ألمنيوم 1060: التركيب، الخصائص، دليل التلدين والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
الدرجة 1060 هي عضو في سلسلة 1000 من سبائك الألومنيوم المطروقة، وتمثل الألومنيوم التجاري النقي تقريباً بنسبة محتوى ألومنيوم لا تقل عن 99.6%. تتميز هذه السلسلة باضافات عناصر سبائكية منخفضة جداً وتصنف كسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ إذ يتم الحصول على القوة الميكانيكية أساساً عبر التقسية بالعمل واختيار معالجة المنتج المناسبة.
العناصر السبائكية الرئيسية المتعمدة في 1060 موجودة فقط بكميات أثرية: الحديد والسيليكون هما العناصر المتبقية الأساسية مع وجود نحاس والمنغنيز والمغنيسيوم والزنك والكروم والتيتانيوم بمستويات قصوى منخفضة جداً. عدم وجود عناصر تقوية في المحلول الصلب يعني أن 1060 يعتمد على التقسية بالتشكيل البارد للحصول على القوة، مما يمنحه قابلية تشكيل ولدن ممتازة في حالة التليين ومنحنيات تقسية متوقعة مع الإجهاد.
السمات الرئيسية لـ 1060 تشمل مقاومة ممتازة للتآكل في العديد من الأجواء، وموصلية حرارية وكهربائية عالية، وقابلية لحام ممتازة، وقابلية تشكيل متفوقة في حالة التليين. وعلى الرغم من أن قوتها منخفضة نسبياً مقارنة بالسبائك المطروقة الأخرى، إلا أن مزيجها من الموصلية، والنقاء، وسهولة التصنيع يجعلها جذابة لصناعات مثل الموصلات الكهربائية، والمعالجة الكيميائية، والتعبئة والتغليف، والتكسية المعمارية، والمبادلات الحرارية.
يختار المهندسون 1060 عندما يكون تعظيم الموصلية أو القابلية للتشكيل أو مقاومة التآكل أهم من تعظيم القوة. كما تُختار أيضاً حيث يُطلب من الناحية المعدنية نقاء عالي للربط بالتلحيم (brazing)، أو الطلاء، أو التوافق الكيميائي، وعندما يكون التكلفة المنخفضة والتوفر الواسع بأشكال الألواح، واللفائف، والبثق أمراً ضرورياً.
أنواع معالجة المنتج (Temper)
| المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية (20–35%) | ممتازة | ممتازة | تليين كامل، أقصى قابلية للشد والتشكيل |
| H12 | منخفضة إلى معتدلة | معتدلة (10–20%) | جيدة جداً | ممتازة | تقسية بعمل خفيف، تحافظ على قابلية تشكيل جيدة |
| H14 | معتدلة | معتدلة (6–15%) | جيدة | ممتازة | معالجة باردة شائعة تجارياً للألواح |
| H18 | معتدلة إلى عالية | منخفضة (2–8%) | متوسطة | ممتازة | تقسية باردة كاملة، تشكيل محدود |
| H24 | معتدلة | أدنى (4–10%) | محدودة | ممتازة | تقسية بالشد ثم تليين جزئي |
| H19 | عالية | منخفضة جداً (≤5%) | ضعيفة | ممتازة | تقسية شد قصوى لتطبيقات الأقسام الصغيرة الصلبة |
المعالجة تؤثر تأثيراً أساسياً على القوة والاستطالة في 1060 لأن اضافات السبائك قليلة جداً ولا يمكن للمعالجة الحرارية أن تنتج تقسية ترسيبية. العمل البارد (معالجات H) يزيد من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد مقابل خسارة في الدكتيلية وقابلية التشكيل، مما يسمح بالاختيار بين قابلية تشكيل ممتازة (O) أو صلادة وارتداد أعلى (H18/H19).
تظل قابلية اللحام ممتازة عبر معظم المعالجات لأن السبيكة هي عمليا ألومنيوم نقي، لكن منطقة التأثر الحراري حول اللحام قد تقلل موضعياً من قوة التقسية بالعمل؛ لذلك يجب على المصممين مراعاة التليين المجاور للحام عند استخدام معالجات H.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Al | متوازن (~99.6 كحد أدنى) | المكون الرئيسي؛ يحدد الموصلية والسلوك ضد التآكل |
| Si | ≤ 0.25 | شوائب متبقية؛ تؤثر على سيولة الصب في سبائك أخرى |
| Fe | ≤ 0.35 | الشائعة كثاني أكثر من شوائب؛ قد تقلل الدكتيلية وتخفض الموصلية قليلاً |
| Mn | ≤ 0.03 | منخفض جداً؛ تأثير تقوية ضئيل |
| Mg | ≤ 0.03 | لا تأثير تقوية في المحلول الصلب بـ1060 |
| Cu | ≤ 0.05 | مخفض للحفاظ على مقاومة التآكل والموصلية |
| Zn | ≤ 0.03 | منخفض لتجنب تأثيرات كهروكيميائية وتقوية غير مرغوبة |
| Cr | ≤ 0.03 | أثر أثرى محدود؛ قد يؤثر على بنية الحبيبات بشكل طفيف |
| Ti | ≤ 0.03 | يستخدم عادة بكميات صغيرة لتحسين تنعيم الحبيبات في بعض المنتجات |
| عناصر أخرى | ≤ 0.15 (مجموع) | باقي الشوائب مجتمعة؛ تدار للحفاظ على نقاء السبيكة |
التركيب القريب من الثنائية بين الألومنيوم مع شوائب منخفضة ومضبوطة يضمن موصلية كهربائية وحرارية عالية ومقاومة تآكل ممتازة. حتى الزيادات الطفيفة في الحديد أو السيليكون تقلل الدكتيلية والموصلية؛ لذا تُنظم مواصفات 1060 حدود الشوائب بدقة لتوفير أداء مستقر لتطبيقات حساسة للموصلية ومتوافقة كيميائياً.
الخصائص الميكانيكية
في خصائص الشد، يظهر 1060 التليين مقاومة خضوع ومقاومة شد منخفضة مع استطالة عالية جداً، مما يمنحه قدرة ممتازة على السحب العميق والتشكيل المعقد. العمل البارد (H-tempers) يرفع تدريجياً مقاومة الخضوع والشد مع تقليل الاستطالة؛ استجابة التقسية بالإجهاد متوقعة وخطية لحسابات التصميم المرتبطة بالارتداد والجهود المتبقية.
الصلادة في المادة المليّنة منخفضة وعادة ما تزداد مع التقسية بالعمل؛ قيم الصلادة برينل أو فيكرز تتناسب مع زيادة الشد بشكل منتظم. أداء التعب محدود بالقوة المنخفضة الفطرية ويعتمد بشدة على حالة السطح، والإجهادات المتبقية الناتجة من التصنيع، ووجود الشقوق؛ الأسطح المصقولة والمؤكسدة ستطيل عمر التعب.
السماكة تلعب دوراً مزدوجاً: السماكات الرقيقة تحقق تليناً كاملاً وخصائص ميكانيكية أكثر انتظاماً بعد المعالجة، أما الأقسام السميكة فقد تحتوي على إجهادات متبقية وعدم تجانس من الدرفلة أو البثق ترفع قليلاً الحد الأدنى للقوة لكنها قد تقلل الاستطالة المنتظمة.
| الخاصية | O / التليين | درجة معالجة رئيسية (مثل H14/H18) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | 70–105 MPa | 120–180 MPa | القيم تختلف حسب السماكة ومستوى التقسية بالعمل |
| مقاومة الخضوع | 25–60 MPa | 80–140 MPa | مقاومة الخضوع تزيد بقوة مع العمل البارد |
| الاستطالة | 20–35% | 2–15% | التليين يوفر أقصى استطالة؛ معالجات H تقلل الدكتيلية لصالح القوة |
| الصلادة | 20–35 HB | 30–55 HB | الصلادة تتناسب مع مقاومة الشد؛ المادة الملينة ناعمة جداً |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.70–2.71 جرام/سم³ | مميزة لسبائك الألومنيوم عالية النقاء |
| نطاق درجة الانصهار | ~660–657 °C | صلب/سائل ضيق لالومنيوم النقي؛ نقطة انصهار قريبة من 660 °C |
| الموصلية الحرارية | ~220–237 واط/م·ك | عالية جداً، أقل قليلاً من الألومنيوم النقي حسب الشوائب |
| الموصلية الكهربائية | ~58–61 %IACS | موصلية عالية مناسبة للقضبان والحوامل الكهربائية |
| السعة الحرارية النوعية | ~897 جول/كجم·ك (0.897 جول/جم·ك) | مميزة للألومنيوم عند درجة حرارة الغرفة |
| معامل التمدد الحراري | ~23.4 ×10⁻⁶ /ك | معامل تمدد حراري مرتفع؛ مهم لتصميم الدورات الحرارية |
الخصائص الفيزيائية لـ 1060 تجعلها مفضلة حيث تكون وظائف تبديد الحرارة أو التوصيل الكهربائي هي الأولوية. يجب على المصممين مراعاة معامل التمدد الحراري المرتفع نسبياً في التجميعات متعددة المواد لتجنب التشوه مع تغيرات الحرارة.
النقاء القريب من الألومنيوم النقي يحافظ على الموصلية الحرارية والكهربائية قريباً من العنصر الأصلي، لذلك غالباً ما يكون 1060 هو المادة المختارة للمشعات، ومشتتات الحرارة، والمكونات الحاملة للتيار حيث أن أي إضافة سبائكية تزيد قد تقلل الأداء.
أشكال المنتج
| الشكل | سماكة/حجم نموذجي | سلوك القوة | المعالجات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2–6.0 mm | قوة منتظمة، سهلة التشكيل بالعمل البارد | O, H12, H14, H18 | شائعة للتكسية، التعبئة، والسحب العميق |
| صفائح سميكة | >6.0 حتى 50 mm | قوة منتظمة أقل في القسم السميك | O | تستخدم الصفائح السميكة لخزانات المواد الكيميائية والألواح المعمارية |
| البثق | مقاطع عرضية للشكل | تتغير القوة حسب التبريد والتقسية بالعمل | O, H12 | السبائك المحتفظة بموصلية عالية وتستخدم في ملفات نقل الحرارة |
| أنابيب | أقطار 6–300 mm | مماثلة للألواح؛ ملحومة أو بدون درز | O, H14 | تستخدم في المبادلات الحرارية والقنوات والأنابيب |
| قضبان/أسياخ | قطر 4–100 mm | جيدة للختم البارد والتشكيل | O, H12, H14 | تستخدم لدبابيس نقل الحرارة وقضبان التوصيل الكهربائية |
الألواح واللفائف هي أشكال الإنتاج السائدة وعادةً ما تتم معالجتها بمسامير سماكة ضيقة مع تشطيبات سطح متناسقة مناسبة للأكسدة السطحية. تتطلب عمليات البثق والأنابيب مراقبة دقيقة لكيمياء القوالب والتبريد لتقليل الإجهادات الباقية والحفاظ على الاستقرار البعدي للتجميعات.
اختيار الشكل والحالة المعدنية يعتمد على الخصائص النهائية المطلوبة: القطع العميقة تميل إلى استخدام الألواح الملدنة، بينما التطبيقات التي تتحمل الأحمال ولكنها رقيقة وتتطلب صلابة قد تحتاج إلى حالات H، وغالبًا ما تستخدم مقاطع المبادلات الحرارية المعالجة بالبثق السبيكة في حالة البثق أو الحالة المقواة قليلاً لتحقيق توازن بين التوصيل والثبات البعدي.
درجات مكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 1060 | الولايات المتحدة | مواصفات ASTM وAMS للألمنيوم تجاري النقاء |
| EN AW | 1060 (Al99.6) | أوروبا | القياس الأوروبي يتطابق مع محتوى ألمنيوم لا يقل عن 99.6% |
| JIS | A1050 / A1060 | اليابان | مكافئات JIS لدرجات الألمنيوم عالية النقاء |
| GB/T | 1060 | الصين | أرقام GB الصينية عادة تتطابق مع تسمية السبائك المشغولة |
الدرجات المكافئة عبر المعايير متشابهة إلى حد كبير في التركيب الكيميائي، ولكن قد تختلف قليلاً في حدود الشوائب، ممارسات التصديق، وأشكال المنتجات. يجب على المستخدمين الذين يحددون مكافئات عابرة للمعايير التحقق من التفاصيل الكيميائية والميكانيكية وحدود التسامح ومواصفات المنتج الحاكمة (ألواح، صفائح، بثق) لضمان التبادلية الكاملة. كما يُفضل وجود وثائق تتبع وتصديق عند استخدام مواد بديلة في تطبيقات كهربائية أو كيميائية.
مقاومة التآكل
تتمتع درجة 1060 بمقاومة ممتازة للتآكل الجوي وتؤدي أداءً جيدًا في العديد من البيئات الصناعية والحضرية بسبب وجود طبقة مستقرة ومتراصة من أكسيد الألمنيوم تعزل السطح. في البيئات المعتدلة العدوانية والعديد من الظروف الكيميائية، يقلل محتوى النحاس والزنك المنخفض في السبيكة من ظاهرة التآكل الغلفاني وتآكل الحفر، مما يوفر عمرًا أطول مقارنة بالسبائك ذات القوة العالية التي تحتوي على نسب كبيرة من النحاس.
في البيئات البحرية أو التي تحتوي على الكلوريدات، تؤدي درجة 1060 أداءً معقولاً بالمقارنة مع السبائك الإنشائية الشائعة، ولكن لأن الألمنيوم أنودي بالنسبة للعديد من المعادن الأخرى، فإنه يتعرض لهجوم تآكلي غلفاني إذا اقترن بمواد كاثودية فعالة بدون عزل مناسب. كسر التآكل الناتج عن الإجهاد غير شائع كسبب لفشل 1060 في الاستخدام العادي لأنه سبيكة لينة وليست معالجة بالتصلب البارد بشكل كبير؛ كما أن التحسس غير قابل للتطبيق مثل بعض الفولاذ والسبائك الألمنيوم عالية القوة.
مقارنة بسلاسل 3xxx و5xxx، توفر 1060 مقاومة تآكل مماثلة أو أفضل في البيئات المتعادلة والحامضية الخفيفة بسبب عدم احتوائها على كميات كبيرة من النحاس أو المغنيسيوم، لكنها لا تعطي حماية أنودية تضحية كما تقدم بعض الأنظمة المطلية أو السبائكية في البيئات الحاوية على كلوريدات شديدة العدوانية.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
تلحم 1060 بشكل ممتاز باستخدام طرق الانصهار الشائعة مثل TIG وMIG لأن السبيكة عبارة عن ألمنيوم نقي تقريبًا ولا تميل إلى التشقق الحراري مثل بعض السبائك العالية القوة. يُستخدم عادةً معادن الحشو مثل 1100, 4043 (ألمنيوم-سيليكون) أو 5356 (ألمنيوم-مغنيسيوم) حسب متطلبات اللدونة، مقاومة التآكل، والتشطيب بعد اللحام؛ يقلل 4043 من قابلية التشقق الحراري في بعض الأشكال الهندسية.
تؤدي مناطق التأثر الحراري في اللحامات إلى تقليل القوة الناتجة عن التصلب البارد سابقًا، لذلك يجب على المصممين مراعاة المناطق الملسنة المجاورة للحامات في المكونات المصنوعة من حالات H. نادراً ما يُطلب التسخين المسبق لألواح الرقيقة، لكنه قد يُستخدم في القطع السميكة لتفادي التدرجات الحرارية والتشوهات.
قابلية التشغيل
تعتبر قابلية التشغيل في 1060 متوسطة إلى منخفضة مقارنة بسبائك الألمنيوم المصممة خصيصًا للتشغيل الحر. المواد لينة وتميل إلى التشويه بدلاً من الانكسار، لذا يتطلب الأمر أدوات حادة واستراتيجيات تشكل رقائق عدوانية. تعطي أدوات الكربيد ذات الزوايا الإيجابية والتحضير الجيد للحافة أفضل النتائج، ويُستخدم المبرد أو المزلّق لتقليل تراكم الحواف وتحسين التشطيب السطحي للأجزاء ذات الدقة العالية.
يمكن أن تكون سرعات القطع عالية نسبياً مقارنة بالصلب، لكن التحكم في الرقاقة وامتصاص الاهتزازات مهمان لأن الرقائق الليّنة يمكن أن تتشابك؛ يُعتبر تصميم فواصل الرقائق واستخدام معدلات تغذية عالية لتعزيز تقطيع الرقاقات من الممارسات الشائعة.
قابلية التشكيل
تعد قابلية التشكيل من أبرز مميزات 1060 في حالة O، حيث تتميز بخصائص ممتازة للسحب العميق، الثني، والتشكيل بالشد بسبب الاستطالة الموحدة العالية وقوة الخضوع المنخفضة. عادة ما تكون أقل أنصاف أقطار الثني بين 0.5 إلى 1.0× السمك للصفائح الملدنة في العديد من عمليات التشكيل، وتتحمل السبيكة أنصاف أقطار ضيقة وهندسيات معقدة مع حد أدنى من التشقق.
يعد العمل البارد آلية التقوية الأساسية ويمكن استخدامه لضبط الرجوع والنشافة بعد التشكيل، لكن مع زيادة التصلب تفقد السبيكة قدرًا كبيرًا من اللدونة وتصبح أقل قابلية للتشكيل الثانوي؛ لذا يجب على المصممين ترتيب عمليات التشكيل والتصلب بعناية.
سلوك المعالجة الحرارية
تصنف 1060 كسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ لا تخضع لتصلب الترسيب وبالتالي لا يمكن تقويتها من خلال دورات المعالجة بالحلول الحرارية والشيخوخة. يتم تعديل القوة عن طريق العمل البارد المنضبط لزيادة كثافة الانزلاقات، أو عن طريق إجراء عمليات التلدين الكاملة لإرجاع المادة إلى حالة O مع أقصى درجات اللدونة.
عادة ما تتم دورات التلدين لدرجة 1060 بتسخين إلى درجات حرارة تتراوح بين 300–415°C حسب سمك المقطع والمدة، تليها تبريد مسيطر عليه لتجنب التشوه؛ هذا يعيد اللدونة عن طريق تعزيز إعادة التبلور وتقليل كثافة الانزلاقات. ونظرًا لأن المعالجات الحرارية لا تنتج ترسيبات تقسية، تُوصف حالات السبيكة بمزيج من التصلب بالانفعال والاستقرار الحراري (وتحدد حالات H درجة التصلب بالانفعال).
الأداء عند درجات الحرارة العالية
تُظهر 1060 انخفاضًا واضحًا في القوة مع زيادة درجة حرارة الخدمة؛ يحدث فقدان كبير في الأداء الميكانيكي فوق ~150–200°C بسبب عمليات الاسترداد واللين التي تقلل من كثافة الانزلاقات. للخدمة المستمرة عند درجات حرارة مرتفعة، يفضل المصممون تحديد التشغيل المستمر إلى أقل من ~100–120°C للحفاظ على الخصائص الميكانيكية وتجنب تشوه الزحف في الأجزاء الحاملة للأحمال.
يؤدي تأكسد الألمنيوم في درجات الحرارة المرتفعة إلى تشكيل طبقة أكسيد رقيقة واقية، لكنها لا توفر حماية هيكلية ضد التآكل في الغازات المؤكسدة أو المحتوية على الكلوريدات؛ يجب مراعاة لين السبيكة في مناطق التأثر الحراري المجاورة للمعرضة لدرجات الحرارة العالية في التركيبات الملحومة أو الملحمية.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 1060 |
|---|---|---|
| الكهربائية | قضبان التوصيل، الموصلات، أشرطة التجميع | توصيل كهربائي عالي ومستويات منخفضة من الشوائب |
| الكيميائية والغذائية | خزانات، أنابيب، بطانات | مقاومة التآكل والتوافق الكيميائي |
| أنظمة التدفئة والتهوية وتبادل الحرارة | زعانف المشعات، زعانف المبادلات الحرارية | توصيل حراري عالي وقابلية تشكيل ممتازة |
| الهندسة المعمارية | التكسية، ألواح السقف | قابلية التشكيل، التشطيب، ومقاومة التآكل |
| تغليف المستهلك | رقائق، حاويات | النقاء، اللدونة، الآمان في ملامسة الطعام |
يُختار 1060 بشكل متكرر عندما تكون التوصيلية، مقاومة التآكل، وقابلية التشكيل هي المحركات الوظيفية الأساسية بدلاً من القوة الميكانيكية القصوى. توفر وتوافره في الصفائح، اللفائف، والأشكال المبثوقة، مع استجابة محسوبة للتصلب البارد وسهولة اللحام، يضمن استخدامه المستمر في العديد من القطاعات الصناعية.
نصائح للاختيار
يعتبر 1060 الخيار المنطقي عندما تكون التوصيلية الكهربائية أو الحرارية وقابلية التشكيل المتفوقة هي الأولوية على القوة. بالنسبة لقضبان التوصيل، زعانف التبريد، الحاويات المسحوبة عميقًا، والبطانات الكيميائية المتوافقة، يجعل نقاء السبيكة وانخفاض الشوائب منها المادة الأنسب مقارنة بالعديد من البدائل السبائكية.
بالمقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي 1100، عادةً ما يقدم 1060 توصيلاً كهربائياً مشابهاً ومحتوى ألمنيوم أدنى قليلاً عند تحديده، مقابل فروقات طفيفة في حدود الشوائب من حيث التوفر والتكلفة؛ وينبغي للمصممين الاختيار بناءً على حدود التصديق الخاصة. بالمقارنة مع السبائك المشغولة مثل 3003 أو 5052، يوفر 1060 بشكل عام توصيلاً أفضل ومقاومة تآكل مماثلة أو أفضل ولكنه أقل قوة في الحالة المشغولة، لذا يُفضل عندما تكون قابلية التشكيل أو التوصيلية أهم من مقاومة التحميل. مقابل السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061، ستكون 1060 أقل بكثير في القوة القصوى ولكن بأفضلية في التوصيلية وقابلية التشكيل، مما يجعلها المادة الأفضل عند الحاجة للانضمام، اللحام المدرفل، أو نقل الحرارة كعامل تصميم رئيسي.
ملخص ختامي
تظل 1060 سبيكة أساسية للتطبيقات التي تتطلب نقاءً عاليًا، توصيلاً جيدًا، مقاومة تآكل، وقابلية تشكيل ممتازة بدلاً من القوة العالية. تسهم استجابتها المتوقعة للعمل البارد، وتوافرها الواسع في أشكال متعددة، وسهولة تصنيعها في بقائها خيارًا مهمًا للهندسة الكهربائية، الكيميائية، المعمارية، وطرق تبادل الحرارة حتى ضمن محافظ المواد الحديثة.