ألمنيوم 5059: التركيب، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

يُعتبر 5059 من سلسلة سبائك الألومنيوم 5xxx، مما يضعه ضمن عائلة Al–Mg. يُخلط أساسًا مع المغنيسيوم وكميات صغيرة من المنغنيز والكروم لزيادة القوة وتحسين مقاومة التآكل مقارنةً بسبائك 5xxx ذات محتوى المغنيسيوم الأقل.

الآلية الرئيسية للتقوية في 5059 هي تقوية محلول صلب معززة بالسباكة الدقيقة والمعالجة الحرارية الميكانيكية المحكمة؛ وهو ليس سبيكة تقليدية تُعالج حراريًا. يتم تطوير القوة عن طريق العمل البارد والتحكم في كيمياء الرواسب والتشتت خلال المعالجة، مما يوفر مزيجًا جيدًا من قوة عالية وصلابة محتفظ بها.

الخصائص الرئيسية لـ 5059 تشمل مقاومة شد وخضوع عالية لسبائك الألومنيوم غير القابلة للمعالجة الحرارية، مقاومة ممتازة للتآكل البحري، قابلية جيدة للحام مع المعادن الحشو المناسبة، وقابلية تشكيل معقولة في درجات التليين. الصناعات النموذجية التي تستفيد من 5059 هي البحرية وبناء السفن، الهياكل البحرية، النقل (السكك الحديدية والسيارات الخاصة)، وتركيبات الهياكل الجوية حيث تكون مقاومة التآكل وتوفير الوزن من العوامل الحرجة.

يختار المهندسون 5059 عندما يحتاجون إلى سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية تقترب من قوة سبائك المعالجة الحرارية ذات الدرجة الدنيا مع الحفاظ على مقاومة فائقة لمياه البحر والتصدع الناتج عن التآكل بالإجهاد. غالبًا ما تُفضل هذه السبيكة على أقرانها من سلسلة 5000 للقوة الأعلى، وعلى سبيكة السلسلتين 6xxx و7xxx عندما تكون مقاومة التآكل وقابلية الحام في الأولوية.

أنماط التليين

التليين	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع	ممتاز	ممتاز	مليّن بالكامل، أفضل خصائص اللدونة والتشكيل
H111	منخفض إلى متوسط	مرتفع	جيد جدًا	جيد جدًا	تقوية طفيفة نتيجة انفعال واحد، جيدة للتشكيل المتوسط
H116	متوسط إلى عالي	معتدل	جيد	جيد	تليين مقوى ومستقر يستخدم على نطاق واسع في البيئات البحرية
H321	متوسط إلى عالي	معتدل	جيد	جيد	مقوى ومثبت حراريًا بمعالجة حرارية طفيفة
H34 / H36	عالي	منخفض إلى معتدل	محدود	جيد	تقوية أكثر شدة لزيادة القوة القصوى في الحالة غير القابلة للمعالجة الحرارية
T (تطبيق محدود)	متغير	متغير	متغير	متغير	بعض درجات T التجارية قد توجد بعد معالجة محدودة من التبريد + التعتيق؛ وليست طريقة التقوية الرئيسية

يُعتبر التليين عاملًا حاسمًا في تحقيق التوازن بين القوة واللدونة وقابلية التصنيع لـ 5059. المادة الملينة (O) تسمح بالسحب العميق، الختم المعقد، والثني، في حين تقدم درجات H1x/H11x زيادة تدريجية في القوة مع فقدان معتدل في الاستطالة، مناسبة للأجزاء المشكلة لكن غير المثنية بشكل كبير.

درجات التليين ذات العمل البارد الأعلى (H3x/H34/H36) تزيد من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد للأعضاء الهيكلية لكنها تقلل بشكل كبير من قابلية الثني والتشكيل بالشد؛ الحام عادة ما يعيد منطقة تأثير الحرارة (HAZ) إلى حالة أكثر رخاوة ويجب أخذ ذلك بالحسبان عند تصميم الوصلات.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	≤ 0.40	تحكم منخفض في السليكون للحد من الفازات الهشة والحفاظ على الصلابة
Fe	≤ 0.50	مستوى شائع من الشوائب؛ زيادة الحديد يؤدي لتشكيل أطوار هشة تقلل اللدونة
Mn	0.2–1.0	يحسن القوة وبنية الحبوب؛ يساعد في التحكم في إعادة التبلور
Mg	4.5–6.0	العنصر الرئيسي في التقوية، يحسن مقاومة التآكل في الأجواء البحرية
Cu	≤ 0.10	يُحتفظ به منخفضًا لتجنب تقليل مقاومة التآكل والتعرض لتصدع التآكل بالإجهاد
Zn	≤ 0.25	زنك منخفض لتجنب التشقق الحراري والحفاظ على أداء التآكل
Cr	0.20–0.50	عناصر سبائكية دقيقة تصقل بنية الحبوب وتثبت الخصائص الميكانيكية
Ti	≤ 0.10	مكرر للحبوب يضاف بكميات صغيرة أثناء المسبوكات أو البثق
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05	عناصر ثانوية وبقايا؛ وعادةً ما يكون مجموعها محدودًا

تم تعديل كيمياء السبيكة لتعظيم تقوية المحلول الصلب المعتمدة على المغنيسيوم مع الحفاظ على النحاس والزنك منخفضين للحفاظ على مقاومة التآكل. يُضاف الكروم والمنغنيز عمدًا لتحسين بنية الحبوب، منع إعادة التبلور أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية، وتثبيت القوة بعد اللحام أو التعرض الحراري.

الخصائص الميكانيكية

أثناء الخدمة، يظهر 5059 ملفًا قويًا لمقاومة الشد والخضوع يعتمد بشكل كبير على التليين والسماكة. المادة الملينة تعطي قوة معتدلة (مقاربة لكثير من سبائك 5xxx) مع استطالة عالية، في حين أن درجات التليين المقوى والمثبت تعطي مستويات عالية من مقاومة الخضوع تقترب من سبائك المعالجة الحرارية ذات الدرجة الدنيا. أداء التعب جيد عمومًا بالنسبة لسبائك درجة بحرية شريطة التحكم بحالة السطح وتفاصيل اللحام لتقليل نقاط التوتر.

مقاومة الخضوع في درجات القوة العالية مرتفعة مع احتفاظ متوسط باللدونة؛ يجب على المهندسين مراعاة تقليل نصف قطر الانحناء وقابلية التشكيل بدرجة حرارة الغرفة عند اختيار درجات H3x. الصلادة تتناسب مع العمل البارد؛ الدرجات العالية القوة تظهر صلادة مرتفعة بشكل ملحوظ وتقليل في الاستطالة، وتتأثر السماكة حيث تميل الأجزاء السميكة إلى تقليل التقوية الفعالة بعد المعالجة.

المقاومة لتآكل التعب الدوري وتصدع التآكل بالإجهاد أعلى من كثير من سبائك النحاس، مما يجعل 5059 جذابًا في الهياكل البحرية الملحومة. تؤثر السماكة والتليين بشكل ملحوظ في تحمل التعب؛ حيث توفر الأعضاء السميكة توزيعًا أفضل للأحمال لكنها قد تكون أكثر تحديًا للمعالجة الكاملة للعمل البارد في الإنتاج.

الخاصية	O/مليّن	درجة تليين رئيسية (H116 / H36)	ملاحظات
قوة الشد	~220–300 MPa	~400–480 MPa	نطاق واسع حسب مقدار العمل البارد والتثبيت
مقاومة الخضوع	~100–170 MPa	~350–420 MPa	درجات القوة العالية توفر مقاومة خضوع استثنائية للسبائح غير المعالجة حراريًا
الاستطالة	~18–26%	~6–12%	المليّن عالي اللدونة؛ درجات التقوية تتنازل عن اللدونة مقابل القوة
الصلادة (HB)	~55–75 HB	~120–150 HB	تزداد الصلادة مع مقدار العمل البارد ومعالجة التثبيت

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.66 g/cm³	قيمة معتادة لسبائك Al–Mg؛ أقل من الصلب مما يوفر وفورات وزنية
نطاق الانصهار	صلب ~555–620 °C; سائل حتى ~650–660 °C	إضافة السبيكة تخفض نقطة الصلادة أدنى من سبيكة الألومنيوم النقي؛ مفيد في اعتبارات الصب
الناقلية الحرارية	~130–160 W/(m·K)	أقل من الألومنيوم النقي لكنها لا تزال مفضلة لإدارة الحرارة مقارنة بالصلب
الناقلية الكهربائية	~28–40 %IACS	مخفضة مقارنةً بالألومنيوم النقي بسبب المغنيسيوم والسبيكة؛ مناسبة للعديد من التطبيقات التوصيلية
السعة الحرارية النوعية	~900 J/(kg·K)	مماثلة لسبائك الألومنيوم الأخرى، فعالة في تصميم الكتلة الحرارية
مُعامل التمدد الحراري	~23–24 ×10^-6 /K (20–100 °C)	معامل تمدد نموذجي للألومنيوم؛ يجب اعتباره عند تجميع المعادن المختلفة

حزمة الخصائص الفيزيائية تجعل 5059 خيارًا جذابًا حيثما يلزم معدن منخفض الكثافة، ناقل حراريًا، مع قوة عالية ومقاومة للتآكل. تبقى الناقلية الحرارية والكهربائية أقل من الألومنيوم النقي لكنها أعلى بكثير من الصلب، مما يسمح بتصاميم أخف في تطبيقات التبديد الحراري وتوزيع الطاقة.

خصائص الانصهار والصلادة مهمة للحام والربط باللحام الانصهاري؛ تتأثر سلوكيات التصلب والتشقق الحراري للعناصر الثانوية ويجب التحكم بها من خلال تصميم الوصلات واختيار المعادن الحشو.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	العلاجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.5–6.0 mm	موحد في السماكات الرقيقة؛ قابل للمعالجة بالتبريد	O, H111, H116	يستخدم على نطاق واسع للألواح، وتبطين الهياكل، والمكونات المشكّلة
لوح	6–80+ mm	تقل كفاءة التقسية بالتشغيل بشكل طفيف في السماكات الثقيلة	H116, H36	ألواح هيكلية للاستخدامات البحرية والنقل حيث يلزم مقاومة خضوع عالية
بروفيلات بثق	بروفيلات حتى مقاطع عرضية كبيرة	تعتمد القوة على معدل البثق والشد اللاحق	O, H111, H116	بروفيلات معقدة للأطر الهيكلية والتجهيزات
أنابيب	أقطار مختلفة، وسماكة جدران متغيرة	قوة مماثلة للألواح عند السحب البارد	O, H116	تستخدم للأنابيب الهيكلية في البيئات المسببة للتآكل
قضبان/أعمدة	أقطار حتى 300 mm	مقاومة شد وخضوع جيدة حسب العلاج الحراري	O, H116, H36	قطع مشغولة ومكونات مزورة

مسار التصنيع يؤثر على التوازن النهائي للخواص: الألواح والصفائح الممروضة عادة ما تُثبت للحفاظ على القوة بعد اللحام، بينما قد تُحلل البروفيلات المبثوقة حرارياً وتُشَد للتحكم في الإجهادات المتبقية. قد يكون من الصعب معالجة الألواح والمنتجات الثقيلة بالتبريد بشكل متجانس، مما يتطلب عمليات مخصصة لتحقيق القوى المستهدفة.

تعكس التطبيقات النموذجية لكل شكل التوازن بين سهولة التصنيع والأداء النهائي: الألواح تستخدم للألواح المشكّلة وتبطين الهياكل، والصفائح للأعضاء الهيكلية الملحومة، والبروفيلات للمكونات الدقيقة والقضبان، والقضبان/الأعمدة للأجزاء المشغولة التي تستفيد من قوة السبائك ومقاومتها للتآكل.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5059	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية الجمعية الأمريكية للألمنيوم/AA
EN AW	5059	أوروبا	EN AW-5059 التسمية الأوروبية الشائعة، كيمياء وعلاجات حرارية متشابهة
JIS	A95059 (تقريباً)	اليابان	تسميات محلية تماثل UNS/AA مع اختلافات بسيطة في حدود الشوائب
GB/T	Al–Mg5.5–Cr (تقريباً)	الصين	المعايير الصينية تستخدم أسماء تكوين اسمي بدلاً من أرقام AA

المعايير عبر المناطق متوافقة إلى حد كبير لسبائك 5xxx، لكن هناك فروقات طفيفة في الحدود القصوى للشوائب، ونطاقات الماغنيسيوم الدقيقة، وشروط الاختبار الميكانيكي المحددة. هذه الفروقات قد تؤدي إلى اختلافات بسيطة في قيم مقاومة الشد/الخضوع المضمونة وأداء مقاومة التآكل للمواد الموردة.

عند التوريد دولياً، تحقق من شهادات المصنع ومواصفات الشراء للحدود التركيبية الدقيقة، وتعريفات العلاجات الحرارية، ومتطلبات اختبار الخواص الميكانيكية لضمان التوافق للتطبيقات الهيكلية الحرجة.

مقاومة التآكل

تتمتع سبيكة 5059 بمقاومة ممتازة للتآكل الجوي، وهي قوية بشكل خاص في البيئات البحرية وذات المحتوى العالي من الكلوريد. يعزز المحتوى العالي من الماغنيسيوم تكوين طبقة أكسيد واقية ويساعد على الحفاظ على السلوك السالب؛ كما يحافظ الكروم المضاف والنحاس المحكوم عليه على انخفاض قابلية التآكل النقطي والتصدع نتيجة التآكل الناشئ عن الإجهاد (SCC).

في اختبارات السلوك البحري، تتفوق 5059 عادة على العديد من سبائك سلسلتي 6xxx و7xxx التي تحتوي على نسب أعلى من النحاس أو الزنك؛ كما تظهر مقاومة محسنة مقارنة ببعض سبائك 5xxx منخفضة الماغنيسيوم في ظروف الرش الملحي والغطس طويلة الأمد. التوافق الجلفاني إيجابي عند الاقتران بالفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم أو سبائك الألمنيوم المتوافقة، لكن يجب على المصممين اتخاذ تدابير عزل عند الاقتران بمعادن أكثر نبلاً مثل النحاس أو النحاس الأصفر.

مقاومة التصدع الناتج عن التآكل تحت الإجهاد (SCC) ميزة مهمة لسبيكة 5059 مقارنة بالسبائك عالية القوة المحتوية على النحاس؛ ومع ذلك، فإن العلاجات بالتبريد العالية الإجهاد والشدود التآكلية قد تحفز SCC في بيئات شديدة. يجب تصميم التركيبات الملحومة لتجنب الإجهادات الشدية في منطقة تأثير الحرارة (HAZ) واستخدام المعادن الحشو المتوافقة ومعالجات ما بعد اللحام عند الاقتضاء.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يمكن لحام 5059 بسهولة باستخدام عمليات اللحام بالانصهار الشائعة مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW) مع أداء وصلات جيد عند استخدام المعادن الحشو المناسبة. المعادن الحشو الموصى بها للعديد من تطبيقات 5xxx تشمل AlMg4.5Mn (5183) أو AlMg5 (5356 حسب التطبيق)، مختارة للتحكم في القابلية للتشكيل ومقاومة التآكل في معدن اللحام. خطر التشقق الحراري أقل من العديد من سبائك 6xxx و7xxx، لكن يحدث تليين في منطقة تأثير الحرارة ويجب أن يأخذ تصميم المفصل في الاعتبار انخفاض القوة المحلية بعد اللحام.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل متوسطة إلى مقبولة؛ لا تعتبر السبيكة من الأسهل تشغيلًا بسبب ميلها لإنتاج رقائق مستمرة وأحياناً لزجة عند سرعة قطع منخفضة. أدوات الكربيد ذات زاوية القطع الموجبة وكاسرات الرقائق القوية، بالإضافة إلى سرعات تغذية عالية وتبريد/تزييت جيد، تحسن الإنتاجية. جودة التشطيب وعمر الأدوات حساسان للعلاج الحراري وحجم المقطع، لذا يجب تخصيص معايير التشغيل حسب العلاج الحراري المحدد.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في حالة O وتتناقص مع تقسية العلاج الحراري بالتبريد. يجب اتباع إرشادات نصف قطر الانحناء المحافظة في الحالات المعالجة صلباً؛ والتعويم قبل التشكيل هو إجراء شائع للأشكال المعقدة. أفضل نتائج التشكيل تكون من الحالات O أو المعالجة الخفيفة وباستخدام تقنيات الانحناء والتحكم في التمدد بدلاً من الختم القوي في الحالات عالية القوة.

سلوك المعالجة الحرارية

5059 هي سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية جوهرياً؛ لا تتطور صلادة ذروية عبر المعالجة بالتحليل الحراري والشيخوخة المريبة كما في سبائك سلسة 6xxx. المحاولات التقليدية لدورات التحليل والشيخوخة لن تنتج نفس آليات التقوية لأن Mg يبقى في محلول صلب ولا تهيمن تقسية الترسيب.

يتم تعديل القوة من خلال المعالجة الحرارية الميكانيكية والتقسية بالتشغيل، تليها معالجات تثبيت (مثل تثبيت حراري خفيف أو شد محكم) لقفل الهياكل الثانوية المرغوبة. التزويج (O) يعيد السبيكة إلى حالة طرية بالكامل مما يتيح عمليات التشكيل، بينما يزيد التشغيل البارد المتحكم به من القوة على حساب اللدونة.

لهياكل ملحومة، يمكن أن تخفض التغيرات الموضعية في العلاج الحراري بمنطقة تأثير الحرارة القوة؛ المعالجة الحرارية بعد اللحام عادة ليست طريقة لاستعادة الخصائص الأصلية ويجب على المصممين التخطيط لهوامش تصميم ميكانيكية أو إعادة معالجة ميكانيكية موضعية عند الضرورة.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تحافظ 5059 على قوة مفيدة حتى درجات حرارة معتدلة لكنها تفقد القوة تدريجياً فوق حوالي 100 °C أثناء الخدمة المستمرة. يتحمل التعرض القصير عند درجات حرارة مرتفعة (حتى ~150 °C)، لكن التعرض طويل الأمد يسرع التليين وقد يقلل من مقاومة الزحف.

التأكسد محدود بسبب طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية، لكن درجات الحرارة المرتفعة قد تغير كيمياء السطح وتسرع التفاعلات الجلفانية مع المعادن المغايرة. في منطقة تأثير الحرارة، تؤدي درجات حرارة اللحام المرتفعة إلى تليين محلي من نوع الشيخوخة المفرطة وتغيرات دقيقة في البنية تقلل من خصائص التعب والخضوع.

يجب على المصممين تحديد درجة حرارة الخدمة المستمرة بقيم محافظة عند الحاجة إلى احتفاظ عالٍ بالقوة، ولابد من التحقق من سلوك الزحف/الاحتكاك للمفاصل والمثبتات في التطبيقات ذات الأحمال المستمرة عند درجات حرارة مرتفعة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	لماذا تُستخدم 5059
البحرية	تبطين الهيكل وهياكل السطح	نسبة قوة إلى وزن عالية مع مقاومة ممتازة لتآكل ماء البحر
الطاقة/المنصات البحرية	الأعضاء الهيكلية للمنصة	مقاومة التصدع الناتج عن التآكل والتآكل بالكلوريدات في التركيبات الملحومة
الفضاء والدفاع	الأجزاء والتقويمات الهيكلية	مقاومة خضوع ومتانة عالية حيث تكون مقاومة التآكل ضرورية
النقل	قضبان وهيئات هيكلية خفيفة الوزن	تقليل الوزن مع قوة وقابلية لحام متفوقة
الإلكترونيات/الحرارية	الهياكل وناشرات الحرارة	موصلية حرارية كافية مع تكامل هيكلي

يُختار 5059 للمكونات التي يجب أن تتحمل بيئات قاسية مع تقليل الوزن والسماح باللحام والتشكيل على نطاق الإنتاج. تجمع السبيكة بين القوة ومقاومة التآكل وسهولة التصنيع مما يجعلها مفضلة للتطبيقات البحرية والهيكلية المطالبة حيث العمر الافتراضي الطويل وموثوقية الوصلات أولوية.

نصائح الاختيار

اختر 5059 عندما تحتاج إلى ألومنيوم عالي القوة وغير قابل للمعالجة الحرارية مع مقاومة تآكل بمستوى بحري وقابلية لحام جيدة. إنها مناسبة تماماً للأعضاء الهيكلية الملحومة التي تتعرض لفترات طويلة للبيئات المحتوية على الكلوريدات.

مقارنةً بالألمنيوم النقي تجارياً (مثل 1100)، يقدم 5059 قوة أعلى بكثير ومقاومة تفوق للتآكل على حساب الموصلية الكهربائية/الحرارية والليونة القصوى؛ يُستخدم 1100 فقط عندما تكون الموصلية الكهربائية/الحرارية أو الحد الأقصى من الليونة هو المتطلب الأساسي. مقارنةً بالسبائك الشائعة المعالجة بالتصلب مثل 3003 أو 5052، يتميز 5059 بقوة أعلى مع توفير مقاومة للتآكل البحري مُماثلة أو أفضل، رغم أنه أكثر تكلفة وأقل قابلية للتشكيل في الحلات المعالجة بالتصلب. مقارنةً بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061/6063، يُفضَّل 5059 في الحالات التي تكون فيها مقاومة التآكل في اللحام ومقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد الكهروكيميائي (SCC) أهم من القوة القصوى المطلقة.

عند التحديد، يجب موازنة التنازلات بين القوة، القابلية للتشكيل، والتكلفة: اختر الحلات المعالجة بالتليين أو المعالجة الخفيفة للتشكيل، والحالات المعالجة بالتصلب المستقر للأعضاء الإنشائية. تحقق من توفر السماكات والحالات المطلوبة من المصانع، وتأكد من مدى تأهيل مادة الحشو وإجراءات اللحام للمفاصل الحرجة.

الملخص الختامي

يظل 5059 سبائك ألومنيوم ذات صلة وجذابة تقنياً للهندسة الحديثة حيث يتطلب الأمر توازناً بين قوة عالية غير قابلة للمعالجة الحرارية، وقابلية جيدة للحام، ومقاومة ممتازة للتآكل البحري. توفر تركيبة السبيكة وخيارات المعالجة وسيلة عملية للمصممين لتقليل الوزن مع الحفاظ على السلامة الإنشائية على المدى الطويل في بيئات قاسية.