الألمنيوم 380: التركيب الكيميائي، الخواص، دليل التخشين، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
السبائك 380 (المعروفة عادةً باسم A380 في عمليات الصب بالقالب) هي سبيكة ألمنيوم-سيليكون-نحاس مصبوبة تنتمي إلى عائلات سبائك الصب الألمنيوم-سيليكون التي تُشار إليها غالبًا ضمن مجموعة الصب "3xx". تم تطويرها للاستخدام في الصب بالضغط عالي الحجم وفي معامل المصاهر، مع تركيز تركيبي على السيليكون لتحسين السيولة والنحاس لتعزيز القوة في الحالة المصبوبة والاستقرار الحراري عند درجات الحرارة المرتفعة.
العناصر الرئيسية في السبيكة هي السيليكون (لتحسين السيولة وتقوية الإيوتكتك)، النحاس (لتشكيل رواسب وتعزيز القوة عند درجات الحرارة المرتفعة)، ومستويات مُضبطة من الحديد، الزنك، المنغنيز، والتيتانيوم بنسب ضئيلة لتحسين تكرار الحبيبات. آليات التقوية مختلطة: البنية الدقيقة المصبوبة ذاتيًا والمعادن البينية المحتوية على النحاس توفر القوة الأساسية، ويمكن لتحقيق قوة إضافية من خلال المعالجة الحرارية المحدودة (تميؤ صناعي T5/T6) عبر تقوية الترسيب.
الخصائص المميزة لسبيكة 380 تشمل قدرة ملء القالب الممتازة، الاستقرار البعدي الجيد، تشطيب سطح جذاب وقابلية تشغيل جيدة مقارنة بالعديد من سبائك الصب، مقاومة معتدلة للتآكل وخصائص ميكانيكية مناسبة لمكونات الصب بالضغط. قابليتها للحام محدودة مقارنة بسبائك الألمنيوم المشغولة وغير مخصصة للتشكيل الواسع بعد الصب. الصناعات النموذجية تشمل السيارات، أغلفة الإلكترونيات الاستهلاكية، المغلفات الكهربائية، والحلات الميكانيكية والتركيبات حيث تكون دقة الشكل النهائي والإنتاج بكميات كبيرة ذات أولوية.
يختار المهندسون سبيكة 380 عندما تكون هناك حاجة لتوافق بين إنتاجية الصب السريع، القوة الجيدة في الحالة المصبوبة، والتكلفة الاقتصادية مقارنة بالسبائك البديلة. يتم اختيار السبيكة بدلًا من السبائك المشغولة الأعلى أداءً عند تعقيد التصميم والأولية في تقليل التشغيل الثانوي، وتُفضل على سبائك الصب الأقل سباكة عندما يكون مطلوبًا قوة عالية في الحالة المصبوبة واستقرار حراري دون تعقيدات كبيرة في عملية التصنيع.
أنواع المعالجات الحرارية
| المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | متوسطة (تعتمد على مقطع القطعة) | ضعيفة | ضعيفة إلى متوسطة | الحالة بعد الصب، يمكن تطبيق تمليس لإزالة الإجهاد؛ أعلى لدونة في حالة الصب |
| T5 | متوسطة إلى عالية | منخفضة إلى متوسطة | محدودة | ضعيفة إلى متوسطة | شيخوخة صناعية بعد التبريد السريع من الصب؛ شائعة في قطع الصب بالضغط |
| T6 | عالية | منخفضة | محدودة | ضعيفة | معالجة محلول + شيخوخة صناعية لزيادة القوة مع ضرورة التحكم الدقيق في المسامية |
| T651 (نادرة) | عالية | منخفضة | محدودة | ضعيفة | مزيل للإجهاد ومشيخ صناعي؛ يستخدم عند الحاجة لاستقرار أبعاد بعد التشغيل |
| H14 (معالجة تعطيل؛ غير شائعة) | متوسطة | منخفضة | محدودة | ضعيفة | عادة لا تطبق على السبائك المصبوبة؛ مذكورة للأغراض المقارنة فقط |
عادةً ما تحدد عملية الصب وهندسة القطعة المعالجات المفضلة لسبيكة 380 بدلًا من الطرق التقليدية لمعالجات السبائك المشغولة. T5 هي المعالجة الصناعية الأكثر استخدامًا لأنها تعزز القوة من خلال الشيخوخة الصناعية دون مخاطر تقلبات وتشوهات المعالجة الكاملة.
يمكن تطبيق المعالجة الكاملة للمحلول والشيخوخة T6 لتحسين الخصائص الميكانيكية، لكنها تتطلب تحكمًا دقيقًا في المسامية، محتوى الهيدروجين وتشوه القطعة. لذلك تفضل العديد من معامل الصب بالضغط استخدام T5 أو الحالة الصب لتوازن الأداء والتكلفة والاستقرار البُعدي.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 7.5 – 10.5 | العنصر الرئيسي في السبيكة؛ يحسن السيولة، يقلل الانكماش، ويشكل شبكة إيوتكتك من السيليكون |
| Fe | 0.6 – 1.3 | عنصر شوائب يشكل معادن بينية غنية بالحديد تقلل الدكتيلية إذا كانت مرتفعة |
| Mn | 0.0 – 0.5 | يسيطر على شكل المعادن البينية؛ كميات صغيرة تحسن القوة وقابلية الصب |
| Mg | 0.05 – 0.35 | بنسب منخفضة؛ دور محدود في تقوية الترسيب للسبيكة 380 |
| Cu | 2.5 – 4.5 | عنصر تقوية رئيسي؛ يشجع تكوين أطوار ترسيبية وقوة مرتفعة عند درجات حرارة عالية |
| Zn | 0.5 – 1.2 | مساهمة تقوية ثانوية؛ يؤثر على مقاومة التآكل إذا ارتفع محتواه |
| Cr | 0.05 – 0.25 | يساعد في التحكم في الحبيبات والمعادن البينية؛ يحد من التشقق في بعض الظروف |
| Ti | 0.01 – 0.25 | مكرر حبيبات لتحسين ملء القالب وبنية دقيقة |
| عناصر أخرى (Ni, Pb, Sn, B) | آثار ضئيلة – الحد الأقصى المحدد | متحكم بها غالبًا عند مستويات منخفضة؛ الرصاص والقصدير أحيانًا للتحكم في قابلية التشغيل؛ الباقي ألومنيوم |
أداء سبيكة 380 يتحدد بشدة من توازن السيليكون والنحاس ومن العناصر الدقيقة التي تؤثر على كيمياء وشكل المعادن البينية. يعزز السيليكون تكون إيوتكتك دقيقة تساعد في القابلية للصب والسيطرة البُعدية، بينما يقدم النحاس تقوية الترسيب التي تزيد الصلادة وخواص الشد. محتوى الحديد والمنغنيز المسيطر ضروري لتجنب تكون معادن بينية خشنة هشة تقلل الدكتيلية وعمر التعب.
الخصائص الميكانيكية
تُظهر سبيكة 380 سلوك شد وقوة خضوع في الحالة المصبوبة يعتمد بشكل قوي على سمك المقطع بسبب البنية الدقيقة للتصلب، المسامية، وتوزيع السيليكون الإيوتكتكي والمعادن البينية الغنية بالنحاس. القوة النموذجية في الحالة المصبوبة مناسبة للعديد من المكونات الهيكلية، لكن الاستطالة تبقى متواضعة وتتأثر بالمسامية وعيوب الصب. أداء التعب محدود بجودة السطح، عيوب الصب ووجود المعادن البينية الهشة؛ عادة ما تُستخدم تقنيات مثل التفجير السطحي والتشغيل السطحي وتصميم لتقليل تركيز الإجهادات كإجراءات وقائية.
تحت الشيخوخة الصناعية (T5) وخاصة عند المعالجة بالحل المعالج والتحكم بالشيخوخة (T6)، يمكن للأطوار الحاملة للنحاس تطوير تقوية ترسيبية تزيد من قوة الخضوع والشد، مع الحد من الدكتيلية. تتبع الصلادة نفس الاتجاه وتستخدم غالبًا كمعيار سريع للتحكم في جودة المعالجة. للسماكة ومعدل التبريد تأثير أساسي: المقاطع الرقيقة تبرد أسرع، مما ينتج بنى دقيقة وقوة مصبوبة أعلى لكن مع إجهادات متبقية أكبر.
| الخاصية | O/المهذبة | المعالجة الرئيسية (مثلاً T5/T6) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (UTS) | 180 – 260 MPa | 240 – 360 MPa | نطاق واسع حسب المقطع والمسامية والمعالجة الحرارية؛ عادة T5 حوالي 250–320 MPa |
| قوة الخضوع (ارتداد 0.2%) | 90 – 170 MPa | 160 – 260 MPa | قوة الخضوع تزداد بشكل ملحوظ بعد الشيخوخة؛ يجب الاعتماد على قيم محافظة للتصميم في القطع ذات الجدران الرقيقة |
| الاستطالة (A5) | 1 – 8% | 1 – 5% | الاستطالة منخفضة مقارنة بالسبائك المشغولة وتعتمد بشدة على المسامية وسمك المقطع |
| الصلادة (HB) | 60 – 90 HB | 85 – 120 HB | صلادة برينلLD تستخدم كإجراء تحكم في العملية؛ الصلادة مرتبطة بقوة الشد في المعالجات المعتادة |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.75 – 2.82 g/cm³ | أعلى قليلاً من الألمنيوم النقي بسبب محتوى السيليكون والنحاس |
| نطاق الانصهار | ~500 – 640 °C | يتغير حسب السبيكة؛ بداية التدفق منخفضة بفضل السيليكون |
| التوصيل الحراري | 110 – 140 W/(m·K) | أقل من الألمنيوم الخالص؛ يعتمد على السبائك والبنية الدقيقة |
| التوصيل الكهربائي | ~20 – 35 %IACS | النحاس والسيليكون يقللان من التوصيل مقارنةً بالألمنيوم النقي |
| السعة الحرارية النوعية | ~880 – 900 J/(kg·K) | قريبة من سبائك الصب الألمنيوم-سيليكون الأخرى |
| التمدد الحراري | 21 – 24 µm/(m·K) | تمدد حراري متوسط نموذجي لسبائك الألمنيوم-سيليكون؛ يُراعى التمدد التفريقي عند التصميم مع مواد أخرى |
تعزز الخصائص الفيزيائية الاستخدام النموذجي للصب بالضغط: الكثافة مناسبة للمكونات ذات حساسية الوزن، والتوصيل الحراري كافٍ للعديد من الحلات والاستخدامات الحرارية لكنه أقل من الألمنيوم النقي. سلوك الانصهار والتصلب المسيطر عليه بواسطة السيليكون هو مفتاح لملء القوالب الممتاز والانكماش المنخفض، بينما التوصيل الكهربائي يعتبر عامل ثانوي وغالبًا ما يُضحي به لتحقيق أفضل الخصائص الميكانيكية والصب.
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | الأوضاع الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| الصب بالقوالب المسبوكة (المكونات) | سمك الجدار من 1 إلى 10 mm | مقاومة كما في الحالة المصبوبة؛ الأقسام الرقيقة أكثر صلابة بسبب التبريد السريع | O، T5، T6 (نادرة) | الشكل الأساسي للمنتج؛ أفضل تشطيب سطحي وتحكم بالأبعاد |
| الصب بالقوالب الدائمة | 5–40 mm | معدلات تبريد أقل، وتركيب دقيق إجمالي أكبر | O، T5 | يستخدم للأجزاء الأكبر التي لا يكون فيها الصب بالقوالب المسبوكة اقتصاديًا |
| الصب الرملي / بالجاذبية | 5–100+ mm | تركيب دقيق إجمالي أكبر، مقاومة أقل | O | أقل شيوعاً لـ 380؛ يستخدم عندما يفرض الشكل الهندسي أو حجم الإنتاج ذلك |
| قضبان / مواد للتشكيل | محدودة؛ تخصصية | غير نمطي | — | نادراً ما يستخدم 380 كمنتج مصبوب باطل؛ يمكن استخدام القضبان للأعمال التجريبية |
| البثق / الألواح / الصفائح | غير قياسي | غير مطبق | — | عموماً لا يُنتج 380 كألواح أو صفائح أو مواد بثق قياسية؛ ينصح باستخدام سبائك مطروقة بدلًا من ذلك |
السبك بالقوالب المسبوكة هو المسار السائد لمعالجة 380، وهذا يحدد أشكال المنتجات المتاحة وقواعد التصميم التي يستخدمها المهندسون. سماكة الجدار، موقع البوابة، معدل التبريد وتصميم القالب هي العوامل الأساسية للتحكم في الخصائص، ويتم تحسين السبيكة وفقًا لواقائع إنتاج الصب عالي الضغط. عندما يتطلب المصممون صفائح، ألواح أو أشكال بثق، فإنهم عادةً يتحولون إلى سبائك مطروقة لأن 380 غير شائع في هذه الأشكال.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 380 / A380 | الولايات المتحدة / دولي | التسمية الشائعة للسبك بالقوالب المسبوكة في أمريكا الشمالية وعدة معايير للمسبوكات |
| EN AW | AlSi9Cu3(Fe) | أوروبا | درجة معادلة في معايير السبك الأوروبية؛ التسمية تركز على محتوى السيليكون والنحاس الاسمي |
| JIS | ADC12 | اليابان | سبيكة صب بالقوالب المسبوكة مستخدمة على نطاق واسع في اليابان، مشابهة لـ A380 من حيث التركيب والتطبيق |
| GB/T | AlSi9Cu3 / ZL104 | الصين | تدرجات صب صينية مماثلة غالبًا ما تستخدم كبدائل لـ A380 |
المعادلة تقريبية لأن ممارسات المسبكات تسمح بتفاوت في محتوى Fe، Mn والإضافات النادرة التي تؤثر جوهريًا على قابلية الصب والاستجابة الميكانيكية. تختلف المواصفات بشأن مستويات الشوائب المقبولة، واستجابة المعالجة الحرارية والاختبارات المطلوبة، لذا على المهندسين مراجعة التركيب الدقيق وجداول الخواص الميكانيكية قبل قبول درجة بديلة في التطبيقات الحرجة.
مقاومة التآكل
تظهر سبيكة 380 مقاومة معتدلة للتآكل الجوي العام، وهي صفة مميزة لسبائك Al-Si، حيث توفر طبقة أكسيد الألمنيوم السطحية الحماية. يميل النحاس في السبيكة إلى تقليل مقاومة التآكل النخري وقد يعزز التآكل الموضعي في البيئات الغنية بالكلوريدات، مما يستلزم استخدام الطلاءات، أو بدائل الأكسدة الكهربائية، أو اعتبارات تصميمية في البيئات البحرية أو العدوانية. تُطبق الطلاءات الواقية، المانعات وخطط الحماية الكاثودية على الأجزاء الحرجة المستخدمة في البيئات الساحلية أو ذات الرطوبة العالية.
تكسير الإجهاد التآكلي أقل شيوعًا في سبائك الصب Al-Si مقارنة بسبائك الألمنيوم-نحاس المطروقة عالية القوة أو سبائك سلسلة 7xxx عالية القوة، لكن القابلية له قد تزداد مع ارتفاع محتوى النحاس، الشد المتبقي، وبعض ظروف الخدمة. التفاعلات الكهروكيميائية مهمة في تصميم التجميعات: عند اقتران 380 بالفولاذ أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك النحاس، يجب على المصممين مراعاة اختلافات السلسلة الكهروكيميائية وغالبًا ما يعزلون الألمنيوم أو يستخدمون أنودات تضحية، خصوصًا إذا تعرض الطلاء للتلف. مقارنةً مع سبائك Al-Mg الغنية بالماجنيسيوم مثل 5052، يملك 380 قابلية أكبر للتآكل الموضعي بسبب احتوائه على النحاس؛ ومع ذلك فهو متفوق في قابلية الصب ومفضل غالبًا للأشكال المعقدة التي يمكن تطبيق الطلاءات عليها بشكل موثوق.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
اللحام في 380 يمثل تحديًا بسبب المسامية في الصب بالقوالب المسبوكة، والغازات المحبوسة، ووجود بينات غنية بالسيليكون والنحاس التي تعزز التشقق الساخن وضعف سلامة اللحام. اللحام بالانصهار (MIG/TIG) ممكن على أجزاء معدة ومقطعة بشكل صحيح باستخدام سبائك حشو Al-Si مثل ER4043 لتحسين السيلانة وتقليل الميل للتشقق الساخن؛ يمكن استخدام ER5356 للمقاومة الأعلى مع زيادة خطر التشقق. التسخين المسبق، التنظيف الدقيق من الفلُكس وإعادة تشغيل السطح حتى المعدن السليم مطلوبة عادة؛ الروابط الملحومة لا تساوي عادة مقاومة وقوة تحمل التعب للمادة الأصلية.
قابلية التشغيل
تُعرف 380 بسهولة التشغيل نسبيًا مقارنة بعديد سبائك الصب بسبب وجود جزيئات السيليكون التي تنتج رقائق قصيرة ومكسورة وتثبّت القطع. يُنصح باستخدام أدوات كربيد ذات زوايا قطع إيجابية وتوفير تبريد مناسب، مع سرعات قطع متوسطة إلى عالية نموذجية لأعمال نصف التشطيب والتشطيب. يتحسن عمر الأدوات عن طريق تقليل الاهتزاز، التحكم في عمق القطع واستخدام طلاءات مناسبة لتشغيل الألمنيوم؛ قد تعطي الأنواع المحتوية على الرصاص أو القصدير أداء تشغيل أفضل لكنها أقل شيوعًا بسبب القيود البيئية.
قابلية التشكيل
تشكيل 380 بالانحناء البارد، السحب العميق أو الختم محدود جدًا بسبب قلة اللدونة في المسبوكات ووجود بينات هشة. التصميم القريب من الشكل النهائي هو الاستراتيجية السائدة: تصميم القالب وفتحات الصب لإنتاج الهندسة النهائية وتقليل التشكيل بعد الصب. التشكيل المحلي، التشذيب والانحناء الخفيف للأقسام الرقيقة ممكن لكنها تتطلب اختيار حالة الحرارة (استخدام O/T5) وتحكم دقيق في الاستعادة والحد من التشقق. عند الحاجة لتشكيل كبير، يتحول المهندسون عادةً إلى سبائك مطروقة مصممة خصيصًا لقابلية التشكيل.
سلوك المعالجة الحرارية
كدسبائح تحتوي على النحاس من سلسلة Al-Si المصبوبة، يُظهر 380 استجابة محدودة لكنها مفيدة للمعالجة الحرارية. يمكن العلاج بالإنحلال في نطاق 510–540 °C لإذابة الطور القابل للذوبان يتبعها التبريد السريع؛ ومع ذلك فإن الفعالية محدودة بسبب مسامية الصب، الغازات المحبوسة وثبات البينات التي لا تذوب بالكامل. فترات الحل الطويلة قد تسبب تشوهات أو تزيد مشكلات المسامية، لذا نوافذ المعالجة أقل اتساعًا مقارنة بالسبائك المطلية.
الشيخوخة الصناعية (T5) عند 150–220 °C هي الطريقة الصناعية الأكثر عملية لزيادة القوة لسبيكة 380 المصبوبة بالقوالب المسبوكة لأنها لا تتطلب علاج الإنحلال الكامل. T5 تولد ترسيبًا معتدلاً لطور غني بالنحاس، مما يحسن مقاومة الخضوع والصلادة دون التغيرات الهندسية المرتبطة بعلاج الإنحلال الكامل. T6 (علاج إنحلال + شيخوخة صناعية) يمكن أن يوفر قوة قصوى أعلى لكنه يتطلب تحكمًا دقيقًا وهو أقل شيوعًا بسبب التكلفة، التشوه ومخاطر مسامية الهيدروجين.