ألمنيوم 2424: التركيب، الخصائص، دليل التصلب والتطبيقات

Table Of Content

Table Of Content

نظرة شاملة

الألومنيوم 2424 هو سبيكة مشغولة وقابلة للمعالجة الحرارية تنتمي إلى سلسلة 2xxx من سبائك الألومنيوم–النحاس–المغنيسيوم. وهي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بأسرة 2024 المعروفة، وصيغت لزيادة القوة وتحسين مقاومة الكسر من خلال تعديلات بسيطة في مستويات النحاس والمغنيسيوم والمنغنيز، مع تحكم أشد في شوائب الحديد والسيليكون.

العناصر الرئيسية المسببة للتقوية هي النحاس (العامل الأساسي للتقوية)، المغنيسيوم (يشكل مناطق Guinier–Preston وترسيبات تشبه Mg2Si تساهم في التقسية بالعمر)، والمنغنيز (يسيطر على البنية الحبيبية ويشكل مستحلبات ناعمة). تتحقق عملية التقوية أساسًا من خلال تصلب الترسيب بعد المعالجة الحرارية للحل والشيخوخة الصناعية، مع مساهمة ثانوية من تصلب الإجهاد في بعض الحالات.

السمات الرئيسية تشمل قوة نوعية عالية ومقاومة جيدة للإجهاد الديناميكي عند المعالجة والتشطيب السطحي المناسب، قدرة متوسطة على التشكيل في درجات التليين، مقاومة داخلية محدودة للتآكل مقارنة بسبائك 5xxx/6xxx، وقابلية لحام متوسطة عند استخدام الإجراءات ومواد الحشو المناسبة. الصناعات النموذجية تشمل الطيران (الهياكل والتركيبات)، الدفاع (مكونات هيكل الطائرة)، رياضة السيارات وقطاعات صناعية متخصصة حيث يتطلب الأداء العالي للقوة إلى الوزن والأداء في الإجهاد الديناميكي.

يختار المهندسون 2424 بدلاً من السبائك الأخرى عندما يكون التصميم يركز على مقاومة الكسر العالية وأداء الإجهاد الديناميكي في سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية، أو عندما يكون متوازنًا بدقة بين القوة الثابتة العالية ومقاومة الضرر. كما يتم اختياره بدلاً من سبائك 7xxx ذات القوة الأعلى عند الحاجة إلى تحسين مقاومة التآكل، المتانة، وقابلية اللحام، وبدلاً من سبائك 6xxx/5xxx عندما يتطلب الأمر قوة ذروة أعلى.

الدرجات الحرارية (التمبرات)

الدرجة مستوى القوة الاستطالة قابلية التشكيل قابلية اللحام ملاحظات
O منخفضة عالية ممتازة ممتازة مخففة بالكامل، أقصى دكتيلية وقابلية للتشكيل
T3 متوسطة-عالية متوسطة جيدة محدودة مبردة باردة ومشيخة طبيعيًا؛ خصائص إجهاد جيدة
T4 متوسطة متوسطة-عالية جيدة محدودة معالجة حرارية للحل وشيخوخة طبيعية
T6 عالية منخفضة-متوسطة محدودة صعبة معالجة حرارية للحل وشيخوخة صناعية لتحقيق أقصى قوة
T8 / T851 عالية منخفضة-متوسطة محدودة صعبة معالجة حرارية للحل، معالجة باردة، وشيخوخة صناعية / استقرار لتحسين مقاومة الكسر
T351 متوسطة-عالية متوسطة جيدة محدودة مخففة من التوتر عن طريق الشد بعد المعالجة الحرارية للحل

تغيير درجات التمبر يؤثر بشكل كبير على خصائص 2424 من خلال تغيير توزيع وحجم وتجانس الترسيبات المحتوية على Cu و Mg. الدرجات اللينة (O، T4) تحقق أقصى دكتيلية وقابلية للتشكيل، بينما توفر الدرجات المعتقة (T6، T8) أعلى مقاومة خضوع وقوة شد قصوى على حساب الاستطالة وقابلية الانحناء.

تسلسل المعالجة الحرارية والعمليات الباردة يؤثر أيضًا على الإجهادات المتبقية، والميول للتشقق الإجهادي الكيميائي، وقابلية التشغيل؛ وتستخدم الدرجات المستقرة (مثل T851) عند الحاجة إلى استقرار أبعادي ومقاومة لشيخوخة إضافية.

التركيب الكيميائي

العنصر نسبة % ملاحظات
Si ≤ 0.50 سيليكون منخفض ومتحكم به لتقليل الفلزات البينية الهشة وتحسين المتانة
Fe ≤ 0.50 محتوى منخفض لتقليل الفلزات البينية الغنية بالحديد الخشنة التي تضعف الدكتيلية
Mn 0.3–1.2 السيطرة على البنية الحبيبية وتشكيل المستحلبات، يحسن المتانة
Mg 1.2–1.9 يساهم في تصلب الترسيب مع النحاس وتقوية الحلول الصلبة
Cu 3.8–5.0 العنصر الأساسي للتقوية مكونًا Al2Cu وترسيبات أخرى
Zn ≤ 0.25 كميات ضئيلة، غالبًا بقايا؛ منخفضة لتجنب الترسيبات الضارة
Cr ≤ 0.10 مستويات أثرية للتحكم في البنية الحبيبية وإعادة التبلور في بعض الدفعات
Ti ≤ 0.15 عامل تنقية عند إضافته بكميات أثرية أثناء إنتاج السبيكة
عناصر أخرى (لكل منها) ≤ 0.05 توازن العناصر المسببة للتش alloy والبقايا مع بقاء الألومنيوم

يركز التركيب على النحاس والمغنيسيوم لتمكين تفاعلات التقسية بالعمر الكلاسيكية Al–Cu–Mg التي تشكل مناطق Guinier-Preston وترسيبات غير مستقرة (θ′ وS-phase)، والتي تمثل أصل القوة في 2424. يعمل المنغنيز والإضافات الصغيرة من التيتانيوم أو الكروم كعوامل تنقية الحبيبات ومكونة للمستحلبات، مما يعزز المتانة ويقلل من الميل لإعادة التبلور أثناء الدورات الحرارية.

الخصائص الميكانيكية

يتميز السلوك الشد لـ 2424 بقوة شد قصوى عالية وزيادة متناسبة في مقاومة الخضوع عند الشيخوخة بدرجات T6 أو T8. تظهر السبيكة هضبة خضوع مميزة في بعض حالات المعالجة الحرارية ومنطقة مرونة خطية نسبيًا حتى الخضوع؛ وتتأثر معدلات التصلب بعد الخضوع بالعمل البارد المسبق وتوزيع الترسيبات. تقل الاستطالة حتى الفشل مع ارتفاع قوة التمبر؛ والمواد المبلّدة أكثر دكتيلية بشكل ملحوظ من درجات T6 أو T8.

تتوافق الصلادة مع التمبر وحالة الشيخوخة؛ حيث تعطي درجات T6 و T8 قيم صلادة قصوى مرتبطة بالترسيبات المتجانسة أو شبه المتجانسة، أما الحالات المعالجة حراريًا للذوبان أو المخففة فتظهر صلادة أقل بكثير. الأداء في مقاومة الإجهاد الديناميكي نقطة قوة كبيرة لـ 2424 عند معالجته بشكل صحيح وتشطيبه سطحيًا: مثل الرش الكاشط، وضغوط سطح الضغط الناتجة عن الرش، وإزالة أو كبح عيوب السطح يمكن أن ترفع بشكل كبير عتبات بدء التشقق في الإجهاد الديناميكي. يؤثر سمك المنتج وشكله على النتائج الميكانيكية بشكل كبير — القطاعات السميكة تبرد أبطأ بعد المعالجة الحرارية للحل، مما ينتج توزيعًا أكبر حجمًا للترسيبات وقوة ومتانة أقل قليلاً مقارنة بالألواح الرقيقة.

الخاصية درجة O/مبلّدة تمبر رئيسي (T6 / T851 نموذجي) ملاحظات
قوة الشد القصوى (UTS) ~240–300 MPa ~450–510 MPa القيم نموذجية؛ تتفاوت حسب التركيب الكيميائي، السمك، ودورة الشيخوخة
مقاومة الخضوع (انحراف 0.2%) ~100–160 MPa ~320–420 MPa تزداد مقاومة الخضوع بشكل ملحوظ مع الشيخوخة الصناعية والعمل البارد السابق
الاستطالة ~18–30% ~6–14% انخفاض الدكتيلية في درجات الشيخوخة القصوى؛ الاستطالة تعتمد على السماكة والمعالجة الحرارية
الصلادة (HB) ~40–60 HB ~120–150 HB الصلادة تتوافق مع حجم وتركيب الترسيبات

الخصائص الفيزيائية

الخاصية القيمة ملاحظات
الكثافة 2.78 g/cm³ قيم نموذجية للسبائك المشغولة Al–Cu–Mg؛ أعلى من الألومنيوم النقي بسبب محتوى النحاس
نطاق الانصهار ~500–640 °C الفاصل بين الصلب والسائل للسبيكة؛ الانصهار الكامل قريب من نقطة انصهار الألومنيوم النقي لكن يتأثر بمراحل السبيكة
الموصلية الحرارية ~120–150 W/m·K منخفضة نسبيًا مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ لا تزال جيدة للعديد من تطبيقات إدارة الحرارة
الموصلية الكهربائية ~28–40 % IACS تعتمد على درجة التمبر؛ أعلى موصلية في الحالات المخففة
السعة الحرارية النوعية ~0.90 J/g·K قيم نموذجية لسبائك الألومنيوم في درجة حرارة الجو
التمدد الحراري ~23–24 µm/m·K مماثل لمعظم سبائك الألومنيوم؛ يجب أخذ التمدد الحراري في الحسبان عند التصميم في هياكل المعادن المختلطة

تضع المجموعة الفيزيائية لسبائك 2424 كألومنيوم عالي القوة مع موصلية حرارية وكهربائية أقل من الألومنيوم النقي لكنها لا تزال مناسبة للعديد من الأدوار الهيكلية وإدارة الحرارة. ترتفع الكثافة قليلاً بسبب النحاس، وهو عامل مهم يجب أخذه في الاعتبار في التصاميم الحساسة للوزن. التمدد الحراري مشابه لمعظم سبائك الألومنيوم ويمكن أن يسبب إجهادات حرارية مختلفة عند استخدامه مع الفولاذ أو المركبات.

أشكال المنتجات

الشكل السماكة/الحجم النموذجي سلوك المقاومة المعالجات الحرارية الشائعة ملاحظات
ألواح 0.4–6.4 مم السماكات الرقيقة تصل إلى أقصى مقاومة بعد التشيخ؛ تشطيب سطحي جيد O, T3, T4, T6, T8 شائعة لأغلفة الطائرات والتجهيزات؛ غالبًا ما تكون مغطاة بالزنك للحماية من التآكل
لوح 6.4–50 مم+ زيادة السماكة تقلل من المقاومة الممكنة وتتطلب أوقات تمعير أطول O, T6, T851 يستخدم للأقسام الثقيلة للعناصر الإنشائية والحواجز؛ حساسية التبريد مهمة
بثق حسب المقطع محدود مقارنة بسبائك سلسلة 6xxx، لكنه ممكن لبعض المقاطع T4, T6 أصعب في البثق؛ التحكم في التماثل مهم
أنبوب سماكة الجدار/القطر الخارجي متغيرة سلوك مشابه للألواح اعتمادًا على سماكة الجدار O, T6 يستخدم لأنابيب هيكلية حيث يلزم مقاومة عالية
قضيب/عصا Ø من عدة مم حتى أكثر من 100 مم يتطلب تشكيل أو بثق للأقسام الكبيرة O, T6 مكونات مطروقة لتجهيزات وربطات تحميل عالي

طريقة المعالجة (درفلة مقابل تزوير مقابل بثق) وسماكة القسم تغير البنية المجهرية، معدل التبريد، وحركية ترسيب المواد بشكل كبير. الأشكال الورقية والرقيقة تحقق درجات مقاومة عالية ومتسقة بسبب سرعات التبريد الأسرع، بينما الألواح السميكة تتطلب تعديلات في العملية (أوقات تمعير أطول، تجهيزات تبريد مراقبة) لتجنب الأقسام المركزية الناعمة وضمان خصائص ميكانيكية متجانسة.

الدرجات المكافئة

المعيار الدرجة المنطقة ملاحظات
AA 2424 الولايات المتحدة الأمريكية التسمية الأساسية في أمريكا الشمالية المستخدمة في تطبيقات الطيران
EN AW سلسلة 2xxx (تتغير) أوروبا المرجع المتقاطع EN قد يكون لسبائك من سلسلة 2xxx بتوازن مماثل من Cu–Mg
JIS A2xxx (تتغير) اليابان توجد تسميات محلية؛ يجب تأكيد المرجع المتقاطع عن طريق الكيمياء والخصائص
GB/T 2A24 الصين تسمية شائعة صينية مستخدمة «2Axx» تقارب AA 2424

المرجعيات المتقاطعة بين المعايير تقريبية ويجب التحقق منها عبر التركيب الكيميائي ومتطلبات الخصائص الميكانيكية للتطبيقات الحرجة. تختلف مستويات الشوائب المسموح بها، ممارسات الشهادات، وتعريفات المعالجات الحرارية، لذلك يجب على المصممين دائمًا التحقق من شهادات المواد، وعند توفرها، استخدام جداول المعادلات المباشرة بين المعايير أو إجراء اختبارات ميكانيكية للتأهيل.

مقاومة التآكل

مقاومة التآكل الجوي لـ 2424 متوسطة وأدنى من سبائك سلسلة 5xxx و6xxx بسبب محتواه الأعلى من النحاس الذي يعزز التآكل الموضعي (التآكل المثقوب) في البيئات العدوانية. في الخدمة الجوية العادية، يعمل 2424 بشكل جيد إذا كان مطليًا، مؤكسدًا أنوديًا، أو مغطى بطبقة ألومنيوم أنقى (Alclad) للحماية التضحية؛ وتستخدم طريقة التغطية هذه بشكل شائع في الطيران للجمع بين حماية السطح من التآكل والمقاومة العالية للصلب الداخلي.

في البيئات البحرية أو الغنية بالكلوريدات، يكون 2424 عرضة للتآكل المثقوب المتسارع والهجوم بين الحبيبي، خصوصًا في المعالجات الحرارية للشيخوخة الذروية؛ تتطلب الإجراءات الوقائية التغطية، الطلاءات، الحماية الكاثودية أو اختيار سبائك بديلة (5xxx) بشكل متكرر. الإجهادات الشدية والمواد المسببة للتآكل يمكن أن تؤدي معًا إلى تصدع الإجهاد-التآكل (SCC) في سبائك سلسلة 2xxx؛ يقلل تثبيت المعالجات وتفادي الإجهاد الشدي المستمر في البيئات العدوانية من خطر SCC.

التفاعلات الجلفانية تتطلب تصميمًا دقيقًا عندما يقترن 2424 مع معادن أكثر نبلاً (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، سبائك النحاس) لأن سبائك الألمنيوم التي تحتوي على النحاس تميل لأن تكون قطبية نسبياً في الماء المالح؛ وتخفف الواجهات العازلة، الطلاءات، أو الأنودات التضحية التآكل الجلفاني. مقارنةً بسلاسلة 6xxx (Al–Mg–Si) و5xxx (Al–Mg)، يقدم 2424 تضحيات في مقاومة التآكل مقابل مقاومة أعلى وقوة إطالة أفضل، لذا يُستخدم بشكل شائع مع أنظمة حماية السطح في خدمات التآكل.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

لحام 2424 صعب نسبيًا مقارنة بسلاسل 5xxx/6xxx بسبب قابلية التشقق الحراري وفقدان المقاومة في منطقة التأثير الحراري (HAZ). يتطلب اللحام بالدمج (TIG/MIG/GMAW) غالبًا سبائك حشو متخصصة من Al–Cu مثل 2319 وضبطًا حراريًا قبل وبعد اللحام؛ اختيار الحشو يهدف لتقليل التشقق وتوفير خصائص ميكانيكية متوافقة. اللحام بالمقاومة والتثبيت الميكانيكي بدائل شائعة حيث تتطلب الوصلات هيكلية كاملة؛ إذا استخدم اللحام، قد يكون من الضروري إجراء معالجة حرارية بعد اللحام والتشيخ إلا أنها غالبًا غير عملية للتجميعات الكبيرة.

قابلية التشغيل

يمكن تشغيل 2424 بشكل معقول في بعض المعالجات لأن قواه العالية ومعدل تصعبه يسمحان بتشكيل قطع متوقعة؛ مع ذلك، شروط التشيخ الذروي قد تؤدي إلى تسريع تآكل الأدوات. مؤشر التشغيل غالبًا ما يقيم متوسط؛ يُنصح باستخدام أدوات كربيد بزوايا سالبية مناسبة وتوفير تبريد كافٍ. عادة ما تستخدم سرعات أبطأ وتغذية أثقل من الألمنيوم الخالص للتحكم في التجامعة المتراكمة والحفاظ على الدقة البُعدية في القطع المتقطعة.

قابلية التشكيل

أفضل قابلية للتشكيل تكون في حالات O، T4 وبعض T3 حيث اللدونة وسهولة الانحناء عالية؛ نصف قطر الانحناء الأدنى أكبر في حالات T6/T8 بسبب الاستطالة المحدودة والارتداد الأعلى. التشكيل البارد ممكن للألواح تحت ظروف مضبوطة باستخدام قوالب وأدوات سحب مهيأة لتجنب التشقق عند أنصاف أقطار الانحناء والثقوب. يمكن توسيع قابلية التشكيل للأشكال المعقدة باستخدام التشكيل الدافئ أو استخدام معالجات حرارية أخف تليها معالجة حرارية موضعية.

سلوك المعالجة الحرارية

تُجرى المعالجة المذابة لـ 2424 عند درجات حرارة عادة بين حوالي 495–520 °C لإذابة المراحل المحتوية على النحاس والمغنيسيوم في محلول صلب مشبع فوق الحد. يتطلب التمهن الصحيح اختراقًا كاملاً للقسم وتجنب بدء انصهار المكونات ذات درجة الانصهار المنخفضة؛ يجب أن يكون معدل التبريد بعد التمهن سريعاً بما يكفي للحفاظ على الذوبان في حالة التورم، خاصةً للأقسام السميكة.

التشيخ الصناعي (T6) عادة ما يتم في درجات حرارة تتراوح بين 160–190 °C لعدة ساعات، مُنتجًا ترسيبات مستقرة متماسكة (θ′ و S′) تمنح أقصى مقاومة؛ تغييرات الوقت والحرارة تنتج توازنًا بين المقاومة القصوى ومقاومة الكسر. رموز المعالجات مثل T8 وT851 تتضمن شغل بارد قبل التشيخ وخطوات تثبيت لتعديل مقاومة التعب وتصنيع الإجهاد مع الحفاظ على مقاومة مرتفعة.

إذا استُخدمت طريقة معالجة غير قابلة للمعالجة الحرارية، يمكن زيادة القوة بالتصلب بالتشوه (معالجات H) حيث يمنح الشغل البارد مقاومة خضوع وشد أعلى؛ التلدين (O) يعيد اللدونة بتكبير الترسيبات وإذابة تصلب الإجهاد. تُستخدم إجراءات إعادة التشيخ والتثبيت في التجميعات للتحكم في تطور الخصائص على المدى الطويل أثناء الخدمة.

الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة

درجات حرارة الخدمة الآمنة لـ 2424 محدودة مقارنة بالصلب وبعض سبائك الألمنيوم عالية الحرارة؛ التعرض المطول لدرجات حرارة فوق حوالي 120–150 °C يقلل تدريجيًا مقاومة الخضوع والشّد بسبب تكبير الترسيبات وذوبانها. يمكن تحمل تعرض قصير لدرجات حرارة أعلى (حتى ~200 °C) لكنه يؤثر على عمر التعب والثبات البُعدي.

الأكسدة في الهواء تكون ضئيلة في نطاق درجات الحرارة النموذجية للتطبيقات الإنشائية بسبب طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية، لكن قد يحدث تقشر عالي الحرارة وأكسدة بين حبيبية في الخدمة الممتدة بدرجات حرارة مرتفعة. يجب أخذ ضعف منطقة التأثير الحراري حول اللحامات والمعالجات الحرارية بعين الاعتبار للمكونات التي تتعرض لتحميلات حرارية دورية.

التطبيقات

الصناعة مثال على المكون سبب استخدام 2424
الطيران تجهيزات، أضلاع الأجنحة، أسطح التحكم نسبة قوة إلى وزن عالية، أداء تعب جيد، إمكانية التغطية للحماية من التآكل
البحرية عناصر هيكلية (محميّة)، قطع تجميلية مقاومة عالية للتعب في ظروف محمية أو مطلية؛ يُستخدم حيث تفضل القوة على عيوب التآكل
السيارات / رياضة السيارات روابط التعليق، مكونات الهيكل قوة نوعية عالية، متانة ومقاومة تعب لتطبيقات الأداء
الإلكترونيات دعائم هيكلية، مبردات حرارة معتدلة موصلية حرارية معقولة مقترنة بالقدرة الهيكلية
الدفاع تجهيزات الدروع، التثبيتات تحمل الضرر وقدرة تحميل عالية لأجزاء حرجة للمهام

يُستخدم 2424 حيث يلزم توازن بين مقاومة ثابتة عالية، تحمل الضرر، وعمر تعب طويل، وحيث يمكن توفير حماية سطحية للتخفيف من التآكل. غالبًا ما يطبق السبائك في الطيران والمركبات عالية الأداء حيث تكون وفورات الوزن مهمة ولكن لا يمكن التضحية بالمتانة.

نصائح الاختيار

اختر 2424 عندما يتطلب التصميم قوة نوعية أعلى وخصائص إجهاد/تكسر متفوقة مقارنة بالسبائك الشائعة المتقسية بالتشكيل، وعندما يمكن للتطبيق استيعاب الطلاءات أو التكسية أو الإجراءات التصميمية للسيطرة على التآكل. تُعد هذه السبائك خيارًا مثيرًا للاهتمام بشكل خاص لمستلزمات الطائرات، والمكونات الهيكلية، وأجزاء الشاسيه عالية الأداء حيث تعتبر القوة القابلة للمعالجة حراريًا والمتانة من الأولويات.

بالمقارنة مع الألومنيوم التجاري النقي (1100)، يقدم 2424 قوة إجهاد أعلى بكثير ومقاومة إجهاد متفوقة مقابل انخفاض في الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل في درجات التقسية العُليا. وبالمقارنة مع السبائك المتقسية بالتشكيل مثل 3003 أو 5052، يوفر 2424 مقاومة إجهاد ثابتة أعلى بكثير لكنه عادةً ما يكون أقل مقاومة للتآكل، لذلك غالبًا ما تكون الطلاءات الواقية أو التكسية مطلوبة. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة حراريًا الشائعة مثل 6061، يمنح 2424 قوة قصوى أعلى ومتانة إجهاد/تكسر أفضل في العديد من الحالات، ويتم اختياره عندما تتفوق هذه الخصائص على مزايا 6061 مثل قابلية اللحام ومقاومة التآكل المتفوقة.

ملخص ختامي

يظل الألومنيوم 2424 خيارًا مناسبًا عالي القوة وقابلًا للمعالجة حراريًا للتطبيقات الهيكلية والمتطلبات الحرجة للإجهاد حيث تكون موازنة القوة والمتانة وعمر الخدمة أكثر أهمية من مقاومة التآكل الذاتية. مع اختيار الدرجة الحرارية المناسب، والحماية السطحية، وضوابط التصنيع الملائمة، يقدم 2424 مزيجًا مقنعًا من الأداء الميكانيكي للاستخدامات في الطيران، ورياضة السيارات، والاستخدامات الصناعية الخاصة.

العودة إلى المدونة