ألمنيوم A380: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك الألومنيوم A380 هي سبيكة مخصصة للصب بالقولبة التجارية وتنتمي إلى عائلة Al-Si-Cu بدلاً من سلسلة السبائك المشغولة الكلاسيكية مثل 3xxx أو 6xxx أو 7xxx. تُصنّف عادة ضمن سبائك الصب Al–Si (غالبًا ما يتم الإشارة إليها بجانب ADC12/EN AC‑46000)، وتم تصميمها لتلبية تطبيقات الصب بالكميات الكبيرة التي تتطلب هندسات معقدة ودقة أبعاد عالية.

العناصر الرئيسية في السبائك هي السيليكون (Si) في نطاق الإيوتكتك إلى أقل من الإيوتكتك، والنحاس (Cu) بمستويات كافية لتمكين التقسية بالتبرّد والترسيب؛ كما يحتوي على الحديد (Fe)، والماغنيسيوم (Mg)، وكميات ضئيلة من التيتانيوم (Ti) والمنغنيز (Mn) للتحكم بخصائص الصب والبنية المجهرية. التعزيز في القوة هو مزيج من البنية المجهرية كما هي بعد الصب (السيليكون الإيوتكتكي والمركبات البينية)، والتقسية الجزئية من Cu/Mg، وبعض تأثيرات التقسية الناتجة عن العمليات الثانوية؛ A380 ليست سبيكة قابلة للتشكيل والتقسية بالشغل فقط.

الصفات الأساسية لـ A380 تشمل سهولة الصب، وثبات أبعاد ممتاز أثناء الصب بالقوالب، وقوة ثابتة من متوسطة إلى عالية في سبائك الصب، وموصلية حرارية وكهربائية مناسبة للعديد من تطبيقات الأغطية والصناديق، ومقاومة مقبولة للتآكل في التعرض الجوي العام. أما القابلية للحام والتشكيل فهي محدودة مقارنةً بدرجات الألومنيوم المشغولة؛ كما يمكن إجراء إصلاحات لحام ومعالجة حرارية بعد الصب ولكنها تتطلب ضوابط عملية دقيقة.

الصناعات النموذجية التي تستخدم A380 هي صناعة السيارات (حالات وعلب النقل، القواعد)، الإلكترونيات الاستهلاكية (الأغطية)، علب المحركات الصغيرة والمضخات، والمكونات الصناعية العامة المصبوبة التي يكون فيها التصميم الاقتصادي والدقة الهندسية أمرًا ضروريًا. يختار المهندسون A380 عندما يكون توازن سهولة الصب، دقة الأبعاد، القوة الكافية، وتكلفة الوحدة المنخفضة أهم من الحاجة إلى دكتيلية عالية أو أداء خدمة في درجات حرارة مرتفعة.

أنواع المعالجة الحرارية (Temper)

نوع المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O (تليين)	منخفض	مرتفع	جيد للتشكيل المحدود	جيد (بحذر)	ملين بفعل التليين في الفرن؛ نادر الاستخدام للأجزاء النهائية المصبوبة
As‑Cast (AC) الصب كما هو	متوسط	منخفض إلى متوسط	محدود	متوسط — مشاكل في المسامية	حالة التسليم النموذجية بعد الصب القالب؛ البنية المجهرية تتحكم في القوة
T5 (معالجة مصنعة ومختمرة)	متوسط إلى عالي	منخفض	محدود	متوسط — اختيار عامل اللحام مهم	غالبًا ما تُستخدم لتحسين الخصائص الميكانيكية بدون معالجة ذوبان كاملة
T6 (معالجة بالذوبان والتقسية)	عالي	منخفض	ضعيف	صعب — تليين منطقة حرارة اللحام (HAZ)	يُستخدم لزيادة القوة لكن مع مخاطر التشويه وفتح المسامية
H (تشغيلة باردة، محدودة)	متوسط	أقل	ضعيف	غير متاح	نادر في الصب؛ يستخدم عند تطبيق تشويه موضعي محدود

يؤثر نوع المعالجة الحرارية على A380 من خلال تغيير التوازن النسبي بين القوة والدكتيلية عبر التغيرات في البنية المجهرية وسلوك الترسيب. المادة المصبوبة كما هي توفر أفضل دقة أبعاد من القالب، T5 تعزز القوة مع تشويه قليل، والمعالجة T6 الكاملة تضاعف القوة بتكلفة زيادة المعالجة ومخاطر التشوه وفتح المسامية.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	7.5–9.6	العنصر الأساسي في السبائك يتحكم في السيولة والانكماش؛ يشكل أطوار إيوتكتك/سيليكون ناعم.
Fe	0.6–1.3	شائبة تشكل مركبات بينية (β‑AlFeSi) تؤثر على الدكتيلية وتحمل المسامية.
Mn	≤0.35	يتحكم في شكل المركبات البينية للحديد؛ يحسن المتانة قليلاً.
Mg	0.1–0.45	يساهم في تقسية الترسيب عند وجود النحاس؛ دور تقوية ثانوي.
Cu	1.5–3.5	المكون الأساسي في تقسية الترسيب والقوة بعد المعالجة.
Zn	≤0.2	مستويات منخفضة؛ مساهم طفيف في تقوية محلول صلب.
Cr	≤0.1	كميات ضئيلة للتحكم في بنية الحبيبات وإعادة التبلور في بعض الأنواع.
Ti	0.02–0.2	محسن حبيبات يُستخدم أثناء الصهر للتحكم بحجم الحبيبات المصبوبة.
عناصر أخرى	متبقي الألومنيوم (مع أثار رصاص/قصدير ≤0.05)	الألومنيوم يشكل المتبقي؛ يتم التحكم في الشوائب لضمان نقاء الصب.

يحدد محتوى السيليكون خصائص الصب كالسلاسة والتغذية والانكماش، كما يؤثر حجم وشكل جزيئات السيليكون على القوة ومقاومة التعب. النحاس والماغنيسيوم يسمحان بالتقسية بالترسيب خلال معالجة الشيخوخة، لكن فعالية المعالجة الحرارية محدودة بسبب العيوب والطوريات البينية التي تقلل من الدكتيلية وعمر التعب مقارنة بالسبائك المشغولة.

الخصائص الميكانيكية

يعرض A380 سلوك شد نموذجي للسبائك المصبوبة متوسطة النطاق: قوة شد نهائية عالية نسبيًا لسبائك الصب مع مقاومة خضوع منخفضة إلى متوسطة واستطالة محدودة. تعتمد قيم الشد والخضوع بشدة على ظروف الصب، مستويات المسامية، ونوع المعالجة؛ الصبذات الكثيفة والمتحكم في تجاويف الهيدروجين والأكسيد تظهر قدرة تحمل أعلى وقوى مقاسة أعلى.

الاستطالة عامة منخفضة مقارنة بالألومنيوم المشغول؛ حيث تتراوح عادة بين 1–6% للحالات المصبوبة والمعالجة حرارياً، ويمكن تحسين الدكتيلية قليلًا بالتليين فقط. الصلادة تتناسب مع نوع المعالجة الحرارية؛ تزيد صلادة برينل من قيم متوسطة في الحالة المليّنة إلى قيم أعلى بعد المعالجة T5/T6، لكن وجود مركبات بينية هشة وسيليكون خشن يحد من المتانة وقدرة التحمل في التعب.

تكون مقاومة التعب حساسة لحالة السطح وعيوب الصب؛ عموماً عمر التعب أقل مقارنة بالسبائك المشغولة ذات القوة الثابتة المماثلة، ويتحسن بواسطة الضغط المتساوي الساخن، التلميع بالرصاصات (shot peening)، أو التشغيل لإزالة العيوب السطحية. تؤثر السماكة والحجم القطاعي على معدلات التبريد والبنية المجهرية؛ حيث يبرّد القطاع الرقيق بسرعة مما يسفر عن بنية مجهرية أدق وخصائص ميكانيكية أفضل إلى حد ما، في حين أن القطاعات السميكة أكثر عرضة للمسامية والبنية الإيوتكتكية الخشنة.

الخاصية	O / تليين	نوع المعالجة الرئيسي (As‑Cast / T5 / T6)	ملاحظات
قوة الشد القصوى (UTS)	135–220 MPa	250–340 MPa	نطاق واسع بسبب ظروف الصب والمسامية؛ T5/T6 في النطاق الأعلى.
مقاومة الخضوع (0.2% إزاحة)	55–125 MPa	110–210 MPa	T6 يرفع مقاومة الخضوع بالتقسية؛ الخضوع في الحالة المصبوبة يعتمد على البنية المجهرية.
الاستطالة	4–12%	1–6%	الدكتيلية محدودة في الأشكال المصبوبة؛ التليين يحسن الاستطالة لكنه يقلل القوة.
الصلادة (HB)	50–85 HB	75–110 HB	تزداد الصلادة مع الشيخوخة الصناعية؛ تفاوت محلي بسبب المركبات البينية.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.78 g/cm³	أعلى قليلاً من الألومنيوم النقي بسبب محتوى Si/Cu/Fe.
مدى الانصهار	~500–575 °C	يبدأ الذوبان الجزئي / الإيوتكتك قرب درجة حرارة الإيوتكتك؛ نطاق الصلب-السائل بسبب السبائكية.
الموصلية الحرارية	~90–120 W/m·K (25 °C)	أقل من الألومنيوم النقي بسبب السيليكون والمركبات البينية؛ ما زالت جيدة للأغطية ونقل الحرارة.
الموصلية الكهربائية	~20–35 % IACS	منخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي؛ تقل الموصلية بزيادة النحاس والسيليكون.
السعة الحرارية النوعية	~0.88–0.92 J/g·K	نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ مهمة لنمذجة إدارة الحرارة.
التمدّد الحراري	~21–23 µm/m·K	مماثل لسبائك الصب Al–Si الأخرى؛ يجب أخذ التوسع الحراري بالاعتبار في التركيبات متعددة المواد لتجنب إجهادات حرارية وتآكل كهروكيميائي.

تجعل مجموعة الخصائص الفيزيائية A380 مناسبة للمكونات التي تتطلب ثباتًا جيدًا للأبعاد، وتبديدًا حراريًا معتدلاً وتأريضًا كهربائيًا مع الحفاظ على الوزن المنخفض. تجعل الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية A380 مناسبة للأدوار المعتدلة في تبديد الحرارة، لكن ينبغي للمصممين مراعاة الموصلية المنخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي عند اعتماد تبديد الحرارة كوظيفة رئيسية. التمدد الحراري نموذجي للألومنيوم ويجب استيعابه في التركيبات متعددة المواد لتجنب الإجهادات الحرارية والتدهور الغالڤاني.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المقاومة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	نادراً ما يتم التوريد	غير نموذجي	لا ينطبق	سبائك A380 لا تُنتج عادة كألواح مُشكّلة؛ التطبيقات اللوحية تستخدم سلسلتي 5xxx/6xxx.
ألواح سميكة (Plate)	محدود (ألواح مصبوبة أرق)	متغير حسب السماكة	كما هي مصبوبة / T5	توجد بعض الألواح المصبوبة أو المسبوكة بالثيكسوكاست لكنها غير شائعة؛ غالباً ما يتطلب الأمر تشغيل دقيق.
بثق	غير مُطبق	لا ينطبق	لا ينطبق	سبائك A380 هي سبائك مصبوبة وليست مناسبة لعمليات البثق.
أنابيب	نادراً ما يتم التوريد	لا ينطبق	لا ينطبق	الأشكال الأنبوبية من الصب بالقالب محدودة جداً؛ أحياناً تستخدم الأنابيب الملحومة من قطع مصبوبة.
قضبان/أعمدة	قضبان أو سبائك مصبوبة لإعادة الصهر	مماثل للمصبوب	كما هي مصبوبة	يتم التوريد في الغالب كسبائك أو كرات صب لإعادة الصهر وليس كقضبان مكونة بالتشكيل.

سبائك A380 هي أساساً سبائك للصب بالقالب عالي الضغط، والشكل المنتج الأساسي هو المكونات المصبوبة مباشرة من قوالب الضغط العالي. الأشكال المُشكّلة مثل الألواح والبلاطات والبثق نادرة لأن كيمياء السبيكة وبنية الصب الدقيقة ليست مُحسنة للعمليات المُشكّلة؛ عادة ما يفضل المصنعون السبائك المُشكّلة لتلك الأشكال. عند الحاجة إلى وظائف خاصة، تُشغّل المصبوبات للوصول إلى الأبعاد النهائية أو تُدمج مع مكونات إضافية وعمليات ثانوية بدلاً من الاعتماد على التشكيل.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	A380	الولايات المتحدة الأمريكية	التسمية الشائعة لصناعة الصب والقوالب.
EN AW	EN AC-46000 (AlSi8Cu3(Fe))	أوروبا	تقريباً معادل؛ تسمية تركز على العائلة الكيميائية ومحتوى الحديد.
JIS	ADC12	اليابان	معادلة معروفة في آسيا بمحتوى مماثل من السيليكون والنحاس وسلوك الصب.
GB/T	AlSi9Cu (تقريباً)	الصين	المواصفات المحلية قد تدرج AlSi9Cu3 أو ما شابه كمعادلات عملية؛ قد تختلف الكيمياء قليلاً.

الاختلافات الطفيفة بين المعادلات الإقليمية تنجم عن الحدود المسموح بها للنحاس والسيليكون والحديد بالإضافة إلى مستويات الشوائب المسموح بها وطرق اختبار الخواص الميكانيكية. يتم غالباً اعتبار ADC12 و EN AC-46000 كمعادلات قريبة لـ A380 في التصميم والمشتريات، لكن يجب على المصنعين التأكد من نطاقات الكيمياء، وخيارات المعالجة الحرارية المؤقتة، وشهادات الخواص الميكانيكية قبل التصنيف المتبادل للأجزاء.

مقاومة التآكل

يتمتع A380 بمقاومة تآكل جوي عامة مقبولة تُعزى إلى طبقة أكسيد الألمنيوم الطبيعية، ويعمل جيداً في البيئات الداخلية والمضبوطة حيث عوامل تسبب التآكل النقطي قليلة. وجود النحاس يقلل من مقاومة التآكل الإجمالية مقارنة بالسبائك المشكلة منخفضة النحاس؛ قد يحدث تآكل موضعي خاصة في البيئات التي تحتوي على كلوريد وفي المناطق التي تتجمع فيها الرواسب التي تحبس الرطوبة.

في البيئات البحرية أو ذات المحتوى العالي من الكلوريد، يظهر A380 قابلية أكبر للتآكل النقطي وتآكل الشقوق مقارنة بسبائك 5xxx/6xxx المشكلة التي تحتوي على النحاس قليل أو معدوم؛ غالباً ما تُحدد طلاءات حماية وأجهزة ختم للخدمة طويلة الأمد. لم تُذكر عادةً ظاهرة تكسير الإجهاد بالتآكل لسبائك A380 في الخدمة العادية، لكن الخطر يزداد عند وجود إجهاد شد ونشاط عالي للكلوريد ودرجات حرارة مرتفعة؛ يجب على المصممين اتخاذ الحيطة في التطبيقات البحرية الهيكلية.

التفاعلات الجلفانية تجعل A380 أنودي نسبياً مقارنة بالعديد من الفولاذ والسبائك النحاسية؛ عند تلامسها في ماء البحر أو الإلكتروليتات العدائية، يتآكل عنصر الألمنيوم مسبقاً ما لم يتم عزله كهربائياً أو حمايته بطبقات طلاء وأنودات تضحية. مقارنة بالأنظمة السبيكية الأخرى، يضحي A380 ببعض مقاومة التآكل لصالح سهولة الصب ودقة الأبعاد؛ إذا كانت مقاومة التآكل حرجة، يُفضل اختيار سبائك منخفضة النحاس أو أنظمة حماية إضافية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

اللحام في A380 المصبوب باستخدام القالب ممكن لكنه يواجه تحديات: المسامية وغازات و أكاسيد محاصرة في الهيكل الدقيق تزيد من خطر عيوب اللحام. يُنصح غالباً باستخدام لحام TIG وMIG بأسلاك تعبئة من نوع Al-Si (مثل ER4043 أو ER4047) لتوافق قاعدة السيليكون الغنية وتقليل احتمال التشقق الساخن؛ يمكن استخدام ER5356 لمقاومة أعلى لكن يزيد من احتمالية التشقق في سبائك Al-Si المصبوبة. التحضير للحرارة مسبقاً عند 150-200 °C، وسنفرة للوصول إلى معدن سليم، والمعالجة الحرارية بعد اللحام أو طرق التنصيف يمكن أن تحسن جودة اللحام؛ مع ذلك، غالباً ما تحد تخفيف منطقة حرارة اللحام وفتح المسامية من قوة الإصلاح.

قابلية التشغيل

يُعتبر A380 مقبولاً من حيث العمليات الميكانيكية للسبائك المصبوبة؛ جزيئات السيليكون الإيوتكتكية تقلل من نمو الزوائد وتُحفّز تقطيع الشرائح، في حين أن صلادته المعتدلة تسمح بمعدلات تغذية أعلى مقارنة بألمنيوم نقي ألطف. الأدوات الكربيدية ذات هندسة زاوية مدرّجة ومنظومة تبريد مناسبة هي المعيار للتشغيل عالي الحجم؛ سرعات القطع متشابهة مع سبائك الألمنيوم الأخرى لكن عمر الأدوات يتأثر بمحتوى السيليكون والمواد البينية الكاشطة. للحصول على تشطيبات سطح ناعمة، يجب التحكم في التغذية وهندسة الأداة لتجنب الاهتزاز وخلع جزيئات السيليكون.

قابلية التشكيل

تشكيل A380 محدود لأن المصبوبات ليست ليّنة كالألمنيوم المشكلة. يجب أن تكون أنصاف أقطار الانحناء محافظة وغالباً ما تؤدي العمليات التشكيلية الموضعية إلى تشققات أو كسر بسبب انخفاض الاستطالة؛ عادةً ما يتجنب المصممون التشكيل البارد الثقيل لمصبوبات A380. أفضل نتائج التشكيل تتحقق من خلال تصميم الميزات في القالب، أو استخدام إدخالات، أو اختيار سبائك مشكلة ذات ليونة أعلى للعمليات اللاحقة؛ التخمير يمكن أن يحسن الليونة لكنه يقلل القوة بشكل كبير.

سلوك المعالجة الحرارية

رغم احتواء A380 على النحاس والمغنيسيوم مما يمكّنه من تصلب ترسيبي، إلا أن استجابة المعالجة الحرارية محدودة بالبنية الدقيقة المصبوبة والمسامية. تُجرى المعالجة بالحل عند درجات حرارة تقارب 495–540 °C لإذابة المراحل القابلة للذوبان، تليها تبريد سريع ومعالجة تقسية صناعية عند 150–200 °C لترسيب المراحل المقوية؛ هذا ينتج ظروف T6 أو T5 حسب ما إذا تم تطبيق الحل الكامل.

القيود العملية تشمل التشوهات، فتح المسامية وطبقات الأكسيد أثناء المعالجة بالحل مما قد يقلل الدقة الأبعادية وعمر التعب؛ لذلك يُفضل العديد من مصنعي الصب التصلب المباشر (T5) أو المعالجة ذات التحكم بالتقسية لموازنة الزيادة في القوة مع ثبات الشكل. بالنسبة للسلوك غير القابل للمعالجة الحرارية، يمكن تليين A380 بالتخمير بالفرن لزيادة الليونة لتشكيل محدود، وسيؤدي العمل البارد الموضعي إلى زيادة طفيفة في الصلابة لكنه ليس بديلاً عن السبائك المشكلة الكاملة.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تتناقص قوة A380 مع ارتفاع درجة الحرارة ويُنصح عادة باستخدامه في خدمات مستمرة تحت نحو 150 °C لتطبيقات تحمل الأحمال. تسريع الخدمة عند درجات حرارة مرتفعة يسبب تليين الهياكل المعالجة بالتقسية ويمكن أن يسرّع تعتيق المواد، مما يقلل القوة الثابتة وعمر التعب؛ التعرضات الممتدة فوق ~200 °C ليست نموذجة لمكونات A380. أكسدة الألمنيوم عادةً ما تكون حماية، لكن عند درجات حرارة أعلى قد تتسبب المواد البينية والتوسع التفاضلي في تشققات دقيقة وتقلل من سلامة الإحكام في التجميعات.

تتطور في مناطق حرارة اللحام (HAZ) حيث يحدث المبالغة في التليين أو التصلب؛ الزيادات في درجات الحرارة يمكن أن تزيد من التليين في هذه المناطق وتقلل السعة الحاملة، لذا يجب على المصممين الأخذ في الاعتبار تقليل القوة المحلية وتجنب وضع الوصلات الحرجة الملحومة أو المبرودة في مناطق الحرارة العالية.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام A380
السيارات	أغلفة نواقل الحركة، أغلفة أجسام الصمامات، حوامل	سهولة الصب بالقالب، دقة الأبعاد، تكلفة فعالة للأجزاء عالية الكمية
البحرية