ألمنيوم 7039: التركيب الكيميائي، الخصائص، دليل التصلب، والتطبيقات

نظرة شاملة

تنتمي سبيكة 7039 إلى سلسلة 7xxx من سبائك الألومنيوم، وهي عائلة تتميز باحتوائها على الزنك كعنصر رئيسي للسباكة وغالبًا ما يتم سبيكتها مع المغنيسيوم وكميات ضئيلة من النحاس. هي سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية وتقسية الترسيب، صممت لتوفير قوة نوعية عالية ومتانة معقولة مع الحفاظ على مزايا الكثافة التي يتمتع بها الألومنيوم.

العناصر الرئيسية للسباكة تشمل عادة Zn، Mg، وإضافات معتدلة من Cu، مع كميات صغيرة من Cr، Mn أو Ti للتحكم في حجم الحبوب والحد من إعادة التبلور. يتم تحقيق التقوية بشكل رئيسي عبر المعالجة المذابية والتبريد السريع والشيخوخة الصناعية المُتحكم بها لتكوين ترسيبات دقيقة من Zn-Mg (وZn-Mg-Cu عند وجودها) تعيق حركة الانزلاقات.

الصفات الرئيسية لـ 7039 هي النسبة العالية بين القوة للوزن، مقاومة جيدة للإجهاد المتكرر لسبائك عالية القوة، ومقاومة مقبولة للتآكل عند معالجتها حراريًا وحمايتها السطحية بشكل صحيح. قابلية التشكيل واللحام متوسطة: يمكن تشكيل السبيكة في درجات حرارة أنعم ولحامها مع اتخاذ احتياطات، ولكن زيادة الشيخوخة وتليين منطقة التأثر بالحرارة (HAZ) يعدان من التضحيات مقارنة بسبائك عائلة 5xxx أو 3xxx الأنعم.

تشمل الصناعات النموذجية القطع المسبوكة للطيران والوصلات، المكونات الهيكلية عالية الأداء في السيارات والرياضات الميكانيكية، والأجهزة البحرية والدفاعية الخاصة حيث يتطلب توازن بين القوة، تحمل الضرر وقابلية القطع. يختار المهندسون 7039 عندما تكون هناك حاجة إلى قوة أعلى من سبائك 6xxx دون التوجه إلى عائلة 7075 شديدة القوة وتكلفتها العالية جدًا، أو عندما يكون هناك طلب على توازن خاص بين مقاومة التعب والمتانة الموضعية.

درجات المعالجة الحرارية

درجة المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع	ممتاز	ممتاز	حالة مُخمّدة بالكامل للتشكيل وتخفيف الإجهاد
H14	متوسط-منخفض	منخفض-متوسط	مقبول	جيد	مقوى بالتشكيل ومستقر جزئيًا لقوة متوسطة
T4	متوسط	متوسط	جيد	جيد	معالجة حرارية مذابية وشيخوخة طبيعية لقوة جزئية
T5	متوسط-عالي	متوسط	مقبول	مقبول	مبرد من درجة حرارة مرتفعة وشيخوخة صناعية
T6	مرتفع	منخفض-متوسط	محدود	مقبول-ضعيف	معالجة حرارية مذابية وشيخوخة صناعية للقوة القصوى
T62	مرتفع (مُفرط الشيخوخة)	محسّن	محسّن	أفضل من T6	شيخوخة صناعية إلى حالة شيخوخة مفرطة خفيفة لتحسين مقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد (SCC)
T651	مرتفع	منخفض-متوسط	محدود	مقبول-ضعيف	T6 مع تخفيف للإجهاد عن طريق الشد؛ شائع للألواح والبروفيلات

اختيار درجة المعالجة يحدد بشكل كبير التوازن بين القوة وقابلية التشكيل في 7039. تستخدم الدرجات الأطرى مثل O أو T4 للتشكيل المعقد تليها عمليات شيخوخة، في حين تعطي درجات T6/T651 أقصى قوة ساكنة على حساب الاستطالة وقابلية التشكيل.

تؤثر الدرجة أيضًا على الحساسية للتشققات الناتجة عن الإجهاد والتليين في منطقة التأثر بالحرارة أثناء اللحام؛ غالبًا ما يختار المصممون درجات الشيخوخة المفرطة قليلًا (T62) أو شيخوخة ما بعد اللحام المتحكم بها لتضحية بالصلابة القصوى مقابل مقاومة أفضل للظروف العدوانية.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	≤ 0.50	مكون شوائب نموذجي؛ فرط السيليكون يقلل المتانة
Fe	≤ 0.50	شائبة؛ يشكل مركبات بينية تؤثر على بدء التعب
Mn	0.05–0.40	تحكم في بنية الحبوب وتحسين المتانة عند مستويات منخفضة
Mg	1.0–2.0	عنصر رئيسي في تكوين الترسيبات مع Zn للتقوية
Cu	0.1–1.2	يزيد من القوة وسرعة التقسية؛ قد يقلل مقاومة التآكل
Zn	3.5–5.5	العنصر الرئيسي للتقوية في سلسلة 7xxx
Cr	0.02–0.25	يضبط إعادة التبلور ويحسن مقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد
Ti	0.05–0.20	يعمل على تنقيح الحبوب في الصب/البثق
عناصر أخرى (بما في ذلك التوازن من Al)	التوازن	عناصر أثرية تُحكم لضمان الأداء الميكانيكي ومقاومة التآكل

نسبة Zn-Mg والإضافات الطفيفة من Cu تحدد كيمياء الترسيبات وبالتالي الحد الأقصى للصلادة واستجابة الشيخوخة. يستخدم الكروم والمنغنيز لربط حدود الحبوب والحد من نمو الحبوب الزائد خلال المعالجة المذابية والمعالجة الحرارية الميكانيكية.

تشكل الشوائب مثل Fe وSi جسيمات بينية صلبة نسبياً؛ يتم التحكم في مستوياتها لموازنة سهولة التشغيل وأداء التعب. بشكل عام، المواقع النسبية أعلاه تمثل النطاق النموذجي وقد تختلف بين الموردين والمواصفات.

الخصائص الميكانيكية

في السلوك الشددي، يظهر 7039 زيادة ملحوظة في القوة بعد المعالجة المذابية والشيخوخة الصناعية، مع تراجع في الليونة مقارنة بالحالة المخمدة. درجات الشيخوخة القصوى (T6/T651) تظهر عادة مقاومة انخلاع وقوة شد نهائية عالية مع استطالة معتدلة؛ والدراجات الأطرى توفر الليونة المطلوبة لعمليات التشكيل.

تتفاوت مقاومة الخضوع بشدة بحسب درجة المعالجة والسمك بسبب اختلاف فاعلية التبريد والتشغيل البارد. أداء التعب عمومًا جيد لسبائك الألومنيوم عالية القوة، وخاصة عند استخدام تقنيات التنشيط السطحي أو تخفيف الإجهاد؛ مع ذلك، يكون بدء تشقق التعب حساسًا للجودة السطحية وتوزيع الجسيمات البينية.

ترتبط الصلادة بدرجة المعالجة والشيخوخة: السبائك المخمدة ناعمة نسبيًا وسهلة التشغيل والتشكيل، بينما درجات T6/T651 تصل إلى قيم صلادة بريميل أو روكويل أعلى بكثير. تظهر تأثيرات السمك؛ الأجزاء السميكة قد يصعب تبريدها بالتساوي مما يقلل من أقصى قوة يمكن تحقيقها مقارنة بالصفائح الرقيقة.

الخاصية	حالة O/مخمّدة	درجة رئيسية (T6/T651)	ملاحظات
قوة الشد	~230 MPa (نموذجي)	480–540 MPa	تتغير قوة الشد مع السمك وجدول الشيخوخة
قوة الخضوع	~130 MPa (نموذجي)	430–500 MPa	تزداد قوة الخضوع بشكل كبير مع تقسية الترسيب
الاستطالة	18–25%	6–12%	تنخفض الاستطالة مع زيادة القوة؛ وتعتمد على المعالجة
الصلادة	60–75 HB	140–170 HB	تزداد صلادة بريميل بشكل ملحوظ في درجات الذروة

القيم المعروضة تمثل النطاقات النموذجية وتعتمد على شكل المنتج المحدد، السمك، ومعالجة المورد.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.79 g/cm³	أعلى قليلاً من الألومنيوم النقي بسبب محتوى الزنك
نطاق الانصهار	~480–640 °C	نطاقات السائل والصلب تعتمد على السبيكة؛ استخدم درجات حرارة تدخين محافظة
الموصلية الحرارية	~140 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنها ما تزال جيدة لتبديد الحرارة
الموصلية الكهربائية	~30–40 %IACS	مخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبيكة؛ تختلف مع الدرجة
السعة الحرارية النوعية	~875 J/kg·K	معتادة لسبائك الألومنيوم عند درجات حرارة الغرفة
المعامل الحراري للتوسع	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	مماثل لسبائك Al-Zn-Mg الأخرى؛ يجب مراعاته في التجميعات المركبة

يحتفظ 7039 بموصلية حرارية عالية مقارنة بالصلب، وهذا مفيد للمكونات المصدرة للحرارة. كما يستمر في توفير ميزة الكثافة المنخفضة مما يعزز الصلابة والقوة النوعية في التصميمات التي تعتمد على تقليل الوزن.

الموصلية الكهربائية منخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي وبعض سبائك 6xxx؛ لذلك لا يُختار السبيكة في التطبيقات التي تتطلب أقصى موصلية كهربائية. معامل التمدد الحراري ضمن النطاق التقليدي للألومنيوم ويجب أخذه بالاعتبار عند الربط مع مواد مختلفة.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المطابقات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.5–6.0 mm	جودة جيدة عبر السماكة للسمك الرقيق	T4, T5, T6	يستخدم للألواح والواجهات المشكّلة؛ حساسية التبريد يمكن التحكم بها
لوح	6–150+ mm	انخفاض القوة المحققة في القطاعات السميكة	T651, T62	اللوح السميك قد يحتاج إلى تبريد/تشيخ خاص لتعظيم الخواص
بثق	بروفيلات معقدة تصل إلى عدة أمتار	قوة اتجاهية جيدة	T6, T651	تصميم قالب البثق ومعدل التبريد يؤثران على الخواص النهائية
أنبوب	قطر خارجي حتى عدة مئات من mm	تختلف القوة حسب سماكة الجدار	T6, T651	شائع للأنابيب الإنشائية والهياكل عالية القوة
قضيب/عمود	أقطار تصل إلى 200 mm	مخزون عالي القوة وقابل للتشغيل	T6, T61	يستخدم للمكونات والأجزاء المشغَّلة

مسار التصنيع وشكل المنتج يؤثران بشكل كبير على الأداء الميكانيكي. يمكن تبريد البثق والألواح الرقيقة بسرعة للوصول إلى الخواص القصوى بعد التشيخ، بينما غالبًا ما تعاني الألواح والقطاعات السميكة من تدرجات تبريد تحتاج إلى دورات معالجة حرارية معدّلة أو تشيخ زائد لتحسين التجانس.

يجب على المصممين تنسيق إمكانيات موردي المواد (مثل خزانات التبريد، الشد الزائد، المعالجة الموحدة) مع متطلبات التطبيق، لأن خيارات المعالجة تحدد توازن الخواص المُسلّمة في الأجزاء النهائية.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	7039	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية في أنظمة رابطة الألمنيوم؛ المعيار المرجعي الرئيسي
EN AW	7039	أوروبا	غالبًا ما يُشار إليها كـ EN AW‑7039؛ يجب مراجعة المواصفات الكيميائية والميكانيكية الخاصة بـ EN
JIS	—	اليابان	لا يوجد مكافئ مباشر واحد لـ JIS؛ الخواص القريبة قد تتوافق مع عائلات 7xxx عالية القوة
GB/T	—	الصين	قد تسرد المواصفات الصينية تركيبات 7xxx مماثلة؛ يجب التحقق من التركيب والمطابقات

لا يوجد دائمًا مرجع مباشر مطابقة واحدة إلى واحدة لـ 7039 بين المواصفات لأن المواصفات الإقليمية تتحكم في حدود الشوائب، الإضافات النادرة، والمطابقات المسموحة. عند استبدال السبائك، يجب على المهندسين مقارنة قيم الشد/الخضوع المضمونة، المتانة، حساسية التبريد ومتطلبات مقاومة التآكل بدلًا من الاعتماد فقط على أرقام الدرجات.

قد يقدم الموردون إصدارات خاصة تباع تحت تسمية 7039 مشابهة؛ لذلك يجب طلب شهادات كيميائية وميكانيكية كاملة وأحيانًا عينات اختبار أو تحقق ميكانيكي شامل للدفعة في التطبيقات الحرجة.

مقاومة التآكل

يوفر 7039 مقاومة معتدلة للتآكل الجوي تشبه سبائك 7xxx القائمة على Zn‑Mg عند تشيخه زائدًا أو طلائه بشكل صحيح. في الأجواء المتعادلة، أداؤه مقبول، لكن قابليته للتآكل الموضعي مثل التنقر والانشطار تزداد مع ارتفاع محتوى Zn وCu ومع المطابقات ذات التشيخ الذروي.

في البيئات البحرية أو ذات تركيز عالي من الكلوريدات، يحتاج 7039 إلى تدابير حماية مثل التأكسد الأنودي، طلاءات التّحوّل بالكرومات، أو أنظمة الطلاء العضوي لتحقيق عمر خدمة طويل. المطابقات المشيخة زائدًا (مثل T62 أو متغيرات T7xx) والتفاصيل التصميمية المناسبة (الصرف، وصلات محكمة) تقلل كثيرًا من خطر التآكل الحُبيبي.

تُعدّ ظاهرة تشقق التآكل بالشد (SCC) مسألة معروفة في سبائك 7xxx عالية القوة: حالة T6 تعظم القوة لكنها تزيد من قابلية SCC تحت شد في أجواء متآكلة. اختيار مطابقة مشيخة زائدًا قليلاً والتحكم في الإجهاد المتبقي عبر الشد أو المعالجة الحرارية بعد اللحام يقلل من خطر SCC ويحسن متانة طويلة الأمد مقارنة بالمطابقة الذروية.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

لزوم السيطرة الدقيقة عند لحام 7039؛ اللحام بالاندماج (TIG/MIG) ممكن لكن منطقة التأثير الحراري (HAZ) قد تشهد تليينًا وانخفاضًا في المتانة. من الممارسات الموصى بها استخدام حشوات مطابقة لسبائك 7xxx مشيخة زائدًا قليلًا، أو حيثما سمح التآكل والقوة، استخدام حشوات 5356/5183 لتحسين اللدونة ومقاومة التآكل في الوصلة.

تُستخدم المعالجات الحرارية قبل وبعد اللحام أو تخفيف الإجهاد الميكانيكي (الشد) لاستعادة توازن الخواص بعد اللحام. خطر التشقق الحار متوسط إلى عالي في المطابقات الذروية، لذلك يجب تصميم الوصلات ومعايير اللحام لتقليل التقييد وتجنب ظروف التصلب السريع التي تشجع على التشقق.

القابلية للتشغيل

قابلية تشغيل 7039 مفضلة مقارنة بالفولاذ عالي القوة 2xxx أو فولاذ الأدوات لكنها أكثر تحديًا من عائلة 6xxx بسبب قوتها الأعلى وترسباتها الأصعب. أدوات كربيد بزاوية قطع إيجابية، تجهيزات صلبة وجداول تغذية/سرعة محافظة تقدم أفضل النتائج؛ التحكم في القطع يتحسن باستخدام التبريد والهندسة المناسبة للأداة.

تشطيبات السطح وتكوين الحواف يتأثران بالمطابقة: الحالات الألطف مثل T4/O تُشغّل بسهولة أكبر لكنها تحتاج لمعالجة حرارية لاحقة إذا رغبت في القوة القصوى. للإنتاج، يُفضّل التفكير في التسخين المسبق (إن أمكن) أو التشكيل شبه النهائي لتقليل إزالة المادة.

القابلية للتشكيل

التشكيل البارد محدود في المطابقات المشيخة ذروياً؛ لأعمال التشكيل يُستخدم مطابقة O أو T4 لتحقيق أنصاف أقطار انحناء أصغر وبروفيلات معقدة. الأنصاف الدائرية الداخلية الدنيا النموذجية للألواح في المطابقات الألطف تصل إلى 1–2× سماكة للانحناءات البسيطة، لكن يجب على المصممين التأكد من خلال اختبار التشكيل بسبب سلوك تقسية الشد المتغير.

تحدث تقسية شد إذا تم التشكيل في المطابقات الألطف ويمكن الاستفادة منها لزيادة القوة المحلية بعد التشيخ الطبيعي أو الصناعي. لأعمال التشكيل الشديدة، قد يلزم التشكيل الحار أو دورات معالجة حرارية محلول-تشيخ لاحقة لتحقيق الشكل والخواص الميكانيكية النهائية.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبائك قابلة للمعالجة الحرارية، يتبع 7039 دورة المعالجة التقليدية: معالجة محلول، تبريد سريع، وتشيخ لتعزيز الترسيبات. تجري المعالجة المحلولية عادة عند درجات حرارة مرتفعة كافية لإذابة سوابق ترسيبات Zn‑Mg، تليها تبريد سريع للحفاظ على محلول صلب مشبع. معدل التبريد حاسم: التبريد غير الكافي يؤدي إلى ترسيبات خشنة تقلل القوة النهائية.

التشيخ الصناعي (T6) يطوّر القوة القصوى عبر دورات حرارة وزمن محكومة تعزز الترسيبات الدقيقة الموزعة. المعالجات الزائدة في التشيخ (T62 أو متغيرات T7) تهدف إلى ترسيبات أكبر لتحسين مقاومة تشقق التآكل بالشد واستقرار HAZ مقابل تراجع في أقصى قوة. لمنع إجهادات متبقية، يُطبّق مطابقة T651 أو شد بعد التبريد لتخفيف الإجهادات المتبقية.

تتحقق الخواص المستهدفة بسهولة أكثر في القطاعات الرقيقة بسبب التبريد السريع؛ القطاعات السميكة تتطلب غالبًا وسائل تبريد متخصصة، تبريد متقطع، أو جداول تشيخ معدلة لموازنة القوة والمتانة. في التجميعات الملحومة، تُقيد المعالجة الحرارية بعد اللحام لتجنب التشويه، لذا يصمم المهندسون لتحقيق خواص مقبولة مع أقل عدد من دورات الحرارة.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تم تصميم 7039 للعمل من درجات الحرارة المحيطة حتى درجات حرارة مرتفعة متوسطة؛ فوق ~100–150 °C يبدأ انخفاض القوة المعززة بالترسيبات بسبب تآكلها وإعادة توزيع المادة المذابة. التعرض طويل الأمد لدرجات الحرارة المرتفعة يسرع في التشيخ الزائد ويقلل من مقاومة الخضوع وأداء التعب مقارنةً بالخواص عند درجة حرارة الغرفة.

الأكسدة عند درجات الخدمة النموذجية قليلة مقارنة بالصلب، لكن درجات الحرارة المرتفعة المستمرة قد تؤثر على الحالة السطحية وتزيد من إزالة الزنك من الترسيبات الغنية به عند حدود الحبوب. سلوك HAZ في المناطق الملحومة حساس للغاية للتغيرات الحرارية؛ التشكيخ الموضعي يزيد خطر التآكل وينقص القوة.

للتطبيقات الهيكلية ذات درجات الحرارة العالية، يجب على المصممين التحقق من عمر الخدمة تحت دورات حرارية والنظر في سبائك بديلة أو تدابير تصميم حماية؛ 7039 يُستخدم بشكل أفضل تحت الحدود التي تتدهور عندها استقرار الترسيبات بسبب التعرض المطول للحرارة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 7039
السيارات	الدعامات الهيكلية وروابط التعليق	قوة نوعية عالية وقابلية تشغيل جيدة للأجزاء الحرجة للسلامة
البحري	أجزاء وتركيبات هيكلية	توازن بين القوة ومقاومة التآكل عند الطلاء أو التأكسد الأنودي
الطيران	التجهيزات، القطع المشغّلة والمزدوجة	نسبة قوة إلى وزن عالية وأداء عالي في التعب للهياكل الأولية والثانوية
الدفاع	دعائم التدرع، مكونات القاذف	قوة ساكنة عالية وتحمل ضرر مع معالجة محكمة
الإلكترونيات	الهياكل الإنشائية وانتشارات الحرارة	توصيل حراري جيد مع قوة عالية للتصميمات المدمجة

يُختار 7039 عندما يُطلب ألومنيوم عالي القوة ولكن ارتفاع تكلفة 7075 أو حساسيته الأعلى لـ SCC تمثل عائقًا. يشغل مكانة للأجزاء المشغّلة، والمزدوجة، والمبثوقة التي تحتاج لمزيج من عمر تعب جيد، قابلية تشغيل، ومقاومة كافية للتآكل.

رؤى اختيار المادة

بالنسبة للمهندس الذي يختار المادة، يوفر سبيكة 7039 مقايضة واضحة: بالمقارنة مع الألومنيوم التجاري النقي (1100)، تتنازل 7039 عن بعض الموصلية الكهربائية والحرارية والقدرة الاستثنائية على التشكيل، بينما تكسب عدة أضعاف مقاومة الخضوع ومقاومة الشد. هذا يجعل 7039 مناسبة عندما تكون متطلبات الأداء الهيكلي أهم من متطلبات الموصلية.

مقارنة مع السبائك الشائعة المتمدة على العمل مثل 3003 أو 5052، تقدم 7039 مقاومة ثابتة أعلى بشكل كبير وقابلية تشغيل أفضل للمكونات عالية الأداء، مع أن مقاومتها للتآكل—لاسيما في بيئات الكلوريد البحرية—تتطلب حماية سطحية أكثر تعمداً. إذا كانت قابلية التشكيل أو القابلية للحام في الظروف المحيطة هي الأولوية، فإن عائلة السبائك 3xxx/5xxx تظل الخيار الأفضل.

مقارنة مع السبائك التي تتم معالجتها حرارياً والمبسوطة على نطاق أوسع مثل 6061 أو 6063، عادةً ما تقدم 7039 مقاومة ذروة أعلى وأداء إجهاد محسّن، مما يجعلها مفضلة عندما يكون تقليل الوزن وتحمل إجهاد عمل أعلى أمرًا مطلوبًا. ومع ذلك، قد تُختار 6061/6063 عندما يكون الربط، أو تناسق لون الأكسدة، أو التكلفة/التوفر أكثر أهمية من أعلى مقاومة.

الملخص الختامي

تظل سبيكة 7039 اختيارًا هندسيًا viable حيثما تكون مقاومة الشد النوعية المرتفعة ومقاومة الإجهاد الجيد مطلوبة إلى جانب سلوك مقبول ضد التآكل عند حمايتها بشكل صحيح. تتيح طبيعتها القابلة للمعالجة الحرارية للمصممين ضبط توازن الخصائص من خلال اختيار الدرجة الحرارية والمعالجة المضبوطة، مما يجعلها مفيدة في قطاعات الطيران، والسيارات، والبحرية، والدفاع حيث يجب تحقيق توازن دقيق بين الوزن، والقوة، وقابلية التشغيل.