الألومنيوم 2618: التركيب، الخصائص، دليل حالات المعالجة والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
سبائك 2618 هي جزء من سلسلة 2xxx من سبائك الألومنيوم، التي تعتمد أساسًا على الألومنيوم والنحاس. تصنيف 2xxx يشير إلى عائلة ألومنيوم قابلة للمعالجة الحرارية وعالية القوة حيث يكون النحاس العنصر الأساسي لتقوية السبيكة مدعومًا بالمغنيسيوم وإضافات صغيرة من عناصر أخرى مثل الحديد والنيكل والكروم.
العناصر الرئيسية المسبكة في هذه السبيكة هي النحاس والمغنيسيوم، مع إضافة مقصودة لعناصر صغرى مثل النيكل والحديد والمنغنيز وكميات ضئيلة من التيتانيوم والكروم. التحسين في القوة يتم بشكل رئيسي عن طريق المعالجة الحرارية بالذوبان يتبعها التبريد السريع والشيخوخة الصناعية، مما ينتج ترسيبات دقيقة من Al2Cu (θ′) وترسيبات مرتبطة؛ إضافات النيكل تؤثر على استقرار الترسيبات لتحسين الأداء في درجات الحرارة المرتفعة.
الصفات الرئيسية لـ 2618 تشمل قوة عالية ثابتة وفي درجات حرارة مرتفعة، ومرونة معتدلة، ومقاومة تآكل ذاتية منخفضة نسبيًا مقارنة بسلسلات 5xxx و6xxx. قابلية اللحام محدودة وتتطلب ممارسات خاصة؛ وقابلية التشكيل معتدلة في الحالة المطحونة بالكامل (annealed)، لكنها تقل بعد المعالجة بالشيخوخة. الصناعات النموذجية لاستخدام 2618 تشمل الطيران، السيارات عالية الأداء (خاصة مكونات المحرك)، وتطبيقات أخرى تتطلب قوة عالية في درجات حرارة مرتفعة أو مقاومة إجهاد ممتازة.
المهندسون يختارون 2618 عندما يكون الجمع بين القوة العالية والثبات في الخصائص عند درجات حرارة مرتفعة والأداء المقاوم للإجهاد أفضل من انخفاض مقاومة التآكل وصعوبة اللحام. غالبًا ما تُفضل هذه السبيكة على درجات الألومنيوم الأقل قوة عندما تكون مخفض كتلة المكون، والثبات الأبعادي عند الحرارة، وأداء التحميل الدوري عوامل تصميم أساسية.
أنواع التصلب (Temper)
| نوع التصلب | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية | ممتازة | ممتازة | ممطعة بالكامل، أسهل في التشكيل والتشغيل |
| H12 | منخفضة إلى متوسطة | متوسطة إلى منخفضة | مقبولة | مقبولة | مشددة بالتشويه وقوة محدودة |
| H14 | متوسطة | منخفضة إلى متوسطة | محدودة | مقبولة | تشويه خفيف لصلابة معتدلة |
| T4 | متوسطة إلى عالية | متوسطة | مقبولة | ضعيفة | معالجة حرارية بالذوبان وشيخوخة طبيعية |
| T6 | عالية | منخفضة إلى متوسطة | ضعيفة | ضعيفة | معالجة حرارية بالذوبان وشيخوخة صناعية لأقصى قوة |
| T61 / T651 | عالية | منخفضة إلى متوسطة | ضعيفة | ضعيفة | أنواع تصلب مستقرة مع تحكم في الإجهاد المتبقي والشيخوخة |
| T62 / T64 | عالية | منخفضة إلى متوسطة | ضعيفة | ضعيفة | ملفات شيخوخة بديلة للتحكم في الزحف/القوة |
يؤثر التصلب بشكل أساسي على التوازن بين القوة والليونة: المادة الممطعة (O) توفر أقصى قابلية للتشكيل والتشغيل ولكن بقوة منخفضة، بينما تزيد عائلات T6/T61 القوة على حساب الاستطالة وقابلية التشكيل البارد. تساعد حالات التصلب المستقرة T61/T651 في تقليل الإجهادات المتبقية والتشوه في القطع المشغولة، وهو أمر مهم في تطليع أجزاء الطيران والأقسام الثقيلة حيث الاستقرار الأبعادي ضروري.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.10–0.50 | سيليكون منخفض ومتحكم به لتقليل عيوب الصب؛ تأثير طفيف على القوة |
| Fe | 0.20–1.20 | عنصر شوائب؛ المستويات الأعلى تشكل مركبات بين فلزية تقلل من الليونة |
| Mn | 0.30–1.30 | يحسن القوة عبر تشتت الجزيئات ويكرر بنية الحبيبات |
| Mg | 1.00–1.70 | يعمل مع النحاس لتعزيز ترسيبات الشيخوخة وزيادة القوة |
| Cu | 2.30–3.30 | العنصر الرئيسي لتقوية السبيكة بتكوين ترسيبات Al2Cu أثناء الشيخوخة |
| Zn | ≤0.25 | زنك منخفض؛ ليس عنصر سبيكة رئيسي في 2618 |
| Cr | 0.05–0.35 | سبيكة صغرى للتحكم في الحبيبات ومنع إعادة التبلور |
| Ti | 0.05–0.30 | مكرر الحبيبات يستخدم أثناء الصب والتصلب |
| عناصر أخرى | الباقي ألمنيوم؛ نيكل أثر بنحو ~0.60–1.30 | إضافات النيكل (غالبًا 0.6–1.3%) شائعة في أنواع 2618 لتحسين القوة في درجات حرارة مرتفعة؛ تتنوع الشوائب الأخرى |
التركيبة الكيميائية مصممة لدعم تقوية بالتُصلُب عبر أطوار Al–Cu مع تسريع ترسيب المغنيسيوم وتعديل كيمياء الترسيبات. النيكل والكروم يعملان كإضافات صغرى لتثبيت التشتتات وتمديد احتفاظ القوة في درجات الحرارة المرتفعة، في حين يساعد المنغنيز والتيتانيوم في التحكم في بنية الحبيبات وشكل المركبات بين الفلزية، مما يحسن المتانة وعمر الإجهاد.
الخصائص الميكانيكية
في الخدمة، تظهر 2618 قوة شد عالية وقوة خضوع معقولة عند معالجتها حراريًا بطريقة T6/T61، مع نسبة الشد إلى الخضوع عادة بين 1.2–1.4. الاستطالة تكون أقل في حالات التصلب القصوى، غالبًا في نطاق رقم مفرد إلى نسبة منخفضة من العشرات بالميّزة المؤثرة على استراتيجيات التشكيل والتجميع. مقاومة الإجهاد (fatigue) تُعتبر من نقاط القوة ل2618 مقارنة بالعديد من سبائك الألومنيوم الأخرى، خصوصًا مع تحكم في البنية المجهرية والتشطيب السطحي.
الصلادة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالتصلب؛ المادة الممطعة ناعمة وسهلة التشغيل بينما تصلب الشيخوخة القصوى يحقق صلادات عالية بمقاييس برينل/فيكرز متسقة مع تكوين الترسيبات الدقيقة. يؤثر سمك وقسم القطعة على الخصائص بسبب معدل التبريد خلال التبريد السريع والشيخوخة التالية؛ الأقسام السميكة قد تظهر قوة ذروية أقل وأوقات شيخوخة أطول للوصول للخصائص المستهدفة.
العوامل البيئية والتآكل تتفاعل مع الأداء الميكانيكي: تركيز الإجهاد وعيوب السطح يمكن أن تقلل من عمر الإجهاد وتسارع بدء التشققات في بيئات الكلوريد. غالبًا ما تتطلب معالجة سطح مناسبة، وطلاءات، وتصميم يسمح بمقاومة التآكل لتحقيق الاستفادة الموثوقة من مزايا 2618 الميكانيكية.
| الخاصية | حالة O/مطهوة | حالة تصلب رئيسية (مثل T6/T61) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~180–260 MPa | ~420–480 MPa | قيم الذروة تعتمد على ملف الشيخوخة وسمك القطعة |
| قوة الخضوع | ~100–150 MPa | ~320–380 MPa | تختلف قيمة الخضوع حسب التصلب والتشويه السابق |
| الاستطالة | ~20–30% | ~6–12% | تقل الاستطالة بشكل كبير بعد الشيخوخة الصلبة |
| الصلادة | ~50–80 HB | ~120–150 HB | الصلادة تتناسب مع كثافة وتوزيع الترسيبات |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.78 g/cm³ | أعلى قليلاً من الألومنيوم النقي بسبب النحاس وعناصر السبيكة الأخرى |
| نطاق الانصهار | ~500–635 °C | نطاق الصلادة-المنصهرة يعتمد على الكيمياء المحلية والترسيبات بين الفلزية |
| التوصيل الحراري | ~120–140 W/m·K | أدنى من الألومنيوم النقي؛ النحاس يقلل التوصيل مقارنة بسلسلة 1xxx |
| التوصيل الكهربائي | ~20–40 %IACS | ينخفض بسبب السبائكية؛ تتغير القيم حسب التصلب والمعالجة |
| الحرارة النوعية | ~880 J/kg·K | قيم نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ تختلف قليلاً مع درجة الحرارة |
| معدل التمدد الحراري | ~23–24 µm/m·K | مشابه لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ يجب تصميم الأجزاء لمراعاة التمدد التفريقي |
التوصيل الحراري العالي نسبيًا مقارنة بالصلب يجعل 2618 مفيدًا حيث يكون التبديد الحراري مهمًا، بالرغم من أنه أقل من درجات الألومنيوم عالية التوصيل. كثافة السبيكة ومعدل التمدد الحراري نموذجيان للألومنيوم لكن يجب أخذهما بعين الاعتبار عند الربط بمواد مختلفة أو التصميم بدقة للمتطلبات الحرارية. نطاق الانصهار/الصلادة يوجه نافذة التشكيل الحراري والمعالجة ويحدد درجات حرارة التشغيل الآمنة.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | المعالجات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| الألواح | 0.5–6 mm | تصل الألواح الرقيقة إلى مقاومة قريبة من الذروة عبر المعالجات الحرارية المناسبة | O, T4, T6 | تستخدم حيثما يحتاج لتشكيل معتدل وقوة مقابل الوزن عالية |
| الألواح السميكة | 6–100+ mm | الأجزاء السميكة قد تمر بمرحلة تحت تقادم وتتطلب تقادم أطول | T6, T61, T651 | الألواح الثقيلة تستخدم للأجزاء الهيكلية والطرق والتشكيلات |
| البثق | بروفايلات معقدة حتى مقاطع عرضية كبيرة | تختلف خصائص المبثوق حسب التبريد والمعالجة الحرارية الطولية | O, T6 (بعد التقادم) | البثق يستفيد من التحكم في الحبيبات والمعالجة الحرارية بعد التشكيل |
| الأنابيب | أنابيب ذات جدران رقيقة إلى سميكة | تعتمد المتانة على طريقة التشكيل والمعالجة الحرارية اللاحقة | O, T6 | تستخدم في التطبيقات الهيكلية والأنابيب عالية التحميل |
| القضبان/العصي | أقطار حتى أحجام كبيرة | تحافظ القضبان على قابلية تشغيل جيدة في حالة O، وقوة عالية عند التقادم | O, T6, T61 | شائعة للأجزاء الميكانيكية المخرطة والمجلفنة في صناعة الطيران |
مسار المعالجة (الصب، البثق، الدرفلة، الطرق) يؤثر بشكل كبير على البنية الدقيقة، توزيع الفواصل، وحالة الإجهاد المتبقي. الأجزاء السميكة تتطلب جداول تبريد وتقادم دقيقة لتقليل المناطق اللينة الداخلية وضمان أداء ميكانيكي موحد؛ للأجزاء الحرجة في الطيران، تعد عمليات التسوية وإزالة الإجهاد (T651) ضرورية للسيطرة على التشوه.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 2618 | الولايات المتحدة الأمريكية | التصنيف الأساسي لجمعية الألومنيوم الأمريكية |
| EN AW | AlCu2.5Mg (تقريبًا) | أوروبا | تماثل كيميائي تقريبي، وليس تطابقًا دقيقًا |
| JIS | A2618 (تقريبًا) | اليابان | تصنيفات محلية تختلف؛ راجع المعيار الوطني للمواصفة الدقيقة |
| GB/T | 2A61 | الصين | المكافئ المحلي الشائع في المعايير الصينية |
المكافئات المباشرة هي تقريبية لأن المواصفات الإقليمية تتحكم في حدود الشوائب، السماح بالسبائك الدقيقة وطرق اختبارات الميكانيكا. عند الاستبدال، تحقق دائمًا من متطلبات الخواص الميكانيكية وبروتوكولات المعالجة الحرارية بدلاً من الاعتماد فقط على التكافؤ الكيميائي الاسمي. العناصر النزرة والسبائكية الدقيقة (خاصة محتوى النيكل) في متغيرات 2618 يمكن أن تحدث فروقات كبيرة في السلوك تحت درجات الحرارة المرتفعة والتعب عبر المعايير المختلفة.
مقاومة التآكل
جويًا، 2618 أقل مقاومة للتآكل مقارنة بسلسلة 5xxx (Mg) و 6xxx (Mg+Si) بسبب المحتوى النسبي العالي للنحاس؛ حيث تعمل الفواصل الغنية بالنحاس والمراحل بينية المعدن كمواقع كاثودية محلية تحفز التآكل الجلفاني. في البيئات المعتدلة إلى ذات التآكل الخفيف مع الطلاءات أو الأنودة المناسبة، يمكن تحقيق عمر خدمة مقبول، لكن التعرض غير المحمي للجو العدواني يُتجنب عمومًا.
في البيئات البحرية أو المحملة بالكلوريدات، 2618 عرضة للتآكل المخرش والهجوم بين الحبيبات إذا لم تُحْمَ بشكل جيد؛ التآكل الموضعي الناجم عن الكلوريد هو نمط فشل شائع. القابلية للتشقق الناتج عن التآكل بالجهد (SCC) أعلى مقارنةً بالعديد من سبائك Al-Mg، خصوصًا تحت إجهاد الشد والتعرض للتآكل؛ يجب تقليل الإجهادات ثلاثية المحاور ومراعاة الطلاءات الواقية، الحماية الكاثودية، أو الأنودات التضحية.
التفاعلات الجلفانية مع المعادن الأكرم مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس يمكن أن تسرع التآكل الموضعي لـ 2618، لذا يُنصح بالعزل الكهربائي أو استخدام مسامير متوافقة. مقارنة مع عائلات 1xxx/3xxx، يضحي 2618 بمقاومة التآكل مقابل القوة والقدرة على التحمل في درجات الحرارة المرتفعة، لذلك غالبًا ما يلزم استخدام استراتيجيات التخفيف من التآكل (طلاءات، مثبطات، التحكم في البيئة) لتطبيقات طويلة الأمد.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
اللحام في 2618 تحدي بسبب المحتوى العالي من النحاس وسلوك التقادم الذي يسبب تليين في منطقة التسخين المعرضة وتأثرها بالانشقاقات الساخنة. اللحام بالتقادم (TIG/MIG) ممكن للوصلات غير الحرجة مع تحكم دقيق في التبريد المسبق، اختيار معدن الحشو، والمعالجة الحرارية بعد اللحام؛ غالبًا ما يُوصى بمخاليط معادن حشو على أساس سبائك Al-Cu-Mg أو أنظمة Al-Cu-Ni لتوافق القوة وتقليل مخاطر التشقق. للأجزاء الحرجة في الطيران، يُفضل غالبًا تجنب اللحام لصالح التثبيت الميكانيكي أو اللصق اللاصق لأن إعادة المعالجة الحرارية لإستعادة الخواص صعبة للتجميعات الكبيرة.
قابلية التشغيل
2618 في الحالة الملدنة تُشغل بشكل معقول باستخدام أدوات كربيد تقليدية؛ المعالجات بدرجة التقادم القصوى أكثر صلابة وكشطًا بسبب الفواصل. الممارسة النموذجية تستخدم أدوات ثابتة، بت زاوية موجبة، ومبرد للتحكم في درجات حرارة القطع؛ يجب أن تكون سرعات القطع محافظة مقارنة بسبائك الألومنيوم سهلة التشغيل، وتكون الطلاءات المقاومة لتكوين الحافة المتراكمة (BUE) مفيدة. تشكيل الرقائق يكون عادة مستمرًا ولدينًا؛ الوجبات الحادة والأدوات الحادة تقلل من تصلب العمل قبل القطع.
قابلية التشكيل
أفضل تشكيل يكون في الحالة O (الملدنة) حيث يمكن تحقيق أنصاف أقطار ثني ضيقة والتذبذب متوقع؛ أنصاف أقطار الثني الدنيا النموذجية تقارب 1–2× سماكة المادة تبعًا للأدوات وسماكة الجدار. التشكيل البارد بعد التقادم محدود بسبب انخفاض اللدونة والجهود المتبقية العالية؛ عندما يكون التشكيل مطلوبًا للشكل النهائي، ينصح باستخدام معالجة حرارية للحل ثم التشكيل، أو التشكيل في الحالة الملدنة متبوعًا بالتقادم. للأشكال المعقدة، لا تُستخدم طرق التشكيل الدافئ أو الفائق اللدونة عادةً، حيث تُفضل عائلات سبائك أخرى لاحتياجات التشكل القصوى.
سلوك المعالجة الحرارية
كسبيكة سلسلة 2xxx القابلة للمعالجة الحرارية، تستجيب 2618 للمعالجة بالحل، التبريد السريع، والتقادم الصناعي المتحكم فيه لتطوير قوة عالية. عادة ما يتم المعالجة بالحل عند درجات حرارة حوالي 510–535 °C لإذابة مرحلة Al2Cu، يعقبها تبريد سريع للحفاظ على محلول صلب مشبع. تستخدم ملفات التقادم الصناعي درجات حرارة متوسطة (مثل 160–190 °C) لعدة ساعات لترسيب مراحل دقيقة θ′ وغيرها تزيد القوة مع توازن في الصلابة.
انتقالات المعالجة T تعتمد على المعالجة المحددة: T4 تعني محلول طبيعي ومعالجة تقادم طبيعي، T6 محلول وتقادم صناعي إلى صلابة قصوى، وT61/T651 تدل على خطوات تثبيت وإزالة إجهاد لتقليل الإجهادات المتبقية أو تأثيرات التشوه الأولية. الإفراط في التقادم ينتج فواصل أكبر تقلل القوة لكنها تحسن المتانة ومقاومة التآكل؛ يستخدم الإفراط المتحكم فيه أحيانًا لتحسين مقاومة SCC أو تقليل حساسية التبريد.
الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة
تعرض 2618 قوة محتفظة متفوقة في درجات الحرارة المرتفعة مقارنةً بسبائك سلسلة 6xxx الشائعة بسبب إضافات النيكل والنحاس التي تثبت الفواصل. يمكن أن تصل القوة الثابتة المفيدة إلى حوالي 150–250 °C بناءً على المعالجة والمحتوى النيكل؛ فوق هذا النطاق، يسرع تعتيق الفواصل والتليين ويصبح الزحف طويل الأمد مصدر قلق تصنيعي. الأكسدة ليست نمط الفشل الأساسي للألمنيوم في هذه الدرجات في الهواء، لكن فقدان الخصائص الميكانيكية وتكون قشور سطحية قد يحدث في بيئات عدوانية.
تفقد مناطق التأثر بالحرارة قرب اللحامات القوة بسبب ذوبان وتعتيق الفواصل المقوية، وقد يحدث استرداد/تليين في درجات حرارة بعد اللحام منخفضة نسبيًا. للخدمة فوق ~200–250 °C، يجب على المصممين التحقق من سلوك الزحف قصير وطويل الأمد والنظر في استخدام سبائك مخصصة لاستقرار درجات الحرارة العالية إذا كان التشغيل المستمر مطلوبًا.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 2618 |
|---|---|---|
| السيارات | مكابس الأداء العالي، قضبان التوصيل | قوة ثابتة وحرارية مرتفعة؛ مقاومة التعب |
| البحرية | حوامل وهيكليات (محمية) | قوة إلى وزن عالية مع وجود طلاءات تقلل التآكل |
| الطيران | وصلات، بوشينغات، مكونات معدات الهبوط | قوة عالية، مقاومة تعب، استقرار أبعاد بعد التقادم |
| الإلكترونيات | نواشر حرارية ودعامات هيكلية | موصلية حرارية جيدة مع قوة ميكانيكية أعلى |
على الرغم من أن 2618 ليست سبيكة ألواح عامة، يجمع بين القوة العالية والخصائص الحرارية الجيدة نسبيًا مما يجعله جذابًا للمكونات التي تكون الوزن والقوة عند درجة الحرارة وعمر التعب عوامل تصميم أساسية. تطبق عادة معالجة سطحية واقية واستراتيجيات ربط دقيقة لتحقيق الأداء طويل الأمد في بيئات الخدمة.
نصائح للاختيار
اختر 2618 عندما يتطلب التصميم قوة ثابتة عالية واحتفاظًا بالخواص الميكانيكية عند درجات حرارة مرتفعة وتفضل مقاومة التعب على الحاجة لمقاومة تآكل أو قابلية لحام جوهرية. استخدم 2618 الملدن للتشكيل والتشغيل، وطبق تقادمًا متحكمًا أو تثبيتًا عند الحاجة إلى استقرار الأبعاد والقوة القصوى.
بالمقارنة مع الألمنيوم النقي تجارياً (مثل 1100)، يقدم سبائك 2618 قوة ومقاومة تعب أعلى بكثير على حساب الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل العليا. بالمقارنة مع السبائك المقساة بالتشغيل مثل 3003 أو 5052، يوفر 2618 قوة أعلى بشكل ملحوظ لكنه عادةً ما يكون أقل مقاومة للتآكل وأكثر صعوبة في اللحام؛ لذلك يُفضل اختيار 2618 للأجزاء الهيكلية عالية التحميل بدلاً من الألواح المعدنية العامة. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061/6063، غالبًا ما يقدم 2618 مقاومة أفضل للحرارة والأداء تحت الإجهاد؛ ومع ذلك، يوفر 6061 مقاومة تآكل أفضل وقابلية للحام أعلى—يستخدم 2618 عندما يكون الأداء الميكانيكي عند درجات الحرارة المرتفعة هو العامل الحاسم.
الملخص الختامي
يظل السبائك 2618 خيارًا متخصصًا للألمنيوم عالي القوة حيث تكون تقوية السبائك على أساس النحاس والقابلة للمعالجة الحرارية والأداء عند درجات الحرارة العالية مطلوبة بالرغم من التنازلات في مقاومة التآكل وقابلية اللحام. مع معالجة دقيقة، اختيار التصلب المناسب، والحماية السطحية، يوفر 2618 توليفة مميزة من القوة، مقاومة التعب، والخصائص الحرارية لتطبيقات الطيران، السيارات والهياكل عالية الأداء.