ألمنيوم 2007: التركيب، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
الدرجة 2007 هي أحد أعضاء سلسلة سبائك الألومنيوم 2xxx، وهي عائلة تهيمن عليها النحاس كعنصر رئيسي للسباكة. تُصنف سبائك هذه السلسلة كسبائك ألومنيوم-نحاس (-مغنيسيوم/منغنيز) قابلة للمعالجة الحرارية، وصممت لتحقيق قوة عالية من خلال تصلب الترسيب بدلاً من الاعتماد فقط على التصلب بالتشكيل.
العناصر الرئيسية في السبائك 2007 هي النحاس (العنصر الأساسي للتقوية)، مع إضافات مضبوطة من المغنيسيوم والمنغنيز للتحكم في حركية الترسيب وبنية الحبوب؛ كما يظهر الحديد والسيليكون والكروم والتيتانيوم عادة كشوائب محكمة التحكم أو إضافات دقيقة التسبك. آلية التقوية تعتمد على التصلب بالعمر الكلاسيكي: المعالجة بالحرارة في الحالة الصلبة، التبريد السريع، والتقسية الاصطناعية تنتج ترسيبات دقيقة من θ (Al2Cu) والمركبات المصاحبة التي ترفع مقاومة الخضوع ومقاومة الشد النهائية بشكل ملحوظ.
الخصائص الرئيسية للدرجة 2007 تشمل نسبة عالية للقوة إلى الوزن، قابلية تشغيل معتدلة، وموصلية حرارية جيدة مقارنةً بسبائك 2xxx الأخرى. مقاومة التآكل أقل من سبائك 5xxx و6xxx، وقابلية اللحام محدودة ما لم يتم اختيار حشوات خاصة وتنفيذ معالجات ما بعد اللحام؛ كما أن قابلية التشكيل جيدة في الحالات المريحة والطبيعية الشيخوخة لكنها تتدهور مع زيادة القوة عبر التقمص الاصطناعي.
الصناعات التي تستخدم 2007 تشمل عادةً الأجزاء الهيكلية الفرعية للطائرات والتركيبات حيث تُطلب قوة عالية ومقاومة للإجهاد، وأنظمة الدفاع والأسلحة لمكونات هيكلية، والتطبيقات الخاصة في السيارات حيث تكون الحاجة لتعزيز القوة موضعية. يختار المهندسون 2007 عندما تكون هناك حاجة لمزيج من القوة الساكنة العالية ومقاومة التعب دون التكاليف العالية أو تعقيد العمليات لدى سبائك الألمنيوم-الليثيوم أو سبائك 7xxx عالية القوة.
أنواع المعالجات الحرارية (Temper)
| النوع | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالي | ممتازة | ممتازة | حالة مريحة كاملة، أقصى ليونة للتشكيل |
| H14 | متوسط | منخفض–معتدل | ضعيفة–مقبولة | متوسطة | تصلب بالتشكيل إلى قوة متوسطة؛ قابلية انحناء محدودة |
| T4 | متوسط | معتدل | جيدة | متوسطة | معالجة محلولية ومسننة طبيعياً؛ توازن بين القوة وقابلية التشكيل |
| T5 | متوسط–عالي | منخفض–معتدل | مقبولة | متوسطة | مبردة من درجة حرارة معالجة مرتفعة ومسننة صناعياً |
| T6 | عالي | منخفض | ضعيفة–مقبولة | صعبة | معالجة محلولية ومسننة صناعياً لأقصى قوة |
| T651 | عالي | منخفض | ضعيفة–مقبولة | صعبة | T6 مع تمدد لإزالة الإجهادات لتقليل الإجهادات المتبقية |
النوع المختار من المعالجة الحرارية لـ2007 يتحكم بشكل كبير في التوازن بين القوة والليونة. الأنواع المريحة (O) والمسننة طبيعيًا (T4) تسمح بالسحب العميق والتشكيل المعقد، بينما الأنواع المسنة صناعياً (T5/T6/T651) تقدم أعلى قوة ثابتة وقوة تعب على حساب قابلية الانحناء والتحكم في الارتداد.
تؤثر العمليات الحرارية والميكانيكية أيضاً على قابلية اللحام والإجهاد المتبقي. الأنواع العالية القوة تميل إلى الضعف في منطقة التأثر الحراري (HAZ) وقد تحتاج لمعالجة تقسية ما بعد اللحام أو تعزيز محلي لاستعادة القدرة على التحميل.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.5 | سيليكون محكّم لتقليل أطوار التشكيل والتغذية؛ زيادة السيليكون تقلل الليونة |
| Fe | ≤ 0.5 | الحديد يشكل شوائب؛ زيادة الحديد تؤدي لتكون مركبات باطشة وهشة |
| Mn | 0.3–1.0 | تحكم في بنية الحبوب، مكون ناشر؛ يحسن الصلابة وسلوك إعادة التبلور |
| Mg | 0.2–1.0 | يساعد في تصلب الترسيب ويعزز القوة مع النحاس |
| Cu | 3.5–5.0 | العنصر الأساسي للقوة من خلال ترسيب Al2Cu |
| Zn | ≤ 0.25 | كميات ضئيلة؛ مستويات أعلى غير شائعة في سلسلة 2xxx |
| Cr | ≤ 0.25 | إضافة دقيقة للتحكم في نمو الحبوب وتقليل حساسية التبريد السريع |
| Ti | ≤ 0.15 | مكرر حبوب عند إضافته عمدًا |
| عناصر أخرى (كل منها) | ≤ 0.05–0.15 | عناصر أثر وتوازن الألومنيوم إلى 100% |
الباقي هو ألومنيوم مع العناصر المذكورة مصممة لتلبية متطلبات الخواص الميكانيكية وسهولة المعالجة. محتوى النحاس يحدد مباشرة الاستجابة القصوى للتصلب بالعمر والقوة النهائية الممكن تحقيقها، بينما يلعب المغنيسيوم والمنغنيز دوراً في ضبط حركية الترسيب ومقاومة السبائك لإعادة التبلور أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية.
الخصائص الميكانيكية
عند المعالجة إلى حالات التقسية القصوى (T6/T651)، تظهر 2007 قوة شد نهائية وقوة خضوع عالية تقارن بسبائك 2xxx الأخرى عالية القوة. منحنيات الشد تظهر عادة منطقة استواء مقاومة واضحة أو تصلب تدريجي يعتمد على النوع وشكل المنتج. الاستطالة تتناسب عكسياً مع القوة؛ الألواح أو الصفائح في حالة التقسية القصوى عادة تظهر استطالة أقل مقارنة بالحالة المريحة.
الصلادة تتوافق مع التصلب بالعمر وهي مؤشر عملي للتحكم أثناء الإنتاج؛ صلادة روكويل أو برينيل تزداد بوضوح من الحالة المريحة إلى الحالة T6. سلوك التعب عموماً إيجابي مقارنة مع سبائك أقل قوة في نفس شكل المنتج، لكن عمر التعب حساس لحالة السطح، تركيز الإجهادات المحلية، وبيئة التآكل. سماكة وشكل المنتج تؤثر أيضاً على الخواص الميكانيكية من خلال حساسية سرعة التبريد؛ القطاعات الأثقل قد تحقق خواص ذروة أقل وتعاني من إجهادات متبقية أكبر نتيجة التبريد السريع.
| الخاصية | O / مريحة | درجة أساسية (T6 / T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (MPa) | 180–260 | 400–480 | القيم القصوى تعتمد على سمك المقطع ودورة التقسية |
| قوة الخضوع (MPa) | 70–140 | 300–370 | مقاومة خضوع بنسبة إزاحة 0.2٪؛ تتأثر بتاريخ العمل والنوع |
| الاستطالة (%) | 20–35 | 8–15 | أعلى في O/T4؛ أنواع T6 تضحي بالاستطالة مقابل القوة |
| الصلادة (HB) | 35–80 | 110–160 | مدى برينيل؛ الصلادة تعكس توزيع الترسيبات |
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.78 جرام/سم³ | قيمة نموذجية لسبائك Al-Cu؛ أعلى قليلاً من الألومنيوم النقي بسبب السبائك |
| نطاق الانصهار | ~500–650 °C | الصلب والسائل يختلفان حسب التركيب المحلي والشوائب |
| الموصلية الحرارية | 120–160 واط/م·ك | أقل من الألومنيوم النقي بسبب وجود النحاس والذائبات الأخرى |
| الموصلية الكهربائية | 25–40 %IACS | انخفاض في الموصلية مقارنة بنسبة 100% ألومنيوم؛ تختلف حسب النوع والعمل البارد |
| السعة الحرارية النوعية | ~880–900 جول/كجم·ك | قيمة تقريبية قرب درجة حرارة الغرفة |
| المعامل الحراري للتمدد | 22–24 ميكرومتر/م·ك | معامل ضمن المعدل الشائع لسبائك الألومنيوم |
تعكس الخواص الفيزيائية التوازن بين إضافة كميات عالية من النحاس للقوة والحفاظ على أداء حراري وكهربائي مقبول. تظل الموصلية الحرارية أعلى بكثير من الفولاذ، مما يدعم تطبيقات إدارة الحرارة، لكن يجب مراعاة انخفاض الموصلية مقارنة بسبائك 6xxx أو 1xxx في التصاميم التي تتطلب أقصى نقل للحرارة.
التمدد الحراري مماثل لسبائك الألومنيوم الأخرى، مما يجعل 2007 متوافقة مع التركيبات القائمة على الألومنيوم لكنها تتطلب اعتباراً تصميمياً عند التزاوج مع مواد مختلفة. نطاقات الانصهار والصلب تتطلب ممارسة لحام وتجميع محكمة لتجنب الانصهار الموضعي وتسييل حدود الحبوب.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | الtempering الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| لوح | 0.3–6.0 mm | جيد في السماكات الرقيقة؛ الحساسية للتبريد السريع أقل أهمية | O, T4, T6 | يُستخدم على نطاق واسع للمكونات المشكلة والألواح |
| لوحة سميكة | 6–100+ mm | قد تقل القوة في الأقسام السميكة بسبب تبريد البطئ | T4, T6 | الألواح السميكة تتطلب تبريدًا محكومًا وربما تقسية اصطناعية لاحقة |
| بثق | مقاطع عرضية متغيرة | الخواص الميكانيكية تعتمد على سماكة المقطع وعلاج المحلول | T4, T5, T6 | البثقات تسمح بملفات شكلية معقدة؛ السيطرة على توزيع الرواسب حرجة |
| أنبوب | قطر خارجي وسمك الجدار متغيران | مماثلة لخصائص البثق؛ يجب التحكم في منطقة التحفز الحرارية وتشويه الشكل | O, T4, T6 | أنابيب سلسة أو ملحومة مستخدمة في العناصر الإنشائية |
| قضيب/عيدان | قطر ≤ 200 mm | خواص طولية جيدة بشكل عام؛ اتساق التقسية مهم | O, T4, T6 | تستخدم للمكونات المزورة أو المشغلة |
تفرض أشكال المنتجات المختلفة قيودًا مختلفة على المعالجة الحرارية ومعدلات التبريد السريع. يمكن تبريد الصفائح الرقيقة والأقسام الصغيرة بالبثق بسرعة والوصول إلى أقصى قوة تقسية موثوقة، في حين أن الألواح السميكة أو البثقات ذات الأقسام الكبيرة قد تتطلب تبريدًا متقطعًا، أهداف قوة ذروة أقل، أو تقسية اصطناعية مطولة لتحقيق خواص متوازنة عبر المقطع العرضي.
تحدد طرق المعالجة أيضًا الملائمة النهائية للتطبيق: تُستخدم الألواح والصفائح بشكل متكرر حيث يكون الطباعة والتشكيل ضروريين قبل التقسية النهائية، في حين يتم عادةً معالجة البثقات والقضبان بعلاج محلولي وتقسية لاستغلال السلوك الميكانيكي الاتجاهي. قد تتطلب عمليات اللحام لأشكال المنتج المختلفة اختيار حشوات خاصة وإدارة حرارية محلية لتقليل تليين منطقة التحفز الحرارية.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 2007 | الولايات المتحدة الأمريكية | معترف بها في تصنيف سبائك الألومنيوم؛ التركيب قد يختلف مع المتغيرات الفرعية |
| EN AW | 2007 (أو سلسلة 2xxx) | أوروبا | غالبًا مدرجة ضمن EN AW-2007 أو عائلة EN AW-2xxx؛ تحقق من جداول البيانات الوطنية |
| JIS | A2007 (أو ما يشابهها) | اليابان | قد تقدم المعايير اليابانية سبائك مكافئة تقريبًا مع حدود شوائب مختلفة قليلاً |
| GB/T | 2007 | الصين | التسميات الصناعية الصينية تشمل 2007 و 2007A؛ قد تختلف نسب الكيمياء |
المكافئات الدقيقة تعتمد على المتغير المحدد والمواصفة المسيطرة؛ بعض المناطق تسرد 2007A أو 2007S بفروقات دقيقة في حدود النحاس والمغنيسيوم والمنغنيز. عند الاستبدال بين المعايير، تحقق من الخواص الميكانيكية، جداول المعالجة الحرارية، وحدود الشوائب المسموح بها بدلاً من الاعتماد فقط على اسم الدرجة.
مقاومة التآكل
مقاومة التآكل الجوي لـ 2007 معتدلة إلى ضعيفة مقارنة بالسلسلة غير المعالجة حراريًا؛ يزيد محتوى النحاس من القابلية للتآكل العام والمحلي عند مقارنته مع سبائك 5xxx و 6xxx. تُستخدم عادةً الطلاءات الواقية، التغليف (مثل Alclad) أو المعالجات التحويلية للحد من الهجوم البيئي في التطبيقات الخارجية.
التعرض البحري يمثل قلقًا: تسارع البيئات عالية الملوحة من حدوث التآكل الحُفري وتآكل الشقوق في السبائك ذات النحاس، ولا يُنصح باستخدام 2007 غير المحمي في العناصر الهيكلية الرئيسية لهياكل السفن في الأجواء البحرية. تُستخدم الحماية الكاثودية والمواد العازلة لتجنب الأزواج الجلفانية عندما يجب استخدام 2007 بالقرب من معادن أخرى.
قد تكون التشققات الناتجة عن التآكل تحت الإجهاد (SCC) مشكلة للسبائك عالية القوة من سلسلة 2xxx تحت إجهاد شد في بيئات تحتوي على الكلوريدات. يجمع الشرط بين الإجهادات المتبقية الشدية، التركيب الدقيق المهيأ والوسط العدواني مما يعزز الهجوم البيني الحبيبي وSCC؛ وعادة ما تتجنب ممارسات التصميم الإجهادات الشدية العالية المستمرة في البيئات المسببة للتآكل أو تحدد تدابير الحماية.
يجب إدارة التفاعل الجلفاني مع المعادن المختلفة: قد يكون 2007 مقبولاً مع الفولاذ المقاوم للصدأ إذا كان معزولًا كهربائيًا، لكن الملامسة مع معادن أسمى دون عزل يعزز إذابة الألومنيوم. بالمقارنة مع عائلات السبائك الأخرى، يقدم 2007 قوة متفوقة ولكنه يتطلب استراتيجيات حماية تآكل أكثر صرامة من سبائك الألومنيوم 5xxx و6xxx.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يتطلب لحام 2007 الحذر لأن محتوى النحاس العالي يزيد من حساسية التشقق الساخن ويقلل من القوة بعد اللحام في منطقة التحفز الحراري. الممارسة الشائعة هي تجنب اللحامات الإنشائية ذات الاختراق الكامل حيثما أمكن؛ وإذا كان اللحام ضروريًا، استخدم سبائك حشوة مصممة لأنظمة Al-Cu (مثل حشوات Al-Cu-Mn مثل 2319) وتحكم في حرارة المدخلات والمعالجات الحرارية قبل/بعد اللحام. توقع تليين منطقة التحفز الحراري في حالة T6 ودرجات مماثلة؛ قد يتطلب ذلك معالجة محلولية ما بعد اللحام وتقسية متجددة أو تدعيم محلي لاستعادة أداء المعدن الأصلي.
قابلية التشغيل
قابلية التشغيل لـ 2007 جيدة عموماً مقارنة بالعديد من سبائك الألومنيوم المخصصة للطيران بسبب قوتها العالية نسبيًا وتشكيل الرقائق المحكوم؛ يتم تشغيلها بنقاء أكثر من بعض السبائك العالية السيليكون لكنها ليست حرة القطع مثل متغيرات 2xxx الحرة القطع. يوصى باستخدام أدوات كربيد ذات زاوية القطع الإيجابية وتوفير مبرد كافٍ؛ يمكن تحقيق تشطيبات نموذجية عند سرعات قطع متوسطة إلى عالية، مع اختيار تقدم مناسب لإنتاج رقائق قصيرة قابلة للتحكم وتجنب تراكم الحافة.
قابلية التشكيل
تعتمد أداءات التشكيل بشدة على الدرجة الحرارية: توفر درجات O و T4 أفضل قابلية للانحناء والسحب، بينما درجات T6 والمقساة بالانفعال تحتوي على قابلية تشكيل محدودة في درجة حرارة الغرفة. يجب أن تستند أقل أنصاف أقطار الانحناء إلى الدرجة والسماكة؛ كقاعدة عامة، يمكن للصفائح المفسحة قبول أنصاف أقطار 1–2× السماكة للعديد من العمليات، بينما قد يتطلب T6 أنصاف أقطار أكبر أو التشكيل الدافئ لتجنب التشقق. تساعد الانحناءات التدريجية وأنصاف أقطار القوالب المناسبة في تقليل التشقق المحلي في الدرجات الأعلى قوة.
سلوك المعالجة الحرارية
باعتبارها سبيكة يمكن معالجتها حراريًا، تستجيب 2007 لدورات معالجة المحلول والتقسية الكلاسيكية. يتم عادةً إجراء معالجة المحلول الحراري في نطاق 495–520 °C (حسب حجم المقطع والمتغير المحدد) لإذابة الفازات الحاملة للنحاس داخل المصفوفة، تليها تبريد سريع للحفاظ على محلول صلب مشبع فوق اللازم. سرعة التبريد حاسمة: التبريد غير الكافي يسمح بتكون رواسب خشنة، مما يقلل من القوة القصوى الممكنة ويزيد من الحساسية للتبريد في الأقسام السميكة.
يستخدم التقسية الاصطناعية لدرجة T6 عادةً درجات حرارة في نطاق 150–190 °C لأزمنة تعتمد على سماكة المقطع وتوازن الخواص المطلوب؛ تقلل المعالجات عند درجات حرارة منخفضة وأزمنة أطول من الحساسية للتبريد وتحسن المتانة على حساب قوة ذروة أقل قليلاً. توفر درجة T4 (التقسية الطبيعية) قوة معتدلة وقابلية تشكيل أفضل عن طريق السماح بالترسيب المتحكم عند درجة حرارة الغرفة؛ تستخدم T5 عندما تُبرد المكونات من معالجة بدرجة حرارة مرتفعة ثم تُقسى إلى صلادة محددة.
بالنسبة للمعالجة دون الحرارة (التقسية بالانفعال)، يتحكم بعمليات العمل البارد ودرجات الحرارة في التلدين على تعيين الخصائص الوسطية. تقوم دورات التلدين بليونة المادة بالكامل إلى الدرجة O، مما يتيح عمليات التشكيل قبل التقسية النهائية للحصول على الأداء الأقصى.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تفقد 2007 قوتها تدريجيًا مع زيادة درجة الحرارة مع تعتيق الرواسب وتليين المصفوفة؛ تقل درجات حرارة الخدمة فوق حوالي 120–150 °C من مقاومة الخضوع والشد بشكل ملحوظ مقارنة بالظروف العادية. للحماية قصيرة الأمد أو الخدمة المتقطعة حتى ~200 °C قد تُحافظ بعض الخواص، لكن التعرض المطول في درجات حرارة مرتفعة يسرع التقسية الزائدة وتعتيق التركيب الدقيق.
مقاومة الأكسدة نموذجية لسبائك الألومنيوم—يتكون فيلم Al2O3 واقٍ بسرعة في درجات الحرارة المرتفعة—لكن عدم استقرار التركيب الداخلي بدلاً من الأكسدة السطحية هو العامل المحدد للأداء الميكانيكي. يتطلب سلوك منطقة التحفز الحراري أثناء المعالجة أو اللحام في درجات حرارة مرتفعة اهتمامًا، حيث قد يؤدي التليين المحلي إلى تركيزات إجهاد وتقصير عمر التعب.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | سبب استخدام 2007 |
|---|---|---|
| الفضاء الجوي | وصلات، حوامل، إطارات فرعية | نسبة قوة إلى وزن عالية ومقاومة للتعب لعناصر حيوية |
| السيارات | تعزيزات هيكلية، مكونات الشاسيه | قوة موضعية عالية حيث يتطلب تقليل الوزن |
| البحرية | وصلات هيكلية متخصصة (مطليّة) | قوة جيدة عند الحماية؛ تُستخدم في معدات بحرية غير حرجة |
| الدفاع | أغطية أسلحة، أجزاء هيكلية | قوة ثابتة عالية وقابلية تشغيل عالية للأجزاء الدقيقة |
| الإلكترونيات | موزعات حرارة، دعائم ميكانيكية | موصلية حرارية وصلابة مع قابليّة التشغيل |
يميل استخدام 2007 للمكونات التي تتطلب نطاق قوة أعلى من سبائك 6xxx الشائعة مع الحفاظ على كثافة الألمنيوم المنخفضة وقابليته للتشغيل. يُدمج عادةً معالجات حماية واحتياطات تصميم عند توقع تعرض للتآكل.
رؤى الاختيار
استخدم 2007 عندما يعطي التصميم أولوية للقوة العالية ومقاومة التعب في الألمنيوم مع خصائص تشغيل مقبولة، وعندما يمكن التحكم في التعرض للتآكل عبر الطلاء أو التغليف. الأنسب حين يُراد التصلب بالشيخوخة للوصول إلى هدف قوة معين بعد التشكيل أو التشغيل.
مقارنةً بالألمنيوم النقي تجاريًا (1100)، يتنازل 2007 عن الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل لصالح قوة أعلى وأداء متفوق في مقاومة التعب. مقارنةً بالسبائك المشطورة مثل 3003 أو 5052، يوفر 2007 قوة ذروة أعلى بكثير لكنه يتطلب حماية تآكل أكثر صرامة وأقل ملاءمة للتشكيل العميق في حالة T6. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، يقدم 2007 قوة أعلى في العديد من مراحل المعالجة لكنه أقل مقاومة للتآكل ويتطلب عناية أكبر في اللحام؛ اختر 2007 عندما تكون القوة والتعب أهم من قابلية اللحام ومقاومة التآكل.
الخلاصة الختامية
يبقى 2007 ذو صلة حيث يجب الجمع بين كثافة الألمنيوم المنخفضة وقوة عالية وأداء تعب مرتفع، لا سيما في مجالات الفضاء الجوي والدفاع والتطبيقات الانتقائية في السيارات. يعتمد الاستخدام الفعّال لـ 2007 على اختيار المادة المتصلبة بعناية، والمعالجة الحرارية المحكومة، واستراتيجيات حماية التآكل لتحقيق توازن بين مزايا القوة العالية من جهة، ومحدودية قابلية اللحام وحساسية البيئة من جهة أخرى.