ألمنيوم 535: التركيب، الخصائص، دليل التلطيف، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
سبائك الألومنيوم 535 هي عضو من سلسلة 5xxx من سبائك الألومنيوم-المغنيسيوم المشغولة، والمميزة بالمغنيسيوم كعنصر سبائكي رئيسي. تتميز سلسلة 5xx بعدم قابليتها للمعالجة الحرارية وتعتمد بشكل رئيسي على تقوية المحلول الصلب وتقسية الشد لتحقيق خواص ميكانيكية مرتفعة، مع إضافات بسيطة مثل المنغنيز والكروم التي تُستخدم للتحكم في بنية الحبيبات وتحسين مقاومة التآكل.
العنصر السائد في سبيكة 535 هو المغنيسيوم بنسبة تتراوح في خانة الرقم الفردي المتوسط، مدعومًا بمستويات صغيرة من المنغنيز وعناصر أثرية تعمل على تحسين البنية المجهرية والتأثير على استجابة التقسية بالشد. من الخصائص الأساسية للسبائك قوة متوسطة إلى عالية جيدة بالنسبة لسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، ومقاومة قوية للتآكل العام والبحري، وقابلية لحام جيدة مع بعض خيارات مواد الحشو، وقابلية تشكيل باردة جيدة في الحالة المعالجة حراريًا (المطيلة).
تشتمل الصناعات التي تستخدم عادة 535 على القطاع البحري وبناء السفن، والهياكل النقلية والسيارات حيث يكون تقليل الوزن ومقاومة التآكل أمرًا هامًا، بالإضافة إلى التصنيع العام لأوعية الضغط والألواح المعمارية. يتم اختيار السبائك عندما يحتاج المصممون إلى مزيج من قوة أعلى من الألومنيوم النقي ومتانة بيئية ممتازة دون تعقيد أو تكلفة عمليات المعالجة الحرارية.
مقارنة بالسبائك المعالجة حراريًا، تتجنب 535 دورات الإنحلال والشيخوخة وتحافظ على خصائص ثابتة بعد اللحام والاستخدام طويل الأمد في الأجواء الحاملة للكلوريد. ويُختار هذا النوع غالبًا بسبب التوازن بين القوة وقابلية اللحام والتكلفة عندما تكون الحاجة إلى قوة ثابتة من متوسطة إلى عالية ومقاومة جيدة للإجهاد تحت ظروف تآكل مطلوبة.
أنواع المعالجات الحرارية (Temper)
| المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالية (18–25%) | ممتازة | ممتازة | حالة مطيلة بالكامل للتشكيل والسحب العميق |
| H111 / H112 | منخفض-متوسط | متوسطة-عالية (12–18%) | جيدة جدًا | جيدة جدًا | مُصلب قليلًا، معالجة عامة متعددة الاستخدامات |
| H14 / H18 | متوسط | متوسطة (8–14%) | جيدة | جيدة | مُصلب تجاريًا إلى قوة متوسطة |
| H22 / H24 | متوسط-عالي | متوسطة (8–12%) | مقبولة | جيدة | تقسية شد أعلى للأجزاء الهيكلية |
| H32 / H116 | عالية | أدنى (6–12%) | محدودة | جيدة | مثبتة أو مخففة الشد للخدمة الملحومة/البحرية |
| T5 / T6 / T651 | غير مطبق / غير شائع | مُتغير | مُتغير | مُتغير | تسميات المعالجة الحرارية غير مستخدمة لسلسلة 5xxx؛ مدرجة للمرجعية فقط |
النوع المختار من المعالجة الحرارية لسبائك 535 يتحكم مباشرةً في التوازن بين القوة والمطيلية: المعالجات المطيلة (O) تعظم قابلية التشكيل في حين تزيد مستويات المعالجة H تدريجيًا من قوة الخضوع ومقاومة الشد على حساب الاستطالة. يستخدم التثبيت البحري مثل H116 أو H321 لتقليل التليين بعد اللحام وتوفير سلوك متناسق في الهياكل الملحومة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | مخفض لتجنب تكوين مركبات بينية ضارة، ويحسن توافق الصب |
| Fe | ≤ 0.50 | عنصر شوائب؛ زيادة الحديد يكوّن مركبات هشة تضر بالمطيلية |
| Mn | 0.3–1.0 | مُنقح للحبيبات؛ يحسن القوة ويقلل القابلية للتآكل الموضعى |
| Mg | 3.0–4.5 | العنصر الرئيسي للتقوية؛ يعزز القوة ومقاومة التآكل |
| Cu | ≤ 0.10 | مخفف للحفاظ على مقاومة التآكل وتقليل مخاطر التآكل بالإجهاد (SCC) |
| Zn | ≤ 0.25 | مسموح بنسبة منخفضة؛ زيادة الزنك تقلل مقاومة التآكل |
| Cr | 0.05–0.25 | يتحكم في بنية الحبيبات ويحسن استقرار القوة أثناء التعرض الحراري |
| Ti | ≤ 0.10 | إضافة أثرية لتنقية الحبيبات في المنتجات المصبوبة أو ذات الأقسام الكبيرة |
| عناصر أخرى | باقي Al | الألومنيوم يشكل باقي التركيبة مع عناصر أثرية مسموح بها حسب المواصفة |
مستوى المغنيسيوم المتوسط هو المحرك الأساسي لتقوية المحلول الصلب في 535 ويعزز مقاومة التآكل الأنودية خصوصًا في بيئات الكلوريد. يعمل المنغنيز والكروم كمثبتات للبنية المجهرية لمنع نمو الحبيبات المفرط أثناء التصنيع واللحام، مما يحافظ على المتانة ويقلل من القابلية للتآكل بين الحبيبات.
الخصائص الميكانيكية
السلوك الشدي لسبائك 535 يظهر اعتمادًا قويًا على المعالجة ونمط التصنيع. في الحالة المطيلة O يظهر السبيكة مطيلية عالية وقوة شد معتدلة، مما يسمح بعمليات السحب العميق والتشكيل المعقد. التقسية بالشد إلى مستويات H تزيد من مقاومة الخضوع بشكل ملحوظ مع تقليل الاستطالة، وهو أمر مهم للتطبيقات الهيكلية التي تتطلب صلابة ومقاومة للانحناء الدائم.
قوة الخضوع ومقاومة الشد القصوى تتأثر أيضًا بالسماكة؛ حيث تميل الأغشية الرقيقة إلى إظهار تقسية شد أعلى وقوة مرتفعة قليلًا بعد نفس كمية العمل البارد مقارنة بالألواح الأكثر سماكة بسبب اختلافات التصنيع. الصلادة ترتبط بالمعالجة وتُستخدم كمقياس عملي في الموقع لتقييم درجة التقسية والاحتمال للتليين بعد التعرض الحراري. أداء الإجهاد جيد عمومًا لسبائك الألومنيوم غير المعالجة حراريًا، خصوصًا عند التشكيل بطريقة تتجنب مراكز الإجهاد وتحافظ على حماية التآكل.
| الخاصية | O/مطيلة | معالجة أساسية (مثل H32 / H116) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد (UTS) | 200–260 MPa | 320–360 MPa | تزداد UTS بشكل كبير مع التقسية بالشد؛ القيم الدقيقة تعتمد على السماكة |
| قوة الخضوع (0.2% انزياح) | 80–120 MPa | 210–260 MPa | قوة الخضوع أكثر تأثرًا بالمعالجة والتاريخ التصنيعي |
| الاستطالة | 18–25% | 6–14% | انخفاض المطيلية في معالجات H الأعلى؛ نمط الكسر يظل مطيّلاً |
| الصلادة (HB) | 40–55 HB | 75–95 HB | تزداد الصلادة مع التقسية بالشد وتُستخدم لفحوصات ضمان الجودة |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.66–2.70 g/cm³ | أقل قليلاً من العديد من الفولاذات، مما يتيح تقليل الوزن |
| نطاق الانصهار | ~570–645 °C | نطاق صلب-سائل نموذجي لسبائك الألومنيوم-المغنيسيوم المشغولة |
| التوصيل الحراري | ~120–150 W/m·K | توصيل حراري جيد؛ يعتمد على مستوى السبائكية والمعالجة |
| التوصيل الكهربائي | ~28–42 % IACS | منخفض نسبيًا مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ مناسب للأجزاء الموصلة |
| الحرارة النوعية | ~0.90 J/g·K | متماثل مع سبائك الألومنيوم الأخرى؛ مهم لحسابات السعة الحرارية |
| التوسع الحراري | ~23–24 µm/m·K (20–100 °C) | توسع حراري متوسط؛ يجب احتسابه في تصميم التجميعات لتجنب التشوهات |
تجعل الموصلية الحرارية المرتفعة نسبيًا والتوصيل الكهربائي المتوسط من 535 خيارًا معقولًا لمكونات إدارة الحرارة حيث تكون مقاومة التآكل مطلوبة. تجمع الكثافة مع القوة النوعية العالية بين قوة جيدة إلى وزن من الأجزاء الهيكلية. يجب مراعاة التمدد الحراري في التجميعات التي تحتوي على مواد غير متجانسة لتجنب التشوه أو مشاكل الختم أثناء الظروف الحرارية.
أشكال المنتج
| الشكل | السُمك/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المعالجات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.3–6.0 mm | قوة أعلى في السماكات الملفوفة على البارد | O, H111, H32 | مستخدمة على نطاق واسع للمكونات المشكّلة والتغليف |
| صفائح | 6–150 mm | مطيلية أقل في القطاعات السميكة؛ مدخلات الحرارة أثناء التصنيع مهمة | O, H116 | شائعة في هياكل السفن والأعضاء الحاملة |
| بثق | سُمك الجدار >1 mm | تتغير القوة حسب المقطع والتبريد | O, H111 | تستخدم للبروفيلات الهيكلية والأُطُر |
| أنابيب | جدار 0.5–10 mm | التقويم والتشكيل تؤثر على الخصائص النهائية | O, H32 | أنابيب ضغط وأنابيب هيكلية للاستخدام البحري |
| قضبان / قضبان مستديرة | Ø 6–100 mm | تقسية شد محدودة في الأقسام الكبيرة | O, H112 | تستخدم لأجزاء ميكانيكية مثبتة ومسامير |
الصفائح والمنتجات الرقيقة غالبًا ما تكون مُبرّدة على البارد ويمكن تخزينها أو تثبيتها لتحسين مقاومة التآكل بالإجهاد، في حين يركز إنتاج الصفائح السميكة على التحكم في تاريخ الدرفلة والحلول للحفاظ على المتانة. تتطلب عمليات البثق تصميم قوالب دقيق لإدارة الإجهادات المتبقية وتقليل التشوه أثناء التقويم، وغالبًا ما يستلزم لحام الصحائف أو الهياكل المُبثقة استخدام سبائك حشو متوافقة مع محتوى المغنيسيوم.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 535 | الولايات المتحدة | تسمية مستخدمة في بعض كتالوجات الموردين؛ تندرج ضمن عائلة Al-Mg |
| EN AW | ~5xxx | أوروبا | مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بسبائك سلسلة EN AW 5xxx؛ التطابق الدقيق يعتمد على محتوى المغنيسيوم |
| JIS | سلسلة A5xxx | اليابان | توجد مكافئات في عائلات سبائك الألومنيوم-المغنيسيوم المصنعة اليابانية |
| GB/T | سلسلة Al-Mg | الصين | درجات المعيار الصيني تقارب تركيبات سلسلة 5xxx |
التسميات الرقمية المكافئة عبر المعايير تقريبية لأن الحدود الدقيقة للعناصر والسيطرة على الشوائب تختلف حسب المواصفة. عند استبدال المواد بين المعايير، يجب على المهندسين التحقق من حدود Mg, Mn والعناصر النزرة وكذلك حالة التصلب (Temper) لضمان مكافئة الأداء الميكانيكي ومقاومة التآكل.
مقاومة التآكل
يُظهر الألومنيوم 535 مقاومة متينة للتآكل العام في البيئات الجوية والصناعية بفضل الفيلم الواقٍ من أكسيد الألومنيوم، معزّزاً بتأثير المغنيسيوم المفيد في استقرار الفيلم السالب. في البيئات البحرية والمالحة المحتوية على الكلوريدات، يؤدّي 535 بشكل جيد مقارنة بالعديد من السبائك القابلة للمعالجة الحرارية، مع احتمال حدوث تآكل حفري موضعي عند تلف الطبقات الواقية ووجود تجاويف.
قابلية التشقق بالإجهاد-التآكل (SCC) منخفضة مقارنة بالسبائك عالية القوة من سلسلة 2xxx الحاملة للنحاس، وتُسيطر عليها من خلال محتوى النحاس المنخفض واختيار حالة التصلب المناسبة؛ ومع ذلك، قد تظهر زيادة في المخاطر في حالات التصلب الناتجة عن العمل البارد الشديد تحت إجهاد شد في بيئات عدوانية. التفاعلات الكهروكيميائية مع مواد أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ يمكن أن تسرع التآكل الموضعي على 535 ما لم يُوفر عزل كهربائي أو حماية تضحية.
مقارنةً بسلاسل 6xxx و7xxx، يقدم 535 مقاومة أفضل للكلوريدات لكن بقوة أقل مقارنة بالسبائك التي وصلت للقوة القصوى في 6xxx/7xxx. يفضل المصممون غالباً 535 للمكونات الهيكلية البحرية لأنه يوازن مقاومة التآكل مع قابلية اللحام ولا يعاني من التليين المتعلق بحالة التصلب بعد اللحام كما في العديد من السبائك القابلة للمعالجة الحرارية.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يلحم 535 بسهولة عبر عمليات الانصهار الشائعة مثل TIG وMIG مع مخاطر منخفضة للتشقق الحراري عند استخدام معدن ملء وتصميم وصلات مناسبين. ينصح باستخدام سدادات لحام تتطابق مع تركيبة Al-Mg (على سبيل المثال، سلسلة ER5356/5183) للحفاظ على مقاومة التآكل وتقليل المراحل الحبيبية بين الحبوب. قد يطرأ تليين على منطقة التأثير الحراري في حالات التصلب العالية، لذا يُستخدم عادةً تخفيف الإجهاد بعد اللحام أو اختيار حالات تصلب مستقرة في التطبيقات الهيكلية.
قابلية التشغيل
باعتباره سبيكة Al-Mg غير قابلة للمعالجة الحرارية، يتمتع 535 بقابلية تشغيل معقولة أسهل عادة من العديد من السبائك عالية القوة، لكنها ليست سهلة القطع مثل بعض سبائك Al-Si المصبوبة. توفر أدوات الكربيد وسرعات القطع المتوسطة مع تبريد مُكثّف أفضل توازن بين عمر الأداة وجودة السطح. تميل رقائق القطع لأن تكون مستمرة ومرنة، مما يجعل التحكم في رقائق الإزالة وتنظيف القطعة أمرًا حيويًا في عمليات التغذية العالية.
قابلية التشكيل
في حالة التلدين O، يظهر 535 قابلية تشكيل ممتازة ويمكنه تحمل عمليات السحب العميق، الثني، واللكم المعقد بزوايا انحناء صغيرة مقارنة بالسُمك. يزيد العمل البارد إلى حالات H من القوة لكنه يقلل القابلية للتشكيل؛ لذلك يجب على المصممين اختيار O أو H111 للأجزاء التي تتطلب تشكيلاً كبيرًا، مع التخطيط لتعويض الاستعادة الارتدادية عند استخدام حالات H32/H116. نادراً ما يستخدم التشكيل الساخن لكنه مفيد لتحسين القابلية للسحب في المقاطع السميكة.
تصرف المعالجة الحرارية
كعضو في عائلة 5xxx، لا يستجيب 535 للمعالجات الحرارية التقليدية للحل والشيخوخة ولا يظهر تمهيد صلادة من نوع T6 ذي معنى. تُعدّل الخاصية الميكانيكية بشكل رئيسي من خلال العمل البارد المُتحكم به واختيار حالات التصلب H المناسبة، أحياناً مع استقرار منخفض الحرارة لتقليل التحسسية.
يتم التلدين الكامل إلى الحالة O من خلال التسخين إلى نطاق التلدين المعين للسبيكة، عادة بين 300–415 °C مع تبريد مُتحكم لاستعادة اللدونة وتليين المادة. يستخدم المصممون دورات استقرار الإجهاد-الشيخوخة أو التعرض الحراري المعتدل لتخفيف الإجهادات المتبقية مع الحفاظ على مقاومة التآكل بدلاً من زيادة القوة القصوى.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
تتناقص مقاومة 535 مع ارتفاع درجة الحرارة؛ يحدث فقد ملحوظ في خواص الخضوع والشد فوق حوالي 100–150 °C تحت حمل مستمر. للتعرض المتقطع حتى ~200 °C قد تُقبل فترات قصيرة، لكن الخدمة المطولة عند درجات حرارة مرتفعة تسهل استعادة البنى المجهرية التي تعرضت للعمل البارد وتقيد الخواص الميكانيكية.
يحد الطبقة الأكسيدية الوقائية من الأكسدة عند درجات الحرارة العالية، لكن التعرض طويل الأمد قد يؤدي إلى تكوين قشور وتكبير البنية الدقيقة مما يضعف أداء الإجهاد المتكرر. تكون المناطق الملحومة حساسة بشكل خاص للدورات الحرارية، لذا يجب مراعاة إدارة الحرارة والاستقرار الحراري بعد المعالجة لتجميعات تتعرض لدرجات حرارة مرتفعة.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 535 |
|---|---|---|
| السيارات | ألواح هيكلية وعناصر تعزيز | قوة جيدة نسبةً إلى الوزن وقابلية جيدة للتشكيل للمكونات المثقوبة |
| البحرية | ألواح الهيكل وأعضاء السوبرستركشر | مقاومة ممتازة لتآكل مياه البحر وقابلية جيدة للحام |
| الفضاء | مكونات ثانوية وحوامل | مقاومة تآكل عالية مع قوة تنافسية للأجزاء غير الحرجة |
| الإلكترونيات | أغطية و ألواح تبديد حراري | موصلية حرارية معقولة ومقاومة للتآكل |
يُختار 535 عادةً للتطبيقات التي تتطلب أداءً متينًا مقاومًا للتآكل مع قابلية تصنيع جيدة. قدرته على اللحام والتشكيل والتشطيب بدون دورات حرارية معقدة تجعله جذابًا للاستخدامات البحرية والهيكلية العامة حيث تعتبر المتانة وتكاليف دورة الحياة مهمة.
نصائح الاختيار
اختر 535 عندما تحتاج إلى الألومنيوم متوسط القوة المقاوم للتآكل والذي يمكّن من اللحام والتشكيل بسهولة دون دورات معالجة حرارية. هو خيار عملي للهياكل البحرية والنقل التي تحظى فيها مقاومة الكلوريد وسلامة اللحام بأهمية خاصة.
مقارنة بالألومنيوم التجاري النقي مثل 1100، يتخلّى 535 جزئيا عن الموصلية الكهربائية والحرارية وقليل من القابلية للتشكيل مقابل قوة أعلى بكثير وأداء هيكلي أفضل. مقابل السبائك المصلّدة بالعمل مثل 3003 أو 5052، يقدم 535 عادة قوة أعلى ومقاومة تآكل مماثلة أو أفض، لكنه قد يكون أقل قابلية للتشكيل من 3003 في بعض حالات التصلب. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يفضل 535 حيث يكون أداء ما بعد اللحام ومقاومة التآكل البحرية أهم من تحقيق أقصى قوة قصوى.
عند اتخاذ القرار، قم بموازنة أهمية اللحام ومقاومة التآكل في الخدمة عند اختيار 535، واعتبر خيارات حالات التصلب H لموازنة التشكيل والقوة النهائية. التوفر والتكلفة عادة ما تكون مناسبة لـ 535، لكن تأكد من حالات التصلب المتوفرة محلياً وأحجام الألواح/الصفائح لتتناسب مع عمليات التصنيع.
ملخص ختامي
يبقى سبيكة الألومنيوم 535 مادة هندسية ذات صلة من خلال دمج تقوية محلول صلب المغنيسيوم مع مقاومة تآكل قوية وقابلية لحام ممتازة، مقدماً بديلاً عملياً لكل من السبائك التجارية منخفضة القوة ودرجات عالية القوة القابلة للمعالجة الحرارية. استجابته المتوقعة للتصلب بالعمل وتوفرها في نطاق من حالات التصلب يجعلانها خياراً متعدد الاستخدامات للتطبيقات البحرية، والنقل، والتصنيع العام حيث تعتبر المتانة وقابلية التصنيع عوامل رئيسية.