ألمنيوم 2011: التركيب، الخصائص، دليل التصلب، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
السبائك 2011 تنتمي إلى سلسلة 2xxx من سبائك الألومنيوم المسحوب التي تحتوي على النحاس، وتُعرف عادةً كنسخة سهلة التشغيل من عائلة سبائك النحاس. تكوينها الكيميائي يتمركز حول محتوى نحاس مرتفع مع إضافات مقصودة صغيرة من الرصاص و/أو البزموت لتعزيز تكسر الرقائق وتحسين القابلية للتشغيل بشكل استثنائي. آلية التقوية تعتمد أساسًا على تقسية الترسُّب القابلة للمعالجة الحرارية (علاج حراري بالتحليل تليه التبريد والشيخوخة الصناعية)، مع استخدام الحالات عند درجة حرارة الغرفة أو التقسية بالعمل على نطاق واسع لعمليات التشكيل والتشغيل.
الصفات الرئيسية للسبائك 2011 تشمل قابلية تشغيل عالية، وقوة معقولة النسبيّة لسبائك مسحوبة عادية بعد التصلب المناسب، مقاومة متوسطة للتآكل مقارنةً بالألومنيوم النقي، وقابلية لحام محدودة في العديد من الظروف بسبب الشوائب ذات نقطة انصهار منخفضة. الصناعات النموذجية التي تستخدم 2011 تشمل السيارات، الموصلات الكهربائية/الإلكترونية، المكونات الدقيقة المعالجة، والأجهزة الاستهلاكية حيث تلزم عمليات تشغيل بكميات كبيرة. يختار المهندسون 2011 عندما تركز عملية الإنتاج على دورات تشغيل سريعة ومستقرة ومتوازنة جيدًا بين القوة والتكلفة، مع قبول مقايضات في الأداء ضد التآكل وقابلية اللحام مقارنةً بعائلات الألومنيوم الأخرى.
غالبًا ما يكون اختيار 2011 مدفوعًا بالاقتصاديات التصنيعية والرغبة في إنتاج قطع معقدة مخراطة أو مكشطة مع عمر طويل للأدوات وتحكم متوقع في الرقائق. في التطبيقات التي تتطلب قوة بعد التشغيل، يمكن معالجة السبيكة حراريًا وفقًا لأنماط T3/T6 لرفع خواص الخضوع والشد. للأجزاء التي تحتاج إلى تشكيل أو لحام مكثف، يُفضل عادة سبائك بديلة من سلسلتي 5xxx أو 6xxx.
أنواع التصلب (Temper)
| نوع التصلب | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالية | ممتازة | متوسطة | مُخضع لفرد كامل؛ أفضل قابلية للتشكيل وتخفيف التوتر لعمليات التشغيل |
| H12 | منخفض-متوسط | متوسطة | جيدة | متوسطة | مُقسى جزئيًا لزيادة الاستقرار أثناء التشغيل |
| H14 | متوسط | منخفض-متوسط | مقبولة | متوسطة | تصلب شائع للرسم يوفر السيطرة على الأبعاد |
| H16 | متوسط | منخفض | محدودة | متوسطة | تصلب عمل أثقل؛ يستخدم لأجزاء مخراطة صلبة |
| T3 | متوسط-عالي | منخفض | محدودة | ضعيفة | معالجة حرارية للتحليل، تبريد، وشيخوخة طبيعية؛ توازن بين القوة والاستقرار |
| T4 | متوسط-عالي | منخفض | محدودة | ضعيفة | معالجة للتحليل وشيخوخة طبيعية؛ تستخدم عندما يكون التشكيل متبوعًا بالتشغيل مطلوبًا |
| T6 | عالي | منخفض | محدودة | ضعيفة | معالجة حرارية للتحليل وشيخوخة صناعية؛ أعلى قوة تجارية للسبائك 2011 |
نوع التصلب يؤثر بشكل قوي على أداء سبائك 2011 من خلال موازنة القوة والليونة مقابل القابلية للتشغيل والتشكيل. المادة المخضَّرة (O) توفر أفضل خصائص التشكيل ويمكن تقسيها لاحقًا تحت التشغيل، بينما تزيد حالات T القوة على حساب الاستطالة وقابلية الانحناء.
لذا، اختيار نوع التصلب هو قرار تصنيعي بقدر ما هو قرار تصميم: اختر الأنواع O/H عندما يكون التشكيل أو السحب العميق مطلوبًا، وأنواع T عندما تكون الاستقرار البعدي والقوة الساكنة الأعلى بعد التشغيل مهمة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.4–0.9 | يسيطر على سلوك الصب والتصلب؛ تأثير ضئيل على القوة |
| Fe | 0.4–0.9 | شوائب شائعة؛ تكوّن مركبات معدنية قد تؤثر على التشغيل وكسر القطع |
| Mn | 0.4–1.0 | مُعدّل لحجم الحبيبات؛ يحسن القوة والمتانة |
| Mg | 0.05–0.20 | مستويات منخفضة؛ مساهمة طفيفة في التقوية |
| Cu | 4.0–6.0 | العنصر الأساسي للتقوية من خلال ترسيب الطور |
| Zn | 0.25–0.50 | قليل؛ يمكن أن يزيد القوة قليلًا |
| Cr | 0.05–0.20 | يسيطر على حجم الحبيبات وسلوك إعادة التبلور |
| Ti | 0.05–0.20 | مُجهر للحبيبات للمنتجات المسبوكة والمسحوبة |
| عناصر أخرى (Pb, Bi) | Pb: 0.4–1.6; Bi: 0.4–1.2 | عناصر مضافة عمدًا لسهولة التشغيل؛ تخلق شوائب ناعمة تساعد على تكسر الرقائق |
محتوى النحاس العالي هو المحفز الرئيسي لسلوكيات المعالجة الحرارية في 2011، مما يسمح بترسيب أطوار Al2Cu (θ') خلال الشيخوخة الصناعية، وإنتاج قوة أعلى بكثير من السبائك النقية أو المعتمدة على Mn/Mg. يضاف الرصاص والبزموت بكميات محكومة لإنتاج شوائب لينة ذات نقطة انصهار منخفضة تحسن التشغيل عن طريق تشجيع تقسم الرقائق؛ تؤدي هذه الشوائب أيضًا إلى تقليل قابلية اللحام وقد تؤثر سلبًا على مقاومة التآكل. تُستخدم العناصر الثانوية مثل Mn وTi وCr للتحكم في حجم الحبيبات وسلوك إعادة التبلور، مما يحسن التوحيد الميكانيكي وقابلية التشكيل.
الخصائص الميكانيكية
تُظهر سبائك 2011 نطاقًا واسعًا من السلوك الميكانيكي بناءً على نوع التصلب، السماكة والمعالجة اللاحقة. في حالة التليين (O)، تُظهر السبيكة ليونة جيدة وقوة معتدلة، مما يجعلها مناسبة لعمليات التشكيل والتشغيل اللاحق. عند المعالجة الحرارية للتحليل والشيخوخة الصناعية (حالات تشبه T6) تطور 2011 قوة خضوع وشد أعلى بشكل ملحوظ عبر ترسيبات غنية بالنحاس، لكن ذلك يأتي على حساب انخفاض الاستطالة وقابلية الانحناء.
أداء مقاومة التعب لسبائك 2011 متوسط ويتأثر بشدة بالتشطيب السطحي، علامات التشغيل، والإجهادات المتبقية؛ الأسطح المشغولة والمصقولة تطيل عمر التعب بشكل كبير. قد ينخفض الأداء في القطاعات السميكة مقارنة بالقطاعات الرقيقة بسبب تبريد أبطأ وشيخوخة غير موحدة؛ قد تظهر القطاعات الأكبر من أقطار القضبان أو القضبان قوة ومتانة أقل إذا لم يتم تحسين عملية التبريد والشيخوخة.
| الخاصية | O/مخدر | نوع التصلب الرئيسي (T6/T3) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 95–160 MPa | 310–380 MPa | قيم الشد تعتمد على سماكة القطعة ودورة الشيخوخة |
| قوة الخضوع | 50–110 MPa | 240–330 MPa | قوة الخضوع تزيد بشكل كبير بعد التحليل + الشيخوخة |
| الاستطالة | 18–30% | 6–12% | اللدونة تنخفض مع زيادة التصلب/القوة المطلوبة |
| الصلادة (HB) | 30–60 HB | 100–140 HB | صلادة برينل تزداد في حالات المعالجة الحرارية؛ الصلادة مرتبطة بقوة الشد |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.78 g/cm³ | أعلى قليلاً من بعض سبائك الألومنيوم-المغنيسيوم بسبب محتوى النحاس |
| نطاق الانصهار | ~500–640 °C | تأثر بالانصهار المتزامن والمحلي من شوائب Pb/Bi والفازات الغنية بالنحاس |
| التوصيل الحراري | 100–140 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية والشوائب؛ تختلف حسب نوع التصلب |
| التوصيل الكهربائي | ~30–40% IACS | مخفض بشكل كبير مقارنة بالألومنيوم التجاري النقي بسبب Cu و Pb/Bi |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.88–0.92 J/g·K | قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم قرب درجة حرارة الغرفة |
| المعامل الحراري للتوسع | 23–24 µm/m·K | معامل نموذجي لسبائك الألومنيوم المسحوبة |
فيزيائيًا، يتصرف 2011 مثل سبائك الألومنيوم متوسطة القوة الأخرى لكن توصيله الحراري والكهربائي مخفض بسبب السبائكية والعناصر المضافة لسهولة التشغيل. الكثافة أعلى قليلاً من العديد من سبائك 5xxx/6xxx بسبب عبء النحاس؛ يجب على المصممين مراعاة ذلك في التطبيقات التي تتطلب وزنًا منخفضًا. يجب مراقبة المعالجة الحرارية لتجنب الانصهار المحلي لمراحل Pb/Bi خلال المعالجة الحرارية أو عمليات اللحام، وضمان خصائص ميكانيكية متسقة عبر سماكات المقطع.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | المعالجات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.5–6.0 mm | المقاومة محدودة بالسماكة؛ قابلية تشكل جيدة في حالة O | O, H14, H16 | تُستخدم للأجزاء المسحوبة السطحية ومكونات القطع |
| صفائح | 6–25 mm | الأجزاء السميكة تظهر حساسية أقل للتبريد السريع | O, T3 | أقل شيوعًا؛ تتطلب معالجة حرارية دقيقة |
| بثق | 4–80 mm (مقاطع) | الخواص تعتمد على المقطع العرضي والتبريد السريع | O, T4, T6 | مقاطع لأجزاء مشغولة ومكونات هيكلية |
| أنابيب | 1–20 mm سماكة الجدار | ثبات أبعاد جيد؛ قابلية التشغيل محفوظة | O, H14 | تُستخدم للتوصيلات والأجزاء المخروطة |
| قضبان/أعمدة | 3–100 mm قطر | الشكل الأكثر شيوعًا للتشغيل عالي السرعة | O, H12, H14, T3/T6 | مفضلة لتشغيل البراغي والأجزاء المخروطة بسبب تحكم ثابت في رقائق القطع |
يتم معالجة الألواح والصفائح بشكل رئيسي للتشكيل والأجزاء الإنشائية الخفيفة، بينما يمثل القضيب والعمود الشكل السائد للتشغيل الآلي عالي الحجم لأن خصائص التشغيل الحر لسبائك 2011 تستغل بشكل أفضل في الأجزاء المخروطة أو المشطوفة. يوفر البثق مقاطع عرضية معقدة ولكنه يتطلب عمليات تبريد/تشيخ دقيقة لتحقيق معالجات حرارية موحدة. الأجزاء السميكة تتطلب تبريدًا أبطأ أو دورات تشيخ معدلة لتجنب النقاط الضعيفة وضمان نتائج ميكانيكية قابلة للتكرار.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 2011 | الولايات المتحدة الأمريكية | UNS A92011؛ مرجع شائع في المواصفات الأمريكية الشمالية |
| EN AW | — | أوروبا | لا يوجد مكافئ مباشر بسبب تركيبة خالية من الرصاص/البزموت للمعدن القابل للتشغيل؛ تتطلب البدائل تحققاً عملياً |
| JIS | A2011 | اليابان | يوجد تسمية مشابهة في JIS لكن التحكم في التركيب وحدود Pb/Bi تختلف حسب المواصفة |
| GB/T | 2A01 | الصين | قد تدرج المعايير المحلية سبائك نحاس قابلة للتشغيل مشابهة؛ يلزم فحص دقيق للتركيب |
لا يوجد مكافئ عالمي دقيق لـ2011 بسبب قيود أو حظر إضافات الرصاص والبزموت لأسباب بيئية وصحية. عند الحاجة إلى بدائل، يختار المهندسون غالبًا درجات سبائكية مختلفة قابلة للتشغيل (مثل نسخ 2011A الخالية من الرصاص أو سبائك نحاس أخرى) مع التحقق من قابلية التشغيل، وسلوك التآكل، واستجابة المعالجة الحرارية. يجب مراجعة شهادات المواد وتقارير اختبارات المصنع بعناية عند التوريد من خارج المنطقة الأصلية للمواصفات.
مقاومة التآكل
مقاومة التآكل الجوي لـ2011 معتدلة وتعتمد على المعالجة والحالة السطحية؛ يشكل السبيكة طبقة أكسيد الألومنيوم (Al2O3) واقية، لكن المركبات بين المعادن الغنية بالنحاس وشوائب Pb/Bi تخلق مواقع صغيرة كهربائياً (الابتدائية) قد تسرع الهجوم الموضعي. في البيئات الحضرية النموذجية أو الداخلية، يؤدي السبائك أداءً مقبولًا عند حمايته بطلاء أو أنودة أو طلاء دهان؛ ومع ذلك، التعرض بدون حماية يظهر قابلية للتآكل النقطي وتآكل الشقوق أسرع من سبائك سلسلة 5xxx أو 6xxx.
في البيئات البحرية أو التي تحتوي على كلوريد عالي، يظهر أداء 2011 ضعيفًا مقارنة بسبائك Al-Mg (5xxx) والعديد من سبائك 6xxx، مع تآكل نقطي متسارع وإمكانية تقشير السطح تحت الإجهاد. اختبارات الرش الملحي والغطس الطويل غالبًا ما تظهر أن التدابير الوقائية واستبدال السبائك ضرورية للمكونات في التعرض البحري المستمر.
الحساسية للتشقق الناتج عن التآكل تحت إجهاد مرتفعة مقارنة بالسبائك منخفضة النحاس؛ فالإجهادات الشدية المتبقية مع البيئات المسببة للتآكل يمكن أن تسبب هجومًا بين حبيبيًا أمام أطراف التشققات، خصوصًا في الأجزاء المعالجة بالتشيخ المفرط أو المعالجة غير السليمة. كهربائيًا، 2011 أنودي مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ الشائع والمعادن النفيسة، لذا يُنصح باستخدام استراتيجيات العزل أو الأقطاب المضحّية عند عدم إمكانية تجنب التلامس مع معادن مختلفة.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
اللحام في 2011 صعب عمومًا بسبب وجود شوائب الرصاص والبزموت التي تعزز حدوث الثقوب والتذويب الموضعي أثناء اللحام الانصهاري. غالبًا ما تؤدي عمليات TIG/MIG القياسية إلى لحامات ضعيفة ومسامية مع ضعف في منطقة التأثير الحراري؛ لذلك يُتجنب اللحام للوصلات الحرجة أو يتطلب سبائك حشو مؤهلة مسبقًا مع ضوابط عملية. عند الضرورة، يمكن تقليل مخاطر التشقق الحراري وفقدان السلامة باستخدام تقنيات منخفضة الإدخال الحراري، الحماية الخلفية، وسبائك حشو متخصصة (سبائك Al-Cu متوافقة).
قابلية التشغيل
قابلية التشغيل هي الميزة الأساسية للتصنيع في 2011، مُدرجة بين أعلى سبائك الألومنيوم التجارية بسبب إضافات Pb/Bi التي تسهل تكسير رقائق القطع وجعلها قصيرة وقابلة للتحكم وتقليل قوى القطع. يُستخدم عادةً أدوات كربيد بزاوية قطع موجبة، وفولاذ عالي السرعة لكميات أقل، وطبقات طلاء حديثة (TiN/TiAlN) لتحقيق عمر أداة ممتاز عند سرعات قطع مرتفعة. التطبيق النموذجي يشمل معدلات تغذية عالية، أعماق قطع متوسطة، ومستخرطات رقائق أو أدوات مقسمة لاستغلال سلوك كسر الرقائق وتقليل تصلب السطح.
قابلية التشكيل
التشكيل يكون أفضل في حالة التليين O حيث يتم تعظيم الليونة والاستطالة؛ يمكن تحقيق أنصاف أقطار ثني من 2–4× السماكة للألواح في حالة O بدون تشققات. يقلل العمل البارد والمعالجات T من قابلية التشكيل بشكل كبير ويزيد من الاسترجاع المرن (الارتداد)، مما يجعل التشكيل التدريجي أو التشكيل الدافئ الأفضل للهياكل المعقدة. يمكن تنفيذ السحب العميق والشد المكثف في حالات O/H اللينة لكن محدود في حالات T حيث يصبح احتمال التشقق وأداء الثني ضعيفًا.
سلوك المعالجة الحرارية
كبتمده نحاسي قابل للمعالجة الحرارية، يستجيب 2011 للمعالجة التقليدية للحل والشيخوخة، رغم أن إضافات Pb/Bi تعقد انتقال الحرارة وسلوك نقطة الانصهار. عادةً ما يتم التلدين عند درجات حرارة قريبة من 495–520 °C لإذابة النحاس في المحلول الصلب، يتبعه تبريد سريع للحفاظ على التركيب المشبع الزائد؛ ويجب توخي الحذر لتجنب تكوين أطوار منخفضة الانصهار موضعياً والتحكم في التشوه.
يتم إجراء التشيخ الصناعي للحصول على خصائص T6 عادة عند 150–190 °C عدة ساعات لترسيب جسيمات دقيقة من Al2Cu، مما يزيد بشكل كبير من مقاومة الخضوع والشّد. توفر المعالجة الطبيعية والتشيخ المشابه لـT3 (محلول حراري، عمل بارد، شيخوخة طبيعية) مجموعات خصائص متوسطه مع تحكم أبعاد أفضل. يقلل التشيخ المفرط من المقاومة القصوى ولكن قد يحسن مقاومة التشقق الناتج عن التآكل؛ وبسبب المكونات القابلة للتشغيل، قد تحتاج جداول التشيخ لتعديل عما هو معمول به في سبائك Al-Cu القياسية لتجنب هشاشة الشوائب.
للحالات غير القابلة للمعالجة الحرارية، يُستخدم التقسية بالعمل (حالات H) لرفع المقاومة والثبات؛ والتليين لحالة O يخفف المادة بالكامل للتشكيل أو لتخفيف الإجهادات المتبقية قبل التشغيل الدقيق.
الأداء في درجات الحرارة العالية
يُظهر 2011 فقدانًا ملحوظًا في المقاومة عند درجات حرارة مرتفعة، حيث تتدهور الخواص الميكانيكية بسرعة فوق نحو 150–200 °C نتيجة لتكاثف وذوبان ممتزات النحاس. يمكن للخدمة المستمرة عند أو فوق درجات حرارة التشيخ الصناعي المعتادة أن تؤدي إلى تشيخ مفرط، تليين، وعدم ثبات أبعاد؛ لذلك لا يُنصح بالخدمة المستمرة في درجات الحرارة العالية.
يُحد الأكسدة بطبقة أكسيد الألومنيوم الواقية، لكن وجود النحاس عند درجات حرارة مرتفعة يعزز تفاعلات واجهية أكثر عدائية وتكوين قشور تحت تسخين دوري. منطقة التأثير الحراري أثناء اللحام أو التسخين الموضعي تكون عرضة للتليين وعدم التجانس الميكروي، مما يقلل مقاومة الزيح والتعب في المناطق الساخنة.
يجب على المصممين تحديد درجات التشغيل طويلة الأمد أدنى من نطاق التشيخ للمعالجة الحرارية المناسبة ويُفضل إجراء اختبارات خاصة بالتطبيق عند التوقع بدورات تسخين قصيرة أو درجات حرارة متقطعة مرتفعة.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 2011 |
|---|---|---|
| السيارات | المثبتات، التركيبات الصغيرة المشغولة | قابلية تشغيل عالية السرعة ممتازة تقلل زمن الدورة والتكلفة |
| الإلكترونيات | أغلفة الموصلات، أجسام الأطراف | قابل للتشغيل، موصلية كافية ويمكن طلاءه لتحسين التوصيل/الاتصال |
| الأجهزة الاستهلاكية | البراغي، المقابض، الزينة | تشطيب سطحي جيد واقتصاديات إنتاج سريعة الدوران |
| الأدوات والماكينات | أكمام، مسامير مخروطة دقيقة | ثبات أبعاد وقدرة على تحقيق تحمّلات ضيقة بعد التشغيل |
يُختار 2011 غالبًا للأجزاء المنتجة بكميات عالية عبر الخراطة، والتفريز، والحفر حيث تؤثر قابلية التشغيل بشكل كبير على تكلفة الوحدة. عند الطلاء أو التغطية، يمكن أن يخدم 2011 في تطبيقات كهربائية أو زخرفية حيث الأداء الأساسي مقبول والتشطيب يوفر الحماية المطلوبة من التآكل أو التوصيل.
رؤى اختيار المواد
اختر 2011 عندما تكون أولويات التصنيع تركز على قابلية تشغيل عالية جداً، وأوقات دورة قصيرة، وقوة معقولة بعد التشغيل الآلي وبعد التخمير المناسب. تكلفته ومزايا قابلية التشغيل تجعله خياراً جذابًا للأجزاء المخرطة ذات الإنتاج العالي وأجسام الموصلات الكهربائية حيث يمكن التعويض عن محدودية مقاومة التآكل من خلال الطلاء أو التغطية.
بالمقارنة مع الألومنيوم التجاري النقي (1100)، يقدم 2011 قوة وقابلية تشغيل محسّنة مقابل انخفاض في الموصلية الكهربائية/الحرارية وقابلية تشكّل أقل إلى حد ما. مقارنة بالسبائك المعالجة بالتقسية مثل 3003 أو 5052، يوفر 2011 قوة أعلى بعد المعالجة الحرارية لكنه يمتلك مقاومة تآكل وسلوك لحام أقل. مقابل سبائك 6xxx القابلة للمعالجة الحرارية (6061/6063)، قد يُفضَّل 2011 عندما تكون خصائص التشغيل الحر واقتصاديات الإنتاج ذات أولوية تفوق القوة القصوى الأفضل والأداء الأعلى لمقاومة التآكل لسبائك 6xxx.
للمشترين والمهندسين، التنازلات الرئيسية هي بين قابلية التشغيل مقابل مقاومة التآكل وقابلية اللحام؛ إذا كان مطلوباً اللحام أو الخدمة في بيئات قاسية، يجب النظر في سبائك بديلة أو التخفيف بواسطة الطلاءات واستراتيجيات العزل التصميمي.
الملخص الختامي
لا تزال سبيكة 2011 خيارًا موثوقًا لتطبيقات التشغيل الدقيق والإنتاج العالي حيث تمنح تركيبته الكيميائية الفريدة القابلة للتشغيل الحر كفاءة تصنيع استثنائية وقوة مناسبة بعد المعالجة الحرارية. وبينما تفرض تنازلات في مقاومة التآكل واللحام، تظل مزاياه الاقتصادية والإنتاجية تجعله ذا صلة بالعديد من مكونات السيارات، والإلكترونيات، والأجهزة الاستهلاكية عندما تُطبق ممارسات التصميم والتشطيب السليمة.