛ تقل قوة المادة بعد اللحام في HAZ عند تيمبر T6. يمكن معالجة الحرارة بعد اللحام (PWHT) أو إعادة الشيخوخة موضعياً لاستعادة القوة في بعض التطبيقات، مع ضرورة مراعاة التشوه والسيطرة البعْدية أثناء إجراءات اللحام.

قابلية التشغيل

تُعتبر قابلية التشغيل ل6061 جيدة إلى ممتازة بين سبائك الألمنيوم؛ يتم تشغيلها بشكل أسرع من العديد من أنواع الصلب وتنتج رقائق نظيفة باستخدام هندسة الأدوات المناسبة. تُستخدم عادة أدوات كربيد أو فولاذ سريع القطع مع سرعات قطع متوسطة، معدلات تغذية عالية، وإخلاء رقائق جيد لتجنب تراكم الحافة. تتأثر جودة التشطيب السطحي وعمر الأداة بالتمبير وحالة المعالجة الحرارية؛ قد يكون تيمبر T6 أكثر تآكلاً قليلاً من O بسبب الفازات المتشكلة بالتقسية بالشيخوخة.

قابلية التشكيل

أفضل قابلية تشكيل تكون في حالات التمبير المعالجة حرارياً أو T4 حيث يلزم التشكيل البارد الكبير والتشكيل المعقد. يجب تحديد نصف قطر الثني حسب التيمبر والسماكة؛ لألواح T6 تكون أنصاف أقطار الثني الدنيا أكبر لتجنب التشقق، بينما تسمح حالات O/T4 بأنصاف أقطار أصغر. يزيد العمل البارد من القوة عبر التقسية بالانفعال، لكن يجب احتساب الانفعال العكسي الكبير وانخفاض الليونة في التيمبرات المقسى )الشيخوخة( عند تصميم الأدوات وتسلسل التشكيل.

سلوك المعالجة الحرارية

تُجرى المعالجة بالحلول لـ6061 عادةً عند درجات حرارة تتراوح بين 520–550 °C لإذابة المراحل القابلة للذوبان وتكوين محلول صلب مشبع فوق اللازم. يجب التبريد السريع (تبريد مائي أو تبريد محكم) من درجة حرارة الحل للحفاظ على ذوبان العناصر قبل الشيخوخة؛ تزداد حساسية التبريد مع زيادة السماكة.

يُجرى شيخوخة صناعية للتيمبر T6 عادةً عند درجات حرارة حوالى 160–190 °C لفترات تتراوح بين 6 و18 ساعة حسب السماكة والخصائص الميكانيكية المطلوبة؛ تؤدي المعالجة إلى ترسيب Mg2Si الناعم الذي يوفر الجزء الأكبر من زيادة القوة. يتضمن تيمبر T5 التبريد من درجة حرارة مرتفعة متبوعًا بالشيخوخة الصناعية بدون معالجة بالحلول؛ في حين أن T4 تتم بالحلول والمعالجة الشيخوخة الطبيعية عند درجة حرارة الغرفة. يشير T651 إلى تيمبر T6 مع التثبيت بواسطة شد لتقليل الإجهادات والتشوهات المتبقية.

تُهيمن معالجة العمل والتمدد واللحام على الخصائص في السبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية. في 6061، بينما تعد المعالجة الحرارية الخيار الرئيسي للتقسية، فإن الشيوخ المفرط المحلي أو التعرض الحراري غير المناسب أثناء الخدمة يمكن أن يقلل كثيراً من الخواص الميكانيكية، مما يستلزم إعادة المعالجة بالحلول والشيخوخة إذا توفرت إمكانية ذلك.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

يحافظ 6061 على خواص ميكانيكية صالحة حتى درجات حرارة معتدلة مرتفعة، لكن تفقد القوة بشكل كبير عند تجاوز درجة حرارة حوالي 150 °C. تؤدي الخدمة طويلة الأمد في درجات حرارة مرتفعة إلى الشيخوخة المفرطة وكبر حجم الترسيبات، مما يقلل مقاومة الخضوع وتعب المواد.

يقتصر التأكسد عند درجات الحرارة المرتفعة بطبقة أكسيد الألمنيوم المستقرة؛ مع ذلك، قد تتدهور الاستقرار البعدي والصلابة الميكانيكية في بيئات حرارية دورية. للتطبيقات التي تتطلب قوة مستدامة فوق ~120–150 °C، يفضل المهندسون اختيار سبائك ألمنيوم متخصصة أو معادن مقاومة لدرجات الحرارة العالية بدلاً من 6061.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام A6061
السيارات	مكونات الهيكل، الحوامل	نسبة قوة إلى وزن جيدة وقابلية لحام ممتازة
البحرية	التجهيزات الهيكلية، الدرابزينات	مقاومة التآكل وسهولة التصنيع
الفضاء	المثبتات، الحواجز، الأنابيب	قوة مناسبة، قابلية التشغيل، وتوفير الوزن
الإلكترونيات	مشتتات حرارة، حاويات	موصلية حرارية وقابلية التشغيل
معدات الترفيه	هياكل الدراجات، معدات التخييم	توازن بين الصلابة، القوة، وسهولة التصنيع

يعد 6061 خيارًا متعدد الاستخدامات عبر أشكال المنتجات المختلفة، وأداءه المتوقع بعد المعالجة الحرارية، وتوفره الواسع، مما يجعله الخيار الافتراضي للعديد من التطبيقات الهيكلية العامة. تستفيد الأجزاء التي تتطلب تشغيلًا معقدًا، أو لحامًا، أو مزيجًا من القوة ومقاومة التآكل من الملف الميكانيكي والمادي المتوازن لهذه السبيكة.

نصائح الاختيار

اختر 6061 عندما تحتاج إلى سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية تجمع بين قابلية اللحام، التشغيل، ومقاومة التآكل لاستخدامات هيكلية. إنه سبيكة متوسطة القوة توفر قوة أعلى من الألمنيوم التجاري النقي (1100) والعديد من السبائك المعالجة بالعمل، مع سهولة أكبر في اللحام وحساسية أقل للتآكل مقارنة بالسبائك عالية القوة من نوع Al-Cu (2xxx).

بالمقارنة مع 1100، تقدم 6061 توصيلًا كهربائيًا أعلى وقابلية تشكيل متفوقة مقابل قوة وصلابة أعلى بكثير، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات الهيكلية. بالمقارنة مع السبائك المقواة بالتشغيل مثل 3003 أو 5052، تقدم 6061 قوة قصوى أعلى بعد التقدم في السن ولكن بمقاومة تآكل أقل قليلاً في بعض البيئات الغنية بالكلوريد. وبالمقارنة مع 6063، التي تم تحسينها للشد واللمسات السطحية الجمالية، توفر 6061 قوة هيكلية أعلى وتُفضّل عندما يكون الأداء الميكانيكي، وليس التشطيب السطحي، هو المتطلب الأساسي.

الملخص الختامي

لا تزال 6061 من ألمنيوم الهندسي واسع الاستخدام لأنها تقدم توازنًا عمليًا بين القوة ومقاومة التآكل وقابلية التشكيل والتكلفة، مع توفر واسع في العديد من الأشكال والطرز الحرارية. تحافظ سلوكها المتوقع عند المعالجة الحرارية وخصائص التصنيع الجيدة على أهميتها لمختلف الصناعات التي تتطلب أداءً هيكليًا موثوقًا وقابلية تصنيع عالية.