ألمنيوم 8021: التركيب، الخواص، دليل المعالجة الحرارية والتطبيقات

نظرة شاملة

تصنف درجة 8021 ضمن سلسلة سبائك الألومنيوم 8xxx، وهي عائلة تحتوي على تركيبات خارج المجموعات التقليدية 1xxx–7xxx وعادةً ما تُصمم لأداء محدد بدلاً من التوحيد للسوق العامة. تميل تركيبتها الكيميائية إلى احتوائها على كميات معتدلة من السيليكون والمغنيسيوم مع مستويات محكومة من الحديد والمنغنيز؛ وتُضاف كميات صغيرة من النحاس والكروم والتيتانيوم لضبط القوة والتحكم بحجم الحبيبات.

يمكن عمومًا معالجة السبيكة حراريًا عن طريق تقسية الترسيب عندما يكون المغنيسيوم والسيليكون موجودين بنسبة مناسبة، على الرغم من أن بعض طرق الإنتاج التجارية تستخدم أيضًا التقسية بالتمدد الخاضع للتحكم لتحقيق خصائص متوسطة. تشمل الخصائص الرئيسية قوة نوعية معتدلة إلى مرتفعة لسبيكة غير 7xxx، مقاومة جيدة للتآكل في الظروف الجوية، موصلية حرارية وكهربائية معقولة للألومنيوم، وقدرة جيدة على التشكيل في البُرادات الملدنة؛ وقابلية جيدة للحام عادة مع الانتباه لمطابقة الحشو ومدخل الحرارة.

القطاعات الصناعية التي تستفيد عادة من التوازنات التي تقدمها 8021 تشمل السيارات (الألواح الهيكلية وألواح الإغلاق)، والنقل (مبادلات حرارية وتشطيبات)، والسلع الاستهلاكية (التزيينات والحوامل خفيفة الوزن)، والتغليف المتخصص حيث يلزم دمج القدرة على التشكيل والقوة. يختار المهندسون 8021 عندما يحتاجون إلى ألومنيوم متوسط القوة وقابل للمعالجة الحرارية يقدم قوة أفضل من سبائك 1xxx/3xxx الشائعة مع سهولة تشكيل وتكلفة أقل من أنظمة 6xxx/7xxx عالية القوة.

مقارنة بالعديد من السبائك القابلة للمعالجة حراريًا، تؤكد 8021 على الأداء المتوازن—استجابة تقسية ترسيب مناسبة بدون حساسية مفرطة للتبريد/الشيخوخة—وغالبًا ما تُفضل حيث لا يمكن التنازل عن قابلية اللحام والأداء المقاوم للتآكل مقابل زيادات طفيفة في القوة.

أنواع البُرادات

البُرادة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع (20–35%)	ممتاز	ممتاز	مُلدن بالكامل، أقصى ليونة للتشكيل
H14	متوسط	متوسط (10–18%)	جيد	جيد	تقسية بالتمدد وصولاً إلى قوة متوسطة، تُستخدم للأجزاء المسحوبة
T4	متوسط	متوسط (12–20%)	جيد	جيد	معالجة حرارية بالمعالجة بالحل والشيخوخة الطبيعية؛ توازن بين التشكيل والقوة
T5	متوسط-مرتفع	أقل (8–15%)	مقبول	جيد	مبرد بعد التشكيل وشيخوخة صناعية؛ جيد للسباكة والأشكال المسحوبة
T6	مرتفع	منخفض (6–12%)	محدد	مقبول	معالجة حرارية بالحل وشيخوخة صناعية لأقصى قوة
T651	مرتفع	منخفض (6–12%)	محدد	مقبول	معالجة حرارية بالحل، تخفيف إجهادات عن طريق التمدد، شيخوخة صناعية؛ شائع للألواح الهيكلية

للبُرادة تأثير قوي على سلوك المقاومة للسحب والخضوع لأن 8021 تستجيب لتقسية الترسيب في وجود المغنيسيوم والسيليكون. المادة الملدنة (O) تُستخدم حيث يلزم أقصى قابلية تشكيل، في حين توفر بُرادات T6 أو T651 أقصى قوة للتطبيقات الهيكلية على حساب الليونة.

البُرادات الوسطية H وT تسمح للمصممين بتحقيق توازن بين التشكيل والقوة؛ على سبيل المثال تُختار عادة بُرادات T4 أو T5 حيث يُتوقع التشكيل أو اللحام اللاحق ولا تكون استجابة T6 الكاملة مطلوبة أو قد تسبب تشققات.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة %	ملاحظات
Si	0.3–0.9	يسهم في القوة عبر ترسيب Mg2Si عند وجود المغنيسيوم؛ يحسن القابلية للصب ويحد من ذوبانية الحديد.
Fe	0.2–0.7	شائبة شائعة؛ تتحكم في نوع الجسيمات بين المعدنية وتؤثر على هيكل الحبيبات والمطاوعة.
Mn	0.05–0.6	مكرر حبيبات وعنصر تقوية في الحالة الصلبة أو كمشتتات؛ يحسن مقاومة التآكل.
Mg	0.4–0.9	العنصر الرئيسي للتقسية (مع السيليكون) بواسطة ترسيب؛ يزيد أيضًا الاستجابة للتمدد الناعم.
Cu	0.05–0.4	يمكن أن يزيد القوة عبر ترسيبات Al2Cu لكنه قد يخفض مقاومة التآكل إذا زاد عن الحد.
Zn	0.05–0.25	عادة منخفض؛ يُضاف بكميات صغيرة لضبط القوة وحركية الشيخوخة.
Cr	0.02–0.15	يتحكم في إعادة التبلور ونمو الحبيبات؛ يستخدم لاستقرار البُرادة وتحسين المتانة.
Ti	0.01–0.10	يُضاف كمكرر حبيبات في الخام المصبوب المستمر؛ يساعد على خصائص متكافئة الاتجاهات.
أخرى	الباقي Al	قد توجد آثار لعناصر أخرى (V, Zr, Sr) للتحكم في البنية المجهرية.

موازنة المغنيسيوم والسيليكون تحدد ما إذا كانت 8021 تتصرف كسبائك تقسية ترسيب كلاسيكية (تكوين Mg2Si) أو تبقى مقواة في الأساس بواسطة تاريخ العمل والتشتتات البسيطة. يُتحكم عادة بالحديد والمنغنيز للحد من الجسيمات بين المعدنية الخشنة التي تضعف الليونة وقابلية التشكيل. تُستخدم إضافات بسيطة من الكروم والتيتانيوم للتحكم في البنية الحبيبية أثناء الدرفلة والسباكة لتحسين المتانة وتقليل الانحياز الاتجاهي.

الخصائص الميكانيكية

في مجال مقاومة الشد، تظهر 8021 مجالًا واسعًا من الخصائص القابلة للتحقيق: في الحالة الملدنة تُظهر ليونة مميزة للألومنيوم العام، في حين تصل بُرادات الشيخوخة القصوى إلى مستويات قوة مناسبة للاستخدامات الهيكلية الخفيفة. سلوك الخضوع في بُرادات T6/T651 يعكس تقوية ترسيب كلاسيكية مع زيادة كبيرة عن بُرادات O أو H؛ ويتأثر الهضبة وعوامل التقسية بالبُرادة وسماكة اللوح.

الصلادة تتبع مقاومة الشد؛ حيث تكون الألواح الملدنة ناعمة وسهلة التشكيل، في حين تظهر مادة T6 صلادة أعلى بشكل ملحوظ واستطالة أقل. الأداء في مقاومة التعب جيد عمومًا لفئة السبائك عند التحكم في تشطيب السطح؛ حيث تعتمد عمر التعب على مقاومة الشد، حالة السطح، والسماكة بسبب بدء التشقق عند عيوب السطح أو الجسيمات بين المعدنية.

تأثير السماكة مهم: الألواح الرقيقة تحقق قوة ظاهرية أعلى بعد العمل البارد والتبريد السريع بسبب معدلات التبريد الأسرع، في حين يحتاج اللوح السميك إلى معالجات حرارية أطول ويظهر بنية مجهرية خشنة قد تقلل أقصى قوة ممكنة. تؤثر أيضًا توترات التشغيل المتبقية وتليين منطقة تأثير الحرارة للحام على أداء التعب والشد.

الخاصية	O/الملدن	بُرادة رئيسية (T6/T651)	ملاحظات
مقاومة الشد	90–140 MPa	240–300 MPa	النطاق يعتمد على السماكة والمعالجة الحرارية؛ T6 يعطي أقوى استجابة.
مقاومة الخضوع	40–70 MPa	160–260 MPa	تزداد الخضوع بشكل ملحوظ مع الشيخوخة الصناعية؛ التشتت يُتحكم به عبر المعالجة.
الاستطالة	20–35%	6–12%	الملدنة للتشكيل؛ الشيخوخة القصوى تقلل الليونة وترفع القوة.
الصلادة	25–40 HB	70–95 HB	صلادة برينل تتبع تقريبًا مقاومة الشد؛ قد تختلف مع البُرادة والبنية المجهرية.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 g/cm³	نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ توفر نسب قوة إلى وزن جيدة.
نطاق الانصهار	≈ 555–640 °C	نطاق الصلادة/الانصهار يعتمد على السيليكون والسبائك الأخرى؛ ليس نقطة انصهار واحدة.
الموصلية الحرارية	130–160 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنها لا تزال كافية لتطبيقات المبادلات الحرارية.
الموصلية الكهربائية	32–44 % IACS	أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ مناسبة للعديد من التطبيقات الكهربائية.
السعة الحرارية النوعية	≈ 900 J/kg·K	قيم نموذحية للألومنيوم تستخدم في حسابات الكتلة الحرارية.
التوسع الحراري	23–24 µm/m·K	مماثل لسبائك Al-Mg-Si الأخرى؛ مهم لحسابات الإجهاد الحراري.

يجمع 8021 بين الموصلية الكهربائية والحرارية كتوازن مفيد بين الألومنيوم النقي والأنظمة عالية القوة الثقيلة السبائكية. يُعد التوسع الحراري والكثافة المنخفضة من مميزاته للأجزاء التي تطلب توافقًا في التمدد الحراري والتحكم في الوزن. يجب أن يأخذ المهندسون بعين الاعتبار الانخفاض في الموصلية مقارنة بالألومنيوم النقي عند تصميم مكونات نقل الحرارة أو هياكل الحافلات الكهربائية.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التمبَر الشائعة	ملاحظات
اللوح	0.2–6.0 mm	متجانس عبر التدوير البارد؛ السماكات الأرفع تصل إلى تبريد أسرع	O, H14, T4, T6, T651	يستخدم لألواح الهياكل، الأغطية، والمبادلات الحرارية
الصفائح	>6.0–100 mm	قد تظهر مقاومة شد أقل بسبب السماكات الأكبر	O, T6	مكونات هيكلية تتطلب مقاومة شد للقطع السميكة
البثق	مقاطع عرضية حتى 300 mm	تعتمد القوة على نسبة البثق وحالة الترسّب	T5, T6	الملامح المعقدة، القضبان، الهياكل
الأنابيب	أقطار 6–200+ mm	سماكة الجدار تؤثر على تبريد واستجابة التقدم بالعمر	O, T6	أنابيب المبادلات الحرارية، القنوات
القضبان/الأعواد	6–100 mm قطر	قابلة للتشغيل في الحالة O؛ أعلى مقاومة في T6	O, T6	المثبتات، الدبابيس، الأعمدة (حيث تكون مقاومة التآكل كافية)

يعتمد تشكيل الألواح والرقائق على جداول تدحرج محكمة ومعالجة محلول لتحقيق سلوك ترسيب متجانس في 8021. يتطلب البثق تحكماً دقيقاً في التركيب الكيميائي وتجانس السبيكة لتجنب عيوب السطح وتحقيق خصائص ميكانيكية متسقة. يستفيد إنتاج الصفائح للمكونات الهيكلية من دورات حرارية أطول وأحياناً من التماثل للحد من التفاوت في مركز القطعة والطبقات المعدنية الخشنة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	8021	الولايات المتحدة الأمريكية	تعيين تجاري معروف؛ يستخدم في سلاسل التوريد بأمريكا الشمالية.
EN AW	8021 (أو مؤقت)	أوروبا	بعض المصانع توفر مكافئات EN بموجب مواصفات المشاريع بدلاً من التوحيد الواسع.
JIS	A8021 (تجاري)	اليابان	يُشار إليه غالباً في أدبيات الموردين؛ قد يختلف التركيب الكيميائي بدقة.
GB/T	8021	الصين	توجد تسميات تجارية لكن قد تختلف مقاييس التفاوت الكيميائي قليلاً.

قد تكون المكافئات المباشرة 1:1 لسبائك 8xxx غامضة لأن المعايير الإقليمية تسمح غالباً بمستويات شوائب وتسميات تمبَر مختلفة قليلاً. يجب على المشترين طلب شهادات المصنع والتحليل الكيميائي للمشتريات عبر البلدان وعند الحاجة تحديد حدود الخصائص الحرجة بدلاً من الاعتماد على أسماء الدرجات فقط.

مقاومة التآكل

تقدم 8021 عادة مقاومة جيدة للتآكل الجوي بسبب توازن نسبة Mg/Si ومحتوى النحاس المسيطر عليه. تكون السبائك طبقة أكسيد مستقرة وملتصقة في العديد من البيئات وتقاوم الحفر بشكل أفضل مقارنة بالسبائك عالية النحاس، مما يساعد في التطبيقات المعمارية الخارجية وتقليم السيارات.

في الأجواء البحرية ورش الملح، تؤدي 8021 أداءً مقبولاً مقارنة بسلسلة 5xxx، رغم أن الغمر طويل الأمد في محاليل الكلوريد سيكشف عن قابلية للهجوم الموضعي إذا كانت الطبقات الواقية غير كافية. يمكن تعزيز الأغشية السلبية بواسطة عملية التأكسد الأنودي أو الطلاءات التحويلية لتمديد عمر الخدمة في البيئات العدائية.

التشققات الناتجة عن التآكل تحت إجهاد ليست سبباً رئيسياً للفشل في 8021 مقارنة بسبائك 7xxx عالية القوة، لكن المعدن المعالج بمعدل زيادة عمر أو الملحوم بشكل غير صحيح مع ترسيبات خشنة قد يظهر مقاومة منخفضة لهذه الظاهرة. يجب إدارة التوصيل الجلفاني بالعزل ضد السبائك الكاثودية (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ) واختيار مثبتات أو طلاءات متوافقة؛ التوصيلية المعتدلة وسلوك التآكل يضعان 8021 بين عائلتي 3xxx/5xxx النشيطتين وعائلتي 2xxx/7xxx الأكثر نشاطاً.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام
تلحم 8021 جيداً بعمليات شائعة (TIG, MIG/GMAW، واللحام بالمقاومة) عند الانتباه إلى دخل الحرارة وتوافق سلك الحشو. أسلاك الحشو النموذجية هي من سلسلة 4xxx (Al‑Si) أو خلطات 5xxx/4xxx اعتماداً على مقاومة التآكل المطلوبة واحتفاظ القوة؛ تقلل أسلاك 4xxx ميل التشقق الحراري عن طريق تشجيع معدن لحام أكثر ليونة. عادة ما يلين منطقة تأثير الحرارة (HAZ) مقارنة بالمعدن الأساسي في حالة الذروة، لذا قد يكون من الضروري معالجة حرارية بعد اللحام أو تعويض في التصميم للتطبيقات الهيكلية.

قابلية التشغيل
في الحالة المطاولة (annealed) تُشغل 8021 بطريقة مماثلة لسبائك Al‑Mg‑Si الأخرى مع تحكم جيد في رقائق القطع وقلة تآكل الأدوات؛ مؤشر القابلية للقطع متوسط إلى عالي. يُوصى باستخدام أدوات كربيد أو فولاذ سريع مغطى بـ TiN لعمليات القطع المتقطعة أو في حالات T6 الأكثر صلابة. يجب أن تكون سرعات التغذية والقطع محافظة للحالات ذات الحالة المتقدمة لتجنب تراكم الحافة؛ يساهم استخدام التبريد والهندسة الحادة في تقليل تصلب سطح العمل.

قابلية التشكيل
يُفضل التشكيل في تمبر O أو T4 حيث تكون اللدونة والتأرجح الزنبركي ملائمة؛ تعتمِد أدنى أنصاف أقطار الثني على التمبر والسماكة، وعادة 1–3 مرات السماكة للثني البسيط في اللوح المطاوع. يزيد التشكيل البارد القوة عبر تقسية التشوه، ويمكن لدورات المحلول والشيخوخة اللاحقة استعادة أو زيادة صلابة القطع. للرسم العميق أو الطي المعقد، استخدم مواد تزييت وتشكيل تدريجي لتجنب التجاعيد وتشقق الحواف.

سلوك المعالجة الحرارية

كعضو في فئة السبائك القابلة للمعالجة الحرارية (بفضل Mg و Si)، يخضع 8021 لتسلسل تمبَر T القياسي: معالجة محلول في درجات حرارة عادة بين 500–540 °C لحل المراحل القابلة للذوبان، تبريد سريع للاحتفاظ بمحلول صلب مشبع زائداً، وتعتيق صناعي عند 150–200 °C لترسيب Mg2Si والمراحل ذات الصلة. وقت المعالجة المحلولة ومعدل التبريد حاسمان للألواح والصفائح؛ السماكات الرفيعة تبرد بسرعة وتصل إلى مقاومة الذروة بشكل أكثر توازناً مقارنة بالقطع السميكة.

دورات التعتيق الصناعي النموذجية لتمبر T6 تحقق الخصائص القصوى خلال 4–12 ساعة عند 160–185 °C، بينما دورات T5 أقصر وتتم على أشكال مشكَّلة أو مشرَّدة تم تبريدها من درجات حرارة مرتفعة. يقلل التعتيق المفرط من مقاومة الذروة لكنه يحسّن ارتخاء الإجهاد والمتانة؛ يستخدم تمبر T7 عند الحاجة إلى استقرار حراري ومقاومة تشققات التآكل تحت الإجهاد.

إذا عولج 8021 في تمبَر العمل المقسى، يُجرى التمطيل (O) بنقعه عند ~350–400 °C يتبعه تبريد بطيء لتليين السبيكة واستعادة قابلية التشكيل. تُستخدم دورات التنعيم الجزئي (تمبَر H) لضبط القوة بدون دورات معالجة حرارية كاملة.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تحافظ 8021 على خصائص ميكانيكية مفيدة حتى درجات حرارة خدمة متوسطة؛ فوق ~150 °C تبدأ مراحل ترسيب Mg2Si في التضخم وتفقد السبيكة مقاومة ملموسة. للاستخدام المستمر في درجات حرارة مرتفعة، ينبغي للمصممين مراعاة التعتيق المفرط لتثبيت البنية المجهرية، لكن هذا يقلل من مقاومة الذروة في درجة حرارة المحيط.

التأكسد محدود بفضل طبقة أكسيد الألومنيوم الواقية، لكن التعرض الطويل لدرجات حرارة عالية قد يؤدي إلى تكون قشور وانتشار عناصر مذابة تغير من السطح والخصائص الميكانيكية. قد تظهر مناطق تأثير حرارة اللحام نعومة أو تضخم ترسيبي إضافي عند درجات حرارة الخدمة العالية، لذا غالباً ما يُحدد هامش أمان ومعالجة بعد اللحام لتطبيقات الدورات الحرارية.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 8021
السيارات	ألواح الهيكل، الألواح الإنشائية الداخلية	توازن بين قابلية التشكيل والقوة؛ تخفيض الوزن وأداء جيد في مقاومة التآكل
البحرية	التشطيبات، الحوامل الهيكلية الخفيفة	مقاومة التآكل وقابلية اللحام في بيئات معتدلة العدوانية
الفضاء	الملحقات الثانوية، أغلفة الطائرات	نسبة قوة إلى وزن وسلوك حراري ملائم للتركيبات غير الأساسية
الإلكترونيات	مبادلات حرارية، أغطية	توصل حراري جيد وسهولة التشكيل لأشكال معقدة

يُختار 8021 عادة للتطبيقات التي يطلب فيها المصممون توازناً بين سهولة التشكيل للسبائك منخفضة السبائك وقوة السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الأقوى. ويجعلها تأقلمها مع أشكال المنتجات وجداول التمبَر خياراً اقتصادياً للأجزاء الهيكلية متوسطة التحميل وأجزاء إدارة الحرارة.

نصائح اختيار

لإرشاد سريع في الاختيار: اختر 8021 عندما تحتاج إلى قوة أعلى من الألمنيوم التجاري النقي مع الحفاظ على قابلية تشكيل ومقاومة تآكل أفضل من بعض السبائك عالية القوة القابلة للمعالجة الحرارية. وهو خيار عملي عندما تكون مقاومة ذروة معتدلة، وقابلية لحام جيدة، وتوصيل حراري معقول مطلوبة دون التعامل الخاص بسبائك سلسلة 7xxx عالية القوة.

مقارنة بـ 1100 (الألمنيوم النقي تجاريًا)، تقدم سبائك 8021 تضحيات في التوصيلية الكهربائية والحرارية مقابل مكاسب كبيرة في مقاومة الشد ومقاومة الخضوع وتقليل الارتداد أثناء التشكيل. مقارنةً بالسبائك المعالجة بالتصلب مثل 3003 أو 5052، توفر 8021 عادة قوة أعلى بعد المعالجة الحرارية مع مقاومة تآكل مماثلة أو محسنة، لكنها أقل سهولة في التشكيل البارد دون تنعيمات وسيطة. بالمقابل مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، قد تكون قوة 8021 القصوى أقل قليلاً، لكنها مفضلة لتحسين قابلية اللحام، وتبسيط استجابة المعالجة الحرارية، أو حينما يُرغب في تحقيق توازن محدد بين التوصيلية وقابلية التشكيل.

يجب أخذ التكلفة والتوافر في الاعتبار: تشكل 8021 خيارًا جذابًا للقطع ذات الحجم العالي حيث يقلل توازنها المخصص من خطوات التصنيع، لكن للمتطلبات الأعلى قوة أو حيث تُفرض تركيبات معتمدة من الطيران، قد يزال من الضروري استخدام سبائك 6xxx أو 7xxx.

الملخص الختامي

تظل 8021 ذات أهمية كسبائك ألمنيوم متوسطة المدى ومتعددة الاستخدامات تتيح للمصممين سد الفجوة بين الألمنيوم النقي عالي القابلية للتشكيل وأنظمة السبائك شديدة القوة والأكثر هشاشة. استجابتها المرنة للمعالجة الحرارية، وقابلية اللحام المقبولة، وخصائصها المتوازنة من حيث مقاومة التآكل والخواص الحرارية تجعلها مادة عملية للتطبيقات في صناعة السيارات، البحرية، الإلكترونيات، وقطاع الطيران الخفيف حيث تعتبر القابلية للتصنيع والأداء ذي التكلفة المعقولة من العوامل الأساسية.