ألومنيوم ADC12: التركيب، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
يُصنف ADC12 كسبائك الألومنيوم ذات محتوى عالي من السيليكون والاحتواء على النحاس، وينتمي إلى عائلة السبائك المصبوبة، ويُشار إليه شائعًا تحت معيار JIS (المواصفات الصناعية اليابانية) باسم ADC12. لا ينتمي إلى سلسلة السبائك المطروقة 1xxx–7xxx، وإنما يُوصف بشكل أفضل كسبائك مصبوبة من Al-Si-Cu تم تطويرها لتطبيقات الصب بالضغط والقوالب الرملية.
العناصر الرئيسية المكونة للسبائك هي السيليكون (Si) بمستويات مرتفعة نسبيًا، والنحاس (Cu) بكميات معتدلة، بالإضافة إلى الحديد (Fe) وإضافات صغيرة من المنغنيز (Mn)، والمغنيسيوم (Mg)، والزنك (Zn) وعناصر أثرية مثل التيتانيوم (Ti) والكروم (Cr). يشكّل محتوى السيليكون العالي طور السيليكون الإيوتكتيمي/الأولي الصلب مما يساهم في زيادة القوة ومقاومة التآكل، بينما يوفر النحاس تعزيزًا إضافيًا بالقصور الذاتي (الشيخوخة) وقوة عالية في درجات الحرارة المرتفعة.
يعزز ADC12 بشكل رئيسي من خلال التحكم الميكروي في الهيكل (طور السيليكون الميكروي والفازات بين المعدنية) والتصلب الناتج عن ترسيب الفازات الحاملة للنحاس بعد المعالجة الحرارية للذوبان والشيخوخة الصناعية. يظهر السبيكة قوة جيدة عند الصب للمكونات الهيكلية الخفيفة، مقاومة معتدلة للتآكل، وتوصيلية حرارية وكهربائية معقولة ضمن فئتها، وقابلية إنتاجية مقبولة؛ لكن قابلية التشكيل واللحام مقيدة نسبيًا مقارنة بسبائك الألومنيوم المطروقة.
الاستخدامات النموذجية لسبائك ADC12 تشمل صناعة السيارات (قوالب، أدوات، حاويات نقل الحركة، حوامل)، الأجهزة المنزلية، صناديق الحماية الكهربائية، وبعض المكونات البحرية والصناعية العامة المصبوبة. يختار المهندسون ADC12 عندما يكون مطلوبًا مادة قابلة للصب بالضغط ذات تكلفة فعالة توازن بين قابلية الصب، الاستقرار الأبعادي، القوة الميكانيكية، وقابلية التشغيل لأجزاء متوسطة الأحمال وعالية الإنتاجية.
أنواع المعالجة الحرارية (Temper Variants)
| نوع المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| F (كما صُب / كما شُكل) | منخفض–متوسط | منخفض–معتدل | محدودة | ضعيفة–معتدلة | حالة الصب بالضغط القياسية مع مسامية وهيكل إيوتكتيمي نموذجي |
| O (مخدد) | منخفضة | أعلى | محسنة | معتدلة | نادرة لسبائك ADC12؛ تحسين اللدونة على حساب القوة |
| T5 (شيخوخة صناعية بعد التبريد من الصب) | متوسط–عالي | منخفض–معتدل | محدودة | ضعيفة–معتدلة | شائع للأجزاء المصبوبة بالضغط لتثبيت الأبعاد وزيادة القوة |
| T6 (معالجة ذوبان + شيخوخة صناعية) | عالية | منخفضة | ضعيفة | ضعيفة | يحقق قوة أعلى إذا أمكن معالجة الأجزاء بالذوبان والتبريد بسرعة بفعالية |
| T4 (معالجة ذوبان + شيخوخة طبيعية) | متوسطة | منخفض–معتدل | محدودة | ضعيفة | أقل شيوعًا بسبب صعوبة تحقيق ذوبان كامل في القطع المصبوبة المعقدة |
يؤدي نوع المعالجة الحرارية إلى تغييرات ملحوظة في الأداء الميكانيكي وقابلية الاستخدام العملي لأجزاء الصب بالضغط. حالات الصب بالضغط وT5 هي الأكثر شيوعًا في التطبيق الصناعي لأنها توازن الاستقرار الأبعادي والضغوط المتبقية والقوة القابلة للتحقيق دون الحاجة لمعالجة حرارية معقدة لتجميعات مصبوبة كبيرة.
عند استخدام T6 أو حالات المعالجة التي تعتمد على الذوبان، من الممكن تحقيق زيادات في مقاومة الشد ومقاومة الخضوع، لكنها تعتمد بشكل كبير على سمك المقطع، المسامية، والقدرة على تحقيق ذوبان وتبريد متجانس؛ قد لا تستجيب الصبوات ذات الجدران الرقيقة بشكل موحد لمعالجة T6.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 10.0 – 13.0 | العنصر الأساسي للسبائك؛ يشكل السيليكون الإيوتكتيمي والفازات الصلبة التي تحسن القوة ومقاومة التآكل |
| Fe | 0.6 – 1.3 | شوائب تُكوّن الفازات بين المعدنية؛ زيادة الحديد تقلل اللدونة وتزيد الهشاشة |
| Mn | 0.05 – 0.45 | يُحكم شكل بعض الفازات بين المعدنية؛ الإضافات الصغيرة تُحسن بنية الحبوب |
| Mg | 0.05 – 0.45 | مستويات منخفضة؛ تساهم في تقوية المحلول الصلب واستجابة الشيخوخة |
| Cu | 2.0 – 3.5 | يعزز التصلب بالترسيب وقوة درجات الحرارة العالية؛ يقلل من مقاومة التآكل |
| Zn | ≤ 0.25 | غالبًا شوائب بسيطة؛ نسب أعلى من الزنك غير شائعة في ADC12 |
| Cr | ≤ 0.10 | مُعدل لبنية الحبوب؛ يقلل التشقق الساخن في بعض الصبوات |
| Ti | ≤ 0.20 | مُكرر للحبوب يُستخدم في عمليات الصهر وإنتاج السبيكة |
| عناصر أخرى (Ni, Pb, Bi, Sr, Zr) | توازن ضمن الحدود المحددة | إضافات أثرية أو شوائب مراقبة حسب المواصفات؛ الألومنيوم يشكل غالبية السبيكة (> 85%) |
يكمن تأثير تركيبة السبيكة بتركيزات السيليكون والنحاس كمحركات رئيسية للأداء: يوفر السيليكون شبكة إيوتكتيمية صلبة ويحسن السيولة أثناء الصب، بينما يتيح النحاس تقوية إضافية من خلال التصلب بالترسيب بعد المعالجة الحرارية. يؤثر الحديد والشوائب الأخرى على شكل الفازات بين المعدنية وبالتالي على اللدونة ومقاومة التعب. تُوازن العناصر لتحسين ملء القالب وتقليل التشقق الساخن وإنتاج هيكل مجهري يمكن تشغليه وشيخوخته بشكل متوقع.
الخواص الميكانيكية
يعتمد سلوك الشد لسبائك ADC12 بشكل كبير على طريقة الصب، سمك المقطع، المسامية، والمعالجة الحرارية. يظهر ADC12 المصبوب بالضغط في الحالات النموذجية كما صُب أو بعد معالجة T5 قوة شد معتدلة إلى عالية بالنسبة لألمنيوم مصبوب (عادة ضمن نطاق 200–300 MPa) مع لدونة منخفضة نسبيًا مقارنة بالسبائك المطروقة. الطبيعة الهشة للهيكل الغني بالسيليكون تحد من الاستطالة، خصوصًا في المقاطع السميكة حيث تلعب المسامية والانكماش دورًا.
يرتبط سلوك مقاومة الخضوع بأداء الشد؛ يمكن لADC12 تحقيق مقاومة خضوع ملحوظة في الحالات المشابهة لـT5/T6 نتيجة الفازات الحاملة للنحاس والشيخوخة الميكروهيكلية. تزيد الصلادة بشكل كبير من الحالة المخددة إلى الحالة المعتقة مع انتشار الأطوار النحاسية والسيليكونية المكررة داخل المصفوفة. تتأثر مقاومة التعب بوجود عيوب الصب والفازات بين المعدنية؛ إن جودة السطح والمسامية والمعالجة الحرارية تتحكم بقوة في حدود التحمل.
يلعب السمك دورًا بارزًا لأن معدل التبريد أثناء التصلب يتحكم في حجم جزيئات السيليكون، ومستويات المسامية، والقدرة على تحقيق معالجة ذوبان متجانسة. عادةً ما تحقق المقاطع الرقيقة قوة أعلى ومسامية أقل لكنها قد تكون أكثر عرضة للتشقق الساخن أثناء الصب.
| الخاصة | حالة O/مخددة | الحالة الرئيسية (مثل T5/T6) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (MPa) | 120 – 160 | 200 – 300 | نطاق واسع بسبب عملية الصب، المسامية، وسمك المقطع |
| قوة الخضوع (MPa) | 60 – 110 | 160 – 240 | أعلى في الحالات المعتقة مع ترسيب نحاسي؛ تتغير القوة حسب المقطع والعيوب |
| الاستطالة (%) | 4 – 10 | 1 – 6 | تنخفض الاستطالة مع زيادة القوة؛ الأطوار السيليكونية الهشة تحد من اللدونة |
| الصّلادة (HB) | 40 – 70 | 80 – 120 | تزداد الصلادة مع الشيخوخة الصناعية والمعالجة بالذوبان |
الخواص الفيزيائية
| الخاصة | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.75 – 2.80 جم/سم³ | نمطية لسبائك الألومنيوم المصبوبة Al-Si؛ تمنح تفوقًا في الوزن مقابل الفولاذ |
| نطاق الانصهار | صلب ~ 510 – 540 °C، سائل ~ 560 – 585 °C | نطاق ذوبان/تصلب واسع بسبب السبائك والسلوك الإيوتكتيمي |
| التوصيلية الحرارية | ~100 – 130 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي لكنها مناسبة للعديد من تطبيقات إدارة الحرارة |
| التوصيلية الكهربائية | ~20 – 35 % IACS | منخفضة بسبب تأثير السيليكون والنحاس مقارنة بالألومنيوم النقي |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.88 – 0.92 J/g·K | مقارنة مع سبائك الألومنيوم الأخرى في الحسابات الحرارية العابرة |
| المعامل الحراري للتوسع | ~22 – 24 µm/m·K | تمدد نمطي للألومنيوم؛ يؤخذ بعين الاعتبار في التجميعات ذات التحمل الضيق |
تجعل الخواص الفيزيائية لسبائك ADC12 منها مادة جذابة حين تكون خفة الوزن وقابلية الصب من الأولويات. تسمح ميزة الكثافة بتوفير الكتلة مقارنة بالمواد الحديدية بينما تبقى التوصيلات الحرارية والكهربائية، رغم انخفاضها مقارنة بالألومنيوم النقي، مفيدة في أكما (الحاويات) وبعض التطبيقات الحرارية. يتحكم نطاق الانصهار وخصائص تصلب السبيكة في تصميم القالب، نظم التغذية، واستراتيجيات التبريد أثناء الصب.
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المعالجات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح (Sheet) | توفر محدود؛ السماكات الرقيقة غير شائعة | غير نمطي؛ الخصائص متغيرة | O، T5 (إذا تم الإنتاج) | ADC12 نادراً ما يُورد كألواح باردة الدرفلة؛ الألواح المشتقة من الصب لها قابلية تشكل محدودة |
| لوح (Plate) | محدود؛ عادة ألواح مصبوبة | متغير حسب السماكة والمعالجة الحرارية | O، T5/T6 | الألواح السميكة المصبوبة تحتوي على مسامية أعلى وصلابة أقل |
| بثق (Extrusion) | غير نمطي | غير متاح | غير متاح | ADC12 عادة لا يُستخدم للبثق؛ السبائك المطروقة مفضلة |
| أنبوب (Tube) | محدود (أنابيب مصبوبة أو مصنعة) | متغير | O، T5 | الأشكال الأنبوبيّة نادرة؛ التصنيع غالباً عن طريق تصنيع ثانوي |
| قضيب/عصا (Bar/Rod) | قضبان مشغولة من الكتل؛ الحدادة نادرة | قابلية جيدة للتشغيل عند المادة الصلبة | O، T5 | غالباً ما تُورّد كسبائك مصبوبة أو كتل مشغولة للعمليات الثانوية |
يُنتج ADC12 بشكل رئيسي كمكونات مصبوبة بالقالب (die-cast) والمسبوكة بالرمل بدلاً من المنتجات التقليدية مثل الألواح أو الصفائح أو البثق. تتيح عملية الصب بالقالب جدران رقيقة وأشكال معقدة بتفاوتات دقيقة وتشطيب سطحي مناسب للعديد من الأجزاء الصناعية. غالباً ما تُستخدم عمليات ثانوية مثل التشغيل، المعالجة الحرارية، والتشطيب السطحي لتلبية متطلبات المنتج النهائي.
الاختلافات في المعالجة ترتبط مباشرة بملاءمة التطبيق: الصب بالقالب يوفر إنتاجية عالية وتعقيداً هندسياً؛ الصب بالرمل ينتج أجزاء أكبر لكن بأداء ميكانيكي أقل ومساميّة عالية؛ والعمليات المطروقة لا تُستخدم عادة لأن تركيب ADC12 وبنيته الدقيقة محسوان للصب.
درجات مكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA (جمعية الألمنيوم) | A383 / A413 (تقريبي) | الولايات المتحدة الأمريكية | A383/A413 هي سبائك صب Al-Si-Cu بتركيبات وخصائص مشابهة بشكل عام لـ ADC12 |
| EN AW | EN AC-AlSi12Cu1(Fe) (تقريبي) | أوروبا | تصنيف الصب الأوروبي يتوافق مع حوالي 12% Si، 1% Cu؛ الحدود الدقيقة تختلف حسب المواصفة |
| JIS | ADC12 | اليابان | تصنيف المعيار الياباني لهذه السبيكة الخاصة بالصب بالقالب |
| GB/T | ZL102 / AlSi12Cu (تقريبي) | الصين | درجات السبائك الصينية المصبوبة Al-Si-Cu مشابهة لكنها تختلف في التحكم بالشوائب والعناصر النزرة |
التصنيفات المكافئة تقارب عائلة التركيب بدلاً من كونها تطابقات كيميائية دقيقة. الفروقات بين المناطق عامة في الشوائب المسموح بها، الحدود الدقيقة للنحاس والحديد، وعمليات ضبط الجودة المتعلقة بالتصنيع (المسامية، النظافة). يجب على المهندسين مراجعة أوراق المواصفات وشهادات الدفعات عند استبدال ADC12 بالدرجات الإقليمية لضمان توافق العناصر الحرجة والخصائص الميكانيكية.
مقاومة التآكل
يوفر ADC12 مقاومة معتدلة للتآكل الجوي النموذجي لسبائك صب Al-Si؛ تتشكل طبقة أكسيد الألمنيوم الوقائية بشكل طبيعي وتوفر الحماية الأساسية ضد التآكل المتجانس. مع ذلك، وجود النحاس يقلل من مقاومة التآكل مقارنة بالألمنيوم شبه النقي أو سبائك Mg في عائلة 5xxx، خاصة في البيئات التي تحتوي على الكلوريد حيث قد يحدث تآكل موضعي.
في التعرض البحري أو العالي الملوحة، يمكن أن يتطور تآكل موضعي (pitting) وتآكل شقوق (crevice corrosion) لـ ADC12، خاصة على الأسطح المصبوبة ذات المسامية أو تجمعات بين الفلزات التي تعمل كنقاط بداية. تُستخدم الطبقات الواقية والمواد السدادة أو الأنودة (إذا أمكن) عند توقع التعرض البحري.
تكسير التآكل الناتج عن الإجهاد ليس نمط فشل رئيسي لـ ADC12 في معظم ظروف الخدمة، لكن المكونات الواقعة تحت إجهاد شد مستمر في أجواء متآكلة قد تظهر تدهوراً موضعياً متسارعاً بسبب الفازات المحتوية على النحاس. السلوك الكهروكيميائي يجعل ADC12 أنودي بالنسبة للعديد من المعادن الهندسية الشائعة؛ يُنصح بالعزل عن المواد الكاثودية كالصلب المقاوم للصدأ أو تعديل التصميم لتقليل الاتصال ثنائي المعدن. مقارنة بعائلات 5xxx و6xxx المطروقة، يتضح أن ADC12 يتنازل قليلاً عن صلابة التآكل لصالح الأداء في الصب وسهولة التشغيل.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
اللحام لـ ADC12 يُعتبر تحدياً بشكل عام لأن البنية المجهرية النموذجية للسبائك المصبوبة بالقالب تحتوي على مسامية وسيليكون يوتكتيسي تعزز التشققات الساخنة وعيوب نقص الاندماج. يمكن استخدام لحام TIG وMIG للإصلاح أو التصنيع عندما تكون المسامية منخفضة، لكن العديد يفضلون التثبيت الميكانيكي أو اللصق اللاصق بدلاً من اللحامات الهيكلية الكاملة. عند اللزوم، يُوصى باستخدام سبائك حشو Al-Si (مثل ER4043) لتقليل التشققات الساخنة وتوفير انتقالات ميتالورجية متوافقة. يمكن أن تخفف التسخين المسبق، توافق الوصلات الجيد، والمعالجة الحرارية ما بعد اللحام من الإجهادات المتبقية ومخاطر التشقق، مع بقاء مخاطر تليين منطقة HAZ وتأثيرها على المتانة قرب المحامات.
سهولة التشغيل
يُعتبر ADC12 سبيكة صب جيدة إلى ممتازة في التشغيل بسبب جزيئات السيليكون الصلبة التي تساعد على إنتاج رقائق قصيرة وسهلة التكسر وتقلل من تكون الحواف المتراكمة. تستخدم أدوات كربيد مطلية بـ TiAlN أو مشابهة عند سرعات دوران معتدلة؛ يعتمد التغذية وعمق القطع على السماكة والمساميّة. التشطيب السطحي جيد عادة لأجزاء الصب بالقالب، لكن يجب الانتباه للحد من الزيادات والحفاظ على مسار الأدوات لتجنب تمزيق المناطق اليوتكتيكية الهشة. يقلل استخدام سائل التبريد من الحواف المتراكمة ويطيل عمر الأدوات في التشغيل العالي الحجم.
قابلية التشكيل
عمليات التشكيل محدودة لـ ADC12 بسبب طبيعة بنيته الدقيقة الغنية بالسيليكون والمسامية في القطع المصبوبة. يجب أن تكون أنصاف أقطار الانحناء كبيرة نسبياً ويفضل إجراء التشكيل على المادة في الحالة المعالجة حرارياً (O) حيثما توفرت، رغم أن ADC12 المعالج بالكامل غير متوفر عادة. العمل البارد ينتج صلابة محدودة؛ لذا تعتمد استراتيجيات التشكيل عادة على تصميم الأشكال المصبوبة لتصل إلى الشكل النهائي بدلاً من التشويه الكثيف بعد الصب.
سلوك المعالجة الحرارية
يظهر ADC12 استجابة محدودة لكنها مفيدة للمعالجة الحرارية، أساساً من خلال التسخين بالحلول، التبريد السريع (التبريد بالماء) وتسلسل التعتيق الصناعي الذي يستهدف ترسيب الفازات المحتوية على النحاس. درجات حرارة الحل النموذجية تتراوح بين 480–535 °C لإذابة الفازات القابلة للانحلال، تليها تبريد سريع للحفاظ على محلول صلب مشبع؛ ثم التعتيق الصناعي عند 150–200 °C لترسيب فازات غنية بالنحاس تعزز مقاومة الخضوع ومقاومة الشد. من الصعب تحقيق توزيع موحد في التسخين والتبريد في القطع المصبوبة السميكة والمعقدة، لذلك يستفيد ADC12 أكثر في الأجزاء ذات الجدران الرقيقة أو الصلبة والمجهزة لهندسات ملائمة للمعالجة الحرارية.
لعديد من التطبيقات الإنتاجية، يُعطى ADC12 معالجة من النوع T5—تعتيق صناعي بدون حل كامل—لأنه يوفر ثباتاً أبعادياً وزيادات متوسطة في القوة مع مخاطر أقل للانحراف. يمكن إجراء معالجة T6 كاملة لكنها محدودة عمليا بسبب المسامية والغازات المحبوسة وإمكانية الانحراف؛ واستجابة التقسية أقل قوة مقارنة بسبائك المطروقة عالية القوة القابلة للمعالجة الحرارية بسبب تأثير السيليكون اليوتكتيكي السائد. لمعالجة بدون حرارة، يكون تقسية العمل محدودة ويمكن للمعالجة التقليدية تخفيض القوة وزيادة الليونة لعمليات تشكيل محدودة.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
يفقد ADC12 قوته تدريجياً مع زيادة درجة الحرارة؛ فوق تقريباً 125–150 °C تنخفض القوة الإنشائية طويلة الأمد بشكل واضح مع تجانس الفازات وتليين المصفوفة. يمكن تحمل التعرض قصير الأمد حتى 200–250 °C حسب الحمل وهوامش الأمان المطلوبة، لكن التحميل المستمر عند هذه الدرجات غير موصى به للمكونات الهيكلية. الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة معتدلة لأن الألمنيوم يشكل طبقة أكسيد وقائية، رغم إمكانية حدوث تدهور سطحي وتشكّل قشرة في الأجواء القاسية.
يمكن أن تظهر منطقة التأثير الحراري (HAZ) بالقرب من اللحامات ومناطق المعالجة توقيع تليين أو هشاشة حسب دورات الحرارة؛ الفازات المحتوية على النحاس تميل إلى التجانس تحت الحرارة الطويلة. للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، يجب النظر في سبائك بديلة (مثل Al-Si-Mg أو سبائك ألمنيوم متخصصة أو غير ألمنيوم) عندما تتجاوز درجات الخدمة حدود ADC12 العملية.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | لماذا يُستخدم ADC12 |
|---|---|---|
| السيارات | أغطية النقل، أجسام الصمامات، الحوامل، الأغطية | سهولة عالية للصب بالقالب لأشكال معقدة، توازن بين القوة وسهولة التشغيل للإنتاج الضخم |
| الأجهزة الاستهلاكية | أغلفة المحركات، الإطارات | تشطيب سطحي جيد وتحكم أبعاد عالي لأجزاء جمالية ووظيفية |
| الإلكترونيات | الأغطية، الموصلات | توصيل حراري كافٍ وحماية من التداخل الكهرومغناطيسي |