الألومنيوم 1070: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
الدرجة 1070 هي عضو من سلسلة 1xxx لسبائك الألمنيوم المشغولة وتصنف كألومنيوم نقي تجاريًا بمحتوى ألومنيوم اسمي يبلغ 99.7% بالوزن. يشير تصنيفها إلى وجود تركيزات منخفضة للغاية من عناصر السبائك، مما يجعلها جزءًا من عائلة الألمنيوم النقي غير المعالج حراريًا التي تعتمد بشكل رئيسي على العمل البارد لزيادة القوة.
العناصر الرئيسية في السبائك هي كميات ضئيلة من الحديد والسيليكون مع مستويات طفيفة من النحاس والمنغنيز والمغنيسيوم والزنك والكروم والتيتانيوم الموجودة كشوائب متبقية أو عناصر مراقبة. يتم تقوية السبيكة بشكل رئيسي من خلال تقسية العمل (التصلب بالشد) بدلاً من التصلب بالترسيب، ويُستخدم التلدين لاستعادة اللدونة وإعادة تبلور البنية المجهرية.
الخصائص الرئيسية لـ 1070 تشمل أعلى مستويات التوصيل الكهربائي والحراري بين درجات الألمنيوم الهيكلية، ومقاومة جيدة جدًا للتآكل في العديد من البيئات، وقابلية ممتازة للتشكيل في الحالة الملدنة، وسهولة في اللحام. تجعل هذه الخصائص هذه الدرجة جذابة للصناعات مثل التوزيع الكهربائي والطاقة، المعالجة الكيميائية، العواكس والإضاءة، المكونات المعمارية، وبعض تطبيقات إدارة الحرارة حيث تكون التوصيلية أولوية على القوة.
يفضل المهندسون استخدام 1070 بدلاً من السبائك الأعلى قوة عندما تكون التوصيلية القصوى، وقابلية التشكيل المتفوقة ومقاومة التآكل أهم من الحاجة إلى قوة ميكانيكية مرتفعة. يتم اختيارها حيث يتطلب الأمر تشكيل معقد، لحام بالبرادة أو ربط أجزاء رقيقة، وحيث يستفيد بيئة الخدمة من فيلم الأكسيد المستقر والنشاط الكهروكيميائي البنائي المنخفض مقارنة مع مجموعات السبائك الأخرى.
أنواع المعالجة الحرارية (Temper)
| المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالٍ | ممتاز | ممتاز | حالة تلدين كاملة مع إعادة تبلور لزيادة اللدونة القصوى |
| H12 | متوسط-منخفض | معتدل | جيد | ممتاز | تصلب خفيف بالشد، شائع للرسم والتشكيل الخفيف |
| H14 | متوسط | منخفض | جيد | ممتاز | معالجة نصف صلبة مع توازن بين القوة وقابلية التشكيل بالشد |
| H16 | متوسط-عالٍ | منخفض-معتدل | متوسط إلى جيد | ممتاز | ثلاثة أرباع الصلابة، تستخدم لزيادة الصلابة في القطاعات الرقيقة |
| H18 | عالٍ | منخفض | محدود | ممتاز | صلب كامل، قوة قصوى من العمل البارد، تشكيل محدود |
| H22/H24 | متغير | متغير | متغير | ممتاز | معالجات مستقرة تجمع بين الحلول/الشد والتحكم في التلدين الخفيف |
تلعب المعالجة الحرارية دوراً أساسياً في موازنة القوة مقابل اللدونة في 1070 لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ يزيد العمل البارد القوة مع تقليل الاستطالة وقابلية التشكيل. لذا فإن اختيار المعالجة هو مساومة مباشرة بين الصلابة الميكانيكية المطلوبة أثناء الخدمة وكمية العمليات التشكيلية أو السحب التي يجب أن يمر بها الجزء.
تظل قابلية اللحام ممتازة عبر مختلف أنماط المعالجة لأن لا توجد جسيمات تقوية منفصلة يجب إذابتها، ولكن قد يؤدي التليين المحلي بعد اللحام الناتج عن التلدين الموضعي لمناطق العمل البارد إلى تغيير الأداء الميكانيكي المحلي، ويجب أخذ ذلك في الاعتبار أثناء التصميم والمعالجة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.20 | الشائبة الرئيسية المتبقية؛ يتم التحكم بها للحد من القوة والحفاظ على التوصيل |
| Fe | ≤ 0.40 | شائبة شائعة تشكّل مركبات بين فلزية وتؤثر على الخواص الميكانيكية |
| Mn | ≤ 0.03 | عادة منخفضة جدًا؛ قد تؤثر قليلاً على الهيكل الحبيبي إذا وجدت |
| Mg | ≤ 0.03 | صغير جدًا؛ المستويات المنخفضة لا تنتج تصلب ترسيبي في 1070 |
| Cu | ≤ 0.05 | يُحافَظ عليه منخفضًا جدًا للحفاظ على مقاومة التآكل والتوصيل |
| Zn | ≤ 0.03 | مستوى متبقٍ؛ تستخدم مستويات أعلى من الزنك في عائلات سبائك مختلفة |
| Cr | ≤ 0.03 | كميات ضئيلة قد تؤثر على سلوك إعادة التبلور عند مستويات منخفضة جدًا |
| Ti | ≤ 0.03 | غالباً ما يكون موجودًا كمحسن للهيكل الحبيبي بإضافات صغيرة مقصودة |
| عناصر أخرى (لكل منها) | ≤ 0.05 | العناصر الأخرى مجتمعة تُحتفظ بمستوى منخفض للحفاظ على نقاء الألمنيوم العالي؛ الألمنيوم هو الباقي |
الألمنيوم هو المتبقي في التركيب (~99.7%)، والكمية المنخفضة الإجمالية من عناصر السبائك هي السمة المميزة لـ 1070. تؤثر العناصر الشائبة والآثار المتبقية على حجم الحبيبات، وسلوك التشكيل، واستقرار طبقة الأكسيد الطبيعية؛ لذا فإن التحكم الدقيق في هذه العناصر يضمن توصيلًا عاليًا واستجابة متوقعة للعمل البارد.
الخصائص الميكانيكية
سلوك الشد لـ 1070 يتميز بانخفاض مقاومة الخضوع وقوة شد نهائية معتدلة في الحالة الملدنة، مع إمكانية زيادة كبيرة للقوة عن طريق العمل البارد. مقاومة الخضوع منخفضة نسبيًا مقارنة بالسبائك المسبوكة، لذا يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار تشوهات أعلى قبل الوصول للخضوع، وغالبًا ما تكون الاستطالة في الحالة الملدنة مرتفعة، مما يفيد في التشكيل والسحب العميق.
الصلادة في 1070 الملدنة منخفضة (ناعمة ومرنة) وترتفع تدريجيًا مع زيادة العمل البارد؛ وترتبط الصلادة بقيم الشد وهي مفيدة للتحكم في العمليات أثناء التشكيل بالطرق، الثني، والتشكيل بالشد. يتأثر الأداء في الشد المتكرر بحالة السطح والعمل البارد: تتسيد عيوب السطح والشقوق حياة الشد في المنتجات الرقيقة، بينما يمكن للعمل البارد تحسين مقاومة الشد المتكرر مع التضحية باللدونة.
السماكة تؤثر تأثيرًا كبيرًا على المقاييس الميكانيكية لأن الهياكل الحبية والعمليات التي تعتمد على مقياس الشريط تؤثر على مقاومة الخضوع والاستطالة؛ الأوراق الرقيقة غالبًا ما تظهر قابلية أفضل للتشكيل وقيم استطالة أعلى، في حين أن الصفائح السميكة قد تحافظ على استطالة أقل وقوة أعلى قليلاً حسب جداول الدرفلة.
| الخاصية | الحالة الملدنة O | المعالجة الرئيسية (مثل H14/H16) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~60–95 MPa | ~110–180 MPa | تعتمد بشكل قوي على العمل البارد والسماكة؛ النطاقات نموذجية للمواد المدلفنة |
| مقاومة الخضوع | ~20–45 MPa | ~80–160 MPa | مقاومة الخضوع عند 0.2% تغير حسب المعالجة والتشوه السابق |
| الاستطالة | ~15–35% | ~1–10% | الحالة الملدنة توفر قابلية سحب عميق؛ العمل البارد يقلل اللدونة بشكل ملحوظ |
| الصلادة (HB) | ~15–35 HB | ~30–65 HB | قيمة صلادة برينل تقريبية؛ العمل البارد يزيد الصلادة بالتناسب مع مكاسب القوة |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.70 g/cm³ | نموذجية لسبائك الألمنيوم، مفيدة لحسابات الكتلة والصلابة |
| مدى الانصهار | 660–660.5 °C | نطاق الصلادة-الانصهار ضيق للألمنيوم عالي النقاء |
| التوصيل الحراري | 220–240 W/(m·K) | موصل حراري ممتاز؛ من أفضل سبائك الألمنيوم الهيكلية |
| التوصيل الكهربائي | ~60–64 % IACS | توصيل كهربائي عالي لتطبيقات التوزيع وقضبان التوصيل |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.90 J/(g·K) | سعة حرارية نوعية عالية تدعم استخدامات تبديد الحرارة والتخزين الحراري |
| التوسع الحراري | ~23.6 µm/(m·K) | معامل نمو حراري نموذجي للألمنيوم؛ مهم لتصميم مقاومة الاختلاف الحراري |
يجعل الجمع بين الكثافة المنخفضة والتوصيل الحراري والكهربائي العالي من 1070 مادة ذات قيمة عالية حيث تهيمن عوامل الكتلة أو نقل الحرارة أو القدرة على حمل التيار على اختيار المادة. تعتبر بيانات التوسع الحراري والتوصيل ضرورية عند تجميع الأجزاء الملحومة للتحكم في اجهادات التوسع الحراري المتفاوت ودورات الحرارة في التطبيقات الإلكترونية والمعمارية.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المعالجات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2–6.0 mm | تزداد القوة مع البثق البارد | O, H12, H14, H16 | مستخدمة على نطاق واسع للمرايا، التغليف، ألواح الواجهات |
| صفائح | >6.0 mm | محدودة؛ الصفائح الثقيلة أقل شيوعاً | O, H18 | متوفرة ولكن أقل شيوعاً بسبب ضعف قوة السبائك |
| بثق | مقاطع تصل إلى مقاطع كبيرة | ترتبط القوة بالعمل البارد اللاحق | O, H14 | أشكال بثق للأشرطة الناقلة، مكونات الهياكل، والمبادلات الحرارية |
| أنابيب | أنابيب بجدران رقيقة إلى سميكة | العمل البارد والسحب يتحكمان بالخواص الميكانيكية | O, H14 | تستخدم في الأنظمة الكيميائية والمعمارية، سهلة اللحام أو اللحام بالنحاس |
| قضبان/عصي | أقطار من mm وحتى كبيرة | تزداد بالقذف البارد | O, H12/H14 | عصي ناقلة، ذخيرة للمثبتات، وأجزاء مخصصة التشكيل |
الألواح والمنتجات الرقيقة هي أكثر الأشكال شيوعاً من 1070، مصممة خصيصاً للتشكيل والتطبيقات الحرارية والكهربائية؛ الصفائح الثقيلة أقل تواتراً بسبب تفضيل السبائك ذات القوة الأعلى للأحمال الإنشائية. تُستخدم أشكال البثق والقضبان عندما تكون هناك حاجة إلى هندسة مقطع خاص وقدرة توصيل، حيث تُحدد خصائصها الميكانيكية بشكل رئيسي من خلال العمل البارد واختيار المعالجة الحرارية.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 1070 | الولايات المتحدة الأمريكية | تعيين وفق نظام Aluminum Association للألمنيوم النقي تجارياً |
| EN AW | 1070 | أوروبا | EN AW-1070 يعادل حدود تركيب كيميائية مماثلة في المعايير الأوروبية |
| JIS | A1070 | اليابان | درجة معيار صناعي ياباني تطابق الألمنيوم النقي تجارياً |
| GB/T | 1070 | الصين | درجة معيار صيني بحدود شوائب وتطبيقات مماثلة |
تعكس جداول المكافآت حدود كيميائية متقاربة لكن يمكن أن تختلف بتركيزات الشوائب القصوى، العناصر الأثرية المسموح بها، وطرق اختبار الخواص الميكانيكية المحددة. تؤثر هذه الاختلافات الدقيقة على عمليات الشراء وضبط الجودة، وللتطبيقات الكهربائية أو التشكيلية الحرجة يجب على المهندسين مراجعة شهادات الاختبار مقابل المعيار الإقليمي المعتمد.
مقاومة التآكل
يظهر 1070 مقاومة ممتازة للتآكل الجوي العام نتيجة للطبقة المستمرة والمتينة من أكسيد الألمنيوم التي تتشكل بسرعة عند تعرضه للهواء. في البيئات الصناعية المعتدلة والمحايدة التآكل، يعمل السبيكة بشكل جيد، كما أن غياب العناصر المسببة للتآكل الكثيف يقلل من احتمالية حدوث تآكل موضعي ناتج عن اختلاف فرق الجهد الكهربي في العديد من التجميعات.
في البيئات البحرية يظهر 1070 مقاومة معقولة، لكن يمكن أن يحدث تآكل حفري بفعل الكلوريدات على الأسطح الملوثة أو الشقوق؛ تنظيف السطح، الطلاءات الواقية، أو الأكسدة الكهربائية (أنودة) هي تدابير شائعة للاستخدام البحري طويل الأمد. لا يُعتبر التشقق الناتج عن تآكل الإجهاد مشكلة كبيرة لهذا السبيكة مقارنة بالسبائك العالية القوة القابلة للمعالجة حرارياً، بسبب انخفاض قوته وغياب المطايرات التي قد تجعل المادة هشة تحت الإجهاد الشد والتآكل.
يجب أيضاً مراعاة التفاعلات الجلفانية عند استخدام 1070 مع معادن أنقى مثل النحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ؛ وعلى الرغم من أنه أقل نشاطاً من الزنك، إلا أنه عند استخدامه كموصل على اتصال مع معادن مختلفة يُنصح باستخدام طبقات عازلة، طلاءات، أو حماية تضحيات حسب الحاجة. مقارنة بسبائك السلسلتين 3xxx و5xxx، غالباً ما يظهر 1070 خصائص كهربية وحرارية أفضل، وقد يكون متساوٍ أو متفوق قليلاً في مقاومة التآكل بفضل نقاوته العالية وطبقة الأكسيد المستقرة.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يمكن لحام 1070 بسهولة باستخدام طرق اللحام بالانصهار الشائعة مثل TIG وMIG لأنه لا يحتوي على مطايرات تسبب تصلب تذوب خلال دورة الحرارة، وتتحكم خواص معدن اللحام بشكل رئيسي باختيار سلك الحشو وأساليب الانصهار. الأسلاك الحشوية الشائعة تشمل أسلاك ألمنيوم عالية النقاء (ER1100) أو ألمنيوم-سيليكون (ER4043) لتحسين السيولة؛ ويتم استخدام ER5356 (ألمنيوم-مغنيسيوم) عند الحاجة إلى زيادة قوة اللحام، رغم أن توافق كيمياء السلك يؤثر على التوصيل والمقاومة للتآكل.
مخاطر التشقق الحراري منخفضة مع 1070 النقي والنظيف، لكنها تزداد بالتلوث أو التصميم غير الصحيح للمفصل أو سرعات اللحام العالية؛ التحكم في كمية الحرارة وخواص المواد الحشوية يقلل من المسامية والتشقق. عادةً ما ينتج عن منطقة التأثير الحراري تنعيم للأجزاء المعالجة بالعمل البارد، مما يُحدث تلييناً موضعياً ويستدعي الاعتبار لفروق الخواص الميكانيكية بعد اللحام أثناء التصميم.
قابلية التشغيل
يسهل تشغيل 1070 لكن يتطلب الانتباه إلى مرونته العالية وميله لتكوين رقائق طويلة مستمرة قد تشد المعدات وقطع العمل. يُنصح باستخدام أدوات قطع من كربيد أو فولاذ عالي السرعة حادّة ذات زاوية إيجابية للتحكم في الرقائق، مع سرعات قطع متوسطة إلى مرتفعة وتبريد جيد لتجنب تكون الحواف المتراكمة وتشويه السطح. مؤشر قابلية التشغيل أفضل عمومًا من العديد من سبائك الألمنيوم المسبوكة لكنه أقل من السبائك المعدلة ذات التشغيل الحر.
معدلات تآكل الأدوات منخفضة مقارنة بالفولاذ، لكن جودة التشطيب السطحي والدقة الأبعادية تتطلب تركيباً صلباً بسبب ليونة المادة وميلها للتشوه قبل حافة القطع.
قابلية التشكيل
تعد قابلية التشكيل من أقوى صفات 1070، خاصة في المعالجة O حيث يمكن إجراء السحب العميق، التشكيل بالتمدد، والانحناءات ذات أنصاف أقطار كبيرة دون حدوث كسر. أنصاف أقطار الانحناء الدنيا الموصى بها عادةً قليلة وتقدر بضرب السماكة بـ0.5–1× للانحناء الهوائي في معالجة O، بينما المعالجات شبه الصلبة وتلك ذات الصلابة العليا تتطلب أنصاف أقطار أكبر وتحكم دقيق في ارتداد الربيع. يزيد العمل البارد من القوة بسرعة لكنه يقلل من درجة استطاعة التشكيل، لذا يقوم المخططون عادة بالتشكيل في حالة O يليها تقسية خفيفة عند الحاجة إلى صلابة أعلى أثناء الاستخدام.
سلوك المعالجة الحرارية
كعضو في سلسلة 1xxx النقية تجارياً، 1070 غير قابل للمعالجة الحرارية ولا يستجيب للمعالجة بالحل أو التقسية بالشيخوخة كما هو الحال مع سبائك Al-Mg-Si أو Al-Cu. تُكسب القوة وتُتحكم بواسطة التشوه البلاستيكي (التقسية بالعمل) أثناء التصنيع؛ وتعكس المعالجات H درجات مختلفة من التقسية الناتجة عن التشوه وأي عمليات تطبيع لاحقة للتثبيت.
يُحقق التنعيم أو التليين الكامل (المعالجة O) بالتسخين إلى درجات حرارة كافية لإعادة تبلور الهيكل وإذابة شبكات الإزاحة الناتجة عن التشوه، عادةً تليها تبريد متحكم به. وبما أنه لا توجد مطايرات تعزيز قوة، فلا توجد شيخوخة صناعية أو تسلسل T6؛ التعرض الحراري يؤدي بشكل رئيسي إلى التليين وفقدان قوة العمل البارد بدلاً من تطوير آليات تقوية جديدة.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
يحافظ 1070 على قوة معتدلة عند درجات حرارة مرتفعة قليلاً لكنه يطرأ عليه تليين كبير فوق حوالي 150–200 °C نتيجة عمليات الاسترداد وإعادة التبلور التي تقلل كثافة الإزاحات. للخدمات المستمرة في درجات حرارة أعلى، يفضل استخدام سبائك مصممة خصيصاً لتحمل درجات حرارة مرتفعة أو تصاميم ميكانيكية مستقرة لأن 1070 يفتقر إلى مطايرات تقوية تحافظ على القوة.
مقاومة الأكسدة عامة جيدة بفضل طبقة الأكسيد المستقرة على الألمنيوم، لكن مقاومة الزحف ضعيفة مقارنة بسبائك الألمنيوم ومواد الهندسة الأخرى، مما يقيد استخدام 1070 في التطبيقات منخفضة إلى متوسطة الحرارة حيث يكون التوصيل الحراري وانخفاض الكثافة متطلبات رئيسية. يجب تقييم وصلات اللحام المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة من حيث تليين منطقة التأثير الحراري والتغير في الأداء الميكانيكي مع مرور الوقت.
التطبيقات
| الصناعة | مكون نموذجي | سبب استخدام 1070 |
|---|---|---|
| الكهرباء / الطاقة | الأشرطة الناقلة، شرائط الموصلات | توصيل كهربائي عالي وقابلية تشكيل للأشكال المعقدة |
| إدارة الحرارة / الإلكترونيات | مشتتات الحرارة، موزعات حرارية | توصيل حراري ممتاز ووزن منخفض للتبريد |
| الإضاءة / المرايا العاكسة | مرايا المصابيح، قواعد المرايا | انعكاسية عالية، سهولة التلميع والتشكيل |
| المعالجة الكيميائية | الخزانات، بطانات الأنابيب | مقاومة التآكل وسهولة التصنيع للأنظمة منخفضة الضغط |
| الهندسة المعمارية | الأغطية، الألواح الزخرفية | قابلية التشكيل، جودة السطح، ومقاومة التآكل |
يتم اختيار 1070 في هذه التطبيقات لأن مزيج التوصيل العالي، قابلية التشكيل الممتازة، ومقاومة التآكل يتفوق على انخفاض قوته الذاتية للعديد من فئات المكونات. يستفيد المصممون من قدرته على التشكيل إلى أشكال رقيقة ومعقدة مع الحفاظ على أداء حراري وكهربائي ثابت.
رؤى الاختيار
اختر 1070 عندما تكون الموصلية الكهربائية أو الحرارية، والقابلية الممتازة للتشكيل، ومقاومة التآكل العالية من الأولويات الأعلى مقارنة بقوة الخضوع أو الصلابة الهيكلية. استخدم المعالجة المبلورة O للتشكيل العميق والأشكال المعقدة، واختر المعالجة الخفيفة H عندما تكون هناك حاجة لزيادات معتدلة في القوة دون التضحية بقابلية اللحام.
بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجارياً مثل 1100، يقدم 1070 عادة نقاء اسمي أعلى قليلاً وموصلية أعلى مع ملف قابلية تشكيل مماثل أو محسن قليلاً مع تبادل مكاسب طفيفة في القوة. مقابل السبائك المعالجة بالتشغيل مثل 3003 أو 5052، يوفر 1070 موصلية كهربائية وحرارية أعلى ومقاومة تآكل مماثلة، لكنه أقل في القوة القصوى؛ يُختار عندما تكون الموصلية أهم من المتانة الميكانيكية.
عند المقارنة مع السبائك المعالجة حرارياً مثل 6061 أو 6063، يُختار 1070 للتطبيقات التي تتطلب موصلية أعلى وسهولة تشكيل أكبر على الرغم من امتلاكه قوة قصوى أقل بكثير؛ ويفضل 1070 في المكونات الحرارية أو الكهربائية حيث لا يُطلب من المادة تحمل أحمال هيكلية ثقيلة.
الملخص الختامي
يبقى 1070 ألومنيوم هندسي ذو صلة لأنه يوازن بشكل فريد بين الموصلية الكهربائية والحرارية العالية مع قابلية التشكيل الاستثنائية ومقاومة التآكل، مما يجعله المادة المفضلة للمكونات غير الهيكلية حيث تهيمن هذه الخصائص على أولويات التصميم.