ألمنيوم 2118: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

تنتمي سبيكة 2118 إلى سلسلة 2xxx من سبائك الألومنيوم-النحاس، التي تتميز بوجود النحاس كعنصر رئيسي في التشكيل. تنتمي هذه العائلة إلى الفئة القابلة للمعالجة الحرارية والمصممة لتوفير قوة عالية من خلال تصلب الترسيب، حيث يتم ضبط نسب النحاس والإضافات السبائكية الثانوية لتشكيل رواسب مقوية أثناء التقدم في العمر (الشيخوخة).

العناصر السبائكية الرئيسية في 2118 هي النحاس، بالإضافة إلى المغنيسيوم والمنغنيز وعناصر أثرية مثل الحديد والسيليكون والكروم والتيتانيوم. ينتج هذا التركيب قوة نوعية عالية ومقاومة جيدة للإجهاد النسبي بالمقارنة مع درجات الألومنيوم غير القابلة للمعالجة الحرارية والألومنيوم النقي تجارياً.

يتم تحقيق التقوية أساساً من خلال المعالجة الحرارية بالمعالجة القلوية ثم التبريد السريع والشيخوخة الصناعية لتكوين رواسب دقيقة قائمة على Al2Cu؛ مما يمنح قوة قصوى أعلى من السبائك المعالجة بالعمل لكن يجعل الخصائص أكثر حساسية للتعرض الحراري. تشمل الخصائص الرئيسية مقاومة شد وإجهاد عالية، مقاومة تآكل معتدلة عادة تتطلب طلاءات واقية للبيئات القاسية، وإمكانية لحام محدودة مقارنة بسبائك 5xxx و6xxx ما لم تُستخدم الإجراءات والمساعدات المناسبة.

الصناعات النموذجية التي تستخدم 2118 تشمل التركيبات الهيكلية والمثبتات في الطيران، مكونات السيارات عالية الأداء، والتطبيقات البحرية والدفاعية المتخصصة التي يكون فيها نسبة القوة إلى الوزن وعمر الإجهاد أمرًا حاسمًا. يختار المصممون 2118 عندما يكون مطلوبًا قوة أعلى وأداء إجهاد أفضل مقارنة بالسبائك الشائعة مثل 1100، 3003، أو 5052، مع عدم الحاجة للقوة القصوى لسبائك 7xxx أو حيث يُفضل السلوك المتانة والتمزق لسبائك 2xxx.

الدرجات الحرارية

درجة المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مطلي بالكامل، أعلى ليونة وقابلية تشكيل
H14	منخفضة-متوسطة	متوسطة	جيدة	متوسطة	صلب بالتشوه لقوة متوسطة لتطبيقات السحب
T4	متوسطة	متوسطة-عالية	جيدة	متوسطة	معالجة حرارية بالمعالجة الحلولية وشيخوخة طبيعية؛ توازن جيد للتشكيل اللاحق
T5	متوسطة-عالية	متوسطة	متوسطة-جيدة	متوسطة	مبردة من حرارة مرتفعة ومشيخة صناعياً لتطوير القوة
T6	عالية	منخفضة-متوسطة	محدودة	ضعيفة-متوسطة	معالجة بالمحاليل ومشيخة صناعياً لأقصى قوة؛ درجة شائعة في الهندسة
T651	عالية	منخفضة-متوسطة	محدودة	ضعيفة-متوسطة	معالجة بالمحاليل، تخفيف الإجهاد بواسطة الشد، ثم شيخوخة صناعية لتحسين الاستقرار البُعادي

تؤثر درجة المعالجة بشكل كبير على التوازن بين القوة وقابلية التشكيل لسبائك 2118، لأن تسلسل المعالجة الحرارية يتحكم بحجم وتوزيع وتماسك الرواسب المقوية. تستخدم درجات O وH عندما يكون التشكيل أو السحب أولوية، بينما يُختار T6/T651 عندما يكون الأداء في القوة والإجهاد هو الدافع الرئيسي للتصميم.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة %	ملاحظات
Si	0.2 كحد أقصى	متحكم به منخفض للحد من الكسر الهش بين المعادن والحفاظ على المتانة
Fe	0.5 كحد أقصى	شوائب تشكل جسيمات بين معدنية تؤثر على التشغيل الميكانيكي والإجهاد
Mn	0.3–0.9	يحسن القوة وبنية الحبيبات ومقاومة إعادة التبلور
Mg	0.2–1.0	يساهم في تقوية الترسيب مع النحاس ويحسن المتانة
Cu	3.5–5.0	العنصر المقوي الرئيسي؛ يتحكم في فعالية تصلب الترسيب
Zn	0.25 كحد أقصى	نسبة طفيفة، ت kept منخفضة لتجنب تعقيدات زيادة التقسية
Cr	0.05–0.25	تعديل دقيق لتنعيم بنية الحبيبات وتثبيت الخصائص عند التسخين
Ti	0.02–0.12	مكرر حبيبات، يستخدم للتحكم بحجم الحبيبات المصهورة في القوالب والسبائك
عناصر أخرى (لكل منها)	0.05 كحد أقصى	عناصر أثرية وبقايا؛ الحدود تضمن سلوك ترسيب متوقع

تسيطر نسبة النحاس على استجابة التصلب بالترسيب، حيث تتشكل أطوار Al2Cu وأطوار مشابهة أثناء الشيخوخة ترفع القوة وتقلل اللدونة. يقوم المنغنيز والمغنيسيوم بتعديل كيمياء الرواسب وتفاعلات المصفوفة؛ إذ يثبط المنغنيز نمو الحبيبات ويحسن المتانة، بينما يمكن للمغنيسيوم تعزيز تقسية الشيخوخة بالتزامن مع النحاس. تُحافظ قيود صارمة على الحديد والسيليكون والزنك للتحكم في اللدونة وسلوك الكسر ومقاومة التآكل.

الخصائص الميكانيكية

يعرض 2118 مقاومة شد قصوى عالية واحتفاظاً جيداً بقوة الخضوع في درجات T6/T651 بالمقارنة مع العديد من سبائك الألومنيوم الشائعة. تنتج ظروف الشيخوخة القصوى بنية دقيقة من الرواسب الموزعة التي تحد من حركة الانزلاق، مما يمنح قوة خضوع عالية ومقاومة إجهاد جيدة. تقل الاستطالة في درجات الشيخوخة القصوى مقابل الظروف المعالجة حرارياً (الأنيلي)، ويجب على المصممين مراعاة انخفاض اللدونة أثناء التشكيل وحالات التحميل الزائد أو التصادم.

أداء الإجهاد (المت fatigue) للسبائك 2118 جيد عموماً لسلسلة 2xxx بسبب الجمع بين القوة الثابتة العالية وحدود بدء الشقوق المنضبطة بالرواسب؛ ومع ذلك، فإن عمر الإجهاد حساس لملمس السطح، هندسة الشقوق، والتآكل الموضعي. تؤثر السماكة بشكل مهم: يمكن أن تخضع المواد الرفيعة لتشيخ بشكل أكثر انتظامًا وعادة ما تحقق قوة فعالة أعلى لنفس الدرجة، في حين قد تتطلب القطاعات السميكة دورات معالجة حرارية أطول وتظهر متانة أقل وقوة أقل قليلاً.

الخاصية	درجة O / المعالجة حرارياً	درجة رئيسية (T6/T651)	ملاحظات
قوة الشد	150–260 MPa	400–480 MPa	نطاق واسع اعتمادًا على التركيب الدقيق، السماكة ودورة الشيخوخة
مقاومة الخضوع	60–150 MPa	320–380 MPa	زيادة كبيرة في مقاومة الخضوع مع معالجة T6/T651
الاستطالة	15–25%	7–14%	انخفاض اللدونة في ظروف الشيخوخة القصوى؛ صمم وفقًا لذلك للتشكيل
الصلادة (HB)	40–80 HB	120–160 HB	مدى برينل؛ الصلادة تتناسب مع أداء الشد والخضوع

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.78 جم/سم³	قياسية لسبائك الألومنيوم-النحاس؛ قوة نوعية جيدة مقارنة بالفولاذ
نطاق الذوبان	~500–640 °C	التشبيب السبائكي يوسع فترة الحالة الصلبة والسائلة مقارنة بالألومنيوم النقي
التوصيل الحراري	120–150 W/m·K	منخفض مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب إضافات النحاس لكنه ما زال مرتفع
التوصيل الكهربائي	25–40 % IACS	أقل من الألومنيوم النقي؛ التوصيل ينخفض مع السبائكة والعمل البارد
الحرارة النوعية	~0.88 J/g·K (880 J/kg·K)	قياسية لسبائك الألومنيوم؛ تستخدم في حسابات إدارة الحرارة
التمدد الحراري	23–24 µm/m·K (20–100°C)	معامل تمدد متوسط؛ يجب احتساب التغيرات البُعادية في التجميعات

تحافظ 2118 على الكثير من التوصيل الحراري الجيد والكثافة المنخفضة للألومنيوم، مما يوفر قوة نوعية جيدة وقدرة على تبديد الحرارة للعديد من المكونات. التوصيل الكهربائي منخفض نسبياً مقارنة بالألومنيوم النقي، لذا فإن 2118 لا تستخدم عادةً حيث يكون التوصيل الكهربائي هو الاعتبار الأساسي.

نطاق الذوبان وسلوك التمدد الحراري يعني أن إدخال الحرارة أثناء اللحام والدورات الحرارية أثناء الخدمة يؤثران بشكل كبير على البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية؛ ويجب أخذ هذه العوامل في الحسبان أثناء التكامل، المعالجة الحرارية، وتصميم الأحمال الحرارية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التمبرات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6 mm	تستجيب الألواح الرفيعة جيدًا لعمليات الشيخوخة T5/T6؛ تحقيق تجانس أفضل في السماكات الرفيعة	O, H14, T4, T5, T6	تُستخدم للألواح المشكّلة والهياكل المثبتة
صفائح	6–50+ mm	القطاعات السميكة تتطلب دورات معالجة حرارية مطولة للمعالجة والحمل؛ قد تظهر متانة أقل	O, T6, T651	قطع هيكلية ثقيلة وتوابث تركيبية
بروفيلات بثق	سماكة الجدار 1–20 mm	البروفيلات البثقية تسمح بقوة اتجاهية؛ تُطبق المعالجة الحرارية بعد البثق	O, T4, T6	بروفيلات معقدة لأعضاء هيكلية
أنابيب	القطر الخارجي 6–200 mm	الأداء يعتمد على سماكة الجدار ومعدل التبريد؛ الاستخدامات الحرجة لإجهاد التعب في T6	O, T4, T6	تُستخدم لأنابيب هيكلية خفيفة الوزن
قضبان/عصى	أقطار تصل إلى 100 mm	يمكن معالجة القضبان حراريًا وشيخوختها لقوى عالية؛ خامات للتشغيل	O, T6	مثبتات، دبابيس، ومكونات مخَرَطة

غالبًا ما تُفضل منتجات الألواح والسمك الرفيع عند الحاجة إلى قابلية تشكيل uniformity الشيخوخة، بينما تتطلب الصفائح والبروفيلات الثقيلة دورات حرارية مخصصة بسبب معدلات التبريد الأبطأ. تؤثر طرق البثق والدرفلة أيضًا على البنية الحبيبية؛ تسمح البروفيلات البثقية بالمقاطع العرضية المعقدة ولكنها تتطلب الانتباه لعمليات التبريد والشيخوخة لتحقيق الخصائص المطلوبة.

يختار المصنعون أشكال المنتج بناءً على عمليات التصنيع اللاحقة: الألواح للختم والتشكيل، البثق للبروفيلات المتكاملة، والقضبان للمكونات المخَرَطة. كما يؤثر نوع الشكل المنتج على اختيار نمط التمبر لتحقيق التوازن اللازم بين القابلية للتشكيل والقوة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	2118	الولايات المتحدة الأمريكية	تعريف في قوائم ANSI/AA لهذه السبائك Al-Cu
EN AW	لا يوجد مطابق دقيق	أوروبا	لا يوجد مقابل مباشر لـ EN AW؛ أكثر التشابه في السلوك مع عائلات EN AW-2014/2024
JIS	لا يوجد مطابق دقيق	اليابان	توجد سبائك Al-Cu في JIS (A2017/A2024) بخصائص مشابهة ولكن بحدود مختلفة
GB/T	لا يوجد مطابق دقيق	الصين	تحتوي المعايير الصينية على سبائك Al-Cu مشابهة ولكن ليست مطابقة مباشرة لـ AA 2118

لا يوجد معياري شامل يترجم 2118 مباشرة إلى رقم EN أو JIS أو GB/T؛ يُفضل التعامل مع المكافئات كـ "أقرب سلوك" بدلاً من بدائل مباشرة. الاختلافات في العناصر النزرة المسموحة واستجابة المعالجة الحرارية وتسميات التمبر تعني أن المصممين يجب أن يستشيروا جداول البيانات المحددة ويجروا اختبارات تأهيل عند التبديل بين المعايير.

مقاومة التآكل

توفر 2118 مقاومة متوسطة لتآكل الأجواء النموذجية للسبائك القابلة للمعالجة حراريًا Al-Cu؛ غالبًا ما تُستخدم طبقات واقية، أنودة أو تغليف لتحمل التعرض طويل الأمد. في أجواء محايدة إلى معتدلة التآكل، تؤدي السبيكة بشكل مقبول، لكن التآكل الموضعي قد يزداد بسبب المركبات بين المعادن الغنية بالنحاس وسوء التشطيب السطحي.

في البيئات البحرية أو التي تحتوي على كلوريدات عالية، تكون 2118 أقل قوة من سبائك 5xxx المحتوية على المغنيسيوم أو سلسلة 6xxx المقاومة للتآكل؛ لذلك عادةً ما تتطلب تغليفات، طلاءات ضحية أو حماية كهروكيميائية للخدمة البحرية الهيكلية. يمكن أن تحدث الحفر والتآكل بين الحبيبات حيث تتكون مناطق خالية من الراسبات في حدود الحبيبات عقب معالجة حرارية غير صحيحة أو تعرض حراري طويل.

قابلية التشقق بسبب إجهاد التآكل أعلى في سبائك سلسلة 2xxx مقارنة بالعديد من الدرجات غير القابلة للمعالجة حراريًا، لا سيما تحت إجهادات شد وظروف تآكل. تتطلب التفاعلات الجلفانية انتباهاً: حيث تقترن 2118 أكثر أنودية من الفولاذ ولكن أكثر كاثودية من الألمنيوم النقي حسب المعالجة السطحية؛ لذلك غالبًا ما يكون العزل أو استخدام مثبتات وتغليفات متوافقة ضروريًا. بالمقارنة بسلسلة 6xxx، يتنازل 2118 عن مقاومة التآكل لصالح قوة أعلى ومقاومة تعب أفضل، لذا يتم الموازنة بين البيئة والمتطلبات الميكانيكية عند الاختيار.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يعتبر لحام 2118 تحديًا نسبيًا مقارنة مع عائلات الألمنيوم الأخرى بسبب محتوى النحاس الذي يعزز التشقق الحار وتليين منطقة التأثر الحراري (HAZ). يمكن استخدام لحام قوس التنغستن الغازي (TIG) ولحام قوس المعدن الغازي (MIG) مع التحكم الصارم في كمية الحرارة، ممارسات التسخين المسبق/التبريد السريع، واختيار سبائك اللحام مثل Al-Cu-Mg أو سبائك ملء ذات قوة أقل من نوع 4043/2319 لتقليل خطر التشقق. يمكن للمعالجة الحرارية بعد اللحام استعادة بعض القوة لكن الاستعادة الكاملة لمستوى T6 صعبة بسبب انحلال وتخشين الراسبات في HAZ.

قابلية التشغيل

تخدم 2118 جيدًا عند التشغيل في حالة التمبَر المعلن وبعض التمبرات الوسطية، مع تحكم جيد في الرقائق وبلى معتدل للأدوات بسبب وجود جسيمات النحاس والمنغنيز. ينتج عن استخدام أدوات كربيد ذات زاوية قطع إيجابية، تثبيت صلب وتبريد غمر سطح نهائي متسق وتحمل أبعاد ضيق؛ يجب استخدام سرعات معتدلة للتمبرات ذات قوة الذروة لتفادي الضرر السريع للأداة. مؤشر القابلية للتشغيل عادةً ما يكون أعلى من سبائك Al-Zn-Mg عالية القوة ولكنه أقل من السبائك سهلة التشغيل مثل 2011 أو نقاء تجاري 1100.

قابلية التشكيل

أفضل التشكيل يتم في تمبرات O, H14 أو T4 حيث تكون اللدونة كافية للطرق، الثني والسحب. تعتمد أدنى أنصاف أقطار الانحناء على التمبر والسماكة، لكن المصممون يستخدمون عادة 2–3× سماكة المادة للانحناءات الضيقة في التمبر المتوسط وأنصاف أقطار أكبر لـ T6. يزيد التشغيل البارد من القوة بسب صلابة التشغل لكنه قد يسبب توترات متبقية تؤثر على المعالجات الحرارية التالية؛ قد تُستخدم استراتيجيات التشكيل الدافئ أو الشيخوخة المسبقة لتحسين الخصائص النهائية.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة قابلة للمعالجة حراريًا، تستجيب 2118 لدورات المعالجة القياسية للحل، التبريد السريع والشيخوخة المستخدمة في سبائك Al-Cu. تتم معالجة الحل عادةً عند حوالي 495–505 °C لإذابة المراحل الغنية بالنحاس في المصفوفة، تليها تبريد سريع للحفاظ على محلول صلب مشبع فوق الحد. يتم إجراء الشيخوخة الصناعية عادةً في نطاق 160–190 °C لعدة ساعات لتوليد راسبات دقيقة وتحقيق حالة T5/T6؛ تتوازن زمن وحرارة الشيخوخة بين أقصى قوة ومتانة ومقاومة تشقق إجهاد التآكل.

التحول بين التمبرات بسيط: يمكن تقادم المادة المعالجة حراريًا طبيعيًا إلى T4 أو صناعيًا إلى T5/T6؛ تتضمن T651 معالجة الحل، التمدد لتخفيف الإجهادات المتبقية ثم الشيخوخة الصناعية. تؤدي الشيخوخة المفرطة عند درجات حرارة أعلى أو فترات زمنية أطول إلى تكبير الراسبات وتقليل القوة مع تحسين اللدونة ومقاومة التآكل، لذا فإن التحكم في الدورة الحرارية ضروري لتحقيق التوازن الهندسي المطلوب.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تظهر 2118 فقدانًا ملحوظًا في القوة مع ارتفاع درجة حرارة الخدمة؛ التعرض المستمر فوق ~120–150 °C يقلل من تقوية الراسبات ويخفض تدريجيًا قوة الخضوع والشد. الأكسدة عند درجات حرارة مرتفعة محدودة في جو خامل لكن تتكون طبقة أكسيد سطحية وتطرأ تغييرات في البنية المجهرية إذا اقتربت الدرجة من نطاق معالجة الحل، مما قد يؤثر بشكل لا رجعي على الأداء الميكانيكي.

تطرأ لينة بمنطقة التأثير الحراري أثناء اللحام بسبب انحلال وتخشين الراسبات، واستعادة الخصائص عبر المعالجة بعد اللحام محدودة بسبب عيوب التبريد السريع والتوترات المتبقية. للاستخدام المتقطع في درجات حرارة مرتفعة، يجب على المصممين تخفيض الحدود القصوى للإجهاد والنظر في سبائك بديلة محسنة لاستقرار درجات الحرارة العالية إذا تجاوزت الظروف التشغيلية 100 °C بشكل متكرر.

التطبيقات

الصناعة	المكون المثال	لماذا تُستخدم 2118
الفضاء الجوي	تثبيتات، حوامل ومكونات هيكلية غير أساسية	قوة نوعية عالية ومقاومة جيدة لتعب المواد لأجزاء تخفيف الوزن
السيارات	أعضاء نظام تعليق عالية الأداء وحوامل هيكلية	توازن القوة للوزن وعمر التعب للمركبات عالية الأداء
البحرية	عناصر هيكلية صغيرة وتثبيتات مخَرَطة	قوة جيدة وقابلية تشغيل؛ تتطلب طلاءات للحماية من التآكل
الدفاع	تثبيتات الصواريخ والذخائر	قوة عالية وقابلية تشغيل لمكونات دقيقة
الإلكترونيات	هياكل دعم وملّاحات حرارية	موصلية حرارية جيدة وصلابة مقابل الوزن لتجميعات متكاملة

عادةً ما تُختار 2118 حيث يتطلب مزيج من القوة الثابتة وعمر التعب العالي وقابلية تشغيل مقبولة وموصلية حرارية معقولة. تعتبر الحاجة للمعالجات الوقائية في البيئات القاسية مقبولة مقارنة بالمزايا الميكانيكية لهذه السبيكة في العديد من تطبيقات الفضاء والطيران والهندسة عالية الأداء.

رؤى الاختيار

اختر 2118 عندما تكون القوة العالية ومقاومة التعب هدفًا أساسيًا للتصميم وعندما يمكن التحكم في الحماية من التآكل ومتغيرات التصنيع. تعد مثالية للمكونات المخَرَطة أو المشكّلة التي تستفيد من تقوية المعالجة الحرارية وحيث تكون سبائك 7xxx ذات القوة الأعلى غير ضرورية أو تسبب هشاشة ومعالجة صعبة.

بالمقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي (1100)، تضحي درجة 2118 بالتوصيلية الكهربائية وقابلية التشكيل مقابل قوة أعلى بشكل ملحوظ وعمر تعب أطول. بالمقارنة مع السبائك الشائعة التي تتصلب بالعمل مثل 3003 أو 5052، تقدم 2118 قوة أكبر بكثير على حساب قابلية اللحام ومقاومة التآكل الذاتية، لذلك تُختار 2118 عندما تكون قدرة التحمل الحملي أهم من سهولة الربط أو التشكيل. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية من سلسلة 6xxx (مثل 6061/6063)، غالبًا ما توفر 2118 قوة تعب أفضل وقوة قصوى أعلى لبعض المعالجات الحرارية، لكنها عادة ما تتطلب حماية تآكل وحرفية لحام أكثر حرصًا؛ يُنصح باختيار 2118 عندما يتناسب ملف التعب/القوة مع التطبيق وعندما تكون سلسلة التصنيع قادرة على تلبية متطلبات المعالجة الحرارية والحماية الخاصة بها.

الملخص الختامي

تظل سبيكة 2118 من الألمنيوم الهندسي ذات الصلة عندما يتطلب التصميم توازنًا قابلًا للمعالجة حراريًا بين قوة عالية، أداء تعب جيد، وقابلية مقبولة للتشغيل. يتم تحسين استخدامها عندما يأخذ المهندسون في الاعتبار ليونتها المعتمدة على المعالجة الحرارية، احتياجات حماية التآكل، وحساسيات التصنيع، مما يسمح للهياكل والمكونات بتحقيق أداء عالٍ بنسبة قوة إلى وزن مناسبة.