ألومنيوم 518: التركيب، الخصائص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 518 هي من سلسلة 5xxx (Al-Mg) لسبائك الألومنيوم، وتتميز بشكل أساسي بالمغنيسيوم كعنصر سبائكي رئيسي. تنتمي إلى العائلة غير القابلة للمعالجة الحرارية حيث يتطور القوة بشكل رئيسي من خلال تقوية المذاب الصلب والتصلب الناتج عن الإجهاد (العمل)، بدلاً من المعالجة الحرارية للترسيب.

تتضمن الإضافات السبائكية الرئيسية النموذجية في 518 المغنيسيوم بنسبة في خانة الأحاد الوسطى، مع كميات محكمة من المنجنيز وعناصر أثرية مثل الكروم والتيتانيوم لتثبيت حبيبات المعدن والتحكم في إعادة التبلور. تتحد هذه العناصر لتوفر توازناً بين قوة معتدلة إلى عالية، ومرونة جيدة في الأوضاع المطوبة، وأداء محسّن في البيئات البحرية والغلاف الجوي مقارنة بالعديد من سبائك Al-Si أو Al-Mn.

الصفات الرئيسية لسبائك 518 هي نسبة القوة إلى الوزن المفضلة، ومقاومة جيدة للتآكل العام والتآكل الناتج عن الحفر في بيئات مياه البحر، وقابلية ممتازة للتشكيل البارد في الأوضاع المطوبة. القابلية للّحام جيدة عموماً باستخدام عمليات الانصهار التقليدية، مع الأخذ في الاعتبار التليين المحلي في منطقة التأثير الحراري (HAZ) وبعض القابلية لحدوث تشقق الإجهاد-تآكل في ظروف معينة ينبغي مراعاتها عند التصميم.

الصناعات التي تستخدم غالباً سبائك مثل 518 تشمل السيارات، مقطورات الشاحنات، الهياكل البحرية واللوحات، التكسية المعمارية، وبعض المكونات الهيكلية في قطاعات النقل والطاقة. يختار المهندسون 518 عندما يكون مطلوباً مزيج من القابلية للتشكيل، مقاومة التآكل، والقوة المعتدلة، وعندما تكون سبائك المعالجة الحرارية غير ضرورية أو غير ملائمة لعمليات التشكيل والربط.

أنواع الطراوة (Temper)

الطراوة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مطوبة بالكامل، الأفضل للتشكيل المعقد
H12	منخفضة إلى متوسطة	متوسطة	جيدة جداً	ممتازة	ربع صلبة؛ زيادة معتدلة في القوة
H14	متوسطة	منخفضة إلى متوسطة	جيدة	ممتازة	نصف صلبة؛ شائعة للألواح التي تحتاج إلى بعض الصلابة
H16	متوسطة إلى عالية	منخفضة	متوسطة	ممتازة	ثلاثة أرباع صلبة؛ تُستخدم حيث تحتاج إلى قوة أعلى دون معالجة حرارية
H18	عالية	منخفضة	محدودة	ممتازة	صلبة بالكامل؛ تشكيل محدود ولكن أقصى قوة عمل بارد
H111	منخفضة إلى متوسطة	متوسطة إلى عالية	جيدة جداً	ممتازة	مُشددة قليلاً بعد إعادة التليين، درجة غير محددة من التصلب بالإجهاد
H32	متوسطة	منخفضة إلى متوسطة	جيدة	ممتازة	مثبتة ومشددة بالإجهاد للحفاظ على القابلية للتشكيل بعد إعادة تليين محدودة

للطراوة تأثير رئيسي على التوازن الميكانيكي وسلوك التصنيع لسبائك 518. الطراوة المطوبة (O) تعطي أقصى استطالة للتشكيل العميق والطرز المعقدة، بينما توفر أنواع H زيادة تدريجية في القوة على حساب الاستطالة وقساوة انحناءات الضبط.

وبما أن سبائك 518 لا تقوى من خلال معالجة الترسيب الحرارية التقليدية، يُستخدم التطرية عبر العمل البارد المسيطر عليه وعلاجات التثبيت لتخصيص الخواص للتطبيق النهائي. يجب على المصممين مراعاة التليين في منطقة التأثير الحراري بعد اللحام، واختيار الطراوة المناسبة لتوافق تسلسل التشكيل ومتطلبات ما بعد التصنيع.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	الملاحظات
Si	0.10 كحد أقصى	شائبة؛ تُحفظ بنسبة منخفضة للحفاظ على المرونة ومقاومة التآكل
Fe	0.40 كحد أقصى	شائبة نموذجية؛ تؤثر على القوة وتكوين المركبات بين الفلزات
Mn	0.20–0.80	تتحكم في بنية الحبيبات وتثبط إعادة التبلور
Mg	3.5–5.0	العنصر الرئيسي المعزز للقوة؛ يحسن مقاومة التآكل والقوة
Cu	0.10 كحد أقصى	يُقلل للحفاظ على مقاومة التآكل؛ ارتفاع Cu يقلل مقاومة تشقق الإجهاد-تآكل
Zn	0.25 كحد أقصى	يُحفظ منخفضاً للحفاظ على السلوك الأنودي مقابل الفلزات الكاثودية
Cr	0.05–0.25	مكرر للحبيبات ويحسن مقاومة إعادة التبلور وتآكل حدود الحبيبات
Ti	0.05–0.15	عامل تكرير الحبيبات أثناء التصنيع المصبوب والمشغل
عناصر أخرى (باقي الألمنيوم)	التوازن	الألمنيوم يشكل المصفوفة؛ تتحكم العناصر الأثرية الأخرى حسب المواصفة

محتوى المغنيسيوم هو العامل الأساسي المحدد للقوة والأداء المقاوم للتآكل في 518، حيث تؤدي زيادته عادة إلى تحسين خصائص الشد مع تأثير على القابلية لتشققات الإجهاد-تآكل عند تركيزات الخدمة العالية. يعمل المنجنيز والكروم كعناصر سبائكية دقيقة للتحكم في حجم الحبيبات وتقليل التليين خلال التعرض الحراري واللحام. عناصر الشوائب مثل الحديد والسيليكون تقتصر للحيلولة دون تكون مركبات بين فلزية خشنة تؤدي إلى تدهور المتانة وقابلية التشكيل.

الخصائص الميكانيكية

في التحميل الشدّي، تظهر سبائك 518 نطاقاً واسعاً من السلوك حسب الطراوة والسماكة. المواد المطوبة (O) تظهر مقاومة خضوع منخفضة مع استطالة عالية مناسبة للسحب العميق والتشكيل بالتمدد، بينما تُظهر أنواع H زيادات تدريجية في مقاومة الخضوع والشد مع انخفاض في الليونة وقابلية الانحناء. تعتمد مقاومة الخضوع والشد على السماكة وتاريخ المعالجة؛ الألواح الرقيقة والأنماط الأكثر تصلبًا بالتبريد البارد تحقق قوة أعلى بكثير في درجة حرارة الغرفة.

تتبع اتجاهات الصلادة نفس خصائص الشد وتستخدم كمقياس عملي في الورش للتحقق من الطراوة. أداء التحميل المتكرر مرتبط بقوة بحالة السطح، الإجهاد المتبقي، والميكروهيكل؛ الأسطح المصقولة والمشددة بالتبريد تتمتع بحياة تعب محسنة، في حين أن الأشواك، وطرف اللحام، والمركبات بين الفلزية الخشنة تقلل منها. يتطلب التصميم الأخذ بعين الاعتبار التليين في منطقة التأثير الحراري المجاورة للحامات عند وجود تفاصيل حرجة للتعب.

الخاصية	O/مطوب	طراوة رئيسية (مثلاً H14 / H32)	ملاحظات
قوة الشد	130–200 MPa	220–320 MPa	تداخل واسع؛ تعتمد على مستوى العمل البارد والسماكة
قوة الخضوع	60–140 MPa	150–260 MPa	تزداد بشكل ملحوظ مع طراوات H والتصلب بالإجهاد
الاستطالة	20–35%	6–15%	المرونة الأعلى في المواد المطوبة وتتناقص مع التصلب بالعمل
الصلادة	30–55 HB	60–95 HB	قيم برينل تقريبية لقوة الطراوة النسبية

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.66 g/cm³	نموذجية لسبائك الألمنيوم-مغنيسيوم المشغولة؛ تتيح قوة نوعية عالية
نطاق الانصهار	~555–650 °C	نطاق الصلب-السائل يعتمد على السبائك والشوائب الأثرية
التوصيل الحراري	~130–160 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي بسبب السبائكية؛ لا يزال جيدًا لتبديد الحرارة
التوصيل الكهربائي	~30–45% IACS	موصلية معتدلة مقارنة مع سبائك الألومنيوم الهيكلية الأخرى
السعة الحرارية النوعية	~0.9 J/g·K	مفيدة لحسابات حرارية عابرة
التمدد الحراري	~23–24 µm/m·K	معامل نمو نموذجي لسبائك الألمنيوم؛ مهم لتصميم الوصلات

تضع الخصائص الفيزيائية لسبائك 518 المادة كخيار جذاب للتطبيقات التي تتطلب تقليل الوزن وتبديد الحرارة معاً، مثل الألواح الهيكلية وبعض مكونات ناشرات الحرارة. التوصيل الحراري والكهربائي كافيان للعديد من مهام إدارة الحرارة مع كونها أقل من الألمنيوم النقي وبعض السبائك القابلة للمعالجة الحرارية؛ يجب على المصممين الانتباه لذلك عند تحديد السماكات لمسارات التوصيل الحراري.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المقاومة	التمبّرات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	تعتمد على السماكة؛ العمل بالتبريد يزيد المقاومة	O, H12, H14, H32	مستخدمة على نطاق واسع في ألواح الهيكل، التكسية، والألواح الداخلية
صفائح	6–50 mm	إمكانات العمل بالتبريد أقل؛ الخواص تتحكم بها عمليات الدلفنة	O, H111	مستخدمة حيث يتطلب الأمر سماكة أكبر للمقاومة وقوة تحمل التآكل
بثق (إكسترود)	سماكة الجدار 1–25 mm	القوة تتأثر بالسحب بالتبريد والشيخوخة للجيولات	O, H11, H22	بثوق هيكلية للأُطُر والمُقوّمات
أنابيب	قطر Ø 6–200 mm	عمليات الدلفنة والسحب تؤثر على اللاتناظرية الميكانيكية	O, H14, H16	تطبيقات التدفئة والتبريد، الأنابيب الهيكلية والبحرية
قضبان/أعمدة	قطر Ø 3–80 mm	العمل بالتبريد يزيد الصلابة ومقاومة الخضوع	O, H12, H14	مكونات مُشغّلة ومثبتات حيث القوة المعتدلة مقبولة

يؤثر شكل المنتج بشكل مباشر على القوة القابلة للتحقيق والميكروستركشر بسبب اختلافات في عمليات الدلفنة والسحب ومعدلات التبريد. يمكن للصفائح الرقيقة أن تخضع لعمليات عمل بارد مكثفة لتحقيق تمبّرات عالية بتكلفة منخفضة، في حين تعتمد الصفائح والبثوق السميكة أكثر على الدلفنة المسيطر عليها والمعالجة الحرارية-الميكانيكية للوصول إلى الخواص المطلوبة.

تشير اختلافات المعالجة إلى خيارات تطبيقية: الألواح مُحسّنة للتشكيل واللمسات السطحية، الصفائح لأجزاء تحمل الأحمال الإنشائية، البثق للقطاعات المعقدة، والقضبان/الأعمدة/الأنابيب للمكونات المُشغلة والمُصنعة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	518	الولايات المتحدة الأمريكية	سبائك الألمنيوم-المغنيسيوم المشغولة؛ غالبًا ما تُذكر في كتالوجات الموردين
EN AW	5182 (الأقرب)	أوروبا	5182 مستخدمة على نطاق واسع في أوروبا وتشابه كيميائيًا نسخ AA 518
JIS	A5182 (الأقرب)	اليابان	الممارسات اليابانية تشير غالبًا إلى 5182 لتكوينات مماثلة من الألمنيوم-المغنيسيوم
GB/T	5182 (الأقرب)	الصين	المعايير الصينية تحتوي على مكافئات في عائلة 5xxx؛ الترقيم المباشر الواحد لواحد يختلف

المكافئات المباشرة "واحد لواحد" قد تكون صعبة لأن أنظمة ترقيم السبائك تتضمن نسخًا خاصة بالعائلة والبائع؛ 518 عادة ما تنسجم مع تركيبات كيميائية مشابهة لـ 5182 في المعايير الدولية. التفاوتات الطفيفة، حدود الشوائب، والمطلوبات الخاصة بالتمبّرات يمكن أن تختلف بين المواصفات، لذا يجب على المشترين التحقق من شهادات المصنع ومتطلبات الاختبارات الميكانيكية عند استبدال الدرجات عبر المناطق.

مقاومة التآكل

توفر سبيكة 518 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام وغالبًا ما تُستخدم في التطبيقات البحرية والساحلية حيث تعرّض الكلوريدات يعتبر مصدر قلق. محتوى المغنيسيوم يمنحها سلوك جلفاني إيجابي مقارنة بالسبائك الألومنيوم الأكثر كاثودية، ولكن يُطبق عادةً الحماية السطحية وعمليات الأكسدة لتحسين الأداء طويل الأمد.

في البيئات البحرية، تُظهر 518 مقاومة جيدة لتآكل الحفر والتآكل في الشقوق بشرط السيطرة على الكلوريدات ووجود طلاءات وقائية أو أنودات تضحوية ضمن التصميم. التآكل المحلي يميل للتفاقم بسبب الشوائب، الأسطح الخشنة، أو الطلاءات المنفصلة، لذلك فإن التحكم في التشطيب السطحي والسد المناسب للمفاصل يعتبران تدابير تصميمية هامة.

يزداد القابلية لتشققات التآكل بالإجهاد (SCC) مع محتوى المغنيسيوم والإجهاد الشد المطبق عند درجات حرارة مرتفعة أو في بيئات تحتوي على كلوريدات عدوانية؛ السبائك التي تحتوي على مغنيسيوم أكثر من حوالي 5% تكون أكثر عرضة بشكل ملحوظ. بالنسبة لتركيبات درجات 518 التي تبقى ضمن نطاقات مغنيسيوم متوسطة، يمكن التحكم في SCC من خلال اختيار المواد، تصميم لتقليل الإجهادات المتبقية، ومعالجات بعد اللحام مثل إزالة الإجهاد الميكانيكي أو التكسية المناسبة عند الضرورة للخدمة الحرجة.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

تُلحَم 518 بسهولة بواسطة MIG (GMAW)، TIG (GTAW)، وعمليات المقاومة باستخدام سبائك حشو تقليدية متوافقة مع أنظمة Al-Mg. الاختيارات النموذجية لسبائك الحشو هي من سلسلة 5xxx التي تتطابق أو تتجاوز قليلاً محتوى المغنيسيوم في المعدن الأساسي لتقليل القابلية للتآكل وتليين منطقة تأثير اللحام. تليين منطقة تأثير اللحام وارد في سبائك Al-Mg بعد اللحام، لذا غالبًا ما يحدد المصممون تسهيلات ميكانيكية بعد اللحام أو يختارون تمبّرات / تركيبات حشو للتخفيف من فقدان القوة المحلية.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل لـ 518 معتدلة وعامةً مُفضلة مقارنةً بسبائك الألمنيوم الأعلى قوة؛ يُشغّل أنظف من العديد من سبائك Al-Mn لكنه أطرى من السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061. يُنصح بأدوات كربيد ذات هندسة زاوية موجبة، تثبيت قطع صلبة، وإزالة رقائق مُتحكم بها لتجنب تكوين حواف متراكمة وتشققات سطحية. يجب ضبط سرعات الأدوات على ألمنيوم (سرعات قطع عالية SFM) مع تغذية مناسبة لمنع الاهتزاز وتوليد رقائق متساوية.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل لـ 518 في تمبّر O ممتازة للسحب العميق، التشكيل بالشد، والتثني؛ أنصاف أقطار الانحناء الدنيا النموذجية تعتمد على التمبّر والسماكة وغالبًا ما تقترب من 1–1.5× السماكة في الحالات المخبوزة. العمل بالتبريد يزيد القوة ويقلل أنصاف أقطار الانحناء المسموح بها؛ يجب احتساب استرجاع الربيع في تصميم الأدوات عند العمل بتمبّرات H. يمكن للتشكيل الدافئ توسيع حدود القابلية قليلاً، لكنه نادرًا ما يكون ضروريًا إلا إذا كانت الأشكال معقدة أو مطلوب تعويض عالي لاسترجاع الربيع.

سلوك المعالجة الحرارية

تصنَّف 518 كسبائك ألمنيوم مشغولة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ تُحسّن القوة الكلية من خلال تأثيرات محلول صلب (من Mg) والتصلب الناتج عن الإجهاد بدلاً من التصلب بالترسيب. لا يوجد مسار تقوية فعال مشابه لـ T6 لزيادة القوة المستدامة، ومحاولات تطبيق المعالجة الحرارية التقليدية عادةً ما تؤدي إلى تليين بدلاً من تقوية.

تركز المعالجة الحرارية النموذجية على التخمير لاستعادة الليونة (مثلاً، التخمير عند درجات حرارة قريبة من 345–415 °C حسب شكل المنتج) وعلاجات التثبيت لتقليل الإجهادات المتبقية والتحكم في الثبات الأبعاد. عند الحاجة إلى قوة أعلى، فإن تتابعات التصلب بالعمل (الدلفنة، السحب) مع تعيينات تمبّر محكمة (تمبّرات H) هي الطريق الصناعي لتحقيق الخواص المستهدفة.

الأداء في درجات الحرارة العالية

عند درجات الحرارة المرتفعة، تتعرض 518 لفقدان تدريجي في القوة نتيجة ظواهر الاسترداد والتبلور المتجدد، مع خصائص ميكانيكية صالحة عادة لخدمات تحت درجات حرارة أقل من حوالي 100–150 °C للأجزاء الحاملة للأحمال. الأكسدة قليلة في معظم الأجواء الجوية، لكن التعرض المطول لدرجات حرارة أعلى أو في أجواء مؤكسدة تحمل كلوريدات يسرّع التغيرات الميكروهيكلية وقد يؤثر سلبًا على مقاومة التآكل.

يجب إيلاء اهتمام خاص للتجميعات الملحومة لأن منطقة تأثير اللحام قد تخضع لتليين إضافي تحت دورات حرارية، وأداء الزحف في درجات الحرارة المرتفعة محدود؛ تُوصى بتوفير تسهيلات تصميمية واختبارات للمكونات التي تتعرض لأحمال مستمرة في درجات حرارة معتدلة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 518
السيارات	ألواح الهيكل، الطلاءات الداخلية	قابلية تشكيل ممتازة في O؛ مقاومة جيدة للتآكل والصدمات عند التصلب بالإجهاد
البحرية	مكونات الكبائن، الألواح الهيكلية	مقاومة جيدة لتآكل مياه البحر وقابلية جيدة للحام للتجميعات الملحومة
الطيران	الهياكل الثانوية، الأغطية الخارجية	نسبة قوة إلى وزن جيدة وقابلية تشكيل للأجزاء غير الإنشائية الأساسية
العمارة	ألواح التكسية والأسطح	مقاومة عوامل الجو وسهولة التصنيع للأسطح النهائية الجمالية
الإلكترونيات	ألواح نشر الحرارة	موصلية حرارية مناسبة مع كثافة منخفضة للحاويات الحساسة للوزن

يُستخدم 518 حيث يلزم توازن بين القابلية للتشكيل، مقاومة التآكل، والقوة المتوسطة وحيث تكون القابلية للحام وجودة التشطيب السطحي مهمة. وتكيّفه مع أشكال ومنبّرات متعددة يجعله خيارًا عمليًا لمكونات هيكلية ومتوسطة الحجم في صناعات متعددة.

نصائح الاختيار

للمصمم الذي يقارن بين 518 والألمنيوم التجاري النقي مثل 1100، توقع أن تقدم 518 قوة أعلى بشكل ملحوظ وقدرة تحميل أفضل مقابل تضحية طفيفة في التوصيل الكهربائي والحراري. إذا كان التوصيل هو المتطلب الأساسي، يظل 1100 أو السبائك عالية النقاء مفضلة؛ اختر 518 عندما تكون متطلبات الأداء الهيكلي ومقاومة التآكل هي الأولوية.

مقارنة بالسبائك المتصلبة بالعمل مثل 3003 أو 5052، عادةً ما تكون 518 أعلى قوة بسبب محتوى المغنيسيوم المرتفع مع الحفاظ على مقاومة جيدة للتآكل؛ مع ذلك، قد تتفوق 5052 من حيث قابلية التشكيل في بعض تطبيقات السحب العميق. عند الاختيار بين 518 والسبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061/6063، يُفضل استخدام 518 إذا كان التشكيل البارد المكثف أو الأداء المقاوم للتآكل البحري متطلبًا رغم انخفاض القوة القصوى؛ أما 6061 فهي مفضلة عندما يكون مطلوبًا قوة أعلى قابلة للمعالجة الحرارية وقابلية تشغيل أفضل.

ينبغي أن تتضمن الاعتبارات الخاصة بالمشتريات توفر الموردين المحليين للدرجات والسمك المطلوبين، توافق مواد الحشو المستخدمة في اللحام، والاحتمالية بضرورة إجراء معالجات ما بعد اللحام أو ما بعد التشكيل لضمان أن المكوّن النهائي يلبي متطلبات مقاومة الإجهاد والثبات الأبعادي.

الملخص الختامي

تظل سبيكة 518 ذات أهمية لأنها تجمع بين مزايا نظم Al-Mg الجوهرية—مثل مقاومة التآكل الجيدة، وقابلية اللحام، والمرونة العالية في حالة التلدين—مع القدرة على تحقيق قوى ميكانيكية مفيدة من خلال التشغيل البارد الاقتصادي. تجعل مجموعة خصائصها المتوازنة منها خيارًا متعدد الاستخدامات لتطبيقات النقل، البحرية، والمعمارية حيث يتم طلب أداء موثوق، وسهولة في التصنيع، وتكلفة فعالة.