الألومنيوم 2018: التركيب، الخصائص، دليل المعالجة، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
سبائك 2018 هي جزء من سلسلة سبائك الألومنيوم 2xxx، وهي فئة تتميز أساسًا بوجود النحاس كعنصر رئيسي للسباكة. تُعرف عائلة 2xxx بقوتها العالية الناتجة عن تصلب الترسيب، وعادةً ما تحتوي 2018 على نسبة مرتفعة من النحاس بالإضافة إلى كميات مُتحكم بها من المنغنيز والحديد والمغنيسيوم لضبط القوة والصلابة.
سبائك 2018 قابلة للمعالجة الحرارية حيث يتم تقويتها بواسطة معالجة حرارية بالحل، تليها التبريد والتقادم الصناعي لترسيب Al2Cu والمراحل المرتبطة به؛ بينما يلعب التصلب بالعمل دورًا ثانويًا في بعض الحالات الحرارية. توفر هذه السبائك قوة ثابتة عالية وقابلية جيدة للتشغيل، لكنها تتمتع بمقاومة تآكل متواضعة نسبيًا وقابلية لحام محدودة مقارنة بالسبائك 5xxx و6xxx.
تشمل الصناعات النموذجية التي تستخدم 2018 وصلات وهياكل الطيران، المعدات العسكرية، الأدوات والتجهيزات، وبعض التطبيقات السيارات عالية القوة حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن أمرًا بالغ الأهمية ويمكن التحكم في التآكل بالتغليف أو الطلاءات. يختار المهندسون 2018 عندما تتفوق مزيج القوة العالية، صلابة الكسر الجيدة بعد التقادم، وسهولة التشغيل على قيود مقاومة التآكل الجوي أو البحري وقابلية اللحام.
حالات المعالجة الحرارية (التيمبرز)
| الحالة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية | ممتازة | ممتازة | مخَدَّد بالكامل؛ الأفضل للتشكيل واللحام بالحشو |
| H14 | متوسطة | منخفضة–متوسطة | متوسطة | ضعيفة | مُصلب بالجهد؛ قُدرة تشكّل محدودة |
| T3 | متوسطة-عالية | متوسطة | متوسطة | ضعيفة | معالجة حرارية بالحل، تليها تشكيل بارد وتقادم طبيعي |
| T4 | متوسطة-عالية | متوسطة | متوسطة | ضعيفة | معالجة حرارية بالحل وتقادم طبيعي |
| T5 | عالية | منخفضة–متوسطة | محدودة | ضعيفة | تبريد من درجة حرارة مرتفعة وتقادم صناعي |
| T6 | عالية | منخفضة–متوسطة | محدودة | ضعيفة | معالجة حرارية بالحل وتقادم صناعي لأقصى قوة |
| T651 | عالية | منخفضة–متوسطة | محدودة | ضعيفة | T6 مع تسكين الإجهاد عن طريق الشد لتقليل التشوه |
للحالة الحرارية تأثير كبير على خواص 2018 لأن ترسيبات النحاس الغنية تتحكم في القوة والصلابة. يُستخدم المعدن المُخَدَّد (O) عندما يكون التشكيل هو الأساسي، بينما تُختار حالات T6/T651 عند الحاجة لأقصى قوة واستقرار أبعاد على حساب انخفاض الدكتيلية.
طريق المعالجة (التشكيل البارد قبل التقادم، التقويم بالشد) يؤثر كذلك على الإجهادات المتبقية وعمر التعب؛ لذا يجب تحديد الحالة الحرارية بما يتناسب مع عملية التصنيع وظروف الخدمة لتجنب تصميم مفرط أو ناقص للمكونات.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.15 كحد أقصى | شائبة؛ تقليل السيليكون يقلل المركبات المعدنية الهشة |
| Fe | 0.5–1.2 | شائبة؛ يزيد القوة وقد يقلل الدكتيلية |
| Mn | 0.4–1.0 | يتحكم في تركيب الحبيبات ويحسن صلابة الكسر |
| Mg | 0.2–0.8 | يساهم في تقسية التقادم بالتآزر مع النحاس |
| Cu | 3.5–5.0 | العنصر الأساسي للتقوية (يشكل ترسيبات Al2Cu) |
| Zn | 0.25 كحد أقصى | نسبة ضئيلة؛ مساهمة محدودة في القوة |
| Cr | 0.1–0.3 | ضبط تركيب الحبيبات؛ يقلل من إعادة التبلور |
| Ti | 0.05–0.20 | مكرر الحبيبات للمنتجات المُشكَّلة |
| عناصر أخرى / الألومنيوم توازن | توازن | بقايا وعناصر أثرية؛ الألومنيوم يشكل التوازن |
تتحكم نسبة النحاس في أداء 2018 حيث تمكّن تصلب الترسيب وقوة التقادم العالية. الإضافات الطفيفة مثل المنغنيز والكروم تحسن تركيب الحبيبات وتثبت الخواص الميكانيكية خلال التغيرات الحرارية والتشغيل، بينما تُضبط مستويات الحديد والسيليكون للحد من المركبات المعدنية الضارة التي قد تُسبب هشاشة السبيكة.
الخواص الميكانيكية
في الحالات الحرارية العالية (T6/T651) تظهر 2018 قوة شد ممتازة وقوة خضوع جيدة مقارنة بمعظم سبائك الألومنيوم المشغولة، مما يجعلها مناسبة للمكونات الهيكلية ذات الأحمال العالية. تكون الاستطالة في هذه الحالات محدودة لكنها كافية للعديد من المكونات المشغولة أو المشكَّلة بشكل خفيف؛ وقوة التعب معقولة لكنها حساسة لسطح القطعة وحالة التآكل.
تُظهر 2018 المخددة (O) دكتيلية أكبر بكثير وقوى خضوع وشد أقل، مما يفيد عمليات التشكيل والثني لكنه يتطلب معالجة حرارية لاحقة للتطبيقات الإنشائية. تؤثر سماكة القطعة أيضًا على خصائص الخضوع والشد؛ فقد يصعب معالجة القطع السميكة بالحل بشكل متجانس مما يؤدي لانخفاض استجابة التقادم أو اختلاف الخصائص عبر سماكة القطعة.
يرتفع الصلادة في الحالات الأعلى مقارنة بحالة O وتتوافق مع قيم القوة الشدية؛ ومع ذلك، تنخفض الصلادة والقوة في مناطق تأثر الحرارة أثناء اللحام القوسي وعند الإفراط في التقادم في ظروف الخدمة المرتفعة درجة الحرارة. غالبًا ما تنشأ شروخ التعب في 2018 المتقادة من آثار التشغيلة أو حفر التآكل، لذا فإن معالجة السطح وتصميم مكافحة الشقوق أمر بالغ الأهمية.
| الخاصية | حالة O/مخَدَّدة | حالة رئيسية (مثلاً T6/T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~200–260 MPa | ~430–520 MPa | حالة T6 تعطي قوة شد أعلى بكثير بسبب تقوية الترسيبات |
| قوة الخضوع | ~70–150 MPa | ~320–380 MPa | تزداد قوة الخضوع مع التقادم؛ والتصلب بالعمل يزيدها في بعض حالات H |
| الاستطالة | >20% | ~6–12% | تقل الدكتيلية في الحالات عالية التقادم؛ وتعتمد على سمك القطعة |
| الصلادة (برينل) | ~40–60 HB | ~110–140 HB | مرتبطة بالقوة الشدية؛ يقل الصلادة في مناطق تأثر الحرارة بعد اللحام |
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.78–2.82 g/cm³ | أعلى قليلاً من الألومنيوم النقي بسبب نسبة النحاس |
| نطاق الانصهار | ~500–635 °C | نطاق الصلب-السائل؛ السبائك تنصهر بشكل تدريجي لا نقطة واحدة |
| التوصيل الحراري | ~120–150 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي لأن النحاس يقلل التوصيل |
| التوصيل الكهربائي | ~20–35% من IACS | انخفاض التوصيل الكهربائي مقارنة بسلسلة 1xxx بسبب النحاس |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.88–0.92 J/g·K | مشابهة لسبائك الألومنيوم الأخرى مع تغير بسيط حسب درجة الحرارة |
| التمدد الحراري | ~23–24 µm/m·K (من 20 إلى 100°C) | مشابه لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ مهم لتصميم الدورات الحرارية |
تُقلل نسبة النحاس والعناصر الأخرى من خصائص النقل الحراري والكهربائي في 2018 مقارنة بالألومنيوم تجاري النقي. وتعد هذه الخصائص مهمة عند اختيار 2018 للإدارة الحرارية؛ فقد تكون سبائك أخرى أو النحاس أفضل عندما تكون التوصيلية الحرارية أو الكهربائية حاسمة.
تؤثر خصائص الانصهار والتصلب على عمليات المعالجة الحرارية واللحام؛ فالنطاق الواسع للانصهار يزيد من الحساسية للتشقق الحراري أثناء اللحام القوسي ويتطلب ضبط دورات التسخين والتبريد أثناء المعالجة بالحل لتجنب حدوث الانصهار الجزئي.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | الحالات المعالجة الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.5–6 mm | جيدة في T6؛ حالة O للتشكيل | O, T3, T4, T6, T651 | مستخدمة على نطاق واسع للأجزاء المشغولة والهياكل الصغيرة |
| صفائح | >6 mm حتى أكثر من 150 mm | حساسة للسماكة أثناء المعالجة الحرارية | O, T6 (حيثما أمكن) | صعبة المعالجة المتجانسة في السماكات الكبيرة |
| بروفيلات مصدورة | حسب الشكل | قوة محورية جيدة؛ قابلة للتقسية بالتقادم | T6 بعد التقادم | محدودة بقابلية التشغيل الساخن وذوبان مراحل النحاس |
| أنابيب | أقطار وأسمك جدران مختلفة | مماثلة للبروفيلات المصقولة عند التقادم | O, T6 | تستخدم في الأنابيب الهيكلية والوصلات عند الحاجة لقوة |
| قضبان/أسياخ | أقطار من بضعة ملليمترات إلى 150 مم | قابلية تشغيل جيدة في الحالة المتقادمة | O, T3, T6 | شائعة للمكونات المدورة والبراغي |
تؤثر شكل المنتج وطريق المعالجة بشكل كبير على الخواص الميكانيكية الممكن تحقيقها لأن فعالية المعالجة الحرارية تتغير حسب حجم المقطع وسرعة التبريد. يمكن معالجة الألواح الرقيقة والبروفيلات المصقولة ومعالجتها بالتقادم بشكل أكثر تجانسًا من الصفائح السميكة، لذلك يجب مراعاة اختيار شكل المنتج تبعاً لكل من متطلبات التصنيع والمتطلبات الميكانيكية النهائية.
التشكيل البارد قبل التقادم (T3) يوفر توازنًا بين استقرار الأبعاد والقوة النهائية، بينما تسهل حالة O العمليات التشكيلية المعقدة؛ لذا يجب على المصممين تنسيق قدرات المورد (مثلاً المعالجة بالحل للقطع السميكة) مع الأحمال المتوقعة أثناء الخدمة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 2018 | USA | تعيين من جمعية الألمنيوم الأساسية |
| EN AW | 2018 / 2018A | أوروبا | غالبًا ما يُذكر كـ EN AW-2018A؛ قد تختلف مواصفات الكيمياء والخواص الميكانيكية |
| JIS | A2018 | اليابان | اختلافات محلية في حدود الشوائب والتمبريات |
| GB/T | 2A01 | الصين | تعيين المعيار الصيني؛ تبادل محدود بدون التحقق من المواصفات |
توجد تعيينات مكافئة لكنها ليست متطابقة عالميًا؛ حدود السبائك الدقيقة، الشوائب المسموح بها، ومواصفات التمبريات قد تختلف بين المعايير. يجب على المهندسين استشارة المعيار الدقيق وشهادات المصنع عند استبدال المواد من مناطق مختلفة لضمان تطابق الخواص الميكانيكية واستجابة المعالجة الحرارية.
مقاومة التآكل
تمتلك 2018 مقاومة أقل بكثير للتآكل الجوي العام والتآكل النخري مقارنة بمعظم سبائك السلسلتين 5xxx و6xxx بسبب احتوائها على النحاس، الذي يعزز التآكل الموضعي والهجوم بين الحبيبي في البيئات العدائية. في الأجواء البحرية والمحتوية على الكلوريدات، تكون 2018 المكشوفة عرضة للتآكل النخري وتآكل الشقوق، وعادةً ما يتطلب الأمر تغليف (Alclad) أو طلاءات قوية للخدمة طويلة الأمد.
السبائك أيضًا أكثر عرضة لتشققات التآكل الإجهادي (SCC) مقارنةً بالسبائك ذات النحاس الأقل، خاصةً في التمبريات عالية القوة وتحت الإجهاد الشدي في البيئات المسببة للتآكل. يجب مراعاة التفاعلات الجلفانية: فـ 2018 قطبية الأنود مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النحاس-النيكل، مما يخلق تيارات جلفانية إذا تركت مرتبطة كهربائيًا في بيئة موصلة.
للتطبيقات حيث التعرض للتآكل لا مفر منه، يتم اتخاذ تدابير تصميم مثل الطلاءات، الحماية الكاثودية، العزل باستخدام مثبتات غير موصلة كهربائيًا، وتحديد المنتجات المغلفة. مقارنة بذلك، تقدم سبائك 6xxx قابلية لحام ومقاومة تآكل أفضل ولكن بقوة قصوى أقل إلى حد ما، مما يدفع عادةً لمقايضات في اختيار السبيكة.
خواص التصنيع
سهولة اللحام
اللحام بالانصهار للسبائك 2018 يشكل تحديًا؛ فالمصفوفة الغنية بالنحاس تقلل من قابلية اللحام وتزيد من احتمالية التشقق الحراري والفراغات. الممارسة الشائعة تتجنب اللحام بالانصهار للهياكل ذات الأحمال العالية وتستخدم الربط الميكانيكي، أو اللحام بالبرازة مع التدفقات المناسبة، أو اللحام بالتحريك الاحتكاكي الذي يقلل بشكل كبير من ترقق منطقة تأثير الحرارة والتشقق. عند الحاجة للحام، يُنصح باستخدام سبائك حشو متوافقة مثل Al-Cu (على سبيل المثال 2319/4043 بحسب الخدمة) مع تحكم صارم في تسخين ما قبل والبعد، مع توقع ضعف الخواص الميكانيكية المحلية في منطقة تأثير الحرارة.
سهولة التشغيل
تصنف 2018 غالبًا ضمن فئة جيدة إلى ممتازة في سهولة التشغيل بين سبائك الألمنيوم عالية القوة لأن سبائك 2xxx المعتقة تُقطع نظيفًا وتنتج رقائق متوقعة. آلات القطع بالكربيد ذات زاوية قطعة إيجابية، التركيب الصلب، التبريد الغزير وكاسرات الرقائق تساعد في التحكم بحد التراكمي والحفاظ على الدقة البُعدية. الممارسة الشائعة تستخدم سرعات قطع متوسطة إلى عالية، عمق قطع خفيف إلى متوسط للتمريرات النهائية، وأدوات مصممة للقطع المتقطع عند مواجهة مناطق تشدد العمل.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل تعتمد بشكل كبير على التمبريت؛ تقدم حالة O أفضل نصف قطر للثني وقابلية التشكيل بالتمدد، بينما تُظهر حالات T6/T651 حدًا محدودًا من الليونة وتتطلب أنصاف أقطار ثني أكبر. بالنسبة للثني، نصف قطر ثني داخلي أدنى يقدر بحوالي 1–2× سماكة المادة هو نقطة انطلاق عملية في حالة O، في حين أن التمبريات المعتقة قد تحتاج لأكثر من 3× السماكة وتصميم قضبان دقيق. حيث يتطلب التشكل المعقد تليها خدمة عالية القوة، يمكن تشكيل الحالة O ثم المعالجة الحرارية والحسون (إن أمكن)، ولكن ذلك يتطلب التحكم في التشوه والتمدد المحتمل خلال المعالجة اللاحقة.
سلوك المعالجة الحرارية
تجرى معالجة الحل لـ 2018 لإذابة المراحل الغنية بالنحاس داخل مصفوفة الألمنيوم، عادة في درجات حرارة تقارب 500–535 °C بحسب سمك القطعة وقيود الرقائق/الألواح. التسخين المنتظم والتبريد السريع حرجان للحفاظ على النحاس في محلول صلب مشبع؛ التبريد البطيء في القطع السميكة يسمح بتكوين رواسب خشنة ويقلل من إمكانية تقسية التحسين لاحقًا.
يتم التقدم الصناعي (T6) عند درجات حرارة عادةً بين 150–190 °C لعدة ساعات لتكوين ونمو رواسب رقيقة من Al2Cu التي تزيد من مقاومة الخضوع والشد؛ يتم اختيار دورات التقدم المسبق لتحقيق توازن بين القوة القصوى والمتانة المقبولة مع تجنب الإفراط في التقدم. الإفراط في التقدم أو التعرض لدرجات حرارة مرتفعة أثناء الخدمة يؤدي إلى تجانس الرواسب وتقليل الصلادة والقوة، مما يؤدي إلى خصائص شبيهة بحالة T4.
تسمية التمبريّات تعكس تاريخ المعالجة: T3 تعني معالجة الحل، العمل البارد، والتقدم الطبيعي، بينما T4 تعني معالجة الحل والتقدم الطبيعي. الانتقال بين التمبريات (مثل إعادة معالجة الحل لجزء T6) يعيد ضبط عداد التقدم لكنه قد يسبب تشوهات وتغيرات متبلورة؛ لذلك تُحدد عمليات التسوية أو تخفيف الإجهاد (T651) بعد المعالجة الحرارية عادة للمكونات الدقيقة.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تعاني 2018 من فقدان كبير في القوة مع زيادة درجة الحرارة لأن الرواسب الدقيقة التي توفر تقسية التحسين تتجانس وتذوب بين حوالي 120–200 °C، اعتمادًا على حالة التقدم ومدة التعرض. لذلك، تكون الخدمة طويلة الأمد محدودة في درجات حرارة معتدلة، ويجب تقييم المكونات التي ستتعرض لاستمرارية درجات حرارة تتجاوز ~150 °C من حيث الزحف وانخفاض مقاومة الخضوع.
الأكسدة في درجات الحرارة المرتفعة مشابهة لسبائك الألمنيوم الأخرى وتشكل عمومًا طبقة أكسيد ألمنيوم خاملة، لكن البيئات الحرارية والملحية المركبة (مثل رشاشات الملح الساخنة) يمكن أن تسرع من التدهور. مناطق تأثير الحرارة بعد اللحام تكون معرضة بشكل خاص لفقدان القوة ونمو الحبوب في درجات حرارة الخدمة المرتفعة، لذلك يجب أخذ هوامش التصميم ومعالجات ما بعد اللحام في الاعتبار للحد من الضعف الموضعي.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 2018 |
|---|---|---|
| الفضاء الجوي | تجهيزات، حوامل، مثبتات | نسبة قوة إلى وزن مرتفعة ومتانة جيدة ضد التشقق في التمبريات المعتقة |
| العسكري / الدفاع | التركيبات الهيكلية، قواعد التثبيت | قوة ثابتة عالية وسهولة تشغيل لمكونات حرجة |
| السيارات | حوامل machined عالية القوة، معدات | قوة مع سهولة تشغيل جيدة حيث يتم التحكم في التآكل |
| الأدوات / القوالب | الدعامات، القوالب، الماندريل | ثبات بُعدي (T651) وصلابة لمقاومة التآكل |
| الإلكترونيات | إطارات هيكلية معينة | الصلابة والقوة لعناصر هيكلية صغيرة |
تُختار 2018 للمكونات التي تتطلب أقصى قوة معتقة، سهولة في التشغيل، وخصائص ميكانيكية مستقرة تحت الأحمال الثابتة، وحيث يمكن الحد من التعرض للتآكل. عادة ما تُستخدم الطلاءات، التغليف، أو البيئات المراقبة لتمديد عمر الخدمة في الظروف المسببة للتآكل.
نصائح الاختيار
بالنسبة للمهندس الذي يختار بين 2018 والألمنيوم منخفض السبيكة أو النقي تجاريًا، فإن التضحيات واضحة: مقارنةً بـ 1100، تضحي 2018 بالتوصيل الكهربائي والحراري وقابلية التشكيل مقابل قوة أعلى بشكل كبير، مفيد للأجزاء المحملة التي يتم تشغيلها.
مقارنة بالسبائك المعالجة بالعمل مثل 3003 أو 5052، تقدم 2018 قوة قصوى أعلى بكثير وسهولة تشغيل أفضل لكن بمقاومة تآكل أسوأ وقابلية لحام أقل؛ يفضل اختيار 2018 عندما تكون القوة وعمر التعب أهم من متانة التآكل.
مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، تقدم 2018 غالبًا قوة مماثلة أو أعلى في تمبريات معينة وسهولة تشغيل أفضل لمكونات محددة تتطلب عمليات تشغيل مكثفة؛ ومع ذلك، يوفر 6061 قابلية لحام ومقاومة تآكل واستجابة تقدم أكثر تسامحًا، لذا يُفضل 2018 فقط عندما يكون الملف الخاص بالقوة، المتانة، أو مقاومة التآكل لرواسب Al-Cu مطلوبًا.
الملخص الختامي
لا تزال سبيكة 2018 مهمة حيث تعتبر القوة الثابتة العالية، استجابة التقدم الموثوقة، وسهولة التشغيل معايير اختيار حاسمة، وحيث يمكن إدارة قيود التآكل واللحام عبر التصميم، التغليف، أو الطلاء. تستمر مهمتها في الطيران والدفاع والتطبيقات الصناعية المتخصصة حيث يوفر نظام تقسية ترسيب Al–Cu أداء ميكانيكيًا لا يمكن تحقيقه بسهولة بواسطة سبائك الألمنيوم المطروقة الأخرى.