ألمنيوم 7010: التركيب، الخواص، دليل المعالجات، والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك الألومنيوم 7010 هي سبيكة عالية القوة من سلسلة 7xxx، وتتميز بشكل رئيسي كنظام Al-Zn-Mg-Cu. تنتمي هذه السبيكة إلى عائلة سبائك الألومنيوم القابلة للمعالجة الحرارية حيث ينتج التصلب بالترسيب (التقوية بالعمر) القوة الرئيسية، مدعومًا بعمليات حرارية ميكانيكية مناسبة للألواح والمكونات ذات القطاع السميك.

العناصر الرئيسية للسبائك هي الزنك (المساهم الأساسي في القوة)، المغنيسيوم (يشكل ترسيبات تقوية مع الزنك)، والنحاس (يزيد من القوة والصلادة لكنه قد يؤثر على مقاومة التآكل). تضاف كميات ضئيلة من الكروم، الزركونيوم أو التيتانيوم غالبًا للتحكم في بنية الحبيبات، إعادة التبلور، والمتانة في القطاعات الخشنة المستخدمة في الهياكل الجوية.

الصفات الرئيسية لـ 7010 تشمل قوة ثابتة عالية جدًا ومتانة كسر جيدة بالنسبة لسبائك الألواح من سلسلة 7xxx، ومقاومة معتدلة إلى محدودة للتآكل العام بدون طلاء، وضعف القابلية للحام بالانصهار في حالات معالجة الذروة. قابلية التشكيل محدودة في حالات التقسية العالية ولكنها معقولة في حالات المعالجة بالحل والشيخوخة الزائدة؛ وقابلية التشغيل جيدة عمومًا مقارنةً بسبائك الألمنيوم عالية القوة الأخرى.

الصناعات النموذجية التي تستخدم 7010 تشمل الهياكل الأولية والثانوية في الطيران، مكونات الدفاع، أجزاء هيكلية عالية الأداء في السيارات ورياضة المحركات، وتطبيقات صناعية متخصصة حيث تكون القوة إلى الوزن وتحمل الضرر من المتطلبات الأساسية. يفضل المهندسون 7010 على سبائك مماثلة عندما يتطلب التصميم الحفاظ على قوة القطاعات السميكة، وتحسين مقاومة تشقق الإجهاد بالتآكل مقارنة ببعض أنواع 7075، ومتانة كسر متفوقة للأجزاء الهيكلية الحرجة.

أنواع المعالجة (التمبير)

التمبير	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مخمل كامل، أقصى ليونة للتشكيل والتشغيل
T4	متوسطة (معالجة بالحل)	متوسطة إلى عالية	جيدة	ضعيفة إلى مقبولة	معالجة بالحل وشيخوخة طبيعية، جاهزة للعمل البارد
T6	عالية	منخفضة إلى متوسطة	محدودة	ضعيفة	شيخوخة صناعية للذروة لتحقيق أقصى قوة
T651	عالية (مختزلة الإجهاد)	منخفضة إلى متوسطة	محدودة	ضعيفة	T6 مع تخفيف الإجهاد بالشد لتقليل البواقي
T7x (T73/T76)	متوسطة إلى عالية (شيخوخة زائدة)	متوسطة	محسنة مقارنةً مع T6	ضعيفة	شيخوخة زائدة لتحسين مقاومة تشقق الإجهاد بالتآكل والمتانة
Hxx (مثل H111/H112)	متغيرة	متغيرة	متغيرة	متغيرة	أنواع مقواة ميكانيكيًا تستخدم لعمليات تشكيل محددة

تغيّر المعالجة الحرارية بشكل كبير أداء 7010 عبر تغيير حجم، توزيع، وتماسك ترسيبات Zn-Mg-Cu. معاملات الذروة (T6, T651) تعظم مقاومة الشد ومقاومة الخضوع على حساب الليونة، المتانة في بعض الأشكال، ومقاومة تشقق الإجهاد بالتآكل.

المعالجات الزائدة (T7x) تعمل عمدًا على تكبير الترسيبات لتقليل طفيف في القوة القصوى مقابل تحسين كبير في مقاومة تشقق الإجهاد وأداء نمو الشقوق في القطاعات السميكة. تُستخدم الحالات المعالجة والمخملية للتشكيل والتصنيع قبل عملية الشيخوخة النهائية.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة %	ملاحظات
Si	≤ 0.40	شوائب نموذجية؛ تسيطر عليها لتقليل التداخلات Fe-Si
Fe	≤ 0.50	شوائب تكوّن تداخلات صلبة تؤثر على المتانة
Cu	0.80–2.00	يزيد من القوة والصلادة؛ يزيد الحساسية لتشقق الإجهاد بالتآكل
Mn	≤ 0.05	قليل جدًا في 7010؛ زيادة Mn غير معتادة
Mg	1.8–2.8	شريك رئيسي مع Zn لتشكيل ترسيبات التصلب بالعمر
Zn	5.6–6.8	العنصر الأساسي للتقوية في سلسلة 7xxx
Cr	0.04–0.35	تعديل دقيق للتحكم في بنية الحبيبات وإعادة التبلور
Ti	≤ 0.15	منظم بنية الحبيبات في عمليات الصب أو التشغيل
العناصر الأخرى (Zr, V, Al)	باقي الكمية / أثر ضئيل	قد يضاف Zr للسيطرة على التشتت؛ Al هو العنصر المتبقي

تكوّن مجموعة Zn–Mg–Cu سلسلة ترسيب مسؤولة عن القوة العالية للسبائك 7010، حيث توفر مراحل η' وη (من نوع MgZn2) تصلبًا أثناء الشيخوخة الصناعية. يزيد النحاس القوة والصلادة القصوى لكنه يعزز القابلية للتآكل الموضعي وتشقق الإجهاد بالتآكل ما لم تُخفف باستراتيجيات التمبِير والتعديلات الدقيقة (Cr, Zr) التي تصغر حجم الحبيبات وتثبت المصفوفة.

الخواص الميكانيكية

يظهر 7010 مقاومة شد قصوى وخضوع مرتفعة جدًا في حالات التمبِير عند الذروة، مع صلابة كسر جيدة مقارنة بسبائك أخرى من سلسلة 7xxx المصممة للسمك. غالبًا ما تكون مقاومة الخضوع نسبة عالية من مقاومة الشد النهائية، مما يخلق نطاقات إجهاد ضيقة للتصميم ولكنه يتطلب تقييمات دقيقة للشقوق والحساسية لضمان الهياكل المقاومة للضرر.

الاستطالة تعتمد على التمبير والسماكة، حيث يُظهر المعدن المعالج حراريًا والمخمل ليونة أعلى من مواد T6/T651 التي عادة ما تكون منخفضة الاستطالة وتتطلب أنصاف قطر انحناء أكبر. الصلادة ترتبط ارتباطًا قويًا بحالة الشيخوخة؛ تصل أقسام الحالة الذروية لمستويات Vickers / BHN مناسبة للأجزاء الحاملة لأحمال عالية، في حين تقلل حالات الشيخوخة الزائدة الصلادة لتحسين مقاومة تشقق الإجهاد بالتآكل.

أداء التعب لسبائك 7010 جيد مقارنة بالعديد من سبائك الألمنيوم عالية القوة بشرط التحكم في جودة السطح والضغوط المتبقية والتآكل. تؤثر السماكة بشكل ملحوظ بسبب حساسية التبريد وتوزيع الترسيبات على الخط المركزي؛ تحتاج الألواح السميكة إلى تحسين التبريد والمعالجة الحرارية الميكانيكية لتقارب خصائص الصفائح الرقيقة.

الخاصة	حالة O/مخمل	التمبِير الرئيسي (مثلاً T6 / T651)	ملاحظات
مقاومة الشد	~250–320 MPa	~540–610 MPa	تتغير مناطق T6/T651 حسب نوع المنتج والسماكة
مقاومة الخضوع	~120–200 MPa	~480–560 MPa	نسب الخضوع إلى الشد تختلف؛ يتطلب تصميمًا دقيقًا لاحتياطيات البلاستيك
الاستطالة	~12–20%	~6–12%	أعلى في السماكات الرقيقة والحالات المخملية
الصلادة	~60–90 HB	~150–185 HB	تزداد الصلادة مع الشيخوخة؛ تقلل الشيخوخة الزائدة القيم

الخواص الفيزيائية

الخاصة	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.78–2.82 g/cm³	كثافة نموذجية لسبائك الألمنيوم؛ نسبة جيدة للقوة إلى الوزن
نطاق الانصهار	~475–635 °C	نطاق الصلبة-السائلة يعتمد على التركيب
الموصلة الحرارية	~110–140 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي بسبب سبائك العناصر؛ كافية لبعض تطبيقات التبريد
الموصلية الكهربائية	~30–40 %IACS	منخفضة مقارنة بسلسلة 1xxx/3xxx بسبب السبيكة
السعة الحرارية النوعية	~880–910 J/kg·K	مقارنة بغيرها من سبائك الألمنيوم
التوسع الحراري	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	نطاق نموذجي للألمنيوم؛ يتطلب التصميم لمواجهة الاختلافات الحرارية

تعكس الخواص الفيزيائية لـ 7010 تصميم السبيكة للقوة بدلاً من الموصلية، لذا فإن الموصلية الكهربائية والحرارية أقل مقارنةً بدرجات الألمنيوم ذات النقاء التجاري. وتجعله الكثافة المنخفضة مقارنة بالفولاذ والقوة الشد العالية خيارًا جذابًا حيث يكون تقليل الوزن ضروريًا.

تؤثر المعالجات الحرارية والشيخوخة على الموصلة الحرارية والتوسع قليلاً، لكن الاستقرار الأبعاد يُدار بشكل رئيسي عبر التمبير (T651 مقابل T6) ومن خلال تقليل الضغوط المتبقية بعمليات التبريد المتحكم بها وتخفيف الإجهاد.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	السلوك الخاص بالقوة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.5–6 mm	قوة عالية في السماكات الرقيقة عند قدم المعالجة الصحيحة	T6, T651, T73	تستخدم في الهياكل الثانوية؛ قابلية التشكيل محدودة في المعالجات الحرارية القصوى
صفائح	6–200+ mm	القوة تعتمد على السماكة؛ معالجة لتحسين الخصائص عبر السماكة	T6, T651, T73	تستخدم على نطاق واسع في مكونات الهياكل الجوية
بروفيلات بثق	بروفيلات بأحجام مقطع عرضي كبيرة	قوة متوسطة؛ محدودة مقارنة بالصفائح لبعض الأشكال	T6, T651	التشكيلات بالبثق ممكنة لكنها أقل شيوعًا ل7010 مقارنة بسبائك 6xxx
أنابيب	جدار من 1–50+ mm / أقطار مختلفة	سلوك المعالجة شبيه بالبروفيلات	T6, T651	تستخدم في أنابيب عالية الأداء حيث تكون القوة حرجة
قضبان/عصي	أقطار مختلفة	قابلية جيدة للتشغيل وقوة عالية في المعالجات الحرارية القصوى	T6, T651	تستخدم للتجهيزات، المثبتات والمكونات المفعلة

إنتاج الصفائح لسبائك 7010 يشمل جداول تدحرج مسبقة وجدول تبريد خاص وعادةً ما يتضمن إضافة سبائك دقيقة لمنع تليين مركز اللوح الناتج عن التبريد. معالجة الألواح/البثق تتطلب تحكم دقيق في معالجة التصلب بالحرارة والشيخوخة لتحقيق توازن بين القابلية للتشكيل والخواص النهائية.

في الخدمة، يختار المصممون شكل المنتج بناءً على سماكة المقطع ومسار الأحمال؛ عادةً ما تُعالج الصفائح السميكة بمعالجة "زيادة عمر" أو تخفيف إجهادات لتجنب التشقق بالتآكل الإجهادي (SCC) وضمان خصائص أكثر تجانساً عبر السماكة، في حين تُستخدم الألواح الرقيقة في معالجات حرارية عالية القوة مع قابلية تشكيل مقبولة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	7010	الولايات المتحدة الأمريكية	تعيين جمعية الألمنيوم المستخدم بشكل شائع في مواصفات الطيران
EN AW	7010	أوروبا	تعيين أوربي للمسبوك؛ التركيب والمعالجات متوافقة لكن حدود المواصفات قد تختلف
JIS	A7070 (تقريباً)	اليابان	قرب في التركيب ومساحات التطبيقات؛ الأرقام المحددة في JIS قد تختلف حسب شكل المنتج
GB/T	7010 (تقريباً)	الصين	المعايير الوطنية تعكس تركيبات AA لكن معالجة وتسمية المعالجات قد تختلف

جداول الدرجات المكافئة إرشادية؛ المواصفات الدقيقة وتسمية المعالجة والتسامحات المسموح بها تختلف بين المعايير وأنواع المنتجات. يجب على المستخدمين مراجعة المعيار المحدد (AA/AMS/EN/JIS/GB) ومواصفة المنتج لمعايير القبول، خاصة في مشتريات الطيران حيث التتبع وتاريخ المعالجة إلزاميان.

تنشأ اختلافات دقيقة في حدود الشوائب والعناصر المتبقية المسموح بها والفحوصات الميكانيكية المطلوبة. تؤثر هذه الاختلافات على القواعد الأساسية للخواص، خصوصًا في الصفائح السميكة حيث سلوك التبريد والشيخوخة حساس أكثر للتركيب والتاريخ الترموميكانيكي.

مقاومة التآكل

توفر 7010 مقاومة معتدلة عامة للتآكل الجوي مشابهة لسبائك الألمنيوم 7xxx عالية القوة، لكنها أكثر عرضة للتآكل الموضعي والتجاويف في بيئات عدائية مقارنة بالعديد من سبائك 5xxx أو 6xxx. بدون طلاءات واقية أو معالجات حرارية مناسبة (overaged)، تزيد معدلات التآكل في الأجواء البحرية، لا سيما عند الأسطح المجهدة أو المشغولة.

التشقق بالتآكل الإجهادي (SCC) يمثل قلقًا أساسيًا لسبائك 7010 في المعالجات الحرارية العالية بسبب الإجهادات الشدية المتبقية العالية وطبيعة الترسبات المقوية. المعالجة بإطالة العمر (T7x) والسباكة الدقيقة (Cr, Zr) من الاستراتيجيات الشائعة للحد من SCC عن طريق تجانس أو إعادة توزيع الترسبات وتقليل التدرجات الكهروكيميائية.

يجب مراعاة التفاعلات الكهروكيميائية عند تجميع 7010 مع مواد أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم، خصوصًا في وجود إلكتروليت. التغطية بألمنيوم نقي أو تطبيق طلاءات تحويلية، أنودة، أو أنظمة طلاء هي إجراءات هندسية قياسية لتحسين الأداء طويل الأمد في التطبيقات البحرية والساحلية.

مقارنةً بسبائك سلسلة 6xxx، تقدم 7010 قوة أعلى على حساب مقاومة التآكل؛ مقارنةً بـ 7075، يمكن لصفائح 7010 المعالجة جيدًا تقديم قوة مماثلة مع تحسينات في مقاومة SCC بفضل التراكيب المعدلة والمعالجة الترموميكانيكية المصممة لتحسين أداء المقاطع السميكة.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يؤدي اللحام التقليدي إلى تقليل القوة في 7010 بسبب تليين منطقة التأثير الحراري (HAZ) ويزيد من قابلية حدوث التشققات الساخنة في وصلات اللحام الانصهارية؛ لذلك يُنصح عمومًا بتجنب اللحام الانصهاري (TIG/MIG) للتطبيقات الهيكلية في المعالجات الحرارية القصوى. لحام الاحتكاك السيري (Friction stir welding) هو الطريقة المفضلة للانضمام للعديد من مكونات 7xxx لأنه يتجنب التصلب الانصهاري، يقلل من المسامية، ويمكن أن يحافظ على الخصائص الميكانيكية المرغوبة في منطقة اللحام مع المعالجة الصحيحة بعد اللحام.

يجب اختيار مواد الحشو وإجراءات اللحام بحذر عند محاولة لحام 7010؛ يمكن استخدام حشوات غير مماثلة (مثلاً عائلة 2319) للإصلاح أو الوصلات غير الحرجة، لكن يجب أن يأخذ المصممون في الاعتبار فقداناً محلياً في الخواص الميكانيكية وزيادة حساسيتها للتآكل. في العادة، معالجة التصلب بالحرارة والتشيخوخ الاصطناعي بعد اللحام تكون غير عملية للتجمعات الكبيرة، لذا تظل التثبيتات الميكانيكية شائعة.

قابلية التشغيل

تعتبر قابلية تشغيل 7010 جيدة مقارنة بالعديد من سبائك الألمنيوم عالية القوة، حيث توفر تشكيل رقائق متوقعة وتشطيب سطحي جيد عند استخدام أدوات كربيد وضبط تجهيزات صلبة. يجب تحسين سرعات القطع لطول عمر الأدوات وإدارة الحرارة؛ عادةً لا يكون الفولاذ عالي السرعة كافياً عند معدلات الإزالة العالية.

للحصول على تباينات أبعاد مقبولة في المقاطع السميكة، يجب مراعاة الإجهادات المتبقية الناتجة عن المعالجة الحرارية؛ التخفيف القبلي للإجهادات واختيار المعالجات الحرارية المناسبة للتشغيل من الممارسات الشائعة. تبريد وإخلاء الرقائق مهمان لتجنب تكوّن حواف متراكمة والحفاظ على سلامة السطح من حيث مقاومة التعب.

قابلية التشكيل

تشكيل 7010 في المعالجات الحرارية القصوى محدود؛ الارتداد الربيعي (Springback) واضح ونصف قطر الانحناء الأدنى أكبر مقارنة بسبائك 5xxx و6xxx. يتم عادة التشكيل في حالات O، T4، أو المعالجات ذات العمر الزائد (overaged) ويليها شيخوخة لاستعادة القوة إذا لزم الأمر.

يجب احترام أنصاف أقطار الثني الموصى بها في عمليات التشكيل البارد (غالبًا 3–6× السماكة في المعالجات الدكتيلية) وتجنب الثني الحاد أو السحب الشديد في T6. عند الحاجة لأشكال معقدة، يُنصح بتصميم المنتج ليتم معالجته حراريًا بعد التشكيل (التصلب والشيخوخة) أو استخدام سبائك بديلة ذات قابلية تشكيل أعلى.

سلوك المعالجة الحرارية

عادةً ما يتم معالجة التصلب (Solution treatment) لسبائك 7010 في نطاق حوالي 470–485 °C لإذابة طور Zn–Mg–Cu القابل للذوبان في مصفوفة الألمنيوم قبل التبريد السريع. التبريد السريع (عادة تبريد بالماء) مطلوب للاحتفاظ بمحلول صلب فوق المشبع؛ تؤثر معدلات التبريد وسماكة المقطع بشكل كبير على استجابة التقسية اللاحقة وخصائص مركز المقطع.

تختلف دورات التشيخوخ الاصطناعي باختلاف المعالجة المستهدفة: T6 القياسية تشمل شيخوخة عند حوالي 120–125 °C لمدد كافية لترسيب الطور الأيْتياتي η' الذي يحقق أعلى قوة، في حين يستخدم T7x المعالجة بوقت أو درجة حرارة أعلى لترسيب طور η المستقر الذي يحسن مقاومة SCC والصلادة. تشير T651 إلى T6 تليها عملية شد خاضعة للتحكم لتخفيف الإجهادات المتبقية.

بالنسبة للسبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية، يكون التقسية الرئيسية من خلال التقسية الباردة (العمل الميكانيكي)، ولكن بما أن 7010 قابلة للمعالجة الحرارية، فإن طرق التلدين والمعالجة التصلبية تعد الوسائل الرئيسية للتصنيع. يجب على مهندسي التصميم والعمليات تحديد دقيق لدرجات الحرارة، أوقات الثبات، وسائل التبريد، ودورات التشيخوخ لتحقيق الخواص المطلوبة، لا سيما للصفائح السميكة حيث تؤثر حساسية التبريد.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تفقد 7010 جزءًا كبيرًا من قوتها عند ارتفاع درجة حرارة الخدمة فوق 100–120 °C تقريبًا بسبب تآكل الترسبات وتقليل طور التقسية المتماسك. حدود التصميم لخدمة درجات حرارة مرتفعة مستمرة تكون محافظة؛ يمكن التحمل لفترات قصيرة عند درجات حرارة أعلى لكنها تغير حالة المعالجة و القوة المتبقية.

مقاومة التأكسد نموذجية لسبائك الألمنيوم؛ يتشكل أكسيد ألمنيوم مستقر يحمي المادة من تأكسد سريع. قد تتعرض مناطق التأثير الحراري في الأجزاء الملحومة أو التي تعرضت لتناوب حراري لتغييرات دقيقة تقلل الخواص الميكانيكية وتزيد من قابلية التآكل، لذا يجب التحكم بالتعرض الحراري أثناء التصنيع والخدمة.

التطبيقات

الصناعة	مكون المثال	سبب استخدام 7010
الفضاء الجوي	وصلات الأجنحة والهيكل، أربطة الأضلاع، هياكل الألواح السميكة	قوة عالية بالنسبة للوزن، متانة جيدة ضد الكسر، أداء محسّن للسماكة
الدفاع	مكونات الدروع، هياكل الصواريخ	مقاومة ساكنة عالية وتحمل ضرر ممتاز
السيارات / رياضة السيارات	وصلات التعليق عالية الإجهاد، تعزيزات الهيكل	قوة استثنائية لأجزاء تعتمد على الوزن
البحرية	عناصر هيكلية عالية القوة، الأُطُر	عند زيادة العمر أو التكسية، توفر مقاومة أفضل لتآكل التشقق الناتج عن الإجهاد مقارنة ببعض سبائك 7xxx
الصناعية	محاور عالية الحمولة، ألواح الأدوات	ثبات أبعادي وقابلية تشغيل جيدة في درجات T6/T651

يتم اختيار 7010 للمكونات التي تضع أولوية على قوة ساكنة عالية، أداء مناسب للسماكة، ومتانة ضد الكسر. الأجزاء التي تتطلب لحاماً تعتبر أقل ملائمة إلا إذا استخدمت طرق ربط بديلة، لذلك تفضل العديد من التطبيقات التثبيت الميكانيكي أو اللحام بالاحتكاك الحراري.

نصائح الاختيار

7010 هي سبيكة متخصصة تُختار عندما تكون القوة العالية وتحمل الضرر في القطاعات المتوسطة إلى السميكة من الأولويات. للمصممين الذين يحتاجون لأعلى قوة ممكنة في العناصر الهيكلية الحاملة للحمولة غير الملحومة - خاصة في مجالات الفضاء الجوي والدفاع - غالبًا ما يكون 7010 الخيار الأول بسبب تركيباته الكيميائية المتخصصة وخيارات التهيئة الحرارية.

مقارنة بالألمنيوم النقي تجارياً (1100)، يتنازل 7010 عن التوصيل الكهربائي والحراري وقابلية التشكيل لصالح مقاومات شد وخضوع أعلى بشكل كبير. مقارنة بالسبائك المعالجة ميكانيكياً مثل 3003 أو 5052، يوفر 7010 قوة أعلى بشكل ملحوظ لكنه يقلل من قابلية التشكيل ويزيد من الحساسية لتآكل التشقق الناتج عن الإجهاد في درجات النضج الأقصى.

مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، يقدم 7010 عادةً قوة ذروة أعلى ومتانة أفضل ضد الكسر في القطاعات السميكة، مع تكلفة مادة أعلى وقابلية لحام أقل. اختر 7010 عندما تكون نسبة القوة إلى الوزن وسلامة القطاعات السميكة أهم من سهولة اللحام، وسعة التشكيل الواسعة، ومقاومة التآكل القصوى.

الخلاصة النهائية

7010