ألمنيوم 5150: التركيب، الخصائص، دليل التلطيف، والتطبيقات

نظرة شاملة

5150 هو سبائك ألومنيوم ينتمي إلى سلسلة 5xxx، وهي عائلة تُعرف باعتمادها على المغنيسيوم كعنصر سبيكي رئيسي. تتميز هذه السلسلة بأنها سبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، وتقوى أساسًا بواسطة تقوية محلول صلب وعمل تقسية إجهادية (تصلب إجهادي) بدلاً من التقسية بالترسيب المستخدمة في سبائك 6xxx و7xxx.

المكونات السبائكية الرئيسية في 5150 هي الألومنيوم مع نسبة مغنيسيوم عالية، إلى جانب كميات قليلة من المنغنيز والكروم والحديد كشوائب نموذجية. آلية التقوية تعتمد بشكل رئيسي على تقسية الشغل (التصلب الإجهادي) وتقوية المحلول من Mg في المحلول الصلب؛ ولا يوجد استجابة تقسية ملحوظة لمعالجات T-temper التقليدية.

الصفات الرئيسية لـ 5150 تشمل قوة عالية في درجات الحرارة المرتفعة بالنسبة لسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، ومقاومة ممتازة للتآكل في العديد من الظروف الجوية والبحرية، وقابلية جيدة للتشكيل في الأعمار الطرية. قابلية اللحام جيدة باستخدام عمليات MIG/TIG عند استخدام المعادن الحشوية المناسبة، وغالبًا ما يُختار 5150 حيث يُطلب توازن بين القوة وقابلية اللحام ومقاومة التآكل مثل التطبيقات البحرية، والنقل، وبعض التطبيقات الإنشائية.

بالمقارنة مع عائلات الألومنيوم الأخرى، يُختار 5150 عندما يحتاج المصممون إلى قوة أفضل من الألومنيوم النقي أو السبائك 3xxx طفيفة التصلب بالعمل البارد، مع الرغبة بتفادي التكلفة العالية، وحساسية التشويه، أو انخفاض مقاومة التآكل لسبائك عالية القوة قابلة للمعالجة الحرارية. يجمع هذا السبائك بين الأداء الميكانيكي ومقاومة مياه البحر مما يجعله جذابًا لهياكل السفن، والأعضاء الإنشائية، والمكونات التي يجب تشكيلها ثم لحامها.

أنواع العمر

العمر	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالية (20–35%)	ممتازة	ممتازة	مخمور بالكامل، أقصى مادة ليّنة
H111	متوسطة	جيدة (15–25%)	جيدة جدًا	جيدة جدًا	عمل بارد طفيف، للاستخدامات العامة
H14	متوسطة-عالية	متوسطة (10–20%)	جيدة	جيدة جدًا	تقسية شغل بمستوى واحد، عمر شائع للألواح
H22	عالية	متوسطة (8–15%)	مقبولة	جيدة	تقسية شغل ومستقرة حراريًا
H32	عالية	متوسطة (8–12%)	مقبولة	جيدة	تقسية شغل ثم استقرار للحام
H116	عالية	أقل (6–12%)	محدودة	جيدة	تقسية شغل وإزالة توتر للاستخدام البحري
H321	عالية	أقل (6–12%)	محدودة	جيدة	عمل بارد واستقرار بمعالجات منخفضة الحرارة

يلعب العمر تأثيرًا كبيرًا على الأداء الميكانيكي وسلوك التشكيل لـ 5150. توفر الأعمار الطرية (O, H111) أفضل استطالة وثني عميق، بينما تزيد أعمار H القوة عن طريق زيادة كثافة الانزلاقات على حساب الاستطالة وقابلية الانثناء.

عند اختيار العمر، يجب مراعاة العمليات التالية مثل الثني، السحب، واللحام: اختر الأعمار الطرية للتشكيل الشديد أو H32/H116 لتجميعات ملحومة تتطلب قوة تصنيع أعلى وتقليل التشوه بعد اللحام.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة %	ملاحظات
Si	0.10–0.40	عنصر شوائب؛ زيادة Si تقلل الليونة وتزيد القوة قليلاً
Fe	0.40–1.00	شوائب نموذجية؛ يشكل مركبات بين فلزية تؤثر على تشطيب السطح
Mn	0.10–0.50	يحسن القوة ويساعد على التحكم في هيكل الحبيبات
Mg	3.0–5.5	العنصر الرئيسي للتقوية؛ يزيد القوة ومقاومة التآكل
Cu	0.00–0.20	يُحفظ منخفضًا للحفاظ على مقاومة التآكل؛ كميات صغيرة تزيد القوة
Zn	0.00–0.25	مستويات منخفضة؛ زيادة Zn يمكن أن تخفض مقاومة التآكل
Cr	0.05–0.30	يضبط هيكل الحبيبات ويحسن مقاومة إعادة التبلور
Ti	0.00–0.10	مكرر حبيبات؛ يستخدم بكميات صغيرة للسبائك المصبوبة أو المشغولة
عناصر أخرى	0.05–0.15	عناصر أثرية وشوائب؛ تُكمل الباقي ألومنيوم

محتوى المغنيسيوم هو العامل المسيطر على خصائص 5150 الميكانيكية ومقاومة التآكل: مع زيادة Mg تتحسن تقوية المحلول الصلب وسلوك التضحية في البيئات البحرية. تُراقب العناصر الثانوية مثل Mn وCr للتحكم في هيكل الحبيبات، واستقرار الانزلاقات أثناء المعالجة، وتقليل ضعف الانكسارات المرتبطة بحواف الحبيبات.

الخواص الميكانيكية

يعرض 5150 سلوك الشد النموذجي لسبائك سلسلة 5xxx ذات المغنيسيوم العالي: منحنى تصلب إجهادي مستوي نسبيًا بعد نقطة الخضوع، واستطالة منتظمة جيدة في الأعمار اللينة. تزداد مقاومة الخضوع ومقاومة الشد القصوى مع العمل البارد والاستقرار، بينما تقل الليونة والاستطالة الإجمالية؛ وبالتالي يكون التوازن بين الخواص قابل للتنبؤ ومتكرر للتحكم في الإنتاج.

تتعلق الصلادة بالعمر والعمل البارد؛ حيث يكون 5150 المخمور ناعمًا وسهل التشغيل، بينما يمكن أن تصل أعمار Hxx إلى مستويات صلادة مناسبة للمكونات الإنشائية ذات الأحمال المعتدلة. المقاومة للإجهاد المتكرر جيدة عمومًا لسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، لكنها حساسة لحالة السطح وتليين منطقة تأثير الحرارة في اللحام، لذلك يجب التحكم في تشطيب السطح والنتوءات وبروفايلات اللحام في التصميم.

تؤثر السماكة على الخواص: مع انخفاض السماكة، يتغير التصلب الإجهادي الممكن أثناء التشكيل، ومعدلات التبريد أثناء الاستقرار الحراري تؤثر على الإجهادات المتبقية. في الألواح السميكة، قد يختلف حجم الحبيبات واستجابة تقسية الشغل، مما يتطلب التحقق من الخواص الخاصة بالعمر.

الخاصية	O / مخمور	العمر الرئيسي (H116/H32)	ملاحظات
مقاومة الشد	120–170 MPa	280–350 MPa	نطاق واسع بسبب مستوى Mg والعمل البارد؛ القيم تعتمد على المورد والسماكة
مقاومة الخضوع	40–90 MPa	180–300 MPa	مقاومة الخضوع ترتفع بقوة مع تصلب الإجهاد والاستقرار
الاستطالة	20–35%	6–15%	تنخفض الليونة مع زيادة القوة؛ وتعتمد على السماكة
الصلادة	25–45 HB	80–120 HB	صلادة برينل مرتبطة بالعمر والعمل البارد

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.66 جم/سم³	نمطي لسبائك الألومنيوم-مغنيسيوم المشغولة
نطاق الانصهار	570–645 °C	نطاق الصلب-السائل يتأثر بالسبائك المضافة
التوصيل الحراري	120–150 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنه مرتفع لاستخدامات تبديد الحرارة
التوصيل الكهربائي	28–40 % IACS	منخفض بالمقارنة مع الألومنيوم النقي بسبب Mg والذوبانات الأخرى
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K	تقريبية عند درجة حرارة الغرفة
المعامل الحراري للتوسع	23–24 ×10^-6 /K	مشابه للعديد من سبائك الألومنيوم؛ يجب مراعاته في تصميم الوصلات

يحافظ 5150 على التوصيل الحراري والسعة الحرارية المواتية لسبائك الألومنيوم، مما يجعله مفيدًا للمكونات التي تتطلب تبديد حرارة معقول. توصيته الكهربائية أقل من الألومنيوم النقي لكنها مقبولة للعديد من التطبيقات الإنشائية أو قضبان التوصيل حيث لا تكون التوصيلية الأولية أهم مطلب.

يجب أخذ معامل التمدد الحراري بعين الاعتبار عند دمج 5150 مع مواد مختلفة، خاصة في التركيبات البحرية أو السيارات حيث تحدث تغييرات دورية في درجات الحرارة. الكثافة ونطاق الانصهار متسقان مع سبائك الألومنيوم-مغنيسيوم المشغولة، مما يؤثر على تجنب الصب وعمليات اللحام.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المتانة	التلدينات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	تستجيب جيدًا للتقسية بالتشوه	O, H111, H14, H32	تستخدم في ألواح الهيكل، الصناديق، والأجزاء المشكّلة
صفائح	6–100+ mm	ليونة أقل عند الدرفلة؛ مقاطع أثقل	O, H111, H22	صفائح إنشائية للتطبيقات البحرية والنقل
بروفايلات بثق	مقاطع عرضية من عدة ملم إلى أكثر من 200 mm	الاتجاهية تؤثر على مقاومة الخضوع ومقاومة الشد باتجاه معين	O, H112, H32	بروفايلات للإطارات، القضبان، والبروفايلات الإنشائية
أنابيب	القطر الخارجي 10–300 mm	التشكيل البارد يؤثر على استدارة الأنبوب والخصائص الميكانيكية	O, H111, H32	أنابيب ملحومة أو بدون لحام للاستخدام الهيكلي
قضبان/أعمدة	القطر 5–200 mm	خصائص نموذجية للقضبان المشغولة	O, H111	تستخدم في التجهيزات الميكانيكية والبراغي

تُستخدم الألواح بشكل شائع في حالات تتطلب التشكيل ولحام لاحق؛ يمكن للألواح ذات السماكة الدقيقة تحقيق إجهادات عالية في عمليات التشكيل قبل أن تصبح مسألة التشيٌّخ مهمة. تُنتج الصفائح للمكونات الإنشائية؛ وتتطلب المقاطع السميكة تحكمًا دقيقًا في عمليات الدرفلة والمعالجة الحرارية مثل التثبيت الحلولي أو التثبيت النبضي للحفاظ على خصائص موحدة عبر السماكة.

تسمح بروفايلات البثق بالحصول على مقاطع عرضية معقدة حيث يكون الميل الناتج عن الدرفلة مقبولًا أو يمكن تصميمه خصيصًا؛ وعادةً ما تُورد القضبان والأعمدة في تلدينات أكثر ليونة للتشغيل، ثم تُصلب ميكانيكيًا إذا كانت هناك حاجة لقوة أعلى.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5150	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية جمعية الألمنيوم لهذه السبيكة المشغولة الحاملة للمغنيسيوم
EN AW	5150	أوروبا	تسمية EN عادةً تطابق سلسلة AA، لكن يجب مراجعة ورقة بيانات المورد
JIS	A5150	اليابان	توجد مكافئات يابانية تحتوي على مستويات مماثلة من المغنيسيوم؛ تحقق من المواصفات الميكانيكية
GB/T	5150	الصين	أرقام المعايير الصينية قد تختلف قليلاً؛ وتكون النطاقات الكيميائية عادة متوافقة

التكافؤ بين المعايير بشكل عام قريب للسبيكات المشغولة من مجوعة 5xxx، لكن قد تطبق المصانع وهيئات المعايير حدودًا مختلفة للمواد المتبقية والخصائص الميكانيكية. على المهندسين التحقق من شهادات الفحص للموردين والمراجعات الإقليمية لضمان تطابق القيم الكيميائية والميكانيكية مع المتطلبات التصميمية.

تظهر فروق بسيطة غالبًا في بقايا Fe/Si/Mn، وتعريفات التلدين، ونطاقات السماكة المسموح بها؛ وهذا يمكن أن يؤثر على القابلية للتشكيل، أداء اللحام، ومقاومة التآكل في التطبيقات الحرجة.

مقاومة التآكل

تقدم 5150 مقاومة جيدة جدًا للتآكل الجوي، ممثلة للسبيكات التي تحوي نسبة مرتفعة من المغنيسيوم ضمن مجموعة 5xxx، مع أداء معزز في البيئات البحرية والساحلية مقارنة بسبيكات Al-Cu. مقاومته للتآكل الناتج عن الحفر والتآكل العام جيدة خاصة عندما تكون السبيكة نظيفة ومصقولة بشكل مناسب، خصوصًا عند تطبيق طلاءات واقية أو التأكسد الأنودي.

في البيئات البحرية، تظهر 5150 مقاومة جيدة لتعرض ماء البحر؛ إلا أن التصميم يجب أن يراعي التفاعلات الكهروكيميائية مع المواد النبيلة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو السبائك المحتوية على النحاس، حيث قد يؤدي الاقتران دون عزل مناسب إلى تسريع تآكل مكون الألمنيوم.

تميل قابلية التصدع بالتآكل الإجهادي (SCC) في سبيكات 5xxx إلى الزيادة مع ارتفاع محتوى المغنيسيوم وتلدينات القوة الأعلى؛ تلدينات التثبيت مثل H116 مصممة للتقليل من SCC تحت ظروف اللحام والخدمة. مقارنةً بسلسلة 6xxx و7xxx، تتميز 5150 بمقاومة أفضل للتآكل بين الحبيبي في الحالة المصنعة، لكنها أقل مقاومة من الألمنيوم النقي في التآكل العام الموحد.

التوافق الجلفاني، الطلاءات الواقية، وتصميم الوصلات من الضوابط الأساسية للنشر في التطبيقات البحرية والصناعية. عند الاستخدام الصحيح، توفر 5150 توازنًا ممتازًا بين مقاومة التآكل والأداء الميكانيكي بالمقارنة مع العديد من البدائل التجارية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

تُلحَم 5150 جيدًا بطرق الحماية الغازية الشائعة (MIG/GMAW, TIG/GTAW) عند استخدام مواد حشو مناسبة مثل سلسلة 5xxx (على سبيل المثال ER5356 أو مكافئات ER5183). خطر التشققات الساخنة منخفض إلى متوسط؛ حيث يقلل التحكم في مدخل الحرارة والمعالجات التثبيتية قبل وبعد اللحام من تليين منطقة التأثير الحراري HAZ وتشوهات الإجهاد المتبقية.

قد تظهر اللحامات انخفاضًا محليًا في القوة حيث تلين منطقة التأثير الحراري مقارنة بالمادة الأصلية المشغولة ببرودة؛ يؤدي استخدام معالجات تثبيت (نمط H116) وإجراءات اللحام الآلية إلى تقليل التباين. يُنصح بتجنب مواد الحشو ذات محتوى نحاس عالي إذا كانت مقاومة التآكل أولوية.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل للقطعة 5150 متوسطة؛ حيث تُشغل هذه السبيكة أفضل من العديد من سبائك الألمنيوم - مغنيسيوم القديمة الأقسى لكنها أقل من سبائك الألمنيوم المصممة خصيصًا للتشغيل الحر. ينصح باستخدام أدوات كربيد ذات زاوية رأس موجبة وإعدادات صلبة؛ حيث تقلل سرعات القطع المتوسطة وتدفق التبريد السخي من تراكم الرؤوس وتحسن من جودة السطح.

تميل رقائق القطع إلى التنسيق المستمر؛ وقد تكون مكسرات الرقائق أو القطع المتقطع ضرورية على الأجزاء النحيفة. تساعد زاوية رأس الحفر واستراتيجيات الحفر المتقطع في التحكم بالنتوءات وجودة الثقب في الأجزاء ذات السماكة الدقيقة.

القابلية للتشكيل

القابلية للتشكيل البارد ممتازة في التلدينات اللينة (O, H111)، مما يسمح بعمليات السحب العميق، الثني، والتشكيل المائي بزوايا انحناء ضيقة مع الأخذ بعين الاعتبار ارتداد النابض. مع التلدينات الأعلى مثل H32/H116 يجب زيادة أنصاف أقطار الانحناء وضبط التباعد بين القاطع والقالب بسبب انخفاض الاستطالة.

يمكن للتشكيل الدافئ توسيع مجال القابلية لأشكال معقدة، وتُحسّن التسلسلات المتحكم بها من التشوه ما قبل التشكيل من التناسق. للتشكيلات الشديدة، يُفضل تحديد O أو H111 والنظر في تثبيت بعد التشكيل إذا كان الجزء سيُلحم.

سلوك المعالجة الحرارية

5150 هي سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ يتم تحقيق التقوية الميكانيكية بشكل رئيسي من خلال التشكيل البارد (تقسية التشوه) واحتباس المغنيسيوم في المحلول الصلب. يمكن استخدام التثبيت الحراري (خبز بدرجة حرارة منخفضة أو تخفيف الإجهاد) بعد التشكيل أو اللحام لضبط الخواص الميكانيكية وتقليل الإجهادات المتبقية دون ظهور ظاهرة التقسية بالشيخوخة كما في سبيكات 6xxx.

لا تتسبب طرق المعالجة بالحلول الحرارية والشيخوخة الترسيبية المستخدمة في السبيكات القابلة للمعالجة الحرارية في تقسية ملحوظة في 5150، لذا دورات T6/T7 غير مناسبة. تعيد عملية التلدين اللدونة عبر إعادة التبلور؛ حيث تؤدي عمليات التلدين المسيرة تليها تبريد سريع إلى حالة تلدين O ذات قابلية تشكيل عالية تناسب التشكيل الواسع.

تقسية العمل قابلة للتكرار ويمكن دمجها في مسار التصنيع: عادةً تُشكّل الأجزاء في حالة O أو H111، ثم تُصلب بالتشكيل البارد إلى تلدين Hxx المناسب من حيث القوة، وقد يليها خبز تثبيت لتقليل الشيخوخة الطبيعية أو ارتخاء الإجهاد أثناء الاستخدام.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تحافظ 5150 على قدرة تحمل متوسطة عند درجات حرارة مرتفعة، لكنها تظهر فقداناً تدريجياً في القوة مع اقتراب درجة الحرارة من 150–200 °C، مع تليين ملحوظ فوق هذه القيم. للاستخدامات المتقطعة حتى ~150 °C تحافظ السبيكة على أداء ميكانيكي مفيد؛ ولا يُنصح بالخدمة المستمرة عند درجات حرارة أعلى في التطبيقات الحاملة للأحمال.

الأكسدة في سبائك الألمنيوم محدودة عند درجات حرارة الخدمة النموذجية، لكن قد تظهر قشريات وتغيرات سطحية في بيئات حرارية عدوانية أو عند التعرض المطول لدرجات حرارة مرتفعة. يمكن لمنطقة التأثير الحراري بالقرب من اللحامات أن تتعرض لمزيد من التليين بفعل التسخين الموضعية، لذلك من المهم التحكم في مدخل حرارة اللحام والتثبيت بعد اللحام خلال الدورات الحرارية.

مقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة محدودة مقارنة بالسبائك المقاومة للحرارة المتخصصة، لذلك ينصح بتجنب 5150 في المكونات الحاملة للأحمال ذات الخدمة المستمرة عند درجات حرارة عالية. يُفضل النظر في سبائك أو تصميمات بديلة حين تتداخل درجات الحرارة العالية مع الأحمال بشكل كبير.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 5150
البحرية	ألواح الهيكل، هياكل السطح	مقاومة ممتازة لتآكل ماء البحر وقابلية تشكيل جيدة
السيارات والنقل	مكونات هيكل خفيفة الوزن، خزانات	نسبة قوة إلى وزن عالية وقابلية لحام لتجميعات مصنعة
الفضاء (الثانوية)	وصلات، حوامل	قوة جيدة ومقاومة للتآكل لأجزاء غير هيكلية رئيسية
الإلكترونيات وإدارة الحرارة	هياكل، مشتتات حرارية	موصلية حرارية مناسبة مع قابلية تشكيل
العمارة	الواجهات، التكسية	تشطيب دائم ومقاومة التآكل في المنشآت الساحلية

يُختار 5150 حيث يحتاج المصممون إلى ألمنيوم مقاوم للتآكل وقابل للحام وبقوة أعلى من السبيكات النقية أو سلسلة 3xxx، دون تعقيدات عمليات السبيكات المعالجة حراريًا ذات القوة العالية. تُكسبه تنوعا في التشكيل، اللحام، والعمليات الميكانيكية المتوسطة ليكون مناسبًا للعناصر الهيكلية المصنعة.

نظرة اختيارية

عند اختيار 5150، يُفضَّل استخدامه في التطبيقات التي تتطلب مقاومة تآكل بمعايير بحرية، وقابلية جيدة للحام، وقوة متوسطة إلى عالية ناتجة عن تصلب العمل. اختر الدرجات الأنعم لتشكيل معقد وH32/H116 للهياكل الملحومة التي تتطلب أداءً متوقعًا أثناء الخدمة.

مقارنة بالألمنيوم النقي تجاريًا (مثل 1100): يقدم 5150 قوة أعلى مقابل تقليل طفيف في الموصلية الكهربائية وفقدان معتدل في القابلية للتشكيل الجوهرية؛ اختر 1100 عندما تكون الموصلية وسهولة التشكيل هي العوامل الأساسية. مقارنة بالسبائك المعتادة المتصلدة بالعمل (مثل 3003 / 5052): عادةً ما يقدم 5150 قوة أعلى مع مقاومة تآكل مماثلة أو محسنة، لكنه قد يكون أقل قابلية للتشكيل من 3003 في نفس الدرجات. مقارنة بالسبائك المعالجة حراريًا (مثل 6061 / 6063): لا يصل 5150 إلى أعلى القوى المُعتمدة لسلسلة 6xxx لكنه يوفر مقاومة أفضل لتآكل مياه البحر وتصنيعًا أبسط (تشوه أقل، دون دورات تبريد/تعتيق)، مما يجعله مفضلًا للهياكل البحرية أو النقل الملحومة.

قائمة التحقق العملية للاختيار: - استخدم الدرجة O أو H111 للعمليات التشكيلية الشديدة ثم انتقل إلى H32/H116 إذا كان اللحام وقوة الخدمة مطلوبين. - حدد معادن حشو مناسبة (معادن حشو من سلسلة 5xxx) لمطابقة مقاومة التآكل للحام. - تحقق من شهادات المصنع لمحتوى Mg وتعريفات الدرجات للسيطرة على القابلية للتآكل بالتشققات الإجهادية والخواص الميكانيكية المتوقعة.

الملخص النهائي

يظل 5150 خيارًا عمليًا وملائمًا عند الحاجة إلى ألمنيوم مقاوم للتآكل وقابل للحام مع قوة مرتفعة تتحقق بالتصلب البارد. يجمع هذا السبيكة بين قابلية التشكيل في الدرجات الأنعم، واستجابة تصلب العمل المتوقعة، ومتانة بمعايير بحرية، مما يجعله سبيكة موثوقة للتطبيقات في النقل والبحرية والهياكل المصنعة.