ألمنيوم 2017: التركيب، الخصائص، دليل التخشين والتطبيقات

نظرة شاملة

السبائك 2017 هي عضو في سلسلة 2xxx من سبائك الألمنيوم التي تحتوي على النحاس وقابلة للمعالجة الحرارية، ومصممة لتحقق قوة وصلابة مرتفعة. يتميز نظامها الكيميائي بسيطرة عنصر النحاس كإضافة رئيسية للسبائك، مع مساهمات معتدلة من المنغنيز والمغنيسيوم وعناصر أثرية تساهم في تحسين البنية الميكروية وتأثير عملية التصنيع.

يتم تعزيز القوة في 2017 بشكل رئيسي عن طريق تقسية الترسيب (معالجة محلول، تبريد مفاجئ، وتعتيق صناعي) بالإضافة إلى تقسية الشغل في بعض درجات المعالجة؛ حيث يبلغ هذا السبيكة مقاومات خضوع وشد أعلى بكثير مقارنة بمعظم السبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية المستخدمة تجارياً. من الخصائص الرئيسية لـ2017 القوة العالية، وقابلية تشغيل معقولة، ومقاومة تآكل معتدلة مقارنةً بسبائك الألمنيوم الأخرى، وقابلية تشكيل محدودة في حالات التعتيق عند الذروة؛ كما أن قابلية اللحام أكثر تحدياً مقارنة بعائلات 5xxx و6xxx وتتطلب عناية لتجنب تليين منطقة التأثير الحراري (HAZ) والتشققات الساخنة.

تشمل الصناعات النموذجية التي تستخدم 2017 الطيران (قطع التوصيل، المزورات، والمكونات الهيكلية)، الدفاع، النقل، الأجزاء المحركة بدقة، وبعض مكونات المستهلك عالية القوة حيث يلزم توازن بين قابلية التشغيل والقوة المرتفعة. يختار المهندسون 2017 عندما يكون مطلوباً نسبة قوة إلى وزن عالية وقابلية تشغيل جيدة، وعندما يمكن للتصميم استيعاب حماية تآكل مكثفة أو عندما يكون التقوية الموضعية عبر المعالجة الحرارية ميزة.

مقارنةً بعائلات الألمنيوم الأخرى، يُختار 2017 بدلاً من السبائك اللينة والقابلة للتشكيل أكثر عندما تكون القوة ومقاومة التعب من الأولويات، كما يُفضل على السبائك ذات القوة الأعلى ولكن اللدونة الأقل عند أهمية قابلية التشغيل وسلوك التعتيق المتوقعة في التصميم.

متغيرات المعالجة (التشدد)

درجة المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مخففة بالكامل؛ أقصى لَدونة للتشكيل
T4	متوسطة-عالية	متوسطة	مقبولة	ضعيفة-متوسطة	معالجة محلول حراري وتعتيق طبيعي؛ متوازنة لتشغيل المعادن
T6	عالية	منخفضة-متوسطة	محدودة	ضعيفة	معالجة محلول حراري وتعتيق صناعي لأقصى قوة
T651	عالية	منخفضة-متوسطة	محدودة	ضعيفة	درجة T6 مع إزاحة الإجهاد بواسطة الشد؛ تُستخدم لاستقرار التشغيل
H14	متوسطة	منخفضة-متوسطة	محدودة	ضعيفة-متوسطة	تم تقسيته بالشغل إلى نصف صلب؛ يستخدم عندما يلزم زيادة قوة معتدلة
H18	متوسطة-عالية	منخفضة	محدودة	ضعيفة-متوسطة	صلب بالكامل بالتكسيب الشغلي؛ يستخدم لتطبيقات صفائح متخصصة

تتحكم درجة المعالجة بشكل كبير في التوازن بين القوة واللدونة في 2017. حالة المعالجة المخففة (O) توفر أكبر قابلية تشكيل ويُفضل استخدامها في السحب العميق والتشكيل البارد المكثف، بينما تدفع درجات T6 وT651 القوة إلى الحد العملي الأعلى على حساب الاستطالة وقابلية الانحناء.

تُستخدم حالة T4 عادةً كما هو معالج قابل للتشغيل لأنها تقدم قوة أعلى من O مع تجنب الصلادة المفرطة وضعف المتانة في T6؛ درجات H توفر زيادة تدريجية في القوة المفروضة عن طريق الشغل، وهي مفيدة للصفائح والأشرطة لكنها عادة أقل انتظامًا من الدرجات المعالجة حرارياً.

التركيب الكيميائي

العنصر	نسبة %	ملاحظات
Si	≤ 0.12	حافظ على انخفاضه لتجنب المراحل البينية الهشة؛ يقلل التأثيرات على سيولة الانصهار
Fe	≤ 0.30	عنصر شوائب؛ فائض الحديد يشكل جزيئات مرحلية صلبة تقلل اللدونة
Cu	3.5 – 4.5	العنصر الأساسي للتقوية؛ يشكل ترسيبات Al₂Cu أثناء التعتيق
Mn	0.3 – 0.9	تحسين بنية الحبوب والمتانة؛ يقلل خاصية اللاتماثل
Mg	0.2 – 0.8	يساهم في تقسية الترسيب مع النحاس ويحسن القوة
Zn	≤ 0.25	قليل؛ ارتفاع نسبة الزنك قد يزيد من قابلية التشقق بسبب التآكل الإجهادي
Cr	0.10 – 0.25	يسيطر على إعادة التبلور وبنية الحبوب أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية
Ti	≤ 0.15	مكرر حبيبات يستخدم أثناء الصب والمعالجة الأولية
عناصر أخرى	≤ 0.05 لكل منها، ≤ 0.15 إجمالاً	تتضمن عناصر أثرية وبقايا؛ والباقي هو الألمنيوم

يشكل المحتوى العالي من النحاس السمة الكيميائية المميزة لـ2017، وهو المسؤول عن طبيعتها القابلة للمعالجة الحرارية وإمكانات تقسية الترسيب العالية. تُتحكم عناصر المنغنيز والكروم بدقة لتكرير بنية الحبوب وتثبيت القوة والمتانة، في حين يساهم المغنيسيوم في تعديل كينماتيكية تقسية التعتيق ويعزز القوة الكلية.

الخواص الميكانيكية

في السلوك الشدّي، يظهر 2017 قوة شد قصوى عالية ومقاومة خضوع عالية في درجات T6 وT651 بسبب كثافة ترسيبات Al–Cu. يتم تقليل الاستطالة بشكل ملحوظ في حالات التعتيق عند الذروة، لذلك تستخدم التصاميم التي تتطلب قابلية تمدد عالية درجات T4 أو O أو تتضمن تخلصاً من الإجهاد/شدًا لاستعادة بعض المتانة.

تتبع الصلادة في 2017 درجة المعالجة؛ فالمواد المخففة ناعمة نسبياً، في حين تمنح T6 صلادة برينل/فيكرز عالية مماثلة لفولاذ الكربون المتوسط في بعض سياقات الخدمة. تستفيد مقاومة التعب من القوة الساكنة العالية لكنها قد تتأثر بعيوب السطح والجزيئات المرحلية الخشنة وحفر التآكل؛ يمكن أن تؤدي المعالجة المحكمة والرص الصفائحي إلى إطالة عمر التعب بشكل كبير.

تؤثر سماكة وشكل المنتج على الأداء الميكانيكي من خلال معدلات التبريد وقياس الحبوب؛ فالأقسام الرقيقة تميل إلى تحقيق معدلات تبريد أكثر انتظاماً واستجابة تعتيق أكثر اتساقاً، في حين تتطلب المزورات والألواح السميكة دورات معالجة حرارية مخصصة لتجنب وجود نوى ناعمة محتجزة.

الخاصية	O/مخفف	درجة رئيسية (T6/T651)	ملاحظات
قوة الشد (MPa)	~200 – 250	~420 – 490	قيم T6 نموذجية للسبائك المصنعة؛ تعتمد على سماكة المقطع ودورة التعتيق
مقاومة الخضوع (MPa)	~60 – 120	~330 – 370	زيادة كبيرة مع المعالجة الحرارية؛ قد تكون المقاومة أقل في المقاطع السميكة بسبب نوى ناعمة
الاستطالة (%)	~18 – 25	~6 – 12	المخفف يتمتع بلدونة عالية؛ الاستطالة تقل في T6 لكنها مقبولة للعديد من الأجزاء المجهزة
الصلادة (HB)	~30 – 60	~110 – 140	نطاقات الصلادة تعتمد على المعالجة والتعتيقات المحددة

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.78 g/cm³	نموذجية لسبائك الألمنيوم-النحاس عالية القوة؛ أعلى قليلاً من الألمنيوم الخالص بسبب الإضافات
نطاق الانصهار	~500 – 650 °C	بدأ الانصهار منخفض بسبب النحاس والعناصر الأخرى؛ ليس نقطة انصهار حادة
التوصيل الحراري	~120 – 150 W/m·K	أقل من الألمنيوم الخالص لكنه كافٍ للعديد من تطبيقات إدارة الحرارة
التوصيل الكهربائي	~28 – 35 % IACS	منخفض مقارنة بالألمنيوم الخالص بسبب النحاس والذائبات الأخرى
السعة الحرارية النوعية	~0.90 kJ/kg·K (≈900 J/kg·K)	نموذجية لسبائك الألمنيوم عند درجة حرارة الغرفة
معدل التمدد الحراري	~23 – 24 µm/m·K	معامل تمدد حراري مشابه للسبائك الأخرى؛ مفيد في تصميم المركبات المركبة

تقلل ذرات الذائبة والترسيبات من التوصيل الحراري والكهربائي مقارنة بالألمنيوم الخالص بسبب تشتيت الإلكترونات والفوتونات؛ ومع ذلك، تحتفظ 2017 بدرجة كافية من التوصيل لتطبيقات هيكلية موصلة معينة. يتعين مراعاة نطاق الانصهار وسلوك التمدد الحراري أثناء اللحام والمعالجة الحرارية، حيث يمكن أن تؤثر التمددات التفاضلية والمراحل المحتجزة على التشوه والإجهادات المتبقية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المتانة	التمبَر الشائع	ملاحظات
ألواح	0.3 – 6 mm	تجانس جيد في السماكات الرقيقة	O, H14, T4, T6	يُستخدم على نطاق واسع للأجزاء المشكلة والمشغلة؛ خصائص العرض القصير مهمة
صفائح	6 – 150 mm	تأثير التدرجات السماكية على التبريد والشيخوخة	T4, T6, T651	الأجزاء السميكة تتطلب أوقات تلدين طويلة وتبريد مخصص لتجنب اللُب الطري
بثق	مقاطع عرضية متغيرة	الأنيسوتروبيا الميكانيكية تعتمد على نسبة البثق	T4, T6	محدود مقارنة بسبائك 6xxx لكنه يُستخدم للمقاطع عالية القوة
أنابيب	القطر الخارجي 6 mm – 300 mm	القوة مشابهة للألواح في الأنابيب ذات الجدار الرقيق	T4, T6	شائع للمكونات الهيكلية والهيدروليكية حيث الحاجة إلى قابلية التشغيل
قضبان/أعمدة	قطر 3 – 200 mm	قابلية تشغيل ممتازة في T4؛ قوة قصوى في T6	T4, T6, O	يُستخدم للربطات، التركيبات، والأجزاء الدوارة الدقيقة

الشكل والحجم يؤثران بشكل كبير على الخواص النهائية؛ المنتجات الرقيقة تبرد أسرع وتصل عادة إلى القوة المطلوبة بشكل أكثر موثوقية، بينما الصفائح والسُدادات السميكة تتطلب تحكمًا دقيقًا في معايير المعالجة الحرارية. يجب أن يأخذ اختيار شكل المنتج في الاعتبار العمليات اللاحقة مثل التشغيل، اللحام، والتشطيب السطحي لتجنب تليين منطقة تأثر الحرارة والحفاظ على الدقة البعدية.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	2017 / 2017A	الولايات المتحدة الأمريكية	تسميات تجارية شائعة؛ 2017A هي نسخة مراقبة أكثر دقة
EN AW	2017A	أوروبا	مواصفة EN تطابق التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية مع AA 2017A
JIS	A2017	اليابان	تسمية يابانية متوافقة مع ممارسات سلسلة ألمنيوم-نحاس المطروقة
GB/T	2A12 (تقريبًا)	الصين	تُستخدم عادة كمعادل تقريبي صيني؛ استشر شهادات المصنع للتطابق الدقيق

تهدف المعايير عبر المناطق إلى إنتاج مادة مكافئة وظيفيًا لكنها تختلف في التسامحات المسموح بها للعناصر النزرة، حدود الخواص الميكانيكية، واتفاقيات التسمية؛ للتطبيقات الحرجة يُنصح دائمًا بمقارنة شهادات المواد الخاصة وعند الحاجة إجراء اختبارات التأهيل. يشير لاحقة A في 2017A عادة إلى تحكم دقيق بالتركيب الكيميائي يحسن الاتساق في الاستجابة للمعالجة الحرارية وأداء مقاومة الإجهاد.

مقاومة التآكل

مقاومة التآكل الجوي لدرجة 2017 معتدلة وأدنى من سبائك 5xxx (الحاملة للماجنيزيوم) و6xxx (الماجنيزيوم + السيليكون)؛ المصفوفة الغنية بالنحاس تزيد من قابلية التآكل الموضعي وتقلل الأداء في البيئات العدائية ما لم تُحمى. في الأجواء الصناعية والريفية، يمكن للمكونات المطلية أو المؤكسدة كهربائيًا من 2017 أن توفر عمرًا مرضيًا، لكن يجب مراعاة تآكل الحفر الموضعي والتآكل الخيطي عند تصميم التشطيب والإحكام.

في البيئات البحرية، أداء 2017 أقل من سبائك ألمنيوم-ماجنيزيوم؛ قد يكون تآكل الحفر المسبب بالكلوريدات وتآكل الشقوق كبيرًا بدون الحماية الكاثودية أو الطلاءات أو الأنودات التضحية. يُعرف عن تكسير الإجهاد التآكلي (SCC) كخطر للسبائك عالية النحاس تحت إجهاد شد في بيئات ملحية دافئة؛ يجب تفضيل عائلات سبائك أخرى أو تنفيذ إجراءات صارمة للتخفيف في التصاميم التي تتطلب مقاومة SCC.

يجب إدارة التفاعلات الجلفانية بعناية: 2017 أنودي بالنسبة للعديد من الفولاذ لكنها كاثودية مقارنةً بسبائك الألمنيوم الأكثر نبلاً والتي تحمل طلاءات أنودية كثيفة؛ عند تركيبها مع الفولاذ الكربوني، يلزم العزل وتدابير الحماية. مقارنة بسلسلة 1xxx أو 3xxx، تضحي 2017 بمتانة التآكل لصالح قوة أعلى ويجب اختيارها مع اعتبار معالجة السطح والبيئة.

خواص التصنيع

قابلية اللحام
يعد لحام 2017 تحديًا مقارنة بسلاسل 5xxx و6xxx بسبب محتوى النحاس وميل التصدع الحراري في عمليات اللحام الانصهاري. يمكن استخدام لحام TIG وMIG بمعايير مخصصة ومواد حشو مناسبة (عادة 4043 أو 5356 لتقليل مخاطر التصدع)، لكن منطقة تأثر الحرارة (HAZ) تكون عادة أكثر ليونة من المعدن الأساسي المدعم بالقوة وقد تتطلب معالجة حرارية لاحقة أو تدعيم ميكانيكي.

قابلية التشغيل
تُعتبر 2017 من سبائك الألمنيوم عالية القوة ذات قابلية تشغيل جيدة، خصوصًا في تمبَر T4 وO؛ تشغل بأسطح ناعمة وعمر أداه متوقع عند استخدام أدوات كاربيد ومعدلات تغذية عالية. يُنصح باستخدام أدوات ذات زاوية قطع إيجابية وثبات صلب وتبريد بالهواء أو السائل لإزالة الرقائق وسرعات معتدلة لتجنب تقسية السطح؛ شكل الرقائق عادة مستمر لكنه قد يشكل خيوطًا عندما تكون الألكيدات محتوية على المنغنيز.

قابلية التشكيل
التشكيل البارد يسهل في تمبَر O أو T4 حيث يكون الاستطالة والانثناء في أعلى مستوياتهما؛ نصف قطر الانثناء الأدنى يعتمد على التمبَر والسماكة لكنه أكبر عمومًا من السبائك الأكثر ليونة مثل 1100. للتشكيلات العميقة أو المعقدة، يُستخدم التلدين قبل التشكيل، ويجب على المصممين مراعاة الارتداد الزنخي الذي يكون أكبر في تمبَر عالي القوة مثل T6؛ قد تمتد تقنيات التشكيل الدافئة قابلية التشكيل دون التضحية بالقوة النهائية.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبائك ألمنيوم-نحاس قابلة للمعالجة الحرارية، تستجيب 2017 لتسلسل الترسُب الكلاسيكي: المعالجة بالحل تذيب المراحل الغنية بالنحاس في محلول جامد مشبع، ويتم الحفاظ على هذا الشرط عن طريق تبريد سريع، والشيخوخة الاصطناعية المتحكم بها تسبب ترسيب phases Al2Cu ومحسنات القوة المرتبطة. تتم المعالجات النموذجية للمعالجة بالحل عند درجات حرارة تقارب 495–535 °C حسب حجم المقطع والتصنيع، يليها تبريد فوري إلى درجة حرارة الغرفة لمنع تكوين الألكيدات الخشنة.

الشيخوخة الاصطناعية للوصول إلى تمبَر T6 تُجرى عادة في نطاق 160–190 °C لفترات عدة ساعات؛ تمبَر T4 يتحقق بالشيخوخة الطبيعية بعد التبريد لكنه أبطأ وقد يؤدي إلى قوة قصوى أقل مقارنة بالشيخوخة الاصطناعية. تؤثر السماكة، العمل البارد السابق، والتغيرات الطفيفة في السبائك على نافذة الزمن-درجة الحرارة-التحول (T-T-T) المثلى؛ الإفراط في الشيخوخة يقلل القوة لكنه يحسن اللدونة ومقاومة التآكل في بعض الحالات.

العمل التقسي (تمبَرات H) غير القابلة للمعالجة الحرارية توفر وسيلة لمستويات متوسطة من القوة بدون دورات كاملة من المعالجة بالحل والشيخوخة؛ التلدين (تمبَر O) يعيد اللدونة ويُستخدم قبل عمليات التشكيل. غالبًا ما تتطلب إصلاحات ما بعد اللحام أو الرقع تسلسلات محلول/شيخوخة محلية أو قبول تلين HAZ في التصميم.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تُحدد درجات حرارة الخدمة ل2017 عادةً بفارق كبير أقل من درجات حرارة الشيخوخة التقليدية؛ التعرض لدرجات حرارة مرتفعة يؤدي إلى تكوين بلورات أدق وتدهور تدريجي في القوة. التعرض طويل الأمد فوق ~150 °C سيقلل من خصائص القوة القصوى ويمكن أن يستقر في حالة الشيخوخة المفرطة ذات قوة انسياب وشد منخفضة؛ يجب أن يأخذ التصميم ذلك في الحسبان عند مواجهة المكونات لدرجات حرارة مرتفعة بيئية أو معالجة.

الأكسدة ليست الوضع الرئيسي لفشل 2017 في الخدمة الجوية العادية بسبب وجود طبقة الأكسيد الحامية، لكن في درجات الحرارة المرتفعة قد يحدث تقشر وانتشار معجل للعناصر السبائكية مما يغير الخواص السطحية وقريبة السطح. في التركيبات الملحومة، تليين منطقة تأثير الحرارة وفقدان القوة تحت التحميل الحراري قد يشكل القيد الأساسي بدل الأكسدة المجمعة، مما يستدعي إدارة حرارية أو اختيار سبائك بديلة لتعريض درجات حرارة مرتفعة مستمرة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	لماذا تُستخدم 2017
الفضاء الجوي	تركيبات، قواعد، تزوير	نسبة قوة إلى وزن عالية وتوازن جيد بين متانة التعب وقابلية التشغيل
الدفاع	تركيبات هيكلية، أغلفة	سبائك عالية القوة قابلة للتشغيل مناسبة للأجزاء الدقيقة
السيارات	مكونات مشغلة عالية القوة	توفر إنتاجية تشغيل وتوفير وزن للأجزاء الصغيرة
الإلكترونيات	هياكل، موصلات	التوصيل الحراري والصلابة كافية لتطبيقات الشاسيه
التجارية	مثبتات، مسامير، وصلات	القوة والثبات البعدي بعد المعالجة الحرارية

تجد 2017 مكانها حيث تتطلب الأجزاء المشغلة قوة ساكنة وتعب عالية مع قابلية تشغيل جيدة وثبات بعد المعالجة الحرارية. تعتبر ذات قيمة خاصة للأجزاء الهيكلية الصغيرة إلى المتوسطة حيث تكون البدائل عالية القوة إما هشة جدًا أو مكلفة للتشغيل بكفاءة.

نصائح للاختيار

اختر 2017 عندما يتطلب التصميم قوة أعلى وقابلية تشغيل أفضل من الألمنيوم التجاري النقي وعندما يمكن للحماية السطحية اللاحقة أو الأكسدة الكهربائية التخفيف من الحساسية المتوسطة للتآكل للسبائك. إنها مفيدة للتركيبات المشغلة الدقيقة، قواعد الفضاء، والمكونات الهيكلية حيث يمكن للمعالجة الحرارية تعديل الأداء.

مقارنة بالألمنيوم النقي تجارياً (1100)، تقدم سبائك 2017 تنازلاً في الموصلية الكهربائية والحرارية بالإضافة إلى سهولة التشكيل مقابل قوة أعلى بكثير ومقاومة محسنة للإجهاد؛ يُستخدم 1100 عندما تكون الموصلية القصوى وسهولة التشكيل من الأولويات الأساسية. مقارنة بالسبائك المقسّاة ميكانيكياً مثل 3003 أو 5052، يوفر 2017 قوة أعلى وقابلية أفضل للتشغيل، مع تكلفة تقليل مقاومة التآكل ومتطلبات توصيل أكثر تعقيداً.

عند المقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، يمكن تفضيل 2017 للتطبيقات التي تعطي أولوية قصوى لقابلية التشغيل واستجابة تقوية الترسيب المحددة بدلاً من مقاومة التآكل الأوسع وقابلية اللحام لسبائك السلسلة 6xxx؛ لاختيار 2017 حيث تكون ترسيبات النحاس والخصائص الميكانيكية الناتجة ضرورية وحيث يمكن ضمان الحماية السطحية.

الملخص النهائي

تظل سبيكة 2017 ذات صلة بسبب مزيجها من القوة العالية الناتجة عن تقوية الترسيب، واستجابة التقادم المتوقعة، وقابلية التشغيل الممتازة للمكونات الهيكلية عالية الأداء والمكونات الدقيقة. عند استخدامها مع الحماية المناسبة من التآكل والمعالجة الحرارية المضبوطة بعناية، توفر 2017 للمصممين طريقاً فعالاً من حيث التكلفة لتحقيق أداء مرتفع بالنسبة للوزن في مجالات الطيران والدفاع والتطبيقات التجارية عالية القوة.