الألومنيوم 1085: التركيب، الخصائص، دليل المعالجة، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
سبائك 1085 هي جزء من سلسلة 1xxx لسبائك الألمنيوم وتصنف كألمنيوم نقي تجاريًا بمحتوى أساسي للألمنيوم يبلغ حوالي 99.85%. كعضو في عائلة الألمنيوم شبه النقي، تنتمي السبيكة إلى سلسلة 1000 حيث تُستخدم حدود الشوائب والألياف النزرة بشكل أساسي للتحكم في خصائص مثل بنية الحبوب وقابلية التشغيل بدلاً من توفير تقوية ناتجة عن السبائك. المكونات المعدنية الرئيسية هي مستويات متبقية من الحديد والسيليكون مع كميات نزرة من النحاس والمنغنيز والماغنيسيوم والزنك والكروم والتيتانيوم عادةً ما تُحكم عند حدود منخفضة جدًا.
سبائك 1085 ليست من السبائك القابلة للمعالجة الحرارية؛ إذ تستمد قوتها الميكانيكية تقريبًا بالكامل من خصائص الحل الصلب ومن التقسية بالعمل من خلال التشوه البارد. من الخصائص الأساسية لهذه السبيكة التوصيل الكهربائي والحراري الممتاز، وقابلية التشكيل المتفوقة في حالات التخمير، ومقاومة جيدة للتآكل في البيئات الجوية والبيئات منخفضة الحموضة. قابلية اللحام عمومًا ممتازة لعمليات الالتحام بالانصهار عند استخدام الحشوات وتقنيات اللحام المناسبة، لكن القوة الميكانيكية في مناطق اللحام تتحكم بها عمليات التشطيب البارد اللاحقة أكثر من التقدّم بالزمن (الشيخوخة).
الصناعات النموذجية التي تستخدم 1085 تشمل تصنيع الموصلات الكهربائية (قضبان النقل، الشرائح، الرقائق)، ومكونات نقل الحرارة وإدارة الحرارة، التغليف والرقائق، والتطبيقات المعمارية حيث تكون اللدونة ومقاومة التآكل أهم من القوة القصوى. يختار مهندسو التصميم سبيكة 1085 عندما تكون التوصيلية وقابلية التشكيل ذات أولوية على القوة الأعلى المتوفرة من المواد السبائكية أو القابلة للمعالجة الحرارية؛ نقاؤها يمنح سلوكًا متوقعًا للتآكل وأداءً ثابتًا للأبعاد في عمليات التشكيل واللحام.
أنواع المعالجة (التمبير)
| نوع المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالي | ممتاز | ممتاز | مخمّر بالكامل، أقصى دكتور للشد العميق |
| H12 | منخفض-متوسط | متوسط-عالي | جيد جدًا | ممتاز | تصلب بسيط بالشد، يحتفظ بقابلية تشكيل جيدة |
| H14 | متوسط | متوسط | جيد | ممتاز | تمبير شائع للشد التجاري لموازنة القوة والتشكيل |
| H16 | متوسط-عال | متوسط-منخفض | مقبول | ممتاز | تصلب شد أعلى لمزيد من القوة حيث تقبل التشكيل المعتدل |
| H18 | عالٍ | منخفض | محدود | ممتاز | قرب التصلب الكامل، يستخدم في شرائح ورقائق عالية القوة |
| H19 | عالٍ جدًا | منخفض جدًا | ضعيف | ممتاز | أقصى معالجة تبريد باردة تجارية لأعلى قوة في السبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية |
اختيار نوع المعالجة يتحكم في التوازن بين اللدونة والقوة بشكل أساسي عبر العمل البارد. التمبير المخمّر (O) يزيد الاستطالة وقابلية التشكيل للشد العميق، والدرفلة والتشكيل الشديد؛ وتزيد تمبيرات H الأعلى تدريجيًا من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد عن طريق التشوه البارد مع تقليل تدريجي للاستطالة.
بالنسبة للأجزاء المصنعة التي تتطلب تشكيلًا بعد اللحام أو تشوهًا باردًا شديدًا، يُحدد التمبير O أو تمبير H الخفيف قبل التشكيل؛ غالبًا ما يمكن تحقيق الخصائص الميكانيكية النهائية باختيار درجة التصلب بالشد المناسبة ضمن تمبير H المختار بدلاً من المعالجة الحرارية.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.05 كحد أقصى | السيليكون منخفض التحكم لتقليل تأثيرات الصب والشوائب |
| Fe | 0.25 كحد أقصى | الشوائب الرئيسية؛ تؤثر على القوة وبنية الحبوب |
| Mn | 0.05 كحد أقصى | غالبًا مهملة؛ قد تؤثر على استقرار الحبوب عند وجودها |
| Mg | 0.05 كحد أقصى | يُحتفظ به منخفضًا لتجنب تقوية الترشّح غير المقصودة |
| Cu | 0.05 كحد أقصى | محدد منخفض للحفاظ على مقاومة التآكل والتوصيل |
| Zn | 0.05 كحد أقصى | مستويات منخفضة لتجنب التأثير الغلفاني والقوة |
| Cr | 0.05 كحد أقصى | تحكم نزري لتحسين دقة الحبوب في بعض طرق الإنتاج |
| Ti | 0.03 كحد أقصى | يستخدم بكميات قليلة لتحسين دقة الحبوب في الخامات المصبوبة أو المدلفة |
| عناصر أخرى | كل عنصر 0.03 كحد أقصى؛ المجموع 0.15 كحد أقصى | تُحكم كل شوائب متبقية للحفاظ على نقاء عالي للألمنيوم |
سبائك 1085 هي بالأساس سبيكة توازن للألمنيوم حيث يحتوي المحتوى على 99.85% كحد أدنى من Al، والباقي شوائب نزرة. المستويات المنخفضة من Si و Fe تؤثر بشكل رئيسي على بنية الحبوب كالمسبوك وقابلية التشكيل، بينما يتحكم التحكم الدقيق في Cu و Mg و Zn في الحفاظ على التوصيل الكهربائي ومقاومة التآكل. يضاف أو تبقى بقايا صغيرة من Ti و Cr غالبًا لتحسين دقة الحبوب أثناء الصب واللف، مما يحسن جودة السطح والتناسق الميكانيكي دون تغيير جوهري في تصنيف السبيكة.
الخواص الميكانيكية
كألمنيوم شبه نقي، تظهر سبيكة 1085 مقاومات شد وخضوع منخفضة في حالة المخمّر بالكامل وتزيد القوة بشكل ملحوظ من خلال العمل البارد (تمبيرات H). يتميز سلوك الشد بحد مرن منخفض ولدونة عالية في حالة التمبير O؛ ترتفع مقاومات الخضوع ومقاومة الشد القصوى مع زيادة درجة التصلب بالشد بينما تنخفض الاستطالة بالتزامن. عدم وجود تقسية بالترسيب يعني أنه لا توجد طرق معالجة حرارية لزيادة القوة القصوى بشكل ملحوظ؛ لذلك يعتمد الأداء الميكانيكي على العملية ويسهل تكراره عبر التحكم في التمبير.
تتبع قيم الصلادة ارتباطًا وثيقًا مع مقاومة الشد والعمل البارد؛ حيث تزيد صلادة برينيل أو فيكرز بشكل خطي مع التصلب الناتج عن التشوه. أداء التحمل للتعب معتدل — جيد للعديد من التطبيقات الدورية منخفضة الإجهاد — لكن حد التعب أقل من درجات الألمنيوم الهيكلية المسبوكة؛ تستفيد حياة التعب من التشطيب السلس للأسطح والمعالجات السطحية الانضغاطية. تأثيرات السماكة بارزة: الرقائق والشرائح الرقيقة تتحمل مستويات أعلى من العمل البارد لتعزيز القوة وتظهر صلادة ظاهرية أعلى لكل وحدة استطالة، في حين تحتاج المقاطع السميكة إلى تشوه أكبر للوصول إلى قوة مماثلة ويمكنها الحفاظ على متانة أعلى في النواة.
| الخاصة | O/مخمّر | تمبير رئيسي (مثل H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~60–90 MPa | ~120–170 MPa | القيم تعتمد على السماكة والعمل البارد الدقيق؛ H16/H18 أعلى |
| قوة الخضوع | ~20–40 MPa | ~80–140 MPa | تزداد قوة الخضوع مع التمبير H؛ منخفضة في الحالة المخمرة |
| الاستطالة | ~35–45% | ~8–25% | درجات التخمير عالية اللدونة؛ تمبيرات H تقلل الاستطالة |
| الصلادة | ~15–25 HB | ~30–50 HB | تقريبات برينيل؛ تختلف مع العمل البارد والسماكة |
الخواص الفيزيائية
| الخاصة | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.71 g/cm³ | قيمة نموذجية لسبائك الألمنيوم؛ تؤثر في التصميم الحساس للكتلة |
| نطاق الانصهار | ~660 °C | نقطة انصهار الألمنيوم شبه النقي حوالي 660.3 °C |
| التوصيل الحراري | ~220–235 W/m·K | توصيل حراري عالي، مفيد لمشعات الحرارة والمبادلات الحرارية |
| التوصيل الكهربائي | ~60–65% IACS | توصيل جيد جدًا بفضل النقاء العالي |
| السعة الحرارية النوعية | ~900 J/kg·K | تقريبية عند درجة حرارة الغرفة؛ مفيدة للحسابات الحرارية |
| التمدد الحراري | ~23.0 ×10^-6 /K | معامل التمدد الخطي النموذجي لسبائك الألمنيوم |
تعتبر التوصيليات الحرارية والكهربائية العالية في سبيكة 1085 من أهم خصائصها الهندسية، مما يجعلها مادة مفضلة لمكونات الإدارة الكهربائية والحرارية. تساهم الكثافة المنخفضة نسبيًا مع الخصائص الحرارية الجيدة في توفير توصيل حراري محدد وسعة حرارية محددة ممتازة للأنظمة الحرارية خفيفة الوزن. يجب على المصممين مراعاة التمدد الحراري العالي للألمنيوم في التركيبات التي تضم مواد مختلفة؛ حيث يتم التخفيف من مشكلات التمدد التفاضلي عبر توفير سماحات مناسبة واستراتيجيات الربط الملائمة.
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | التمبرات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2 مم – 6 مم | الألواح الرقيقة تستجيب بسرعة لعمليات الشغل البارد | O, H12, H14, H16 | منتشرة الاستخدام في الواجهات المعمارية وزعانف مبادلات الحرارة |
| صفائح | >6 مم | الصفائح السميكة تحتاج لجهد أكبر لنفس الصلادة | O, H14, H16 | أقل شيوعًا؛ تستخدم حيث الحاجة لصلابة أعلى وتوصيل حراري متقدم |
| بثق | سماكة الجدار متغيرة | البثوق يمكن توفيرها بنمط O أو مع تصلب إجهادي بسيط | O, H12 | تستخدم لأشرطة التوصيل والبروفيلات التي تتطلب توصيلية عالية |
| أنابيب | القطر متغير؛ الجدار 0.3–5 مم | الأنابيب ذات الجدار الرقيق تتصرف كالصفائح في التشكيل | O, H14 | أنابيب مبادلات الحرارة وقنوات تشكيل باردة |
| قضبان / أعمدة | قطر يصل إلى ~50 مم | القضبان تستجيب للسحب/الدرفلة لزيادة القوة | O, H16 | استخدام تجاري محدود مقارنة بالسبائك ذات القوة الأعلى |
الألواح والرقائق هي الأشكال السائدة لدرجة 1085 بسبب استخدامها الشائع في الموصلات الكهربائية، والرقائق، ومبادلات الحرارة؛ حيث أن الدرفلة للسماكات الرقيقة سهلة في حالة التمبـر المخـضع (annealed). يتم إنتاج البثوق والمنتجات الأنبوبية عندما تكون هناك حاجة لأشكال مقطع عرضي محددة لأشرطة التوصيل، والزعانف، أو القنوات؛ وهذه المنتجات تستغل عادةً التوصيلية والتشكيلية للسبائك أكثر من القدرة الهيكلية. الصفائح والقضبان أقل استخدامًا لكن متوفرة حيث تكون المقطع العرضي الكبير مع توصيل عالي ومقاومة للتآكل مطلوبين.
الدراجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 1085 | الولايات المتحدة الأمريكية | تعيين ASTM/AA للألومنيوم نقي تجاريًا (~99.85% ألومنيوم) |
| EN AW | 1085 | أوروبا | الرقم EN يُذكر أحيانًا كـ "EN AW-1085" مكافئ |
| JIS | A1085 | اليابان | المجموعة JIS المكافئة للألومنيوم المطروق عالي النقاء |
| GB/T | Al99.85 | الصين | المعيار الصيني يدرج عادة حسب النقاء الاسمي، Al≥99.85 |
الدراجات المكافئة عبر المعايير تعكس بشكل رئيسي نفس التركيب الكيميائي عالي النقاء والسلوك الميكانيكي المماثل؛ الاختلافات تنشأ من حدود الشوائب، ومتطلبات اختبارات الشهادات، والعناصر النادرة المسموح بها لكل هيئة معيارية. على المشترين مراجعة المواصفات الفنية وشهادات المصانع لأن الحد الأقصى المسموح به لعناصر مثل Fe وSi وأساليب اختبار الخواص الميكانيكية تختلف قليلاً بين المعايير، مما قد يؤثر على مناسبة الاستخدامات الدقيقة الحساسة للكهرباء أو التآكل.
مقاومة التآكل
تُظهر درجة 1085 مقاومة ممتازة للتآكل الجوي العام بسبب التكون السريع لفيلم أكسيد الألومنيوم الرقيق والملتصق الذي يعيق الهجوم المستقبلي. في البيئات البحرية، تحتفظ السبائك بأداء مقبول في الكتلة وتستخدم شائعًا للمكونات غير الهيكلية والمتوسطة التحميل؛ الغسل الدوري بالماء العذب وطبقات الطلاء تُستخدم لتقليل ظاهرة التآكل النخري الناتج عن الكلوريد على الحواف المكشوفة أو الأسطح المعالجة. انخفاض محتوى السبائك وغياب النحاس أو الزنك بكميات كبيرة يقلل من قابلية التآكل المحلي مقارنة ببعض السبائك الأعلى قوة.
قابلية التشقق بفعل التآكل المجهد (SCC) منخفضة لدرجة 1085 مقارنة بسبائك Al-Zn-Mg عالية القوة أو بعض السبائك المحتوية على النحاس، ويرجع ذلك جزئيًا إلى انخفاض قوى الشد المتبقية واللدونة العالية. ومع ذلك، يجب الانتباه للترابط الكهروكيميائي: فالألومنيوم قطبي موجب مقارنة بمعظم الفولاذات المقاوم للصدأ والنحاس، لذلك في الأبنية المتنوعة المعادن يجب استخدام طبقات عازلة أو تصميمات تضحية لتجنب تسريع التآكل عند وجود استمرارية إلكتروليتية. مقارنة مع عائلات 5xxx (Al-Mg) أو 6xxx (Al-Mg-Si)، تقدم 1085 قوة هيكلية أقل مقابل سلوك تآكل موحد محسن وتوصيلية أفضل في التطبيقات الكهربائية.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
تتميز 1085 بقابلية لحام عالية بطرق الاندماج التقليدية مثل TIG وMIG؛ يقلل انخفاض محتوى السبائك من احتمالية التشقق الحراري. المعادن الحشو الموصى بها للوصلات الهيكلية أو الكهربائية تشمل عادةً حشوات الألومنيوم النقي تجاريًا (عائلة ER1100/ER1050) أو حشوات Al-Si (ER4043) عندما تكون سيولة اللحام وتقليل المسامية مرغوبة. مناطق متأثرة الحرارة في اللحام لا تستفيد من تصلب الترسيب، لذا تصميم الوصلة والعمل البارد اللاحق هما ما يحدد الأداء النهائي؛ ويجب الانتباه لإزالة الأكسيد وتوفير حماية غازية للحفاظ على انخفاض امتصاص الهيدروجين والمسامية.
سهولة التشغيل
تشغيل 1085 متوسط إلى صعب بسبب طبيعته اللينة والممطاطة مقارنة بسبائك القطع الحرّة. المواد المفضلة للأدوات هي كربيدات حادة أو أدوات سيراميكية بزاوية قدم إيجابية واستخدام مكثف للمبرد لتفريغ الرقائق ومنع التشويه. سرعة القطع تكون عادة محافظة مقارنة بسبائك الألومنيوم المحتوية على السيليكون بسبب غياب جزيئات الطور الصلب التي تساعد في تقطيع الرقائق؛ يتم تعديل معدلات التغذية وعمق القطع للحصول على رقائق مستمرة وتجنب تصلب الشغل عند وجه القطع.
قابلية التشكيل
تشكيلية 1085 من نقاط القوة الرئيسية؛ ففي تمبر O السبائك ممتازة للسحب العميق، الثني، والتدوير مع إمكانية تحقيق أنصاف أقطار انحناء ضيقة. أنصاف أقطار الانحناء الداخلية الدنيا النموذجية في تمبر O قد تصل إلى 0.25–0.5× سماكة المادة حسب الأدوات وحالة السطح، بينما تتطلب تمبرات H16/H18 أنصاف أقطار أكبر أو تخفيف محلي (تليين). يزيد الشغل البارد القوة لكنه يقلل التشكيلية، لذا يتم عادة تكوين الإنتاج في الحالة المردومة مع تطبيق تصلب إجهادي إذا دعت الحاجة لتحصيل قوة نهائية.
سلوك المعالجة الحرارية
بما أن 1085 هو ألومنيوم نقي أساسًا، فهو لا يستجيب لدورات المعالجة الحرارية التقليدية للحل والمعالجة الاصطناعية المستخدمة في السبائك القابلة للمعالجة حراريًا. لا توجد دورة T-تمبر عملية لزيادة القوة عبر تصلب الترسيب. تعديلات القوة تتم من خلال تصلب الشغل (درفلة باردة، سحب، تمدد) وبواسطة التليين لاسترجاع اللدونة. يتم التليين الكامل (O) بالتسخين إلى درجات حرارة عادةً في نطاق 350–415 °C حسب هندسة القطعة، ثم تبريد محكم لإنتاج أقصى درجات اللين والليونة.
لا تطبق تحولات تمبر T؛ بدلاً من ذلك يحدد المصنعون تمبرات H التي تصف كمية وطريقة الشغل البارد وأي علاج تثبيت. تستعمل دورات التليين في الإنتاج لإزالة تصلب الشغل قبل عمليات التشكيل أو التشطيب؛ ويتطلب التحكم الدقيق في العملية لمنع نمو الحبيبات التي قد تؤثر على جودة السطح، خاصة في تطبيقات الرقائق والألواح الرقيقة.
الأداء بدرجات حرارة عالية
تفقد 1085 القوة الميكانيكية بسرعة مع ارتفاع درجة الحرارة فوق درجة الحرارة المحيطة؛ تحدث انخفاضات كبيرة في مقاومة الخضوع وقوة الشد فوق حوالي 150–200 °C، مما يجعلها غير مناسبة للتطبيقات الهيكلية ذات درجات الحرارة العالية. تبقى مقاومة الأكسدة جيدة عند درجات حرارة متوسطة بسبب تكوّن طبقة حامية من Al2O3، لكن التعرض المطول لدرجات الحرارة المرتفعة يمكن أن يسبب نمو الحبيبات وتدهور الخواص الميكانيكية وسطح المادة. في التجميعات الملحومة، لا يكتسب المنطقة المتأثرة بالحرارة قوة بل تطرى فقط بفعل التليين المحلي عند التعرض لدرجات حرارة عالية، مما قد يؤثر على قدرة التحمل أثناء الخدمة.
لأغراض إدارة الحرارة، تحافظ 1085 على توصيلية ممتازة عند درجات حرارة مرتفعة مقارنة بالعديد من السبائك، لكن يجب أن يأخذ المصممون في اعتبارهم زحف المادة وفقدان القوة للأحمال المستمرة؛ عادةً تُحافظ درجات حرارة الخدمة المستمرة العملية للسلامة الميكانيكية دون 125–150 °C إلا إذا تم تطبيق هوامش تصميم محافظة.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 1085 |
|---|---|---|
| السيارات | زعانف حرارية / زعانف مبادلات الحرارة | توصيلية حرارية عالية وقابلية تشكيل لفراغات زعانف ضيقة |
| البحرية | تشطيبات معمارية، قنوات | مقاومة التآكل وسهولة التصنيع في البيئات الرطبة |
| الفضاء الجوي | أغطية غير هيكلية، دروع EMI | توصيلية عالية ووزن منخفض للحماية والتبديد الحراري |
| الإلكترونيات | أشرطة التوصيل، مشتتات الحرارة، رقائق | توصيلية كهربائية وحرارية ممتازة، سهولة التشكيل |
| التغليف | رقائق وتغليف مرن | نقاء وقابلية طرق لإنتاج رقائق سماكة رقيقة |
درجة 1085 مناسبة بشكل خاص للمكونات التي تتفوق فيها التوصيلية وقابلية التشكيل على الحاجة للقوة الهيكلية العالية. يسمح مزيجها من الكثافة المنخفضة، التوصيلية العالية، واللدونة الممتازة بالإنتاج الفعال لقطع رقيقة السماكة، الزعانف والرقائق. أداؤها المتوقع في مقاومة التآكل وقابلية اللحام يجعلها خيارًا اقتصاديًا للعديد من بيئات الخدمة.
نصائح الاختيار
اختر 1085 عندما تكون التوصيلية الكهربائية أو الحرارية وقابلية السحب العميق من العوامل الرئيسية في التصميم وحيث تكون القوة الميكانيكية المعتدلة فقط مطلوبة. تقدم السبائك توصيلية أفضل وتوحيدًا محسنًا في التآكل مقارنة بـ 1100 مع سلوك تشكيل مماثل؛ ويتم اختيارها عندما تكون هناك حاجة لزيادات طفيفة في النقاء والتوصيلية دون الانتقال إلى سبائك تخصصية.
مقارنة مع السبائك الشائعة المعالجة بالتقسية الباردة مثل 3003 أو 5052، تعطي سبيكة 1085 صلابة إنشائية أقل مقابل موصلية كهربائية أعلى ومقاومة عامة للتآكل أفضل قليلًا في بعض البيئات. يختار المهندسون سبيكة 1085 عندما تكون الموصلية أو تطبيقات الرقائق أولوية وعندما توفر عمليات التقسية بالتشكيل (المقاسات بدرجة H) القوة المطلوبة دون الحاجة إلى إضافات سبائكية.
وعند المقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، تُفضل سبيكة 1085 من حيث الموصلية وقابلية التشكيل وتجانس مقاومة التآكل رغم انخفاض القوة القصوى بشكل كبير. يُستخدم 1085 للمكونات الحرارية والكهربائية، أو حيث تكون القابلية العالية للتشكيل ضرورية؛ وتُفضل سبائك سلسلة 6xxx عندما تكون الأحمال الإنشائية الأعلى أو نسب القوة إلى الوزن المحددة مطلوبة.
الملخص الختامي
تظل سبيكة 1085 مادة ذات صلة في الهندسة الحديثة حيث تتطلب نقاوة عالية جدًا للألمنيوم، وموصلية كهربائية وحرارية ممتازة، وقابلية تشكيل فائقة. تجعل سلوكها الميكانيكي المتوقع المعتمد على التقسية بالتشكيل ومقاومتها الممتازة للتآكل منها خيارًا اقتصاديًا وموثوقًا للمكونات الموصلية ومكونات إدارة الحرارة والمكونات الرقيقة المشكلة في عدة صناعات.