ألمنيوم 7042: التركيب، الخصائص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

7042 هو سبيكة ألومنيوم من سلسلة 7xxx تنتمي إلى عائلة Al-Zn-Mg، وتميل إلى قوة متوسطة إلى عالية من خلال تقسية الهُرْوَة (التصلب بالإحلال). العناصر الرئيسية في السبيكة هي الزنك والمغنيسيوم مع نسب طفيفة من النحاس وعناصر أثرية للتحكم في بنية الحبوب والمتانة.

آلية التقوية في 7042 هي التصلب بالإحلال القابل للمعالجة الحرارية الكلاسيكية: معالجة حرارية بالحل متبوعة بالتبريد السريع والشيخوخة الاصطناعية تُنتج ترسيبات دقيقة من نوع η (MgZn2) تعيق حركة الانزلاق. عمليًا، يمكن توفير هذه السبيكة أيضًا في حالات مفرطة الشيخوخة أو مستقرة حرارياً للتخلي عن بعض القوة القصوى مقابل تحسين مقاومة الكسر ومقاومة التآكل الإجهادي.

السمات الأساسية لـ 7042 تشمل قوة نوعية عالية، أداء تعب جيد إلى متوسط عند التشيخ الصحيح، وقابلية تشغيل معقولة بالنسبة لسبيكة ألومنيوم Al-Zn-Mg عالية القوة. مقاومة التآكل عادةً ما تكون أفضل من بعض سبائك 7xxx ذات النحاس العالي لكنها أقل من عائلات 5xxx أو 6xxx ما لم يتم حمايتها بتغطيات أو طلاءات.

الصناعات النموذجية التي تستخدم 7042 تشمل هياكل وإكسسوارات الطائرات، مكونات السيارات عالية الأداء، المعدات الدفاعية والذخائر، وعناصر هيكلية بحرية مختارة. يختار المهندسون 7042 عندما يُطلب مزيج من القوة المرتفعة، المتانة، ومقاومة التآكل المعقولة مع ضرورة تخفيض الوزن.

أنواع المعالجات الحرارية

نوع المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مُخمد بالكامل؛ أعلى دكتيلية للتشكيل
T4	متوسطة	متوسطة	جيدة	ضعيفة إلى متوسطة	معالجة حرارية بالحل وشيخوخة طبيعية؛ نقطة البداية للشيخوخة الاصطناعية
T6	عالية	منخفضة إلى متوسطة	محدودة	ضعيفة	معالجة حرارية بالحل وشيخوخة اصطناعية لتحقيق قوة قصوى
T651	عالية	منخفضة إلى متوسطة	محدودة	ضعيفة	T6 مع تخفيف الإجهاد عن طريق الشد بعد التبريد؛ يستخدم شائعًا في الطيران
T7	متوسطة	متوسطة	متوسطة	ضعيفة	مستقرة/مفرطة الشيخوخة لتحسين مقاومة التآكل الإجهادي على حساب القوة القصوى
H1x / H2x (تقسية إجهادية)	متغيرة	أقل	متغيرة	جيدة	دمج تقسية ميكانيكية ومعالجة حرارية جزئية لتطبيقات محددة

نوع المعالجة له تأثير كبير على الأداء الميكانيكي، مقاومة الكسر، وقابلية التشكيل. المعالجات ذات الشيخوخة القصوى مثل T6 تعظم قوة الشد والصلادة لكنها تقلل الاستطالة وقابلية التشكيل البارد، محدثة تفاوتات كبيرة في الخواص عبر مناطق اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة.

الشيخوخة المفرطة أو اختيار معالجات T7/T651 يُقايض القوة مقابل تحسين مقاومة الشقوق الإجهادية والتآكل وثبات الخواص أثناء الخدمة؛ وهذا اختيار شائع لأجزاء الطيران الهيكلية التي تتعرض لبيئات تشغيلية قاسية.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة %	ملاحظات
Si	≤ 0.25	ضبط الشوائب؛ زيادة النسبة تقلل المتانة
Fe	≤ 0.5	يشكل مركبات بين فلزية؛ يقلل الدكتيلية إذا كان بنسبة عالية
Mn	≤ 0.1	مراقبة بنية الحبوب عند مستويات منخفضة
Mg	1.0 – 2.0	عنصر تقوية أساسي مع Zn؛ يشكل ترسيبات MgZn2
Cu	0.05 – 0.30	نسبة منخفضة عادةً في 7042 مقارنة بـ7075؛ تقليل النسبة يحسن السلوك ضد التآكل الإجهادي
Zn	4.0 – 6.0	العنصر الرئيسي للتقوية؛ زيادة Zn ترفع القوة القصوى
Cr	≤ 0.25	يسيطر على إعادة التبلور وبنية الحبوب
Ti	≤ 0.15	مكرر للحبيبات عند إضافته عمدًا
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05	عناصر أثرية وبقايا؛ إجمالي العناصر الأخرى محدود

توازن السبيكة هو أساسًا ألومنيوم مع Zn وMg كمحفزين لعملية التصلب بالإحلال؛ ويتم الاحتفاظ بالنحاس منخفضًا نسبيًا مقابل بعض أنواع 7xxx لتقليل الحساسية للشقوق التآكلية الناتجة عن الإجهاد. العناصر الثانوية مثل الكروم والتيتانيوم تعمل كإضافات دقيقة لتثبيت حجم الحبوب ومنع إعادة التبلور المفرط أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية.

الخواص الميكانيكية

يعرض 7042 سلوك شد متنوع حسب نوع المعالجة: المادة المطمئنة (المخمدة) ذات دكتيلية وقوة شد متوسطة، في حين تظهر المعالجات ذات الشيخوخة القصوى زيادة كبيرة في حد الخضوع والقوة القصوى. عادةً ما تعتمد قيم الخضوع والقوة على درجة الحرارة ونوع المعالجة الحرارية، حيث توفر معالجات T6/T651 أعلى حد خضوع على حساب الاستطالة.

الصلادة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بحالة التشيخ وترسيب المواد؛ الصلادة تزيد بشكل كبير من O إلى T6. سلوك التعب يتحسن بوجود ترسيبات دقيقة موزعة بشكل موحد والتحكم الدقيق في الإجهادات المتبقية؛ القوالب والعمليات البثق التي يتم تحسينها بالشيخوخة والمعالجة الحرارية تظهر مقاومة محسنة لبداية الشقوق.

تؤثر سماكة المقطع وحجمه على تجانس التبريد وبالتالي الخواص المكتسبة؛ الأجزاء السميكة يصعب معالجتها حرارياً والتبريد السريع دون حدوث تليين أو شيخوخة مفرطة في النواة. يجب على المصممين الأخذ في الاعتبار تليين منطقة التأثير الحراري حول اللحامات وانخفاض الخواص القصوى في القوالب أو الألواح السميكة حيث معدل التبريد منخفض.

الخاصية	O/مخمّد	نوع معالجة رئيسي (T6 / T651)	ملاحظات
قوة الشد	~200–260 MPa (اعتيادي)	~420–510 MPa (اعتيادي)	نطاق واسع حسب نوع المعالجة وسمك المقطع
حد الخضوع	~90–160 MPa	~350–470 MPa	عادةً ما يحدد T651 لتحكم محسن في الإجهادات المتبقية
الاستطالة	~15–25%	~6–12%	الاستطالة تقل في حالات الشيخوخة القصوى
الصلادة (برينل)	~40–70 HB	~120–160 HB	تعتمد القيم على معايير التشيخ وحجم المقطع

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.78 g/cm³	أعلى قليلاً من الألومنيوم النقي بسبب إضافات Zn/Mg
نطاق الانصهار	~500–640 °C (من الدرجة الصلبة إلى السائلة)	نطاق الانصهار للسبيكة أقل من الألومنيوم النقي؛ النطاق الدقيق يعتمد على التركيب
التوصيل الحراري	~120–150 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي وبعض 6xxx بسبب تشتيت الذرات
التوصيل الكهربائي	~28–40 % IACS	مخفض بالتشكيل؛ يختلف حسب نوع المعالجة (العناصر الذائبة تقلل التوصيل)
السعة الحرارية النوعية	~0.88–0.90 J/g·K	قياسية لسبائك الألومنيوم بالقرب من درجة حرارة الغرفة
التوسع الحراري	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	مقارنة مع سبائك الألومنيوم عالية القوة الأخرى

الخصائص الفيزيائية لـ 7042 تجعلها جذابة حيث يتطلب الأمر نسبة قوة إلى وزن جيدة وأداء حراري معقول. التوصيل الحراري والكهربائي أقل مقارنة بالألومنيوم النقي أو منخفض السبيكة بسبب تشتيت الإلكترونات والفونونات من الذرات الذائبة والترسيبات.

يتطلب نطاق الانصهار الصلب-السائل حذرًا أثناء عمليات الصب واللحام؛ السخونة الموضعية قد تروج لذوبان الإيوتكتك المنخفض الانصهار، مما يزيد من خطر التشقق الساخن أو المناطق اللينة إذا لم يتم التحكم بها.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح رقيقة (Sheet)	0.5 – 6 mm	متجانسة في السماكات الرقيقة إذا تمت المعالجة الحرارية بشكل صحيح	O, T4, T6, T651	شائعة لكسوات وهياكل الطيران
ألواح سميكة (Plate)	6 – 150+ mm	تختلف القوة عبر السماكة بسبب التبريد	T6, T651, T7	الألواح السميكة تتطلب تبريدًا محسنًا أو معالجة حرارية لاحقة
بثق (Extrusion)	بروفيلات تصل إلى عدة مئات من mm	قوة اتجاهية جيدة؛ يمكن تحقيق T6 على مقاطع محدودة	T4, T6	تصميم قالب البثق وسعة التبريد تحدد الخواص القصوى
أنابيب (Tube)	1 – 50 mm جدار	سلوك مشابه للبثق؛ يستخدم السحب البارد للدقة	O, T6	تستخدم للأغراض الهيكلية والهيدروليكية مع معالجة حرارية مناسبة
قضبان/أعمدة (Bar/Rod)	أقطار حتى 200 mm	الخواص تعتمد على التبريد؛ القطع المطروقة توفر متانة فائقة	O, T6	القضبان المطروقة غالبًا ما تستخدم في تجهيزات حرجة ومثبتات

تختلف عمليات المعالجة للصفائح، الألواح والقوالب أساسًا في سماكة المقطع ومعدلات التبريد الممكن الوصول إليها. الصفائح الرقيقة والبثق السريع يتم تبريدها بسرعة وتصل إلى خصائص قريبة من شيخوخة الذروة بعد التشيخ القياسي، بينما الألواح والسكلبات السميكة تحتاج إلى تبريد معقد أو دورات شد وشيخوخة بعد التبريد لتجنب النوى اللينة والتشوه.

تختلف قابلية التشكيل والتشغيل حسب شكل المنتج؛ كما أن الصفائح المدحرجة توفر أفضل قابلية تشكيل بارد في حالة المخددة بينما توفر البثق والقضبان المطروقة خصائص موجهة تصميماً لتحمل الأحمال.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	7042	USA	تعيين جمعية الألومنيوم الأمريكية؛ تطابق فئة Al-Zn-Mg
EN AW	7042	أوروبا	EN AW-7042 مذكور بشكل شائع؛ قد تختلف التركيبة وظروف التسليم قليلاً
JIS	A7042 (تقريباً)	اليابان	قد تذكر المواصفات اليابانية تركيبات مماثلة لـ Al–Zn–Mg تحت تعيينات ذات صلة
GB/T	7042	الصين	يوجد تعيين قياسي صيني؛ حدود الكيمياء والتصلبات قد تختلف

عادة ما تختلف المعايير في مستويات الشوائب المسموح بها، والحدود الدقيقة للنحاس والعناصر الثانوية الأخرى، والأسس المحددة للخواص الميكانيكية لتصلبات معينة. عند تحديد 7042 دولياً، يجب على المهندسين ذكر المعيار والمادة الخاضعة للسيطرة ويجب التحقق من جداول الكيمياء والخواص الميكانيكية لضمان التبادل للتطبيقات الحرجة.

مقاومة التآكل

يوفر 7042 مقاومة معتدلة للتآكل الجوي تفوق عمومًا أعلى سبائك 7xxx عالية النحاس والقوة، لكنه أقل من سبائك 5xxx (Al-Mg) ومعظم سبائك 6xxx (Al-Mg-Si). يمكن للهياكل الدقيقة الغنية بالزنك والتوزيعات غريبة للترسبات أن تخلق مواقع أنودية/كاتودية تشجع التآكل الحفر في البيئات العدائية ما لم تتم معالجة الأسطح.

في البيئات البحرية والمالحة، يظهر 7042 غير المعالج تآكلاً موضعياً أكبر من سبائك 5xxx، وعليه عادةً ما يتطلب الأكسدة الكهربائية، التغليف أو الطلاءات الوقائية للخدمة طويلة الأمد. يعيد التغليف أو الطلاء التحويلي المغطي الأداء المقبول للاستخدام الإنشائي بالقرب من الساحل.

يُعد خطر تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد (SCC) من الاعتبارات الرئيسية لتصميم سبائك 7xxx؛ يقلل المحتوى الأقل نسبياً من النحاس في 7042 من القابلية لـ SCC مقارنة بـ 7075 لكنه لا يلغيها. يمكن أن تسرّع التفاعلات الكهروكيميائية مع المعادن المختلفة (الصلب، النحاس) الهجوم الموضعي—ينبغي للمصممين عزل الوصلات واستخدام مسامير متوافقة أو حواجز واقية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يعد اللحام بالاندماج للدرجة 7042 تحدياً؛ غالباً ما يؤدي اللحام التقليدي بتقنيات TIG/MIG إلى فقدان كبير في القوة بمنطقة التأثير الحراري (HAZ) وقد ينتج عنه تشققات حرارية بسبب الإيوتيكيات منخفضة الذوبان. تشمل طرق الربط المفضلة للتطبيقات الهيكلية اللحام بالتطريز الاحتكاكي (FSW) واللحام بحزمة الإلكترون، والتي تنتج مناطق تأثير حراري أضيق واحتفاظ أفضل بالخواص. عندما يكون اللحام بالاندماج لا مفر منه، يُفضل استخدام سبائك حشو منخفضة القابلية للتشقق الحراري واتباع استراتيجيات المعالجة الحرارية بعد اللحام حيثما أمكن، مع أنه من النادر استعادة الخواص الأصلية بشكل كامل.

قابلية التشغيل

تعتبر قابلية تشغيل 7042 متوسطة إلى جيدة لسبائك عالية القوة من نوع Al-Zn-Mg؛ تزيد التصلبات ذات القوة الأعلى من قوى القطع وتآكل الأدوات مقارنة بسبائك 6xxx. الأدوات الكربيدية، التثبيت الصلب للعملية، والتشغيل بسرعات عالية مع تبريد وفير تعطي أفضل النتائج؛ يُتوقع رقائق قصيرة ومتقطعة في العديد من العمليات. عادةً ما تكون جودة السطح والتحكم في الأبعاد ممتازة عند الحفاظ على ثبات معايير القطع.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في حالة التليين O، مما يسمح بثنيات ضيقة وسحبات عميقة في السماكات الرقيقة. التصلبات المعالجة حرارياً مثل T6/T651 تقيّد التشكيل البارد وعادة ما تُشكل في الحالة اللينة ثم تُعالج حراريًا وتعالج بالشيخوخة بعد التشكيل. تعتمد نصف أقطار الثني النموذجية على التصلب والسماكة؛ ينبغي للمصممين استخدام علاوات ثني مبنية على حالات O أو T4 لتجنب التشقق.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبائك Al-Zn-Mg قابلة للمعالجة الحرارية، تُعالج 7042 من خلال المعالجة بالحل، التبريد السريع والشيخوخة لتطوير قوتها العالية المميزة. تتراوح درجات حرارة المعالجة بالحل النموذجية بين 470–490 °C مع أزمنة تعتمد على سماكة المقطع لتحقيق ذوبان مراحل غنية بالزنك والمغنيسيوم. يتطلب التبريد السريع للحفاظ على الذوّب في المحلول الصلب وتمكين الترسيب لاحقاً أثناء الشيخوخة.

يتم إجراء الشيخوخة الصناعية (T6) عادة عند درجات حرارة حوالي 120–160 °C لزمنات مضبوطة لتحقيق التوازن المطلوب بين مقاومة الشد والمتانة. تستخدم مرحلة الإفراط في الشيخوخة (T7) درجات حرارة أعلى أو زمن أطول لتكبير الترسبات، مما يحسن مقاومة التصدع بالتآكل الناجم عن الإجهاد على حساب بعض القوة القمية. يتم التحكم في الانتقال بين التصلبات (T4→T6→T7) من خلال تغييرات في جدول الشيخوخة؛ يمكن أن تحدث الشيخوخة الطبيعية أيضًا في درجة حرارة الغرفة وتؤثر على الخواص النهائية إذا لم تؤخذ بعين الاعتبار.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تم تصميم 7042 للخدمة في درجات حرارة معتدلة أو مرتفعة قليلاً؛ تتناقص خواصه الميكانيكية مع زيادة درجة الحرارة ويبدأ فقدان القوة بشكل ملحوظ فوق 100–150 °C تقريباً. مقاومة الزحف محدودة مقارنة بالسبائك المقاومة للحرارة، لذلك يجب على المصممين تجنب الأحمال المستمرة عند درجات الحرارة المرتفعة.

الأكسدة ليست مصدر قلق رئيسي مقارنة بالسبائك الحديدية، ولكن التعرض العالي للحرارة لفترات طويلة قد يعزز تكبير الترسبات وفقدان القوة؛ تُعد الاستقرارية الحرارية عاملاً مقيدًا للتطبيقات طويلة الأمد في درجات الحرارة المرتفعة. في التركيبات الملحومة، قد يؤدي تليين منطقة التأثير الحراري جنبًا إلى جنب مع التعرض الحراري إلى تقليل القدرة على تحمل الحمولة بشكل أكبر.

التطبيقات

الصناعة	المكون المثال	لماذا يُستخدم 7042
الفضاء الجوي	تجهيزات وهيكليات مطروقة	نسبة عالية للقوة إلى الوزن ومتانة جيدة عند المعالجة الحرارية المناسبة
البحرية	إطارات وعناصر تثبيت غير هيكلية أساسية	مقاومة تآكل معتدلة وقوة إلى وزن ملائمة
السيارات	مكونات التعليق، حوامل التثبيت	قوة عالية مع كثافة أقل لتقليل الوزن
الدفاع	دعائم، قواعد أسلحة، أجسام وصلات	الأداء في القوة والمتانة تحت الأحمال الدورية
الإلكترونيات	أغلفة هيكلية ومشتتات حرارة	مزيج من الصلابة وقابلية التشغيل لأجزاء معقدة

يُختار 7042 عادةً عندما يكون مطلوباً مزيج من القوة العالية، مقاومة التآكل المعقولة، وقابلية التشغيل الجيدة في منتج خفيف الوزن. يجسر الفجوة بين أقوى سبائك 7xxx التي تكون أكثر عرضة لـ SCC وسبائك 5xxx/6xxx الأكثر مقاومة للتآكل لكنها أقل قوة.

نصائح الاختيار

اختر 7042 عندما تحتاج لقوة أعلى من السبائك المقواة بشكل ميكانيكي النموذجية ولكنه يتمتع بمقاومة أفضل لـ SCC مقارنة بسبائك 7xxx الغنية بالنحاس؛ إنه سبائك وسط جيد للأجزاء الهيكلية التي تتطلب قوة نوعية عالية. مقارنة بالألمنيوم النقي تجارياً (1100)، يتنازل 7042 عن التوصيل الكهربائي وسهولة التشكيل مقابل زيادة ملموسة في القوة والصلادة، مما يجعله غير مناسب حيث يكون التوصيل الكهربائي أو الحراري هو الاعتبار الأساسي.

مقارنة بالسبائك المقواة ميكانيكياً مثل 3003 أو 5052، يقدم 7042 قوة ثابتة أعلى بشكل ملحوظ وعمر تعب مُحسن مع التضحية ببعض مقاومة التآكل وقابلية التشكيل البارد؛ استخدم 5052/3003 حيث يكون التشكيل ومقاومة مياه البحر ذات أولوية. مقارنة بالسبائك المعالجة حرارياً من نوع Al-Mg-Si مثل 6061/6063، يمكن لـ 7042 تحقيق قوة قمة أعلى لتركيبات هيكلية محملة بشكل كبير، لكن 6061 لديها قابلية لحام وسلوك تآكل أفضل في العديد من بيئات الخدمة؛ اختر 7042 عندما تكون نسبة القوة إلى الوزن والصلابة مفضلة على سهولة اللحام والتوفر الشامل.

ملخص ختامي

يبقى 7042 سبائك هندسية ملائمة حيث يلزم ألومنيوم قوي وقابل للمعالجة حرارياً مع أداء SCC أفضل من أقوى سبائك 7xxx. تسمح كيمياءه المتوازنة وخيارات التصلبات للمهندسين بضبط القوة والمتانة وأداء التآكل للتطبيقات الهيكلية المتطلبة مع الحفاظ على الوزن الخفيف الذي يميز الألومنيوم.