ألمنيوم 5251: التركيب، الخصائص، دليل المعالجات والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
يُعد 5251 أحد سبائك الألومنيوم من سلسلة 5xxx، وهي سبائك تعتمد على المغنيسيوم، غير قابلة للمعالجة بالحرارة، وتوفر توازنًا بين القوة ومقاومة التآكل. تضعه تركيبته الكيميائية ضمن سبائك Al-Mg(-Mn) حيث يكون المغنيسيوم العنصر الرئيسي المقوّي في المحلول الصلب، والمنيزيوم يوفّر التحكم الثانوي في بنية الحبيبات.
تحقق القوة في 5251 بشكل رئيسي من خلال تقوية المحلول الصلب وتقسية الإجهاد؛ لا يمكن تقويه بشكل كبير بالمعالجة الحرارية للترسيب. تشمل الصفات الرئيسية قوة معتدلة إلى عالية لسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، مقاومة جيدة للتآكل الجوي والبحري، قابلية تشكيل ممتازة في الحالة الممطّرة، وقابلية لحام جيدة باستخدام عمليات اللحام الانصهاري للألومنيوم الشائعة.
تشمل الصناعات النموذجية التي تستخدم 5251 لوحات السيارات الداخلية والخارجية، المكونات الهيكلية البحرية، أنظمة العمارة والبناء، وبعض تطبيقات النقل والهندسة العامة. يختار المهندسون 5251 عندما يحتاج المصممون إلى سبيكة مقاومة للتآكل مع قوة أفضل من الألومنيوم الخالص تجاريًا وقابلية تشكيل فائقة مقارنة مع العديد من السبائك القابلة للمعالجة بالحرارة.
يُفضل 5251 على السبائك الأخرى عندما يُطلب مزيج من القدرة على التشكيل البارد، القوة المعتدلة، وأداء سطح متين مع الحفاظ على تكاليف التصنيع منخفضة وتجنب دورات التقسية بالعمر. غالبًا ما يجعل ملف الخدمة الخاص به أفضلية عليه للسبائك التي تضحي بمقاومة التآكل من أجل قوة قصوى أعلى.
أنواع التصلب (Temper)
| التصلب | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالية (18–30%) | ممتازة | ممتازة | مطلي كاملًا؛ الأفضل للسحب العميق والتشكيل المعقد |
| H12 | منخفض–متوسط | معتدلة (12–20%) | جيدة جدًا | جيدة جدًا | تمت معالجته ببرود خفيف لزيادة قوة طفيفة |
| H14 | متوسط | معتدلة (10–18%) | جيدة | جيدة جدًا | تصلب ربع؛ شائع لتطبيقات الألواح |
| H22 | متوسط | معتدلة (10–18%) | جيدة | جيدة جدًا | مستقر حراريًا بعد معالجة حرارية جزئية |
| H24 | متوسط–عالي | أدنى (8–14%) | مقبولة | جيدة | مُقسى بالإجهاد وممطّر جزئيًا |
| H32 | عالي | منخفض (6–12%) | محدودة | جيدة | مُقسى بالإجهاد ومستقر؛ تصلب هيكلي شائع |
| درجة T (T5 / T6 / T651) | غير متاح | غير متاح | غير متاح | غير متاح | 5251 هو سبيكة غير قابلة للمعالجة بالحرارة؛ درجات T غير مناسبة |
يؤثر التصلب بشكل حاسم على الخصائص الميكانيكية لـ 5251: توفر حالة O أقصى درجة ليونة للتشكيل بينما تقدم درجات H زيادة تدريجية في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد على حساب الاستطالة. تبقى قابلية اللحام جيدة عبر جميع درجات التصلب لأن 5251 لا يعتمد على تقسية بالعمر، ولكن يمكن للمناطق المتأثرة بالحرارة أن تلين موضعيًا حالات التقسية بالإجهاد وتقليل القدرة الحاملة المحلية.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق النسبي % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | شائبة؛ محتوى منخفض للحفاظ على مقاومة التآكل |
| Fe | ≤ 0.40 | شائبة شائعة يمكن أن تشكل مركبات بين فلزية تؤثر على الليونة |
| Mn | 0.20–0.80 | يسيطر على بنية الحبيبات والتعافي؛ يقلل من إعادة التبلور |
| Mg | 2.0–3.0 | العنصر الرئيسي في التقوية عبر المحلول الصلب؛ يحسن مقاومة التآكل |
| Cu | ≤ 0.10–0.15 | يُحافظ عليه منخفضًا لتجنب تقليل مقاومة التآكل |
| Zn | ≤ 0.20 | ثانوي؛ كميات صغيرة تُتحمل بدون تغيير كبير في الخواص |
| Cr | ≤ 0.25 | قد يتواجد للسيطرة على نمو الحبيبات وتحسين مقاومة إعادة التبلور |
| Ti | ≤ 0.15 | مُكرّر للحبيبات عند إضافته عمدًا؛ عادة متبقي |
| عناصر أخرى | ≤ 0.05 لكل منها / ≤ 0.15 إجمالي | عناصر أثر وبقايا محدودة بالمعايير |
تم تصميم تركيبة 5251 لاستغلال تقوية المحلول الصلب بواسطة المغنيسيوم مع تقليل العناصر التي تشجع على تكوين مركبات بين فلزية أو تآكل موضعي. يعمل Mn وCr كمثبتين للبنية الدقيقة ويساعدان السبيكة على الاحتفاظ بالقوة بعد المعالجة الحرارية الدافئة، بينما يُحفَظ النحاس والحديد والسيليكون بمستويات منخفضة للحفاظ على مقاومة التآكل العالية والليونة الجيدة.
الخصائص الميكانيكية
يعرض 5251 سلوك شد مميز لعائلة سبائك 5xxx المعالجة بالبرود: ليونة وصلابة في الحالة الممطّرة مع زيادة ملحوظة في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد عند تقسية الإجهاد. تزداد مقاومة الخضوع بشكل كبير مع درجات H بينما تبقى نسب الشد إلى الخضوع معتدلة، ما ينتج خصائص تشوه بلاستيكي متوقعة مفيدة لعمليات التشكيل. تنخفض الاستطالة مع ارتفاع القوة، لذا يجب جدولة عمليات التشكيل والتشكيل النهائي قبل أو أثناء تقسية الإجهاد.
ترتبط الصلادة بالتصلب؛ تعرض السبائك الممطّرة صلادة منخفضة حسب مقاييس برينل/فيكرز بينما تدفع درجات H الصلادة إلى نطاقات مفيدة للتطبيقات الهيكلية. الأداء ضد الإجهاد المتكرر إيجابي عمومًا للتعرضات البحرية والجوية بفضل نمط الشقوق الليّن ومقاومة التآكل الموضعي؛ ومع ذلك، تنخفض حدود الإجهاد المتكرر مع زيادة السماكة وتدهور حالة السطح. تؤثر السماكة على مقاومة الخضوع وسلوك التشكيل: الألواح الرقيقة تتشكل بسهولة أكبر، بينما تحتفظ القطاعات السميكة بمزيد من القوة عبر السماكة وقد تكون أقل عرضة للتشقق خلال الانحناء.
| الخاصية | O / مطّلّ | درجة التصلب الرئيسية (H32) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | 95–155 MPa | 240–310 MPa | المدى يعتمد على العمل البارد والسماكة؛ H32 يوفر قوة هيكلية نموذجية |
| مقاومة الخضوع | 30–80 MPa | 170–220 MPa | زيادة كبيرة من الحالة O إلى H32 بسبب تقسية الإجهاد |
| الاستطالة | 18–30% | 6–12% | تنخفض الاستطالة مع زيادة صلادة التصلب |
| الصلادة | 20–45 HB | 70–95 HB | تقديرات صلادة برينل؛ تختلف حسب التصلب والمعالجة |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.68 جم/سم³ | نموذجية لسبائك Al-Mg؛ نسبة قوة إلى وزن جيدة |
| نطاق الانصهار | ≈ 600–655 °C | نطاق صلب إلى سائل نموذجي لسبائك الألومنيوم المشغولة |
| التوصيل الحراري | ≈ 120–150 واط/م·ك | أقل من الألمنيوم الخالص لكنه لا يزال مرتفعًا؛ مفيد للإدارة الحرارية |
| التوصيل الكهربائي | ≈ 28–38 % IACS | منخفض مقارنة بالألمنيوم الخالص بسبب السبائك؛ كافٍ لبعض التطبيقات الموصلية |
| السعة الحرارية النوعية | ≈ 0.90 جول/جم·ك (900 جول/كجم·ك) | قياسية لسبائك الألومنيوم؛ مفيدة لحسابات الكتلة الحرارية |
| التمدد الحراري | ≈ 23–24 ميكرومتر/م·ك | مشابة لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ مهم في التركيبات متعددة المواد |
يحافظ 5251 على خصائص نقل حراري وكهربائي ملائمة مقارنة مع العديد من السبائك الهيكلية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب كلًا من القابلية للتشكيل والتوصيل الحراري. تدعم الكثافة وخصائص التمدد الحراري التصاميم خفيفة الوزن والمستقرة حراريًا، لكن ينبغي للمصممين الأخذ في الاعتبار الانخفاضات المتواضعة في التوصيل مقارنة بالألومنيوم الخالص عندما تكون الدقة في الأداء الحراري أو الكهربائي مطلوبة.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | درجات التصلب الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح (Sheet) | 0.3–4.0 مم | متوافقة مع درجة التصلب؛ الرقائق الرقيقة أسهل في التشكيل | O, H14, H24, H32 | الشكل الأكثر شيوعًا للواجهات المعمارية ولوحات السيارات |
| صفائح (Plate) | 4–25 مم | قوة أعلى عبر السماكة؛ أقل قابلية للتشكيل | H22, H24, H32 | تستخدم للمكونات الهيكلية التي تتطلب صلابة |
| بروفيلات بثق (Extrusion) | مقاطع عرضية متغيرة | تعتمد القوة على المعالجة الباردة بعد البثق | O, H14 | غالبًا ما تُعالج البروفيلات المشغولة لزيادة القوة |
| أنابيب (Tube) | سمك الجدار 0.5–6.0 مم | تتأثر القوة وأداء الإجهاد المتكرر بالعمل وسمك الجدار | O, H14, H32 | تستخدم في أنظمة هيكلية خفيفة وأنابيب بحرية |
| قضبان / أعمدة (Bar/Rod) | 6–100 مم | القطاعات السميكة تحتفظ بجودة جيدة للمعالجة الميكانيكية | O, H12, H14 | تستخدم للمكونات الميكانيكية والمثبتات والموصلات |
تؤثر أشكال المنتج على درجات التصلب المتاحة والخصائص الميكانيكية النهائية؛ حيث تُنتج الألواح الرقيقة وتُعالج لزيادة قابلية التشكيل بينما تُعرض الصفائح والبروفيلات السميكة للمكونات الحاملة للأحمال. تُستخدم طرق التصنيع مثل الدرفلة الباردة، التمطير، والتثبيت لتحسين الليونة أو القوة قبل التصنيع والتشطيب النهائي.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | الملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 5251 | الولايات المتحدة الأمريكية | تسمية السبائك الأمريكية القياسية لفولاذ 5251 المشغول |
| EN AW | 5251 | أوروبا | النسخة الأوروبية متوافقة بشكل كبير مع تركيب ودرجات AA |
| JIS | A5251 (تقريباً) | اليابان | المواصفات اليابانية تشير إلى سبائك ألمنيوم-مغنيسيوم مشابهة؛ تحقق من المواصفات المحلية |
| GB/T | 5251 (تقريباً) | الصين | التسمية الصينية تستخدم ترقيمًا مشابهًا؛ تحقق من التسامحات المحلية |
جداول المعادلات تقريبية لأن المواصفات الإقليمية قد تختلف في حدود الشوائب المسموح بها، متطلبات العمليات، وتعريفات الدرجات الحرارية. عند استبدال السبائك بين المعايير، يجب على المهندسين التحقق من التركيب الكيميائي، الخواص الميكانيكية، ومتطلبات الشهادات بدلاً من الاعتماد فقط على المطابقة الرقمية.
مقاومة التآكل
توفر 5251 مقاومة جيدة لتآكل الغلاف الجوي النموذجي لسبائك الألمنيوم-مغنيسيوم؛ يعمل الغشاء الطبيعي المؤكسد للألمنيوم مع وجود المغنيسيوم على تعزيز الأداء في البيئات الخارجية والبيئات المعتدلة العدوانية. تؤدي أداءً جيدًا في الحالات البحرية والساحلية العامة، رغم أن مقاومة التآكل الموضعي تعتمد على تشطيب السطح ومحتوى المغنيسيوم مقارنةً بالسبائك الأعلى في المغنيسيوم.
التحسس لتشققات الإجهاد الناتجة عن التآكل في 5251 منخفض بالمقارنة مع بعض السبائك عالية القوة من نوع Al-Mg؛ وبما أنها ليست قابلة للتصلب بالمعالجة الحرارية، فهي تتجنب آليات التشقق بمساعدة الترسيبات التي تؤثر على بعض السبائك القابلة لمعالجة الحرارة. يمكن أن يؤدي التلامس مع معادن أكثر نبلاً أو مواد كاثودية إلى تشكل خلايا جلفانية، لذا يجب على المصممين تجنب التوصيل المباشر مع الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس بدون حواجز عزل عند التوقع بتعرض رطب مستمر.
مقارنة بسلسلة 6xxx، تقدم 5251 مقاومة تآكل عامة محسّنة ولكن بقوة قصوى أقل. مقابل سبائك 3xxx و1xxx، تتخلى 5251 عن تشكلية وموصلية كهربائية أقل قليلاً مقابل قدرة هيكلية أكبر وسلوك تآكل أفضل في البيئات المحتوية على كلوريد.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
لـ 5251 قابلية لحام جيدة باستخدام عمليات MIG (GMAW) وTIG (GTAW) مع أسلاك حشو الألمنيوم من سلسلتي 4xxx و5xxx. الأسلاك الموصى بها تشمل ER4043 (سيليكون) لتقليل مخاطر التشقق وER5356 أو ER5183 (فولاذ حشو من Al-Mg) عند الحاجة لمطابقة القوة ومقاومة التآكل؛ تقليل المسامية يحصل من خلال تجهيز وصلات جيدة وتنظيف مناسب. خطر التشقق الحراري منخفض مقارنة بالسبائك القابلة للتصلب بالحرارة، ولكن منطقة تأثير الحرارة (HAZ) في الدرجات المقواة بالتشوه ستلين وتقلل القوة المحلية.
قابلية التشغيل
قابلية تشغيل 5251 معتدلة إلى متوسطة وعادة أفضل من سبائك 5xxx الأعلى قوة بسبب توازنها بين اللدونة والقوة؛ ليست من سبائك الألمنيوم سهلة التشغيل. تستخدم أدوات من الكربيد مع زوايا قطع إيجابية واستراتيجيات تغذية عالية وسرعات منخفضة لتحقيق أفضل تشطيب سطحي وعمر طويل للأدوات. التحكم في رقائق القطع قابل للتحقيق عادة باستخدام أدوات حادة وتبريد مناسب؛ يجب تجنب زيادة تصلب العمل في منطقة القطع الفورية.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل في الدرجة O ممتازة للسحب العميق، الثني، والعمليات الطابع المعقدة، مع ارتداد منخفض نسبيًا بالمقارنة مع درجات السبائك الأقوى. نصف قطر الانحناء الموصى به يعتمد على السماكة والدرجة لكنه يتبع قواعد عامة للألمنيوم (مثل نصف القطر الداخلي ≥ 1–2× السماكة للدرجات H و≥ 0.5–1× السماكة للدرجة O). التصلب بالتشوه البارد هو آلية التقوية الأساسية، لذا فإن التشكيل المتسلسل والتعويم المتحكم به بالمناجم هي ممارسة عادية للوصول إلى هندسيات معقدة بدون تشقق.
سلوك المعالجة الحرارية
تصنف 5251 كسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ لا يمكنها تحقيق تصلب ترسيبي كبير من خلال معالجات الإذابة والتعتيق. محاولة تطبيق معالجة حرارية من نوع T لن تنتج زيادة في القوة كما في سبائك 6xxx و7xxx وقد تؤدي إلى آثار دقيقة غير مرغوبة.
التصلب بالعمل الناتج عن التشوه البارد هو الآلية الرئيسية لرفع مقاومة الخضوع ومقاومة الشد. التلدين القياسي (مثل التلدين الكامل إلى الدرجة O) سيعيد اللدونة عن طريق الاستشفاء وإعادة التبلور، وتستخدم المعالجات التثبيتية (المعينة H3x/H4x) لتقليل التغيرات اللاحقة في الخواص الميكانيكية أثناء التصنيع أو الخدمة.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
تقلل درجات الحرارة المرتفعة من قوة 5251 تدريجيًا، مع تليين ملحوظ غالباً فوق 100–150 °C حسب الدرجة ومستوى الإجهاد. التعرض المستمر لدرجات حرارة تقترب من نطاق انصهار السبيكة غير مناسب؛ للاستخدام المتقطع في درجات حرارة مرتفعة، يجب على المصممين السماح لسعة تحميل منخفضة وآليات زحف متسارعة.
يقتصر التأكسد عند درجات الخدمة على تكوين طبقة أكسيد ألومنيوم مستقرة ووقائية؛ لا توجد قشور معنوية أو هشاشة كما في بعض أنواع الفولاذ. الثبات الحراري للدرجات المقواة بالتشوه البارد متوسط، لذا فإن التعرض الطويل لدرجات حرارة مرتفعة معتدلة يمكن أن يخفف الضغوط المتبقية ويقلل مقاومة الخضوع في الدرجات H، خاصة بالقرب من اللحامات ومناطق الإجهاد العالي.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | لماذا يستخدم 5251 |
|---|---|---|
| السيارات | ألواح الهيكل الداخلية والخارجية | قابلية تشكيل جيدة وقوة متوسطة؛ مقاومة التآكل |
| البحرية | ألواح هيكلية وتجهيزات غير حرجة | مقاومة مياه البحر وأداء جيد ضد التعب |
| الفضاء | تجهيزات ثانوية وغطاءات | نسبة القوة إلى الوزن مناسبة ومقاومة تآكل للأجزاء غير الحرجة |
| الإلكترونيات | هياكل وناشرات حرارية | موصلية حرارية وثبات من التآكل |
| العمارة | ألواح الجدران الستائرية والتغطية | قابلية التشكيل لأشكال معقدة ومتانة طويلة الأمد في الهواء الطلق |
يحتل 5251 موضعًا عمليًا حيث تتطلب قابلية التشكيل، مقاومة التآكل، وقوة هيكلية معقولة في نفس الوقت وحيث تضيف المعالجة الحرارية تكلفة أو تعقيدًا. يستخدم على نطاق واسع في الألواح والمقاطع المصنوعة التي تخضع لعمليات تشكيل كبيرة قبل الاستخدام النهائي.
نصائح لاختيار السبيكة
يعد 5251 خيارًا منطقيًا عندما يحتاج المهندس إلى قوة أكثر من ألمنيوم نقي تجارياً (مثل 1100) لكنه لا يزال يحتاج إلى قابلية تشكيل ومقاومة تآكل جيدة. بالمقارنة مع 1100، يتبادل 5251 قوة أعلى وموصلية كهربائية/حرارية أقل قليلاً مقابل قدرة هيكلية وأداء تآكل أفضل في بيئات كلوريدية.
مقارنة بسبائك العمل المصلدة الأخرى مثل 3003 و5052، تميل 5251 لأن تكون أقرب إلى 5052 في القوة ومقاومة التآكل، مقدمة أداء بحري مشابه ولكن غالبًا ما بقابلية تشكيل أفضل من المتغيرات المقواة بشدة. عندما يحتاج المصممون إلى سبائك أقوى وقابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061، يُختار 5251 إذا كان مقاومة التآكل، قابلية اللحام، أو قابلية التشكيل في الدرجة O تحظى بالأولوية على القوة القصوى الممكنة.
اختر 5251 عندما تتضمن عمليات التصنيع تشكيلًا باردًا كبيرًا أو لحامًا وعندما يُتوقع تعرض طويل الأمد للغلاف الجوي أو البيئات البحرية؛وازن بين التكلفة والتوفر مقابل قوى قصوى أقل قليلاً مقارنة ببدائل قابلة للمعالجة الحرارية.
الملخص الختامي
يبقى 5251 سبيكة ألمنيوم-مغنيسيوم عملية وعملية للهندسة الحديثة لأنها تجمع بين قابلية التشكيل، قابلية اللحام، ومقاومة التآكل مع نطاق قوة مناسب يتم الحصول عليه من خلال العمل بالتشوه البارد. سلوكها المتوقع عبر الدرجات المختلفة، توفرها الواسع بالشكل المنتج، والأداء المثبت في خدمات السيارات والبحرية والعمارة يجعلها خيارًا موثوقًا حيث يُطلب ألمنيوم متين وقابل للتشكيل.