الألومنيوم 1200: التركيب، الخواص، دليل المعالجة الحرارية والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
سبائك 1200 هي جزء من سلسلة 1xxx من سبائك الألومنيوم، وتصنف كألومنيوم تجاري نقي بمحتوى ألومنيوم لا يقل عن حوالي 99.0%. تتميز سلسلة 1xxx بقلة إضافة السبائك المتعمدة، وتكون مجموعات الخواص فيها مسيطرة عليها بواسطة المعدن الأساسي نفسه وليس بواسطة إضافات التقوية. العناصر السبائكية الثانوية النموذجية في 1200 هي الحديد والسيليكون كشوائب، إلى جانب كميات ضئيلة من النحاس والمنغنيز والمغنيسيوم والزنك والتيتانيوم والتي يتم التحكم فيها ضمن حدود صارمة.
1200 سبائك غير قابلة للمعالجة بالحرارة ويُطوّر قوتها الميكانيكية بشكل أساسي عبر التقسية بواسطة التشوه (التصلب بالتشكيل) ومن خلال التحكم في الحالة الحرارية (التمبر). توفر هذه السبائك توصيلًا كهربائيًا وحراريًا ممتازًا، ومقاومة رائعة للتآكل في العديد من البيئات، وقابلية تشكل فائقة، وقابلية لحام جيدة جدًا. من أهم محدودياتها هي الانخفاض الكلي في القوة وضعف مقاومة التعب مقارنةً بالأنظمة ذات السبائك المتعمدة.
تشمل الصناعات التي تستخدم عادةً 1200 موصلات كهربائية وقضبان التوصيل، مبادلات حرارية وإدارة حرارية، معدات المعالجة الكيميائية والغذائية، العناصر المعمارية والزخرفية، ورقائق رفيعة للتغليف. يختار المهندسون 1200 عندما تكون الموصلية العالية، ومقاومة التآكل القصوى، وقابلية التشكيل الموسعة ذات أولوية أعلى من القوة القصوى، أو عندما يكون النقاء الكيميائي مطلوبًا للتوافق مع وسائط المعالجة.
أنواع التمبر
| التمبر | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالية | ممتازة | ممتازة | حالة أنيل كاملة، أقصى قدرة على السحب |
| H12 | منخفض–متوسط | عالية | جيدة جدًا | ممتازة | صلابة جزئية بالتشوه، يحتفظ بقابلية تشكيل جيدة |
| H14 | متوسط | متوسطة | جيدة | ممتازة | تمبر شائع بارد العمل التجاري |
| H16 | متوسط–مرتفع | متوسطة | مقبولة–جيدة | ممتازة | تصلب بارد أكبر لقوة أعلى |
| H18 | مرتفع | منخفض | محدودة | ممتازة | تصلب بارد شديد لأقصى قوة بدون معالجة حرارية |
| H22 / H24 | متوسط | متوسطة | جيدة | ممتازة | صلب بالتشوه + مثبت للحفاظ على الخواص |
| H111 | منخفض–متوسط | عالية | جيدة جدًا | ممتازة | حالة صلابة بالتشوه طفيفة أو غير متساوية |
التمبر يتحكم مباشرة في التوازن بين القوة والليونة لأن 1200 لا يمكن معالجته بالتقسية بالترسيب. درجات التمبر التي تم تصلبها بارد (H16، H18) تزيد من قوة الخضوع وقوة الشد على حساب الاستطالة وقابلية التشكيل. المادة الأنيلية (O) تعطي أفضل قابلية للسحب وليونة لعمليات التشكيل العميق والدوران.
التركيبة الكيميائية
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Al | توازن (~99.00 كحد أدنى) | المكون الأساسي؛ يحدد التوصيل والمقاومة للتآكل |
| Si | ≤ 0.30 | شائبة؛ تأثير ثانوي على القوة وسلوك الصب |
| Fe | ≤ 0.30 | شائعة كشوائب؛ يمكن أن تكون مركبات بين فلزية تؤثر على الليونة والتوصيل الكهربائي |
| Mn | ≤ 0.03 | عادة أثر طفيف؛ تأثير ثانوي على القوة |
| Mg | ≤ 0.03 | أثر ضئيل؛ ليست عامل تقوية متعمد في 1200 |
| Cu | ≤ 0.05 | محفوظة منخفضة جدًا للحفاظ على مقاومة التآكل والتوصيل |
| Zn | ≤ 0.03 | أثر ضئيل؛ زيادات أكبر تقلل أداء التآكل |
| Ti | ≤ 0.03 | يضاف أحيانًا كمحسن لحجم الحبيبات في التصنيع؛ عادة منخفض جدًا |
| عناصر أخرى (لكل منها) | ≤ 0.05 | محفوظة منخفضة للحفاظ على النقاء |
التركيبة تركز على نقاء الألومنيوم لزيادة التوصيل الحراري والكهربائي وضمان مقاومة ممتازة للتآكل. تظهر كميات صغيرة من الحديد والسيليكون كشوائب لا مفر منها من الصهر وإعادة التدوير؛ يمكنها تكوين جزيئات بين فلزية دقيقة تؤثر طفيفًا على الخواص الميكانيكية وقابلية التشكيل. يعتبر التحكم في النحاس والزنك مهمًا لأن زيادتهما حتى بكميات صغيرة تقلل من مقاومة التآكل والتوصيل.
الخواص الميكانيكية
في الحالة الأنيلية (O)، يظهر 1200 مقاومة شد وقوة خضوع منخفضة مع استطالة ومتانة عالية جدًا، مما يجعله مناسبًا لعمليات السحب العميق والتشكيل. قدرة الشد النموذجية في حالة O متواضعة وتتغير حسب السماكة وتاريخ المعالجة؛ يمكن أن تظهر الصفائح المتخصصة والرقائق قيمًا أساسية مختلفة. مقاومة التعب في 1200 الأنيل محدودة بسبب القوة الساكنة المنخفضة لكنها تستفيد من الليونة الجيدة وعدم وجود جزيئات المرحلة الثانية الكبيرة.
ينتج عن العمل البارد زيادات كبيرة في كل من قوة الخضوع وقوة الشد على حساب الاستطالة وقابلية التشكيل. ونظرًا لأن السبائك هي أساساً ألومنيوم نقي، فإن زيادة قوة الشد مع التصلب بالتشوه متوقعة ومفيدة لتخصيص أداء القطعة بدون معالجة حرارية. تتوافق الصلادة ارتباطًا وثيقًا مع التمبر والعمل البارد؛ تقيس المادة الأنيلية منخفضة على مقاييس برينل أو فيكرز بينما تظهر تمبر H قراءات أعلى نسبيًا.
تؤثر السماكة وتاريخ المعالجة على السلوك الميكانيكي: السماكات الأرفع عادة تظهر قوة ظاهرية أعلى بسبب إجهادات المعالجة والتصلب بالتشكيل أثناء الدرفلة. حالة السطح، الإجهادات المتبقية من التشكيل ووجود جزيئات بين فلزية من الشوائب تؤثر أيضًا في بدء وتوسع تعب المواد أثناء الخدمة.
| الخاصية | O/أنيل | التمبر الرئيسي (H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~70–120 MPa | ~120–160 MPa | النطاقات واسعة تعكس السماكة والمعالجة؛ H14 تمبر تجاري شائع |
| قوة الخضوع | ~20–50 MPa | ~50–110 MPa | قوة الخضوع تزداد بشكل ملحوظ بالتصلب بالتشوه |
| الاستطالة | ~30–45% | ~10–30% | الاستطالة تقل كلما زاد التمبر |
| الصلادة (HB) | ~13–25 HB | ~25–45 HB | تزداد الصلادة مع العمل البارد؛ القيم تعتمد على طريقة القياس |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.71 g/cm³ | قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم النقي التجاري |
| نطاق الانصهار | ~ 660 °C | نقطة الانصهار الصلب/السائل قريبة من 660 °C |
| التوصيل الحراري | ~220–235 W/m·K (عند 25 °C) | توصيل عالي جدًا؛ يعتمد على النقاء والتمبر |
| التوصيل الكهربائي | ~58–62 % IACS | واحد من أعلى القيم بين سبائك الألمنيوم التجارية |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.897 J/g·K | قيمة نموذجية للألومنيوم عند درجات حرارة محيطة |
| المعامل الحراري للتوسع | ~23–24 ×10^-6 /K (20–100 °C) | معامل متوسط؛ ذو أهمية في تصميم التعرض الحراري |
تحدد مجموعة الخصائص الفيزيائية لسبائك 1200—وخاصة التوصيل الحراري والكهربائي—اختياره لتطبيقات المشتتات الحرارية، قضبان التوصيل والموصلات. التوصيل العالي هو نتيجة مباشرة للاحتواء العالي للألومنيوم ومستوى الشوائب المنخفض. الكثافة والتوسع الحراري متشابهة مع سبائك الألومنيوم الأخرى، لذا فإن اعتبارات الوزن والحركة الحرارية تتبع ممارسات تصميم الألمنيوم القياسية.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | تمبرات شائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2 mm – 6 mm | مصلدة بالتشغيل أو أنيلية | O, H12, H14, H16 | مستخدمة على نطاق واسع للحاويات، الزعانف، والتكسية |
| صفائح | >6 mm (محدودة) | قوة أقل شيوعًا للقطاعات الثقيلة | O, H111 | نادراً ما تُستخدم 1200 للصفائح الثقيلة بسبب انخفاض القوة |
| بثق | ملفات مقطع حتى ~150 mm | القوة تعتمد على العمل البارد بعد البثق | O, H112, H22 | تستخدم للبُرود والقضبان المخصصة حيث يكون النقاء مهمًا |
| أنابيب | أنابيب رقيقة ومتوسطة الجدار | سلوك مشابه للألواح؛ ممكن تصلب بالتشغيل | O, H14 | تستخدم في المبادلات الحرارية ومعالجة السوائل |
| قضبان/أعمدة | أقطار من عدة مم وأعلى | سحب بارد يزيد القوة | O, H14, H18 | شائعة لقضبان الموصل والخامات للتشكيل |
طريقة التشكيل، السماكة والاستخدام النهائي المرغوب تحدد الشكل المناسب من المنتج والتمبر المختار. يستغل الرقائق والصفائح الرفيعة ليونة السبائك وتوصيلها في التطبيقات الحرارية والتغليف. تُستخدم البثق والقضبان حيث يكون النقاء المقطعي أو التوصيل مطلوبة؛ وفي هذه الأشكال، عادة يُستخدم العمل البارد بعد البثق لتحقيق الأداء الميكانيكي المطلوب.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 1200 | الولايات المتحدة الأمريكية | تسمية ASTM/AA للألمنيوم النقي تجارياً (~99.0% Al) |
| EN AW | 1200 / Al99.0 | أوروبا | تسمية EN تتطابق كيميائياً مع AA1200؛ تُستخدم في سلاسل التوريد الأوروبية |
| JIS | A1080 / A1050 (الأقرب) | اليابان | سلسلة JIS تحتوي على درجات نقاء تجاري قريبة؛ حدود الشوائب قد تختلف قليلاً |
| GB/T | 1200 (Al99.0) | الصين | المعيار الصيني يدرج درجة Al99.0 ما يعادل AA1200 |
المقارنة بين المعايير تقريبية لأن معايير الدول المختلفة تحدد حدود شوائب وعناصر ثانوية مسموح بها مختلفة قليلاً. عملياً، تشير AA1200 وEN AW‑1200 وGB/T 1200 إلى درجات الألمنيوم النقي تجارياً ذات أداء مماثل، في حين تستخدم JIS تسميات قريبة (مثل A1050/A1080) لألمنيوم عالي النقاء جداً. يجب على المشترين مراجعة شهادات المعايير للمواصفات الدقيقة للتركيب ومتطلبات الاختبارات الميكانيكية قبل تحديد المواد عبر المناطق.
مقاومة التآكل
يتمتع 1200 بمقاومة ممتازة للتآكل الجوي العام بسبب محتواه العالي من الألمنيوم وتكوّن طبقة أكسيد ألمنيوم مستقرّة وواقية. في الأجواء الصناعية الملوثة والعديد من البيئات الريفية يظل متينًا جداً، والاختراق الموضعي نادر مقارنة بالألمنيوم عالي السبائك حيث يمكن أن تعمل الطور الثاني كبؤر بداية. نقاوة 1200 تقلل التوصيل الجلفاني داخل المادة وتقلل من الهجوم التفضيلي في العديد من الظروف.
في البيئات البحرية والتعرض للكلوريد، يؤدي 1200 أداءً جيدًا في العديد من ظروف الخدمة لكنه معرّض للاختراق الموضعي في مياه مالحة راكدة ذات تركيزات عالية من الكلوريد. مقارنةً بسبائك 5xxx الحاملة للمغنيسيوم، يظهر 1200 مقاومة متفوقة لأنظمة تآكل معينة لعدم وجود أطوار تحتوي على Mg، رغم أن سبائك 5xxx توفر قوة ميكانيكية أعلى. تصدع التآكل الإجهادي ليس مصدر قلق رئيسي لـ1200 لأنه غير قابل للمعالجة الحرارية ولا يحتوي على تراكيب ترسيبية تسهم في حساسية التصدع في سبائك الألمنيوم عالية القوة.
يجب أخذ التفاعلات الجلفانية في الاعتبار: 1200 أنودي مقارنة بكثير من المعادن الشائعة (الفولاذ المقاوم للصدأ، منتجات النحاس) وسيتآكل بشكل تفضيلي إذا اتصل كهربائياً في وسط إلكتروليتي موصل. يجب استخدام عوازل مناسبة، أو طبقات طلاء، أو تصميم تضحياتي عند الربط مع معادن مختلفة. بشكل عام، ملف مقاومة التآكل ل1200 من الأكثر اعتدالا بين سبائك الألمنيوم الإنشائية، ولذلك يستخدم على نطاق واسع في معدات المعالجة الكيميائية والتعامل مع الأغذية.
خواص التصنيع
اللحامية
يلحم 1200 بسهولة باستخدام تقنيات الانصهار الشائعة مثل TIG وMIG، مع خطر منخفض جداً لتشققات اللحام الساخنة لأن السبيكة في الأساس ألمنيوم أحادي الطور. بسبب نقاوته العالية ومحتواه المنخفض من السبائك، تُختار إضافات الحشو لتتناسب مع متطلبات التوصيل والليونة؛ الحشوات الشائعة تشمل 1100 و4043 عندما يكون مقبولًا إدخال بعض السبائغ. مناطق التأثر بالحرارة لا تعاني من انحلالات ترسيبية ضارة، وتخفيف منطقة التأثر الحراري غير مصدر قلق تصميمي لأن 1200 لا يكتسب صلابة بالمعالجة الحرارية.
سهولة التشغيل
تُصنف سهولة التشغيل لـ1200 عادة بين جيدة إلى معتدلة لأن السبيكة ناعمة ولزجة مقارنة بسبائك النحاس الرصاصي أو الفولاذات سهلة التشغيل. يجب استخدام أدوات حادة من الكربيد أو إدخالات HSS عالية الجودة بزاوية تقليم موجبة لإنتاج رقائق مستمرة، ويجب أن تكون سرعات القطع متوسطة لتجنب تقسية السطح في تلامس الأداة. التحكم في الرقائق واختيار المبرد مهمان لسطح التشطيب؛ وبسبب ليونة السبيكة، يمكن لتكوّن حافة متراكمة على الأداة أن يؤثر بشكل كبير على جودة السطح.
سهولة التشكيل
سهولة التشكيل من أقوى صفات 1200، خصوصًا في حالات الحالة O وحالات المعالجات الخفيفة H. يمكن إجراء السحب العميق، الدوران، الثني والتشكيل بالشد بسهولة بنصف أقطار ثني صغيرة وتوقع ممتاز للارتداد. مع زيادة المعالجة الباردة، تتغير أنصاف أقطار الثني وقوى التشكيل بشكل متوقع؛ عادةً ما يحدد المصممون المادة المعالجة حراريًا (annealed) عندما يكون التشكل الشديد متوقعًا، ويستخدمون المعالجات H للأجزاء التي تتطلب بعض القوة بعد التشكيل.
سلوك المعالجة الحرارية
1200 هو سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، وبالتالي لا يستجيب للمعالجة بالمعالجة بالإذابة أو التي تعتمد على ترسيب التقوية المستخدمة في سبائك السلسلة 2xxx–7xxx. المحاولات للشيخوخة الاصطناعية لا تنتج تقوية ذات دلالة لأن السبيكة تخلو من عناصر كافية لتكوين رواسب تقوية.
تعديل القوة في 1200 يعتمد بالكامل على العمليات الميكانيكية: الدرفلة الباردة، السحب، التمدد والتخمير المسيطر عليه. عادةً ما يُجرى التخمير (حالة O) بالتسخين إلى درجات حرارة حيث يحدث إعادة التبلور لاستعادة الليونة؛ التشكيل البارد المسيطر عليه والتثبيت التاليان ينتجان المعالجات H المستخدمة تجارياً.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تحدود درجات حرارة الخدمة للـ1200 بالتدهور السريع لخصائص القوة فوق درجات الحرارة المحيطة وبالتغيرات المجهرية المتسارعة عند درجات الحرارة المرتفعة. تبدأ الخصائص الميكانيكية بالتدهور بشكل ملحوظ فوق حوالي 100–150 °C، ويتجنب المصممون عادة الاستخدام الهيكلي المستمر فوق 150 °C حيث يمكن أن يحدث تليين مهم وزحف. في تطبيقات إدارة الحرارة (مشتتات الحرارة)، يظل 1200 وظيفيًا عند درجات حرارة مرتفعة لأن التوصيل لا يزال عالياً وطبقة الأكسيد توفر مقاومة للتأكسد.
سلوك التأكسد معتدل: تتشكل طبقة رقيقة متماسكة من Al2O3 بسرعة وتحمي المعدن من مزيد من التآكل في الهواء. في بيئات حرارية متكررة، يجب مراعاة توسعات فروق الحرارة وتقشر الأكسيد في تصميم الوصلات، لكن التأكسد الكلي لا يمثل عامل تقييد عادة ل1200 في درجات الحرارة الصناعية العادية. الوصلات الملحومة لا تظهر هشاشة مرتبطة بالترسيب، ولكن يجب على المصممين مراعاة النقص في هامش الأمان الميكانيكي عند درجات حرارة الخدمة المرتفعة.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 1200 |
|---|---|---|
| الكهربائية | قضبان التوصيل، الموصلات، مكونات المحولات | توصيل كهربائي عالي وسهولة التشكيل |
| البحرية / الكيميائية | خزانات، مجاري، مبادلات حرارية، معدات معالجة | مقاومة ممتازة للتآكل وتوافق كيميائي |
| إدارة الحرارة | مشتتات حرارة، زعانف، لفائف المبخر | توصيل حراري عالٍ وسهولة التصنيع |
| التغليف / الاستهلاكية | رقائق، تزيين، مكونات معالجة أغذية | النقاء، سهولة التشكيل وجودة السطح |
| المعمارية | التكسية، المحافظ، التزيين | سهولة التشكيل، مقاومة التآكل والمظهر الجمالي |
يجمع 1200 بين التوصيل الكهربائي/الحراري، المقاومة للتآكل وسهولة التشكيل مما يجعله أساسياً حيث يكون النقاء وسهولة التصنيع أهم من متطلبات القوة الهيكلية العالية. يستخدم من رقائق رقيقة للتغليف إلى مكونات مشكّلة في بيئات تآكلية وبروفيلات مسحوبة لتطبيقات كهربائية.
نصائح الاختيار
اختر 1200 عندما تكون التوصيلية، مقاومة التآكل وسهولة التشكيل العوامل التصميمية الأساسية وعندما لا تكون القوة القصوى مطلوبة. تكلفته المنخفضة وتوفره الواسع على شكل صفائح ورقائق وبروفيلات مسحوبة يجعله خيارًا اقتصاديًا لتطبيقات حرارية، كهربائية وكيميائية عديدة.
مقارنة بالدرجة النقية تجارياً 1100، عادةً ما يضحي 1200 قليلاً بمحتوى شوائب أعلى مسموح بها مقابل توصيل كهربائي مماثل وكفاءة تكلفة أعلى قليلاً؛ وكلاهما من نفس عائلة النقاء التجاري. بالمقارنة مع السبائك المعالجة بالتقسية مثل 3003 أو 5052، يوفر 1200 توصيلًا كهربائيًا وحراريًا أعلى وسلوك تآكل أفضل غالبًا في الألمنيوم النقي، لكنه يمنح قوة أقل؛ اختر 1200 حيث تكون التوصيلية وسهولة التشكيل أهم من القدرة على تحمل الأحمال. مقارنة بسبائك قابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يختار 1200 عندما تكون اللحام، مقاومة التآكل والتوصيل أكثر أهمية من تحقيق قوة ذروة عالية من خلال الشيخوخة؛ يُفضل 1200 للمكونات الناقلة أو الحساسة كيميائياً رغم حدوده الميكانيكية الأدنى.
خلاصة
يظل الألمنيوم 1200 مادة هندسية ذات صلة عالية لأنه يجمع بين توصيل عالي، مقاومة متميزة للتآكل، وسهولة تشكيل ممتازة بتكلفة منخفضة. في التطبيقات التي يغلب عليها الاعتبار للنقاء وقابلية التصنيع، غالبًا ما يكون 1200 الخيار العملي والأكثر كفاءة.