ألمنيوم 319: التركيب، الخصائص، دليل المطابقة، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
319 هو سبيكة ألومنيوم مصبوبة تنتمي إلى سلسلة 3xx من سبائك Al-Si-Cu المصبوبية. صممت بشكل أساسي كسبيكة ألومنيوم قابلة للمعالجة الحرارية وغنية بالسيليكون، حيث يُضاف النحاس لرفع القوة وتحسين الاستقرار الميكانيكي عند درجات الحرارة المرتفعة.
العناصر الرئيسية المسبكة هي السيليكون والنحاس، مع مستويات محكومة من الحديد والمنغنيز والمغنيسيوم والكروم وكذلك التيتانيوم وعناصر أثرية أخرى. تستمد القوة بشكل أساسي من المعالجة بالترطيب والتقسية الصناعية (تصلب الترسيب للمراحل الغنية بالنحاس) مع تحسين التركيب المجهري للسيليكون اليوتكتيمي والتشتتات بين الفلزية.
الصفات الرئيسية لـ 319 تشمل قوة عالية نسبياً في الحالة المصبوبة والمقواة، واستقرار حراري جيد، ومقاومة معقولة للتآكل في بيئات السيارات، وسهولة في الصب للمكونات المعقدة ذات الجدران الرقيقة. قابلية اللحام والتشغيل جيدة عند استخدام مواد صحة وممارسات مناسبة، بينما التشكيل محدود مقارنة بالسبائك المشغولة؛ مما يجعل 319 مثالياً للمكونات المصبوبة بدلاً من الصفائح المشغولة أو البثق.
تشمل الصناعات النموذجية المحركات وأنظمة نقل الحركة المصبوبة، ومكونات المحركات وناقلات الحركة، وأغلفة المضخات، وبعض التركيبات البحرية. يختار المهندسون سبائك 319 عندما تكون الأشكال الهندسية معقدة ويحتاجون إلى قوة معتدلة إلى عالية بعد المعالجة الحرارية، وعندما تكون عمليات الصب والتكامل الأبعادي أهم من فوائد المنتجات المشغولة.
أنواع المعالجة الحرارية
| المعالجة | مستوى القوة | التمدد | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O (مخمور / كما صُب) | منخفضة | متوسطة | محدودة | جيدة مع إجراءات الإصلاح | حالة كما صُب أو مخففة الإجهاد؛ أعلى مطيلية بين حالات السبائك المصبوبة |
| T5 | متوسطة-عالية | متوسطة-منخفضة | محدودة | جيدة مع التسخين المسبق | مبردة من حالة الصب ومقواة صناعياً؛ تحسن القوة بدون معالجة الترطيب |
| T6 | عالية | منخفضة-متوسطة | محدودة | قابلة للإصلاح؛ مخاطر تليين منطقة تأثير اللحام (HAZ) | معالجة حرارية بالترطيب وتقسية صناعية؛ حالة إنتاج شائعة لـ 319 |
| T7 | متوسطة | متوسطة | محدودة | جيدة مع مادة ملء مناسبة | تثبيت بتقسية مفرطة لتحسين الاستقرار الحراري والأبعادي |
| Hxxxx (عمل بارد موضعي) | متغيرة | متغيرة | ضعيفة | غالباً ما تتطلب إجراءات خاصة | العمل البارد الموضعي نادراً ما يُستخدم؛ معظم تطبيقات 319 تعتمد على المعالجة الحرارية بدلاً من التشكيل البارد المكثف |
تتحكم المعالجة الحرارية بشكل كبير في التوازن بين القوة والمطيلية للسبائك المصبوبة 319. تعطى T6 أعلى قوة عملية للعديد من المكونات لكنها تخفض المطيلية وتزيد خطر تليين منطقة تأثير اللحام حول الإصلاحات، بينما تُستخدم T7 أو T5 حيث يُراد الاستقرار الحراري أو القوة كما صُبت بدون معالجة الترطيب الكاملة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 5.5–7.5 | عنصر أساسي في سبيكة الصب؛ يحسن السيولة ويقلل الانكماش |
| Fe | ≤1.3 | عنصر شوائب؛ يشكل أطوار بين فلزية قد تجعله هشاً وتؤثر على مقاومة التعب |
| Mn | 0.2–0.6 | يسيطر على شكل الأطوار بين الفلزية للحديد ويحسن المتانة |
| Mg | 0.05–0.45 | يساهم قليلاً في التقسية بالترسيب في بعض الحالات؛ غالباً ما يُحكم وجوده منخفضاً |
| Cu | 2.5–4.0 | العنصر المسبب الأساسي للتقوية عبر ترسيب الفازات الغنية بالنحاس |
| Zn | ≤0.2 | عنصر ثانوي؛ محدد للسيطرة على تأثيرات التآكل |
| Cr | 0.04–0.25 | ينعم الحبيبات ويثبت التركيب المجهري ضد التقسية المفرطة |
| Ti | 0.02–0.12 | مُجَنِّب لحبيبات الصب للتحكم في التركيب المجهري |
| عناصر أخرى | ≤0.15 | تشمل Ni, Pb, Sn, Bi والبقايا؛ تُحفظ منخفضة للحفاظ على سهولة الصب والسلوك الميكانيكي |
النطاقات السابقة تعكس المواصفات الشائعة لـ A319؛ الحدود الفعلية تعتمد على المعيار المورِّد وممارسات مصانع الصب. يحدد السيليكون سلوك الصب وشكل السيليكون اليوتكتيمي، فيما يوفر النحاس قوة ترسيب بعد المعالجة الحرارية، بينما يسيطر الحديد والمنغنيز على شكل الأطوار بين الفلزية التي تؤثر على المطيلية ومقاومة التعب.
الخصائص الميكانيكية
يعتمد السلوك الشدّي لـ 319 بشكل واضح على حالة المعالجة واحجام المقطع. في الحالة كما صُب أو المعالجة المحدودة، يظهر السبيكة قوة شد نهائية معتدلة مع تمدد معقول، بينما تنتج حالات المعالجة بالترطيب والتقسية الصناعية (T6) زيادة ملحوظة في مقاومة الخضوع والشد النهائية مع بعض الخسارة في المطيلية.
تتحسن مقاومة الخضوع بشكل كبير عبر ترسيب المراحل الغنية بالنحاس في حالة T6؛ ونسب مقاومة الخضوع إلى الشد النهائي تشير إلى انتقال ضيق بين الحالة المرنة والبلاستيكية مقارنة بالسبائك المشغولة الأكثر مطيلية. التمدد غالباً ما يكون محدوداً في القطاعات السميكة بسبب تزايد حجم الشبكة السيليكونية اليوتكتيمية والشبكات بين الفلزية، لذا يجب مراعاة انخفاض المطيلية في مكونات الجدران السميكة عند التصميم.
تتوافق الصلادة مع حالة المعالجة والتركيب المجهري، وترتفع بوضوح بعد المعالجة بالترطيب والتقسية؛ وتعكس قيم برينل هذا حيث تكون T6 أكثر صلادة بكثير من الحالة كما صُب. أداء مقاومة التعب معتدل لـ 319 ويتأثر بشدة بعيوب الصب، وتشطيب السطح، ووجود الأطوار بين الفلزية؛ وتستخدم طرق تحسين التعب مثل التجريف بالرصاص، والتشغيل السطحي، والمعالجة الحرارية المناسبة.
| الخاصية | الحالة O/مخمور | الحالة الرئيسية (T6) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 180–240 MPa (تقريباً) | 260–350 MPa (تقريباً) | تفاوت واسع مع سمك المقطع وطريقة الصب |
| قوة الخضوع | 90–140 MPa (تقريباً) | 170–240 MPa (تقريباً) | ترسيب النحاس يزيد قوة الخضوع بشكل ملحوظ في T6 |
| التمدد | 2–10% (يختلف مع السُمك) | 1–6% (يختلف مع السُمك) | ينخفض التمدد في T6 ومع زيادة سمك المقطع |
| الصلادة | 60–90 HB (تقريباً) | 90–130 HB (تقريباً) | الصلادة تتناسب مع حالة الترسيب وشكل السيليكون |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.68 g/cm³ | نموذجية لسبائك صب Al–Si؛ نسبة قوة إلى وزن جيدة |
| نطاق الانصهار | ~520–640 °C | نطاق صلب-سائل يعتمد على محتوى Si و Cu؛ ويحتوي على خصائص يوتكتيمية |
| التوصيل الحراري | ~120 W/m·K (تقريباً) | أقل من الألومنيوم النقي بسبب المسبكات؛ كافية للعديد من التطبيقات الحرارية |
| التوصيل الكهربائي | ~30–40 % IACS (تقريباً) | مخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب محتوى السبائك والأطوار بين الفلزية |
| الحرارة النوعية | ~900 J/kg·K | نموذجية لسبائك الألومنيوم ضمن نطاق درجات حرارة الغرفة |
| معدل التمدد الحراري | ~22–24 µm/m·K | معامل تمدد حراري مشابه لسبائك صب Al–Si الأخرى |
تدعم مجموعة الخصائص الفيزيائية اختيار 319 للسبائك المصبوبة المعرضة لأحمال حرارية حيث تكون خفة الوزن والتوصيل الحراري المعقول مهمة. سلوك الانصهار والتصلب مهم جداً لتصميم القوالب والتحكم في المسامية بسبب نطاق التجمد العريض وتكوين الأطوار بين الفلزية المعقدة.
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | الأنواع الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| صب (رمل، قالب دائم، قالب ضغط) | جدران رقيقة إلى مقاطع ثقيلة (1 mm إلى >100 mm) | يتغير بشكل واسع مع سمك المقطع ومعدل التبريد | O, T5, T6, T7 | شكل المنتج الرئيسي؛ ممتاز للهندسة المعقدة المتكاملة |
| لوح / لوح صب | حتى عدة عشرات من mm (كما صُب أو متماثل الحرارة) | سلوك مشابه للصب؛ اللف نادر | O, T6 بعد المعالجة الحرارية | نادر كلوح ملفوف؛ عادة مصبوب للقياس ويُشغل تشغيلاً نهائياً |
| بثق | غير نموذجي | غير قابل للتطبيق | — | 319 غير منتج كبضاعة بثق قياسية؛ التكوين غير محسن للبثق |
| أنابيب | محدود (أنابيب مصبوبة أو مركبة) | متغير | O, T6 | أنابيب مصبوبة أو مشغولة من بلوكات الصب لأجزاء متخصصة |
| قضبان / عيدان | محدود (قضبان مصبوبة) | متغير | O, T6 | متوفر كبلاطات أو أقطاب مصبوبة للتشغيل؛ غير شائع كقضيب مشغول |
319 هو في الأساس سبيكة صب، ومعظم أشكال المنتجات عبارة عن مكونات مصبوبة تُنتج بواسطة طرق الصب بالرمل، القوالب الدائمة أو القوالب بالضغط. الأشكال المشغولة والمنتجات التقليدية من الصفائح/الألواح/البثق غير شائعة أو غير قياسية لأن توازن العناصر المسبكة محسّن للصب والتقسية بالترسيب بدلاً من العمل البارد المكثف.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 319 | الولايات المتحدة | تسمية سبائك الصب من جمعية الألومنيوم؛ مواصفة أساسية شائعة |
| EN | AlSi9Cu (تقريبًا) | أوروبا | مطابقة تقريبية في التركيب والاستخدام المقصود؛ الخواص الميكانيكية الدقيقة تختلف حسب المواصفة |
| JIS | AC9x (تقريبًا) | اليابان | فئات الصب اليابانية مع عائلات مشابهة من Si–Cu؛ يرجى التحقق من رقم JIS المحدد |
| GB/T | AlSi9Cu3 (تقريبًا) | الصين | سبائك الصب الصينية الشائعة مع توازن مشابه من Si و Cu؛ تحقق من التسامحات المحلية |
لا توجد معيار عالمي واحد مطابق تمامًا لـ A319 لأن عائلات سبائك الصب تختلف إقليميًا وتجمع المواصفات السبائك بطرق مختلفة. الدرجات المكافئة المدرجة أعلاه هي مطابقة تقريبية في التركيب أو الوظيفة ويجب على المهندسين مقارنة الحدود الكيميائية والميكانيكية المحددة في كل معيار قبل الاستبدال.
مقاومة التآكل
مقاومة التآكل الجوي لـ 319 جيدة بشكل عام للبيئات الصناعية والسيارات لأن المصفوفة الغنية بالسيليكون والمحتوى المنضبط للنحاس يوفران سلوكًا سلبيًا معقولاً. مع ذلك، يقلل النحاس من مقاومة التآكل مقارنةً بدرجات الألومنيوم المنخفضة السبائك وقد يزيد من القابلية للهجوم المحلي في البيئات شديدة الكلوريد.
في التعرض البحري أو عالي الكلوريد، يقدم 319 أداءً معتدلاً لكنه لا يضاهي السبائك البحرية المتخصصة مثل سبائك Al–Mg من السلسلة 5xxx أو بعض المواد الفولاذية المقاومة للصدأ؛ عادةً ما تُطبق طبقات واقية مثل الطلاءات القُربانية، والتحليل الكهروكيميائي للأسطح أو الدهانات الواقية للخدمة الطويلة. مقاومة الحفر تتأثر بمسامية الصب، وتشطيب السطح والمعالجة الحرارية، لذا غالبًا ما يحسن السد أو التشغيل بعد الصب من الأداء طويل الأمد.
التشقق بالتآكل تحت الإجهاد (SCC) ليس سببًا رئيسيًا للفشل في 319 عند درجات حرارة الخدمة العادية، لكن وجود النحاس والإجهادات الباقية الشدّية (مثل الناتجة عن اللحام) قد يزيدان من خطر SCC في بيئات شديدة العدوانية. التفاعلات الجلفانية مع معادن أكثر نبلاً (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، النحاس) قد تسرع التآكل الموضعى عند نقاط التماس، لذا يُنصح بالعزل أو الطلاءات حيث يحدث اتصال بين معادن مختلفة.
بالمقارنة مع العائلات الأخرى من السبائك، يقدم 319 مقاومة تآكل أفضل من السبائك المصقولة عالية النحاس ولكنه أقل مقاومة من سبائك Al–Mg من السلسلة 5xxx؛ يختار المصممون 319 حيث يكون القابلية للصب والثبات الحراري ذا أولوية مع قبول تدابير حماية معتدلة ضد التآكل.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يمكن لحام قطع 319 باستخدام تقنيات TIG، MIG أو التلحيم باللحام الحشو مع توفير تسخين مسبق واختيار مناسب للحشو. يُوصى عادةً باستخدام سبائك حشو الألومنيوم-سيليكون مثل ER4043 أو ER4047 لتقليل ميل التشقق الحراري وتلبية اختلافات التمدد الحراري وسلوك الانصهار.
يمكن أن يتعرض منطقة تأثر الحرارة إلى تليين موضعي بسبب ذوبان أو تكبير حجم الترسيبات في المكونات المعالجة حراريًا، ويجب اتباع اللحامات التصحيحية بمعالجات حرارية مناسبة حيث تكون الاستقرار الأبعادي والخواص الميكانيكية مهمة. يقلل التسخين المسبق، والتحكم بدرجات الحرارة بين الطبقات وتقليل التقييد من التشقق والتشوه أثناء اللحام.
قابلية التشغيل
يُعتبر 319 مرشحًا جيدًا للتشغيل بسبب وجود السيليكون الإيوتكتيمي الذي يعزز تكسر الرقائق، كما أن مقاومة التآكل لأدوات القطع لا تتدهور بشكل مفرط. يُنصح بأدوات كربيد ذات زوايا قطع إيجابية وتحكم جيد في التبريد لتحقيق معدلات إزالة مادة عالية وتشطيب سطحي متوقع.
سرعات القطع لسبائك الصب من الألومنيوم مرتفعة عمومًا مقارنة بالصلب، لكن يجب تعديلها حسب محتوى السيليكون وصلابة القِطع؛ يستفيد عمر الأداة من الإخلاء الجيد للرقائق وتجنب الاحتكاك المطول. يتأثر التشطيب السطحي والدقة الأبعادية بشكل كبير بمسامية الصب وتفاوت البنية الدقيقة، وغالبًا ما يتبع التشغيل النهائي خطوة تلطيف الإجهاد أو المعالجة بالحلول.
قابلية التشكيل
تشكل 319 محدود لأنه سبيكة صب غير مخصصة لعمليات التشوه البلاستيكي الكبير؛ عادةً ما يتم الثني، الشد أو السحب العميق فقط على مقاطع رقيقة أو معدة خصيصًا. تُفضل أفضل الممارسات تصميم خصائص الصب في شكل القطعة لتجنب التشكيل بعد الصب والاستفادة من قدرة الصب لتشكيل أشكال معقدة.
قد يُستخدم التشكيل البارد الموضعي أو الثني الميكانيكي للتعديلات الطفيفة، لكن القابلية المنخفضة للشد في الفترات المعالجة حراريًا والطبيعة الهشة لبعض المركبات بينية المعدن تحد من التشكيل الواسع. إذا كانت الخصائص المُشكلة مطلوبة، يُفضل استخدام سبائك وُتدية بديلة أو تصميم الخاصية ضمن الصب لإلغاء الحاجة لخطوات التشكيل.
سلوك المعالجة الحرارية
319 هو سبيكة صب قابلة للمعالجة الحرارية تستجيب بشكل جيد لمعالجة الحلول ودورات التعتيق الاصطناعي لتطوير هياكل دقيقة مقواة بالترسيبات. عادةً ما تحدث معالجة الحلول عند درجات حرارة تتراوح حوالي 505–545 °C لعدة ساعات حسب سمك المقطع، مع تبريد سريع للاحتفاظ بالمذيب في محلول صلب.
التعتيق الاصطناعي (T6) يتم عادةً بين حوالي 150–200 °C لعدة ساعات لترسيب مراحل غنية بالنحاس (theta prime والمركبات بينية المعدن المتعلقة) والتي تزيد من القوة والصلادة. يُستخدم T5 (التعتيق المباشر) حيث لا تكون معالجة الحلول الكاملة عملية؛ يوفر تحسينًا لكنه عادةً أقل قوة قصوى من T6 الكامل.
تستخدم حالات T7 أو التعتيق المفرط عندما يكون الاستقرار الحراري ومقاومة التغيرات في الخواص أثناء الخدمة مطلوبين؛ يؤدي التعتيق المفرط إلى تكبير الترسيبات، خفض القوة القصوى لكنه يحسن الاستقرار الأبعادي ومقاومة التليين الحراري. السيطرة على معدلات التبريد، منحنيات التعتيق وأوقات النقع الخاصة بالمقطع ضرورية لتحقيق خواص متسقة وللحد من التشوهات أو الإجهادات المتبقية الناتجة عن التبريد.
الأداء في درجات الحرارة العالية
يحافظ 319 على قوة ميكانيكية مفيدة حتى درجات حرارة مرتفعة معتدلة، لكن المراحل المقواة بالترسيبات تبدأ بالتكبير فوق درجات الخدمة التي تتجاوز عادةً 150–200 °C. للتعرض المستمر فوق هذه الدرجات، يجب أن يتوقع المصممون فقدانًا تدريجيًا للقوة والنظر في الفترات المعالجة بالتعتيق المفرط أو السبائك المصممة خصيصًا للاستقرار الحراري العالي.
تأكسد الألومنيوم عند درجات الحرارة المرتفعة معتدل ويشكل طبقة أكسيد واقية، لكن البيئة ووجود الكلوريد يمكن أن يغيرا سلوك الأكسدة ويسرعا التحلل. قد تتعرض مناطق تأثير الحرارة أثناء اللحام والمناطق التي أُعيد تسخينها محليًا للتليين وفقدان الخواص القصوى عند التعرض لدرجات حرارة مرتفعة أو دورات حرارية متكررة.
للمكونات المعرضة للإجهاد الحراري المتكرر أو التحميل الحراري الدوري، يمكن لتحسين العمر الافتراضي أن يتحقق من خلال اختيار الفترة (T7 أو الفترات المستقرة)، التحكم في الإجهاد المتبقي واستخدام الطلاءات أو الحماية الأنودية. لتحميلات درجات الحرارة المرتفعة المستمرة، قد تكون السبائك المصممة خصيصًا أو استخدام فئات مواد مختلفة ضرورية.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 319 |
|---|---|---|
| السيارات | أغطية ناقل الحركة ومكونات المحرك | جيدة القابلية للصب، التكامل الأبعادي والقوة المقواة بالشيخوخة |
| البحرية | أغطية المضخات وتجهيزات الصب الهيكلية | مقاومة تآكل معقولة مع قدرة جيدة على تفاصيل الصب |
| الفضاء الجوي | تركيبات وحوامل غير حرجة | نسبة قوة إلى وزن عالية لأجزاء معقدة مصبوبة وثبات حراري |
| الإلكترونيات | حاويات وهيكليات مشتتات حرارية | موصلية حرارية كافية وقدرة على صب ميزات متكاملة |
غالبًا ما يُختار 319 حيث الهندسة المعقدة، قواعد التثبيت المتكاملة، السبائك الرقيقة والجمع بين المعالجة الميكانيكية اللاحقة تقلل عمليات التجميع والوزن. توازن السبيكة بين القابلية للصب والقوة بعد المعالجة الحرارية والتكلفة للعديد من المكونات المنتجة بكميات كبيرة في قطاعات السيارات والنقل.
نصائح للاختيار
عند اختيار 319، يفضل استخدامه للهندسة المعقدة للسبائك المصبوبة التي تتطلب قوة متوسطة إلى عالية بعد المعالجة الحرارية وحيث تقلل الميزات المتكاملة من عمليات التجميع. تجعل قابلية الصب وأداء الميكانيكا بعد معالجة T6 منه خيارًا عمليًا لأغطية السيارات والصناعية حيث تكون البدائل المصنعة وُتدية غير عملية.
بالمقارنة مع الألومنيوم التجاري الخالص (1100)، يتنازل 319 عن الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل لصالح قوة أعلى بشكل ملحوظ وثبات ميكانيكي وحراري أفضل. بالمقارنة مع السبائك المقواة بالتشغيل مثل 3003 أو 5052، يوفر 319 قوة أعلى بالتقسية بالشيخوخة لكنه عمومًا مقاومة تآكل أقل في بعض البيئات؛ قد يحتاج التصميم لتعويض ذلك عبر الطلاءات أو المدد التآكلية.
بالمقارنة مع السبائك المشغولة القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061/6063، قد يكون أداء 319 في الذروة أقل