الألومنيوم 1080: التركيب، الخصائص، دليل المعالجة، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
1080 هو أحد أعضاء سلسلة سبائك الألمنيوم 1xxx، التي تمثل مجموعة الألمنيوم النقي تجارياً حيث يكون محتوى الألمنيوم عادةً 99.80% كحد أدنى. تتسم سلسلة 1xxx بقلة إضافات السبائك المقصودة وتصنف على أساس نقاوتها العالية بدلاً من التعزيز الناتج عن السبائك. العناصر الرئيسية للسبائك والشوائب في 1080 موجودة فقط بكمية أثرية وتشمل السيليكون، الحديد، المنغنيز، النحاس، المغنيسيوم، الزنك، الكروم والتيتانيوم؛ وهذه العناصر تكون عادةً بمستويات أجزاء في الألف ويتم التحكم فيها للحفاظ على ارتفاع التوصيل ومقاومة التآكل.
السبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية ويكتسب القوة الميكانيكية بشكل أساسي من ترخية المحلول الصلب عند مستويات الشوائب المنخفضة جداً ومن التقسية بالتشويه (العمل البارد) عند تشويهه. من الخصائص الرئيسية لـ 1080 التوصيل الكهربائي والحراري الممتاز، مقاومة تآكل جوية متفوقة، قابلية تشكل عالية في حالة التليين، وقابلية لحام جيدة جداً مع اختيار مناسب للحشو. من القيود الأساسية هي القوة المطلقة المنخفضة والتحمل المحدود للإجهاد النسبي مقارنة بدرجات الألمنيوم السبائكية.
تستخدم 1080 عادة في صناعات نقل الكهرباء والموصلات، معدات المعالجة الكيميائية والغذائية، التطبيقات المعمارية، ومكونات نقل الحرارة حيث يلزم التوصيل العالي. يختار المهندسون 1080 عندما تكون الأولوية للتوصيل، المقاومة للتآكل، وقابلية التشكل أعلى من القوة الميكانيكية، أو عندما توفر نقاوته العالية مزايا معدنية أو سطحية للمعالجة والتشطيب.
يُفضل 1080 على سبائك أخرى عندما يكون الحد الأدنى من السبائك والحد الأقصى من الليونة مطلوباً، أو عندما يجب تعظيم الأداء الكهربائي/الحراري مع الاحتفاظ بسهولة التصنيع. كثيراً ما يفضل المصممون 1080 لمكونات تتطلب السحب العميق أو التشكيل المعقد، أو للتوافق المعدني مع عمليات حساسة لعناصر السبك.
أنواع المعالجات (Temper)
| المعالجة | مستوى القوة | الإطالة | القابلية للتشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالٍ (30–45%) | ممتازة | ممتازة | مُلدن بالكامل، أقصى ليونة |
| H12 | منخفضة-متوسطة | متوسطة (15–30%) | جيدة جداً | ممتازة | تصلب خفيف، تحسين الصلابة |
| H14 | متوسطة | متوسطة-منخفضة (10–20%) | جيدة | ممتازة | معالجة نصف صلبة تجارية نموذجية |
| H16 | متوسطة-عالية | أدنى (8–15%) | مقبولة | ممتازة | ثلاثة أرباع التصلب، أقوى وأقل قابلية للتشكيل |
| H18 | عالية | منخفضة (3–10%) | محدودة | ممتازة | صلبة بالكامل، تعظيم القوة بالتصلب البارد |
| H111 | منخفضة (مخففة) | عالٍ (25–40%) | ممتازة | ممتازة | معالجة معدلة قليلاً لإجهاد خفيف |
للمعالجة تأثير كبير على التوازن بين القوة والليونة في 1080 لأن السبائك غير قابلة للمعالجة بالشيخوخة الحرارية. حالة التليين O توفر أفضل قابلية للتشكيل وأعلى توصيل كهربائي، مما يجعلها مثالية للسحب العميق والتطبيقات الكهربائية. زيادة رقم H (التصلب بالعمل) ترفع مقاومة الخضوع والشد مع تقليل الإطالة وقابلية التشكيل؛ اختيار المعالجة يعتمد على توازن العمليات التصنيعية والصلابة المطلوبة أثناء الخدمة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Al | الوزن المتبقي (≥99.80) | قاعدة الألمنيوم وباقي التركيبة |
| Si | ≤0.03 | شوائب محكومة؛ تقلل نقطة الانصهار والتدفق قليلاً |
| Fe | ≤0.12 | أكثر الشوائب شيوعاً؛ تؤثر على بنية الحبوب |
| Mn | ≤0.03 | مُحسن بسيط لبنية الحبوب، تأثير محدود على تقسية المحلول |
| Mg | ≤0.03 | بكميات أثرية فقط؛ تأثير تقوية ضئيل |
| Cu | ≤0.03 | مخفضة جداً للحفاظ على مقاومة التآكل |
| Zn | ≤0.03 | شوائب بكميات أثرية؛ تأثير طفيف على الخواص الكهربائية |
| Cr | ≤0.03 | منخفضة جداً؛ قد تساعد على استقرار الحبوب بكميات صغيرة |
| Ti | ≤0.03 | تُستخدم بكميات ضئيلة للتحكم في حجم الحبوب |
| عناصر أخرى (لكل منها) | ≤0.05 | مجموع الشوائب عادة ≤0.20% |
يركز جدول التركيب الكيميائي على أن 1080 هو أساساً ألمنيوم نقي مع عناصر أثرية محكومة بإحكام. المستويات المنخفضة من عناصر الانتقال والسبائكية تحافظ على التوصيل الكهربائي والحراري وتحافظ على الاستجابة اللينة واللدنة للعمل البارد. كميات صغيرة من الحديد، السيليكون، أو التيتانيوم تعمل كمصقلات بنية الحبوب أو تؤثر على سلوك الانصهار/التصلب، لكنها غير كافية لإحداث تقسية ترسية ملحوظة.
الخواص الميكانيكية
يعكس 1080 السلوك الكلاسيكي للألمنيوم النقي تجارياً: انخفاض مقاومة الخضوع والشد في حالة التليين مع زيادة القوة بالتصلب البارد. سلوك الشد يكون ليّن في حالة المعالجة O مع إطالة منتظمة كبيرة ومدى بلاستيكي واسع، مما يدعم عمليات التشكيل مثل السحب العميق والدوران. في حالات التصلب بالعمل تزداد مقاومة الخضوع والشد بشكل ملحوظ مع تقلص الإطالة، مما يؤثر على القابلية للتشكيل وسلوك بدء تصدعات الإجهاد.
مقاومة الخضوع منخفضة في حالة التليين وترتفع تقريباً بشكل متناسب مع درجة التصلب بالتشويه في المعالجات H؛ وهذا مسار تقوية متوقع وقابل للتحكم للمصممين. قيم الصلادة منخفضة في حالة O وترتفع في معالجات H12–H18؛ تتوافق صلادة برينل أو فيكرز جيداً مع مقاومة الشد للتحقق من المادة. أداء الإجهاد معتدل — حد الإجهاد أقل منه في سبائك الألمنيوم السبائكية ويتأثر بحالة السطح، مستوى العمل البارد، ومركزات الإجهاد.
| الخاصية | O / تليين | معالجة رئيسية (H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد (MPa) | ~70–110 | ~120–160 | نطاق O واسع حسب المعالجة؛ H14 يوفر قوة متوسطة عملية |
| مقاومة الخضوع (MPa) | ~25–45 | ~80–120 | تزداد مقاومة الخضوع بشكل كبير مع العمل البارد؛ نسب الخضوع إلى الشد تختلف باختلاف المعالجة |
| الإطالة (%) | ~30–45 | ~10–20 | الليونة ممتازة في حالة O، منخفضة في معالجات H |
| الصلادة (HB) | ~15–25 | ~30–45 | الصلادة تتناسب مع العمل البارد وترتبط بالقوة |
القيم المعطاة تمثل النطاقات النموذجية للألواح المصنعة تجارياً؛ ظروف التلدين بالمصانع، السماكة ومسار المعالجة ستؤثر على القيم الدقيقة. السماكة وتاريخ المعالجة عوامل رئيسية لتحديد التفاوت في الخواص الميكانيكية، ويجب الاعتماد على شهادات المواد واختبارات العينات للتطبيقات الحرجة.
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.70 جم/سم³ | قيمة نموذجية للسبائك القريبة من الألمنيوم النقي |
| نطاق الانصهار | 660–660.5 °C | نقطة انصهار قريبة من الألمنيوم النقي؛ نطاق انصهار ضيق |
| التوصيل الحراري | ~220–240 واط/م·ك (عند 25°C) | مواصل حراري ممتاز؛ أقل قليلاً من قيم النقاء المطلق |
| التوصيل الكهربائي | ~58–62 % IACS | توصيل كهربائي عالي يدعم تطبيقات الموصلات والاتصالات |
| الحرارة النوعية | ~0.897 كيلو جول/كجم·ك (897 جول/كجم·ك) | حرارة نوعية مرتفعة نموذجية للألمنيوم |
| المعامل الحراري للتمدد | ~23 ×10⁻⁶ /ك (20–100°C) | معامل متوسط؛ مهم للتصميم الحراري والربط |
تجعل الخصائص الفيزيائية لـ 1080 منه مادة مرغوبة للتطبيقات الحرارية والكهربائية حيث تكون الكفاءة في التوصيل والوزن ذات أولوية. يجمع بين كثافة منخفضة وتوصيل حراري عالٍ مما ينتج عنه توصيل حراري نوعي جيد لاستخدامات مبردات الحرارة وموزعات الحرارة. أداء التوصيل الكهربائي يضع 1080 ضمن الخيارات الأفضل لعوارض التوصيل، الموصلات، والموصلات الكهربائية منخفضة الجهد عندما لا تكون القوة الميكانيكية هي المعيار الأساسي.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | المطابخ الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.15 mm – 6 mm | تختلف المقاومة حسب المطبع والسماكة | O, H12, H14 | الشكل السائد للسحب، الختم، والتغليف |
| صفائح | 6 mm – 50+ mm | السماكة تقلل كفاءة العمل البارد | O, H111 | تستخدم حيث تكون القطاعات السميكة أو الصلابة الهيكلية مطلوبة |
| بثق | مقاطع تصل إلى عدة أمتار | محدودة بمقاومة السبائك المنخفضة للعناصر عالية التحميل | O, H12 | تستخدم للمقاطع الزخرفية، الأغلفة، ومشتتات الحرارة |
| أنابيب | سمك جدار 0.5 mm – أقطار كبيرة | تعتمد الخواص الميكانيكية على التشكيل / السحب | O, H14 | شائعة لتطبيقات السوائل منخفضة الضغط أو التطبيقات الزخرفية |
| قضبان/أعمدة | 3 mm – 100 mm | السحب البارد يزيد من القوة | O, H18 | تستخدم حيث يتطلب التشغيل أبعاد دقيقة |
تُبرِز الألواح والمنتجات الرقيقة خصائص 1080 بشكل بارز لأن قابلية التشكيل والتوصيل الكهربائي محفوظة بينما يمكن تطبيق العمل البارد بسهولة لضبط القوة. أما الصفائح والمنتجات السميكة فتتطلب اعتبارًا أكبر لأن إمكانية تطبيق العمل البارد بشكل متجانس مقيدة؛ لذا غالبًا ما تُورد القطاعات السميكة بمطابخ أكثر نعومة وتعتمد على ميزات التصميم للصلابة. تستخدم البثق والأنابيب عندما يكون تشطيب السطح، التوصيل، ومقاومة التآكل مهمة مع تحميل معتدل.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 1080 | الولايات المتحدة الأمريكية | التسمية في نظام Aluminum Association |
| EN AW | 1080 / EN AW-1080 | أوروبا | تسمية لحام AW الأوروبية للألومنيوم عالي النقاء |
| JIS | A1080 | اليابان | المعيار الصناعي الياباني للألومنيوم التجاري النقي |
| GB/T | Al99.8 / 1080 | الصين | المعيار الصيني للألومنيوم نقاوة 99.8% |
تمثل تسميات الدرجات المكافئة عبر المعايير تراكيب متشابهة ماديًا لكنها قد تختلف قليلاً في حدود الشوائب المسموح بها، وممارسات التصنيع، وظروف التلدين بالمصنع. يجب على المهندسين مراجعة التفاوتات الخاصة بالمعايير وتقارير الاختبارات للمصنع قبل الاستعاضة بين المعايير، خصوصًا عندما تكون التوصيلية الكهربائية، حالة السطح، أو أداء السحب من العوامل الحاسمة.
مقاومة التآكل
يُظهر 1080 مقاومة ممتازة للتآكل الجوي العام بفضل التكوّن السريع لطبقة أكسيد الألومنيوم المستقرة والواقية. في العديد من البيئات يتفوق على درجات الألومنيوم السبائكية التي تحتوي على نسب أعلى من النحاس أو الزنك، التي يمكن أن تجعل السبائك حساسة للتآكل الموضعي. يؤثر تشطيب السطح والملوثات البيئية (كإلكتروليتات الكلوريد والملوثات الصناعية) على السلوك طويل الأمد، مع أداء أفضل للأسطح المصقولة أو المطلية.
في البيئات البحرية، يقدم 1080 أداءً جيدًا من حيث التآكل المنتظم، لكنه مثل جميع الألومنيومات قد يكون عرضة للتآكل النقطي وتآكل الفجوات في بيئات راكدة غنية بالكلوريدات إذا لم يُحمَ. السبائك أقل عرضة عادة لتشقق التآكل الناتج عن الإجهاد مقارنة بالسبائك عالية القوة والقابلة للتقسية، لكن يجب تقييم وصلات اللحام ومناطق العمل البارد كمواقع محتملة للهجوم الموضعي. تتسبب التفاعلات الجلفانية في جعل 1080 أنوديًا مقارنة بالعديد من المعادن الهندسية الشائعة مثل النحاس والفولاذ المقاوم للصدأ، لذا يُنصح بالعزل الكهربائي أو الطلاءات المناسبة عند اقتران المعادن المختلفة.
مقارنة بسلسلتي 3xxx و 5xxx، غالبًا ما يقدم 1080 توصيلية كهربائية متفوقة ومقاومة تآكل متماثلة أو أفضل بفضل الحد الأدنى من الإضافات السبائكية، بينما يفتقر إلى القوة الأعلى وقدرات اللحام الأفضل التي تقدمها بعض سبائك 5xxx. للحياة الطويلة في بيئات كلوريد قاسية، يفضل المصممون عادة الإضافات أو الطلاءات، أما للاستخدامات المعمارية والكهربائية فيكون سلوك التآكل الفطري لـ1080 كافياً تمامًا.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يُلحَم 1080 بسهولة بواسطة عمليات اللحام الشائعة بالانصهار والمقاومة مثل TIG وMIG لأنه ألومنيوم نقي فعليًا مع مستويات منخفضة من العناصر المسببة للمشاكل. المواد المالئة الموصى بها هي سبائك ألومنيوم نقي تجارياً (مثل سلسلة AA1100) أو مواد مضافة منخفضة السبائكية مختارة لتناسب ظروف الخدمة والخواص الميكانيكية؛ تستخدم مواد مالئة تحتوي على السيليكون (مثل 4043/4047) أحيانًا لتحسين السيولة في الوصلات المعقدة. خطر التشقق الحراري منخفض مقارنة بالسبائك عالية القوة، لكن ملائمة الوصلات والنظافة أمران حاسمان لتجنب المسامية واحتباس الأكاسيد؛ وتليين منطقة التأثير الحراري قليل بسبب غياب بنية دقيقة قابلة للتقسية بالترسيب.
قابلية التشغيل
تشغيل 1080 عادةً ما يكون بسيطًا لكنه يتطلب الانتباه إلى صلابته المنخفضة ومرونته العالية، التي يمكن أن تنتج رقائق طويلة مستمرة وتلتصق بحواف القطع. يقلل استخدام أدوات ذات زوايا قطع حادة وموجبة مصنوعة من الكربيد أو الفولاذ عالي السرعة من تكون الحافة المتراكمة ويحسن جودة السطح؛ القوى القطعية المنخفضة تسمح بسرعة دوران عالية مع معدلات تغذية متوسطة. التزييت والتحكم الفعال بالرقائق مهمان للحفاظ على سلامة السطح، ويجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار ميل السبيكة للاحتكاك عند عدم توفير مساحات قطع كافية.
قابلية التشكيل
تُعتبر قابلية التشكيل من نقاط قوة 1080، خصوصًا في المطبع O حيث تُنجز عمليات السحب العميق، الغزل، الثني، والتمدد المعقد بسهولة. يمكن أن تكون نصف قطرات الانحناء الصغيرة (بمقدار 1–2 ضعف سماكة المادة للألواح حسب التشطيب) والارتداد الزنبركي معتدل، مما يسهل الحصول على هندسة دقيقة بعد التشكيل. يوفر العمل البارد طريقة مباشرة لتقوية موضعية للأجزاء المشكلة، بينما تكون دورات التلدين سهلة التطبيق لاستعادة اللدونة بعد تشوه شديد.
سلوك المعالجة الحرارية
باعتباره سبيكة تجارية نقية غير قابلة للمعالجة الحرارية، لا يستجيب 1080 للمعالجات الحرارية مثل المعالجة بالحلول الصلبة أو التقسية بالترسيب كسبائك المعالجة الحرارية. محاولات استخدام معالجات حرارية من نوع T للتقوية بالترسيب غير فعالة لعدم وجود أنواع ترسيب مهمة بتركيزات مفيدة. تعتمد السيطرة الميتالورجية النموذجية على التلدين المتحكم به (لإنتاج مطبع O) والتقسية بالشد (مطابخ H) لتعديل الخصائص.
التقسية بالعمل هي الطريقة الأساسية لزيادة القوة والصلابة أثناء الخدمة. تزيد عمليات الدرفلة الباردة، السحب أو الثني من كثافة الانزلاقات وتنتج زيادات متوقعة في مقاومة الخضوع والشد مع تقليل الاستطالة. يُلطف التلدين عند درجات حرارة تتراوح عادة بين 300–415°C (حسب السماكة والنعومة المرغوبة) السبيكة ويستعيد اللدونة؛ تُستخدم دورات التلدين الكاملة وإجراءات التلدين بالمصنع لضبط مطبع O الأساسي لعمليات التشكيل.
الأداء في درجات الحرارة العالية
يفقد 1080 قوته الميكانيكية بسرعة مع ارتفاع درجة الحرارة لأنه يمتلك تقوية قليلة من محلول صلب ولا يوجد ترسيبات مستقرة عند درجات حرارة عالية. غالبًا ما تُحدد درجات حرارة الخدمة المستمرة العملية أقل من حوالي 150–200°C للتطبيقات الهيكلية، حيث تبدأ الزحف وفقدان القوة بأهمية كبيرة. يتمتع ببطء أكسدة متوسط عند درجات حرارة متوسطة بفضل طبقة الأكسيد الواقية، لكن التعرض الطويل لدرجات حرارة مرتفعة يمكن أن يغير المظهر السطحي وقد يؤثر على عمليات الطلاء أو الربط اللاحقة.
قد تتعرض مناطق اللحام أو المناطق المعالجة بالبرودة الثقيلة إلى تغييرات موضعية في الخواص الميكانيكية عند درجات حرارة مرتفعة؛ لا تتأثر منطقتا التأثير الحراري بالترسيبات لكنها تظهر تليينًا بسبب التعافي وإعادة التبلور عند التعرض للحرارة العالية. لتطبيقات التحميل عالي الحرارة، يُفضل استخدام عائلات سبائك ذات أداء قوي في درجات حرارة مرتفعة (مثل بعض سبائك 2xxx/7xxx أو سبائك مصممة خصيصًا للحرارة المرتفعة).
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 1080 |
|---|---|---|
| الكهرباء | ألواح التوصيل، الموصلات، الموصلات الكهربائية | توصيلية كهربائية عالية وقابلية تشكيل جيدة |
| السيارات | التشطيبات الزخرفية، المكونات الداخلية | قابلية تشكيل ممتازة وتشطيب سطح جيد؛ مقاومة تآكل |
| البحرية | بطانات الخزانات، الأنابيب، التركيبات منخفضة التحميل | مقاومة التآكل وقابلية اللحام في بيئات مياه البحر |
| الإلكترونيات | مشتتات الحرارة، دروع التداخل الكهرومغناطيسي | توصيلية حرارية عالية وكثافة منخفضة |
| معالجة الأغذية والمواد الكيميائية | الخزانات، الأنابيب، التغليف | النقاء ومقاومة التآكل مع سهولة التنظيف والتشكيل |
يُستخدم 1080 حيث تكون التوصيلية الكهربائية أو الحرارية العالية، وقابلية التشكيل الممتازة، ومقاومة التآكل المتفوقة مطلوبة في الوقت نفسه. تستفيد التطبيقات التي تتطلب السحب أو الختم المعقد من مرونة السبيكة، بينما تستغل تطبيقات الموصلين التوصيلية العالية IACS. غالبًا ما يتم تحديد السبيكة عندما يكون نقاء التركيب الميتالورجي أو الحد الأدنى من التلوث السبائكي أمرًا حاسمًا لعمليات لاحقة أو أداء المنتج.
نصائح الاختيار
اختر 1080 عندما تكون التوصيلية الكهربائية أو الحرارية وقابلية التشكيل الاستثنائية أهم من الحاجة إلى قوة عالية. إنه الخيار المنطقي للموصلات، مبردات الحرارة، والأجزاء المسحوبة عميقًا حيث تكون جودة السطح، مقاومة التآكل، والليونة هي المتطلبات الأساسية.
مقارنة بدرجات الألومنيوم النقي تجارياً مثل 1100، تقدم درجة 1080 عادة نقاوة أعلى قليلاً (وبالتالي موصلية كهربائية أعلى قليلاً) مع قابلية تشكّل مماثلة؛ يتم اختيارها عندما تكون الموصلية الإضافية أو حدود الشوائب المسيطر عليها مطلوبة. مقارنة بالسبائك المعالجة بالتصلب مثل 3003 أو 5052، تقدم 1080 موصلية أفضل وأحيانًا سلوك تآكل أفضل، لكنها تمتاز بقوة أقل وإمكانية تصلب إجهادي أقل للأجزاء الحاملة للأحمال. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يتم اختيار 1080 عندما تكون الموصلية وقابلية التشكيل أكثر أهمية من القوة القصوى؛ وتظل جذابة للتطبيقات التي تكون فيها الأداء الحراري/الكهربائي وبساطة التصنيع أولوية بالرغم من انخفاض القوة الممكن تحقيقها.
الملخص الختامي
لا تزال درجة 1080 ذات صلة في الهندسة الحديثة لأنها تجمع بين نقاوة عالية جدًا مع موصلية كهربائية وحرارية ممتازة، وقابلية تشكيل فائقة ومقاومة موثوقة للتآكل في حزمة اقتصادية وسهلة التصنيع. بالنسبة للمصممين الذين يعطون الأولوية للموصلية وجودة السطح وسهولة التصنيع على القوة العالية، غالبًا ما تكون 1080 الخيار العملي والاقتصادي الأفضل للألومنيوم.