ألمنيوم AlF357: التركيب، الخصائص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

AlF357 هو سبيكة ألمنيوم للسباكة قابلة للمعالجة الحرارية تحتوي على السيليكون والمغنيسيوم (غالبًا ما تندرج ضمن عائلة Al–Si–Mg وغالبًا ما تتم الإشارة إليها تقاطعياً بدرجات A357/AlSi7Mg). تُنتج هذه السبيكة غالبًا كمكونات مصبوبة في قوالب دائمة أو بالضغط حيث تكون متطلبات السلامة العالية والمتانة المرتفعة والأداء الجيد ضد التعب ضرورية. العناصر الرئيسية للسبائك هي السيليكون (Si) الذي يوفر قابلية السباكة والسيولة، والمغنيسيوم (Mg) الذي يسمح بالتصلب بالتنشط (Mg2Si)، ومستويات محكومة من الحديد (Fe) والنحاس (Cu) لضبط القوة والمتانة. يتم تقوية السبيكة بشكل رئيسي من خلال المعالجة الحرارية بالحل الحراري يليها التبريد السريع والعلاج بالشيخوخة الصناعية (T6/T5)، مع إمكانية تحسين الاستجابة عبر تعديل الكيمياء وجدولة المعالجة الحرارية.

الميزات الرئيسية تشمل مقاومة عالية نسبيًا للإجهاد الثابت والتعب بالنسبة لسبائك السباكة، وثبات أبعاد جيد بعد المعالجة الحرارية، ومقاومة منطقية للتآكل في البيئات الجوية. القابلية للحام قابلة للتطبيق لكنها تتطلب اهتمامًا باختيار مادة الحشو والتحكم في المسامية؛ أما قابلية التشكيل كسبائك مطروقة فهي محدودة لأن AlF357 مُحسنة للسباكة. الصناعات النموذجية التي تستخدم AlF357 تشمل السيارات (السباكة الهيكلية، مكونات العجلات، حوامل التعليق)، الفضاء (السباكة الهيكلية غير الحرجة والتجهيزات)، الأجهزة البحرية، وأغلفة المعدات الصناعية. يختار المهندسون AlF357 عندما يوفر الجمع بين قابلية السباكة والقوة القابلة للمعالجة الحرارية ومقاومة التعب توازنًا أفضل بين التكلفة والأداء مقارنة بالسبائك المطروقة أو درجات الألمنيوم المسبوك الأرخص.

أنواع المعالجة الحرارية

النوع	مستوى القوة	التمدد	قابلية التشكيل	قابلية الحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع	ضعيفة (هشة مقارنة بالمطروقة)	جيدة	مخمرة كما هي مصبوبة أو مخففة الإجهاد؛ أعلى حد للدكتيلية في سبائك السباكة
T5	متوسط-عالٍ	متوسط	محدودة	جيدة	مبردة من حالة الصب ومخضرة بالشيخوخة الصناعية؛ شائعة للتصلب بعد الصب
T6	عالٍ	منخفض-متوسط	محدودة	عادية	معالجة بالحل الحراري، تبريد سريع وشيخوخة صناعية؛ أعلى حالة قوة
T7	متوسط	متوسط	محدودة	عادية	مفرطة التشيخ لتثبيت حراري أفضل ومقاومة أكبر للتآكل الناتج عن الإجهاد
T651	عالٍ	منخفض-متوسط	محدودة	عادية	معالجة بالحل الحراري، تخفيف توتر بالتشديد، ثم شيخوخة؛ تحكم أفضل في الأبعاد

اختيار الحالة الحرارية لـ AlF357 يؤثر بشكل كبير على التوازن بين الأداءات: T6 تقدم أعلى قوة وأفضل عمر تعب على حساب الدكتيلية وقابلية التشغيل، بينما تُستخدم T5 عندما تمنع الميزانية أو سير العمل المعالجة بالحل الحراري. تُختار حالات T7 والمعالجات المستقرة عندما تحتاج المكونات للحفاظ على خصائصها بعد التعرض لدرجات حرارة تشغيل مرتفعة أو عندما تكون مقاومة التآكل الناتج عن الإجهاد وثبات الأبعاد من الأولويات.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	6.5 – 7.5	عنصر السبيكة الرئيسي لقابلية السباكة والقوة؛ يشكل يوتيكتيك مع الألمنيوم
Fe	0.05 – 0.45	حديد منخفض مسيطر عليه يقلل المركبات بين الفلزية الهشة؛ الحديد العالي يقلل الدكتيلية
Mn	0.05 – 0.25	معدل ثانوي؛ يمكنه تحسين شكل المركبات بين الفلزية
Mg	0.25 – 0.50	يوفر تصلبًا بالتنشط (Mg2Si) أثناء الشيخوخة
Cu	0.0 – 0.30	يزيد القوة واستجابة الشيخوخة لكنه قد يقلل مقاومة التآكل
Zn	0.0 – 0.15	بقايا عادةً؛ تأثير تقوية ضئيل هنا
Cr	0.0 – 0.10	مُقطع للحبوب/مثبط لإعادة التبلور في بعض المرات
Ti	0.02 – 0.15	مضاف لتحسين تكرير الحبوب خاصة في السبائك والسبائك المصبوبة
غيرها	متبقي الألمنيوم	عناصر أثرية يتم التحكم بها حسب ممارسة السباكة؛ المستويات المنخفضة من الشوائب تحسن الدكتيلية وعمر التعب

السيليكون يحدد خصائص السبك والبنية اليوتيكتيكية، بينما يتيح المغنيسيوم تقوية قابلة للمعالجة الحرارية عبر ترسيبات Mg2Si. الحديد المنخفض والعناصر الأثرية المسيطر عليها تحسن المتانة ومقاومة التعب من خلال تقليل جزيئات المركبات بين الفلزية الخشنة وتعزيز بنية دقيقة أثناء التصلب والمعالجة الحرارية.

الخصائص الميكانيكية

يتميز سلوك الشد لـ AlF357 بزيادة ملحوظة في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد بعد معالجة الحل الحراري والشيخوخة الصناعية، حيث تعطي حالة T6 أعلى القيم لهذا العائلة من السبائك. التمدد في حالة T6 يكون منخفضًا مقارنة بحالة الصب أو المخمرة ولكنه لا يزال مقبولًا للعديد من السبائك الهيكلية بسبب بنية يوتيكتيك الدقيقة والكيمياء المسيطر عليها. الصلادة تتبع نفس اتجاه مقاومة الشد وغالبًا ما تستخدم كاختبار مخبري للتحقق من كفاءة المعالجة الحرارية.

الأداء في مقاومة التعب هو عامل مهم لاختيار AlF357؛ يجمع بين قوة شد عالية وممارسات سباكة سليمة (انخفاض المسامية، تصميم مناسب للقنوات والمدخلات) مما يمنح عمر تعب متفوقًا مقارنة بدرجات سبائك Al–Si المسبوكة التقليدية. سماكة المقطع وحجمه تؤثر بشدة على الخصائص الميكانيكية واستجابة المعالجة الحرارية؛ فالمقاطع السميكة قد لا تتجانس تمامًا أثناء معالجة الحل الحراري مما يؤدي لخفض القوة المتطورة وانخفاض التمدد مقارنة بالمقاطع الرقيقة.

الخاصية	حالة O/مخمرة	الحالة الرئيسية (T6)	ملاحظات
مقاومة الشد	150 – 240 MPa	300 – 380 MPa	قيم T6 تعتمد على سماكة المقطع وكفاءة المعالجة الحرارية
مقاومة الخضوع	70 – 130 MPa	230 – 300 MPa	مقاومة خضوع بتزايد واضح بعد الشيخوخة
التمدد	8 – 18%	4 – 10%	التمدد يقل مع زيادة القوة وقيود المقطع
الصلادة	40 – 70 HB	90 – 120 HB	الصلادة ترتبط بحالة الترسيب وشكل السيليكون

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.65 جرام/سم³	نموذجية لسبائك Al–Si المسبوكة؛ نسبة قوة إلى وزن جيدة
نطاق الانصهار	~555 – 595 °C	النطاق اليوتيكتيكي ونطاق التصلب يتأثر بمحتوى السيليكون
التوصيل الحراري	~120 – 150 واط/م·ك	أقل من الألمنيوم النقي لكنه مناسب للعديد من تطبيقات تبديد الحرارة
التوصيل الكهربائي	~30 – 45 %IACS	منخفض مقارنة بالألمنيوم النقي بسبب السبائك ومحتوى السيليكون
السعة الحرارية النوعية	~0.90 جول/جم·ك (900 جول/كغ·ك)	نوعية للسبيكة الألومنيومية
المعامل الحراري للتوسع	~20 – 23 ميكرومتر/م·ك	مُتأثر بسيليكون؛ مهم للتصميم البُعدي

الخصائص الفيزيائية تجعل AlF357 جذابة حيث يلزم الجمع بين التوصيل الحراري المتوسط والكثافة المنخفضة. تتيح خصائص الانصهار والتصلب للسبائك إنتاج سبائك عالية الجودة مع انكماش ونقاء متوقع عند استخدام ممارسات مسبك صحيحة.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الحالات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	محدودة/مقاطع رقيقة فقط	غير متسق — غير نموذجي	T5 / كما هي صب	ليست الشكل الرئيسي؛ عمليات المطروقة غير شائعة
صفائح	محدودة	تعتمد على المقطع	T5/T6	صفائح صب سميكة يمكن معالجتها حراريًا لكنها تتطلب دورات حل حراري طويلة
بثق	نادر	غير قياسي للكيمياء المسبوكة	ليس متاحًا	AlF357 غير موجه لعمليات البثق التقليدية
أنابيب	محدودة (صب أو شبه صلب)	تعتمد على سمك الجدار	T5/T6	عادة مصنوعة كأكمام مصبوبة أو مشغلة من سبائك؛ ليست أنابيب مسحوبة
قضبان/أعمدة	سبائك مسبوكة / كميات مطروقة	يمكن معالجتها حراريًا إلى T6	T5/T6	سبائك قابلة للتشغيل باستخدام CNC وأشكال مطروقة متاحة

AlF357 هو بشكل رئيسي سبيكة سباكة، وأشكال المنتج الأكثر شيوعًا هي مكونات الصب في القوالب الدائمة، الصب بالقالب، أو المسبوكات الرملية أو قضبان للمعالجة. تؤثر طرق المعالجة المختلفة (الصب في القالب الدائم مقابل الصب بالقالب مقابل الصب الرملي) بشكل كبير على البنية المجهرية، مستويات المسامية، والخصائص الميكانيكية الممكن تحقيقها؛ يجب على المصممين الأخذ في الاعتبار حجم المقطع، معدل التبريد، والمعالجة الحرارية اللاحقة عند تحديد هندسة المكون والأداء المتوقع.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	A357 / AlSi7Mg	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية شائعة للصب حسب ASTM/AA؛ غالبًا ما تتم مقارنة AlF357 مع هذه التركيبة الكيميائية
EN AW	EN AC-AlSi7Mg	أوروبا	درجة صب أوروبية مكافئة ضمن تسمية EN 1706
JIS	ADC12 (ليست مطابقة تمامًا) / AlSi7Mg	اليابان	ADC12 تحتوي على نسبة أقل من النحاس وليست مطابقة مباشرة؛ راجع مواصفات JIS للمتغيرات منخفضة النحاس
GB/T	AlSi7Mg	الصين	درجة صب معيارية صينية تطابق تقريبًا التركيبة الكيميائية لـ A357

الاختلافات الدقيقة بين المعايير تتعلق أساسًا بحدود الشوائب (Fe, Cu, Zn) ومدى ضيق نطاق Mg و Si؛ هذه تؤثر على استجابة المعالجة الحرارية والخصائص طويلة الأمد مثل مقاومة التآكل وعمر التعب. عند مقارنة المعايير، تأكد من التركيب الكيميائي الدقيق وأي ضوابط جودة إضافية (مثل الحد الأقصى للحديد، حدود مسامية الهيدروجين) التي يطبقها الموردون.

مقاومة التآكل

يوفر AlF357 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العامة، وهو نمط شائع لسبائك الألمنيوم–السيليكون–المغنيسيوم المصبوبة. طبقة الأكسيد الطبيعية المتشكلة توفر حماية أساسية، ويساعد محتوى النحاس المنخفض والمراقب في السبيكة على الحفاظ على المقاومة في البيئات الحضرية والصناعية المعتدلة. في البيئات البحرية أو الغنية بالكلوريد، تكون السبيكة عرضة إلى حد ما للتآكل الحفري والهجوم الموضعي؛ ينصح باستخدام المعالجات السطحية مثل الأنودة أو الطلاءات المناسبة للتعرض طويل الأمد.

يعد تشقق التآكل الإجهادي (SCC) أقل خطورة في سبائك الصب Al–Si–Mg مقارنة ببعض سبائك الألمنيوم–النحاس ذات القوة العالية المصنعة، لكن القابلية تزداد مع زيادة الإجهادات الشدادية ووجود الكلوريدات. التفاعلات الجلفانية نموذجية للألمنيوم: حيث يعتبر AlF357 أنوديًا مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك الأساسية على النحاس، لذا ينبغي التفكير في العزل الكهربائي أو الأنودات التضحوية في التركيبات المعدنية المختلطة. بالمقارنة مع عائلات السبائك المُشكّلة 5xxx و6xxx، يتنازل AlF357 قليلاً عن مقاومة التآكل مقابل قوة أفضل في الحالة المصبوبة وعمر تعب محسن، لكنه لا يضاهي أداء البحرية للسبائك 5xxx المُحسنة بعناية.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

يمكن لحام AlF357 باستخدام عمليات TIG (GTAW) وMIG (GMAW)، لكن مسامية الصب، امتصاص الهيدروجين، وتشقق الحرارة تحتاج إلى مراقبة دقيقة. تُستخدم سبائك الحشو من الألمنيوم–السيليكون مثل ER4043 (Al–Si) عادةً لمطابقة خصائص التبلل وتقليل احتمالية التشقق؛ قد يُستخدم ER5356 (Al–Mg) بحذر حيث تكون قوة معدن اللحام مطلوبة. يمكن للمعالجة الحرارية بعد اللحام استعادة القوة لبعض المكونات لكنها لا تلغي عيوب الصب؛ التسخين المسبق وإزالة الغازات من حمم اللحام ضروريان لتقليل المسامية.

قابلية التشغيل

كسبيكة صب منخفضة النسبة الإيوتيك Al–Si، يعمل AlF357 جيدًا في التشغيل: توفر جسيمات السيليكون تأثير تكسر الرقائق واستقرارًا أبعادياً، لكنها تزيد من التآكل في الأدوات مقارنة بسبائك الألمنيوم المُشكّلة الأطرى. يُنصح باستخدام أدوات كربيد ذات زوايا قطع إيجابية وتدفق مرتفع للمبرد للتحكم في الحرارة وإزالة الرقائق؛ سرعات القطع النموذجية أعلى من الفولاذ لكنها تعتمد على القسم والحالة الحرارة المعالجة. يمكن تحقيق جودة سطح ودقة أبعاد بسهولة باستخدام تثبيتات مستقرة ومعدلات تغذية مناسبة.

قابلية التشكيل

التشكيل البارد لـ AlF357 محدود بسبب التركيب الميكروي الموجه للصب والليونة المتوسطة إلى المنخفضة في الحالة T6؛ يجب أن تكون أنصاف أقطار الثني محافظة وعادةً ما تؤدي إلى التشقق. التشكيل الحراري أو التشكيل بالطرق بالشبه الشكل النهائي للقطاعات المسبوكة هو مسار أكثر واقعية عندما يتطلب التصميم تشوهًا كبيرًا. أفضل قابلية للتشكيل تظهر في الحالة المعالجة بالأنيل أو الحالة كما صُبّت، لكن هذه الحالات تضحي بالقوة ونادرًا ما تُستخدم للأجزاء الهيكلية.

سلوك المعالجة الحرارية

يمكن معالجة AlF357 حراريًا عن طريق المعالجة بالمحلول والشيخوخة الاصطناعية. درجات حرارة المعالجة النموذجية تتراوح بين 510–540 °C، تُحتفظ عندها فترة كافية لتجانس وحل الأطوار القابلة للذوبان في القطاعات الرقيقة، ثم يتم التبريد السريع للحفاظ على محلول صلب مشبع فوق الحد. تحدث الشيخوخة الاصطناعية عادة عند 155–185 °C لتكوين رسبات Mg2Si والوصول إلى خصائص T6؛ ومدة الشيخوخة تعتمد على سمك الجزء وتوازن الخصائص المطلوب.

يتم تحقيق الحالة T5 عن طريق التبريد من الصب والشيخوخة الاصطناعية بدون معالجة محلول وسطية، مما يؤدي إلى زيادة القوة مع تكاليف تصنيع أقل لكن بخفض الخصائص القصوى الممكنة. تستخدم درجات الحرارة T7 أو الشيخوخة المفرطة الشيخوخة عند درجات حرارة أعلى أو زمن أطول لتحسين الاستقرار الحراري وتقليل القابلية لتشقق التآكل الإجهادي، مقابل تناقص قليل في أقصى قوة. إذا استُخدمت السبيكة في حالات غير قابلة للمعالجة الحرارية، فإن التقسية بالعمل ليست فعالة بسبب التركيب الميكروي للصب؛ التلدين يخفف من الإجهادات المتبقية ويحسن الليونة.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

يبدأ AlF357 بفقدان جزء كبير من قوة T6 فوق حوالي 150 °C، مع تليين تدريجي وتكبير الرسبات مع ارتفاع درجة الحرارة؛ عادةً ما يقتصر الاستخدام طويل الأمد على درجات حرارة أقل من هذا النطاق. ليست الأكسدة هي سبب الفشل الأساسي عند هذه الدرجات، لكن الشيخوخة المفرطة والتكبير الميكروي يضعفان مقاومة التعب، مقاومة الخضوع، والصلادة. قد تتعرض مناطق تأثر الحرارة باللحام لتليين موضعي وتقليل مقاومة التعب؛ يجب على المصممين أخذ هذه التدرجات في الاعتبار عند لحام الأجزاء بعد المعالجة الحرارية.

للتعرض المتقطع أو قصير المدى حتى 200 °C، يمكن الاحتفاظ ببعض الخصائص إذا حُددت حالة T7 المناسبة، لكن خدمة درجات الحرارة العالية المستمرة يتم توفيرها بشكل أفضل بواسطة سبائك خاصة مصممة للدرجات المرتفعة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام AlF357
السيارات	الأجزاء الهيكلية المصبوبة، أغلفة نقل الحركة	سهولة الصب، قوة T6 عالية، مقاومة التعب
البحرية	أغلفة المضخات، حمالات هيكلية غير حرجة	مقاومة تآكل معقولة وتكلفة صب فعالة
الفضاء	التجهيزات، الأجزاء الهيكلية المصبوبة الصغيرة	نسبة قوة إلى وزن عالية لمكونات متوسطة الشدة
الإلكترونيات	أغلفة ومشتتات حرارية مصبوبة	استقرار أبعاد وموصلية حرارية معتدلة

يُختار AlF357 عندما يدمج الاقتصاد في الإنتاج بواسطة الصب مع كيمياء قابلة للمعالجة الحرارية، لتوفير مكونات تلبي متطلبات الهيكلية والتعب دون تكلفة التصنيع بالطرق المُشكّلة. يحتل مكانة عملية بين سبائك الصب منخفضة القوة والمواد المُشكّلة الأعلى تكلفة والأعلى قوة للأجزاء الهيكلية متوسطة الشدة.

رؤى حول الاختيار

يُعد AlF357 خيارًا جذابًا عندما يحتاج المصممون إلى هندسة مصبوبة وأداء مستوى T6 من سبيكة ألومنيوم اقتصادية. بالمقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي (1100)، يتنازل AlF357 عن الموصلية الكهربائية والليونة الفائقة مقابل قوة أعلى بكثير ومقاومة تعب محسنة؛ وهو أقل ملاءمة عندما تكون الموصلية العالية أولوية. مقارنةً بالسبائك الشائعة المعالجة بالعمل مثل 3003 أو 5052، يوفر AlF357 عادة قوة معالجة أفضل وعمر تعب أطول لكنه أقل قابلية للتشكيل البارد وأحيانًا مقاومة تآكل أقل في البيئات الكلوريدية العدوانية. مقارنة بالسبائك المُشكّلة القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061/6063، قد يقدم AlF357 إنتاجًا أبسط للهندسة المعقدة المصبوبة وقوة تنافسية لبعض القطاعات، رغم أن الذروة في القوة لكل وحدة وزن عادةً أقل وقدرات التشكيل بالطرق أو السحب تختلف.

استخدم AlF357 عندما يكون الصب هو الطريق المفضل للتصنيع، وعندما تكون الخصائص الميكانيكية بنمط T6 مطلوبة في الشكل المصبوب، وعندما يستطيع المصممون التحكم في سمك القسم والمعالجة الحرارية لتحقيق إمكانات السبيكة. تجنب استخدام AlF357 حيث تكون متطلبات التشكيل العميق والليونة الباردة القصوى، أو أعلى موصلية كهربائية، أو الخدمة المستمرة في درجات حرارة عالية هي الأولوية.

الملخص الختامي

يظل AlF357 ذو أهمية لأنه يجمع بين سلوك الصب المتوقع والتقوية المعالجة حراريًا، موفرًا مقاومة تعب وقوة ثابتة عالية لمكونات مصبوبة معقدة بتكلفة منخفضة نسبيًا. عند اختياره مع مراعاة ممارسات الصب، اختيار درجة المعالجة، وحماية من التآكل، يقدم AlF357 حلاً قويًا للعديد من تطبيقات السيارات والفضاء والبحرية والصناعية حيث يجب تحقيق توازن بين الهندسة المصبوبة والأداء الميكانيكي.