ألمنيوم 5152: التركيب الكيميائي، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
سبائك 5152 هي عضو في سلسلة 5xxx من سبائك الألومنيوم، تتميز بالمغنيسيوم كعنصر رئيسي للسباكة. وهي سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية وقابلة للتقسية بالتشوه، حيث يتم تحقيق التقوية الأساسية من خلال تقوية المحلول الصلب إلى جانب العمل على التقسية؛ ولا تستجيب للمعالجة الحرارية التقليدية المتبعة للحل والترسيب.
توفر 5152 توازنًا بين القوة المتوسطة إلى العالية، ومقاومة ممتازة للتآكل في بيئات متعددة (لاسيما الأجواء البحرية)، وقابلية جيدة للحام، وقابلية تشكيل معقولة في الحلات المهدئة والخفيفة التقسية. الصناعات النموذجية التي تستخدم 5152 تشمل الإنشاءات البحرية، والنقل (بما في ذلك السيارات والسكك الحديدية)، وأوعية الضغط، والتطبيقات المعمارية التي تتطلب مقاومة للتآكل وقابلية للتشكيل.
يختار المهندسون 5152 عندما يكون هناك حاجة لمزيج من مقاومة لمياة البحر أو أملاح إزالة الجليد، وسلوك جيد ضد التعب، والقدرة على التشكيل واللحام بشكل اقتصادي، غالبًا مع تفضيلها على السبائك التجارية ذات النقاء الأقل للقوة الإضافية، وعلى السبائك القابلة للمعالجة الحرارية عندما يتطلب التصنيع عمليات باردة مكثفة. كما تُختار 5152 حيث تكون الاستقرار الأبعادي بعد تقسية متوسطة ومقاومة للتشقق بالجهد الكيميائي مهمة.
أنواع الحلات الحرارية (Temper)
| الحالة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية (20–30%) | ممتازة | ممتازة | مهدئة بالكامل، الأفضل للسحب العميق والتشكيل الشديد |
| H14 | متوسطة | متوسطة (12–18%) | جيدة | ممتازة | ربع مقسية، زيادة القوة مع الحفاظ على اللدونة |
| H16 | متوسطة-عالية | متوسطة (8–15%) | جيدة | ممتازة | نصف مقسية، شائعة لأجزاء الصفائح المشكلة |
| H18 | عالية | أقل (5–12%) | مقبولة | ممتازة | ثلاثة أرباع مقسية، لاستخدام الصلابة الهيكلية |
| H22 | متوسطة | متوسطة (10–18%) | جيدة | ممتازة | مخففة الإجهاد بعد تقسية جزئية |
| H32 | عالية (مثبتة) | أقل (6–12%) | مقبولة-جيدة | ممتازة | مقسية ومثبتة للحصول على خصائص متحكم بها |
تؤثر الحالة الحرارية بشكل كبير على الموازنة بين القوة واللدونة في 5152، حيث توفر حالة O المهدئة أفضل قابلية للتشكيل للسحب العميق والانحناءات الشديدة. زيادة التقسية (سلسلة H) ترفع مقاومة الخضوع ومقاومة الشد على حساب الاستطالة، مما يحسن الصلابة ومقاومة الخدوش للأجزاء المصنعة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | شوائب من الصهر؛ انخفاض Si يحافظ على قابلية التشكيل |
| Fe | ≤ 0.40 | شوائب نموذجية؛ ارتفاع Fe قد يقلل اللدونة |
| Mn | ≤ 0.15 | صغير؛ يساعد في التحكم في بنية الحبيبات |
| Mg | 2.2–2.8 | العنصر الأساسي للسباكة ويوفر القوة ومقاومة التآكل |
| Cu | ≤ 0.10 | منخفض للسيطرة على القابلية للتشقق بالجهد الكيميائي والحفاظ على مقاومة التآكل |
| Zn | ≤ 0.10 | مخفض لمنع التشققات الساخنة ومخاوف التآكل الجلفاني |
| Cr | ≤ 0.15 | يمكن أن يحسن بنية الحبيبات وأداء مقاومة التآكل قليلاً |
| Ti | ≤ 0.15 | مكرر الحبيبات في السبائك المصبوبة/القطاعات؛ محتوى منخفض في المواد المشغلة |
| عناصر أخرى | ≤ 0.05 لكل منها، 0.15 مجمعة | عناصر أثرية وبقايا؛ الكمية المتبقية ألومنيوم |
المغنيسيوم هو الإضافة السباكية المهيمنة ويحدد الأساس الميكانيكي وسلوك مقاومة التآكل للسبائك؛ ارتفاع Mg يزيد من القوة عن طريق تقسية المحلول الصلب ولكنه يؤثر في قابلية التشكيل وخصائص الانضمام. يتم التحكم بعناصر الأثر مثل Fe وSi وCu للحد من الفلزات البينية الهشة، والحفاظ على قابلية اللحام ومقاومة التآكل الموضعي.
الخصائص الميكانيكية
سلوك الشد في 5152 يعتمد بشكل كبير على الحالة الحرارية: المادة المهدئة تُظهر مقاومة خضوع منخفضة وقوة شد متواضعة مع استطالة متجانسة عالية، بينما المواد ذات الحلة H تُظهر قوة خضوع وقوة شد نهائية أعلى بشكل ملحوظ مع انخفاض الاستطالة. السبيكة عمومًا تظهر استجابة إجهاد-انفعال ناعمة مع تقسية ملحوظة بالتشوه، مما يوفر امتصاص طاقة جيد وسلوك ارتداد متوقع للتشكيل للأجزاء الهيكلية.
يستفيد أداء التعب من مقاومة السبيكة الجيدة لتعب التآكل وغياب الرواسب الخشنة؛ تتحسن دورة التعب بوجود أسطح منتهية جيدًا وتجنب مواضع تركيز جهدي حاد. تؤثر السماكة بشكل كبير على المؤشرات الميكانيكية وقابلية التشكيل—حيث يسهل تشكيل الصفائح الرفيعة على البارد وتكون لديها أنصاف أقطار انحناء أكبر مسموح بها مقارنة بالصفائح السميكة حيث يمكن أن تتركز انحناءات الانحناء.
| الخاصية | O/مهدئة | الحالة الحرارية الأساسية (مثل H32/H16) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 170–240 MPa | 240–330 MPa | القيم تختلف حسب الحالة والسماكة؛ الحلات H تظهر زيادة كبيرة |
| مقاومة الخضوع | 60–120 MPa | 150–275 MPa | مقاومة الخضوع تزداد بسرعة مع تقسية العمل؛ التصميم يكون على أساس أدنى حالة متوقعة |
| الاستطالة | 20–30% | 6–15% | اللدونة تنخفض بزيادة الحالة الحرارية؛ السماكة تؤثر على قيم الاستطالة |
| الصلادة | 30–45 HB | 60–95 HB | ترتبط بمستوى الحالة الحرارية؛ الصلادة مترابطة مع سلوك الخضوع والشد |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.68 g/cm³ | نموذجية لسبائك الألومنيوم المشغولة؛ مفيدة لحساب الكتلة |
| نطاق الانصهار | 570–650 °C | نطاق الصلب/السائل يختلف مع الشوائب؛ السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية للتقوية |
| الموصلية الحرارية | ~130–150 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي لكنها لا تزال عالية لتطبيقات تبديد الحرارة |
| الموصلية الكهربائية | ~30–40 % IACS | السباكة تقلل الموصلية مقارنة بالألومنيوم النقي |
| السعة الحرارية النوعية | ~900 J/kg·K | قيمة نموذجية لدرجة حرارة الغرفة تُستخدم في النمذجة الحرارية |
| التمدد الحراري | 23–24 µm/m·K | مماثل لسبائك Al-Mg الأخرى؛ مهم للتجميعات المركبة من مواد مختلفة |
تجعل الخصائص الحرارية والكهربائية لسبائك 5152 مناسبة للمكونات التي تحتاج إلى تبديد حرارة جيد وتوصيل كهربائي متوسط، مع الحفاظ على مقاومة التآكل. يجمع المزيج بين الكثافة المنخفضة والموصلية الحرارية الجيدة مميزات مفيدة في التطبيقات البحرية والنقل حيث تعتبر الوزن وإدارة الحرارة من الاعتبارات المهمة.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | الحالات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| صفائح | 0.2–6.0 mm | موحدة عبر العرض؛ تعتمد على الحالة الحرارية | O, H14, H16, H18, H32 | منتجة على نطاق واسع؛ تستخدم للألواح والخزانات المشكلة |
| ألواح | 6–25 mm | قليل التشكيل، أعلى صلابة | H18, H32 | تستخدم للألواح الهيكلية وقطع أوعية الضغط |
| بروفيلات بثق | بروفيلات حتى مقاطع كبيرة | تعتمد القوة على الحالة والسماكة | H22, H32 | استخدام محدود مقارنة ببروفيلات سلسلة 5000 المخصصة لسبائك 5xxx |
| أنابيب | سمك الجدار 0.5–10 mm | سلوك مشابه للصفائح؛ اللحام والسحب مهمان | O, H16, H32 | تستخدم لمعالجة السوائل وتطبيقات هيكلية |
| قضبان/عصي | حتى قطر 100 mm | عادة ما تُنتج في حالات تقسية بالتشوه | H14–H32 | تستخدم للأجزاء المشغولة التي تحتاج مقاومة تآكل وقوة متوسطة |
الصفائح واللفائف هي أكثر الأشكال التجارية شيوعًا لـ 5152، تُنتج مع تحكم دقيق في تشطيب السطح للتطبيقات الزخرفية والمعرضة. تتطلب الألواح والبروفيلات تعديلًا في معايير التصنيع وغالبًا حلات حرارية مختلفة لموازنة الأداء الميكانيكي مع القابلية للتصنيع للمقاطع السميكة أو المعقدة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 5152 | الولايات المتحدة الأمريكية | التسمية الأساسية في معايير Aluminum Association |
| EN AW | 5152 | أوروبا | مكافئة عمومًا ولكن معايير EN قد تتضمن لاحقات مميزة للحالة الحرارية وحدود الشوائب |
| JIS | A5152 (تسمية) | اليابان | المعايير المحلية قد تعكس تباين طفيف في التركيب أو المقاييس الميكانيكية |
| GB/T | 5152 | الصين | غالبًا تُطابق مباشرة مع AA 5152 ولكن قد توجد فروق بسيطة في المواصفات |
تُطابق التعيينات المكافئة بصورة عامة عبر المعايير الرئيسية لأن سبائك سلسلة 5xxx موحدة عالميًا، لكن الفروقات الطفيفة في حدود الشوائب، وتسميات الحالة الحرارية، وممارسات الشهادات يمكن أن تؤثر على قابليتها للتبادل. يُنصح دائمًا بمراجعة المعيار المحدد وشهادات اختبار المصنع للتطبيقات الحرجة التي تتطلب مطابقة دقيقة من حيث التركيب أو الخصائص الميكانيكية.
مقاومة التآكل
يتميز سبائك 5152 بمقاومة قوية لتآكل الأجواء، خاصة في البيئات البحرية وحيث التعرض لرذاذ البحر أو أملاح إزالة الجليد. يساهم محتوى المغنيسيوم في تحسين المقاومة للتآكل العام وتآكل النخر مقارنة بالعديد من سبائك سلسلة 3xxx، كما يشكل سبائك طبقة أكسيد واقية مستقرة في البيئات القلوية والعديد من البيئات القريبة من الحياد.
مقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد والتآكل (SCC) منخفضة مقارنة بالسبائك ذات المحتوى الأعلى من النحاس، ولكن يمكن أن يحدث تآكل موضعي في الشقوق أو عند الاقتران الكهربائي مع معادن أشرف دون عزل. في الاقتران الكهربائي، يكون 5152 أنودي مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النحاس، لذا ينبغي للمصممين استخدام حواجز عازلة أو استراتيجيات الحماية الكاثودية القلبية في التجمعات متعددة المعادن.
مقارنةً بسبائك سلسلة 1xxx و 3xxx، يقدم 5152 مقاومة أفضل للتآكل وقوة أعلى؛ مقارنةً بسبائك سلسلة 6xxx فإنه يتمتع عادةً بمقاومة أفضل لتآكل البحار لكنه لا يصل إلى أقصى قوة ممكنة للمواد القابلة للمعالجة الحرارية.
خصائص التصنيع
القابلية للحام
يُلحَم 5152 بسهولة بواسطة عمليات الاندماج الشائعة مثل MIG (GMAW) وTIG (GTAW)؛ فمحتوى النحاس المنخفض والمغنيسيوم المنضبط يقللان من ميل السبائك للتشقق الساخن عند اتباع الممارسات الجيدة. سبائك الحشو الموصى بها تشمل 5356 (Al-Mg) للحفاظ على القوة ومقاومة التآكل، مع استخدام 4043 لتحسين التدفق وتقليل تغيير اللون على الأسطح الزخرفية. التطرّي في منطقة التأثير الحراري محدود لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، ولكن التحكم في التشوه واختراق اللحام ضروري عند لحام السماكات الرقيقة.
القابلية للتشغيل
تعتبر القابلية للتشغيل للسبائك 5152 معتدلة إلى جيدة؛ حيث يتم تشغيلها بسهولة أكبر من بعض سبائك الألمنيوم-مغنيسيوم الأعلى قوة، لكنها ليست سهلة القطع مثل بعض سبائك الألمنيوم-سيليكون. توفر الأدوات المصنوعة من الكربيد، والزوايا الإيجابية للقطع، ومعدلات التقديم العالية مع تبريد كاف أفضل جودة سطح وحياة أداة أفضل؛ قد تكون الحواف المتراكمة مشكلة في القطع المتقطع أو ظروف السبائك اللزجة. تجنب سرعات القطع الزائدة التي تسبب تقسية العمل قرب السطح، وتأكد من التحكم في رقائق القطع للأجزاء ذات الجدران الرقيقة.
قابلية التشكيل
تتميز قابلية التشكيل في الحالة الملدنة O بأنها ممتازة، مما يسمح بالسحب العميق، والتدوير، والانحناءات المعقدة مع تقليل ارتداد الربيع نسبياً. بالنسبة لحالات H، يجب زيادة أنصاف أقطار الانحناء وترتيب عمليات التشكيل لتفادي التشقق؛ يمكن استخدام التلدين الوسيط أو التشكيل بالتمدد لتحقيق أنصاف أقطار أصغر. يجب على المصممين الإشارة إلى أدنى أنصاف أقطار الانحناء معبرًا عنها بمضاعفات قطر السماكة ومراعاة تقسية العمل في تقديرات الارتداد النهائية.
سلوك المعالجة الحرارية
هذه السبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ يتم تحقيق التقوية الميكانيكية من خلال العمل البارد (تقسية الإجهاد) والمعالجات الحرارية الثابتة بدلاً من خطوات الإذابة والترسيب. تستخدم عمليات التصنيع النموذجية التلدين لاستعادة اللدونة تليه عمليات متحكم بها من العمل البارد للوصول إلى مستويات القوة المطلوبة، وأحياناً يتم التثبيت (خبز منخفض الحرارة) لتقليل التغيرات المستقبلية في الخصائص.
يتم التلدين التقليدي لسبائك 5xxx عند درجات حرارة تستعيد البنية الكرستالية دون تكوين مركبات بين فلزية غير مرغوبة؛ ويتم تحقيق الحالة O بالتلدين الكامل والتبريد المتحكم به. المحاولات لتطبيق دورات إذابة وترسيب T-type لا تُنتج تقسية عمرية ملحوظة في 5152، ولذلك لا تُستخدم لتعزيز القوة.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
يفقد 5152 قوته تدريجياً مع ارتفاع درجة الحرارة؛ تنخفض القوة الهيكلية الصالحة للاستخدام عند تجاوز حوالي 100–150 °C وتسريع التعرض الحراري فوق حوالي 200 °C عمليات التلدين واسترخاء الخصائص. يكون أكسدة الألمنيوم منخفضة تحت ظروف الخدمة ما لم تكن درجات الحرارة مرتفعة وبيئات العدوانية موجودة، ولكن درجات الحرارة العالية قد تغير الميكروهيكل وتقلل من عمر التعب.
يمكن أن تعاني مناطق التأثير الحراري للحام من تطرّي موضعي عند تعرضها لاحقًا لدرجات حرارة مرتفعة وخضوعها لإجهاد ميكانيكي، لذا يُنصح بتصميم لتقليل التعرض الحراري في الوصلات الملحومة الحرجة. للعمل المستمر عند درجات حرارة عالية، ينبغي النظر في استخدام عائلة سبائك مختلفة (مثل بعض سبائك Al-Si أو Al-Zn-Mg).
التطبيقات
| الصناعة | المكوّن النموذجي | سبب استخدام 5152 |
|---|---|---|
| السيارات | خزانات الوقود ولوحات الهيكل | مقاومة التآكل وقابلية التشكيل للأشكال المعقدة |
| البحري | ألواح الهيكل، مكونات السطح | مقاومة ممتازة لمياه البحر وأملاح إزالة الجليد |
| الفضاء الجوي | التركيبات الداخلية والتغليف | نسبة قوة إلى وزن جيدة وسهولة التصنيع |
| الإلكترونيات | الهياكل واللوحات | التوصيل الحراري ومقاومة التآكل |
| أوعية الضغط | خزانات وأنابيب LPG | لدونة، قابلية للحام، ومقاومة التعب |
يُختار 5152 عادةً حيث تكون مقاومة التآكل في مياه البحر والقدرة على التشكيل واللحام في الورشة أو على الخط أكثر أهمية من الحصول على أعلى قوة ممكنة. توازن خصائص السبيكة يدعم مجموعة واسعة من حلول التصميم عبر قطاع النقل والبحرية والأجهزة الصناعية.
نصائح الاختيار
عند اختيار 5152، ينبغي إعطاء الأولوية للتطبيقات التي تتطلب مقاومة للبيئات البحرية وقوة إنشائية متوسطة وقابلية جيدة للتشكيل. استخدام 5152 أفضل من السبائك ذات النقاء التجاري اللين عندما تكون هناك حاجة لزيادة مقاومة الخضوع ومقاومة الشد دون التضحية بمقاومة التآكل.
مقارنة بالألمنيوم ذو النقاء التجاري مثل 1100، يتنازل 5152 قليلاً عن التوصيلية الكهربائية وقابلية التشكيل النهائية مقابل قوة أعلى بكثير ومقاومة محسّنة للتآكل. مقارنة بالسبائك المتصلدة بالعمل مثل 3003 أو 5052، يقدم 5152 عادة قوة مكافئة أو أعلى قليلاً ومقاومة أفضل للتآكل في البيئات المحتوية على كلوريدات. مقارنة بالسبائك المعالجة حراريًا مثل 6061 و6063، لن يصل 5152 إلى نفس أقصى القوى، لكنه غالبًا ما يُفضل حيث تكون قابلية اللحام والتشكيل ومقاومة التآكل البحري أكثر أهمية من أقصى قوة.
الملخص الختامي
يظل الألمنيوم 5152 سبيكة عملية ومتوازنة للهندسة الحديثة حيث تكون مقاومة التآكل، وقابلية اللحام الجيدة، والقدرة على التشكيل اقتصاديًا مطلوبة. استجابته لتقسية العمل وأداءه المستقر في البيئات البحرية والجوية يجعله مناسبًا لتطبيقات النقل، والبحرية، والهياكل التي تركز على المتانة الطويلة الأمد وقابلية الصيانة.