ألمنيوم 7015: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 7015 هي عضو في سلسلة سبائك الألمنيوم 7xxx، وهي عائلة تهيمن عليها الزنك كعنصر رئيسي للسبائك وعادةً ما تضاف إليها المغنيسيوم والنحاس لتقوية البلورات بالتسريب. كبصلة قابلة للمعالجة الحرارية وتقوية البلورات بالتسريب، تستخدم 7015 نظام Zn-Mg-Cu لتحقيق قوة عالية من خلال المعالجة بالحل الحراري، والتبريد السريع، والتقسية الصناعية بدلاً من العمل البارد.

تشمل السمات الرئيسية لـ 7015 قوة شد ومقاومة خضوع عالية، وخصائص إجهاد جيدة إلى متوسطة عند المعالجة والفحص الصحيح، ومقاومة تآكل قابلة للاستخدام يمكن تحسينها بالتقسية الزائدة أو التغطية. السبائك أقل قابلية للحام من معظم سبائك 5xxx و6xxx وتتطلب تحكمًا حراريًا وميكانيكيًا دقيقًا أثناء التصنيع؛ الشكلية جيدة في الحالات المعالجة حراريًا O وبعض ظروف H، لكنها تنخفض بشكل ملحوظ في ظروف التقسية القصوى.

يُستخدم 7015 في مكونات الهياكل الجوية، المثبتات عالية القوة، والتطبيقات التي يُفضل فيها نسبة القوة إلى الوزن على مقاومة التآكل الخام أو التوصيل الأقصى. يختار المهندسون 7015 عندما تكون هناك حاجة إلى قوة نوعية أعلى من 6061/6063 وعندما تفيد الحياة التصميمية والصلابة من طريقة المعالجة الحرارية بالحل والتقسية بدلاً من العمل البارد.

أنواع المعالجات الحرارية (Temper)

المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية (18–30%)	ممتازة	ممتازة	مطاوع بالكامل، الأفضل للتشكيل والتشغيل
F	منخفضة إلى منخفضة جدًا	عالية	ممتازة	جيدة	كما هو مصنّع، بدون معالجة حرارية محكمة
H12	متوسطة	منخفضة إلى متوسطة (6–10%)	متوسطة	محدودة	تقسية بالشد الجزئي، قابلية ثني محدودة
H14	متوسطة	منخفضة (6–8%)	متوسطة	محدودة	تقوية خفيفة بالشد لزيادة القوة بشكل متوسط
H114	متوسطة	متوسطة (8–12%)	جيدة	محدودة	معالجة حرارية مستقرة لتحسين مقاومة التكسير بالتآكل الإجهادي (SCC)
T6	عالية	منخفضة إلى متوسطة (6–10%)	ضعيفة إلى متوسطة	صعبة	تقسية قصوى لأقصى قوة، عرضة للتكسير بالتآكل الإجهادي
T651	عالية	منخفضة إلى متوسطة (6–10%)	ضعيفة إلى متوسطة	صعبة	معالجة بالحل، مريحة من الإجهاد بواسطة الشد، شائعة في صناعة الطيران
T73	متوسطة إلى عالية	متوسطة (8–12%)	متوسطة	متوسطة	تقسية زائدة لتحسين مقاومة التآكل والتكسير بالتآكل الإجهادي
T76 / T77	متوسطة	متوسطة (8–13%)	متوسطة	متوسطة	تقسية معدلة لتحسين متانة الكسر أو سلوك التكسير بالتآكل الإجهادي

اختيار المعالجة الحرارية يؤثر بشكل كبير على الأداء النهائي: تمنح معالجات T6/T651 أقصى قوة على حساب اللدونة والقابلية للتكسير بالتآكل الإجهادي، بينما تعطي المعالجات ذات التقسية الزائدة (T73/T76) بعض التنازل عن أقصى قوة لتحسين مقاومة التآكل والتكسير. يسمح العمل البارد (معالجات H) بقوة متوسطة بدون معالجة حرارية كامله لكنه يقلل من قابلية التشكيل وقد يترك خصائص متغايرة عبر السماكة.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	≤ 0.40	شائبة؛ يتم التحكم بها للحد من تكون المراحل في الصب وعلى حدود الحبوب
Fe	≤ 0.50	مضبوط لتقليل المركبات البينية التي تقلل المتانة
Cu	1.0–2.0	يساهم في القوة وسرعة التقسية؛ يزيد من حساسية التكسير بالتآكل الإجهادي
Mn	≤ 0.10	كمية ثانوية؛ قد تؤثر على بنية الحبوب وتحسن المتانة قليلاً
Mg	1.6–2.6	عنصر تقوية رئيسي مع Zn من خلال ترسيبات MgZn2
Zn	5.0–6.8	العنصر الأساسي للتقوية؛ يتحكم بقوة التقسية القصوى
Cr	0.05–0.25	عنصر سبائكي دقيق للتحكم في بنية الحبوب وإعادة التبلور
Ti	≤ 0.10	مكرر الحبوب في المنتجات المسبوكة/المسحوبة
عناصر أخرى (Zr, V, كميات ضئيلة)	≤ 0.20 مجتمعة	إضافات دقيقة للتحكم في إعادة التبلور وتحسين العمر التعبّي

يرتبط أداء 7015 بالتوازن النسبي بين Zn وMg وCu، مما يحدد حجم وتركيب وترابط ترسيبات التقوية بعد التقسية. تعمل الإضافات الطفيفة مثل Cr وZr وTi على التحكم في إعادة التبلور وحجم الحبوب أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية، محسنّة المتانة ومقللة الميل للتقشير أو تآكل بين الحبيبات.

الخصائص الميكانيكية

في سلوك الشد، تظهر 7015 في حالة التقسية القصوى (T6/T651) قوة شد وقوة خضوع عالية مماثلة لسبائك 7xxx عالية القوة الأخرى، مع استجابة مرنة خطية نسبياً حتى الخضوع واستطالة محدودة قبل التدفق البلاستيكي. تُظهر الحالة المطاوة (O) قوة أقل بكثير لكن مرونة أعلى بكثير، مما يجعلها مناسبة للتشكيل البارد أو السحب العميق قبل المعالجة النهائية.

تتبع الصلادة نفس اتجاه خصائص الشد، حيث تزداد قيم صلادة برينل أو فيكرز بشكل حاد بعد التقسية وتبلغ ذروتها في حالة T6؛ يجب تفسير بيانات الصلادة بالتزامن مع نوع المعالجة الحرارية، السمك، وجدول المعالجة المحدد. يُعد سلوك الإجهاد التعبّي جيداً بشكل عام بالنسبة للألمنيوم عالي القوة إذا تم التحكم في جودة السطح وتقليل التآكل؛ ومع ذلك، تتدهور مقاومة الإجهاد التعبّي ومتانة الكسر بزيادة القوة وبوجود حفر التآكل الإجهادي أو الشوائب المعدنية البينية.

يؤثر السمك تأثيرًا كبيرًا على الخصائص الممكن تحقيقها لأن فعالية الحل الحراري والتبريد السريع تنخفض مع زيادة سماكة اللوح؛ حيث يصعب تبريد المقاطع السميكة بشكل منتظم وقد تظهر قوتا الخضوع والشد أقل نتيجة لذلك. كما تؤثر الإجهادات المتبقية الناتجة عن التبريد السريع والتمديد اللاحق أو تخفيف الشد (T651) على ثبات الأبعاد وعمر التعب في التطبيقات الهيكلية.

الخاصية	حالة O / مطاوع	الحالة الرئيسية (مثلاً T6/T651)	ملاحظات
قوة الشد	230–320 MPa (نموذجي)	520–570 MPa (نموذجي)	تتغير القيم مع السماكة والتقسية؛ T6 يعطي أقصى قوة
قوة الخضوع	110–200 MPa (نموذجي)	470–520 MPa (نموذجي)	يزداد الخضوع بشكل ملحوظ بعد الحل والتقسية
الاستطالة	18–30%	6–10%	تقل الاستطالة مع زيادة القوة؛ وتعتمد على النوع والسماكة
الصلادة	60–90 HB	140–160 HB	مدى تقريبي لبرينل، معتمد على المعالجة الحرارية والتركيب الدقيق

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	≈ 2.80 g/cm³	أعلى قليلاً من الألمنيوم النقي بسبب عناصر السبائك
مدى الانصهار	≈ 475–635 °C	تتغير قيمة الصلبة والسائلة حسب التركيب والشوائب
التوصيل الحراري	≈ 120–140 W/(m·K)	أقل من الألمنيوم النقي؛ يعتمد على المعالجة وشدة العمل البارد
التوصيل الكهربائي	≈ 30–40 %IACS	منخفض مقارنة بالألمنيوم النقي بسبب السبائكية؛ يتغير مع نوع المعالجة
السعة الحرارية النوعية	≈ 880–910 J/(kg·K)	قيم نموذجية لسبائك الألمنيوم قرب درجة حرارة الغرفة
التوسع الحراري	≈ 23–25 µm/(m·K)	مماثل لبقية سبائك الألمنيوم؛ مهم لتصميم تحمل التمدد الحراري

تشدد هذه الخصائص الفيزيائية التنازلات في إدارة الحرارة واللحام: تظل التوصيلية الحرارية كافية للعديد من أدوار تبديد الحرارة لكنها أقل من الألمنيوم النقي وبعض سبائك 6xxx. تقلل السبائكية من التوصيل الكهربائي ويجب أخذ ذلك في الاعتبار عند اختيار 7015 للتطبيقات الكهربائية أو حيث تكون مقاومة الاتصال مهمة.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المقاومة الميكانيكية	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.5–6 mm	مقاومة موحدة عبر السماكة حتى السماكات المتوسطة	O, H1x, T6, T73	شائع للألواح الخفيفة وواجهات الطائرات؛ قابلية السحب العميق محدودة في الحالة T6
لوح صلب	6–200+ mm	المقاومة قد تنخفض مع زيادة السماكة بسبب حدود التبريد	O, T6, T651, T73	الألواح السميكة تتطلب تبريدًا محكمًا وغالبًا المعالجة T73 لأجزاء حساسة للتآكل
بثق	سماكة الجدار متغيرة	خصائص اتجاهية؛ القوة تعتمد على المعالجة الحرارية	O, T6, T651	تصاميم معقدة ممكنة لكن الحساسية للتبريد تحد من القطاعات العرضية الكبيرة جدًا
أنبوب	سمك الجدار 0.5–20 mm	قوة طولية جيدة؛ الأطراف والتوصيلات تتطلب معالجة حرارية دقيقة	O, T6	يستخدم لأنابيب هيكلية عالية القوة بعد المعالجة الحرارية المناسبة
قضيب / عود	قطر 6–200 mm	متجانس إذا تم المعالجة وحل المعالجة بشكل صحيح	O, T6, T651	يستخدم في التركيبات، المثبتات، والمكونات الماكينة

الاختلافات في المعالجة تؤثر بشكل كبير على الخصائص النهائية: الألواح والبثوق الرقيقة أسهل في التبريد والشيخوخة لتحقيق المقاومة القصوى، بينما الألواح السميكة والقطع الكبيرة غالبًا ما تتطلب مصارف حرارية خاصة أو معالجة حرارية زائدة لضمان الاستقرار الأبعاد ومقاومة التآكل. تتفاوت التطبيقات حسب شكل المنتج: البثق للأشكال المعقدة، الألواح للمكونات الهيكلية، والقضبان للأجزاء الماكينة عالية القوة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	7015	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية جمعية الألومنيوم الأمريكية الشائعة في مواصفات الطيران
EN AW	7015	أوروبا	تسمية المعيار الأوروبي often مرتبطة بنتائج معالجة حرارية معينة
JIS	A7015 (تقريبًا)	اليابان	المعايير اليابانية قد تشير إلى سبائك Zn-Mg-Cu مماثلة برموز معالجة حرارية محلية
GB/T	7015 (تقريبًا)	الصين	يوجد مكافئات بالمواصفات الصينية لكن التركيبات الكيميائية والتحملات تختلف حسب المصنع

الاختلافات الطفيفة بين المواصفات الإقليمية عادةً ما تتعلق بمستويات الشوائب المسموح بها، النطاقات الدقيقة لـ Zn/Mg/Cu والإضافات الدقيقة المسموح بها (Zr/Cr/Ti)، بالإضافة إلى حدود الخواص الميكانيكية عند سماكات معينة. عند استبدال درجة من منطقة أخرى، يجب على المهندسين مقارنة الجداول الكيميائية والميكانيكية التفصيلية، طرق المعالجة الحرارية ومتطلبات الشهادات بدلاً من الاعتماد فقط على التسمية.

مقاومة التآكل

مقاومة التآكل الجوي لـ 7015 متوسطة؛ في البيئات اللطيفة يؤدّي السبائك أداءً مقبولاً، لكن في الغازات المحتوية على الكلوريدات أو الأجواء البحرية يكون أكثر عرضة لتآكل الحُفر والتآكل بين الحبيبات مقارنة بمعظم سبائك سلسلتي 5xxx و6xxx. تدابير الحماية مثل الأكسدة الكهربائية، طلاء الألومنيوم النقي، طلاءات تحويل الكرومات، أو استخدام معالجات حرارية زائدة (T73/T76) تحسّن بشكل ملحوظ متانة السطح.

تآكل الشقوق الناتج عن الإجهاد (SCC) هو اعتبار حاسم للدرجة 7015 في الاستخدامات المشددة والملوثة عند المعالجات T6/T651 ذروة المعالجة، لأن الجمع بين القوة العالية وظروف ترسيب الحبيبات يعزز بدء التآكل. المعالجات الزائدة والمعالجات الحرارية الميكانيكية المسيطر عليها تخفف من القابلية لـ SCC عبر تكبير أو إعادة توزيع الرواسب وتقليل الإجهادات الداخلية.

التفاعلات الكهروكيميائية (الجلفانية) شائعة في سبائك الألومنيوم: 7015 يكون أنوديًا مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ وبعض سبائك النحاس، لذلك يُنصح بالعزل أو الحماية التضحية في التجميعات المختلطة المعادن. بالمقارنة مع سبائك 5xxx المعالجة بالتشغل (مثل 5052)، 7015 يقدم قوة أعلى لكن أداء تآكل أسوأ عادةً إلا مع الحماية أو المعالجة الزائدة المناسبة.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

اللحام في 7015 تحدي بسبب المحتوى العالي من الزنك والمغنيسيوم وطبيعة تقسية الترسيب؛ اللحام بالانصهار (TIG/MIG) غالبًا ما يسبب فقدان حالة المعالجة في منطقة التأثير الحراري (HAZ) ومنطقة رخوة تقلل القوة بشكل ملحوظ. الممارسات الموصى بها تشمل استخدام إضافات ملحمية متوافقة كيميائيًا، تطبيق معالجة حرارية بعد اللحام إذا أمكن، أو تفضيل الربط الميكانيكي واللاصق للأجزاء الحرجة. خطر التشقق الحراري والتجويف مرتفع في القطع السميكة وعند التلوث أو إدخال حرارة غير مناسبة.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل في الحالة المخبوزة (Annealed) جيدة إلى جيدة جدًا، مع تكوين شريحة مستقر وقوى قطع مناسبة؛ في حالات شديدة المعالجة T6 تتدهور القابلية وتزداد استهلاك الأدوات. يُوصى بأدوات كاربايد وتركيبات صلبة مع سرعات قطع متوسطة إلى عالية للتشطيب وسرعات أقل للإزالة الثقيلة للمادة. يجب تصنيع التشطيبات السطحية وميزات مقاومة التعب بحالات معالجة حرارية محكومة لتجنب تلف متبقي.

قابلية التشكيل

التشكيل أسهل في حالات O وبعض H1x حيث اللدونة عالية وأقطار الانحناءات يمكن أن تكون صغيرة؛ أما في حالات T6 ذات المعالجة الذروة فتكون قابلية التشكيل ضعيفة وارتداد الزنبرك ملحوظ. نصف أقطار الانحناء الموصى بها في حالة T6 تتراوح بين 2–4 مرات السماكة للانحناءات البسيطة، مع إمكانية استخدام أنصاف أقطار أصغر في حالات O أو H14؛ يستخدم التشكيل الدافئ أو دورات المعالجة الحرارية (حل ومعالجة) لتشكيل الأشكال المعقدة قبل الشيخوخة النهائية. يجب على المصممين تخطيط التشكيل قبل المعالجة الحرارية النهائية أو استخدام معالجات تثبيت ما بعد التشكيل للسيطرة على التشوهات.

سلوك المعالجة الحرارية

7015 هو سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية الكلاسيكية تستجيب بقوة لمعاملة الحل الحراري تليها تبريد سريع وشيخوخة صناعية. تتراوح درجات حرارة المعالجة الحلولية عادةً بين 470–480 °C لإذابة العناصر الأساسية في مصفوفة مشبعة؛ ويتطلب تبريد سريع (تبريد مائي) للحفاظ على محلول صلب مشبع.

تختلف جداول التقدّم الصناعي حسب الخصائص المطلوبة: T6 يستخدم شيخوخة عند درجات حرارة منخفضة (120–145 °C) لعدة ساعات لتحقيق أقصى قوة، بينما T73/T76 تستخدم درجات حرارة أعلى أو أوقات أطول لتكبير الترسيبات وتحسين مقاومة التآكل والتآكل الناتج عن الإجهاد. الانتقال بين الحالات يتطلب تبريدًا محكمًا، وربما تقويمًا/تمديدًا (T651)، وسيطرة دقيقة على العملية لضمان تكرار الخواص الميكانيكية.

للمناسبة، السلوك غير القابل للمعالجة الحرارية محدود لأن 7015 مصممة أساسًا للمعالجة بالترسيب؛ يمكن للتصلب الناتج عن التشغيل أن يزيد القوة بشكل معتدل لكنه لا يعادل فوائد المعالجة الحلولية والشيخوخة. التليين (O) يلغي تجانس المادة بالكامل ويستخدم للتشكيل أو التشغيل قبل المعالجة النهائية.

الأداء في درجات الحرارة العالية

عند درجات الحرارة المرتفعة يظهر 7015 انخفاضًا ملحوظًا في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد، حيث يكون الأداء الهيكلي المفيد عادة محدودًا لدرجات حرارة أقل من حوالي 120–150 °C. مقاومة الزحف محدودة مقارنة بالسبائك الخاصة بالحرارة العالية؛ التحميل المستمر عند درجات حرارة مرتفعة يسرّع الشيخوخة الزائدة وتكبير الترسيبات، مما يقلل القوة وعمر التعب.

تأكسد الألومنيوم في هذه الظروف عادة ما يكون محدودًا ذاتيًا بسبب تكوين طبقة أكسيد حماية، لكن البيئات شديدة الحرارة والكيماوية أو المحتوية على الكلوريدات يمكن أن تسرّع تآكل المادة الأساسية والطبقات الواقية. منطقة تأثير الحرارة في الأجزاء الملحومة تكون معرضة بشكل خاص لفقدان القوة وتغيرات الميكروهيكل عند التعرض الحراري اللاحق.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 7015
الطيران والفضاء	وصلات الهيكل وجناح الطائرات، المصنوعات الخَترية الهيكلية	قوة نوعية عالية وأداء تعب ممتاز بعد المعالجة الحرارية الملائمة
البحرية	عناصر هيكلية عالية القوة، ملحقات	تحمل جيد للأضرار عند المعالجة الزائدة والطلاء؛ فوائد قوة إلى وزن
الدفاع	مكونات الدروع، قواعد الأسلحة	قوة عالية وصلابة مع كثافة منخفضة نسبياً
السيارات	مكونات هيكلية عالية الأداء	يوفر تقليل الوزن حيث القوة أمر حاسم والتصنيع منخفض الحجم ممكن
الإلكترونيات	إطارات هيكلية، مبردات حرارة (محدودة)	موصلية حرارية مناسبة وصلابة مفيدة في التجميعات المدمجة

يتم اختيار 7015 عندما يحتاج المصممون إلى سبيكة تجمع بين القوة النوعية بدرجة طيران وأداء تعب مقبول مع إمكانية تعديل خصائصها بالشيخوخة لتحقيق قوة أو مقاومة تآكل. تعقيد تصنيعه وتكلفته عادة يقتصر استخدامه على التطبيقات التي تبرر تلك الخصائص السيطرة تصنيعًا مشددة.

نصائح اختيار

اختر 7015 عندما تكون نسبة القوة إلى الوزن العالية والأداء المتحكم فيه للتعب أهم من سهولة اللحام أو أقصى مقاومة للتآكل. هي مناسبة للأجزاء الهيكلية عالية الأداء في الطيران حيث يمكن تطبيق المعالجة الحرارية الميكانيكية والمعالجة بعد اللحام.

بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجاريًا (مثل 1100)، يتنازل سبائك 7015 عن الموصلية وقابلية التشكيل لصالح قوة وصلابة أعلى بكثير، مما يجعله غير مناسب حيث تكون الموصلية الكهربائية أو التشكيل المفرط من المتطلبات الأساسية. بالمقارنة مع السبائك المعالجة بالتصلب مثل 3003 أو 5052، يوفر 7015 قوة أعلى بكثير لكنه عمومًا أقل قابلية للتشكيل في درجات التصلب القصوى ويتطلب التحكم في عملية التعتيق؛ كما أنه يميل إلى أن يكون أكثر حساسية للتآكل الناتج عن الكلوريد. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، يقدم 7015 قوة وصلابة ذروية أعلى، لكنه غالبًا ما يكون بتكلفة أعلى، وقابلية لحام أقل، وخطر أكبر للإجهاد التآكلي التصدعي؛ يُختار 7015 عندما تكون تلك الحدود الإضافية من القوة وخصائص الإجهاد الحي حاسمة رغم التنازلات.

الملخص الختامي

لا يزال سبيكة 7015 حلاً ذا قوة عالية مناسبًا حيث تكون القوة النوعية الخاصة بدرجة الطيران وأداء الإجهاد الحي مطلوبين، وحيث يمكن لطرق التصنيع التحكم في المعالجة الحرارية والحماية السطحية. تسمح كيمياء السبائك ومرونة درجات التصلب للمهندسين بضبط القوة مقابل مقاومة التآكل، مما يجعلها مادة متخصصة للتطبيقات الإنشائية المتطلبة.