الألومنيوم 1N50: التركيب، الخواص، دليل المعالجة الحرارية والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
1N50 هو سبيكة ألومنيوم متوسطة القوة تنتمي وظيفياً إلى عائلة سلسلة 5xxx (فئة Al-Mg) ومُحسنة للتطبيقات الهيكلية حيث تكون مقاومة التآكل وقابلية اللحام ضرورية. العنصر الأساسي في السبائك هو المغنيسيوم، عادة بنسبة 4.5–5.5% بالوزن، مع إضافات محكومة من المنغنيز وكميات ضئيلة من الكروم والسيليكون لتحسين هيكل الحبيبات وزيادة القوة. السبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ إذ يتحقق التقوية الأساسية من خلال تقوية المحلول الصلب بواسطة المغنيسيوم والتصلب الناتج عن التشوه أثناء التشغيل البارد. تشمل الخصائص الرئيسية نسبة قوة إلى وزن مناسبة، مقاومة ممتازة للتآكل الجوي والبحري، قابلية لحام جيدة مع متطلبات متواضعة للمعالجة الحرارية بعد اللحام، وقابلية تشكيل معقولة في درجات التليين الأكثر ليونة.
الصناعات التي تستخدم 1N50 بشكل متكرر تشمل الصناعة البحرية وبناء السفن، وصناعة النقل والمقطورات، والتكسية المعمارية، وبعض المكونات الهيكلية في قطاع السيارات التي تتطلب مقاومة للإجهاد وأداء عالي في مقاومة التآكل. يختار المصممون 1N50 بدلاً من السبائك ذات القوة الأقل والتوصيل الكهربائي العالي عند توقع زيادة في تحميل الأجزاء وإجراء إصلاحات لحامية موضعية. مقارنة بالسبائك المعالجة حرارياً ذات القوة الأعلى، يفضل اختيار 1N50 للأجزاء الهيكلية الكبيرة حيث يكون مقاومة التآكل أثناء الخدمة وقابلية التشكيل بنصف قطر كبير أهم من تحقيق أعلى قوة في حالة التعتيق.
الدرجات الحرارية (Temper Variants)
| الدرجة الحرارية | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | مرتفع (≥30%) | ممتازة | ممتازة | حالة مغلّفة بالكامل؛ الأفضل للسحب العميق |
| H12 | منخفض-متوسط | متوسط (20–25%) | جيدة | ممتازة | متصلب جزئياً بالتشوه؛ تشكيل متوسط |
| H14 | متوسط | متوسط (12–18%) | جيدة | ممتازة | نصف صلب؛ شائع للألواح المحملة بشكل متوسط |
| H18 | مرتفع | منخفض (6–12%) | مقبولة | ممتازة | صلب كلي؛ ثني محدود، يستخدم حيثما يلزم الصلابة |
| H22 | متوسط-مرتفع | متوسط (10–15%) | متوسطة | ممتازة | متصلب بالتشوه وجزئياً مغلّف؛ خصائص متوازنة |
| H32 | متوسط-مرتفع | متوسط (10–15%) | متوسطة | ممتازة | متصلب ثم مستقر؛ يحافظ على القوة بعد اللحام |
| H116 | متوسط-مرتفع | متوسط (10–15%) | متوسطة | جيدة جداً | مخصص للاستخدام البحري مع إعادة انبلور منضبطة |
تغير الدرجات الحرارية في 1N50 السلوك الميكانيكي من خلال الجمع بين التصلب بالتشوه ومعالجات التثبيت للحفاظ على القوة أثناء عمليات التصنيع اللاحقة مثل اللحام. درجات O اللينة تعظم الليونة وقابلية التشكيل لكنها تمتلك أدنى مقاومات الخضوع والشد، بينما درجات H تتنازل عن الليونة لصالح قوة أعلى وثبات أبعاد أفضل.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.10 – 0.40 | سيليكون منخفض محكوم للحد من تكوين Fe-silicide الذي يقلل الليونة |
| Fe | 0.20 – 0.60 | شائبة نموذجية؛ المستويات العالية تقلل المتانة وتزيد حساسية التشقق |
| Mn | 0.20 – 0.80 | يقوم بتحسين تكرير الحبيبات ومقاومة إعادة التبلور؛ يعزز القوة |
| Mg | 4.50 – 5.50 | العنصر الرئيسي للتقوية عبر تقوية المحلول الصلب ومقاومة التآكل |
| Cu | 0.05 – 0.30 | يُحافظ على تركيز منخفض للحفاظ على مقاومة التآكل؛ إضافات صغيرة قد تعزز القوة |
| Zn | 0.05 – 0.25 | صغير؛ منخفض لتجنب تقليل مقاومة التآكل |
| Cr | 0.05 – 0.25 | يسيطر على هيكل الحبيبات ويقلل من الحساسية للتقشير والتآكل الناتج عن الإجهاد |
| Ti | 0.02 – 0.10 | مكرر للحبيبات، يستخدم في صناعة السبيكة المصهورة/السبائك للتحكم في الميكروهيكل |
| عناصر أخرى (كل منها) | ≤0.05 | عناصر أثرية وبقايا؛ مجموع العناصر الأخرى محدد حسب المواصفة |
يُضبط تركيب 1N50 لتعظيم تأثير تقوية المحلول الصلب بواسطة المغنيسيوم مع إبقاء العناصر التي تعزز تكوين المركبات البينية عند مستويات منخفضة. يعمل المنغنيز والكروم كعناصر ميكروسبائكية لتثبيت الميكروهيكل ضد نمو الحبيبات وإعادة التبلور أثناء التغيرات الحرارية، مما يحافظ على المتانة ومقاومة التآكل بين الحبيبات.
الخصائص الميكانيكية
يعرض سلوك الشد في 1N50 زيادة تدريجية في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد القصوى مع التصلب بالتشوه؛ ويتميز السبائك بمعدل تناسق جيد بين الشد والاستطالة مقارنةً بسبائك سلسلة 6xxx المعالجة حرارياً. في حالة الإسكاف (O)، تظهر السبيكة استطالة متجانسة طويلة وأُسس تصلب تشوه بارزة، مما يعد مفيداً لعمليات التشكيل التي تعتمد على إعادة توزيع البلاستيك. تتوافق الصلادة بشكل وثيق مع الدرجة الحرارية؛ حيث تصل قيم H في درجات H إلى مستويات أعلى بنسبة 20–40% مقارنة بدرجات O، مما يحسن مقاومة التحميل التلامسية لكنه يقلل قابلية الانحناء.
يستفيد أداء التعب في 1N50 من نمط الكسر اللدن ومقاومة التآكل الجيدة؛ حدود التعب حساسة لنعومة السطح واللحامات والسماكة. تظهر الأقسام الرقيقة ليونة ظاهرة أعلى ونسبة مقاومة الخضوع إلى مقاومة الشد أعلى قليلاً بسبب تأثيرات التقييد، في حين قد تظهر الأقسام السميكة تقليلًا في الليونة وإمكانية تركز مسام أو تغييبات موضعية بسبب عيوب التصنيع عند عدم جودة ممارسات صب السبائك. يجب على المصممين أخذ سماكة القطعة وتأثيرات التليين في منطقة التأثير الحراري للحام بعين الاعتبار عند تحديد عوامل الأمان للأجزاء المعرضة للأحمال الدورية.
| الخاصية | O/مُسخن | درجة حرارية رئيسية (H32/H116) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~170 MPa | ~270–300 MPa | تعتمد قيم H32/H116 على درجة العمل البارد والتثبيت |
| قوة الخضوع | ~60–90 MPa | ~200–240 MPa | يزداد حد الخضوع بشكل ملحوظ مع التصلب بالتشوه |
| الاستطالة | ~30–35% | ~10–16% | تنخفض الاستطالة في الدرجات الصلبة؛ وتختلف حسب السماكة |
| الصلادة (HB) | ~35–45 HB | ~75–95 HB | تزداد الصلادة مع العمل البارد؛ معبرة عن مقاومة التآكل والتحميل التلامسي |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.66 g/cm³ | نموذجية لسبائك Al-Mg؛ تسهم في قوة نوعية عالية |
| نطاق الانصهار | ~555–650 °C | فترة الصلادة والسائلة تعتمد على نسبة Si/Fe والتجزئة |
| التوصيل الحراري | 120–140 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي؛ لكنها كافية لتطبيقات نشر الحرارة |
| التوصيل الكهربائي | ~35–45 % IACS | منخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب المغنيسيوم في المحلول؛ تتغير حسب الدرجة الحرارية والمعالجة |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.90 kJ/kg·K | قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم مفيدة لحساب الكتلة الحرارية |
| التمدد الحراري | 23–25 µm/m·K (20–100 °C) | تمدد حراري مرتفع نسبياً؛ يجب مراعاة التمدد التفريقي مع المواد غير المتماثلة |
تجعل هذه الخصائص الفيزيائية 1N50 خياراً مثالياً حيثما يُطلب خفة الوزن والتوصيل الحراري إلى جانب القدرة الهيكلية. وتقع مسؤولية المصممين في اعتبار التمدد الحراري عند الالتحام بالصلب أو المركبات لتجنب تركيزات الإجهاد خلال التغيرات الحرارية.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | الدرجات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح (Sheet) | 0.3 – 6.0 mm | تختلف القوة حسب الدرجة الحرارية؛ السماكات الرقيقة تظهر قابلية تشكيل محسنة | O, H14, H32, H116 | مستخدمة على نطاق واسع للألواح، العلب، والأغلفة |
| لوح سميك (Plate) | 6 – 120 mm | ليونة أقل في اللوح السميك؛ تتغير القوة بدرجة أقل مع السماكة | O, H22, H32, H116 | لوح هيكلي للأطر البحرية والنقل |
| بثق (Extrusion) | مقاطع معقدة حتى 300 mm | يمكن تزويده في حالات تشوه فوق المعتاد أو مشدود بالتصلب | O, H12, H14, H32 | سطح جيد؛ استخدامات تشمل القضبان والملامح الشكلية |
| أنابيب (Tube) | أقطار من صغيرة إلى أكثر من 400 mm | الرسم البارد والتعتيق يضبطان ثبات الأبعاد | O, H14, H18 | تُستخدم في إطارات هيدروليكية وأنابيب معرضة للتآكل |
| قضبان/عصي (Bar/Rod) | دائرية/سداسية حتى 200 mm | مسحوبة باردة أو مدلفنة ساخنة؛ تستجيب الخصائص الميكانيكية للتصلب بالتشوه | O, H12, H18 | مخزون تشغيل وقضبان/دبابيس هيكلية |
تأثير الاختلافات في التصنيع يحدد اختيار شكل المنتج؛ يتم إنتاج الألواح عبر الدرفلة مع تحكم دقيق في السماكة وينتج عنها عادة سطح مصقول وناعم، بينما قد يتضمن إنتاج الألواح سمكرة تخميل للحد من التجزئة المركزية. تتيح عمليات البثق إنتاج مقاطع معقدة لكنها تتطلب تصميم قالب دقيق للسبائك المحتوية على المغنيسيوم لتفادي تموجات السطح وضمان دقة الأبعاد.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 1N50 | الولايات المتحدة الأمريكية | تصنيف ملكي أو تجاري؛ التركيب الكيميائي يتوافق مع فئة Al-Mg |
| EN AW | ما يعادل سلسلة 5xxx | أوروبا | ما يعادل تقريبي في سلسلة EN AW 5xxx؛ التطابق الدقيق يعتمد على محتوى المغنيسيوم والمنغنيز |
| JIS | ما يعادل سلسلة A5xxx | اليابان | مقارن بدرجات JIS من الألومنيوم-مغنيسيوم المستخدمة في المكونات البحرية والإنشائية |
| GB/T | ما يعادل سلسلة 5xxx | الصين | متوفر مكافئات محلية بمحتويات مغنيسيوم ونطاقات ميكانيكية مشابهة |
يجب اعتبار إدخالات الدرجات المكافئة كتمثيلات وظيفية تقريبية؛ يتطلب الاختيار النهائي مراجعة متطلبات التركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية في وثائق المعيار المعمول به. قد تؤكد المعايير الإقليمية على حدود مختلفة للشوائب، أو تحكم في هيكل الحبيبات، أو تصنيفات درجات المعالجة التي تؤدي إلى اختلافات عملية في الأداء، خاصة للأجزاء البحرية والفضائية الحرجة.
مقاومة التآكل
يُظهر 1N50 مقاومة ممتازة للتآكل الجوي العام، يُعزى ذلك إلى تكوين أكسيد مستقر والدور المفيد للمغنيسيوم في تكوين طبقة خاملة. في البيئات البحرية، أداء السبيكة جيد، مقاومًا للتآكل المنتظم ويوفر مقاومة معقولة للتآكل النقطي عند حمايته باستخدام التشطيبات السطحية المناسبة واستراتيجيات الحماية الكاثودية. ومع ذلك، في الأجواء الصناعية أو شديدة التلوث التي تحتوي على الكلوريدات والكبريتات، يمكن أن يتسارع التآكل المحلي ما لم تُطبق طبقات حماية أو تأكسد أنودي.
حساسية التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي منخفضة إلى متوسطة مقارنة بسلاسل Al-Zn-Mg القابلة للمعالجة الحرارية بقوة عالية؛ يجمع 1N50 بين قوة معتدلة ومحتوى مغنيسيوم يعني أنه ليس محصنًا بشكل كامل، خصوصًا تحت الإجهادات المتبقية الشدية ودرجات الحرارة العالية. يجب الأخذ في الاعتبار التفاعلات الجلفانية عند اقتران 1N50 مع معادن كاثودية مثل الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النحاس؛ حيث سيحدث التآكل في الألومنيوم بشكل انتقائي ما لم يُعزل كهربائياً أو يُحمى. مقارنة بسلسلة 3xxx و1xxx، يضحي 1N50 بقابلية تشكيل أقل قليلاً مقابل قوة محسنة بشكل ملحوظ ومقاومة تآكل مماثلة أو أفضل في الخدمات المعرضة للكلوريدات.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
يمكن لحام 1N50 بسهولة بطرق الانصهار الشائعة مثل MIG (GMAW)، TIG (GTAW)، واللحام بالمقاومة مع مخاطر منخفضة لتشقق التصلب إذا تم اتباع ممارسات جيدة. تُنصح سبائك الحشو المتوافقة من سلسلة Al-Mg (مثل ER5356 أو ما يعادل ER5183) للحفاظ على مقاومة التآكل والخصائص الميكانيكية في منطقة اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ). قد تظهر منطقة HAZ بعض التليين مقارنة بالمادة الأم المعالجة بالبرودة بشكل كبير، لكن معالجات التثبيت مثل H32 والتشطيب الميكانيكي بعد اللحام تقلل من التشوه وفقدان الصلابة المحلية.
قابلية التشغيل
تشغيل 1N50 متوسط الصعوبة؛ يمكن لللدونة إنتاج رقائق طويلة مترابطة إذا لم يتم تحسين هندسة الأدوات ومعدلات التقديم. تعمل الأدوات الكربيدية ذات الزاوية الموجبة والهيكل الحلزوني المتغير بشكل جيد، مع سرعات قطع نموذجي أقل من سلسلة 6xxx بسبب ميل السبيكة للتقسية أثناء التشغيل، ومعدلات تغذية مرتفعة لتحفيز تكسير الرقائق. يمكن تحقيق التشطيب السطحي والتحكم في الأبعاد باستخدام أدوات صناعية قياسية، لكن يجب تصميم احتياطات لمنع الاهتزاز والتثبيت الجيد لأقسام رقيقة ضمن العملية.
قابلية التشكيل
يُظهر الأداء الأفضل للتشكيل في درجات O والمعالجات الخفيفة H، حيث تدعم السبيكة أنصاف أقطار ضيقة واستطالة بلاستيكية كبيرة دون تشقق. تعتمد أقل أنصاف أقطار الانحناء على الدرجة والسماكة؛ القاعدة التقريبية لأنصاف الأقطار للصفائح بدرجة O هي 1.0–1.5× السماكة للثني الهوائي، وتزداد مع درجات المعالجة الأكثر صلابة. الاستجابة للتشغيل البارد متوقعة ومتجانسة؛ غالبًا ما تُشَكّل القطع التي تتطلب قوة نهائية عالية بعد التشكيل بدرجة O ثم تُجهد ميكانيكيًا إلى درجات H للوصول إلى الخصائص الميكانيكية المطلوبة.
سلوك المعالجة الحرارية
كسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، لا يكتسب 1N50 قوة عبر المعالجة بالحل والترسيب الصناعي؛ حيث تتحقق زيادات القوة بشكل رئيسي عبر التشغيل البارد وتقسية الإجهاد الميكانيكي. تُستخدم عمليات التخمير (كاملة أو جزئية) لاستعادة اللدونة لعمليات التشكيل: درجات حرارة التخمير الكامل النموذجية تتراوح بين 350–420 °C مع تبريد محكم لتجنب نمو الحبيبات المفرط. تُطبق معالجات التثبيت (مثل H32) من خلال إعادة تسخين خفيف أو تمدد لتقليل الشيخوخة الطبيعية وفقدان القوة خلال الدورات الحرارية اللاحقة، كما تساعد في الحفاظ على الخصائص الميكانيكية في الهياكل الملحومة.
إذا حدثت تغيرات حرارية أثناء التصنيع، فإن عمليات الاسترداد وإعادة التبلور المعتمدة على الدرجة فقط هي التي ستغير الخصائص بشكل كبير؛ ويجب على المصممين تجنب درجات حرارة تتجاوز حد التخمير للسبيكة أثناء الخدمة أو بعد المعالجة، لأن التليين غير المقصود يقلل من مقاومة الخضوع ومقاومة التعب. يمكن استخدام المعالجات الميكانيكية بعد اللحام مثل التقسية بالطرقات أو التشكيل بالشد لإعادة إدخال إجهادات متبقية ضاغطة مفيدة واستعادة القوة المحلية.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
عند درجات الحرارة المرتفعة (فوق ~100–150 °C)، يعاني 1N50 من تراجع تدريجي في القوة بسبب العمليات المستردة وتسريع عمليات الانتشار التي تؤثر على توزيع ذرات Mg المذابة. يتم تحديد حدود الخدمة للحمل المستمر بشكل محافظ عادةً تحت 100 °C لتفادي التليين طويل الأمد وفقدان قدرة الخضوع. يقتصر الأكسدة على تكوين أكسيد الألمنيوم الطبيعي في الظروف الجوية، لكن التعرض المطول للأجواء المؤكسدة عند درجات حرارة عالية قد يؤدي إلى زيادة سماكة طبقات الأكسيد السطحية ويؤثر على مقاومة التلامس الحراري.
يعد سلوك منطقة HAZ بالقرب من اللحامات اعتبارًا حيويًا للخدمة عند درجات حرارة عالية، لأن التليين المحلي يمكن أن يقلل من عمر التعب ويزيد من خطر الزحف تحت الأحمال المستمرة. بالنسبة للتعرضات الحرارية قصيرة الأمد أو دورات طلاء الطلاء المستخدمة في التشطيب، يتحمل 1N50 درجات حرارة متوسطة؛ مع ذلك، يجب على المصممين التحقق من الاستقرار البعدي وتطور الإجهادات المتبقية للأجزاء التي يتوقع تعرضها لدورات حرارية كبيرة.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 1N50 |
|---|---|---|
| السيارات | ألواح هيكلية، هياكل المقطورات | توازن جيد بين القوة، القابلية للتشكيل، ومقاومة التآكل للمكونات المعرضة |
| الخدمات البحرية | ألواح الهيكل، الهيكل الفوقي، تجهيزات السطح | مقاومة ممتازة للكلوريدات وقابلية جيدة للحام للاستخدام البحري |
| الفضاء الجوي | وصلات ثانوية، عناصر هيكلية داخلية | قوة نوعية عالية مع أداء تعب جيد في الهياكل الثانوية غير الحرجة |
| الإلكترونيات | أغلفة، مبردات حرارة متوسطة الحمل | موصلية حرارية مناسبة للتبريد السلبي؛ الوزن المنخفض يسهل التنقل |
يُحدد 1N50 على نطاق واسع للتطبيقات الهيكلية متوسطة الأحمال حيث يكون التعرض للبيئات المسببة للتآكل وضرورة اللحام أو التشكيل ميدانيًا أمرًا شائعًا. تجمع السبيكة بين مقاومة التآكل، قابلية اللحام، والقوة الخدمية مما يجعلها خيارًا اقتصاديًا للألواح الكبيرة والتجميعات المصنعة حيث لا تكون سبائك المعالجة الحرارية ذات القوة العالية ضرورية.
رؤى للاختيار
عند اختيار 1N50 لمكون معين، يُفضل الحالات التي تتطلب الجمع بين مقاومة التآكل، القابلية للحام، وقوة هيكلية متوسطة إلى عالية دون الحاجة إلى تقسية بالترسيب. يُفضل اختيار الدرجة المختمرة O للعمليات المعقدة للتشكيل ثم التحويل إلى درجات H بعد التشكيل إذا كانت هناك حاجة إلى مقاومة خضوع أعلى.
مقارنة بالألمنيوم التجاري النقي (1100)، يوفر 1N50 قوة أعلى بكثير على حساب انخفاض طفيف في الموصلية الكهربائية وقابلية التشكيل العميق. مقارنة بالسبائك المعالجة بالتشحيم مثل 3003 أو 5052، يقع 1N50 عادة في مستوى قوة أعلى مع مقاومة تآكل بحرية مماثلة أو أفضل بسبب محتوى المغنيسيوم المُحسّن والإضافات الدقيقة. مقارنة بسبائك المعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يفتقر 1N50 إلى قوة الذروة التي تحققها تلك المواد عند المعالجة، لكنه مفضل عندما تكون قابلية اللحام المتفوقة، أداء التآكل أثناء الخدمة، والقدرة على تصنيع هياكل كبيرة بتكلفة فعالة عوامل تصميم متقدمة.
ملخص ختامي
يبقى 1N50 سبيكة ألومنيوم-مغنيسيوم هيكلية متعددة الاستخدامات توازن بين القوة، مقاومة التآكل، وسهولة التصنيع للاستخدامات البحرية، النقل، والهندسة الهيكلية العامة. تبسط ميتالورجيته غير القابلة للمعالجة الحرارية عمليات التصنيع والإصلاح، مع توفير الموثوقية الميكانيكية المطلوبة للعديد من أنظمة الهياكل الحديثة الخفيفة الوزن.