الألمنيوم 1100: التركيب، الخواص، دليل المقاسات والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
الدرجة 1100 هي جزء من سلسلة سبائك الألومنيوم 1xxx، وتصنف كألومنيوم تجاري نقي بنسبة محتوى ألومنيوم لا تقل عن حوالي 99%. تتميز سلسلة 1xxx بإضافات سبائكية منخفضة جداً وتُعرف بنقاوتها الكيميائية الممتازة مقارنة بالسلاسل الأخرى مثل 3xxx أو 6xxx.
العناصر الأساسية المسببة للسبائك في 1100 موجودة فقط كشوائب محكومة: السيليكون، الحديد، النحاس، المنغنيز، المغنيسيوم، والزنك تظهر جميعها بمستويات تتراوح بين أثرية إلى عُشر النسبة المئوية. نظرًا لأن السبيكة لا تحتوي على إضافات تعزيزية كبيرة، فإن تقوية الخواص الميكانيكية تتحقق تقريباً من خلال العمل البارد (العمل البارد) بدلاً من المعالجة الحرارية للتساقط.
الصفات الرئيسية للدرجة 1100 تشمل قابلية التشكيل الممتازة، مقاومة تآكل جيدة جداً في الأجواء والعديد من البيئات الكيميائية، وموصلية حرارية وكهربائية متميزة مقارنةً بالدرجات ذات السبائكات الأعلى. قابلية اللحام عادة ممتازة في الحالة المرفوعة (annealed) لأن السبيكة ذات دكتيلية عالية ولا تتطلب معالجة حرارية بعد اللحام، ولكن القوة الميكانيكية منخفضة بالمقارنة مع السبائك المحقونة بالعمل البارد أو القابلة للمعالجة الحرارية.
الصناعات النموذجية التي تستخدم 1100 تشمل المعالجة الكيميائية، مناولة الأغذية، تصنيع اللوحات الإعلانية، الأقسام المعمارية، الإلكترونيات (مثل مشتتات الحرارة)، والتطبيقات التي تتطلب قابلية تشكيل عالية ومقاومة تآكل بتكلفة منخفضة. يختار المهندسون 1100 عندما تكون أقصى دكتيلية، الموصلية، وأداء المقاومة للتآكل مقابل التكلفة أهم من تحقيق قوة ثابتة عالية.
أنماط المعالجة
| الدرجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية (20–40%) | ممتازة | ممتازة | حالة المعالجة التجارية المرفوعة بالكامل لأقصى دكتيلية |
| H12 | متوسطة | متوسطة (10–20%) | جيدة جداً | جيدة جداً | تصلب جزئي مع انخفاض محدود في الدكتيلية |
| H14 | متوسطة-عالية | منخفضة-متوسطة (8–15%) | جيدة | جيدة جداً | درجة عمل بارد شائعة توازن بين القوة وقابلية التشكيل |
| H16 | عالية | منخفضة (6–12%) | متوسطة-جيدة | جيدة | عمل بارد أثقل لقوة أعلى لكن انخفاض في قابلية التشكيل |
| H18 | عالية جداً | منخفضة (4–10%) | محدودة | جيدة | قوة تجارية قريبة من الحد الأقصى من خلال العمل البارد |
| H24 | متوسطة (مستقرة) | متوسطة | جيدة | جيدة جداً | مشدودة بالعمل ومعالجة جزئية بالرفع / التحفيز |
تمتلك حالة المعالجة تأثيراً أساسياً على خواص 1100 لأن السبائك غير قابلة للمعالجة بالحرارة. يزيد العمل البارد من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد بينما يقلل من الاستطالة ونطاق التشكيل. اختيار حالة H المناسبة هو موازنة بين خطوات التشكيل وقوة القطعة النهائية؛ العديد من المصنعين يختارون O للسحب العميق وH14/H16 لأجزاء هياكل خفيفة الوزن من الصفائح.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Al | الباقي (≥ 99.0%) | المكون الرئيسي؛ عادة أكثر من 99% بالوزن في 1100 التجاري |
| Si | ≤ 0.95 | شوائب شائعة؛ تقلل قليلاً الموصلية وتحسن الصب بكميات صغيرة |
| Fe | ≤ 0.95 | شوائب تشكل مركبات بين فلزية تؤثر على القوة وجودة السطح |
| Mn | ≤ 0.05 | شوائب ثانوية؛ تأثير تعزيز منخفض عند هذه المستويات |
| Mg | ≤ 0.05 | مهملة في 1100؛ ليست مصدر تقوية بالتساقط |
| Cu | ≤ 0.05 | محافظة على مستوى منخفض للحفاظ على المقاومة للتآكل والموصلية |
| Zn | ≤ 0.10 | بمستويات أثرية؛ زيادة الزنك تقلل الدكتيلية والمقاومة للتآكل |
| Ti | ≤ 0.15 | غالباً موجودة من محسنات حبيبات؛ إضافات صغيرة تحسن ضبط البنية المجهرية |
| عناصر أخرى | ≤ 0.05 لكل منها، المجموع ≤ 0.15 | عناصر أثرية ضمن حدود الإنتاج التجاري |
تسيطر مصفوفة الألومنيوم النقي أساساً على الأداء: الموصلية الكهربائية والحرارية تتناسب عكسياً مع تركيز الشوائب السبائكية، بينما القوة الميكانيكية تتأثر بشدة بالعمل البارد ووجود الجسيمات بين الفلزية المكونة من Si و Fe. يُستخدم التحكم بالعناصر الثانوية مثل Ti أساساً لضبط البنية الحبيبية أثناء الصب/اللف وليس لتعزيز القوة الرئيسية.
الخواص الميكانيكية
سلوك الشد للدرجة 1100 يتميز بمعدن ذو قوة منخفضة ودكتيلية عالية وذو شبكة مكعبة مركزية الوجه. في الحالة المرفوعة O تعرض السبيكة قوة خضوع وشد منخفضة مع استطالة غالباً بين عشرات النسب المئوية، مما يمكّن من تشوه بلاستيكي كبير دون انكسار. يزيد العمل البارد من كثافة الانزلاقات ويحقق مكاسب قوة كبيرة لكن على حساب الدكتيلية وقابلية التشكيل.
تعتمد مقاومة الخضوع ومقاومة الشد بشكل كبير على حالة المعالجة والسمك؛ يمكن للسمك الرقيق المدرج على البارد تحقيق قوى أعلى بسبب تراكم إجهادات أكبر أثناء المعالجة. الصلادة مرتبطة بالحالة ومعمول بها عادة كرقابة إنتاج سريعة للألواح المشدودة؛ قيم صلادة برينيل منخفضة في O وترتفع بشكل متوقع مع درجات H. سلوك التعب محدود عموماً بالقوة الثابتة المنخفضة وحالة السطح؛ التلميع والرصاص بالكرات يمكن أن يحسنا عمر التعب ولكن السبائك تظل أقل من سلاسل ذات قوة أعلى للأجزاء تحت تحميل متكرر.
للسُمك تأثير عملي لأن الألواح السميكة يصعب شدها بالعمل البارد إلى مستويات صلادة عالية وقد تحتفظ بالمزيد من خصائص المعالجة المرفوعة؛ يجب على المصممين أخذ تفاعلات الحالة/السُمك بالاعتبار عند تحديد القوة أو أداء التشكيل.
| الخاصية | O/مرفوعة | درجة معالجية رئيسية (مثل H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (UTS) | ~55–115 MPa (نموذجية) | ~110–180 MPa (نموذجية) | نطاقات واسعة حسب السُمك وشدة العمل؛ القيم تقريبية |
| قوة الخضوع | ~30–70 MPa (نموذجية) | ~90–150 MPa (نموذجية) | تزيد قوة الخضوع بشكل ملحوظ مع العمل البارد؛ لا توجد معالجة تساقط |
| الاستطالة | ~30–40% | ~8–18% | تنخفض الدكتيلية مع انتقال الحالة من O إلى درجات H الأعلى |
| الصلادة (برينيل) | ~20–30 HB | ~30–60 HB | الصلادة تتناسب مع كثافة الانزلاقات الناتجة عن العمل البارد |
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.71 g/cm³ | قيمة نموذجية للألمنيوم وقريبة من درجات الألمنيوم منخفض السبائك الأخرى |
| نطاق الانصهار | ~660 °C (النقطة الصلبة ≈ 657–660 °C) | كنسبة تقريبية، درجة الانصهار قريبة من الألومنيوم النقي |
| الموصلية الحرارية | ~200–230 W/m·K | موصلية حرارية عالية؛ أقل قليلاً من الألومنيوم النقي مع زيادة الشوائب |
| الموصلية الكهربائية | ~53–60 % IACS (نموذجية) | موصلية كهربائية جيدة جداً للسبائك غير النقية؛ تعتمد على مستوى الشوائب |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.9 J/g·K | قيمة نموذجية قريبة من الألومنيوم النقي في درجات الحرارة المحيطة |
| معامل التمدد الحراري | ~23–24 µm/m·K | معامل التمدد الحراري نموذجي لسبائك الألومنيوم |
تأتي الموصلية الحرارية والكهربائية العالية للدرجة 1100 من انخفاض تركيز عناصر السبائك؛ هذه الخصائص تجعلها جذابة لتطبيقات نشر الحرارة وموصلات الكهرباء. يجب مراعاة معامل التمدد الحراري المرتفع نسبياً في التركيبات التي تتضمن مواد مختلفة لتجنب تشوهات ناجمة عن التوترات الحرارية أو مشاكل في ختم الأجزاء.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | التلدينات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| الألواح | 0.2 mm – 6 mm | تزداد القوة مع الدرفلة الباردة | O, H12, H14, H16 | متوافرة على نطاق واسع؛ تُستخدم للسحب العميق والتطبيقات الزخرفية |
| الألواح السميكة | >6 mm – 50+ mm | قوة أقل يمكن تحقيقها بالعمل البارد في الألواح السميكة | O, H18 | عادةً ما يتم تلدين المخزون السميك؛ محدودية العمل البارد بعد الدرفلة |
| البثق | مقاطع عرضية معقدة حتى بروفايلات كبيرة | تعتمد القوة على عمليات السحب أو التعتيق البارد اللاحقة | O, H12, H14 | غالبًا ما تُستخدم في التطبيقات التي تتطلب قابلية التشكيل ومقاومة التآكل |
| الأنابيب | أقطار من صغيرة إلى كبيرة | تؤثر طريقة التشكيل على الخصائص الميكانيكية | O, H14 | شائعة في الأنابيب المعمارية وأنابيب المعالجة الكيميائية |
| الأعمدة/القضبان | أقطار تصل إلى 300 mm | عادةً ما تكون مقاومة تصلب العمل منخفضة إلا عند السحب البارد | O, H16, H18 | تُستخدم للتشغيل أو التشكيل الإضافي إلى مكونات |
تؤثر طرق المعالجة على الميكروهيكل والسلوك الميكانيكي: الدرفلة والسحب البارد يؤديان إلى تصلب تشوه يزيد القوة، في حين يعيد التلدين ضبط الميكروهيكل للتشكيل. يجب أن يعكس اختيار المنتج تسلسل التشكيل المطلوب؛ يُفضل استخدام اللوح بتلدين O للسحب العميق والتدوير، بينما تُختار التلدينات H للأجزاء التي تتطلب صلابة وقوة إضافية دون معالجة حرارية.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 1100 | الولايات المتحدة | التسمية الأمريكية الأساسية للسبائك الألومنيوم النقية تجاريًا |
| EN AW | 1050A / 1100 (الأقرب) | أوروبا | تداخل تسميات EN لسبائك الألومنيوم النقية تجاريًا؛ 1050A تكون غالبًا الأقرب عمليًا |
| JIS | A1050 / A1100 (الأقرب) | اليابان | يوجد فئات مشابهة للسبائك النقية تجاريًا؛ التماثل المباشر يختلف حسب حدود الشوائب |
| GB/T | 1060 / 1100 (مشابه) | الصين | تقدم المعايير الصينية درجات مماثلة للسبائك النقية تجاريًا مع حدود مختلفة قليلاً |
ليس هناك تطابق دائم واحد لواحد بين المعايير لأن سقف الشوائب المسموح بها وعادات التصنيف تختلف إقليميًا. عند الاستبدال بين المعايير، تحقق من الحدود الكيميائية الدقيقة، تعريفات التلدين، وضمانات الخواص الميكانيكية بدلاً من الاعتماد فقط على أرقام السلسلة الاسمية.
مقاومة التآكل
تتمتع 1100 بمقاومة تآكل ممتازة للأغراض العامة بسبب المحتوى العالي من الألومنيوم الذي يشكل بسرعة طبقة رقيقة من الألومينا (Al2O3) الواقية. في الأجواء والبيئات الصناعية ذات التآكل المعتدل، تقدم 1100 أداءً جيدًا ومقاومة أفضل للثقوب مقارنةً بالعديد من المواد الأعلى سباكة بسبب غياب العناصر المسببة للهجوم.
في البيئات البحرية وذات الكلوريدات، تقاوم 1100 التآكل المنتظم ولكنها عرضة للهجوم الموضعي في أماكن الشقوق والتوصيل الكاثودي؛ حيث يطيل التأكسد بالأنود والتغليف الوقائي عمر الخدمة في التعرضات المالحة الشديدة. لا يشكل التشقق بالتآكل التوترات مشكلة كبيرة ل1100 لأنها تفتقر إلى الميكروهياكل العالية القوة والتركيبة الكيميائية المعززة لهذا النوع من التشقق؛ ومع ذلك، قد تؤدي الإجهادات العالية في بعض الظروف الغنية بالكلوريد إلى بدء التشقق.
التفاعلات الجلفانية نموذجية للألومنيوم: تكون 1100 أنودية عند اقترانها مع معادن أكثر نبالة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس، ويجب على المصممين استخدام حواجز عازلة أو مثبتات متوافقة للحد من التآكل الجلفاني المتسارع. مقارنة بالعائلات الأخرى، تقدم 1100 توازنًا بين بعض الصلابة الميكانيكية ومقاومة التآكل والتوصيل الكهربائي مقارنةً بالسبائك في سلسلتي 5xxx أو 6xxx الأقوى والتي قد تعاني من سلوكيات تآكل موضعية مختلفة.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
يمكن لحام 1100 بسهولة باستخدام TIG، MIG (GMAW)، وطرق المقاومة مع خطر منخفض جدًا للتشقق الساخن بشرط اتباع ممارسات جيدة. أسلاك الحشو الشائعة تشمل ER1100, ER4043, وER5356 حسب متطلبات الخدمة؛ يحتفظ ER1100 بالتوصيل والليونة بينما 4043/5356 قد يحسنان مظهر اللحام والخواص الميكانيكية. لا يشكل تليين منطقة التأثير الحراري (HAZ) مصدر قلق رئيسي لأن السبائك لا تكتسب الخواص بالترسيب؛ ومع ذلك تحدث تغييرات في القوة المحلية بسبب فقدان العمل البارد في المناطق المجاورة للحام.
قابلية التشغيل
تعتبر قابلية التشغيل للسبائك 1100 ضعيفة إلى متوسطة مقارنة بسبائك الألومنيوم سهلة التشغيل لكونها لينًا ومتماسكة مع ميل لتكوين رقائق طويلة ومتواصلة. تساعد أدوات الكربيد، سرعات الدوران العالية، عمق القطع الخفيف، وتوفير تزييت/تبريد جيد على التحكم بحافة القطع المتراكمة وتحسين إنهاء السطح. تآكل الأدوات التآكلي منخفض ولكن يجب الانتباه إلى التحكم بالرقائق وربط العمل لتجنب الاهتزاز والعرقلة.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل في التلدين O ممتازة وتسمح بثني شديد، سحب عميق، وعمليات التدوير. يمكن أن تقترب أدنى أنصاف أقطار الانحناء في تلدين O عادةً من 1–2× سماكة المادة في العديد من عمليات اللوح؛ تتطلب التلدينات H أنصاف أقطار أكبر وتشكيل تدريجي. يزيد التشكيل البارد القوة عبر تصلب الانفعال ويمثل الطريقة الموصى بها للأجزاء التي لا يمكن معالجتها حراريًا.
سلوك المعالجة الحرارية
كونها سبيكة غير معالجة حراريًا، لا تستجيب 1100 لدورتي التذويب والتعتيق التي تعزز القوة بالترسيب. المحاولات لتطبيق معالجة حرارية من نوع T لن تنتج مكاسب مماثلة لسلسلتي 6xxx أو 7xxx. عادةً ما تتضمن المعالجة الحرارية تلدينًا لاستعادة الليونة بعد العمل البارد: يتحقق التلدين الكامل (O) عند درجات حرارة تسمح بإعادة التبلور وتخفيف الإجهاد دون الذوبان.
يعد تصلب العمل هو الطريقة الأساسية لزيادة الخصائص؛ تستخدم تسلسلات محكمة من العمل البارد وتخفيف الإجهاد أو الثبات (مثل H24) لتحقيق توازن بين القوة والثبات الأبعادي. يجب اختيار معالجات الثبات الحراري بعناية لتجنب نمو الحبوب غير المرغوب فيه أو التشوه، ويجب تصميم الأجزاء التي تتطلب ثبات خواص ميكانيكية بعد اللحام مع مراعاة تليين منطقة التأثير الحراري المتوقع.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تفقد 1100 قوتها بسرعة مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب آليات الانزلاق وقلة محتوى السبائك التي لا تحافظ على القوة فوق درجات الحرارة المحيطة. للحمل الميكانيكي المستمر يحدد المصممون درجات حرارة الخدمة أقل من حوالي 100–150 °C للحفاظ على السلامة الميكانيكية؛ تتحمل لفترات قصيرة حتى 200 °C مع وجود تليين ملحوظ. التأكسد محدود بسبب إعادة تكوين طبقة الألومينا الواقية بسرعة، لكن قد يؤثر تاهين أكاسيد السطح على عمليات التشكيل عند درجات حرارة مرتفعة.
يحدث سلوك مناطق اللحام واسترخاء الإجهاد المتبقي عند درجات حرارة مرتفعة؛ يمكن للعناصر المستخدمة للحماية الجلفانية تغيير العلاقات الأنودية/الكاثودية عندما تسبب الحرارة تغييرات في الميكروهيكل. للمطالب الهيكلية ذات درجات الحرارة العالية، يفضل اختيار سبائك معالجة حراريًا أو متحملة للحرارة بدلاً من 1100.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | سبب استخدام 1100 |
|---|---|---|
| السيارات | تجهيزات داخلية، دروع حرارية | قابلية تشكيل ممتازة ومقاومة التآكل للمكونات غير الهيكلية |
| البحرية | تجهيزات معمارية، خزانات كيميائية | مقاومة عالية للتآكل وسهولة التصنيع في بيئات تآكلية |
| الفضاء | وصلات، خطوط معالجة كيميائية | مزيج جيد من القابلية للتشكيل، مقاومة التآكل، وخفة الوزن للهياكل الثانوية |
| الإلكترونيات | مبددات حرارية، دروع EMI | توصيل حراري وكهربائي عالي وإنهاء سطح جيد لإدارة الحرارة |
| الأغذية والمشروبات | أسطح عمل، خزانات، أدوات | طبقة أوكسيد غير سامة، سهولة التنظيف، ومقاومة التآكل في العديد من سوائل العمليات |
يجعل مزيج 1100 من القابلية للتشكيل، التوصيل، ومقاومة التآكل مع تكلفة المادة المنخفضة منه خيارًا مفضلًا للعديد من المكونات الهيكلية الثانوية والوظيفية. عندما لا تتطلب القطعة قوة ثابتة عالية ولكنها تحتاج إلى التشكيل أو التوصيل، غالبًا ما يكون 1100 هو الخيار الأكفأ.
نصائح اختيار
اختر 1100 عندما تكون الحد الأقصى للليونة، مقاومة التآكل، والتوصيل الحراري/الكهربائي هي العوامل الرئيسية في المشروع وعندما تكون الأحمال الميكانيكية معتدلة. للأجزاء التي تتطلب السحب العميق، التدوير، أو الأشكال المعقدة، عادةً ما يكون 1100-O هو الاختيار الاقتصادي والتقني الأنسب.
بالمقارنة مع سبائك الألومنيوم النقية تجاريًا الأخرى (مثل 1050)، يتميز سبيكة 1100 بسقوف شوائب مختلفة قليلًا جدًا وقد تقدم قدرة توصيل أو تشطيب سطحي مختلفًا بشكل طفيف؛ وغالبًا ما يكون الاختيار مبنيًا على المخزون المتوفر وشهادة المورد بدلاً من القفزات الكبيرة في الأداء. بالمقارنة مع السبائك المعالجة بالتصلب الناتج عن العمل مثل 3003 أو 5052، فإن 1100 عادةً ما يكون أقل قوة لكنه يتمتع بقدرة توصيل كهربائية وحرارية أفضل وغالبًا ما يكون أفضل في قابلية التشكيل؛ يُختار 3003/5052 عندما يكون مطلوبًا قوة أعلى أو استجابة تصلب انفعال. بالمقارنة مع السبائك المعالجة حراريًا مثل 6061 أو 6063، يُفضل اختيار 1100 عندما تكون القدرة على التوصيل أو القابلية للتشكيل أو مقاومة التآكل أكثر أهمية من القوة القصوى؛ لا يزال 6061 مفضلًا حيث تكون القوة الهيكلية الأعلى أو تصلب التقدم ضروريًا.
الخلاصة الختامية
تبقى سبيكة 1100 خيارًا واسع الاستخدام ومنخفض التكلفة من سبائك الألومنيوم لأنها تجمع بشكل فريد بين القابلية الممتازة للتشكيل، ومقاومة التآكل، وقدرة توصيل حرارية وكهربائية عالية ضمن مصفوفة نقية تجاريًا. للأجزاء التي تعطي أولوية لقابلية التصنيع ومتانة الخدمة على القوة القصوى، تظل 1100 الخيار الهندسي العملي.