ألمنيوم 7099: التركيب، الخصائص، دليل المعالجة، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
يُعتبر 7099 سبيكة ألومنيوم عالية القوة تنتمي إلى سلسلة 7xxx من سبائك Al-Zn-Mg(-Cu). تم تطويرها لتطبيقات هيكلية متطلبة حيث يلزم وجود قوة نوعية عالية، ومقاومة جيدة للكسر، ومقاومة محسنة لتآكل الإجهاد مقارنةً بالسبائك الأساسية من سلسلة 7xxx.
العناصر الرئيسة المضافة في 7099 هي الزنك، والمغنيسيوم، والنحاس، مع إضافات دقيقة من عناصر مثل الزركونيوم وكميات صغيرة من الكروم أو التيتانيوم للتحكم في بنية الحبوب وإعادة التبلور. يتم تحقيق تقوية السبيكة أساسًا عبر تصلب بالترسيب (قابلة للمعالجة الحرارية) من خلال تكوين ترسيبات دقيقة من η' و η (MgZn2) بعد المعالجة الحرارية بالتحليل الحلولي والتقسية الصناعية؛ كما توفر البنية الدقيقة المتحكم بها هندسة حدود الحبوب لتقليل القابلية لتآكل الإجهاد.
تشمل السمات الرئيسية للسبائك 7099 قوة شد وخضوع عالية جدًا في درجات التقسية القصوى، مقاومة تآكل داخلية متوسطة إلى منخفضة نموذجية لسبائك عالية الزنك (ولكن غالبًا ما تتحسن بفعل التقسية الزائدة أو المعالجات التالية للتصنيع)، قابلية لحام محدودة في درجات التقسية القصوى، وتشكيل أقل مقارنة بسبائك 3xxx/5xxx. الاستخدامات النموذجية هي في مجالات الطيران، السيارات عالية الأداء، الدفاع وبعض السلع الرياضية عالية القوة التي تتطلب مكونات هيكلية خفيفة الوزن. يختار المهندسون 7099 بدلاً من سبائك أخرى عندما تكون الحاجة لمزيج من القوة العالية جدًا، ومقاومة الكسر، ومقاومة تآكل الإجهاد الموجهة تتفوق على التنازلات في قابلية التشكيل، والتوصيلية، وسلامة اللحام.
أنواع التقسية
| الدرجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالي | ممتاز | ممتاز | علاج كامل بالتخمير، أقصى لدونة للتشكيل |
| T1 | متوسط | متوسط | جيد | ضعيف إلى متوسط | تم تبريده من العمل الساخن وشيّد طبيعيًا |
| T4 | متوسط-عالي | متوسط | متوسط | ضعيف | معالجة محلولية وشيّد طبيعيًا |
| T6 | عالي جدًا | منخفض-متوسط | محدود | ضعيف | معالجة محلولية وتقسية صناعية لتحقيق أقصى قوة |
| T651 | عالي جدًا | منخفض-متوسط | محدود | ضعيف | درجة T6 مع شد تخفيف للجهد بعد التبريد |
| T73 / T76 | متوسط-عالي | متوسط | محسّن | أفضل من T6 | درجات تقسية زائدة لتحسين مقاومة تآكل الإجهاد والتقشير |
| H14 / H24 | متوسط | منخفض | محدود | أفضل من T6 | درجات تقسية بالتشغيل على البارد لتطبيقات الصفائح |
للتقسية تأثير أساسي على التوازن الميكانيكي بين القوة مقابل الليونة ومقاومة التآكل. درجات التقسية القصوى (T6/T651) تعزز القوة الثابتة ومقاومة التعب لكن تقلل من قابلية التشكيل وتزيد من القابلية لتآكل الإجهاد؛ بينما درجات التقسية الزائدة (T73/T76) تتنازل عن بعض القوة لتحسين المتانة والأداء البيئي.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق (%) | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.10 | مراقبة الشوائب؛ تبقى منخفضة لتجنب المركبات البينية التي تقلل المتانة |
| Fe | ≤ 0.25–0.50 | شائبة؛ تعزز المركبات البينية التي قد تكون مواقع بدء التعب |
| Mn | ≤ 0.10 | كميات ضئيلة، عادة مراقبة لتقييد الأطوار الضارة |
| Mg | ~2.0–3.0 | عنصر رئيسي للتقوية بالترسيب (ترسيبات MgZn2) |
| Cu | ~1.2–2.6 | يرفع القوة ويساهم في تسلسل التقسية؛ يؤثر على مقاومة التآكل/تآكل الإجهاد |
| Zn | ~6.5–8.5 | عنصر تقوية رئيسي ينتج قوة ذروة عالية عبر ترسيبات Mg-Zn |
| Cr | ~0.02–0.25 | يضاف بكميات متناهية للتحكم في إعادة التبلور، وتحسين بنية الحبوب |
| Ti | ≤ 0.10 | مُحسن للحبوب عند الإضافة بكمية مضبوطة |
| عناصر أخرى | الباقي (Al) + كميات ضئيلة من Zr، Ag، إلخ. | عادة تُستخدم عناصر دقيقة مثل Zr للتحكم في التشتت ومنع إعادة التبلور |
النطاقات أعلاه تمثل الممارسات النموذجية لسبائك 7xxx ذات القوة العالية وليست أرقامًا محددة بالضبط. يتعاون الزنك والمغنيسيوم والنحاس لإنتاج ترسيبات دقيقة مسؤولة عن القوة العالية؛ كما تعزز عناصر دقيقة مثل Zr/Cr/Ti بنية حبوب فرعية مستقرة مقاومة لإعادة التبلور مما يحسن المتانة ويقلل من حساسية تآكل الإجهاد.
الخصائص الميكانيكية
يوفر 7099 نطاقًا واسعًا من قوة الشد يعتمد بشكل كبير على درجة التقسية؛ حيث يظهر المعدن المعالج حراريًا سلوكًا شدياً ليّنًا مع استطالة منتظمة ملحوظة، بينما تصل درجات التقسية القصوى إلى قوى شد نهائية تقارن بأعلى سبائك الألومنيوم استخدامًا في الطيران. مقاومتا الخضوع في درجات T6 و T651 عالية بحيث يمكن استبدال بعض مكونات الفولاذ على أساس الوزن؛ لكن الاستطالة وقابلية الانحناء تكون مقيدة. تتبع الصلادة مقاومة الشد ومقاومة الخضوع، ما يجعلها مؤشرًا جيدًا للتحكم في الجودة وعملية التقسية.
أداء التعب للسبيكة 7099 في الدرجات المحسنة قوي مقارنة بسبائك الألومنيوم الأخرى، ويتحسن بسبب التحكم الدقيق في الشوائب وبنية الحبوب؛ ومع ذلك، فإن عمر التعب حساس لحالة السطح، والإجهادات المتبقية، والتعرض البيئي. تؤثر السمك بشدة: فالأجزاء السميكة أكثر صعوبة للمعالجة المحلولة المتجانسة وقد تحتفظ بتدرجات في الخصائص عبر السمك، كما تميل لأن تكون أكثر عرضة لتقشير التآكل أو التآكل بين الحبيبي إذا لم يتم تقسينها بشكل صحيح أو تقسيها ارتفاعيًا.
يُحدث التليين المرتبط بالتآكل والتأثيرات الحرارية على منطقة تسخين اللحام (HAZ) تراجعًا كبيرًا في القوة المحلية وطول عمر التعب؛ لذلك يجب دائمًا مراجعة الأداء الميكانيكي في سياق عملية التصنيع النهائية ودرجة التقسية المختارة.
| الخاصية | درجة O/المعالجة | أهم الدرجات (مثل T6/T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~220–300 MPa (نموذجي) | ~540–620 MPa (نموذجي) | قيم ذروة التقسية تعتمد على السبيكة والدرجة؛ النطاقات تمثل قيم هندسية نموذجية |
| مقاومة الخضوع | ~90–150 MPa | ~470–560 MPa | نسبة الخضوع إلى الشد النهائية تتغير حسب درجة التقسية والتاريخ المعالجي |
| الاستطالة | ~15–25% | ~6–12% | تقل الليونة مع زيادة القوة؛ التصميم يجب أن يأخذ في الاعتبار التشكيل المحدود في درجات القوة العالية |
| الصلادة | ~40–80 HB | ~150–185 HB | صلادة برينل أو فيكرز ترتبط جيدًا بقوة الشد للتحكم في العمليات |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.78–2.81 g/cm³ | نموذجية لسبائك Al-Zn-Mg-Cu عالية القوة؛ تتيح قوة نوعية عالية |
| نطاق الانصهار | الصلب ≈ 475–500 °C؛ السائل ≈ 635–655 °C | السباكة تخفض نقطة الصلابة مقارنة بالألومنيوم الخالص؛ النطاقات تعتمد على التركيب الكيميائي الدقيق |
| التوصيل الحراري | ~120–160 W/m·K (درجة حرارة الغرفة، تقريبياً) | أقل من الألومنيوم الخالص؛ يقل التوصيل مع زيادة سباكة العناصر |
| التوصيل الكهربائي | ~30–50 %IACS (نموذجي) | منخفض بشكل كبير مقارنة بالألومنيوم الخالص؛ تتأثر القيم بالتقسية وحالة الترسيب |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.85–0.92 J/g·K | مقاربة لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ مفيدة في التصميم الحراري |
| المعامل الحراري للتمدد | ~23–24 µm/m·K (من 20 إلى 100 °C) | تمدد نموذجي للألومنيوم؛ يجب مراعاته في التجميعات مع مواد منخفضة التمدد |
الخصائص الفيزيائية أعلاه هي قيم تقريبية هندسية مخصصة للحسابات الحرارية والمبدئية للكتلة. تقل التوصيلية الحرارية والكهربائية مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبائك والترسيبات؛ وهذه التغيرات تؤثر على تفريق الحرارة والسلوك الكهرومغناطيسي في المكونات عالية الأداء.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | التمبُرات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.4–6.0 mm | نسبة قوة إلى وزن جيدة في T6/T651؛ سماكة كاملة T73 لتحسين مقاومة تشقق الإجهاد بالتآكل (SCC) | O, Hx, T6, T651, T73 | تُستخدم على نطاق واسع للألواح والطبقات المشكّلة حيث تُطلب القوة والصلابة |
| صفائح | 6–100+ mm | ممكن وجود تدرجات خصائص خلال السماكة؛ القطاعات السميكة غالباً ما تحتاج معالجات خاصة بالحلول | T6, T651, T76 | معالجة الصفائح تتطلب أفران أكبر وتحكم في التبريد لمنع تليين المركز |
| بروفيلات (بثق) | بروفيلات حتى عدة مئات من مم | شد عالي في التمبُرات الذروية بعد الشيخوخة؛ اتجاهية البثق تؤثر على الخصائص | T6, T651, T73 | الأعضاء الهيكلية المبثوقة تستفيد من إضافات تحكم في إعادة التبلور |
| أنابيب | يختلف القطر وسماكة الجدار | سلوك مشابه للبثق؛ الخصائص المحيطية تختلف عن الطولية | T6, T651 | مكونات الأنابيب تحتاج لشيخوخة بعد البثق للوصول للخصائص المرغوبة |
| قضبان/أعمدة | أقطار من صغيرة إلى كبيرة | تعتمد الخصائص على المادة الخام والتبريد | O, T6, T651 | تُستخدم لقطع التشغيل ذات القوة العالية وأعمدة التثبيت |
مسار المعالجة يؤثر بشكل كبير على الخصائص النهائية: التدريع والبثق ينطويان على تشوه كبير وسلوك إعادة تبلور يجب التحكم فيه بواسطة السبائك الدقيقة (Zr, Cr) للحفاظ على بنية الحبيبات الفرعية المواتية. القطع والقطع السميكة تحتاج إلى معالجة محلول أكثر شدة وتبريد دقيق لتجنب تليين مركز اللوح، بينما الألواح الرقيقة تسهل شيخوختها بشكل موحد ويمكن تشكيلها في تمبُرات أنعم قبل خطوة الشيخوخة النهائية.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 7099 | الولايات المتحدة الأمريكية | تُستخدم التسمية في بعض كتالوجات الموردين ومواصفات الطيران |
| EN AW | لا يوجد ما يعادل مباشر شامل | أوروبا | لا يوجد رقم EN واحد يطابق 7099 بشكل عالمي؛ السبائك المشابهة تشمل متغيرات عائلة EN AW-7075 / EN AW-7050 |
| JIS | — | اليابان | لا يوجد مكافئ مباشر في JIS شائع؛ قد يُؤمن وفق مواصفات طيران مملوكة |
| GB/T | — | الصين | المعايير الصينية قد تسرد سبائك عالية القوة من Zn-Mg-Cu لكن المكافئات المباشرة تتطلب مطابقة التركيب والتمبُر |
المكافئات المباشرة لـ7099 محدودة لأن السبائك غالباً ما تكون مملوكة أو تُنتج وفق مواصفات موردي الطيران التي تتحكم في السبائك الدقيقة والمعالجة الحرارية-الميكانيكية. عند الاستبدال، يجب على المهندسين مقارنة جداول الخصائص الكيميائية والميكانيكية كاملة بدلاً من الاعتماد فقط على التسمية الاسمية.
مقاومة التآكل
في الظروف الجوية، يُظهر 7099 أداءً أفضل من بعض سبائك الزنك عالية الشيخوخة الذروية عند تطبيق الشيخوخة الزائدة أو الطلاءات الواقية المناسبة، لكنه أقل مقاومة للتآكل عمومًا من سبائك السلسلة 5xxx و3xxx. تُستخدم عمليات معالجة السطح مثل تحويل الكرومات، التأكسد الأنودي والدهانات الواقية عادة لتوفير عمر خدمة قابل للاستخدام في البيئات المكشوفة وللتقليل من التآكل الموضعي (التجاويف).
السلوك البحري هو اعتبار حاسم؛ تعريض المياة المالحة يعزز التجاويف والهجوم بين الحبيبات في السبائك عالية الزنك والنحاس ما لم يتم التخفيف بواسطة تمبُرات الشيخوخة الزائدة (T73/T76)، التبطين، أو الحماية التضحية. الاستخدام في مناطق الرذاذ البحري أو الغمر الطويل يحتاج اختيار دقيق للسبائك والتمبُر، تجهيز السطح، والحماية الكاثودية عند الحاجة.
تشقق الإجهاد بالتآكل (SCC) هو خطر معروف لسبائك 7xxx عالية القوة في حالات الشيخوخة الذروية، خصوصًا تحت إجهاد شد مستمر في بيئات تآكلية. تم هندسة متغيرات السبائك مثل 7099 مع إضافات سبائكية وتوصيات تمبُر (الشيخوخة الزائدة) لتقليل قابلية SCC، لكن يجب على المصممين مراعاة التفاعلات الجلفانية عند اقتران 7099 مع مواد أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم، ويجب تقليل التجاويف والضغوط المتبقية الشدية.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
لحام 7099 يمثل تحدياً في التمبُرات عالية القوة لأن مناطق تصلب الترسيب في منطقة التأثر الحراري (HAZ) ومنطقة الالتحام معرضة لتليين كبير وفقدان الخصائص الميكانيكية. يمكن استخدام لحام TIG وMIG للإصلاحات الموضعية أو الوصلات لكنه يتطلب عادة معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) أو تصميم ميكانيكي لتجنب تركيزات إجهاد عالية. السبائك المستخدمة للحشو عادةً تكون من متغيرات 7xxx ذات قوة أقل أو حشوات مخصصة توازن بين القوة ومقاومة التشقق؛ ومع ذلك، يُفضل غالبًا طرق اللحام بالاحتكاك والتثبيت الميكانيكي للتجميعات الهيكلية لتجنب تدهور منطقة التأثر الحراري.
قابلية التشغيل
سلوك تشغيل 7099 جيد عمومًا بين سبائك الألومنيوم عالية القوة: يُشغل بسهولة أكثر من الفولاذ عالي القوة وقد يحقق معدلات إزالة مادة عالية، لكن هندسة الأدوات وموادها يجب أن تراعي ميل السبائك للتصلب أثناء التشغيل ووجود الترسيبات الكاشطة. الأدوات الكربيدية ذات هندسة زاوية إيجابية، تغذية عالية وسرعات معتدلة توفر أفضل توازن؛ يُنصح بالتبريد وإزالة الرقائق لتجنب تكون حافة متراكمة. مؤشر قابلية التشغيل أقل عادةً من سبائك السلسلة 6xxx لكنه مقبول للمكونات المعقدة والدقيقة باستخدام أدوات حديثة.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل البارد محدودة في التمبُرات الذروية؛ نصف قطر الانحناء الأدنى أكبر مقارنةً بسلسلة 5xxx أو 3xxx والارتداد الربيعي كبير بسبب ارتفاع مقاومة الخضوع. أفضل ممارسة هي التشكيل في تمبُرات أنعم (O أو T4/H) وإجراء الشيخوخة الصناعية النهائية (T6) بعد التشكيل عند الإمكان. يمكن استخدام التشكيل بالشد، التشكيل التزايدي، وتقنيات التشكيل الفائق للبلاستيك للأشكال المعقدة، كما أن اختيار التمبُر (مثلاً سلسلة H1x) يمكن أن يحسن قابلية التشكيل لمهام التشوه المحدودة.
سلوك المعالجة الحرارية
كسبائك قابلة للمعالجة الحرارية، يتبع 7099 تسلسل الحل–التبريد–الشيخوخة التقليدي. عادةً ما تُجرى المعالجة بالحل قرب الطرف العلوي لنطاق الحل الصلب (حوالي 470–480 °C، حسب السبائك) لإذابة المراحل القابلة للذوبان، تليها تبريد سريع للحفاظ على محلول صلب مشبع. تتم الشيخوخة الصناعية عند درجات حرارة متوسطة (عادة 120–180 °C) لمدة محددة لترسيب جسيمات η' الدقيقة وتحقيق أقصى قوة (T6).
تُستخدم الشيخوخة الزائدة (متغيرات T7x) لتكبير حجم الجسيمات وتقليل فرق الجهد الكهروكيميائي عند حدود الحبيبات، مما يحسن مقاومة SCC والتقشير مع تناقص بسيط في القوة القصوى. يُشير التعيين T651 إلى تخفيف الاجهاد بالتطويل بعد التبريد للتحكم في الضغوط المتبقية والتشوه؛ وهذا شائع في تطبيقات الطيران. التحكم الجيد في المعالجة الحرارية، معدل التبريد، ووصفات الشيخوخة اللاحقة ضرورية لتحقيق الخصائص الميكانيكية والبيئية المطلوبة.
السلوكيات غير القابلة للمعالجة الحرارية ليست مطبقة على 7099 بالمعنى الكلاسيكي لأن تقسية الترسيب هي آلية التقوية الأساسية؛ ومع ذلك، يمكن استخدام التلدين المحلي (مثلاً للتشكيل) وتسلسلات تقسية الشغل في الإنتاج للوصول إلى مجموعات خصائص متوسطة قبل الشيخوخة النهائية.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
يفقد 7099 القوة تدريجيًا مع ارتفاع درجة الحرارة فوق درجة الحرارة المحيطة بسبب حساسية ترسيباته للحرارة؛ درجات حرارة الخدمة المستمرة فوق حوالي 100–120 °C تقلل من مقاومة الخضوع والقوة القصوى ويمكن أن تسرع من تكبير الترسيبات. التعرض القصير لدرجات حرارة أعلى يمكن أن يُعيد تنعيم أو يسبب شيخوخة زائدة للبنية الدقيقة، مؤثرًا على الخصائص الميكانيكية والوقاية من التآكل.
أكسدة سبائك الألومنيوم عند درجات حرارة الخدمة النموذجية ضئيلة مقارنةً بالفولاذ، لكن خصائص أكسيد السطح والطلاءات الواقية يجب الاعتبار لها في بيئات دورات الحرارة. يمكن أن تواجه مناطق التأثر الحراري في مناطق اللحام تلييناً موضعياً وفقدان الصلابة عند درجات حرارة مرتفعة؛ لذا يجب أن يقيد التصميم التعرض الحراري الموضعي ويأخذ في الحسبان تغير الإجهادات المتبقية والبنية الدقيقة.
التطبيقات
| الصناعة | مكون نموذجي | سبب استخدام 7099 |
|---|---|---|
| الطيران والفضاء | مثبتات جسم الطائرة، تركيبات الأجنحة، التصاميم الهيكلية المطروقة | قوة نوعية عالية ومقاومة محسنة لتشقق الإجهاد بالتآكل في تمبُرات مختارة |
| السيارات | مكونات هيكلية عالية الأداء، أعضاء امتصاص الصدمات الهيكلية | تقليل الوزن مع قوة مماثلة لفولاذ درجات أقل |
| البحرية | أعضاء هيكلية، حوامل خارجية (مع معالجة وقائية) | نسبة قوة إلى وزن عالية حيث توجد تدابير للتحكم بالتآكل |
| الدفاع | مكونات الأسلحة الصغيرة، أجزاء هيكلية للمركبات | قوة ومتانة عالية للأحمال الخدمية الصعبة |
| الرياضة والترفيه | هياكل دراجات هوائية متقدمة، مكونات السباقات | صلابة ممتازة إلى وزن وأداء عالي ضد التعب |
يُختار 7099 للمكونات التي تُفضل فيها القوة العالية ومقاومة الانكسار حيث يمكن تطبيق ضوابط التصنيع (المعالجة الحرارية، التشطيبات الواقية) بشكل موثوق. وُظيفته غالبًا تكون كمادة تمكينية لتصاميم حساسة للوزن وقوة التحميل العالية.
معلومات الاختيار
يجب اختيار 7099 عندما تكون تخفيض أوزان الهياكل والقوة الاستاتيكية والقوة ضد الإجهاد المتكرر من العوامل الأساسية في التصميم، وعندما يستطيع سلسلة التوريد التحكم في التخشين والحماية السطحية. وهو الأنسب حيث يسمح التصميم بالتشكيل المحدود بعد التشيخ النهائي أو يتضمن تشيخ ما بعد التشكيل لتحقيق القوة المطلوبة.
بالمقارنة مع الألومنيوم التجاري النقي (مثل 1100)، يقدم 7099 قوة أعلى بكثير ومعامل تمدد وموصلية أقل، مع تحسين بمقدار مرتبة واحدة في قدرة التحمل للحمل؛ استخدم 1100 فقط عندما تكون القابلية للتشكيل والموصلية الممتازة مطلوبة ولا تكون القوة حرجة. بالمقارنة مع السبائك المقواة بالعمل مثل (3003 / 5052)، يوفر 7099 قوة أعلى بشكل ملحوظ على حساب القابلية للتشكيل ومقاومة التآكل الأبسط؛ اختر 5052/3003 عندما تكون القابلية للتشكيل ومقاومة التآكل البحري ذات أولوية قصوى. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل (6061 / 6063)، يقدم 7099 قوة قصوى أعلى بشكل كبير ومتانة أفضل ضد التكسر في درجات التخشين القصوى، ما يجعله مفضلاً حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن حرجة، رغم أن 6061/6063 تظل أسهل في اللحام والتشكيل وغالبًا أقل تكلفة.
الملخص الختامي
يظل 7099 ذا صلة في الهندسة الحديثة حيث يتيح الجمع بين القوة النوعية العالية جداً، ومتانة التكسر المضبوطة، ومقاومة التآكل الناتج عن التشقق المُهندس، تصميمات لا يمكن إنجازها باستخدام سبائك الألومنيوم ذات القوة الأقل، شريطة أن تتوافق عمليات التصنيع والتشطيب والفحص مع سلوك السبيكة الحساس للتخشين.