ألمنيوم A136: التركيب، الخواص، دليل التبريد، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
يوجد A136 ضمن سلسلة 1xxx من سبائك الألومنيوم المشغولة، ويمكن وصفه بأنه سبيكة نقية تجاريًا مع إضافة كميات ضئيلة من السبائك لتحسين قابلية التشكيل العالية ومقاومة التآكل مع قوة معتدلة. التركيب الكيميائي الاسمي يهيمن عليه الألومنيوم (>99% وزني)، مع تركيزات ضئيلة ومتحكم بها من السيليكون، الحديد، النحاس، والتيتانيوم لتثبيت هيكل الحبوب وتحسين الاتساق الميكانيكي دون تغيير الطبيعة الأساسية غير القابلة للمعالجة الحرارية للسبائك. يتم تحقيق التقوية بشكل رئيسي من خلال تصلب الشغل (التصلب بالانفعال) والسيطرة على السبائك الدقيقة بدلاً من التقوية بالترسيب؛ وهو ليس سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية بالنمط التقليدي T6.
تتضمن الخصائص الرئيسية لـ A136 قابلية تشكيل ممتازة، وتوصيل كهربائي وحراري عالي مقارنةً بالسبائك ذات التركيب الأثقل، ومقاومة ممتازة للتآكل الجوي نتيجة إلى طبقة أكسيد طبيعية مستقرة. قابلية اللحام مباشرة للعمليات الانصهارية الشائعة، وسهولة التشغيل متوسطة—أفضل من العديد من سبائك الفئات 5xxx/6xxx في الحالة الملدنة ولكنها تقل بعد التصلب الكبير. الصناعات النموذجية التي تستخدم A136 تشمل المنتجات المعمارية والبنائية، الأغلفة المقاومة للضغط، الموصلات الكهربائية وأشرطة التوصيل، الألواح الزخرفية والمشكلة، والأغلفة خفيفة الوزن حيث تكون قابلية التشكيل وأداء التآكل أهم من القوة العالية.
يختار المهندسون A136 بدلاً من السبائك ذات القوة الأعلى عندما تركز أولويات التصميم على قابلية السحب العميق، التوصيل، جودة السطح، ومقاومة التآكل العامة بدلاً من الحد الأقصى للقوة الإنشائية. تُستخدم السبائك غالبًا كمادة اقتصادية سهلة التصنيع للأجزاء التي تتطلب طرق ختم معقدة، مظهر سطحي محكم، أو خدمة في أجواء معتدلة التآكل حيث لا تبرر التكلفة والوزن العالي لسبائك المعالجة الحرارية ذات القوة العالية.
الدرجات الحرارية
| الدرجة الحرارية | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية (30–50%) | ممتازة | ممتازة | ملدن بالكامل، أقصى ليونة وتوصيل كهربائي |
| H12 | منخفض-متوسط | متوسطة-عالية (20–35%) | جيدة جدًا | ممتازة | تصلب جزئي بالشغل، يحتفظ بقابلية تشكيل جيدة |
| H14 | متوسطة | متوسطة (10–25%) | جيدة | ممتازة | تصلب خفيف لتحسين القوة |
| H16 | متوسط-عالي | أقل (6–15%) | متوسطة | ممتازة | درجة تصلب شغل بارد أقوى، انخفاض قابلية التشكيل بالشد |
| H18 | عالية (تصلب بارد) | منخفضة (3–8%) | محدودة | ممتازة | تصلب شديد بالشغل لمقاومة عالية عند درجة حرارة الغرفة |
الدرجة الحرارية المختارة لـ A136 تتحكم مباشرة في التوازن بين القوة والليونة لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية. الانتقال من O إلى H18 يزيد تدريجيًا من مقاومة الشد والخضوع عبر زيادة كثافة الانزلاقات الناتجة عن التشوه مع تقليل الاستطالة والتمدد. مناطق اللحام عادةً ما تعود إلى ظروف أكثر ليونة في منطقة التأثير الحراري، لذا يجب على المصممين مراعاة التليين المحلي عند تحديد الدرجات الحرارية للمجمعات المشكلة والمُلحَمة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Al | التوازن (~99.0–99.9) | العنصر السائد؛ يوفر التوصيل الكهربائي ومقاومة التآكل |
| Si | 0.05–0.25 | متحكم به لتحسين السيولة في الأنواع المصبوبة وللحد من التداخلات المعدنية الهشة |
| Fe | 0.05–0.8 | شائبة متبقية؛ زيادة الحديد تعزز القوة قليلاً لكنها تخفض الليونة |
| Mn | ≤0.05 | كمية ضئيلة جدًا لضبط هيكل الحبوب |
| Mg | ≤0.05 | منخفض لتجنب تقوية بالترسيب؛ يحافظ على التوصيل الكهربائي |
| Cu | ≤0.05 | منخفض جدًا للحفاظ على مقاومة التآكل والتوصيل |
| Zn | ≤0.1 | تقليلها لتفادي ظواهر تآكل الإجهاد |
| Cr | ≤0.05 | إضافات ضئيلة للتحكم بإعادة التبلور في بعض الأشكال |
| Ti | ≤0.03 | مكررة الحبوب في المنتجات المصبوبة أو المشغولة |
| عناصر أخرى (بما فيها المتبقيات) | ≤0.15 | تشمل Ni، Pb، Bi بشكل أثر بسيط؛ محكمة للاتساق في المعالجة |
تركيز الكيمياء يبرز الألومنيوم مع تحكم صارم في الشوائب والسبائك الدقيقة للحفاظ على سلوك سلسلة 1xxx. محتوى صغير من Si وFe يساعد على استقرار عمليات التصنيع ويقلل من تكبير الحبوب الكبير خلال خطوات التصنيع الحراري-الميكانيكي، في حين أن تقليل Mg, Cu, Zn يمنع السبيكة من التصرف كسبيكة قابلة للمعالجة الحرارية. يمكن استخدام إضافات ضئيلة من Ti أو Cr في بعض المنتجات لتحسين حجم الحبوب والاتساق الميكانيكي دون تأثير كبير على التوصيل.
الخصائص الميكانيكية
يعرض A136 سلوك شد نموذجياً للألمنيوم التجاري النقي: مقاومات خضوع وحد أدنى منخفضة نسبيًا في الحالة الملدنة مع استطالة موحدة عالية وقدرة واضحة على التصلب بالشغل. في الحالة الملدنة (O)، يكون منحنى الإجهاد-الانفعال ليّن مع منطقة بلاستيكية طويلة، مما يسمح بالسحب العميق والتشكيل البارد المعقد. مع تصلب المادة حسب درجات سلسلة H، ترتفع مقاومات الخضوع والشد بينما تنخفض الاستطالة وامتصاص الطاقة؛ ويصبح الكسر أكثر موضعية.
تتبع الصلادة في A136 النمط نفسه: قيمة منخفضة في اختبار برينل أو فيكرز في حالة O، وتزداد تدريجيًا مع التصلب البارد. أداء التعب يعتمد على جودة السطح والشدود المتبقية من التشكيل ووجود الشقوق؛ الأجزاء المصقولة والمصلبة تظهر عادة عمر بدء تعب محسّن مقارنة بالمكونات المشكَّلة خشنة. تؤثر السماكة تأثيرًا كبيرًا على التشكيل والقوة—فالسمك الرقيق يوفر قابلية تشكيل أعلى ونفور أرجاع أقل عند الثني، في حين أن السماكة الأكبر توفر صلابة مطلقة أعلى ولكن تقليل قابلية السحب العميق.
| الخاصية | O/ملدن | درجة حرارية رئيسية (مثلاً H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 60–120 MPa | 110–170 MPa | النطاق يعتمد على التركيب الدقيق ومستوى التصلب |
| قوة الخضوع | 20–60 MPa | 60–130 MPa | تزداد بشكل ملحوظ مع التصلب المتوسط |
| الاستطالة | 30–50% | 10–25% | تنخفض الليونة مع زيادة تصلب الشغل |
| الصلادة | 15–35 HB | 25–55 HB | الصلادة تتناسب مع التصلب بالشغل وتؤثر على سهولة التشغيل |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.70 g/cm³ | نمطية للألمنيوم؛ قوة نوعية جيدة عند السبك أو التصلب |
| نطاق الانصهار | ~660–657 °C | نطاق انصهار الألومنيوم أحادي الطور؛ الصلبة والسائلة متقاربتان |
| التوصيل الحراري | ~200–235 W/(m·K) | مرتفع اعتمادًا على النقاء؛ يقل بزيادة السبكة والتصلب |
| التوصيل الكهربائي | ~55–65% IACS | مرتفع نسبيًا مقارنة بالسلاسل السبائكية؛ الحالة الملدنة قريبة من الحد الأعلى |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.90 J/(g·K) | مرتفع، مفيد لتخزين الحرارة |
| التمدد الحراري | ~23–24 µm/m·K | تمدد متساوٍ نموذجي؛ يجب مراعاته في التجميعات ذات التسامح الضيق |
توصيل A136 الحراري والكهربائي العالي مفيد للتبريد وموصلات الكهرباء، وهذه الخصائص تقل بالعكس مع زيادة السبكة والتصلب. الكثافة تمنح نسبة قوة إلى وزن مناسبة للأغلفة المشكلة وأشرطة التوصيل، ونطاق الانصهار المنخفض نسبيًا يبسط عمليات اللحام لكنه يحدد حدود الخدمة عند درجات الحرارة العالية.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المعالجات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2–6.0 mm | ثبات جيد؛ أفضل قابلية للتشكيل في السماكات الرقيقة | O, H12, H14 | يُستخدم على نطاق واسع للسحب العميق واللوحات الزخرفية |
| صفائح | 6–25 mm | صلابة أعلى؛ قابلية محدودة للسحب العميق | O, H16 | يُستخدم في الأقسام السميكة، غالباً ما يتم تشغيله بعد التشكيل |
| بثق | سماكة الجدار 1–20 mm | تتغير الخواص الميكانيكية حسب سماكة المقطع | O, H14, H16 | بروفيلات معقدة للزخارف المعمارية والحوامل |
| أنابيب | قطر خارجي 6–200 mm | تعتمد القوة على سماكة الجدار والعمل البارد | O, H14 | أنابيب مسحوبة أو ملحومة للأطر والخزائن خفيفة الوزن |
| قضبان/أعمدة | القطر 3–50 mm | تزداد القوة مع السحب البارد | O, H16 | تُستخدم للموصلات، الدبابيس، والمكونات المشغولة |
تؤثر اختلافات عمليات التصنيع على اختيار التطبيق: أشكال الألواح مُحسّنة للطرق بالضغط والدرفلة، بينما تسمح عمليات البثق بمقاطع عرضية معقدة لكنها قد تتطلب ضبط التصلب والمسامير بعد البثق. توفر الصفائح صلابة هيكلية لكنها تقلل من عمليات التشكيل المتاحة. يمكن إنتاج الأنابيب والبوشرات الملحومة مع تشويه منخفض بعد المعالجة إذا تم التحكم في اختيار المعالجات وتركيبات التثبيت.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | A136 | الولايات المتحدة الأمريكية | درجة مسحوبة خاصة أو أقل شيوعاً في عائلة AA 1xxx |
| EN AW | 1050A / 1070 | أوروبا | المكافئات الأقرب في المعايير الأوروبية المحددة للألمنيوم عالي النقاء |
| JIS | A1050 / A1070 | اليابان | تصنيفات نقية تجارياً مشابهه مع قابلية تشكيل عالية |
| GB/T | Al99.5 / Al99.7 | الصين | المكافئات الشائعة للنقاء التجاري في المعايير الصينية |
تختلف الدرجات المكافئة عبر المعايير بشكل رئيسي في الحد الأدنى لمحتوى الألمنيوم وحدود الشوائب المحكومة بدقة؛ نسخ EN/JIS/GB توفر قواعد ميكانيكية مختلفة قليلاً وأسقف معتمدة للشوائب. عند الاستبدال، يجب على المهندسين التحقق من الموصلية، توافق تصنيفات المعالجة، وتواريخ الإنتاج والمعالجة الخاصة بالمورد لضمان قابلية تشكيل وجودة سطح مماثلة. يُنصح بشهادات الاختبار وتقارير المصانع عند الحاجة لمواصفات صارمة في الموصلية أو المظهر السطحي.
مقاومة التآكل
يُظهِر A136 مقاومة ممتازة للتآكل الجوي العام بسبب طبقة أكسيد الألمنيوم (Al2O3) المستمرة والقادرة على إعادة التكوين السريع بعد الضرر الميكانيكي. في الأجواء المحايدة والصناعية المعتدلة، تتحمل السبيكة هجومًا متجانسًا قليلًا، والطبقات المطلية أو المؤكسدة كهربائياً تعزز العمر في التطبيقات المعمارية. في البيئات البحرية، تؤدي السبيكة أداء جيدًا للعديد من التطبيقات، لكن التعرض المركّز للكلوريدات ومناطق الرش يمكن أن يسبب تآكلًا ثقبيًا وتآكل التصدعات؛ بالتالي يجب اعتماد تصميمات مثل الطلاءات الفدائية، التأكسد الكهربائي، والتفاصيل الدقيقة لضمان الأداء طويل الأمد.
حساسية التشقق بالإجهاد الناتج عن التآكل منخفضة في A136 مقارنة بسلاسل 2xxx و7xxx بسبب المستويات المنخفضة للنحاس والزنك؛ ومع ذلك تتطلب مناطق اللحام أو المناطق المعالجة بعمل بارد عالي والتي تحمل إجهادات شد متبقية الانتباه لتجنب الفشل الموضعي في بيئات عدوانية. يجب أخذ التفاعلات الجلفانية في الاعتبار عند اقتران A136 بمسبوكات أنسب أو فولاذ مقاوم للصدأ: حيث يعمل الألمنيوم كمصعد كهربائي ويتآكل بشكل تفضيلي ما لم يعزل كهربائياً أو يحمى بطبقات مانعة. مقارنة بسلاسل 5xxx و6xxx، يقدم A136 موصلية وقابلية تشكيل متفوقة مع مقاومة تآكل عامة مماثلة أو أفضل قليلاً عند وجود إضافات سبائكية معتدلة في العائلتين الأخيرتين.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يلحَم A136 بسهولة بعمليات TIG, MIG/GMAW واللحام المقاوم بالنقاط عند استخدام ممارسات الألمنيوم القياسية، بما في ذلك تصميم الوصلات المناسب والتنظيف المسبق لإزالة أكاسيد السطح والزيوت. تُستخدم خامات الحشو من عائلات 4xxx (Al-Si) أو 5xxx (Al-Mg) حسب الأداء المطلوب بعد اللحام من حيث التآكل والقوة، مع 4043 و5356 كخيارات نموذجية. خطر التشقق الساخن منخفض مقارنة بأنظمة السبائك عالية المحتوى، لكن ضبط اقتران الوصلات والسيطرة على التشوه الحراري مهمة لتجنب المسامية والعيوب السطحية؛ وستنخفض صلابة منطقة التأثير الحراري نحو ظروف أنعم، ويجب أخذ هذا في الاعتبار في التصميمات الحرجة للقوة.
قابلية التشغيل
تشغيل A136 معتدل في حالة التلدين لكنه يتناقص مع زيادة التقسية بعمل بارد؛ بشكل عام يُشغل بسهولة أكثر من العديد من سلاسل السبائك الأعلى بسبب انخفاض معامل التقسية الجبري وخصائص نشأة الرقائق الجيدة. تستخدم أدوات الكربيد وتصاميم الهندسة الموجهة للألمنيوم (مثل زاوية القطع الموجبة، الحلزون العالي) لإنتاج رقائق نظيفة وتشطيب سطحي جيد؛ سرعات القطع نموذجياً عالية مقارنة بالفولاذ وتتطلب التحكم في التبريد لتجنب السحب. لعمليات التشغيل الدقيقة كالتدوير والفرز، يمكن أن تقلل المعالجات المسبقة أو استخدام معالجات H12/H14 من حمل الأدوات وتحسن التحكم الأبعاد.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل هي قوة رئيسية لـ A136: المعالجة الملدنة (O) تتيح أنصاف أقطار انحناء صغيرة، سحب عميق وتشكيل امتدادي مع تراجع مرن منخفض. يعتمد نصف قطر الانحناء الأدنى في الألواح عادة على السماكة والمعالجة لكنه قد يكون صغيراً حتى 1–1.5× السماكة في حالة O للانحناءات البسيطة؛ بينما تتطلب H14/H16 أنصاف أقطار أكبر وخطوات تشكيل متدرجة. استجابة العمل البارد متوقعة مما يسمح بالتشكيل المرحلي؛ وعند الحاجة للتشكيل الشديد، تعيد عمليات التلدين المرحلية الليونة وتقلل من التشقق في أنصاف الأقطار الضيقة أو الأكواب العميقة.
سلوك المعالجة الحرارية
ينتمي A136 لعائلة 1xxx غير المعالجة حرارياً، لذا لا يستجيب للمعالجة بالحل والتقسية الصناعية بهدف تقوية الترسيب. تحدث تغييرات القوة الميكانيكية عن طريق التقسية بالعمل ودورات الاسترداد/التلدين. يستخدم التلدين الكامل (O) لتعظيم الليونة والموصلية، وينطوي عادة على التسخين إلى درجات حرارة تحدث عندها إعادة التبلور (عادة في نطاق 300–420 °C حسب شكل المنتج) متبوعًا بتبريد محكوم.
للسيطرة الإنتاجية، غالبًا ما تُطبق طلعات التلدين الوسيطة بعد تشويه بارد كبير لاستعادة قابلية التشكيل؛ وهي عمليات قصيرة بدرجات حرارة أقل (مثلاً 300–350 °C) مصممة حسب هندسة القطعة والميكروهيكلية المرغوبة. تُستخدم طلعات التلدين لتثبيت الأبعاد أو تخفيف الإجهادات انتقائياً لتقليل التوترات المتبقية قبل التشغيل الدقيق أو لتقليل التشوه قبل التجميع النهائي.
الأداء في درجات الحرارة العالية
يحافظ A136 على خواص ميكانيكية صالحة فقط حتى درجات حرارة مرتفعة معتدلة؛ تنخفض مقاومات الشد والخضوع بشكل ملحوظ فوق ~100 °C وتنخفض كثيرًا عند 200–300 °C مع تقدم الاسترداد والليونة. الأكسدة في درجات الخدمة المعتادة تقتصر على تكوين طبقة أكسيد واقية وليست آلية فشل رئيسية للنطاقات الحرارية عادة في التطبيقات المعمارية والكهربائية. عند الخدمة المستمرة فوق ~150 °C، يجب على المصممين التحقق من مقاومة الزحف والثبات الأبعاد لأن الألمنيوم النقي تجاريًا يظهر تشوهًا زمنيًا عند الأحمال المستمرة ودرجات الحرارة المرتفعة.
في التجميعات الملحومة، يزداد تليين منطقة التأثير الحراري مع ارتفاع درجة حرارة الخدمة ويمكن أن تؤدي دورات التسخين المتكررة إلى استرخاء حالة التقسية بالعمل. للمكونات المعرضة لحرارة دورية عالية، ينصح بالنظر في سبائك بديلة مصممة لقوة في درجات حرارة مرتفعة أو تطبيق هوامش تصميم ميكانيكية.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | سبب استخدام A136 |
|---|---|---|
| السيارات | ألواح الزينة، الشعارات | قابلية تشكيل عالية وتشطيب سطحي متميز |
| البحرية | السبائك غير الهيكلية، الزينة | مقاومة جيدة للتآكل ووزن خفيف |
| الطيران | التركيبات الداخلية، الأغطية | موصلية عالية وسهولة تشكيل للأجزاء غير الحرجة |
| الإلكترونيات | مشتتات حرارية، دروع EMI، قضبان التوصيل | موصلية حرارية وكهربائية ممتازة |
| العمارة | التكسية، الأسقف الجانبية، الواجهات | سطح مؤكسد كهربائياً ومقاومة التآكل |
يُختار A136 عادةً حيث تكون متطلبات السحب العميق، الجودة البصرية، والموصلية حرجة في حين تكون الأحمال الهيكلية معتدلة. يظهر دوره بوضوح في تشكيل الزينة الخارجية، المكونات الموصلة، وأغلفة الأثاث أو المعدات التي تتطلب عمليات لاحقة مثل التأكسد الكهربائي أو الطلاء لتحقيق التشطيب النهائي والحماية البيئية.
نصائح الاختيار
اختر A136 عندما تتطلب أولويات التصميم أقصى قابلية للتشكيل، موصلية كهربائية وحرارية عالية، وجودة سطح ممتازة بمستويات قوة منخفضة إلى معتدلة. وهو اقتصادي بشكل خاص للأجزاء المسحوبة بكميات كبيرة وتطبيقات الموصلين حيث يتم تقليل المعالجات الحرارية الميكانيكية.
بالمقارنة مع الألمنيوم نقي تجاريًا (1100)، عادةً ما يتنازل A136 عن جزء صغير من الموصلية وقابلية التشكيل مقابل تحكم أدق في العملية وقوة تصنيع أولية أعلى قليلاً. مقارنة بالسبائك المعالجة بالعمل مثل 3003 أو 5052، يقدم A136 قابلية تشكيل مماثلة أو أفضل وأحيانًا موصلية أفضل، ولكن سبائك 5xxx تتفوق على A136 في القوة الإنشائية ومقاومة الكلوريدات البحرية عندما تكون مستويات المغنيسيوم الأعلى مقبولة. بالمقارنة مع السبائك المعالجة حراريًا مثل 6061 أو 6063، يُفضل A136 حينما تكون قابلية التشكيل، الموصلية، تشطيب السطح، والتكلفة أهم من أقصى قوة ذروة يمكن تحقيقها.
الملخص الختامي
يظل A136 خيارًا عمليًا في الهندسة الحديثة حيث تكون مجموعة من قابلية التشكيل الاستثنائية، الموصلية العالية، مقاومة التآكل الجيدة، والتكلفة المنخفضة أكثر قيمة من أقصى قوة مطلقة. استجابته المتوقعة للمعالجة بالبرودة، توافقه مع عمليات التصنيع الشائعة، وإمكانية تحقيق تشطيب سطحي ممتاز تحافظ على أهميته عبر مجالات العمارة، الإلكترونيات، وصناعات التجميع الخفيف.