ألمنيوم 5652: التركيب، الخصائص، دليل التصلب، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
5652 هي سبيكة ألومنيوم تنتمي إلى سلسلة 5xxx من سبائك Al–Mg، تتميز بالمغنيسيوم كعنصر سبيكي رئيسي. هي سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، وتتصلب عن طريق التشوه (strain-hardened) حيث تكتسب قوتها بشكل أساسي من العمل البارد بدلاً من التقوى بالتبرزن (precipitation hardening).
المكونات السبيكية الرئيسية في 5652 هي المغنيسيوم مع إضافات مضبوطة من المنغنيز والكروم للتحكم في بنية الحبوب وزيادة مقاومة التآكل. توفر السبيكة مزيجاً من قوة مرتفعة نسبياً مقارنةً بالألومنيوم النقي، ومقاومة جيدة جداً للتآكل في البيئات الجوية والبحرية، بالإضافة إلى قابلية تشكيل ولحام معقولة عند استخدامها بالحالات الحرارية المناسبة.
تشمل الصناعات التي تحدد استخدام 5652 الإنشاءات البحرية، والنقل (بما في ذلك المقطورات والمكونات الهيكلية خفيفة الوزن)، وأوعية الضغط والأنابيب حيث يتطلب التوازن بين القوة ومقاومة التآكل، وبعض التطبيقات المعمارية أو الصناعية المختارة. يختار المهندسون مادة 5652 على سبائك أخرى عندما يحتاجون إلى بديل أقوى من الألومنيوم النقي أو سلسلة 3xxx مع الحفاظ على أداء متفوق ضد التآكل البحري مقارنةً بالعديد من سبائك 6xxx و7xxx المعالجة حرارياً.
تُفضّل هذه السبيكة على سبائك المعالجة الحرارية ذات القوة الأعلى عندما يكون الشكل العميق، ومقاومة التآكل بين الحبيبات، وسهولة المعالجة الحرارية أولوية. طابعها غير القابل للمعالجة الحرارية يبسط الإنتاج ويقلل من التعرض لتغيرات الخواص الناتجة عن الحرارة، وهو ما يعتبر ميزة في التجميعات الملحومة والمشكَّلة.
الدرجات الحرارية (Temper Variants)
| الحالة الحرارية | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | ضعيف | عالي (20–30%) | ممتازة | ممتازة | حالة م annealed بالكامل لأقصى قابلية تشكيل |
| H12 | منخفض–متوسط | متوسط (12–18%) | جيدة جداً | ممتازة | متصلبة بشكل خفيف، تحتفظ بقدرة تشكيل جيدة |
| H14 | متوسط | متوسط (10–15%) | جيدة | جيدة جداً | تصلب متوسط لزيادة القوة |
| H32 | متوسط–عالي | أقل (8–12%) | مقبولة | جيدة جداً | متصلبة ومستقرة، حالة تجارية شائعة |
| H34 | عالي | منخفض (6–9%) | محدودة | جيدة | عمل بارد كثيف لتعظيم القوة على حساب قابلية التشكيل |
| H112 | متغير | متوسط (15–25%) | جيدة | ممتازة | حالة كما تم تصنيعها مع خواص تعتمد على تاريخ الإنتاج |
تؤثر الحالات الحرارية بشكل كبير على التوازن بين القوة والليونة في 5652. توفر المادة المعالجة حرارياً (O) أفضل قابلية تشكيل واستطالة للرسم العميق والتشكيل المعقد، في حين تزيد درجات H القوة تدريجياً عن طريق العمل البارد على حساب قابلية الشد.
تبقى قابلية اللحام جيدة عبر معظم الحالات الحرارية لأن 5652 غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ ومع ذلك، قد يحدث تليين محلي في الحالات شديدة العمل بجانب مناطق تأثير الحرارة في اللحام (HAZ). لذلك، يجب على المصممين اختيار أقل حالة حرارية تحقق القوة المطلوبة لتعظيم قابلية التشكيل والخواص بعد اللحام.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | التحكم في الشوائب؛ الإفراط في Si قد يقلل الليونة |
| Fe | ≤ 0.50 | الحديد يشكل مركبات بين فلزية قد تقلل الليونة والأداء ضد التآكل |
| Mn | 0.2–0.6 | التحكم في بنية الحبوب وتحسين القوة ومقاومة التآكل |
| Mg | 2.7–3.6 | العنصر الرئيس للتقوية؛ يتحكم في تقوية محلول صلب وقدرة التشغل البارد |
| Cu | ≤ 0.10 | يحافظ على مقاومة التآكل والسلوك الأنودي منخفض |
| Zn | ≤ 0.25 | مستويات منخفضة لتجنب الحساسية الجلفانية والحفاظ على الليونة |
| Cr | 0.05–0.25 | سبائك دقيقة للتحكم في الحبوب ومقاومة إعادة التبلور وتآكل الإجهاد |
| Ti | ≤ 0.15 | مكرر حبوب للمعالجة المصبوبة أو المشغولة عند التحكم به |
| عناصر أخرى | ≤ 0.15 (لكل منها) | عناصر أثر وبقايا؛ محدودة جماعياً للحفاظ على الخواص |
تم تحسين التركيب لتوفير تقوية محلول صلب من المغنيسيوم مع الحفاظ على مقاومة التآكل عبر انخفاض النحاس والحديد المتحكم به. يُضاف الكروم والمنغنيز بمستويات منخفضة للتحكم في حجم الحبوب، ومنع إعادة التبلور أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية، وتثبيت القوة بعد العمل البارد.
العناصر الثانوية والبقايا محدودة بشدة لمنع تكوين مركبات بين فلزية ضارة، وللحفاظ على قابلية اللحام والتشطيب السطحي الجيدين. نطاق محتوى Mg هو المفتاح الأساسي لتعديل الخواص الميكانيكية واستجابة العمل البارد.
الخواص الميكانيكية
تُظهر 5652 سلوك شد ليّن في الحالة المعالجة حرارياً (O) وزيادة تدريجية في القوة مع انخفاض الاستطالة مع زيادة العمل البارد. السلوك الإنشائي عادةً تدريجي مع حد مطاطي واضح ومنطقة تصلب تشوهي بارزة؛ درجات العمل الكثيف تُظهر إجهادات خضوع أعلى ولكن استطالة موحدة أقل. أداء التعب جيد عموماً للهياكل الملحومة وغير الملحومة إذا ما تم أخذ تركيزات الإجهاد والتشطيب السطحي في الاعتبار، لكن اللحامات والهندسات الحادة تقلل بشكل كبير من عمر التعب.
تُظهر الصلادة نفس الاتجاه نحو الخواص الشدّية، حيث تزداد من أرقام برينل منخفضة نسبياً في حالة O إلى قيم أعلى بكثير في درجات H، مما يعكس تراكم هياكل التشوّه. تؤثر السماكة بشكل ملحوظ؛ حيث يمكن للصفائح الرفيعة أن تُعمل ببرودة إلى مستويات قوة أعلى وتتصلب بسهولة أكبر، بينما تحافظ الألواح السميكة على معدلات تصلب أقل وقد تتطلب معالجة مختلفة للوصول إلى قوى مماثلة.
| الخاصية | O/معالجة حرارية | درجة رئيسية (H34) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 120–160 MPa | 280–320 MPa | القيم تعتمد على السماكة ومحتوى المغنيسيوم الدقيق |
| قوة الخضوع | 35–70 MPa | 220–260 MPa | نقطة خضوع 0.2% لاستخدام التصميم |
| الاستطالة | 20–30% | 6–9% | انخفاض كبير مع العمل البارد الثقيل |
| الصلادة | 30–40 HB | 80–100 HB | ترتبط الصلادة بالعمل البارد وتاريخ التشوّه |
القيم الواردة في الجدول هي منطقية لمجموعة واسعة من الألواح والصفائح المنتجة بشكل شائع؛ يجب التحقق من القيم الدقيقة بواسطة شهادات المصنع للتصاميم الحرجة. كما يجب على المصممين أخذ الاعتبار للونية الخواص الناتجة عن اتجاه الدرفلة، وتأثير عمليات التشكيل على القوة والليونة المحلّية.
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.66–2.70 g/cm³ | أقل قليلاً من الفولاذ، مما يتيح توفير الوزن |
| نطاق الانصهار | ~570–640 °C | تتغير درجة الصلادة والسائلة حسب التكوين؛ نمطي للسبائك Al–Mg |
| التوصيل الحراري | ~110–140 W/m·K (درجة حرارة الغرفة) | أقل من الألومنيوم النقي لكنه لا يزال جيداً لتطبيقات نقل الحرارة |
| التوصيل الكهربائي | ~22–28 % IACS | منخفض بسبب السبائكية مقارنة بالألومنيوم النقي |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.90 J/g·K | مفيد لحسابات السعة الحرارية المؤقتة |
| التوسع الحراري | 23–24 x10^-6 /K | معامل نموذج للسبائك الألومنيوم المشغولة |
تجعل الخواص الحرارية والكهربائية 5652 مناسبة لتطبيقات تتطلب تبديد حرارة معقول وتوصيل كهربائي، في حين توفر الكثافة فائدة كبيرة في نسبة القوة إلى الوزن مقارنةً بالمواد الحديدية. يجب مراعاة التوسع الحراري عند دمج 5652 مع مواد مختلفة لتجنب إجهاد الوصلات خلال دورات الحرارة.
ونظراً لبقاء التوصيل الحراري عالياً نسبياً، تُعد 5652 مناسبة لمكونات توزيع الحرارة حيث يتطلب الأمر قوة ميكانيكية متوسطة، لكن للخدمات الهيكلية ذات درجات الحرارة العالية، تتدهور خصائصها بشكل كبير فوق حوالي 100–150 °C.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | الأوضاع الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.3–6.0 mm | يتصلب العمل بسهولة؛ السماكات الرقيقة تحقق تصلب عمل أعلى | O, H12, H14, H32 | تستخدم للألواح المشكّلة والأجزاء المسحوبة السطحية |
| صفائح | 6–50+ mm | معدل تصلب عمل أقل؛ المقاطع الثقيلة أقل ليونة | O, H112, H32 | مكونات هيكلية وألواح أكثر سمكاً |
| بثق | حسب القطاع | تتأثر المقاومة بتشوه ما بعد البثق وتاريخ التشيخ | As‑extruded, H112 | بروفيلات معقدة للأُطُر والأعضاء الهيكلية |
| أنابيب | أقطار حتى 600 mm | مُسحبة على البارد أو ملحومة؛ الخصائص الميكانيكية تعتمد على المعالجة | O, H32 | أنابيب ضغط وأقسام هيكلية جوفاء |
| قضبان/أعمدة | Ø3–100 mm | قابلة للتشغيل وعمليات عمل بارد لتحقيق مقاومة أعلى | O, H14, H34 | مُثبتات ودبابيس ومكونات ميكانيكية |
تُستخدم الألواح ومنتجات السماكة الرقيقة عادةً في الحالات التي يكون فيها التشكيل وتشطيب السطح مهمين، بينما يُختار الصفائح والبثوق للتطبيقات الهيكلية التي تتحمل الأحمال. فروقات المعالجة مثل الدرفلة الساخنة، الدرفلة الباردة، والتلدين المُتحكم به تُحدد البنية المجهرية النهائية وبالتالي الاستجابة الميكانيكية لكل شكل من أشكال المنتج.
تتطلب الأنابيب والملفوفات الملحومة غالبًا معالجة ميكانيكية بعد اللحام أو عمليات تخفيف الإجهاد عندما تُنتج في أوضاع حرارية قوية (H-tempers) لتقليل التشوه والليونة الموضعية. من الضروري تحديد الوضع الحراري، السماكة، وتسلسل التشكيل بدقة لضمان توافق الحالة المسلمة مع توقعات التصميم.
الدرجات المعادلة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 5652 | الولايات المتحدة الأمريكية | تعيين أساسي يستخدم في مواصفات المصانع في أمريكا الشمالية |
| EN AW | 5652 | أوروبا | تسمية أوروبية؛ الكيمياء والأوضاع الحرارية قد تختلف بحسب المصنع |
| JIS | A5652 (غير رسمي) | اليابان | غير موحد على نطاق واسع؛ الموردون المحليون قد يستخدمون كيمياءات مشابهة |
| GB/T | 5652 | الصين | قد تسرد المراجع الإقليمية تركيبات مماثلة تحت هذا المعرف |
تحاول التسميات القياسية عبر المناطق تمثيل الكيمياء الاسمية نفسها، لكن اختلافات في نطاقات السماح، ممارسات المعالجة، وتعريفات الأوضاع الحرارية قد تؤدي إلى اختلافات جوهرية في الخواص. يجب تقييم المواد المستوردة من مناطق مختلفة باستخدام تقارير الاختبارات المعملية وبيانات الاختبارات الميكانيكية بدلاً من الاعتماد فقط على اسم الدرجة.
تظهر الفروقات الدقيقة غالبًا بسبب الحدود القصوى للشوائب (Fe, Si)، العناصر النزرة، والمعالجة الحرارية الميكانيكية لدى المنتج، وهذه تؤثر على مقاومة التعب، سلوك المقاومة للتآكل، وقابلية التشكيل أثناء الخدمة.
مقاومة التآكل
يظهر 5652 مقاومة قوية للتآكل الجوي النمطية لسبائك الألمنيوم–المغنيسيوم، حيث يشكل طبقة أكسيد مستقرة تحمي الركيزة تحت التعرض البيئي العادي. تعزز نسبة المغنيسيوم العالية مقاومة التآكل النقطي والتآكل العام في العديد من البيئات البحرية والساحلية، مما يجعل السبيكة مناسبة لهياكل السفن، تراكيب السطح والتجميعات الخارجية المكشوفة.
في البيئات المكلورة العدائية، يمكن أن يحدث تآكل موضعي، خصوصًا في المناطق المتعرضة للإجهاد أو الخدوش وحول الوصلات الجلفانية. يجب تصميم بعناية لتجنب ملامسة المعادن المختلفة واستعمال مثبتات متوافقة أو طبقات عازلة للحد من التآكل الجلفاني؛ كما يُحدد عادةً الحماية الفدائية أو الطبقات الواقية للتعرض الطويل للمياه المالحة.
تزداد قابلية التصدع نتيجة التآكل بالضغط في سبائك 5xxx بزيادة محتوى المغنيسيوم والإجهاد المسبق بالشد؛ يمكن للسبائك التي تحتوي على Mg > 3.5% أن تكون أكثر حساسية في ظروف محددة مثل درجات الحرارة المرتفعة والإجهاد الشد المستمر. مقارنةً بسلاسل 2xxx أو 7xxx، فإن 5652 أقل عرضة بشكل كبير للتصدع الناتج عن التآكل بالضغط في البيئات البحرية لكنه يظل أكثر عُرضة من الألمنيوم النقي في بعض التركيبات المتعرضة للإجهاد الناتج عن اللحام.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
يلحم 5652 بسهولة باستخدام عمليات شائعة مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW)، مع اندماج جيد ومخاطر محدودة للتشققات الساخنة عند اختيار سبائك الحشو المناسبة. تُوصى عادة بـ 5356 أو 5183 (حشوات Al–Mg) لمطابقة أداء المقاومة للتآكل والخواص الميكانيكية؛ ويُنصح بتجنب حشوات ذات محتوى نحاس عالي لتفادي التآكل الموضعي.
تعاني منطقة التأثير الحراري من تليين نسبي مقارنةً بالمعادن الأم المرتبطة بتصلب العمل الشديد بسبب تلدين العمل البارد؛ يجب على المصممين مراعاة انخفاض المقاومة المجاورة للّحامات والنظر في معالجة ميكانيكية بعد اللحام إذا كانت المقاومة حرجة. يساهم ضبط توافق المفصل والتحكم في مدخل الحرارة خلال اللحام في تقليل المسامية والمحافظة على عمر التعب.
قابلية التشغيل
تعتبر قابلية تشغيل 5652 متوسطة مقارنة بسبائك الألمنيوم سهلة التشغيل؛ تستجيب جيدًا لأدوات كربيد حادة وزوايا قطع إيجابية وتغذية معتدلة. يميل تشكل الرقائق لأن يكون مستمرًا مع ميل للالتصاق عند السرعات المنخفضة ما لم يُستخدم سائل تبريد أو تبريد هوائي؛ الكربيد المطلي أو الحديد عالي السرعة مع طبقات TiAlN يعطي عمر أدواة جيد.
بسبب تصلب العمل لـ 5652، يمكن أن تزيد القطوع المتقطعة أو إعادة القطع على الأسطح المتصلبة من تآكل الأدوات؛ يقلل العمق الخفيف للقطع مع السرعات الأعلى وإزالة الرقائق المستمرة من خلاص السطح واستقراره الأبعادي.
قابلية التشكيل
جيدة جدًا في الأوضاع O والوضعيات H الخفيفة مع نصوص انحناء وتمدد متوقعة؛ نصف قطر الانحناء الداخلي الأدنى النموذجي للألواح يتراوح بين 1–3× سماكة المادة حسب الوضع وطريقة الانحناء. يزيد التشكيل البارد من كثافة الإزاحة وبالتالي يتصلب العمل للسبيكة، مما يسمح بتعديل المقاومة الموضعي لكنه قد يستلزم عمليات تلدين وسطية للتشوه الشديد.
الممارسة الفضلى هي الطباعة أو التشكيل في الوضع القطاعي الألين الذي يحقق مطابقة القياسات، وتجنب أنصاف أقطار حادة أو انحناءات عكسية شديدة في أوضاع H العالية. يجب مراعاة ارتجاع الزنبرك في تصميم القوالب بسبب نسبة الخضوع إلى الشد العالية للألمنيوم.
سلوك المعالجة الحرارية
5652 سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية ولن تستجيب لعلاج المحلول أو التشيخ الصناعي كما تفعل سبائك سلسلتي 6xxx أو 7xxx. تُحقق تعديلات المقاومة أساسًا من خلال العمل البارد وعمليات التلدين التي تتحكم في بنيات الإزاحة والتعافي.
يستخدم التلدين (كامل أو جزئي) لتليين السبيكة قبل التشكيل؛ دورات التلدين النموذجية لسبائك Al–Mg المشغولة تكون في نطاق 300–415 °C مع أوقات نقع ومعدلات تبريد تختار لعدم السماح بنمو حبيبات مفرط. لمنع التباين في الإنتاج، تستخدم معالجات تثبيت الحرارة (مثل H112) والتبريد المتحكم بعد المعالجة الساخنة لضبط الوضع الابتدائي وتخفيض التغير في السلوك الميكانيكي.
الأداء في درجات الحرارة العالية
في درجات الحرارة المرتفعة، يفقد 5652 المقاومة تدريجيًا بسبب التعافي وانخفاض كثافة الإزاحة؛ يُلاحظ انخفاض كبير في المقاومة عادةً فوق 100–150 °C. قد يؤدي التعرض طويل الأمد للحرارة المرتفعة إلى تسريع نمو الحبيبات وتقليل مقاومة التعب وحدود الزحف بالمقارنة مع الأداء في درجة حرارة الغرفة.
الأكسدة محدودة لأن الألمنيوم يشكل طبقة أكسيد واقية، لكن قد تحدث تقشّر وتغيرات في السطح عند درجات حرارة عالية تؤثر على تشطيب السطح والتماسك الطبقي. يسبب اللحام دورات حرارية موضعية يمكن أن تؤدي إلى تليين في الأوضاع العاملة على البارد؛ يجب على المصممين التفكير في المعالجة الميكانيكية بعد اللحام أو اختيار الأوضاع التي تتحمل تأثيرات منطقة التأثير الحراري.
الاستخدامات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 5652 |
|---|---|---|
| البحرية | تجهيزات السطح، هياكل جسور صغيرة | مقاومة ممتازة للتآكل في مياه البحر، نسبة قوة إلى وزن جيدة |
| السيارات / النقل | ألواح المقطورات، أرضيات الشحن | قابلية تشكيل جيدة للألواح مع مقاومة أعلى من الألمنيوم النقي |
| الفضاء (ثانوي) | التجهيزات، الحوامل | توازن جيد بين القوة والليونة ومقاومة التآكل للهياكل غير الأساسية |
| الضغط والتخزين | خزانات، أغلفة أوعية الضغط | ليونة ومتانة مع قابلية اللحام ومقاومة التآكل |
| الصناعات / الإلكترونيات | موزعات الحرارة، التغليف | توصل حراري مع مقاومة هيكلية كافية |
يُحدد 5652 عادة حيث يتطلب مزيج من سهولة التصنيع، مقاومة التآكل، ومقاومة أعلى من الألمنيوم النقي، وخاصة في التطبيقات البحرية والنقلية. تمكّن خصائصه المصممين من تقليل الوزن مع الحفاظ على متانة وعمر خدمة طويل في البيئات الخارجية والعدائية.
نصائح الاختيار
اختر 5652 عندما تحتاج إلى ألمنيوم بدرجة بحرية مع مقاومة أعلى من الدرجات النقية تجاريًا مع الاحتفاظ بمقاومة ممتازة للتآكل وقابلية للحام. إنه بديل عملي للسبائك منخفضة المقاومة عندما يتطلب الأمر التشكيل واللحام دون تعقيد المعالجة الحرارية.
بالمقارنة مع الألومنيوم التجاري الخالص (1100)، تضحي درجة 5652 ببعض الموصلية الكهربائية وقابلية التشكيل النهائية للحصول على قوة أعلى بكثير وتحسين مقاومة الكلوريدات. مقابل السبائك المقسّاة بالعمل مثل 3003 أو 5052، توفر 5652 عمومًا قوة أعلى ومقاومة تآكل بحري مماثلة أو أفضل، لكن قابليتها للتشكيل أقل من 3003.
بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061، تقدم 5652 مقاومة أفضل للتآكل في البيئات البحرية ومعالجة أبسط (دون دورة معالجة بالمعالجة بالحل-الشيخوخة)، مما يجعلها مفضلة عندما يكون الأداء تحت تعرض الكلوريد وموثوقية اللحام أهم من الحاجة إلى أقصى صلابة بعد التسنين.
الخلاصة الختامية
تظل درجة 5652 خيارًا ذا صلة للهندسة الحديثة حيث يُطلب الجمع بين قوة مرتفعة، مقاومة ممتازة للتآكل وتصنيع بسيط. طبيعتها غير القابلة للمعالجة الحرارية تبسط التصنيع وتجعلها جذابة بشكل خاص للتطبيقات البحرية والنقلية والهيكلية حيث تُعطى الأولوية لقابلية اللحام والمتانة طويلة الأمد.