ألمنيوم A356: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

السبائك A356 هو سبيكة مصبوبة من الألومنيوم مع السيلكون والمغنيسيوم تنتمي إلى عائلة سبائك الصب 3xx.x، ويُشار إليه عادةً باسم AlSi7Mg في التسمية الدولية. ينتمي إلى سلسلة Al–Si–Mg حيث يُعد السيلكون العنصر الرئيسي السبائكي (يوفر قابلية الصب والتدفق)، ويُمكّن المغنيسيوم تعزيز التقسية بالتساقط عن طريق تكوين Mg2Si أثناء المعالجة الحرارية.

هذه السبيكة قابلة للمعالجة الحرارية وتكتسب معظم قوتها من خلال معالجة الحل، والتبريد السريع، والتقسية الاصطناعية (نُسخ T5/T6)، رغم أنه يمكن تزويدها أيضًا في حالة الصب كما هي وفي حالة التخفيف من الإجهاد حيث تُعطى الأولوية للدكتيلية. تشمل الصفات الرئيسية لها تدفق جيد أثناء الصب، مقاومة متوسطة إلى عالية بعد التقسية، مقاومة معقولة للتآكل في العديد من البيئات، وقابلية لحام جيدة عند التحضير المناسب؛ ومع ذلك، فإن قابلية التشكيل محدودة مقارنةً بالسبائك المشغولة ويُستخدم بشكل أساسي كسبيكة صب.

تستخدم هذه السبيكة عادةً في صناعات السيارات (العجلات، القطع الهيكلية المصبوبة)، الطيران والدفاع (القطع المشغولة والمرافق)، السلع الاستهلاكية (أغطية الضواغط، هيكل المضخات)، والإلكترونيات (الأغلفة وقطع الصب المساعدة في تبديد الحرارة). يختار المهندسون A356 عندما يكون مطلوبًا توازن بين خفة الوزن، قابلية الصب الجيدة، والخصائص الميكانيكية القابلة للتقسية بالتقادم، وعندما تكون الأشكال المعقدة أكثر اقتصادية في الإنتاج عن طريق الصب مقارنة بالتشكيل المشغول.

مُتغيرات المعالجة الحرارية

المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالية	ممتازة (للأجزاء المصبوبة)	ممتازة	مخمرة بالكامل / مفرطة التقسية؛ أعلى دكتيلية وتخفيف إجهاد مناسبة للعمليات الميكانيكية.
T5	متوسطة	متوسطة	مقبولة	جيدة	مبردة من الصب ومُعالجة بالتقسية الاصطناعية؛ مناسبة للأجزاء كما هي بعد الصب.
T6	عالية	منخفضة إلى متوسطة	محدودة	جيدة (بحرص)	معالجة محلول، تبريد سريع وتقسية اصطناعية؛ أعلى قوة لسبيكة A356.
T651	عالية	منخفضة إلى متوسطة	محدودة	جيدة (بحرص)	T6 مع تخفيف إجهاد عن طريق الشد أو الاهتزاز؛ يقلل التشوه أثناء التشغيل.
H14 (تمدد خفيف بالتقسية الباردة)	منخفضة إلى متوسطة	متوسطة	متوسطة	جيدة	مُشغلة باردة بشكل خفيف؛ غير شائعة للأشكال المصبوبة فقط لكنها ممكنة للأشكال المشغولة.

اختيار المعالجة الحرارية يغير بشكل حاسم توازن القوة-الدكتيلية والاستقرار الأبعادي لسبائك A356 المصبوبة. حيث تزيد حالات O والمفرطة التقسية قابلية التشغيل والاستطالة على حساب القوة، بينما تحوّل حالات T5/T6/T651 البنية المجهرية للسبيكة بتساقط Mg2Si وتكتل مورفولوجيا السيلكون مما يرفع مقاومات الخضوع والشد، مع تقليل الاستطالة وزيادة خطر التصدع تحت التحميلات العالية.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	6.5–7.5	العنصر السبائكي الرئيسي؛ يحسن التدفق، يقلل الانكماش، ويعدل القوة.
Fe	≤0.20–0.35 (حسب المواصفة النموذجية)	عنصر شوائب يشكل مركبات بينية هشة؛ يتم التحكم به لتقليل المسامية والتشقق الساخن.
Mn	≤0.10	يحد من مورفولوجيا مركبات الحديد البينية؛ إضافات صغيرة تحسن المتانة.
Mg	0.20–0.45	يوفر التقسية بالتقادم عبر ترسيبات Mg2Si؛ ضروري للاستجابة في T6.
Cu	≤0.20	إضافات صغيرة ترفع القوة لكن قد تقلل مقاومة التآكل وتزيد من الميل للتشقق الساخن.
Zn	≤0.10	عادًة ما يُبقى منخفضًا؛ له تأثير ضعيف على التقسية هنا.
Cr	≤0.10	يسيطر على بنية الحبيبات ويحسن الثبات الحراري بشكل طفيف.
Ti	≤0.20	مُحسّن لحجم الحبيبات في المصبوبات؛ يحسن البنية المجهرية وامداد المعدن أثناء الصب.
عناصر أخرى	≤0.05 لكل منها، ≤0.15 الكلي	عناصر أثرية وشوائب؛ توجد حدود لضمان سلوك ميكانيكي وتصبيغي متوقع.

تركيب A356 محسّن لموازنة قابلية الصب والاستجابة للمعالجة الحرارية. يتحكم السيلكون في الإيوتكتك وخصائص التصلب، في حين يحدد مستوى المغنيسيوم حجم وتوزيع ترسيبات Mg2Si التي توفر قدرة التقسية بالتقادم؛ ويعد التحكم الدقيق في الحديد والعناصر الأثرية ضروريًا لتجنب مركبات بينية ضارة تقلل الدكتيلية وأداء التعب.

الخواص الميكانيكية

في حالة التلدين (O) يُظهر A356 مقاومة شد منخفضة نسبيًا مع استطالة عالية وذلك بسبب مورفولوجيا السيلكون المتكور وقلة ترسيبات التقسية. بعد معالجة المحلول والتقسية الاصطناعية (T6)، تزداد مقاومات الشد والخضوع بشكل كبير بسبب الترسيبات الدقيقة لـ Mg2Si وتوزيع جسيمات السيلكون المحسن، مع تناقص في الدكتيلية بالمقابل. أداء التعب حساس لعيوب الصب مثل المسامية والانكماش وحالة السطح؛ ويُستخدم عادة طرق كالتقسية بالرصاص الناعم والضغط المتساوي الساخن (HIP) لتحسين عمر التعب في القطع الهيكلية المصبوبة.

سمك القطعة ومعدل التبريد أثناء الصب يؤثران على البنية المجهرية كما هي بعد الصب: حيث تتصلب القطع السميكة ببطء أكبر مما يؤدي إلى جسيمات سيلكون أكبر وأقل قوة مقارنة بالقطع ذات الجدران الرقيقة. الصلادة تعكس حالة المعالجة وغالبًا ما تُستخدم كتحكم سريع في العملية؛ حيث ترتفع صلادة برينل النموذجية من قيم منخفضة في حالة O إلى قيم أعلى بكثير في حالة T6. التعرض الحراري بالقرب من أو أعلى درجة حرارة التقسية يغير حالة الترسيبات ويمكن أن يؤدي إلى زيادة مرحلة الاعتلال (تليين) أو تقسية إضافية حسب زمن ودرجة الحرارة المستخدمة.

الخاصية	حالة O / متلدن	المعالجة الرئيسية (T6 / T651)	ملاحظات
مقاومة الشد	90–160 MPa (نمطي)	230–320 MPa (نمطي)	تختلف لنطاقات واسعة حسب سمك المقطع، طريقة الصب ومستويات المسامية.
مقاومة الخضوع	35–80 MPa (نمطي)	140–240 MPa (نمطي)	تزداد مقاومة الخضوع بشكل كبير بعد المعالجة والحصول على التقسية؛ T651 يحسن الاستقرار الأبعادي.
الاستطالة	10–30% (نمطي)	2–10% (نمطي)	الدكتيلية تقل مع زيادة القوة؛ وتعتمد الاستطالة على وجود العيوب.
الصلادة (HB)	30–50 HB	70–100 HB	الصلادة تستخدم لمراقبة الجودة؛ ترتبط بالتقسية وحجم البنية المجهرية.

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.68 g/cm³	قيمة نموذجية لسبائك الصب Al–Si؛ أخف من الفولاذ والعديد من المعادن الأخرى.
مدى الانصهار	~557–640 °C	نطاق تصلب إيوتكتك/صفيحي تتأثر بمحتوى السيلكون ومعدل التبريد في الصب.
التوصيل الحراري	~120–150 W/(m·K)	أقل من الألومنيوم النقي بسبب السيلكون والمركبات بينية المعادن؛ جيد لتطبيقات تبديد الحرارة.
التوصيل الكهربائي	~30–40 % IACS	منخفض مقارنة بسبائك الألومنيوم الأنقى بسبب السيلكون وعناصر السبائك الأخرى.
السعة الحرارية النوعية	~0.88–0.90 J/(g·K)	نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ مفيدة في التصميم الحراري للإلكترونيات ومكونات مشتتات الحرارة.
التمدد الحراري	21–24 µm/(m·K)	معامل تمدد متوسط؛ مهم للتوافق مع الفولاذ أو المركبات في التجميعات.

يوفر A356 مزيجًا جيدًا من كثافة منخفضة وتوصيل حراري معقول، مما يجعله جذابًا للتطبيقات الهيكلية الخفيفة وإدارة الحرارة. يقلل وجود السيلكون من التوصيل الكهربائي والحراري مقارنة بالألومنيوم النقي ولكنه يحتفظ بتوصيل كافٍ للعديد من تطبيقات مشتتات الحرارة والأغلفة الإلكترونية مع تقديم قابلية صب فائقة.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الحالات الحرارية الشائعة	ملاحظات
السبك (الرمل)	مقاطع من بضعة مم حتى عدة مئات من مم	تتفاوت القوة بشكل كبير مع حجم المقطع	O, T5, T6, T651	يُستخدم على نطاق واسع للنماذج الأولية والأجزاء ذات الإنتاج المنخفض؛ التبريد البطيء → بنية دقيقة أكثر خشونة.
السبك (قالب دائم / قالب ضغط)	مقاطع رقيقة إلى متوسطة (≤100 مم)	قوة أولية أعلى بسبب التبريد الأسرع	T5, T6	تشطيب سطح أفضل وتحكم أبعاد أدق؛ شائع للعجلات، الأغطية.
البثق	محدود / غير نمطي	غير قابل للتطبيق في الممارسة القياسية للبثق	متغيرات الحالة H إذا تم الإنتاج	لا تعتبر A356 سبائك بيوتق رئيسية؛ توجد سبائك AlSi للبثق لكنها أقل شيوعاً.
الأنابيب	أنابيب مصبوبة ومصنعة	متغير؛ يعتمد على التشكيل / المعالجة	O, T5	إمكان تصنيع أنابيب مسكوبة بأشكال قريبة من الشكل النهائي أو مكونات مشكّلة بالتدفق.
القضيب/العصا/البلية	بليات مغزولة أو مصبوبة للمعالجة الميكانيكية	قابلة للتشغيل؛ الخصائص تعتمد على المعالجة الحرارية اللاحقة	O, T6 (بعد التلدين/الشيخوخة)	تُستخدم كمادَّة خام لأجزاء مشغولة باستخدام CNC مصنوعة من بليات مصبوبة أو قطعة مغزولة.

سبائك A356 هي أساساً سبائك للسبك؛ تؤثر طريقة الإنتاج (الرمل، القالب الدائم، قالب الضغط عالي الضغط) بشكل كبير على البنية المجهرية والسلوك الميكانيكي الناتج. تساهم المعالجة الحرارية بعد السبك وإجراءات تخفيف الإجهاد في ضبط الخصائص النهائية والثبات البعدي، ويعتمد اختيار عملية السبك على الحجم، الدقة، تشطيب السطح، والتاريخ الحراري.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	A356 / A356.0	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية شائعة من جمعية الألمنيوم لسبائك AlSi7Mg المصبوبة.
EN AW	AlSi7Mg0.3 (≈ EN AW-226)	أوروبا	تسمية أوروبية معيارية تقارب التركيبة الكيميائية والأداء لـ A356.
JIS	AC-AlSi7Mg (تقريباً)	اليابان	تتشارك درجات السبك اليابانية مستويات مماثلة من السيليكون والمغنيسيوم ولكن تختلف في حدود الشوائب المسموح بها.
GB/T	AlSi7Mg أو A356 (تقريباً)	الصين	المعايير الصينية تستخدم تركيبات مشابهة؛ ممارسات السبك وحدود الشوائب قد تختلف.

الدرجات المكافئة عبر المعايير قابلة للتبادل إلى حد كبير في العديد من التطبيقات، لكن الاختلافات الطفيفة في مستويات الشوائب المسموح بها (خصوصاً الحديد والنحاس) والمدى الدقيق للمغنيسيوم تؤثر على الاستجابة للشيخوخة وسلوك السبك. يجب على المشترين مقارنة بيانات الشهادات الكيميائية والميكانيكية، وإذا كان الأمر حرجاً، طلب اختبارات عينات أو تجارب معالجة لأن تقنيات السبك وضبط الجودة قد تخلق تبايناً أكبر من اختلافات الدرجات الاسمية.

مقاومة التآكل

تتمتع A356 بمقاومة جيدة للتآكل الجوي بفضل الفيلم الطبيعي لـ Al₂O₃، وتؤدي أداءً مرضياً في الأجواء الحضرية والصناعية بشرط الحفاظ على السطح والحد من التعرض للكلوريدات. في البيئات البحرية والغنية بالكلوريد، قد تحدث تآكلات نقطية وتآكل في الشقوق بشكل مفضل عند الطور الغني بالسيليكون أو العيوب في السبك، لذا غالباً ما تُستخدم الطلاءات الواقية أو الأنودة أو الحماية الكاثودية للاستخدام طويل الأمد.

يكون تشقق التآكل الإجهادي أقل شيوعاً في A356 مقارنة بالسبائك ذات القوة العالية من نوع Al–Cu، لكن الحساسية تزداد مع حالات تقسية أعلى، والإجهادات المتبقية الشدِّية المرتفعة، ووجود عيوب مجهرية؛ لذلك ينبغي على المصممين تجنب الإجهاد الشدّي الزائد والنظر في تخفيف الإجهاد بعد المعالجة الحرارية (T651). التفاعلات الكلفانية مع مواد أكثر نبلاً (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس) تُحفِّز تآكل الألمنيوم بدور الأنود؛ الطبقات العازلة أو الأقطاب المضحّية هي استراتيجيات تخفيف شائعة.

مقارنة بسبائك 5xxx (Al–Mg)، تقدّم A356 مقاومة تآكل مماثلة في بيئات كثيرة لكنها عمومًا أقل أداءً من السبائك العالية السبيكة وقابلة الأنودة من سلسلة 6xxx في بيئات كلوريد عدوانية؛ الاختيار يجب أن يستند إلى الخصائص الميكانيكية المطلوبة، ظروف التعرض، وتوافر الطلاءات أو المعالجات اللاحقة.

خصائص التصنيع

القابلية للحام

يمكن لحام A356 باستخدام عمليات تقليدية مثل TIG وMIG، إلا أن لحام السبك A356 يتطلب الانتباه لمخاطر المسامية والتشقق الحار. التدفئة المسبقة واستخدام سبائك حشو مطابقة (مثل الحشوات Al-Si مثل 4043 أو Al-Mg-Si مثل 5356 في حالات محددة) يخفف من مسامية الهيدروجين وعدم التوافق الحراري؛ غالبًا ما تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام ضرورية لاستعادة تقسية الشيخوخة. مناطق التأثير الحراري (HAZ) تتعرض للتليين الموضعي وتحتاج إلى مراقبة عمليات لمنع التشوه وتدهور الخصائص في الأجزاء الحساسة.

قابلية التشغيل

تتمتع A356 المصبوبة بقابلية تشغيل جيدة بالنسبة لسبائك السبك، خصوصاً في حالات الحالة O أو نصف الملدّنة؛ يُنصح باستخدام أدوات كربيد وسرعات تغذية معتدلة للتعامل مع جسيمات السيليكون الصلبة. تآكل الأدوات ناجم عن السيليكون الكاشط والمركبات البينية، لذا تؤدي هندسة الأدوات ذات الزاوية الموجبة واستخدام المبرد دورًا ذا فائدة؛ يجب تقليل القطع المتقطعة قدر الإمكان وإدارة إزالة الرقائق لتجنب تلف السطح. تتحسن جودة الأسطح والمحددات الأبعاد عند استخدام المواد الخام من القوالب الدائمة أو قالب الضغط بسبب البنية المجهرية الأدق.

قابلية التشكيل

التشكيل البارد لـ A356 محدود مقارنة بسبائك الألمنيوم المشغولة؛ نادراً ما يستخدم الثني والختم للأجزاء المصبوبة سوى في القوالب الدائمة الرقيقة. أفضل أداء للتشكيل يتحقق في حالات الشيخوخة الزائدة أو الحالة O، لكن المصممون يفضلون بشكل عام إنشاء الأشكال بواسطة السبك بدلاً من التشكيل بعد السبك. عند الحاجة لتشكيل معين، يمكن التشكيل المحدود عبر التسخين المحلي أو المعالجة التامة بالحل قبل التشكيل، تليها عملية شيخوخة مناسبة للحفاظ على القوة بعد إعادة الشيخوخة.

سلوك المعالجة الحرارية

A356 هي سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية تستجيب للمعالجة بالحل تليها التبريد السريع والشيخوخة الصناعية للحصول على حالة T6. يحدث المعالجة بالحل النموذجية عند درجات حرارة تتراوح بين 525–540 °C لحل المغنيسيوم وإيجاد محلول صلب مشبع فوق اللازم؛ يقلل التبريد السريع من تكون الراسبات خلال التبريد، وتؤدي عملية الشيخوخة الصناعية عند ~150–180 °C لعدة ساعات إلى ترسيب جسيمات Mg₂Si الدقيقة لزيادة القوة. حالة T5 هي نوع أقصر من الشيخوخة الصناعية تطبق على أجزاء لم تُعالَج بالحل؛ تمنح زيادة قوة متوسطة بدون التلدين الكامل.

الشيخوخة الزائدة، التعرض المطول لدرجات حرارة مرتفعة، أو معدلات تبريد غير كافية تؤدي إلى تكوّن راسبات خشنة وتقلل القوة، لذا من الضروري ضبط العملية بدقة. للحالات غير القابلة للمعالجة الحرارية (ذات صلة بالدُفعات غير القياسية أو تعديلات معينة للسبائك المشغولة)، يتم التقوية عن طريق التقسية بالشد والتشوه البارد، بينما تُستخدم عمليات التلدين أو المعالجة الكاملة بالحل لاسترجاع اللدونة وتخفيف الإجهادات قبل التشغيل النهائي.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تفقد A356 تدريجياً قوتها عند درجات حرارة أعلى من درجات الشيخوخة النموذجية؛ درجات الخدمة فوق ~150 °C تقلل فعالية هيكل الراسب Mg₂Si وتتسبب في تليين مع مرور الوقت. مقاومة الزحف في درجات الحرارة المرتفعة محدودة مقارنة بالسبائك المخصصة لدرجات حرارة عالية، لذا يقتصر استخدام A356 عادة على التطبيقات ذات درجات الحرارة المعتدلة أو التعرض الحراري المتقطع؛ يجب على عوامل التصميم أخذ التعرض طويل الأمد والشيخوخة الزائدة المحتملة في الاعتبار. الأكسدة ضئيلة في درجات التشغيل العادية بفضل الفيلم الحامي لأكسيد الألمنيوم، لكن التعرض المطول لدرجات حرارة عالية يسرّع تكوّن بنية مجهرية خشنة وقد يعزز هشاشة الأطوار البينية في السبك.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام A356
السيارات	عجلات، أغطية ناقل الحركة، أغطية علبة المرفق في المحركات	سهولة السبك، توفير الوزن، وقوة قابلة للتقسية بالشيخوخة لأجزاء هيكلية مصبوبة.
الطيران	أجزاء هيكلية ملحومة، حوامل، ملحقات	نسبة قوة إلى وزن ممتازة وقدرة على إنتاج قطع معقدة ذات شكل قريب من النهائي.
البحرية	ملحقات الهيكل، أغطية المضخات، مكونات خارجية	مقاومة معقولة للتآكل وقدرة على صب أشكال معقدة مقاومة للمياه المالحة مع تشطيبات وقائية.
الإلكترونيات	أغطية، حاويات مبردات حرارية	توليفة من التوصيل الحراري، سهولة السبك، وقابلية التشغيل لأجزاء إدارة الحرارة.

تُختار A356 عادةً حين يحتاج المصممون لإنتاج أشكال معقدة بأداء ميكانيكي جيد بعد المعالجة الحرارية، مع تقليل عمليات التشغيل والتجميع اللاحقة. توازنها بين سهولة السبك، قابلية التشغيل، والاستجابة للتقسية بالشيخوخة يتيح إنتاجاً اقتصادياً لأجزاء مصبوبة متوسطة القوة عبر صناعات متعددة.

نصائح للاختيار

اختَر A356 عند الحاجة إلى أشكال مصبوبة معقدة أو جدران رقيقة مع أداء ميكانيكي يمكن معالجته لاحقاً، وحيث يكون تقليل الوزن مهماً دون الحاجة لأعلى قوى للسبائك المشغولة. هي مثالية للأجزاء التي تستفيد من سهولة السبك وتقسية شيخوخة معتدلة (مثل العجلات، الأغطية، الملحقات).

بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجاريًا (1100)، يضحي سبيكة A356 بالتوصيلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل الفطرية لتحقيق مقاومة أعلى بكثير بعد المعالجة الحرارية وثبات أبعاد أفضل في الأشكال المصبوبة. بالمقارنة مع السبائك الشائعة المعالجة بالتصلب عن طريق الشغل (3003, 5052)، توفر A356 مقاومة شد أعلى بعد التصلب بالشيخوخة ولكن عادةً ما تتميز بدكتيلية أقل ومقاومة تآكل مشابهة أو أقل قليلاً في البيئات التي تحتوي على كلوريدات. وبالمقارنة مع السبائك المشغولة القابلة للمعالجة الحرارية المستخدمة شائعًا (6061, 6063)، يمكن تفضيل A356 عندما تكون الأشكال المصبوبة المعقدة والاقتصاديات الأفضل للتشكيل المصبوب أهم من مقاومة الشد القصوى العالية وقابلية اللحام الأفضل لتلك السبائك المشغولة.

الملخص الختامي

تظل A356 سبيكة صب أساسية للمهندسين الذين يحتاجون إلى مزيج عملي من قابلية الصب، وكثافة منخفضة، واستجابة فعالة للتصلب بالشيخوخة، مما يجعلها ذات قيمة خاصة في التطبيقات السياراتية، والطيران، والبحرية، والتطبيقات الحرارية حيث تكون الأشكال المعقدة والقوة المتوسطة إلى العالية مطلوبة بتكلفة معقولة.