ألمنيوم AlSi12: التركيب، الخواص، دليل الحالة الحرارية والتطبيقات

Table Of Content

Table Of Content

نظرة شاملة

تنتمي سبائك AlSi12 لعائلة الألمنيوم-السيليكون وتصنّف ضمن سبائك Al-Si المصبوبة بدلاً من سلسلة السبائك المشغولة 1xxx–7xxx؛ وغالباً ما يُشار إليها تحت تسميات الصب بدلاً من أرقام السلسلة المشغولة. تحتوي السبيكة بشكل اسمي على حوالي 11–13% من السيليكون مع مستويات متبقية من الحديد والمنغنيز والنحاس وعناصر أثرية مثل التيتانيوم والكروم تستخدم لتكرير الحبوب والتحكم بالخصائص.

الآلية الأساسية للتقوية في AlSi12 هي ميكروهيكلية: حيث توفر المرحلة السيليكونية القريبة من الإيوتكتيك الموزعة ضمن مصفوفة الألمنيوم صلابة طبيعية ومقاومة للتآكل. AlSi12 ليست سبيكة ذات تقسية عن طريق ترسيب (قابلة للمعالجة الحرارية) كما في السبائك المشغولة الكلاسيكية؛ يتم تحسين الخواص الميكانيكية من خلال التحكم في مورفولوجيا السيليكون (التعديل، التجميع الكروي) وبواسطة معالجات حرارية محدودة بدلاً من عمليات التعتيق المدفوعة بالماجنيزيوم/النحاس.

تشمل الخصائص الرئيسية سيولة الصب الممتازة، انخفاض الانكماش عند التصلب، ثبات أبعاد جيد في الحالة المصبوبة، ومقاومة معقولة للتآكل نتيجة لطبقة أكسيد الألمنيوم الواقية. تظهر السبيكة مقاومة شد معتدلة، استطالة متواضعة في الحالة المصبوبة، وموصلية حرارية جيدة مقارنة مع سبائك الصب الأخرى. الصناعات النموذجية التي تستخدم AlSi12 تشمل السيارات (مكونات محركات صب بالقالب، الأغلفة)، الماكينات الصناعية (أجسام المضخات، أغلفة الصمامات)، المعدات البحرية، وبعض تطبيقات إدارة الحرارة.

يختار المهندسون AlSi12 عندما تكون سهولة الصب، انخفاض الانكماش، وتوازن بين القوة والموصلية الحرارية أولوية تفوق الحصائل القصوى لمقاومة الشد. يجعل محتوى السيليكون السبيكة جذابة للقوالب الرفيعة والمعقدة والمكونات التي تتطلب خصائص جيدة لمقاومة التآكل والثبات أثناء دورات الحرارة.

الدرجات الحرارية

الدرجة الحرارية مستوى القوة الاستطالة قابلية التشكيل قابلية اللحام ملاحظات
F (كما تم تصنيعها) منخفض–متوسط منخفض–متوسط محدودة معتدلة الحالة النموذجية المصبوبة مباشرة من الصب بالقالب أو الصب بالرمل
O (مُعالجة حرارياً) منخفضة متوسطة–عالية محسنة جيدة تخفيف الإجهاد/تليين لتحسين اللدونة وتقليل الإجهادات المتبقية
T5 متوسطة منخفضة محدودة معتدلة تم تبريده من الصب وخضع لتعتيق اصطناعي لتحقيق استقرار بعض الخصائص
T6 متوسطة–عالية منخفضة محدودة معتدلة معالجة مذابة + تعتيق اصطناعي يمكن أن تؤدي إلى تجميع كروي للسيليكون وزيادة متواضعة في القوة عندما تسمح كيمياء السبيكة
T4 (مذابة) متوسطة منخفضة–متوسطة محدودة معتدلة معالجة مذابة مع تعتيق طبيعي؛ تستخدم بشكل انتقائي بعد التعديل
H14 (مقسى بالشد) غير نمطي غير نمطي غير نمطي غير نمطي التقسية بالشد عموماً غير قابلة للتطبيق على AlSi12 المصبوبة؛ مدرجة للمرجعية فقط

للدَرَجة الحرارية تأثير قوي على أداء AlSi12 لأن مورفولوجيا السيليكون وعيوب الصب هي المحركات الأساسية للخصائص. تُحسّن المعالجات الحرارية مثل التذويب والتعتيق الاصطناعي (T6/T5) توزيع جسيمات السيليكون وتقلل التوزيع الجزئي، مما يمنح تغييرات متواضعة في القوة أو اللدونة مقارنة بالحالة المصبوبة.

يعتمد اختيار الدرجة الحرارية عملياً على طريقة الصب ووظيفة القطعة؛ تستخدم المعالجة الحرارية وتعديل التعتيق لتحسين قابلية التشغيل وتقليل الإجهادات الداخلية، في حين أن الطرق الحرارية الميكانيكية الشديدة المستخدمة في السبائك المشغولة لا تنطبق عادة على السبائك المصبوبة AlSi12.

التركيب الكيميائي

العنصر نطاق النسبة % ملاحظات
Si 11.0–13.0 العنصر الأساسي في السبيكة؛ يتحكم في التركيب الإيوتكتيكي، السيولة، ومقاومة التآكل
Fe 0.3–1.3 شائبة شائعة؛ ارتفاع محتوى الحديد يعزز تكوين مركبات بينية تُسبب هشاشة وتقلل من اللدونة
Mn 0.1–0.6 يتحكم في شكل المركبات البينية للحديد؛ يحسن قابلية الصب والخصائص الميكانيكية
Mg 0.05–0.5 قد يتواجد بكميات ضئيلة؛ يمكن تمكين بعض التقسية بترسيب إذا كانت كميته كافية
Cu 0.05–0.5 عادة منخفض؛ زيادة النحاس ترفع القوة لكنها تقلل المقاومة للتآكل
Zn 0.05–0.5 كميات أثرية؛ عادة متبقية ويتم التحكم بها لتجنب التشقق الساخن
Cr 0.05–0.25 إضافة طفيفة لتحكم في بنية الحبوب وربط الحديد في مراحل غير ضارة
Ti 0.02–0.20 مكرر للحبوب يستخدم للتحكم في بنية حبوب الألمنيوم الأولية
عناصر أخرى الباقي ألومنيوم مع شوائب أثرية عناصر متبقية مثل Ni, Pb, Sr (من التعديل) تُحكم للتحقق من أداء الصب

السيليكون هو العنصر الأساسي المؤثر في أداء AlSi12: يخفض نطاق الانصهار، يزيد السيولة ويقلل الانكماش، ويوفر مقاومة للتآكل بسبب جسيمات السيليكون الصلبة. يتحكم الحديد والمنغنيز في تكوين الفازات البينية الضارة التي تتشكل أثناء التصلب. تُستخدم العناصر الأثرية مثل التيتانيوم والسترونشيوم لتكرير الحبوب وتعديل شكل السيليكون من شكل صفيحي إلى ليفي أو كروي، مما يحسن المتانة وقابلية التشغيل.

الخصائص الميكانيكية

تُظهر مصبوبات AlSi12 سلوك شد يعتمد بشكل رئيسي على مورفولوجيا السيليكون الإيوتكتيكي وجودة الصب (المسامية، الانكماش، ومعدل التبلور). القوة في الحالة المصبوبة معتدلة والاستطالة محدودة؛ وقد تختلف الخصائص الاتجاهية في المصبوبات حسب سمك القسم بسبب تدرجات التصلب. يمكن زيادة القوة بشكل متواضع عبر المعالجة المذابة والتعتيق إذا تم تعديل كيمياء وميكروهيكل السبيكة بشكل صحيح.

سلوك مقاومة الخضوع عادةً أقل من السبائك المشغولة عالية القوة والقابلة للمعالجة الحرارية؛ ومع ذلك توفر السبيكة أداء مستقر عبر طرق الصب المختلفة عندما تكون السيطرة على الانكماش والمسامية جيدة. الصلادة ترتبط بتوزيع جسيمات السيليكون: السيليكون الكروي الناعم يعطي متانة أعلى وصلادة سطح أقل قليلاً مقارنة بالسيليكون الخشن الهيكلي على شكل رقائق.

أداء المتانة ضد التعب في AlSi12 حساس لعيوب الصب مثل مسامية الغاز وشوائب الأكسيد، التي تعمل كمواقع بدء للتشقق؛ المصبوبات السليمة ذات العيوب القليلة يمكن أن تحقق عمر تعب محترم لمكونات دوارة غير حرجة. يؤثر سمك القسم على معدل التبريد وبالتالي مورفولوجيا السيليكون: الأقسام الرقيقة تبرد بسرعة منتجة بنية دقيقة وقوة أعلى من الأقسام السميكة التي تبرد ببطء وتشكل سيليكوناً أكثر خشونة.

الخاصية O/المعالجة الحرارية الدرجة الحرارية الرئيسية (T6/T5) ملاحظات
قوة الشد (UTS) 90–140 MPa (نموذجي) 150–240 MPa (نموذجي، حسب السبيكة وطريقة المعالجة) مجالات واسعة بسبب طريقة الصب، التحكم في المسامية، وتعديل البنية الدقيقة
قوة الخضوع (انحراف 0.2%) 40–90 MPa 100–170 MPa تحسن في الخضوع بعد التذويب/التعتيق متواضع مقارنة بالسبائك عالية Mg/Cu
الاستطالة 2–10% 1–6% تقل اللدونة بعد التعتيق؛ القطع ذات الجدران الرقيقة تظهر استطالة أعلى
الصلادة (برينل) 35–70 HB 60–110 HB تزداد الصلادة مع السيليكون الكروي الدقيق والمعالجة الحرارية؛ القيم تعتمد على السمك والمعالجة

الخصائص الفيزيائية

الخاصية القيمة ملاحظات
الكثافة 2.68 g/cm³ كثافة نموذجية لسبائك الألمنيوم-السيليكون المصبوبة؛ أعلى قليلاً من الألمنيوم النقي بسبب محتوى السيليكون
نطاق الانصهار ~577–600 °C السبيكة قريبة من الإيوتكتيك ذات نقطة انصهار منخفضة نسبياً مقارنة بالألمنيوم النقي؛ التفاعل الإيوتكتيكي عند حوالي 577 °C
الموصلية الحرارية ~110–140 W/m·K أقل من الألمنيوم النقي لكنها جيدة لتبديد الحرارة في المكونات المصبوبة
الموصلية الكهربائية ~30–40% IACS منخفضة مقارنة بالألمنيوم النقي بسبب السيليكون وتشتيت المركبات البينية
السعة الحرارية النوعية ~0.88–0.92 kJ/kg·K قريبة من الألمنيوم النقي؛ مفيدة لحسابات كتلة الحرارة
المعامل الحراري للتوسع ~21–24 µm/m·K أقل قليلاً من الألمنيوم النقي في بعض الحالات المعالجة حرارياً بسبب محتوى السيليكون

تجعل الخصائص الفيزيائية لـAlSi12 السبيكة جذابة للمكونات التي تتطلب إدارة حرارية أو ثبات أبعاد أثناء دورات التسخين/التبريد. تساعد نقطة الانصهار المنخفضة والسيولة الجيدة في إنتاج أشكال معقدة بجدران رفيعة مع تعبئة جيدة للقالب.

تتناقص الموصلية الكهربائية مقارنة بالألمنيوم الخالص ويجب أخذ ذلك في الاعتبار عند الحاجة إلى أداء كهربائي. الكثافة والحرارة النوعية قريبة من سبائك الألمنيوم المصبوبة الأخرى، مما يفيد في التطبيقات الهيكلية والخارجية ذات الوزن الخفيف والتطبيقات الحرارية.

أشكال المنتج

الشكل السماكة/الحجم النموذجي سلوك القوة التمبيرات الشائعة ملاحظات
الأجزاء المصبوبة بالرمل سمك الجدار 3–50 مم متغير؛ بنية مجهرية خشنة في الأقسام السميكة F, O, T5 تستخدم للمكونات الكبيرة والمعقدة؛ تسيطر على البنية المجهرية بمعدل التبريد
الصب بالقالب الدائم (الدائم) جدران رقيقة 1–10 مم قوة أعلى بسبب التبريد الأسرع؛ سيليكون ناعم F, T5, T6 شائع للأغطية السيارات والأجزاء الدقيقة
الصب بالجاذبية / القالب الدائم 2–20 مم قوة متوسطة وتشطيب سطحي جيد F, T5, T6 تكرارية جيدة وخصائص ميكانيكية للجولات الإنتاجية المتوسطة
نوى الرمل/ السبائك متغير مادة أولية أساسية F مادة خام أو معاد صهرها لمحلات الصب
قضيب / عصا مصبوبة أقطار تصل حتى 200 مم مماثل للسبائك المصبوبة؛ شكل محدود بالطرق أو الدرفلة F, O تستخدم لخامّات التشغيل وبعض القطع الهيكلية الصغيرة

تنتج أشكال المنتجات المختلفة بناءً على التطبيق المقصود والتفاوتات الميكانيكية والهندسية المطلوبة. الصب بالقالب الدائم يعطي أدق بنية مجهرية وأفضل تحكم أبعاد، مما يجعله مناسبًا للأجزاء السيارات ذات الجدران الرقيقة والإنتاج عالي الحجم. الصب بالرمل يتحمل القطاعات الأكبر والهياكل الداخلية المعقدة لكنه يتطلب رقابة دقيقة على العيوب.

شكل التوريد يؤثر على العمليات الثانوية: القوالب الدائمة تتطلب عادةً سماحات تشغيل أقل وتشطيب سطحي أفضل، في حين قد تتطلب الأجزاء المصبوبة بالرمل المزيد من التشغيل والمعالجة الحرارية لتحقيق التفاوتات المطلوبة.

الدرجات المكافئة

المعيار الدرجة المنطقة ملاحظات
AA AlSi12 (صب) الولايات المتحدة اسم عام لسبائك Al-Si المصبوبة بنسبة سيليكون ~12%
EN EN AC-AlSi12 / AlSi12 أوروبا تسمية تصب مصدقة (كان سابقًا AlSi12)؛ غالبًا تتضمن EN حالة “F” لحالة الصب
JIS ADC12 (مماثلة) اليابان يستخدم ADC12 واسعًا في الصب بالقالب الدائم وتكون تركيبته قريبة لكن غالبًا تحتوي على نسب أعلى من النحاس والزنك
GB/T AlSi12 الصين معيار صيني لسبائك Al-Si المصبوبة مكافئ بشكل عام؛ قد تختلف تحمّلات التركيب

الاختلافات الدقيقة بين الدرجات الإقليمية تكون بشكل رئيسي في مستويات النحاس، الزنك والعناصر النزرة المسموح بها، وكذلك في مستويات الحديد والمنغنيز المسموح بها. ADC12 (JIS) غالبًا يحتوي على نسبة نحاس أعلى لتحسين الخصائص الميكانيكية في القوالب الدائمة لكنه يقلل من مقاومة التآكل. EN AC-AlSi12 تم التحكم فيها لتكون منخفضة الحديد وتُستخدم على نطاق واسع في أوروبا للسبائك ذات الجودة العالية.

مقاومة التآكل

يُظهر AlSi12 عمومًا مقاومة جيدة للتآكل الجوي بسبب تشكل طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية. في البيئات المحايدة والمعتدلة الأداء جيد، إلا أن الذوبان الأنودي الموضعي يمكن أن يحدث عند عيوب الصب، المسامية أو أماكن وجود الطور البيني. التشطيب السطحي وأنظمة الطلاء المانعة تساعد بشكل كبير على تحسين الأداء طويل الأمد في البيئات المكشوفة.

في البيئات البحرية وذات المحتوى الكلوري، يمكن أن يتعرض السبيكة للثقوب والتآكل في الشقوق، خاصة حيث العيوب أو الأسطح الخشنة تحبس الوسيط المسبب للتآكل. المحتوى المنخفض نسبياً من النحاس في AlSi12 يحسن مقاومة التآكل الإجهادي مقارنة بالسبائك الغنية بالنحاس، لكن على المصممين الأخذ في الاعتبار التفاعلات الكهروكيميائية عند الربط مع معادن أنقى.

التشقّق الناتج عن التآكل تحت الإجهاد ليس وضع فشل رئيسي لـ AlSi12 بسبب محتوى منخفض من العناصر المذابة التي تسبب هشاشة بين الحبيبات، لكن مزيج التعب والتآكل مع عيوب الصب قد يؤدي إلى فشل مبكر في البيئات البحرية أو الصناعية المتكررة. يجب التخفيف من التفاعلات الغلفانية مع الفولاذ وسبائك النحاس باستخدام حواجز عازلة أو السماحيات الماكروية المناسبة لتجنب الهجوم المتسارع.

مقارنة مع سبائك 5xxx المصنعة البحرية، فإن AlSi12 لديه صلابة داخلية أقل ويكون أكثر حساسية لعيوب الصب، لكنه يوفر مزايا من حيث القابلية للصب والثبات الأبعادي للأشكال المعقدة. على المهندسين تقييم التعرض البيئي وتفاصيل سلامة الصب عند اختيار AlSi12 لتطبيقات الخدمة التي تتعرض لتآكل.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يمكن لحام سبائك AlSi12 باستخدام عمليات TIG وMIG عند استخدام سبائك ملء مناسبة والتحضير المسبق للحام. سبائك التلحيم الألمنيوم-سيليكون مثل ER4043 (Al-5Si) وER4047 (Al-12Si) يُوصى بها عادةً لمطابقة محتوى السيليكون في المعدن الأساسي وتقليل خطر التشقق الحراري. يتم استخدام التسخين المسبق وإزالة الغاز المتكرر لتقليل المسامية الناتجة عن الهيدروجين؛ ولكن اللحام قد يغير موضعيًا مورفولوجيا السيليكون في منطقة التأثير الحرارية ويولد تركيزات انكماش وتوتر تحتاج إلى معالجة حرارية بعد اللحام أو تجليخ لإزالة العيوب.

قابلية التشغيل

تشغيل AlSi12 جيد بشكل عام لنحاس الألمنيوم المصبوب لكن جزيئات السيليكون الصلبة تسرع من اهتراء الأدوات مقارنة بالألمنيوم الخالص. تُنصح أدوات الكربيد المطلي بأكاسيد التايتانيوم أو أطواق مماثلة وزوايا قطع موجبة لعمليات التشغيل عالية السرعة؛ عادةً ما يتم التحكم في رقائق التشغيل بشكل مقبول لكن يجب مراقبة عمر الأداة للعمليات الطويلة. يجب أخذ سماكة القسم والتغيرات المحلية في الصلادة الناتجة عن مورفولوجيا السيليكون وتاريخ المعالجة الحرارية في الاعتبار.

قابلية التشكيل

التشكيل في AlSi12 محدود لأن السبيكة عادةً ما تستخدم مصبوبة ولها قابلية منخفضة للتماسك مقارنة بالسبائك المصنعة. الثني البارد أو السحب العميق غير عمليين للأجزاء المصبوبة النموذجية؛ يُعتمد بدلًا من ذلك على تصميم القوالب، النوى والموصلات لتحقيق الهندسة المطلوبة. لتحسين التشكيل، يمكن للمعالجة شبه الصلبة أو التعديل على بنية السيليكون الكروية عبر المعالجة الحرارية تحسين اليافطة المحلية لكنها لا ترقى إلى قابلية التشكيل لسبائك 5xxx أو 6xxx المصنعة.

سلوك المعالجة الحرارية

AlSi12 ليس من السبائك الألمنيوم القابلة للتقسية بالتصلب بالترسيب الأساسي لأنها تفتقر إلى المغنيسيوم والنحاس بشكل كافٍ للتقسية الكلاسيكية T6. رغم ذلك، تؤثر المعالجات الحرارية على مورفولوجيا السيليكون والإجهادات المتبقية. يعالج بالحل عند درجات حرارة تقارب 520–540 °C يليه تبريد سريع لتوحيد البنية الجزئية جزئيًا وكروية جزيئات السيليكون؛ يمكن للشيخوخة الاصطناعية (T5/T6) استقرار البنية الجزئية وتحقق تحسينات طفيفة في القوة.

لهذا المنتج، المعالجات الحرارية الأكثر قيمة هي التلدين والتوحيد لتخفيف إجهادات الصب وتقليل التفاوت الجزئي. هذه المعالجات تحسن قابلية التشغيل وتقلل من تشقق الحرارة أثناء العمليات الثانوية. وبما أن التقسية بالعمل ليست عملية للأجزاء المصبوبة، يعتمد المهندسون على التحكم في الميكروهيكل، المعالجة الحرارية وتعديل السبيكة (مثل علاج Sr) لضبط الخصائص.

التحكم في العملية أثناء المعالجة الحرارية ضروري: الإفراط في الشيخوخة أو الحل غير الصحيح يمكن أن يؤدي إلى ضخامة السيليكون وتقليل الليونة، في حين يؤدي نقص إزالة الغازات أو تبريد بطيء إلى احتباس المسامية وأداء ميكانيكي ضعيف. للسبائك التي تحتوي على إضافات صغيرة من Mg أو Cu، توفر جداول الحل والشيخوخة المنضبطة أفضل فائدة؛ وإلا فتركّز المعالجات على تخفيف الإجهاد وتحسين مورفولوجيا السيليكون.

الأداء في درجات الحرارة العالية

عند درجات الحرارة المرتفعة يتعرض AlSi12 لفقدان تدريجي في القوة حيث تسمح الطاقة الحرارية بحركة الانزلاقات وضخامة البنية المجهرية. غالبًا ما تقتصر درجات الخدمة العملية تحت ~150–200 °C في التطبيقات الهيكلية لتجنب الانسياح المهم وفقدان الصلابة. التعرض القصير حتى 250 °C ممكن لمكونات حرارية غير محمولة للحمل، لكن الموثوقية الميكانيكية طويلة الأمد ستتدهور.

سلوك الأكسدة نموذجي للألمنيوم: تتشكل طبقة أكسيد مستقرة تحمي الجزء الداخلي، لكن تشكيل ونمو طبقة الأكسيد يمكن أن تضعف مقاومة التلامس الحراري في تطبيقات نقل الحرارة. قد تحتوي منطقة التأثير الحراري الناتجة عن اللحام أو المعالجات الحرارية المحلية على توزيع سيليكون متغير يقلل الأداء عالي الحرارة موضعياً ويسرع الانسياح أو التشقق الناتج عن الأكسدة. للأجزاء المخصصة للخدمة في درجات حرارة مرتفعة، من الضروري تصميم دقيق لتقليل تركيزات التوتر وتجنب الأقسام الرقيقة في المناطق الحاملة للحمل.

التطبيقات

الصناعة مثال على المكون سبب استخدام AlSi12
السيارات هوزنغات الناقل، هوزنغات علبة التروس، أجسام الصمامات سهولة الصب بالقالب ودقة الأبعاد الممتازة للمكونات المعقدة ذات الجدران الرقيقة
البحرية هوزنغات المضخات، القطع الهيكلية غير الحرجة مقاومة التآكل وقابلية الصب لأشكال هندسية معقدة
الفضاء والدفاع حوامل، هوزنغات للهياكل غير الأساسية نسبة قوة إلى وزن جيدة للمكونات المصبوبة واستقرار حراري جيد
الآلات الصناعية هوزنغات التروس، هوزنغات المحامل، أجسام الصمامات انكماش منخفض، مقاومة تآكل جيدة وقوة ميكانيكية كافية
الإلكترونيات / إدارة الحرارة هوزنغات ناشر الحرارة والمكونات ذات الكتلة الحرارية موصلية حرارية معقولة مع القدرة على الصب المعقد

يقدم سبائك AlSi12 أداءً جيداً في الحالات التي تفوق فيها فوائد عمليات التصنيع باستخدام الصب (الأشكال المعقدة، الأضلاع المدمجة، الجدران الرقيقة) الحاجة إلى أعلى أداء مقاومة شد أو قابلية تشكل قصوى. يجمع بين دقة الأبعاد، الموصلية الحرارية، والقوة الكافية، مما يجعله مستخدمًا بشكل واسع في مكونات الصب بالقالب عالية الإنتاجية والسبائك المتوسطة الحجم الاقتصادية.

نصائح اختيار

العودة إلى المدونة