ألمنيوم A357: التركيب، الخصائص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

يعد A357 سبيكة مسبوكة من الألومنيوم-السيليكون-المغنيسيوم قابلة للمعالجة الحرارية وغالبًا ما يُشار إليها بـ AlSi7Mg في الترقيم الأوروبي و AA A357 في قوائم ASTM/ASME. تنتمي إلى عائلة سبائك المسبوكات Al–Si–Mg (غالبًا ما تُصنف مفهوميًا مع سلسلة 3xx/4xx من السبائك المشغولة نظرًا لطبيعة سبائكيتها، لكنها مُعرفة رسميًا كسبيكة مسبوكة)، حيث يعتبر السيليكون العنصر الرئيسي للسبائكية ويضاف المغنيسيوم لتمكين تصلب التبرعم (precipitation strengthening).

يتم تقوية A357 أساسًا من خلال المعالجة الحرارية بالحل ثم التبريد السريع يليه التشيخ الاصطناعي (تقسية بالتبرعم) لإنتاج ترسيبات Mg2Si؛ ويمكن أيضًا تعديل بعض الخصائص عبر التعديل (Sr, Na) وصقل الحبيبات (Ti, B). من الخصائص الأساسية نسب القوة إلى الوزن المواتية في درجات T6/T651، وسهولة السكب والثبات البعدي الجيد، ومقاومة التآكل المتوسطة في البيئات الجوية، وقابلية اللحام المقبولة عمومًا عند استخدام أسلاك حشو مناسبة؛ أما القابلية للتشكيل فهي محدودة مقارنة بالسبائك المشغولة في حالة التقسية القصوى.

تشمل الصناعات النموذجية: مكونات المحركات وقطع الهيكل في السيارات، الأجزاء الثانوية الهيكلية في الطيران والدعامات، المسبوكات الصناعية العامة، وبعض المنتجات البحرية والاستهلاكية حيث يُفضل استخدام قطع مسبوكة. يختار المهندسون A357 للقطع المسبوكة المعقدة التي تتطلب توازنًا بين قوة ساكنة عالية، وسلوك إعياء معقول، وإنهاء سطح مسبوك جيد، وعندما يكون استجابة المعالجة الحرارية (T6/T651) مطلوبة دون زيادة محتوى النحاس أو الزنك كما في سبائك الطيران عالية القوة.

الدرجات الحرارية (المعالجات الحرارية)

الدرجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالي	ممتاز	ممتاز	مخمّر بالكامل، مثالي للتشكيل والتشغيل.
T4	متوسط	متوسط-عالي	جيد	جيد	معالجة حرارية محلول تليها شيخوخة طبيعية؛ خصائص متوسطة.
T5	متوسط-عالي	متوسط	مقبول	جيد	مُبرّد مباشرة من الصب ومُشيخ اصطناعيًا؛ يستخدم عند عدم تطبيق معالجة المحلول.
T6	عالٍ	منخفض-متوسط	محدود	جيد (مع المعالجة الحرارية اللاحقة)	معالجة محلول، تبريد، وشيخوخة صناعية لأقصى قوة.
T651	عالٍ	منخفض-متوسط	محدود	جيد (مع المعالجة الحرارية اللاحقة)	T6 مع إزالة الإجهاد بالتطويل؛ شائع للمسبوكات ذات الثبات الأبعادي.
F	متغير	متغير	متغير	متغير	كما هي الحالة مصنّعة، الخصائص تعتمد على المعالجة اللاحقة؛ غير معيارية.

للمعالجة الحرارية تأثير أساسي على الأداء الميكانيكي وقابلية التصنيع لأن دورة المحلول والشيوخ تؤدي إلى ترسيب Mg2Si لرفع القوة مع تقليل الليونة. الحالة المخمّرة بالكامل (O) تعزز الليونة وسهولة التشكيل أو التشغيل، بينما ظروف T6/T651 تعظم مقاومة الشد والخضوع على حساب الاستطالة وقابلية التشكيل؛ يتطلب اللحام عادة إعادة شيخوخة موضعية أو معالجة حرارية بعد اللحام لاستعادة الخصائص.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	6.5–7.5	العنصر الرئيسي للسبائكية، يسهل السكب والسيولة والقوة عبر السيليكون الإيوتكتيمي.
Fe	≤0.20–0.30	شوائب تُكون مركبات بين فلزية (مراحل غنية بالحديد) قد تؤدي للهشاشة وتقليل الليونة.
Mn	≤0.10	كميات صغيرة؛ يساعد في تعديل شكل المركبات الحديدية عند وجوده.
Mg	0.35–0.60	يساهم في التصلب عبر ترسيب Mg2Si؛ يتحكم في استجابة المعالجة الحرارية.
Cu	≤0.20	عادة منخفض؛ يزيد القوة لكنه قد يقلل مقاومة التآكل ويزيد خطر التصدع الإجهادي بسبب التآكل.
Zn	≤0.10	بقايا عادة؛ تأثير مقوي محدود عند هذه المستويات.
Cr	≤0.10	يسيطر على هيكل الحبوب ويمكن أن يحد من نمو الحبوب أثناء المعالجة.
Ti	0.02–0.10	يستخدم لصقل الحبوب أثناء التصلب (أنظمة Ti-B شائعة).
أخرى (لكل عنصر)	≤0.05–0.15	بقايا وعناصر معدلة عمديًا (Sr لتعديل السيليكون، Sr ~0.01).

تم تحسين كيمياء السبيكة لموازنة سهولة السكب، واستجابة المعالجة الحرارية، وأداء مقاومة التآكل. ينتج السيليكون التركيب الإيوتكتيمي ويعزز السيولة، ويوفر المغنيسيوم الأساس للتصلب بالتبرعم، ويحد وجود النحاس والحديد المنخفض من قابلية التعرض للتآكل وهشاشة المركبات البينية.

الخصائص الميكانيكية

يظهر A357 تباينًا كبيرًا في سلوك الشد والخضوع يتأثر بالدرجة الحرارية وطريقة الصب. في حالات T6/T651، تحقق السبيكة قوة شد وقوة خضوع مرتفعة نسبيًا لسبيكة مسبوكة من نوع Al–Si–Mg بسبب التشتت الدقيق لبلورات Mg2Si والسيليكون الإيوتكتيمي المصقول، بينما تظهر الحالة المخمّرة استطالة أعلى بكثير وقوة خضوع أقل. تتبع الصلادة مقاومة الشد وترتفع بشكل ملحوظ مع الشيوخ؛ حيث تزيد صلادة برينل أو فيكرز من مستويات ناعمة سهلة التشغيل في O إلى مستويات أعلى بكثير في T6.

سلوك الإعياء لـ A357 أفضل عمومًا مقارنة بالمسبوكات الهشة من الألومنيوم-السيليكون فوق الإيوتكتيمي بسبب الشكل المتحكم فيه للسيليكون والمعالجة الحرارية التي تقلل مواقع بداية التشققات؛ مع ذلك، فإن عمر الإعياء حساس لعيوب الصب، المسامية، وجودة السطح. تؤثر سماكة وقطر المقطع على سرعة التبريد أثناء التصلب مما يؤثر على البنية المجهرية وبالتالي الخاصيات الميكانيكية؛ حيث تبرد المقاطع السميكة أبطأ مما يعزز تشكل السيليكون الخشن وقوة أقل بعد المعالجة الحرارية.

تحسن ظروف السطح، التعديل بعد الصب، وتقنيات تقليل المسامية (السبك بمساعدة التفريغ، إزالة الغازات، وأنظمة التدفق الصحيحة) تناسق الخصائص الميكانيكية وأداء الإعياء في المكونات الهيكلية.

الخاصية	O/المخمّر	الدرجة الرئيسية (T6/T651)	ملاحظات
قوة الشد (MPa)	140–190	260–320	نطاق واسع حسب طريقة الصب وسماكة المقطع.
قوة الخضوع (MPa)	60–110	200–260	زيادة ملحوظة في الخضوع بعد معالجة المحلول والشيوخ.
الاستطالة (%)	10–18	4–8	انخفاض الليونة في حالة الشيوخ القصوى؛ وضع الكسر عادة مزيج من الهش والليّن.
الصلادة (HB)	40–70	85–120	تزداد صلادة برينل مع الشيوخ وتحسن شكل السيليكون الإيوتكتيمي.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.65–2.68 g/cm³	نموذجية لسبائك الألومنيوم-السيليكون للسبك؛ مفيدة للحسابات الكتلية.
نطاق الانصهار	~560–635 °C	يعتمد على مستويات السيليكون والعناصر المعدلة؛ التركيب الإيوتكتيمي يؤثر على نطاق التجميد.
الموصلية الحرارية	120–150 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية والسيليكون؛ ومع ذلك جيدة للتبريد مقارنة بالصلب.
الموصلية الكهربائية	~30–40 % IACS	منخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي؛ تقل مع التشغيل البارد والسبائكية.
السعة الحرارية النوعية	~0.89 kJ/kg·K	نموذجية لسبائك الألومنيوم، تستخدم في الحسابات الحرارية.
التمدد الحراري	22–24 µm/m·K	معامل التمدد الخطي مشابه لسبائك الألومنيوم-السيليكون الأخرى؛ مهم للوصل مع مواد مختلفة مثل الصلب أو المواد المركبة أو الطلاءات.

تجعل الخصائص الفيزيائية من A357 خيارًا جذابًا عندما يُراد معدن منخفض الكثافة وذو توصيل حراري جيد ولا يُشترط توصيل كهربائي كامل للألومنيوم النقي. بيانات التمدد الحراري والتوصيل مهمة عند تصميم التجميعات مع الصلب أو المواد المركبة أو الطلاءات، لأن الاختلاف في التمدد قد يؤدي إلى تشققات إجهادية أو فشل في السدادات.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المقاسات الشائعة	ملاحظات
لوح (Sheet)	نادر؛ سبائك رقيقة مسبوكة 1–6 mm	متغير؛ عادة أقل من الصفائح المصنعة	O, T5	توفر محدود؛ يُستخدم لعمليات تصنيع صفائح مسبوكة متخصصة.
لوح ثخين (Plate)	6–100 mm (شرائح لوح مسبوكة)	خواص تعتمد على المقطع	O, T6/T651	السبائك المشابهة للوح تظهر خصائص منخفضة في الأقسام السميكة بسبب تكبير الحبيبات.
بثق (Extrusion)	غير شائع	غير مطبق	—	سبائك A357 لا تستخدم عادة للبثق؛ التركيبة وتركيز الصب يجعلها غير مناسبة.
أنبوب (Tube)	مسبوك أو مخدوم من البليتات؛ أحجام متغيرة	تعتمد على الصب والمعالجة الحرارية	O, T6	الأنابيب المصبوبة أقل شيوعاً من الأنابيب المصنعة؛ تستخدم لأقسام معقدة.
قضيب / عصا (Bar/Rod)	بليتات مسبوكة ومطروقة	متغير؛ قابل للمعالجة الحرارية	O, T6	غالبًا ما تُنتج ككتل أو بليتات للخدمة اللاحقة في التشغيل.

تعتبر A357 سبائك صب بالدرجة الأولى، وتأتي معظم الأشكال التجارية في صناديق رملية أو قوالب دائمة أو صب الاستثمار والبليتات/الكتل. تؤدي الاختلافات في طرق المعالجة (مثل الصب في قوالب دائمة مقابل الصب الرملي) إلى تغييرات في معدلات التبريد وبالتالي في البنية الميكروية والخصائص الميكانيكية النهائية؛ لذا يجب على المصممين مطابقة طريقة الصب وسمك المقطع والمقاس مع الحمل والبيئة التعبوية المتوقعة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	A357	الولايات المتحدة	رمز ASTM شائع للسبائك المصبوبة؛ يستخدم في مواصفات الطيران والسيارات.
EN AW	AlSi7Mg	أوروبا	الدرجة الأوروبية المقابلة عمومًا؛ قد تختلف حدود التركيب وإجراءات المعالجة الحرارية.
JIS	ADC10/ADC12 (تقريبًا)	اليابان	سلسلة ADC سبائك صب بالضغط مماثلة في محتوى السيليكون؛ ADC12 تحتوي على نحاس أكثر وخواص مختلفة.
GB/T	AlSi7Mg (أو ما يعادل A357)	الصين	المواصفات المحلية تعكس EN/ASTM لكن قد تختلف حدود الخواص الكيميائية والميكانيكية حسب المصنع.

تعتبر التكافؤات تقريبية بسبب اختلاف ممارسات الصب وحدود الشوائب وبروتوكولات المعالجة الحرارية بين المناطق والهيئات القياسية. على المهندسين مراجعة بيانات الخواص الميكانيكية وتعليمات المعالجة الحرارية عند استبدال المعايير لضمان التكافؤ الوظيفي للمكونات الحرجة.

مقاومة التآكل

تُظهر A357 عمومًا مقاومة جيدة للتآكل الجوي لسبائك الألومنيوم المصبوبة لأن المصفوفة الغنية بالسيليكون والمحتوى المنخفض من النحاس يقللان من الميل للكاثودية في البيئات الطبيعية. توفر طبقة أكسيد الألمنيوم المتشكلة طبيعيًا حماية أساسية، لكن التآكل الموضعي يمكن أن يبدأ عند الجسيمات بين المعدنية أو عيوب الصب حيث تتعطل الطبقة السلبية.

في البيئات البحرية أو التي تحتوي على الكلوريد، تؤدي A357 أداءً متوسطًا لكنها ليست قوية مقارنة بالسبائك البحرية المتخصصة (مثل سلسلة Al–Mg 5xxx)؛ يتطلب التعرض المطول للرذاذ الملحي أو مناطق الرش حماية بطلاء أو تأكسد أو عزلة كاثودية لتجنب الحفر. قابلية حدوث تشقق تآكل الإجهاد منخفضة نسبيًا بسبب المحتوى المنخفض من النحاس ومستويات الماغنيسيوم المعتدلة، رغم أن الإجهادات العالية مع بيئات عدوانية يمكن أن تسبب تشقق تآكل الإجهاد في التطبيقات الحرجة.

تتطلب التفاعلات الكاثودية اهتمامًا: عند اقتران A357 مع معادن أكثر نبلاً (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، سبائك النحاس)، ستكون A357 الأنودية وتتعرض للتآكل بشكل تفضيلي إذا تعرضت لكهرل؛ تستخدم المواد العازلة أو الطلاءات الواقية عادة لتجنب تسارع التآكل. مقارنةً بسبائك العجن من سلسلة 6xxx، تقدم A357 مقاومة تآكل مماثلة ولكن مع التحذير من أن مسامية الصب أو توزيع المواد بين المعدنية يمكن أن يتركز فيها الهجوم.

خواص التصنيع

القابلية للحام

يمكن لحام A357 باستخدام تقنيات الاندماج الشائعة مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW) مع استخدام أسلاك ملء مناسبة؛ لسبائك Al–Si المصبوبة يُستخدم ER4043 (Al–5Si) على نطاق واسع لأنه يعزز التوافق مع السيليكون ويقلل من تشقق الاجهاد الساخن. خطر تشقق الاجهاد الساخن متوسط في السبائك المصبوبة بسبب التصلب المقيد والهياكل اليونيتيكية الخشنة، لذا فإن تنظيف الوصلات قبل اللحام، وتصميم الوصلات الجيد، والسيطرة على إدخال الحرارة أساسية. من المتوقع تليين المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) في مواد T6 بسبب ذوبان المراحل المترسبة؛ يوصى بالمعالجة اللاحقة للحل والشيخوخة أو المعالجة الصناعية الموضعية بعد اللحام لاستعادة الخواص الميكانيكية حسب الحاجة.

قابلية التشغيل

تتميز A357 بقابلية تشغيل جيدة مقارنة بالعديد من سبائك الصب عالية السيليكون لأن محتوى السيليكون وشكل المصفوفة اليونيتيكية المعدلة يقللان من تآكل الأدوات مقارنة بالسبائك فائقة اليونيتيك. يُستخدم الأدوات الكربيدية ذات هندسة السنان الإيجابية ومعايير التشغيل عالية السرعة لتحقيق إنتاجية جيدة؛ تحسن التبريد بالغمر أو التزييت بالرذاذ من إخراج الرقائق وعمر الأداة. يستلزم تشغيل القطاعات الكبيرة من مادة T6 مراعاة الصلادة والتحكم في الرقائق؛ يجب تصميم الجيوب والرفوف الرقيقة لتجنب الاهتزاز والتشوه.

قابلية التشكيل

تكون قابلية التشكيل البارد محدودة في المقاسات المعالجة حرارة عند الذروة (T6/T651) بسبب انخفاض الليونة، في حين توفر الحالة الملدنة (O) أو المعالجة بالحل (T4) قابلية انحناء وتمدد أفضل بكثير. تعتمد أنصاف أقطار الانحناء الدنيا الموصى بها عادةً على السماكة والمقاس، لكنها عمومًا أكبر مقارنة بالسبائك المصنعة القابلة للسحب؛ غالبًا ما يحدد المصممون التشكيل في حالة O يليه المعالجة الحرارية النهائية لتحقيق المتطلبات الهندسية والميكانيكية. العمليات التشكيلية التدريجية للأجزاء المصبوبة ممكنة لكنها تتطلب مراقبة دقيقة للحرارة والإجهادات المتبقية.

سلوك المعالجة الحرارية

تعتبر A357 سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية وتستجيب لدورات Al–Si–Mg التقليدية لإنتاج مقاسات T6/T651. عادة ما تُجرى المعالجة بالحل عند درجات حرارة تقارب 520–540 °C لفترة كافية لحل الماغنيسيوم وتعديل شبكات السيليكون جزئيًا؛ تعتمد المدة على سماكة المقطع ويجب موازنة التجانس مع تجنب ذوبان المكونات منخفضة درجة الانصهار. يؤدي التبريد السريع إلى درجة حرارة الغرفة إلى احتجاز المادة المذابة في محلول صلب مشبع ويهيئ المرحلة لشيخوخة صناعية عند 150–200 °C لترسيب جزيئات Mg2Si الدقيقة وتطوير مستويات القوة المستهدفة.

يتم الحصول على المقاس T5 من خلال شيخوخة صناعية بعد التبريد من الصب؛ يُستخدم عندما يكون المعالجة بالحل كاملاً غير عملي. يضيف T651 تمطيط لتخفيف الإجهاد بعد التبريد لتقليل الإجهادات المتبقية وتحسين الاستقرار الأبعاد، وهو أمر مهم للصب في القوالب أو الصب عالي الدقة. التقدم في التقدم بالشيخوخة عند درجات حرارة عالية أو فترات معاملة طويلة يؤدي إلى تكبّر الترسيبات وتقليل أكبر قوة مع تحسين الليونة.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تتدهور خواص A357 الميكانيكية تدريجيًا مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب تكبّر الترسيبات وضعف تقوية المحلول؛ يحافظ على قوة ثابتة مفيدة عادة حتى نحو 125–150 °C، مع تليين كبير فوق هذا النطاق. مقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة معتدلة وأقل من السبائك المتخصصة من الألومنيوم أو النيكل عالية الحرارة، لذلك لا يُنصح باستخدام A357 في التطبيقات الحاملة للأحمال لفترات طويلة فوق ~150 °C.

عند درجات الحرارة المرتفعة، يقتصر التأكسد على تكوين طبقة أكسيد ألومنيوم مستقرة، لكن تقشر السطح والتفاعلات مع الأجواء العدوانية قد تكون مشكلة على المدى الطويل. يؤثر اللحام أو الدورات الحرارية الموضعية في البنية المجهرية في منطقة التأثير الحراري والمناطق المجاورة، محدثًا مناطق ذات قوة منخفضة وزيادة القابلية للزحف أو التعب عند درجات حرارة الخدمة المرتفعة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	لماذا تُستخدم A357
السيارات	أغطية ناقل الحركة، أغطية المضخات، الأقواس الإنشائية	سهولة الصب، قوة عالية بعد معالجة T6، إنتاج اقتصادي للأشكال المعقدة.
البحرية	أغطية صناديق التروس، مكونات المضخات	مقاومة معقولة للتآكل وقوة إلى وزن جيدة للبيئات الرطبة مع استخدام الطلاءات.
الطيران	وصلات، أقواس، أغطية هيكلية غير حرجة	قوة قابلة للمعالجة الحرارية وثبات أبعاد في T651 لعناصر هيكلية أقل حساسية.
الإلكترونيات	المشتتات الحرارية والأغطية	القدرة الحرارية وشكل الصب لإدارة حرارية متكاملة.

يفضل استخدام A357 عندما تستفيد هندسة القطعة من الصب، وعندما تكون الخصائص الساكنة بمستوى T6 مطلوبة، وحيث تساهم خفة الوزن والأداء الحراري في تحسينات على مستوى النظام. يضمن التصميم المناسب لجودة الصب والمعالجة اللاحقة ثبات الأداء عبر هذه الصناعات.

رؤى الاختيار

عند اختيار A357، يجب النظر إليه بشكل أساسي عندما يتطلب المكون المصبوب قوة قابلة للمعالجة الحرارية مصحوبة بمقاومة معقولة للتآكل وقابلية جيدة للصب؛ فهو خيار جيد للأجزاء ذات القوة المتوسطة والأشكال المعقدة التي تستفيد من التقدم بالعمر T6/T651 والاستقرار البُعدي. للتطبيقات التي تعطي أولوية للليونة والتشكيل، يُفضل تحديد درجات حرارة التخشين O أو T4 أو اختيار سبائك مُشكَّلة بدلاً من ذلك؛ أما للخدمة في درجات حرارة مرتفعة طويلة الأمد أو ظروف إجهاد قصوى، فيفضل النظر إلى البدائل.

مقارنة بالألمنيوم النقي تجاريًا (1100)، يتنازل A357 عن الموصلية الكهربائية والحرارية والتشكيل المتفوق مقابل قوة أعلى بكثير واستقرار بُعدي أفضل بعد المعالجة الحرارية. مقارنة بالسبائك الشائعة المشدودة بالعمل مثل 3003 أو 5052، يوفر A357 قوة ذروة أعلى بكثير عند التقدم بالعمر ولكنه قد يمتلك مقاومة تآكل مماثلة أو أقل قليلاً في بيئات كلوريدية؛ استخدم A357 عندما تكون تعقيدات الصب والقوة أهم من التشكيل البارد المكثف. مقارنةً بالسبائك المشهورة القابلة للمعالجة الحرارية والمشكلة مثل 6061/6063، يقدم A357 قابلية صب أفضل وآليات تقوية بالتراكم مشابهة؛ يُفضّل A357 عندما تكون الهندسة المعقدة للمسبوكات وكثافة أقل مطلوبة بالرغم من أن قوة الذروة أقل قليلاً من بعض سبائك 6xxx المشكّلة.

ملخص الختام

يظل A357 سبيكة ألمنيوم مصبوبة ذات صلة ومستخدمة على نطاق واسع لأنه يجمع بين قابلية الصب الممتازة واستجابة قوية للمعالجة الحرارية التي تحقق قوة ثابتة عالية، وأداء معقول في الإجهاد المتكرر، وسلوك مقبول من حيث مقاومة التآكل للعديد من المكونات الهيكلية والميكانيكية. يتيح الاختيار السليم لطريقة الصب، والدرجة، والمعالجات اللاحقة للمصممين استغلال نقاط قوته مع إدارة القيود في قابلية التشكيل وأداء درجات الحرارة المرتفعة.