الألومنيوم 1350: التركيب، الخصائص، دليل المعالجة & التطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
1350 هو أحد أعضاء سلسلة الألومنيوم 1xxx، والتي تمثل عائلة الألومنيوم النقي تجارياً بنسبة محتوى ألومنيوم اسمية لا تقل عن 99.5%. تتميز هذه السلسلة بإضافات سبائكية منخفضة جداً وتختلف عن عائلات 3xxx و5xxx و6xxx التي تعتمد على Mn أو Mg أو Mg+Si للتقوية.
العناصر السبائكية الأساسية في 1350 هي شوائب أثرية ومخلفات محكمة مثل الحديد والسيليكون وكميات صغيرة جداً من المنغنيز أو التيتانيوم؛ تُحافظ على نسبها منخفضة للحفاظ على التوصيل الكهربائي والحراري. يتم تحقيق التقوية في 1350 بشكل شبه حصري عبر التقسية باللدن (تقسية الاجهاد) بدلاً من المعالجة الحرارية، ويتم التليين من خلال التخمير وإعادة التبلور.
الصفات الرئيسية لـ 1350 تشمل توصيل كهربائي وحراري عالٍ جداً بالنسبة لسبائك، ومقاومة جيدة للتآكل في البيئات الجوية، وقابلية تشكيل ممتازة في الحالات المطحونة (المخمرة)، وقابلية لحام عموماً سهلة باستخدام عمليات الاندماج التقليدية. الصناعات النموذجية التي تستخدم 1350 هي توزيع الطاقة الكهربائية (موصلات، قضبان توصيل Busbars)، والإلكترونيات (شيمز، رقائق، أجهزة تبديد الحرارة)، العناصر المعمارية وبعض التطبيقات الهيكلية الخفيفة حيث تكون التوصيلية وقابلية التشكيل ذات أولوية على القوة القصوى.
يختار المهندسون 1350 عندما يكون هدف التصميم هو الجمع بين التوصيلية الكهربائية، وجودة السطح الجيدة، وسهولة التشكيل أو اللحام بدلاً من أعلى قوة؛ ويتم اختياره على الدرجات الأعلى سبائكية أو القابلة للمعالجة الحرارية عندما تكون التوصيلية، مقاومة التآكل، والتكلفة عوامل مهيمنة. كما يسهل نقاء السبائك نسبياً عمليات التوصيل والتشطيب السطحي للمكونات الكهربائية والعاكسة.
أنواع التسخين (التمبرز)
| التمبرز | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالية | ممتازة | ممتازة | حالة التخمير الكامل؛ أعلى دكتيلية وتوصيلية |
| H12 | منخفض-متوسط | متوسطة | جيدة جداً | ممتازة | ربع تقسية؛ تقسية عمل خفيفة |
| H14 | متوسطة | منخفضة-متوسطة | جيدة | ممتازة | نصف تقسية؛ شائعة لشرائط الموصل وأجزاء مشكلة معينة |
| H16 | متوسطة-عالية | منخفضة | متوسطة إلى جيدة | ممتازة | ثلاثة أرباع تقسية؛ تستخدم عند الحاجة لمقاومة خضوع أعلى |
| H18 | عالية | منخفضة | محدودة | ممتازة | تقسية كاملة؛ أفضل قوة من العمل البارد لكن أقل قابلية للتشكيل |
| T4 (غير قابل للتطبيق) | — | — | — | — | سبائك 1xxx غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ حالات T نادرة ومحدودة لتعريفات المعالجة فقط |
| T5/T6/T651 | — | — | — | — | حالات المعالجة الحرارية غير قابلة للتطبيق على سلسلة 1xxx؛ مدرجة للمرجعية فقط |
التمبرز يتحكم بشكل كبير في سلوك 1350 الميكانيكي وقابلية التشكيل لأن السبيكة لا تستجيب للتقسية بالتقدم في العمر؛ كل التقوية العملية تأتي من التقسية باللدن. اختيار تمبرز O يعظم الدكتيلية والتوصيلية للرسم العميق والانحناءات الضيقة، في حين تُقايض حالات H قابلية التشكيل بقوة خضوع وقوة شد أعلى مفيدة في الشرائط الهيكلية، قضبان التوصيل، والمكونات المشكلة الصلبة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | متحكم فيه للحفاظ على التوصيلية وتقليل المعادن المشتركة |
| Fe | ≤ 0.60 | الشوائب الرئيسية؛ زيادة Fe تقلل التوصيلية وقد تؤثر على التشكيل |
| Mn | ≤ 0.05 | كميات صغيرة تزيد القوة قليلاً؛ محتفظ بها منخفضة في 1350 |
| Mg | ≤ 0.05 | بسيط؛ المغنيسيوم غير مستخدم للتقوية في هذه الدرجة |
| Cu | ≤ 0.05 | محتفظ بها منخفضة جداً للحفاظ على مقاومة التآكل والتوصيلية |
| Zn | ≤ 0.05 | كميات منخفضة، متحكم فيها لتجنب التأثيرات الجلفانية والهشاشة |
| Cr | ≤ 0.05 | مستويات أثرية؛ ليس عنصر سبيكة مقصود لهذه الدرجة |
| Ti | ≤ 0.03 | مزيل أكسدة ومصغر حبيبي في بعض ممارسات السبك |
| عناصر أخرى | ≤ 0.15 مجموعاً | مخلفات وعناصر أثرية؛ ألومنيوم الباقي (~99.5% كحد أدنى) |
الكيمياء ذات النقاء القريب للنقي مُحسنة لتوفير توصيل كهربائي وحراري عالي مع تقليل ترسيبات المعادن المشتركة وجزيئات الطور الثاني إلى الحد الأدنى. كميات صغيرة من الحديد والسيليكون مقبولة كمخلفات معالجة، لكن يجب على المصممين مراعاة تأثيرها على التوصيلية وجودة السطح واستجابة الرسم العميق.
الخصائص الميكانيكية
في سلوك الشد، يظهر 1350 قوة خضوع منخفضة في الحالة المخمرة (O) وزيادة تدريجية في قوة الخضوع وقوة الشد القصوى مع زيادة التقسية باللدن (حالات H). الاستطالة في حالة O مرتفعة، مما يتيح عمليات الرسم العميق والتشكيل الشديد؛ ومع ذلك فإن الاستطالة تنخفض بشكل حاد مع التقدم نحو H18 حيث يتم تقوية المادة بشكل كبير من العمل البارد.
الصلادة تتناسب مع التمبرز: المادة المخبرة تظهر صلادة منخفضة نموذجية للألومنيوم النقي بينما حالات التقسية الكاملة تقترب من قيم مناسبة لأحمال هيكلية خفيفة وشرائط صلبة. مقاومة التعب للـ1350 متوسطة مقارنةً بالدرجات ذات السبائكية الأعلى وتتأثر بجودة السطح، الإجهاد المتبقي من التشكيل، ووجود الشقوق أو اللحامات.
السماكة تؤثر على قابلية التشكيل والقوة؛ السماكات الرقيقة أسهل في العمل البارد للوصول لمستويات صلادة أعلى لكن قد تعاني من تشقق الحواف إذا لم تُعالج بشكل صحيح. القطاعات الأثخن تحافظ على دكتيلية أعلى عبر السماكة في الحالة المخمرة لكنها تتطلب قوة أكبر وأنصاف أقطار أدوات أكبر للتشكيل.
| الخاصية | O/مخمرة | التمبرز الرئيسي (مثلاً H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~60–110 MPa | ~120–160 MPa | قوة الشد تزداد مع التقسية باللدن؛ القيم تعتمد على التمبرز والسماكة |
| قوة الخضوع | ~20–50 MPa | ~100–140 MPa | قوة الخضوع ترتفع بشكل ملحوظ مع حالات H؛ قوة الخضوع في المخمرة منخفضة |
| الاستطالة | ~30–40% | ~5–15% | الاستطالة تنخفض مع زيادة التمبرز؛ سماكة اللوح تؤثر أيضاً على القيم |
| الصلادة | ~20–35 HB | ~35–55 HB | الصلادة تتبع مستوى العمل البارد؛ الصلادة الأعلى تقلل قابلية التشكيل |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.69 g/cm³ | قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ مفيدة لحسابات الكتلة والصلابة |
| نطاق الانصهار | ~660 °C (الصلبة ≈ 660 °C) | نقطة انصهار الألومنيوم النقي؛ نطاق انصهار ضيق |
| التوصيلية الحرارية | ~215–235 W/m·K | عالية بالنسبة للسبائك؛ تختلف وفق محتوى الشوائب والتمبرز |
| التوصيلية الكهربائية | ~57–62 %IACS | التوصيلية العالية تجعل 1350 جذاباً للموصلات وقضبان التوصيل |
| السعة الحرارية النوعية | ~900 J/kg·K | السعة الحرارية النموذجية للألومنيوم المستخدمة في التحليلات الحرارية |
| معامل التمدد الحراري | ~23–24 µm/m·K (20–100 °C) | معامل مهم للتجميعات الملتحمة وتصميم دورات الحرارة |
تؤكد مجموعة الخصائص الفيزيائية على نقل الحرارة والكهرباء: قيم التوصيلية الحرارية والكهربائية مرتفعة نسبياً مقارنة بمعظم السبائك الهيكلية، مما يجعل 1350 مناسباً لتطبيقات الإدارة الكهربائية والحرارية. الجمع بين الكثافة المنخفضة والخصائص الحرارية الجيدة يسمح للمصممين بالاستفادة من مزايا الوزن والقدرة على التبريد في الإلكترونيات وأنظمة الطاقة.
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/ الحجم النموذجي | سلوك القوة | التمبرز الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2–6.0 mm | ناعمة في O؛ تقسى باللف البارد إلى تمبرز H | O, H12, H14, H16 | مستخدمة على نطاق واسع للعاكسات، رقائق المكثفات، وأجهزة تبديد الحرارة |
| ألواح سميكة | >6.0 mm | اتجاهات مشابهة لكن السماكات الأثخن تحتفظ بالدكتيلية لفترة أطول | O, H12 | أقل شيوعاً؛ تستخدم عند الحاجة إلى موصلات أثخن |
| بروفايلات بثق | ملامح بأحجام مقاطع عرضية كبيرة | الأجزاء المسحوبة تبدأ عموماً ناعمة ثم تُعمل على البرد | O, H14 | تعقيد المقاطع متوسط نظراً للدكتيلية العالية |
| أنابيب | جدار 0.5–10 mm | السلوك مشابه للواح رقيقة الجدار؛ قابلية التشكيل مهمة للانحناءات | O, H14 | شائعة لقنوات التوصيل والأنابيب حيث مطلوب توصيل جيد |
| قضبان / عيدان | أقطار 2–50 mm | مشغولة بالبرد لزيادة القوة؛ انخفاض السبائكية يحد مدى التقسية | O, H18 | تستخدم للأطراف الكهربائية والمكونات المجهزة بالتشغيل |
الفروق في المعالجة بين الأشكال تؤثر على الخصائص الميكانيكية: الألواح والشرائط الرقيقة تُعمل بالبرد بسهولة إلى تمبرز H مع زيادات متوقعة في القوة، في حين غالباً ما تتطلب الألواح السميكة والقضبان عمليات تشكيل أو تشغيل أكثر شدة. يسمح البثق والأنابيب بإنشاء هندسات معقدة مع الحفاظ على مزايا التوصيلية للسبائك، ويجب أن يتوافق اختيار المنتج مع التمبرز وعمليات التشكيل المطلوبة مع هندسة المكون.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 1350 | الولايات المتحدة | تسمية صناعية لهذه السبائك التجارية 1xxx المحددة |
| EN AW | Al99.5 (تقريباً) | أوروبا | تقابل درجات الألمنيوم التجاري النقي؛ المواصفات تختلف حسب معيار EN |
| JIS | A1050 / A1070 (تقريباً) | اليابان | مرادفات عائلة JIS 1xxx؛ الكيميا ذات اختلاف طفيف في التركيب والتمبمبر |
| GB/T | Al99.5 (تقريباً) | الصين | مرتبطة بدرجات الألمنيوم التجاري النقي في معايير الصين |
المرادفات المباشرة واحد‑لواحد غالباً ما تمثل كـ "ألمنيوم تجاري نقي" أو درجات عائلة Al99.5 في المعايير الإقليمية، لكن حدود الشوائب الدقيقة، العناصر الثانوية المسموح بها وتعريفات التمبمر تختلف حسب الجهة المعيارية. يجب على المهندسين استشارة ورقة المعيار المعني وشهادة المورد لتأكيد الموصلية الكهربائية، حدود الشوائب والتمبمرات المسموح بها عند الاستبدال بين المرادفات الإقليمية.
مقاومة التآكل
يتمتع 1350 بمقاومة جيدة للتآكل الجوي الطبيعي بسبب محتواه العالي من الألمنيوم وقلة العناصر الفعالة للسباكة. في الأجواء الحضرية والصناعية العادية، يوفر الفيلم المؤكسد المتكوّن طبيعياً حماية فعالة، ويؤدي السبائك أداءً جيدًا في التشطيبات المطلية أو المؤكسدة كهربائياً عندما يكون المظهر السطحي مهمًا.
في البيئات البحرية، يتمتع السبائك بمقاومة معقولة للتآكل العام لكنه عرضة للهجوم الموضعي إذا كانت تركيزات الكلوريد عالية ووجود ظروف الشقوق؛ يُستخدم التأكسد الكهربائي أو الطبقات الواقية كإجراءات وقائية شائعة. تشقق التآكل بالجهد ليس نمط فشل نموذجي للسبائك منخفضة السبائك من سلسلة 1xxx لأن السبائك تفتقر إلى تراكيب الراسبات التي تعزز SCC الكلاسيكي في بعض السبائك عالية القوة.
يجب مراعاة التفاعلات الجلفانية عندما يقترن 1350 مع معادن أكثر نبلاً مثل النحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ؛ حيث أنه معدن نشط نسبيًا سيتعرض للتآكل بشكل تفضيلي عند الاتصال كهربائياً في محلول إلكتروليتي. مقارنة مع سبائك عائلات 5xxx و 6xxx، يضحي 1350 ببعض القوة لكنه يوفر عمومًا مقاومة تآكل متساوية أو متفوقة في العديد من الأجواء بسبب نقاوته وغياب أطوار السبائك التي تعزز التآكل الجلفاني.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يُلحَم 1350 بسهولة باستخدام طرق الاندماج الشائعة مثل TIG وMIG بسبب محتواه العالي من الألمنيوم وغياب الراسبات المقسِّبة للصعوبة. تُستخدم ممارسات موصى بها سبائك إدخال مماثلة في التركيب (مثل ER4043 أو ER1100 عندما تكون الموصلية الكهربائية حرجة) لموازنة الخصائص الميكانيكية والكهربائية؛ اختيار السبائك يعتمد على ما إذا كانت الموصلية أو قوة الوصلة هي الأولوية. خطر التشقق الحراري منخفض مقارنة بالسبائك ذات محتوى عالي من Cu أو Mg، لكن الاهتمام بتصميم الوصلات والتنظيف من الأكسيد وتجنب التلوث ضروري لتفادي المسامية وسوء الاندماج. تليين منطقة التأثير الحراري لا يشكل مشكلة كما في السبائك المعالجة حرارياً، لأن السبائك غير معالجة حرارياً والخصائص الميكانيكية يتحكم بها العمل البارد.
قابلية التشغيل
قابلية التشغيل للسبائك 1350 تعتبر متوسطة إلى مقبولة؛ وبما أن السبائك ناعمة نسبياً، تميل لإنتاج رقاقات طويلة ومستمرة وقد يحدث احتكاك إذا لم تكن الأدوات أو التغذية مناسبة. يوصى باستخدام أدوات كربيد ذات زاوية إيجابية وتصاميم لكسر الرقاقة لزيادة الإنتاجية، ويجب أن تكون سرعات القطع معتدلة لتجنب تكون الحافة المبنية. يمكن تحقيق تشطيب سطحي جيد، لكن يجب الانتباه لشد القطعة وصلابتها لمنع الاهتزاز خاصة في القطع الرقيقة أو الطويلة.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل في الحالة المريحة O ممتازة للسك العميق، الثني والتشكيل بالشد، ويستخدم عادة حيثما يتطلب الأمر أنصاف أقطار ضيقة وأشكال معقدة. يمكن أن تكون أنصاف أقطار الثني صغيرة نسبياً في تمببر O، غالبًا حتى بضعة أضعاف سمك المادة حسب الأدوات ومواد التزليق السطحي؛ أما في تمببرات H يزداد الحد الأدنى الموصى به لأنصاف الأقطار بشكل كبير. يزيد العمل البارد من القوة لكنه يقلل القابلية للتشكيل؛ لذا يجب على المصممين اختيار ألين تمببر عملي للتشكيل الشديد والتخطيط للمعالجة النهائية أو التقوية الميكانيكية بعد التشكيل عند الحاجة.
سلوك المعالجة الحرارية
بوصفه سبيكة من سلسلة 1xxx، فإن 1350 غير قابلة للمعالجة الحرارية من حيث تقسية الترسيب؛ يتم التلاعب بالخصائص الميكانيكية عبر العمل البارد والتعديل الحراري. تشجيع المعالجة الحرارية لفيلم 1350 يعزز التعافي وإعادة التبلور؛ تتم دورات التعديل الحراري الكاملة عادة في نطاق 300–400 °C حسب مقطع الجزء وعمليات المعالجة لاستعادة الليونة والموصلية.
لا توجد دورات علاج بالذوبان والشيخوخة ذات معنى للسبائك 1350 لأنها تفتقر إلى العناصر السبائكية اللازمة لتكوين الراسبات المقسية؛ لذلك تصنيفات T الخاصة بالتصلب بالشيخوخة لا تنطبق. التقسية بالعمل البارد هي آلية التقوية الأساسية: التحكم الدقيق في عمليات الدرفلة، السحب والحدادة يحدد التوازن النهائي بين القوة والليونة في القطع المنتجة.
الأداء في درجات الحرارة العالية
يحافظ 1350 على سلامته المعدنية في درجات حرارة أقل من حوالي 150–200 °C، لكنه يظهر فقداناً تدريجياً في القوة وميلاً للزحف في درجات الحرارة المرتفعة مقارنة بالسبائك الأعلى قوة. في الخدمة المستمرة قرب أو فوق 150 °C يجب على المصممين مراعاة انخفاض مقاومة الخضوع وزيادة التليين الحراري؛ كما يمكن للدورات الحرارية أن تؤدي إلى تعكير بنية الحبيبات وتغيير خصائص فيلم الأكسيد السطحي. التأكسد في الهواء يقتصر على تشكل طبقة أكسيد واقية نموذجية للألمنيوم، لكن التعرض المطول في درجات حرارة مرتفعة قد يؤثر في finition السطحي ومقاومة الاتصال الكهربائي.
في عمليات اللحام والتلحيم، لا تنتج منطقة التأثير الحراري نفس الشيخوخة الزائدة أو ذوبان الراسبات كما في السبائك المعالجة حرارياً، لكن المعالجة الموضعية تقلل القوة المكتسبة بالعمل البارد قرب اللحامات. للاحتياجات الهيكلية في درجات حرارة عالية أو حيث تكون مقاومة الزحف حرجة، يجب على المهندسين النظر في السبائك المقاومة للحرارة خارج عائلة 1xxx.
التطبيقات
| الصناعة | مكون نموذجي | لماذا يستخدم 1350 |
|---|---|---|
| الكهرباء والطاقة | أسلاك الناقلة العلوية، القضبان الحافلة، الموصلات | موصلية كهربائية عالية وقابلية تشكيل جيدة لشكل الموصل |
| الإلكترونيات | موزعات الحرارة، الألواح الرقيقة، الحماية | موصلية حرارية عالية وتشطيب سطحي ممتاز |
| العمارة | تشطيبات الأسقف، العواكس | مقاومة التآكل وقابلية التشطيب الجمالية |
| السيارات | شرائط غير هيكلية موصلة، عواكس | قابلية تشكيل جيدة، موصلية وتكلفة منخفضة |
| البيئة البحرية | الملحقات غير الحرجة، التشطيبات | مقاومة التآكل في الأجواء البحرية الجوية |
يُستخدم 1350 على نطاق واسع حيث تتفوق المتطلبات الكهربائية أو الحرارية وقابلية التشكيل على الحاجة إلى قوة عالية؛ تجعل هذه الصفات التطبيقية منه خيارًا اقتصاديًا لمكونات الموصلات، وأجزاء إدارة الحرارة، والعناصر المعمارية المزخرفة. يجمع بين التكلفة المنخفضة والتوفر السهل والتوافق مع طرق الربط والتشطيب الشائعة مما يحافظ على أهميته في بيئات الإنتاج الحديثة.
نصائح الاختيار
للتصاميم التي تعطي أولوية للموصلية وقابلية التشكيل على القوة القصوى، يُعد 1350 خيارًا منطقيًا لأنه يوفر موصلية كهربائية وحرارية عالية مع ليونة ممتازة في حالة التعديل الحراري O. عند المقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي 1100، غالباً ما يوفر 1350 موصلية مماثلة مع خصائص ميكانيكية أعلى قليلاً وحدود شوائب مختلفة قليلاً، مع تبادل انخفاض طفيف في القابلية للتشكيل مقابل زيادة طفيفة في الصلابة في بعض التمبمرات.
مقارنة بالسبائك المقواة بالعمل البارد مثل 3003 أو 5052، عادةً ما يقدم 1350 موصلية كهربائية أفضل ومقاومة تآكل جوي مماثلة، لكنه أقل في القوة القابلة للتحقيق بدون عمل بارد مكثف. مقارنةً بالسبائك المعالجة حرارياً مثل 6061 أو 6063، لن يصل 1350 إلى ذروة القوة أو الصلابة، لكنه مفضل عندما تكون الموصلية، القابلية للتشكيل، التشطيب السطحي والتكلفة أهم من الأداء الميكانيكي الأقصى.
استخدم 1350 عندما تدفع متطلبات كهربائية أو حرارية، سهولة التشكيل، والتكلفة/التوفر اختيار المادة؛ اختر تمبمرات H فقط عند الحاجة إلى قوة إضافية بالعمل البارد، وحدد تمبمر O للسك العميق، الثني الضيق والموصلية القصوى.
ملخص ختامي
يبقى 1350 ألمنيوم تجاري النقاء عمليًا ومستخدمًا على نطاق واسع لأنه يجمع بين موصلية كهربائية وحرارية عالية مع قابلية تشكيل ممتازة، مقاومة تآكل وسهولة التصنيع، مما يجعله الخيار الأول للموصلات، مكونات إدارة الحرارة والأجزاء المعمارية المشكلة حيث لا تكون القوة القصوى هي المحرك الأساسي للتصميم.