الألومنيوم 1A70: التركيب، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
1A70 هي سبيكة ألومنيوم من سلسلة 1xxx ضمن عائلة الألومنيوم التجاري النقي، وتتميز بمحتوى ألومنيوم قريب أو أعلى من 99.7%. وبكونها عضوًا في مجموعة 1xxx، فهي تعرف بقلة الإضافات السبائكية عمدًا، مع وجود كميات أثرية من Si، Fe وبقايا أخرى بدلاً من إضافات تقوية متعمدة.
آلية تقوية السبائك تعتمد بشكل رئيسي على تقسية الإجهاد (تقسية التشوه) أكثر من تقسية الترسّب؛ حيث لا يمكن تقويتها بشكل كبير من خلال المعالجة الحرارية لكنها تستجيب بشكل متوقع للمعالجة بالتبريد والتلدين. تشمل الخصائص الرئيسية توصيل كهربائي وحراري عالٍ جدًا، مقاومة ممتازة للظروف الجوية والعديد من البيئات الكيميائية، قابلية تشكيل فائقة في الحالات اللينة، وقابلية لحام مباشرة مع ميل محدود للتشقق الحراري.
تستخدم سبائك 1A70 عادة في صناعات مثل تصنيع الموصلات الكهربائية وقضبان التوصيل (busbars)، المعدات الكيميائية ومعدات ملامسة الطعام، تغليف المباني والتشطيبات المعمارية، المبادلات الحرارية وزعانف المشعات وكذلك المكونات المتخصصة التي تتطلب توصيلية عالية وقابلية تشكيل. يختار المهندسون 1A70 على السبائك المقواة عندما تكون الموصلية وسهولة التشكيل ومقاومة التآكل أكثر أهمية من تحقيق أقصى نسبة قوة إلى وزن أو الحصول على قابلية تشغيل وصلابة عالية.
تُختار هذه السبيكة حيث يلزم مزيج من خصائص الألومنيوم شبه النقي: مثل حيثما يكون التوصيل الأقصى، قابلية السحب العميق، أو مستويات نقاوة منخفضة لعمليات اللحام أو التلحيم ضرورية. في العديد من سياقات التصنيع، تعتبر حلاً وسطًا بين قابلية العمل لألومنيوم نقي والمتانة الميكانيكية المعتدلة الممكنة بواسطة تقسية الإجهاد.
أنواع الظروف الحرارية (Temper)
| الظرف | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالية جدًا | ممتازة | ممتازة | تلدين كامل، أقصى درجة ليونة وتوصيلية |
| H12 | منخفض–متوسط | متوسطة | جيدة جدًا | ممتازة | تقسية إجهاد جزئية؛ تحافظ على قابلية تشكيل جيدة |
| H14 | متوسط | متوسطة | جيدة | ممتازة | عمل تبريد خفيف؛ شائع للأقسام المسحوبة والشرائط |
| H16 | متوسط–عالي | متوسطة | جيدة إلى مقبولة | ممتازة | تقسية إجهاد أعلى لقوة إضافية |
| H18 | عالي | أقل | منخفضة قليلاً | ممتازة | تقسية إجهاد شديدة لقوة ثابتة أعلى |
| H24 | متوسط | متوسطة | جيدة | ممتازة | تقسية إجهاد + تلدين جزئي لموازنة الليونة والقوة |
| T5 / T6 / T651 | غير مطبق | غير مطبق | غير مطبق | غير مطبق | غير مناسب — 1A70 غير قابل للمعالجة الحرارية؛ ظروف T غير ذات معنى |
يلعب الظرف تأثيرًا مباشرًا على الخواص الميكانيكية وقابلية التشكيل للسبائك 1A70 لأن كل القوة المستخدمة يتم توليدها بواسطة التشوه البلاستيكي. ظروف التلدين أو O تعطي أقصى استطالة وحدود تشكيل، مما يجعلها الافتراضية للسحب العميق والعمل المعقد للطي. زيادة أرقام H تزيد من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد مع تقليل تدريجي للاستطالة وقابلية تشكيل نصف قطرات ضيقة؛ تبقى قابلية اللحام جيدة عبر الظروف لكن الوصلات الملحومة قد تظهر تليينًا محليًا بسبب فقدان تقسية الإجهاد.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Al | موازنة (~99.7–99.85) | الجزء الأكبر من التركيبة؛ يحدد التوصيلية والسلوك ضد التآكل |
| Si | ≤0.25 | بقايا من المعالجة؛ تؤثر على انسيابية الصب أكثر من المصهور |
| Fe | ≤0.40 | شائبة شائعة؛ يمكن أن تشكل مركبات بين فلزية تقلل الاستطالة قليلاً |
| Mn | ≤0.05 | أثر ضئيل؛ ليس له تأثير تقوية ملحوظ |
| Mg | ≤0.03 | محتوى منخفض؛ غير مضاف عمدًا للتقسية |
| Cu | ≤0.05 | محتفظ به منخفضًا للحفاظ على مقاومة التآكل والتوصيلية |
| Zn | ≤0.03 | مستويات أثرية؛ تأثير محدود |
| Cr | ≤0.05 | مراقبة أثرية للحد من نمو الحبيبات في بعض الأنواع |
| Ti | ≤0.03 | يستخدم عادة كمكرر للحبيبات في صهرات سبائكية دقيقة |
| عناصر أخرى (لكل منها) | ≤0.05 | مجموع البقايا الأخرى محدود للحفاظ على نقاوة عالية |
التكوين الكيميائي يؤكد على الألومنيوم كعنصر سائد مع حدود صارمة على عناصر الشوائب للحفاظ على التوصيل والليونة ومقاومة التآكل. كميات صغيرة من Fe و Si لا مفر منها وتنتج جسيمات بين فلزية دقيقة تقلل قابلية التشكيل قليلاً عند السماكات العالية جدًا أو بعد عمليات عمل باردة كثيفة. غياب عملي لـ Mg، Cu و Zn يمنع تقسية الترسّب ويضمن سلوكًا متسقًا ومتوقعًا أثناء اللحام والتعرض الكيميائي.
الخواص الميكانيكية
سلوك الشد للسبائك 1A70 يشبه الألومنيوم عالي النقاء: منخفض مقاومة الخضوع ومقاومة الشد في الحالة المدلدة مع استطالة عالية ومرونة بلاستيكية موحدة. تحت العمل البارد (ظروف H) تزداد مقاومة الخضوع والشد بشكل كبير بينما تنخفض الاستطالة ونسبة تقليل المقطع؛ يبقى منحنى الإجهاد-الانفعال مطاطيًا لكن أس المُقوية (strain-hardening exponent) معتدل مقارنة بسلاسل السبائك المضاف إليها. تؤثر السماكة وتاريخ المعالجة بشكل قوي على الخواص المقاسة؛ فالشرائط الرقيقة المعالجة بعمل بارد عالي تظهر قوة ظاهرة أعلى من الألواح السميكة ذات ظرف O.
مقاومة الخضوع في ظرف O منخفضة (من خانة الآحاد إلى بضعة عشرات MPa) مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية، بينما مقاومة الشد تتراوح عادة ضمن خانة العشرات القليلة وحتى أقل من 100 MPa حسب الظرف والسماكة. الصلادة تتبع نفس الاتجاه — منخفضة في المواد المدلدة وتزداد مع التقسية بواسطة التشوه؛ قيم صلادة برينل عادة ضمن العشرات (12–22 HB) في ظرف O وترتفع إلى 20–40 HB في ظروف H16–H18. مقاومة التعب معتدلة؛ تستفيد من الليونة العالية للسبائك لكنها قد تقل بسبب عيوب السطح، العمل البارد الشديد، أو التلامس مع معادن مختلفة مسببًا آفات جلفانية.
| الخاصية | O / مدلدة | ظرف رئيسي (مثلاً H14/H18) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 60–100 MPa | 110–160 MPa | نطاق واسع حسب السماكة ودرجة العمل البارد |
| مقاومة الخضوع | 20–40 MPa | 80–140 MPa | ظروف H توفر معظم القوة الصالحة للاستخدام عن طريق تقسية التشوه |
| الاستطالة | 25–45% | 2–20% | المدلدة تتمتع بلدية عالية؛ ظروف التقسية الشديدة منخفضة الاستطالة |
| الصلادة | 12–22 HB | 20–40 HB | صلادة برينل تزداد مع تقسية التشوه |
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.70 g/cm³ | قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ مفيدة للتصميم الخفيف الوزن |
| نطاق الانصهار | ~660–657 °C | نقطة انصهار الألومنيوم النقي ~660.3 °C؛ نطاق ضيق للسبيكة عالية النقاء |
| التوصيل الحراري | ~230–240 W/m·K (20 °C) | عالي جدًا؛ قريب من قيم الألومنيوم النقي ومتقدم على معظم الدرجات المسبوكة |
| التوصيل الكهربائي | ~60–64 % IACS | توصيل كهربائي عالي يجعل 1A70 اختيارًا مثاليًا للموصلات وقضبان التوصيل |
| الحرارة النوعية | ~0.90 J/g·K (20 °C) | قيمة نموذجية للألومنيوم؛ مفيدة في حسابات المشتتات الحرارية |
| التمدد الحراري | ~23–24 µm/m·K | مشابه لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ يلزم تصميم دقيق لتحمل دورات الحرارة في التجميعات |
الخواص الفيزيائية تؤكد ملاءمة 1A70 للتطبيقات الحرارية والكهربائية: التوصيل الحراري قريب من الحد العالي للسبائك المشغولة والتوصيل الكهربائي يقترب من درجات الألومنيوم التجاري النقي. معامل التمدد الحراري العالي نسبيًا يتطلب هندسة مناسبة للقيود وخصوصًا في التجميعات التي تتعرض لدورات حرارية متكررة. سلوك الانصهار والصب يعكس الألومنيوم النقي، مما يبسط عمليات التلحيم واللحام ولكن يتطلب مراقبة تكوين الأكسيد.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المسامير الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2–6.0 mm | تتغير القوة بشكل كبير حسب المسامير | O, H12, H14 | تستخدم على نطاق واسع للكسوة، الألواح المعمارية والمبددات الحرارية |
| صفائح | 6–100+ mm | قوة نسبية أقل لكل سماكة بسبب انخفاض سبائك | O, H18 | الأشكال الأثخن قد تحتوي على مزيد من المركبات بين المعدنية الناتجة عن الصب أو المعالجة |
| بثق | مقاطع معقدة حتى المقاطع الكبيرة | القوة عبر العمل البارد والتصميم | O, H14, H16 | تشطيب سطحي جيد وقابلية تشكيل ممتازة للجدران الرقيقة |
| أنابيب | جدران رقيقة إلى متوسطة | القوة عبر السحب والعمل البارد | O, H12, H14 | خيارات بدون درز وملحومة؛ تستخدم في المبادلات الحرارية وأنابيب المكثفات |
| قضبان/أعمدة | أقطار من صغيرة إلى عدة إنشات | مسحوبة بالبارد لزيادة القوة | O, H18 | تستخدم للموصلات، الموصلات الكهربائية، وأجزاء الطراز التثبيتي |
الأشكال الرقيقة من الألواح هي المنتج التجاري الأكثر شيوعًا لـ 1A70 لأنها تستغل قابلية السبائك الممتازة للتشكيل والتوصيل الكهربائي. يعتمد البثق والأنابيب بشكل كبير على السحب والعمل البارد اللاحق لتحقيق القوة المطلوبة والتحكم البُعدي. الصفائح والأشكال الثقيلة أقل شيوعًا لأن القوة الذاتية منخفضة مقارنة بسلسلة السبائك، والمنتجات السميكة قد تظهر تناقصًا طفيفًا في الليونة بسبب توزيع جزيئات الشوائب.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 1070 | دولي / الولايات المتحدة الأمريكية | أقرب مكافئ تجاري عالي النقاء؛ كيمياء وخواص مماثلة |
| EN AW | 1070A | أوروبا | تعيين أوروبي للألومنيوم المطروق عالي النقاء؛ حدود مماثلة |
| JIS | A1070 | اليابان | تعيين ياباني لمنتجات الألومنيوم المطروق النقية مع استخدامات مشابهة |
| GB/T | 1A70 | الصين | تعيين المعيار الصيني؛ حدود كيميائية ومسامات مطابقة لتوقعات مجموعة 1xxx |
الدرجات المكافئة عبر المعايير عادةً ما تكون قابلة للتبادل لمعظم التطبيقات، لكن حدود الشوائب الدقيقة وعناصر الأثر المسموح بها قد تختلف قليلاً بين المعايير. يمكن أن تكون هذه الاختلافات الدقيقة مهمة في التطبيقات الكهربائية ذات الموصلية العالية أو حيث تؤثر تحمّلات الشوائب على التلحيم أو التشطيب السطحي. من الضروري دائمًا مراجعة شهادات المصنع والمعايير عند التحديد لاستخدامات منظّمة أو عالية الأداء.
مقاومة التآكل
يتمتع 1A70 بمقاومة ممتازة للتآكل الجوي نتيجة التكوين السريع لطبقة أكسيد الألومنيوم المستقرة والملتصقة على الأسطح المكشوفة. في البيئات الريفية والحضرية الجوية، يقدم أداءً مشابهًا لسلسلة سبائك 1xxx عالية النقاء ويتفوق عادةً على سلسلة السبائك الأكثر نشاطًا حيث تعزز محتويات النحاس أو المغنيسيوم العالية الهجوم الموضعي.
في البيئات البحرية والغنية بالكلوريد، يقاوم السبيكة التآكل العام بشكل جيد، لكنه معرض للتآكل النقطي في مياه البحر الراكدة والتآكل في الشقوق في الأشكال المحصورة مثل غيره من الدرجات الألومنيومية. تقلل محتويات النحاس المنخفضة من قابلية التعرض للتسريع الجلفاني العام، لكن يجب تقييم الاقتران الجلفاني مع المعادن الأشد نبلاً (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ) حيث يمكن أن يسارع التآكل الموضعي عند وصلات التثبيت عند اقترانه بمواد كاثودية.
الحساسية للتشقق بالتآكل الناتج عن الإجهاد منخفضة مقارنةً بالسبائك الألومنيومية عالية القوة الأقدم لأن قوة 1A70 المنخفضة وعدم وجود نحاس أو مغنيسيوم عالي يمنع الظروف التي تشجع تشقق التآكل الإجهادي. مع ذلك، تظل ظواهر الذوبان الأنودي والهشاشة الهيدروجينية مصدر قلق في ظروف كيميائية كهربائية قصوى. بالمقارنة مع السلسلة 3xxx و5xxx، يقدم 1A70 مقاومة مماثلة أو أفضل للتآكل العام لكنه أقل في القوة الهيكلية، وبالمقارنة مع 6xxx/7xxx يتنازل عن القوة مقابل سلوك تآكل عام متفوق.
خصائص التصنيع
القابلية للحام
يمكن أن تُلحم 1A70 بسهولة باستخدام عمليات الانصهار القياسية (TIG، MIG، واللحام بالمقاومة) مع مخاطر منخفضة للتشققات الساخنة بسبب انخفاض محتوى السبائك. ستفقد اللحامات مكانياً التقسية الناتجة عن الشد في مسامير H وتظهر مناطق HAZ (منطقة التأثير الحراري) طرية تقترب من خصائص الأجزاء المعالجة حراريًا (الملدنة)، لذا يجب أن يأخذ تصميم الوصلات في الاعتبار تغيير القوة المحلية. المعادن المملوءة الموصى بها هي سبائك منخفضة أو حشوات من الألومنيوم النقي المتوافقة مع السبيكة الأساسية لتجنب إنشاء مواقع أنودية؛ للتطبيقات التي تتطلب موصلية عالية يجب استخدام حشوات عالية النقاء مع التحكم في الأكسيديات والفراغات.
قابلية التشغيل
تشغيل 1A70 أكثر تحديًا من بعض الدرجات السبائكية بسبب ليونته وميله للتشحيم التي قد تؤدي إلى تكوين حواف متراكمة ورقائق لزجة تحت ظروف قطع غير مناسبة. مؤشر قابلية التشغيل متوسط (أقل من السبائك القابلة للقطع الحر)، ويستفيد من أدوات ذات زاوية إيجابية، مدخلات كربيد حادة، ومبرد لطرد الرقائق وتقليل الحافة المتراكمة. تزيد الصلادة العليا المكتسبة بالعمل البارد قابلية التشغيل قليلاً لكنها تقلل عمر الأداة؛ عادةً ما يُستخدم معدل تغذية متوسط وسرعات قطع معتدلة مع مكسري رقائق مناسبة.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل ممتازة في حالة O، مما يسمح بالسحب العميق، التفريز، والطباعة المعقدة مع حد أدنى من الارتداد. يمكن أن تكون أنصاف أقطار الثني ضيقة في الألواح الملدنة؛ يوصى عادةً بأن تكون أنصاف الأقطار الداخلية على الأقل 1–2× السماكة لمعظم أعمال التشكيل في مسمار O، وتزداد في مسامير H. يعتبر العمل البارد هو الطريق الرئيسي لزيادة القوة ويجب استخدامه مع تتابع تشكيل متعدد المراحل إضافة إلى التلدين المتوسط عند الحاجة لتقليلات عالية جدًا.
سلوك المعالجة الحرارية
1A70 غير قابلة للمعالجة الحرارية بمعناها الميتالورجي؛ إذ لا تطور تقسية قوية عبر الترسيب بواسطة المعالجة بالحل والشيخوخة. محاولات تطبيق معالجات T6 التقليدية لا تحقق مكاسب القوة المميزة في عائلات 6xxx أو 7xxx.
خيارات المعالجة الحرارية تقتصر على التلدين (تليين كامل) وخطوات التثبيت الحراري لتخفيف الإجهادات المتبقية الناتجة عن العمل. يتم التلدين (مكافئ لتلدين الحل) بتسخين السبيكة ضمن نطاق درجات الحرارة المناسب لإعادة التبلور، والاحتفاظ لفترة كافية لضبط حجم الحبيبات، ثم التبريد المسيطر عليه؛ تعيد هذه العملية المرونة والموصلية لكنها تقلل القوة الميكانيكية التي أُدخلت عن طريق العمل البارد.
تتحقق التبدلات في المسامير لضبط المنتج من خلال دورات التقسية الناتجة عن الانفعال والتلدين بدلاً من تسلسل الترسيب. يجب على المصممين تخطيط تسلسل التشكيل والربط استنادًا لهذه المعالجات الميكانيكية وليس الاعتماد على التقوية الحرارية.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تتناقص القوة الميكانيكية لـ 1A70 بسرعة مع ارتفاع درجة الحرارة مقارنةً مع سبائك الألومنيوم السبائكية ومعظم سبائك الألومنيوم الهيكلية؛ فوق ~150–200 °C ينخفض هامش القوة الفعال بشكل كبير. لا يُنصح باستخدام السبيكة لفترات طويلة في درجات حرارة عالية حيث يجب تحمل الأحمال الميكانيكية فوق هذا النطاق، لأن الزحف والليونة يصبحان ملحوظين.
مقاومة الأكسدة جيدة لأن طبقة أكسيد الألومنيوم تبقى واقية، مع ذلك يجب مراعاة تأثيرات الطبقة السطحية والتغيرات في الموصلية لمكونات إدارة الحرارة المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة مستمرة. في التجميعات الملحومة، يمكن أن يتضافر تليين منطقة التأثير الحراري عند درجات الحرارة المحلية العالية مع تليين المادة الأساسية لإحداث ضعف عند الوصلات، لذا يجب تصميمها إما لتجنب درجات الحرارة المرتفعة المستمرة أو استخدام تعزيزات ميكانيكية.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 1A70 |
|---|---|---|
| الكهرباء | قضبان التوصيل، شرائط التوصيل | موصلية كهربائية عالية وقابلية تشكيل للموصلات المشكلة |
| البحرية | التشطيبات الزخرفية، قنوات التهوية | مقاومة التآكل مع قابلية التشكيل والخفة |
| الفضاء | وصلات غير هيكلية، أغطية حرارية | موصلية جيدة، خفة الوزن، سهولة التشكيل |
| الإلكترونيات | المبددات الحرارية، رقائق المكثفات | موصلية حرارية عالية ونقاء للتحكم الحراري |
| العمارة | الكسوة، الواجهات، الشرائط المعدنية | تشطيب جمالي، مقاومة التآكل، وقدرة سحب عميق |
يُستخدم 1A70 حيث تكون نقاوة عالية والخصائص الفيزيائية المرتبطة بها (الموصلية، النقل الحراري، مقاومة التآكل) هي المحركات التصميمية بدلاً من أقصى قوة هيكلية. يسمح نطاق أشكال المنتج باستخدامه عبر أجزاء هيكلية وغير هيكلية خفيفة الوزن، خصوصًا حيث تستغل عمليات التصنيع السحب العميق، البثق، أو الربط الواسع. توازن خواص السبيكة يجعلها خيارًا قياسيًا في حزم المواصفات التي تعطي أولوية للموصلية وقابلية التشكيل.
نصائح الاختيار
اختر 1A70 عندما تكون الموصلية الكهربائية أو الحرارية، القابلية الممتازة للتشكيل، ومقاومة التآكل لها أولوية على القوة الميكانيكية القصوى. يجعلها انخفاض محتوى السبائك وكيمياء النقاء شبه الكامل مثالية للموصلات، المبددات الحرارية، والمكونات المسحوبة بعمق حيث يمكن للعمل البارد تعديل القوة دون التأثير على الموصلية.
بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجاريًا مثل 1100، يقدّم 1A70 فروقًا طفيفة فقط في الموصلية وحدود الشوائب مع قابلية تشكّل مشابهة إلى حد كبير ولكنه قد يتميز بتحمل دقيق مختلف قليلاً من المصنع؛ كلاهما يُختاران للموصلية والليونة بدلاً من القوة. مقابل السبائك التي تُصلب بالعمل مثل 3003 أو 5052، يوفر 1A70 موصلية مكافئة أو أفضل وقابلية تشكيل مماثلة ولكن بقوة أدنى يمكن تحقيقها؛ اختر 1A70 عندما تهيمن مقاومة التآكل والموصلية على متطلبات القوة. مقارنة بالسبائك قابلة المعالجة حراريًا مثل 6061 أو 6063، يُختار 1A70 عندما تكون الموصلية القصوى وقابلية التشكيل مطلوبتين بالرغم من انخفاض القوة القصوى؛ استخدم 6061 حيث تكون القوة الهيكلية والتصلب بالعمر ضرورية.
خلاصة ختامية
يبقى 1A70 ملائمًا كسبائك ألومنيوم عالية النقاء وعالية القابلية للتشكيل، حيث تجمع بين موصلية كهربائية وحرارية ممتازة، مقاومة للتآكل، وقابلية للحام تخدم العديد من المجالات الصناعية. بالنسبة للمهندسين الذين يعطون أولوية للموصلية، السحب العميق، والتوافق الكيميائي على القوة الهيكلية العالية، يُعتبر 1A70 خيارًا عمليًا وذو تكلفة معقولة مع سلوك معالجة متوقع وتوفر واسع في الألواح، البروفيلات، والمنتجات المشكلة.