ألمنيوم A1100: التركيب الكيميائي، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
سبائك الألومنيوم A1100 تنتمي إلى سلسلة 1000، وتصنف كألومنيوم تجاري نقي بحد أدنى من محتوى الألومنيوم عادةً حوالي 99.0%. تنتمي إلى عائلة "11xx" التي تتميز بمحتوى منخفض جداً من السبائك وقلة الإضافات المتعمدة إلى جانب العناصر النزرة.
العناصر الرئيسية المسببة للسبائك موجودة بكميات صغيرة فقط وتشمل السيليكون والحديد والنحاس والمنغنيز والمغنيسيوم والزنك والكروم والتيتانيوم كعناصر متبقية. تؤثر هذه الإضافات النزرة على التحكم في الشوائب، وبنية الحبيبات، والاتساق الميكانيكي دون تحويل المادة إلى سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية.
A1100 هي سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية وتعتمد قوتها بشكل شبه كامل على تقسية الشغل (الشد البارد) وعمليات التلدين الحرارية المختارة. من خصائصها الرئيسية التوصيلية الكهربائية والحرارية العالية، وقابلية التشكيل الممتازة، ومقاومة التآكل الجيدة، وقوة ميكانيكية منخفضة نسبياً مقارنةً بالسبائك المضافة.
الاستخدامات الصناعية النموذجية لـ A1100 تشمل معدات العمليات الكيميائية، الأجهزة الكهربائية والإلكترونية (مثل حافات التوصيل، الرقائق، والمشتتات الحرارية)، العواكس والعناصر المعمارية، التعبئة والتغليف والتطبيقات التي تلامس الأغذية، وتصنيع الصفائح المعدنية العامة. يختار المهندسون A1100 عندما يكون مطلوباً أكبر قدر من الليونة، وتنعيم السطح، والتوصيل، ومقاومة التآكل مع التضحية بالقوة والصلابة مقارنةً بالسبائك 3xxx، 5xxx، أو 6xxx.
أنواع المعالجة الحرارية (Temper)
| نوع المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | مرتفع | ممتاز | ممتاز | تلدين كامل، أقصى ليونة |
| H12 | منخفض-متوسط | مرتفع-متوسط | جيد جداً | ممتاز | ربعية التقسية، زيادة معتدلة في القوة |
| H14 | متوسط | متوسط | جيد | ممتاز | نصف قاسي، شائع للتشكيل المتوسط |
| H16 | متوسط-مرتفع | متوسط-منخفض | مقبول | ممتاز | ثلاثة أرباع قاس، زيادة في القوة |
| H18 | مرتفع | منخفض | محدود | ممتاز | قاس كامل، أعلى قوة بعد الدرفلة |
| H22/H24 | منخفض-متوسط | جيد | جيد جداً | ممتاز | تقسية بشد ثم تثبيت؛ يحتفظ بقابلية التشكيل |
يهيمن اختيار المعالجة الحرارية لـ A1100 على مستويات تقسية الشغل وليس المعالجات الترسيبية لأن السبيكة غير قابلة للتقسية بالشيخوخة. تقدم معالجة O (المُلدّنة) أفضل قابلية للتشكيل وأعلى ليونة لعمليات السحب العميق واللف. أما المعالجات H فتعوض الليونة مقابل القوة وتُستخدم عندما يكون التشكيل محدوداً أو عندما تُطلب صلابة إضافية بدون اللجوء إلى سبائك أخرى.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | يوجد عادة كعنصر متبقي؛ تأثير طفيف على القدرة على الصب |
| Fe | ≤ 0.95 | الشائعة الرئيسية؛ تؤثر على القوة ومظهر السطح |
| Mn | ≤ 0.05 | قليل جداً؛ تقسية ضعيفة |
| Mg | ≤ 0.05 | منخفض جداً؛ لا تقسية ذائبة ملحوظة |
| Cu | ≤ 0.05 | يُحافظ عليه منخفضاً للحفاظ على مقاومة التآكل والتوصيل |
| Zn | ≤ 0.10 | مُتبقي؛ تأثير محدود على الخواص الميكانيكية |
| Cr | ≤ 0.05 | كميات ضئيلة؛ يستخدم للتحكم في بنية الحبيبات |
| Ti | ≤ 0.03 | مكرر الحبيبات في عمليات الصب والتشكيل |
| أخرى | ≤ 0.15 مجموعياً | شوائب أخرى منخفضة لضمان مواصفات النقاء |
تتميز أداءات A1100 بفضل نسبة الألومنيوم العالية؛ ويتم التحكم في الشوائب النزرة والإضافات البسيطة للحفاظ على التوصيلية الكهربائية والحرارية ومقاومة التآكل. الحديد هو العنصر المتبقي الرئيسي الذي يؤثر على الخواص الاتجاهية ومظهر السطح، بينما التيتانيوم النزري مهم لتحسين الحبيبات أثناء الصب والمعالجة الأولية.
الخواص الميكانيكية
سلوك الشد لـ A1100 يتميز بقوة شد قصوى منخفضة نسبياً واستطالة جيدة جداً في الحالة الملدنة. مقاومة الخضوع منخفضة في حالة O وترتفع بشكل متناسب مع التقسية الناتجة عن الشغل البارد في المعالجات H؛ ولا تظهر السبيكة استجابة لتقسية بالشيخوخة. الاستطالة في حالة O مرتفعة وتتناقص مع زيادة رقم H، مما يجعل H18 أو القاسي الكامل غير مناسبين للسحب العميق لكن مناسبين للمكونات الصلبة.
الصلادة تتبع نفس الاتجاه كما في خواص الشد وترتبط ارتباطاً وثيقاً بمستوى الشغل البارد؛ قيم Rockwell وVickers متواضعة في حالة O وترتفع مع المعالجات H. أداء التعب (Fatigue) نموذجي لسبائك الألومنيوم منخفضة القوة: لا يوجد حد تعب واضح، لكن تحمل التعب يزداد مع تحسين جودة السطح، وتقسية الشغل البارد، وتقليل مراكز الإجهاد. للسماكة تأثير قوي على الخواص الميكانيكية؛ فالسماكات الرقيقة أسهل في تقسية الشغل البارد وقد تظهر قوة ظاهرية أعلى بعد الدرفلة وتقسية حافة القطع.
| الخاصية | O / ملدن | أهم المعالجات (H14 / H18) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~65–110 MPa | ~110–180 MPa | نطاق واسع حسب نوع المعالجة والسماكة؛ H18 يقترب من القيم العليا |
| مقاومة الخضوع | ~10–35 MPa | ~40–150 MPa | تزداد المقاومة بشكل ملحوظ مع تقسية الشغل؛ قيمة O منخفضة جداً |
| الاستطالة | ~35–45% | ~3–20% | ليونة عالية في حالة O؛ تقل في المعالجات الأصعب بحسب مقدار التقسية |
| الصلادة | ~20–35 HB | ~40–60 HB | تزداد الصلادة مع الشغل البارد؛ القيم تعتمد على مقياس القياس والمعالجة |
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.71 g/cm³ | نموذجية للألومنيوم التجاري النقي |
| نطاق الانصهار | ~660 °C (النقطة الصلبة/النقطة السائلة بالقرب من 660 °C) | تتصرف كالالومنيوم قريب النقاء؛ فترة انصهار ضيقة |
| التوصيل الحراري | ~220–235 W/m·K | عالية بين المعادن الإنشائية؛ تنخفض قليلاً مع زيادة الشوائب |
| التوصيل الكهربائي | ~45–65 % IACS | توصيل عالي؛ يعتمد على مستوى الشوائب وتقسية الشغل البارد |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.897 J/g·K (897 J/kg·K) | قيم نموذجي عند درجة حرارة الغرفة |
| التوسع الحراري | ~23–24 µm/m·K (20–100 °C) | تمدد حراري متوسط للمصممين المعدنيين |
التوصيل الحراري والكهربائي العاليان يجعلان من A1100 خياراً مفضلاً في تطبيقات إدارة الحرارة والموصلات التي تتطلب قابلية التشكيل. الكثافة المتوسطة إلى جانب التشتت الحراري الممتاز توفر توازن جيد بين القوة والوزن للمكونات غير الهيكلية. يجب مراعاة التمدد الحراري في التجميعات التي تضم مواد مختلفة لتجنب تراكم الإجهادات أثناء تغير درجات الحرارة.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المعالجات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2–6.0 mm | منخفض إلى متوسط بعد الشغل البارد | O, H14, H16, H18 | مستخدمة على نطاق واسع للكسوة، العواكس، والتصنيع العام |
| ألواح سميكة | >6.0 mm | منخفض؛ يصعب تحليتها بالشغل البارد عند السماكات الكبيرة | O, H22 | استخدام أقل شيوعاً؛ محدودية في التشغيل والتشكيل |
| بثق | سماكة الجدار متغيرة | منخفض؛ يمكن تقسيتها بالتشكيل | O, H12/H14 | محدودة مقارنة بسبائك 6xxx؛ تستخدم عند الحاجة للنقاء والتوصيل |
| أنابيب | رقيقة إلى متوسطة | منخفض؛ قابلة للحام والسحب | O, H14 | شائعة للزعانف والمبادلات الحرارية والقنوات |
| قضبان/أعمدة | أقطار صغيرة إلى متوسطة | منخفض؛ قابلية التشغيل جيدة | O, H14 | تستخدم في القضبان والدبابيس حيث تهم مقاومة التآكل والتوصيل |
الألواح والرقائق هي الأشكال الأكثر شيوعاً لـ A1100، خاصةً في التعبئة والتغليف، الكسوة، وتطبيقات نقل الحرارة بسبب الدرفلة التي تنتج سطحاً ناعماً وسماكات رقيقة. تُنتج البثق والقضبان عندما تكون التوصيلية ومقاومة التآكل للسبيكة ميزة، لكن للبثق الإنشائي العالي القوة تُفضل سبائك أخرى مثل 6061 أو 6063. ونادراً ما تُستخدم الألواح والسماكات الكبيرة عندما تكون القوة العالية مطلباً تصميمياً بسبب مقاومة الخضوع المنخفضة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | A1100 | الولايات المتحدة الأمريكية | التسمية الأساسية للألمنيوم التجاري النقي 99% |
| EN AW | 1100 / 1050A* | أوروبا | الدرجات المكافئة في EN تقريبية؛ AW-1050A وAW-1100 غالباً ما يُستخدمان بالتبادل في الممارسة |
| JIS | A1050 / A1100* | اليابان | تستخدم JIS عائلات A1050 و A1100 للألمنيوم عالي النقاء؛ التركيبات الكيميائية متداخلة |
| GB/T | 1100 | الصين | تسميات GB/T تتوافق عن كثب مع AA A1100 من حيث التركيب والاستخدام المقصود |
المعادلة بين المعايير تقريبية لأن المناطق المختلفة تحدد حدود شوائب وعناصر ثانوية مسموح بها بشكل متفاوت قليلاً. عند الرجوع المتقاطع، يجب على المهندسين التحقق من ورقات المواصفات الكيميائية وجداول الخواص الميكانيكية الفعلية بدلاً من الاعتماد فقط على أسماء الدرجات. للتطبيقات الحرجة كهربائياً أو حرارياً أو التي تتصل بالأغذية، يُنصح بطلب شهادات المصنع لتأكيد تفاصيل التركيب والتمبّر.
مقاومة التآكل
يُظهر A1100 مقاومة ممتازة للتآكل الجوي العام لأنه يشكل طبقة أكسيد ذاتية الإصلاح تحمي السطح. يقاوم بيئات كيميائية متعددة ويُستخدم عادة في معدات العمليات الكيميائية وتطبيقات ملامسة الغذاء لهذا السبب. في البيئات البحرية، يعمل A1100 بشكل معقول في التعرض الجوي لكنه أقل مقاومة من السبائك الغنية بالمغنيسيوم مثل سلسلة 5xxx عند الغمر في ماء البحر؛ حيث يمكن أن تكون التآكلات الموضعية ذات نقاط ثقوب مشكلة إذا كانت تركيزات الكلوريد مرتفعة.
السبائك منخفضة القابلية للتأثر بالتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي بسبب انخفاض مستويات القوة وغياب المراحل البنية الدقيقة عالية القوة التي تعزز SCC. يجب إدارة التفاعلات الغلفانية: A1100 أنودي مقارنة بالعديد من الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النحاس، وسوف يتآكل بشكل تفضيلي عند التوصيل الكهربائي في إلكتروليت. غالباً ما يستخدم المصممون الطلاءات، ومواد العزل، أو الأنودات القبلية لتخفيف الهجوم الغلفاني في تجميعات المعادن المختلفة.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
يُلحّم A1100 بشكل استثنائي باستخدام العمليات الشائعة مثل TIG (GTAW)، MIG (GMAW)، واللحام بالحث المقاوم بفضل نقاوته العالية وقلة محتوى السبائك. تشمل سبائك الحشو الموصى بها 1100، 4043، أو 5356 حسب متطلبات الوصلات وظروف الخدمة؛ يؤثر اختيار الحشو على مقاومة التآكل بعد اللحام والليونة. التشقق الحراري نادر في A1100 لكن تليين منطقة التأثر الحراري (HAZ) غير مقلق لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ تحافظ الوصلات عادة على السلوك الليّن للمعدن الأساسي.
سهولة التشغيل
تصنف سهولة تشغيل A1100 من متوسطة إلى جيدة؛ انخفاض القوة يقلل من قوى القطع لكن عالي الليونة يمكن أن ينتج رقائق طويلة ومستمرة تتطلب تحكماً. يُفضل استخدام أدوات كربيد وزوايا حادة للقطع المتقطع، بينما يمكن استخدام الفولاذ عالي السرعة للأعمال الخفيفة. الممارسة النموذجية هي استخدام سرعات قطع معتدلة، زوايا حافز موجبة، ومكسرات رقائق أو تقنيات التقاط لتجنب تراكم الحواف وضمان الثبات الأبعادي.
قابلية التشكيل
يُعتبر A1100 من أكثر سبائك الألمنيوم قابلية للتشكيل، خصوصاً في تمبّر O حيث الريش العميق، الدوران، والانحناءات المعقدة روتينية. يمكن أن تكون نصف أقطار الانحناء الدنيا صغيرة جداً في الصفائح المعالجة بالأنيل؛ القاعدة التقريبية لصفائح تمبّر O هي نصف قطر الانحناء الداخلي يساوي 0.5–1.0 مرة سماكة المادة للعديد من العمليات. تمبّرات H المعالجة بالتشغيل البارد تقلل من الاستطالة وتتطلب أنصاف أقطار انحناء أكبر أو استراتيجيات تشكيل تدريجي؛ يتم استخدام التشكيل الدافئ والأنيلات الوسيطة لاستعادة الليونة في تسلسلات التصنيع المعقدة.
سلوك المعالجة الحرارية
الدرجة A1100 غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ فهي لا تستجيب للمعالجة بالحل والشيخوخة الاصطناعية لتحقيق تقوية بالترسيب. آلية التقوية الرئيسية المتاحة هي التشوه البلاستيكي (العمل البارد) الذي يزيد من كثافة الانزلاقات ويعطي قوة مرتفعة في تمبّرات H. التليين (تمبّر O) يطرّي السبائك عن طريق تحفيز عملية الاسترداد وإعادة التبلور لاستعادة الليونة وتخفيف الإجهادات المتبقية من التشكيل أو اللحام.
تتضمن سلاسل المعالجة النموذجية تليين → عمل بارد → تثبيت (لبعض تمبّرات H2x) بدلاً من دورات التحليل الحراري أو الشيخوخة. تستخدم تمبّرات H22/H24 المثبتة معالجة حرارية خفيفة لتقليل تأثيرات الشيخوخة بالشد وضبط الاستقرار الأبعادي بدون تقوية بالترسيب. للتطبيقات التي تتطلب قوة أعلى، يُنصح باختيار تمبّر معالج بالشد أو الانتقال إلى سبائك قابلة للمعالجة الحرارية ومسبوكة.
الأداء في درجات الحرارة المرتفعة
يتعرض A1100 لفقدان كبير في القوة مع ارتفاع درجة الحرارة، حيث تكون حدود الخدمة العملية عادة أقل من 150 °C للتطبيقات الحاملة للأحمال. فوق هذه الدرجات، تقلل عمليات الاسترداد من قوة العمل المُشدد وقد تؤدي إلى التليين حتى بدون تليين متعمد. الأكسدة في الهواء منخفضة مقارنة بالسبائك الحديدية بفضل طبقة الأكسيد الواقية، لكن التعرض المطول لدرجات حرارة عالية قد يضر بسطح المادة ويقلل قليلاً من الموصلية الحرارية والكهربائية.
مناطق التأثر الحراري للحام لا تتعرض لانحلال الترسيبات كما في السبائك التي تقوى بالشيخوخة، لكن التليين الموضعي من التعرض الحراري ممكن إذا تجاوزت المنطقة عتبات إعادة التبلور. للتطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة أو الأحمال الحرارية الدورية، يجب على المصممين أخذ الانزلاق، وتغير الأبعاد، وفقدان القوة المتبقية في الاعتبار عند الاعتماد على حالات العمل المُشدد.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام A1100 |
|---|---|---|
| السيارات | ألواح داخلية، عواكس | قابلية تشكيل ممتازة وتشطيب سطحي مرتفع للقطع المرئية |
| البحرية | قنوات، تجهيزات | مقاومة جيدة للتآكل في التعرض الجوي البحري |
| الطيران | تجهيزات غير هيكلية، أغطية | موصلية عالية ومقاومة التآكل مع وزن منخفض |
| الإلكترونيات | مشتتات حرارية، قضبان حمل، رقائق | موصلية حرارية وكهربائية عالية مع قابلية تشكيل جيدة |
يبقى A1100 سبائك مفضلة حيث تكون الموصلية الكهربائية والحرارية، التشطيب السطحي، وقابلية التشكيل أهم من القوة الهيكلية العالية. سهولة تصنيعه وأداءه المستقر عبر عمليات التشكيل واللحام الشائعة يجعله خياراً اقتصادياً للعديد من المكونات غير الحاملة للأحمال الحرجة.
نصائح الاختيار
اختر A1100 عندما تكون الليونة القصوى، الموصلية، ومقاومة التآكل هي المتطلبات الرئيسية ويمكن للتصميم التحمّل في مستويات منخفضة من مقاومة الخضوع والشد. عادة ما يكون الخيار الأمثل للرقائق، الطبقات الخارجية، المشتتات الحرارية، والبيئات الكيميائية الحساسة حيث قد تكون إضافات السبائك ضارة.
مقارنة بالأنواع التجارية الأعلى نقاءً (مثلاً 1050 أو 1060)، يوفر A1100 موصلية وقابلية تشكيل مماثلة لكنه قد يحتوي على شوائب مسموح بها أعلى قليلاً تؤثر على التشطيب السطحي وتجانس الخواص الميكانيكية. مقارنة بسبائك العمل البارد التجارية مثل 3003 أو 5052، يوفر A1100 موصلية متفوقة وأحياناً مقاومة تآكل أفضل على حساب قوة متدنية ومقاومة إجهاد أقل. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يُختار A1100 عندما تكون القابلية للتشكيل، التكلفة، والموصلية أهم من القوة الهيكلية المرتفعة وعندما لا تكون القطعة حرجة من حيث الصلابة أو الأحمال العالية.
ملخص ختامي
يستمر A1100 كسبائك عملي حيث يتم إعطاء الأولوية للنقاء، الليونة، القابلية للتشكيل، والموصلية على حساب أعلى الخواص الميكانيكية. معالجته منخفضة التكلفة، استجابته المتوقعة للعمل البارد، وتوافقه الواسع مع تقنيات التصنيع الشائعة تجعله خياراً متيناً للتطبيقات الحرارية، الكهربائية، وحساسة التآكل في الهندسة الحديثة.