ألمنيوم 357: التركيب، الخواص، دليل المعالجة الحرارية والتطبيقات

نظرة شاملة

درجة 357 (المعروفة غالبًا باسم A357 أو متغيرات AlSi7Mg) هي سبيكة ألومنيوم-سيليكون-ماغنيسيوم من سلسلة 3xx تنتمي إلى عائلة السبائك القابلة للمعالجة الحرارية والمخصصة للسباكة. العناصر السبائكية الرئيسية فيها هي السيليكون والماغنيسيوم، حيث يمنح السيليكون قابلية السباكة ومقاومة التآكل، بينما يمكن الماغنيسيوم من تصلب التقدم عن طريق ترسيب Mg2Si.

تُقوى السبيكة أساسًا عن طريق المعالجة الحرارية للذوبان تليها التعتيق الصناعي (T6/T651)، مما يؤدي إلى ترسيب نانوي لـ Mg2Si؛ كما تظهر بعض تصلب الإجهاد عند العمل البارد في أشكال معينة. تتميز هذه السبيكة بمزيج ملائم من مقاومة شد متوسطة إلى عالية، ومرونة جيدة لسبيكة سباكة، ومقاومة محسنة للتآكل مقارنة بالعديد من السبائك الحاملة للنحاس، وقابلية جيدة للحام عند اتباع الممارسات والملاحم المناسبة.

تشمل الصناعات النموذجية التي تستخدم 357 قطاع السيارات (سباكات هيكلية، مكونات نظام التعليق، العجلات)، والفضاء الجوي (الملحقات والحوامل)، ورياضات المحركات، والتطبيقات البحرية عالية الأداء حيث يتطلب التوازن بين خفة الوزن والقوة ومقاومة التآكل. يختار المهندسون 357 على غيرها من السبائك عندما تتطلب الهندسة المفصلة للسباكة سيولة معززة بالسيليكون وقوة قصوى قابلة للمعالجة الحرارية دون حساسية للتشقق التي تظهر في السبائك ذات النحاس الأعلى.

المقاسات الحرارية

المقاس	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	مرتفعة	ممتازة	ممتازة	مُطهّرة بالكامل؛ تُستخدم لتفريغ الإجهاد والتشغيل قبل المعالجة الحرارية
H14	متوسطة	متوسطة	متوسطة	جيدة	تصلب إجهاد في الأشكال المطروقة؛ محدودة للاسباكات
T5	متوسطة-عالية	متوسطة	متوسطة	جيدة	مبردة من التشغيل الحار ومعتقة صناعيًا؛ مسار إنتاج أسرع للسباكات
T6	عالية	منخفضة–متوسطة	متوسطة	جيدة	معالجة حرارية للذوبان + تعتيق صناعي؛ حالة أقصى قوة للعديد من المكونات المصبوبة
T651	عالية	منخفضة–متوسطة	متوسطة	جيدة	T6 مع تفريغ إجهاد/مضاد للإجهاد المتبقي؛ يُحدد بشكل شائع للسباكات الحرجة في الفضاء الجوي

المقاس المختار للدرجة 357 يتحكم بقوة في القوة، المرونة، وحالة الإجهاد المتبقي. تعمل ظروف T6/T651 على زيادة مقاومة الشد والصلادة من خلال ترسيب Mg2Si، لكنها تقلل من الاستطالة وقابلية التشكيل مقارنة بحالة التطبيع O.

في التصنيع، تسمح حالات O وT5 بعمليات تشغيل وتشكيل أسهل قبل التعتيق النهائي، بينما تُستخدم T6 وT651 للمكونات الخدمية التي تتطلب استقرارًا بعدميًا وأداء ميكانيكيًا أقصى.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة %	ملاحظات
Si	6.5–7.5	العنصر السبائكي الأساسي؛ يحسن السيولة، يقلل الانكماش، ويزيد مقاومة التآكل
Fe	0.2–0.6	شوائب من عملية الصهر؛ ارتفاع الحديد يؤدي إلى تكوين مواد بين بلورية هشة ويقلل المرونة
Mn	0.05–0.35	يسيطر على تكوين المواد البينية للحديد ويمكن أن يحسن القوة قليلاً
Mg	0.25–0.45	عنصر التصلب بالتقدم يشكل ترسيبات Mg2Si؛ يتحكم في استجابة T6
Cu	0.15–0.6	محدود غالبًا في درجات السبك؛ يزيد القوة لكنه يخفض مقاومة التآكل إذا ارتفع
Zn	0.05–0.2	شوائب ضئيلة؛ عادةً ليست إضافة مقوية مقصودة
Cr	0.02–0.2	يستخدم بكميات أثرية لضبط البنية الحبيبية والتبلور في بعض المتغيرات
Ti	0.02–0.15	مكرر للحبيبات لتحسين بنية السبك واتساق الخواص الميكانيكية
عناصر أخرى	≤0.15 مجموعيًا	عناصر أثرية وبقايا؛ تبقى منخفضة للحفاظ على مقاومة التآكل والخواص الميكانيكية

السيليكون والماغنيسيوم هما الزوج الفعال المسيطر على قابلية السباكة والاستجابة للمعالجة الحرارية. يشكل السيليكون الهياكل اليوتكتية التي تحدد سلوك التجميد، في حين يذوب الماغنيسيوم في مصفوفة الألومنيوم ويرسي باعتباره Mg2Si خلال التعتيق الصناعي لرفع مقاومة الشد ومقاومة الخضوع.

الخواص الميكانيكية

كسبيكة سباكة تخضع لمعاملة حرارية T6، تظهر 357 مقاومات شد وخضوع أعلى بكثير مقارنة بالسبائك العادية المطروقة التي لا تخضع للمعالجة الحرارية، مع مرونة معتدلة لمكون سبك. يتميز منحنى الشد بنقطة خضوع واضحة تليها تصلب شغلي حتى مقاومة الشد القصوى؛ الاستطالة في حالة T6 عادة ما تكون محدودة مقارنة بالمادة المطبوعة لكنها تبقى كافية لكثير من أجزء السبك الهيكلية. تزداد الصلادة بشكل كبير مع معالجة T6/T651 بسبب التشتت الناعم لترسيبات Mg2Si، وترتبط صلادة برينل أو فيكرز جيدًا مع خصائص الشد لأغراض المواصفة.

يتأثر سلوك التعب (Fatigue) في 357 بعيوب السبك (المسامية، الانكماش) وبنية الميكرو؛ تقلل السبك الأكثر كثافة والدعوم الصحيحة من بدء التعب المرتبط بالعيوب. تؤثر سماكة القسم بشكل واضح لأن الأقطار الكبيرة تبرد بشكل أبطأ، مما يؤدي إلى خشونة السيليكون اليوتكتية وزيادة مخاطر المسامية، الأمر الذي يقلل من القوة الساكنة وقوة التعب.

بالنسبة للأجزاء الرقيقة والسباكات التي تبرد بسرعة، تقترب خصائص T6 من القيم العليا للنطاقات؛ أما للقطع السميكة والحالة المصبوبة O، فتنخفض القوة والصلادة بينما تزداد المرونة.

الخاصية	O/مطبوعة	المقاس الرئيسي (T6/T651)	ملاحظات
مقاومة الشد (UTS)	130–220 MPa	300–360 MPa	قيم T6 تعتمد على سماكة القسم وسرعة التصلب
مقاومة الخضوع (0.2%YS)	60–150 MPa	240–300 MPa	مقاومة الخضوع ترتفع حادًا بعد المعالجة الحرارية للذوبان والتعتيق
الاستطالة (El%)	10–18%	4–10%	الاستطالة تنخفض في T6؛ الهندسة والمسامية تؤثر على القيم
الصلادة (HB)	50–90 HB	90–130 HB	الصلادة تعكس استجابة التعتيق وتاريخ تبريد القسم

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.67–2.68 g/cm³	نموذجي لسبائك Al-Si-Mg المصبوبة؛ نسبة قوة إلى وزن جيدة
نطاق الانصهار (الصلب–السائل)	~520–615 °C	تؤثر الهياكل اليوتكتية والسيليكون الأساسي على نطاق التصلب؛ القيم تعتمد على التركيب الدقيق
الموصلية الحرارية	110–140 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنها عالية مقارنة بالعديد من السبائك الهندسية
الموصلية الكهربائية	~30–40 % IACS (~17–23 MS/m)	تقللها عناصر السبكة؛ مقبولة للمكونات الحرارية/الكهربائية مع مخصصات التصميم
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	نموذجية لسبائك الألومنيوم عند درجة حرارة الغرفة
التمدد الحراري	21–24 µm/m·K	تمدد حراري مرتفع نسبيًا يتطلب الانتباه عند التزاوج مع مواد مختلفة

يجمع 357 بين موصلية حرارية مرتفعة نسبيًا وكثافة منخفضة، مما يجعله مناسبًا للمكونات التي تتطلب تبديد حرارة وخفة وزن، رغم أن موصلته تقل عن الألومنيوم النقي. يجب معالجة التمدد الحراري والثبات البعدي تحت دورات الحرارة في التجميعات مع المعادن المختلفة لتجنب الإجهاد الجلفاني أو الميكانيكي.

تؤثر سماكة القسم والمسامية على الاستجابة الحرارية؛ حيث تؤمن السبكيات ذات الحبيبات الدقيقة والكثافة العالية أداء حراري أكثر اتساقًا وعمر تعب ميكانيكي أفضل.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
مصبوبات الرمل	متفاوتة (5–200 mm فأكثر)	أقل بسبب تبريد أبطأ؛ بنية دقيقة أكبر خشونة	O, T5, T6	تستخدم للأشكال الكبيرة والمعقدة؛ قد تتطلب المعالجة بالضغط عالي الحرارة (HIP) لتقليل المسامية
القوالب الدائمة / الصب بالحصيرة (+الجاذبية)	2–60 mm	خصائص ميكانيكية أفضل نتيجة التبريد الأسرع	T5, T6, T651	مفضلة للأجزاء الهيكلية ذات التحملات الأبعاد الدقيقة
السباكة الاستثمارية/الدقيقة	أجزاء رقيقة إلى متوسطة	تكامل عالي وجودة سطح جيدة	T6	تستخدم في صناعة الطيران والمكونات عالية الأداء
مشكلة/معالجة ساخنة (محدودة)	متفاوتة	غير شائع للدرجة 357؛ الخصائص تعتمد على العمل + التقدم في السن	متغيرات H	نادرة؛ التركيبة مصممة أكثر لمعالجة الصب
سبيكة/قطاعات أولية	سبائك/سبائك كبيرة	مواد خام للسبك أو البثق اللاحق	O قبل المعالجة	تستخدم لإنتاج مواد خام منخفضة المسامية للسباكات المتخصصة

شكل المنتج المصبوب هو السائد في استخدام 357؛ القوالب الدائمة والسباكة الاستثمارية توفر أفضل أداء ميكانيكي ومقاومة للإجهاد بسبب التبريد الأسرع وتقليل المسامية. مصبوبات الرمل اقتصادية للأجزاء الكبيرة لكنها تتطلب مراقبة عمليات أو معالجات ثانوية (مثل HIP) لإغلاق العيوب الداخلية. اختيار الشكل وسرعة التبريد يؤثران بشكل مباشر على استجابة المعالجة الحرارية والبنية الدقيقة النهائية.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	357	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية ASTM/AA لسبائك Al-Si-Mg المصبوبة المستخدمة عادةً في الصناعة
EN AW	AlSi7Mg0.6	أوروبا	السبائك الأوروبية الأقرب كيميائيًا وخواصًا؛ غالبًا ما تستخدم كمكافئ مباشر
JIS	AlSi7Mg	اليابان	تصنيف السباكة الياباني لمركبات Al-Si-Mg المماثلة
GB/T	AlSi7Mg	الصين	درجة معيار صيني لسبائك Al-Si-Mg المصبوبة، تطابق عادة مع كيمياء A357

بينما تكون الأهداف الكيميائية والميكانيكية متشابهة عبر المعايير، فإن الاختلافات الطفيفة في حدود الشوائب المسموح بها (Fe, Cu, Ti) ومتطلبات الاختبارات الميكانيكية يمكن أن تؤدي إلى تفاوتات في الأداء. قد تحدد درجات EN الأوروبية حدًا أدنى مختلفًا قليلاً للـ Mg أو Si لتلبية خصائص ميكانيكية محددة لعمليات السبك. يُنصح المشترون بطلب مواصفات محددة وشهادات تأهيل المعالجة الحرارية لضمان التبادل الآمن في التطبيقات الحرجة.

مقاومة التآكل

تتمتع 357 عمومًا بمقاومة جيدة لتآكل الغلاف الجوي بسبب محتواها المنخفض نسبيًا من النحاس وطبقة الأكسيد الواقية من الألمنيوم. في الأجواء الصناعية والريفية، أداؤها مشابه لسبائك Al-Si-Mg المصبوبة الأخرى، وتقاوم التآكل الموضعي (pitting) بشكل أفضل من سبائك الألمنيوم العالية بالنحاس.

في البيئات البحرية، تظهر 357 أداءً مرضيًا في التعرض للرذاذ والجو البحري، لكن الغمر الطويل في مياه البحر يسرع التآكل الكهروكيميائي والتآكل الموضعي، خاصة في المناطق التي تحتوي على ترسيبات أو تجاويف. نظافة التركيب المعدني، التحكم في المسامية، وتشطيب الأسطح تؤثر بشكل كبير على عمرها التشغيلي البحري؛ وتُستخدم الطلاءات الوقائية والتأكسد الكهربائي كممارسات شائعة للحد من التلف.

حساسية 357 لتشقق التآكل تحت الإجهاد (SCC) أقل منها في بعض سبائك الألمنيوم-نحاس عالية القوة، لكن يلزم الحذر للأجزاء ذات الإجهاد العالي والتعرض للبيئات المسببة للتآكل. عند اقترانها بمعادن أكثر نبلاً، قد تتعرض 357 لتآكل كهروكيميائي؛ ينصح بالعزل الكهربائي أو الأنودات القبلية في التجميعات مختلطة المعادن.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

لحام سبائك 357 المصبوبة ممكن باستخدام عمليات TIG وMIG مع سبائك الحشو Al-Si مثل ER4043 أو ER4047 منخفضة السيليكون لتقليل التشقق الساخن وتحسين انسيابية حمم اللحام. يمكن استخدام التسخين المسبق لتقليل التدرجات الحرارية وتقليل المسامية؛ ومع ذلك، قد تتعرض منطقة التأثير الحراري للترقيق الجزئي بسبب التقدم بالعمر الزائد أو فقدان الحالة المذابة. غالبًا ما يتطلب الأمر معالجة حرارية بعد اللحام لاستعادة الخصائص الميكانيكية في المناطق الحرجة.

قابلية التشغيل

قابلية تشغيل 357 متوسطة وأفضل من العديد من السبائك المصهورة عالية القوة بسبب محتوى السيليكون الذي يعزز تكسر الشرائح والثبات الأبعاد. يُوصى باستخدام أدوات كربيد بزاوية ساطعة وتغذية وسرعة متحكم فيها للحصول على أفضل النتائج؛ بينما تواجه تقنيات الفولاذ عالي السرعة صعوبة مع أطوار السيليكون الكاشطة. يجب ضبط سرعات التشغيل حسب سماكة الجزء وإمكانية وجود مسامية لتجنب الاهتزاز وتمزق السطح.

قابلية التشكيل

بصفتها سبيكة مصبوبة، فإن قابلية التشكيل البارد لدرجة 357 محدودة مقارنة بسبائك الألمنيوم المسحوبة؛ يمكن للأجزاء الرقيقة المصبوبة بدقة تحمل انحناءات وضغط محدود إذا توفرت في حالة O. للتشكيل المعقد، يفضل اللجوء إلى التشغيل أو الصب مع ميزات مدمجة بدلاً من التشكيل بعد الصب. عندما يكون التشكيل ضروريًا، يمكن استخدام التلدين (حالة O) أو المعالجة الجزئية للحل متبوعًا بالتشوه المحكم والتقدم بالعمر النهائي في عمليات عمل خاصة.

سلوك المعالجة الحرارية

عادة ما تتم معالجة الحل لدرجة 357 بالتسخين إلى حوالي 500–540 °C (اعتمادًا على سماكة المقطع والنوع الدقيق للسبائك) لإذابة Mg و Si في محلول صلب قبل التبريد السريع. يحافظ التبريد السريع من درجة التبريد على محلول صلب مشبع يعد بمثابة المرحلة الأولى للمعالجة بالشيخوخة الاصطناعية؛ يتحكم معدل التبريد وسماكة المقطع في مستويات الذائبة المحتفظ بها وسلوك الترسب اللاحق.

تتم عملية الشيخوخة الاصطناعية عادة عند درجات حرارة 155–190 °C لفترات تتراوح بين 4 إلى 12 ساعة بحسب الموازنة المطلوبة بين القوة والليونة؛ تهدف حالة T6 لتحقيق توازن بين الذروة القوة والمتانة المقبولة. يؤدي التقدم بالعمر الزائد أو التعرض لفترة طويلة لدرجات حرارة عالية إلى تكبير ترسبات Mg2Si وتقليل القوة؛ قد تستخدم حالة T7 عند الحاجة إلى ثبات حراري أو تقليل التشوه.

التقوية غير القابلة للمعالجة الحرارية محدودة للأشكال المصبوبة؛ ومع ذلك، يمكن أن يزيد العمل البارد المستهدف في السبائك المسحوبة أو المشكولة من القوة بشكل معتدل. يستخدم التلدين للحالة O لتخفيف الإجهادات وتحسين قابلية التشغيل قبل دورات التقدم بالعمر النهائية.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

عند درجات حرارة مرتفعة تزيد عن حوالي 150–200 °C، تبدأ 357 بفقدان جزء كبير من قوة الشيخوخة الاصطناعية بسبب تكبير وذوبان ترسبات Mg2Si؛ لا يُنصح بالحملات الهيكلية المستمرة فوق هذه الدرجة دون تأهيل خاص بالسبائك. أكسدة الألمنيوم تكون محدودة ذاتيًا عند درجات الخدمة النموذجية، لكن التعرض الطويل في درجات حرارة أعلى يسرع التدهور ويمكن أن يزيد خشونة السطح وتكوّن طبقات أكسيد أكثر سماكة.

في المكونات الملحومة، تكون منطقة التأثير الحراري معرضة بشكل خاص لانخفاض القوة والتغيرات البنية الدقيقة عند التعرض لدرجات حرارة مرتفعة؛ تساعد المعالجات الحرارية بعد اللحام لكنها لا تعيد الخصائص كاملة إذا تسببت درجات الخدمة في التقدم بالعمر الزائد. يُنصح بتوفير هوامش تصميم وفحص دوري للأجزاء التي تعمل قرب حدود درجة حرارة السبائك.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 357
السيارات	المسبوكات الهيكلية، قواعد التعليق	سهولة السبك، قوة T6، وزن خفيف
البحري	مسبوكات الدفة والدعائم، الأغطية	مقاومة التآكل مع قوة مقبولة
الطيران	أغطية صناديق التروس، التركيبات	نسبة القوة إلى الوزن العالية والثبات الأبعادي (T651)
الإلكترونيات	أغطية تبديد الحرارة	موصلية حرارية ووزن خفيف

تُستخدم 357 حيث يكون الجمع بين سهولة السبك، وقوة المعالجة الحرارية، ومقاومة التآكل ضروريًا. يعتمد استخدامها في المكونات الحاملة للأحمال على التحكم في العملية لتقليل المسامية وتعظيم استجابة الحل والشيخوخة لأداء ميكانيكي متسق.

ملاحظات الاختيار

اختَر 357 عندما تكون أشكال الصب والحاجة إلى قوة ذروة قابلة للمعالجة الحرارية أهم من الموصلية الأعلى وقابلية التشكيل المتفوقة لدرجات الألمنيوم النقي. مقارنة بالألمنيوم التجاري النقي (1100)، تقدم 357 قوة أعلى وثباتًا أبعاديًا أفضل مقابل موصلية كهربائية أقل وقابلية تشكيل أقل، مما يجعلها أفضل للصب الهيكلي لكنها أقل ملاءمة لتطبيقات الناقل الكهربائي.

مقارنة بالسبائك المخددة شائعة الاستخدام (3003 / 5052)، توفر 357 قوة أعلى بكثير بعد معالجة T6 لكنها أقل ليونة وأصعب في التشكيل البارد. مقاومة التآكل مماثلة أو أفضل قليلاً من سبائك الألمنيوم النحاسية، لكن 5052 قد تُفضّل للألواح البحرية الشديدة حيث التشكيل مطلوب.

مقارنة بالسبائك المسحوبة القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061/6063، تقدم 357 عادة أسهلية سبك وقدرة على أشكال معقدة مع قوة محترمة؛ تُفضل عندما تكون الاقتصاد في السبك والإنتاج بشبه الشكل النهائي أهم من القوة القصوى الأعلى والتنوع الأكبر في التصنيع لسبائك 6061/6063 المسحوبة.

الملخص الختامي

تظل درجة 357 ذات أهمية لأنها تجمع بين مزايا الصب لأنظمة Al-Si واستجابة تقسية الشيخوخة T6 القوية لتوفر خيارًا عالي القوة إلى الوزن للسبائك الهيكلية المصبوبة. عندما تقتصر السيطرة على العملية على المسامية وتُطبق المعالجات الحرارية الصحيحة، توفر 357 توازنًا فعالًا من حيث التكلفة بين القوة، مقاومة التآكل، وقابلية التصنيع لمكونات السيارات، الطيران، البحرية، والتطبيقات الصناعية ذات الأداء العالي.