ألمنيوم 1N99: التركيب، الخواص، دليل التبريد والتطبيقات

نظرة شاملة

رقم 1N99 هو سبيكة ألومنيوم مطروقة عالية النقاء تنتمي إلى سلسلة 1xxx من درجات الألومنيوم، والتي تمثل السبائك ذات المحتوى العالي جدًا من الألومنيوم مع إضافات ضئيلة ومراقبة بعناية. تم تصميم تركيبها الكيميائي حول محتوى ألومنيوم لا يقل عن 99 وزن% مع كميات ضئيلة من السبائك للتحكم في هيكل الحبيبات وأداء السحب. يتم تقوية السبيكة بشكل رئيسي عن طريق تقسية الشغل (التقسية بالشد) بدلاً من المعالجة الحرارية بالترسيب، وليست مناسبة عادة لأشكال التقسية بالمعالجة الحرارية من نمط T6.

الصفات الرئيسية لـ 1N99 تشمل الموصلية الكهربائية والحرارية الممتازة مقارنةً بالدرجات الأكثر سباكة، قابلية التشكيل المتفوقة في الحالة المطهية، ومقاومة جيدة جدًا للتآكل الجوي بفضل النسبة العالية من الألومنيوم. قابلية اللحام ممتازة لعمليات الاندماج الشائعة مع ميل قليل جداً لتشقق اللحام الحراري، بينما القوة المتحققة معتدلة مقارنةً بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية. الصناعات النموذجية التي تستخدم 1N99 تشمل نقل الكهرباء وآلات التوصيل الكهربائية، المعالجة الكيميائية، مكونات الهندسة المعمارية والجدران الستائرية، والتصنيع العام خفيف الوزن حيث يُعطى الأولوية للنقاء العالي ومقاومة التآكل.

يختار المهندسون 1N99 عندما تكون عوامل التصميم هي الموصلية، التشطيب السطحي، والليونة أكثر أهمية من القوة القصوى؛ حيث تُفضل السبيكة على الإصدارات "النقية تجاريًا" من سلسلة 1000 عندما يكون هناك حاجة إلى تحكم أكثر صرامة في الشوائب وتحسين الاتساق الميكانيكي. كما تُختار بدلًا من المواد شديدة السباكة عندما تكون عمليات التشكيل مكثفة أو حين لا بد من الحفاظ على الموصلية ومقاومة التآكل بعد اللحام.

أنواع المعالجات

المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية جدًا	ممتازة	ممتازة	مطهية بالكامل، أقصى ليونة وموصلية
H12	منخفضة–متوسطة	عالية	جيدة جدًا	ممتازة	تقسية باردة خفيفة، زيادة طفيفة في القوة
H14	متوسطة	متوسطة	جيدة	ممتازة	معالجة شائعة بالتقسية الباردة لقوة متوسطة
H16	متوسطة–عالية	متوسطة	مقبولة	ممتازة	تقسية شغل أثقل لزيادة مقاومة الخضوع
H18	عالية	منخفضة	محدودة	ممتازة	أقصى تقسية باردة لقوة لا تعتمد على المعالجة الحرارية
T4	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر	غير مطبق — السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية
T6	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر	غير مطبق — السبيكة لا تستجيب للتقسية بالشيخوخة

تؤثر المعالجة بشكل أساسي على 1N99 عبر مستوى الشغل البارد بعد التليين. المادة المطهية (O) تقدم أقصى قابلية للتشكيل وليونة، مما يناسب عمليات السحب العميق والختم المعقد، في حين أن معاملات H تعطي زيادة تدريجية في مقاومة الخضوع وقوة الشد على حساب الاستطالة وقابلية الانحناء. نظرًا لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، فإن المعالجة الحرارية يتحقق فقط من خلال الإجهاد الميكانيكي؛ لذلك يجب على المصممين اختيار أقل مستوى شغل بارد يلبي متطلبات القوة للحفاظ على خصائص التشكيل.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق النسبى (%)	ملاحظات
Si	≤ 0.05	مخفض للحفاظ على الموصلية والليونة؛ السيليكون العالي يقلل من قابلية التشكيل
Fe	≤ 0.40	حديد هو الملوث الرئيسي؛ كميات صغيرة تحسن هيكل الحبيبات لكن الزيادة تقلل الليونة
Mn	0.02–0.20	كمية صغيرة من المنغنيز تحسن القوة عن طريق تكوين جسيمات بدون تقليل ملحوظ في الموصلية
Mg	≤ 0.10	الحد من المغنيسيوم لتفادي تسريع تقسية الشغل والحفاظ على مقاومة التآكل
Cu	≤ 0.05	تقليل النحاس لأنه يقلل من مقاومة التآكل والموصلية
Zn	≤ 0.05	الزنك مضبوط بدقة لتجنب الهشاشة وقابلية تكسير التآكل الإجهادي
Cr	≤ 0.05	كروم أثري يمكن أن يساعد في التحكم في هيكل الحبيبات أثناء المعالجة
Ti	≤ 0.02	التيتانيوم يستخدم كمكرّر للحبيبات لتحسين جودة البثق والألواح
Others	≤ 0.10	الشوائب المتبقية (لكل منها) مضبوطة؛ الإجمالي منخفض للحفاظ على النقاء العالي

الرقابة الدقيقة على العناصر الثانوية في 1N99 توازن بين الحاجة للموصلية الكهربائية والحرارية العالية والمتطلبات الميكانيكية للتشكيل والخدمة. الحديد والسيليكون هما الشوائب الأساسية التي لا يمكن تجنبها، ويتم ضبطها بشدة للحفاظ على الليونة والموصلية. تستخدم إضافات ضئيلة جدًا من المنغنيز والتيتانيوم بشكل انتقائي للتحكم في حجم الحبيبات وتحسين الاتساق الميكانيكي بدون تحويل السبيكة إلى فئة قابلة للمعالجة الحرارية.

الخواص الميكانيكية

يتميز سلوك الشد لـ 1N99 بنقاء الألومنيوم العالي: حيث يظهر في الحالة المطهية مقاومة خضوع منخفضة وقوة شد نهائية متوسطة مع استطالة موحدة عالية جدًا. الشغل البارد يزيد بشكل كبير من مقاومة الخضوع وقوة الشد لكنه يقلل من الليونة والمتانة؛ حيث يصبح منحنى الإجهاد-الاستطالة أكثر خطية وأقل قدرة على تقسية الشغل مع زيادة المعالجة. الصلادة ترتبط بالمعالجة وتعتبر مؤشرًا مناسبًا أثناء العمليات لمستوى الشغل البارد.

أداء التحمل (fatigue) في 1N99 مقبول للأجزاء الإنشائية غير الدوارة لكنه أقل من العديد من السلاسل السبائكية عند تعرضه لإجهادات دورية مع تركيزات إجهاد عالية. تؤثر السماكة أيضًا: الألواح الرقيقة عادةً ما تحقق زيادة أعلى في تقسية الشغل أثناء التشكيل وقد تظهر مقاومة خضوع ظاهرة أعلى من الصفائح السميكة بنفس المعالجة. ينبغي على المصممين حساب انخفاض حد نمو التشقق الإتلافي مقارنة بالسبائك الأكثر صلابة عند استخدام 1N99 في تطبيقات الحمل الديناميكي.

الخاصية	O/مطهي	المعالجة الرئيسية (مثل H14)	ملاحظات
قوة الشد (UTS)	70–110 MPa	120–170 MPa	النطاق يعتمد على المعالجة، السماكة، واتجاه الاختبار
مقاومة الخضوع (انحراف 0.2%)	20–40 MPa	90–140 MPa	التقسية الباردة ترفع مقاومة الخضوع بشكل ملحوظ
الاستطالة (%)	30–45%	6–18%	انخفاض كبير مع زيادة المعالجة
الصلادة (HB)	15–30 HB	35–70 HB	الصلادة ترتبط بكمية الشغل البارد؛ التليين يعطي صلادة منخفضة جدًا

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 g/cm³	نمطية لسبائك الألومنيوم؛ تمكّن من صلابة/قوة نوعية عالية
نطاق الانصهار	658–660 °C	نطاق انصهار ضيق للألومنيوم العنصري مع سباكة طفيفة
الموصلية الحرارية	200–235 W/m·K	قليلًا أقل من الألومنيوم النقي حسب مستوى الشوائب
الموصلية الكهربائية	60–65 % IACS	موصلية عالية مقارنة بالسبائك الإنشائية؛ تتغير حسب الشغل البارد
السعة الحرارية النوعية	0.90 J/g·K	قريب من قيمة الألومنيوم النقي ضمن نطاق الخدمة المعتاد
التوسع الحراري	23 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C)	توسع حراري خطي نموذجي لسبائك الألومنيوم

فيزيائيًا، يتصرف 1N99 مثل سبائك الألومنيوم العالية النقاء: خفيف الوزن، موصل حراري ممتاز، وله سعة حرارية كبيرة مفيدة في تطبيقات إدارة الحرارة. تتأثر قيم الموصلية كلاً من بالكيمياء والمعالجة؛ فالشغل البارد المكثف يقلل الموصلية الكهربائية بسبب تزايد العشوائية والنقائص. يجمع هذا المزيج بين الكثافة المنخفضة والخصائص الممتازة للنقل الحراري والكهربائي، ما يجعل 1N99 جذابًا لتطبيقات قضبان التوصيل (busbars)، لوحات توزيع الحرارة، والحاويات الكهربائية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	قوة شد أقل في السماكات الرقيقة بعد التلدين؛ تصلب بالعمل بسهولة	O، H12، H14	تستخدم على نطاق واسع للتبطين، والتطبيقات الزخرفية والموصلة
ألواح سميكة	6.0–50 mm	الأقسام السميكة تظهر زيادات أقل في التصلب بالعمل	O، H16، H18	استخدام محدود حيث لا تكون قوة القسم الثقيل حاسمة
بثق	سماكة الجدار 1–20 mm	البثق يؤدي إلى حبيبات دقيقة؛ الحالة كما بالبثق ناعمة إلا إذا تم العمل البارد	O، H12	شائع للمقاطع التي تتطلب التوصيلية ومقاومة التآكل
أنابيب	قطر Ø 6–120 mm	سلوك مشابه للألواح؛ السحب البارد يزيد القوة	O، H14	تستخدم للأنابيب الموصلة والعناصر المعمارية
قضبان/أعمدة	قطر Ø 3–50 mm	الأقسام الصلبة تستجيب للسحب البارد والاستقامة	O، H16	تستخدم للموصلات والبراغي حيث يُرغب في نقاء عالي

تحدد طريقة التشكيل (الدرفلة، البثق، السحب) وشكل المنتج التركيب المجهري والسلوك الميكانيكي الناتج لسبائك 1N99. الألواح الرقيقة تحقق قوة فعالة أعلى بعد كميات مماثلة من العمل البارد مقارنة بالألواح السميكة بسبب توزيع الإجهاد وتوجيه الحبيبات الناتج عن العملية. يمكن للمنتجات المسبوكة والمسلوبة الاستفادة من إضافات التيتانيوم لمعالجة الحبيبات بهدف تحقيق خصائص ميكانيكية متناسقة وجودة سطح محسنة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	1N99	الولايات المتحدة الأمريكية	التسمية المستخدمة لهذا النوع المطروق عالي النقاء
EN AW	1050A (تقريباً)	أوروبا	أقرب مكافئ تجاري ضمن نظام EN؛ قد تختلف التركيبة وحدود المعالجة
JIS	A1050	اليابان	درجة ألومنيوم نقي تجارياً مماثلة مع أداء مشابه
GB/T	1060 (تقريباً)	الصين	معايير محلية مع فروق تركيبية وميكانيكية بسيطة؛ تقريبية في المطابقة

الدرجات المكافئة المدرجة تقريبية وتهدف إلى إرشاد عملية المرجعية المتقاطعة وليست لتدل على قابلية استبدال دقيقة. الفروقات الدقيقة بين المعايير تنشأ عن حدود الشوائب القصوى، العناصر النزرة المسموح بها، وطرق اختبار الخواص الميكانيكية. عند الاستبدال بناءً على المكافئة يجب على المصممين التحقق من التوصيلية، محتوى الشوائب، والبيانات الميكانيكية الخاصة بالمعالجة لضمان التوافق الوظيفي.

مقاومة التآكل

تتمتع 1N99 بمقاومة ممتازة للتآكل الجوي العام نتيجة لمحتوى الألومنيوم العالي وقدرة السبيكة على تكوين طبقة أكسيد مستقرة ومت adherent. في البيئات الريفية والصناعية، تؤدي بشكل مماثل لسبائك سلسلة 1xxx الأخرى، مع مقاومة فائقة للتآكل المتجانس وأداء جيد في البيئات الحضرية المعتدلة. التآكل النخري في البيئات المحتوية على الكلوريدات (البيئات البحرية) محدود في 1N99، لكن الغمر المطول أو مناطق الرش عالية الملوحة قد تسرع من الهجوم الموضعي مقارنة بالسبائك المؤكسدة كهربائياً أو من سبائك 5xxx/6xxx.

حساسية التشقق الناتج عن الإجهاد في الألومنيوم عالي النقاء منخفضة مقارنة بسبائك السلسلة 7xxx عالية القوة، لأن 1N99 تفتقر إلى التركيب الدقيق للترسبات التي تعزز تطور التشقق. اعتبارات الجلفنة هامة: 1N99 هي أنودية بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ والعديد من سبائك النحاس، والتلامس مع المعادن الكاثودية في محاليل كيميائية عدوانية يسرع التآكل الموضعي للسبيكة. مقارنة مع سبائك 5xxx المحتوية على المغنيسيوم، 1N99 تتخلى عن بعض القوة الميكانيكية مقابل ثبات أفضل للتآكل في البيئات الحمضية أو القلوية المعتدلة.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يمكن لحام 1N99 بسهولة بأساليب TIG، MIG، واللحام المقاوم مع تقليل احتمالات التشقق الحراري بشرط ملائمة تصميم الوصلة وتركيب القطع. بسبب النقاء العالي، تمتاز حمم اللحام بسوائل جيدة ولا تفقد منطقة التأثير الحراري الكثير من قوتها بالإضافة إلى التصلب بالعمل الممكن تخفيفه. يوصى باستخدام أسلاك ملء من الألومنيوم عالي النقاء (مثل سبائك ER1100 أو ER1050) للحفاظ على التوصيلية ومقاومة التآكل، ونادراً ما يلزم التلدين بعد اللحام إلا إذا دعت الحاجة لاستعادة أكبر مرونة.

قابلية التشغيل

كسبيكة ناعمة ومرنة، تُشغَل 1N99 بمؤشر قابلية تشغيل معتدل؛ هي ألين من العديد من السبائك الإنشائية مما قد يسبب تراكم الرقائق وتأثير على جودة السطح إذا لم يتم تحسين الأدوات المستخدمة. يُنصح باستخدام أدوات كربيد بزوايا رفع كبيرة وكاسرات رقائق موثوقة، مع سرعات قطع معتدلة وتغذيات أعلى لتقليل التشويه وتعزيز تكوين الرقائق. الحفر، التثقيب، والتنعيم تُنجز بشكل جيد لكن يجب تجنب التذبذب لأن معامل المرونة المنخفض والليونة يمكن أن يؤديان إلى انحراف الأقسام الرفيعة.

قابلية التشكيل

تشكيل 1N99 في الحالة O ممتاز ومقارن بأفضل درجات الألمنيوم القابلة للسحب؛ تدعم السبيكة عمليات السحب العميق، الدرفلة، والختم المعقد مع ارتداد مرن منخفض. أنصاف أقطار الانحناء الدنيا عادةً منخفضة — 1–2× سماكة المادة للانحناءات الخفيفة في الألواح المتلدنة — بينما درجات H تتطلب أنصاف أقطار أكبر قد تستلزم تلدين وسيط. يوفر العمل البارد المتزايد زيادات متوقعة في مقاومة الخضوع، مما يسمح لتصاميم الضبط الدقيق للقوة عبر التشكيل المتحكم به بدلاً من استبدال السبيكة.

سلوك المعالجة الحرارية

1N99 غير قابلة للمعالجة الحرارية بالترسيب ومصنفة على أنها غير قابلة للمعالجة الحرارية. يتم تعديل القوة عبر العمل الميكانيكي البارد؛ لتليين المادة يُجرى عادة تلدين كامل عند 350–415 °C لفترات تعتمد على سماكة القسم تليها تبريد بطيء لتجنب تشوهات. لا توجد طريقة موثوقة لـ T6 أو الشيخوخة الصناعية لهذه السبيكة بسبب نقص العناصر المذابة اللازمة لتكوين ترسبات تقوية.

التصلب بالعمل هو الوسيلة القياسية للتقوية: تزداد قيم الشد ومقاومة الخضوع مع نسبة التشوه البارد بينما تنخفض الليونة ومقاومة بدء التشققات بالإجهاد. لمسارات الإنتاج التي تتطلب توازناً، يستخدم المصنعون تسلسل التلدين والتمريرات المراقبة من العمل البارد لتحقيق الخصائص الميكانيكية المستهدفة والتحكم بالإجهادات المتبقية.

الأداء في درجات الحرارة العالية

عند درجات الحرارة المرتفعة، تفقد 1N99 قوتها بسرعة؛ تحدث تخفيضات ملحوظة في مقاومة الخضوع والشد النهائي فوق ~150 °C، والقدرة الإنشائية الصالحة محدودة بعد 200–250 °C. الأكسدة في الهواء محدودة لتكوين Al2O3 الطبيعي، الذي يوفر طبقة حماية لكنه لا يمنع فقدان الأداء الميكانيكي. في المناطق الملحومة أو المتأثرة بالحرارة، قد يؤدي التعرض المطول لدرجات حرارة مرتفعة إلى نمو الحبيبات وتليين المادة؛ يجب على المصممين تجنب البيئات الحرارية المستمرة حيث تكون الصلابة الإنشائية حاسمة.

مقاومة الزحف لـ1N99 ضعيفة مقارنة بالألمنيوم المقوى أو المسبوك، ولا ينصح بها للتطبيقات ذات الأحمال المستمرة عند درجات حرارة مرتفعة. لتطبيقات التبديل الحراري، يتطلب التمدد الحراري المرتفع تصميم وصلات بحذر لتقليل إجهادات التعب الناتجة عن عدم التوافق مع مواد أخرى.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	لماذا يُستخدم 1N99
الكهرباء	قضبان التوصيل والموصلات	توصيلية كهربائية عالية وسهولة اللحام
البحرية	التبطين الخارجي والزينة المعمارية	مقاومة التآكل وجودة السطح في الأجزاء غير الإنشائية
العمارة	ألواح الجدران الستارية والمصاريع	قابلية التشكيل، توافق التأكسد الكهربائي، وجودة بصرية
المعالجة الكيميائية	خزانات خفيفة الوزن وتركيبات	النقاء ومقاومة التآكل تجاه العديد من المواد الكيميائية
الإلكترونيات الاستهلاكية	موزعات الحرارة / دروع التداخل الكهرومغناطيسي	توصيلية حرارية جيدة وكثافة منخفضة

يُحدد استخدام 1N99 عادة حيث يُطلب نقاء عالٍ، وتوصيلية ممتازة، وقابلية تشكيل فائقة أكثر من القوة الإنشائية القصوى. يجمع بين سهولة اللحام وجودة السطح مما يجعله خياراً مفضلاً لأعمال التوصيل، والمكونات المعمارية، والأغلفة المقاومة للتآكل الكيميائي. يستفيد المصنعون من استراتيجيات التقوية بواسطة العمل البارد المتوقعة لضبط سلوك القطع دون تغيير التركيبة الأساسية.

نصائح للاختيار

اختر 1N99 عندما تكون التوصيلية، جودة السطح، وقابلية التشكيل هي العوامل الأساسية وعندما تكون القوة المعتدلة التي تتحقق عبر العمل البارد كافية. هي ملائمة بشكل خاص للأجهزة الموصلة، العناصر الزخرفية المعمارية، وأجزاء التماس الكيميائي حيث تعد مقاومة التآكل والنقاء أهم من القوة القصوى القابلة للمعالجة الحرارية.

مقارنةً بالألمنيوم النقي تجارياً (مثل 1100)، يوفر 1N99 تحكماً مماثلاً أو أكثر تشدداً في الشوائب مع موصلية وقابلية تشكيل مماثلة، لكنه قد يقدم اتساقاً محسنًا طفيفًا وبنية حبيبية مُنظمة. مقارنة بالسبائك المقساة ميكانيكياً مثل 3003 أو 5052، يتنازل 1N99 عن بعض القوة الممكن تحقيقها مقابل موصلية كهربائية فائقة، وفي كثير من الحالات، مظهر سطحي محسّن واستجابة أفضل للأنودة. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، يُفضل 1N99 عندما تكون الموصلية ومقاومة التآكل أهم من أعلى مقاومة شد الذروة للسبائك المعالجة حرارياً، أو عندما تمنع عمليات التشكيل الواسعة القيام بدورات تمهيد/تعتيق بعد التشكيل.

الخلاصة

يبقى 1N99 سبيكة هندسية مهمة عندما يكون التوازن بين نقاء الألمنيوم العالي، والموصلية الممتازة، وقابلية التشكيل الفائقة، ومقاومة جيدة للتآكل الجوي مطلوباً. تسمح طبيعته غير القابلة للمعالجة الحرارية والقابلة للتقسية ميكانيكياً للمصممين بضبط القوة عبر العمليات دون التأثير على الأداء الكهربائي أو السطحي. للتطبيقات التي تعطي الأولوية للأداء الكهربائي/الحراري وقابلية التصنيع على القوة القصوى، يُعتبر 1N99 خيارًا فعالًا ومفهومًا جيدًا.