الألومنيوم المصبوب والألومنيوم المبثوق هما نوعان من الألومنيوم المصنوع بطرق مختلفة. في الألومنيوم المصبوب، يتم صب المعدن المذاب في قالب لصنع شكل. يُصنع الألمنيوم المبثوق عن طريق دفع الألمنيوم من خلال ثقب لصنع أشكال مثل الأنابيب. عادةً ما يكون الألومنيوم المبثوق أقوى وله سطح أكثر نعومة. يمكن أن يصنع الألمنيوم المصبوب أشكالاً أكثر تعقيداً، ولكن غالباً ما يكون الألمنيوم المبثوق أرخص للأشكال البسيطة
من أجل اختيار المادة المناسبة لتطبيقات محددة، من المهم فهم الاختلافات بين الألومنيوم المصبوب والمبثوق. اقرأ هذه المقالة لاستكشاف طرقهما المحددة، وتطبيقاتهما، وإيجابياتهما وسلبياتهما، والقيود المفروضة عليهما، إلخ.
ما هو الألومنيوم المصبوب؟
تقوم صانعات القوالب بصنع أجزاء الألومنيوم المصبوبة باستخدام سبائك الألومنيوم المنصهر. ويقومون بحقن هذا الشكل السائل ثم في قالب لملف تعريف المنتج. هذه الأجزاء خفيفة الوزن ومتينة لأن الصب بالقالب يجعلها كذلك. يمكن استخدام الألومنيوم المصبوب في السيارات، والطائرات، والآلات، والأدوات اليومية.
سبائك الألومنيوم الشائعة
سبيكة A380
ويوجد بالفعل حوالي 8.51 تيرابايت 4 تيرابايت من السيليكون و3.51 تيرابايت 4 تيرابايت من النحاس في سبيكة A380. وهي موجودة لتوفير توصيل كهربائي جيد وكثافة أقل تبلغ 2.71 جم/سم مكعب. سيولتها ممتازة. وهي توفر قابلية جيدة للصب لصنع أجزاء رقيقة الجدران وأقواس المحرك في صب القوالب عالية الضغط.
سبيكة A356-T6
تحتوي هذه السبيكة على حوالي 7% سيليكون و0.3% مغنيسيوم. وتتمتع الأجزاء بقوة أفضل، حيث تصل قوة الشد إلى 310 ميجا باسكال عندما تخضع للمعالجة الحرارية المناسبة. تحتوي هذه السبائك على موصلية جيدة. وعادةً ما يستخدمها المصنعون بشكل أساسي في عجلات السيارات وأجزاء الطيران عن طريق الصب بالرمل.
319 سبيكة
وبوجه عام، يتكون حوالي 61 تيرابايت 4 تيرابايت من هذا المعدن من السيليكون و3.51 تيرابايت 4 تيرابايت من النحاس. هذه السبيكة أثقل بكثير من غيرها. فهي تعطي توصيلية ممتازة وتبلغ كثافتها 2.76 جم/سم مكعب. وهذا يجعلها مفيدة لكتل المحرك حيث تكون مقاومة الحرارة مهمة.
| سبيكة | التركيب | الكثافة (جم/سم مكعب) | قوة الشد (ميجا باسكال) | التوصيلية | طريقة الصب | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A380 | 8.5% Si، 3.5% Cu | 2.71 | - | ممتاز | صب القوالب بالضغط العالي | |
| A356-T6 | 7% Si، 0.3% Mg | - | 310 | جيد | الصب بالرمل | |
| 319 | 6% Si، 3.5% Cu | 2.76 | - | ممتاز | - |
عمليات الصب
الصب بالقالب عالي الضغط
العملية التي يقوم فيها المصنعون بصب الألومنيوم المصهور في قالب فولاذي عند 10-175 ميجا باسكال هي عملية الصب بالقالب عالي الضغط. تعمل هذه التقنية بشكل أسرع وتنتج أجزاء في غضون 30 ثانية. وهي الأنسب للأجزاء ذات التفاصيل الدقيقة مثل علب علبة التروس.
الصب بالقالب منخفض الضغط
تدفع هذه العملية المعدن في القالب عند 20-100 كيلو باسكال، مما يعني عند ضغط أقل. وتؤدي المعالجة البطيئة مثل هذه العملية إلى تقليل فقاعات الهواء التي تقلل من العيوب. ومن أمثلتها عجلات الألومنيوم التي تحتوي على قوة محسنة.
الصب بالرمل
تصب الشركة المصنعة المعدن المنصهر في قوالب رملية. تستغرق هذه العملية بالفعل ساعات لكل جزء. إلا أن الأجزاء التفصيلية مثل علب المضخات يمكن أن تنجح في ذلك.
طرق أخرى:
العملية الأكثر استخدامًا ليست فقط الصب بالقالب أو الصب بالرمل. بل تشمل أيضًا الصب الاستثماري وسبك القوالب الدائمة. في الصب الاستثماري، يستخدم المصنعون أنماط الشمع. ولكن في الصب بالقالب الدائم، يستخدمون قالب فولاذي قابل لإعادة الاستخدام. هذه التقنيات هي تلك التي يمكنها صنع أجزاء معلنة متوسطة الحجم مثل أواني الطهي.
البنية المجهرية والتصلب
Every time aluminum cools, tiny crystals (nucleation) and grain growth occur. This means cooling temperatures are what can impact them. That’s because fast cooling in die-casting makes very small, strong grains. Meantime, slow cooling does produce large and less durable grains. Additionally, wear resistance in alloys like A380 due to silicon particles and heat treatment in a 356-T6 actually does reduce brittle areas.
ما هو الألومنيوم المبثوق؟
يستخدم المصنعون القوالب المشكلة لتطبيق القوة على سبائك الألومنيوم المسخنة. ويأخذ هذا المعدن بعد ذلك أشكالاً جانبية عادةً ما تكون طويلة، مثل القضبان أو الأنابيب أو العوارض. وتستخدم قطع الألومنيوم المبثوقة على نطاق واسع في قطاعات البناء والسيارات والسلع الاستهلاكية. والسبب في ذلك أنها خفيفة وقوية وبأسعار معقولة.
السبائك الشائعة
6061 سبائك 6061:
تشتمل سبيكة 6061 على 1.0% من المغنيسيوم و0.6% من السيليكون. وتمنحها هذه الجسيمات قوة عالية (310 ميجا باسكال شد) وقابلية لحام ممتازة. وهي تعمل بشكل جيد للأجزاء الهيكلية وذات الإجهاد الشديد مثل إطارات الشاحنات ومكونات الدراجات.
سبائك 6063:
يوجد 0.7% مغنيسيوم 0.7% وسيليكون 0.4% في سبائك 6063. وهو يوقف التآكل ويعطي لمسة نهائية دقيقة للسطح. ولهذا السبب فهو الأفضل للملامح الزخرفية والمعمارية مثل إطارات النوافذ وقضبان الأبواب.
المعالجة الحرارية
تتحسن خواص الألومنيوم المبثوق عندما يقوم المصنعون بتمريرها تحت معالجات حرارية مثل التقسية T5 أو T6.
في عملية التقسية T5، يتم تبريد الجزء المبثوق بالهواء. ويزيد من قوة الجزء مع إمكانية 20-30%.
يتضمن التقسية T6 معالجة بالمحلول عند درجة حرارة 530 درجة مئوية. ويتبع ذلك تقادم اصطناعي. وتصبح الأجزاء أكثر صلابة وقوة نتيجة لذلك. على سبيل المثال، يمكنك استخدام 6061-T6 للتطبيقات الإنشائية، وتحقيق التوازن بين الليونة والقوة المثلى.
عملية البثق في البثق المباشر:
يستخدم المصنعون كبشًا هيدروليكيًا لدفع البليت من خلال قالب ثابت، وهو ما يُشار إليه بالبثق المباشر. يعمل هذا النوع من العمليات بكفاءة ولكنه يحتاج إلى المزيد من الطاقة بسبب الاحتكاك فقط.
في البثق غير المباشر:
أثناء عملية البثق غير المباشر، فإنها تُبقي البليت ثابتًا بينما يتحرك القالب نحوه. وهذا هو سبب تسميتها بالتقنية العكسية أو العكسية أيضًا. وهي تقلل الاحتكاك واستهلاك الطاقة بمقدار 10-30%. تنتج هذه التقنية بشكل مثالي أجزاء دقيقة مثل الأنابيب.
أنواع الصحافة
من بين الخيارات المتاحة، توفر المكابس الهيدروليكية قوة عالية (تصل إلى 100 MN) للملامح الكبيرة. وفي الوقت نفسه، تعمل المكابس الميكانيكية بسرعة (حتى 60 ضربة/دقيقة). وهي مناسبة تمامًا للأجزاء الصغيرة.
أنواع البثق
البثق على الساخن:
يحدث البثق الساخن عند درجة حرارة 350-500 درجة مئوية. ويستخدم الحرارة والضغط. تساعد هذه العملية في الواقع في صنع أجزاء صلبة أو مجوفة عبر مقاطع عرضية ثابتة. على سبيل المثال، عوارض I-beams أو هياكل السيارات.
البثق على البارد:
يصل البثق على البارد إلى 120 درجة مئوية ويحدث أيضًا في درجة حرارة الغرفة (20-25 درجة مئوية). في هذه العملية، لا تقوم الشركة المصنعة بتسخين الألومنيوم وإجباره على القالب. وهي تصنع أجزاء ذات تفاوتات ضيقة للغاية تصل إلى ± 0.02 مم - ± 0.05 مم وتقلل من الأكسدة. وبالتالي، فهي مثالية لإنتاج أدوات التثبيت والموصلات الكهربائية والأجزاء المعلنة.
الفروق الرئيسية بين الألومنيوم المصبوب والألومنيوم المبثوق
1. الخواص الميكانيكية
تؤثر عمليات التصنيع على الاختلافات في الخصائص الميكانيكية للألومنيوم المصبوب والمنبثق.
القوة:
وبوجه عام، توفر الفنون المبثوقة قوة شد أعلى من تلك التي توفرها الفنون المبثوقة صب الألومنيوم. على سبيل المثال، تبلغ قوة الشد للألومنيوم المصبوب A356-T6 حوالي 230-250 ميجا باسكال. في حين أن الألومنيوم 6061-T6 المبثوق لديه قوة شد تصل إلى 310 ميجا باسكال.
الليونة
إن الحبيبات المكررة التي تتحقق من خلال الألومنيوم المبثوق تجعله أكثر ليونة. وفي الوقت نفسه، تُعد الحبيبات الخشنة والمراحل البينية المعدنية من أسباب هشاشة الألومنيوم المصبوب.
الصلابة
تعتمد الصلابة بالكامل على السبيكة والمعالجة الحرارية التي تختارها. ومع ذلك، تميل الأجزاء المبثوقة إلى الحصول على صلابة أكثر اتساقًا. على سبيل المثال، يحتوي الألومنيوم المصبوب A380 على صلابة حوالي 80 HB تقريبًا، ولكن الأجزاء المبثوقة 6061-T6 لها صلابة 95 HB.
مقاومة التعب والإجهاد
تتيح البنية الحبيبية الدقيقة في الألومنيوم المبثوق أداءً جيدًا تحت التحميل الدوري. وعلى العكس من ذلك، يحتوي الألومنيوم المصبوب على مقاومة إجهاد أقل. وهذا بسبب بنيته المسامية. وبطريقة ما، يمكنك تحسينها باستخدام المعالجة الحرارية المناسبة وسبائك أفضل.
2. مقارنة البنية المجهرية
تُظهر البنية المجهرية في الألومنيوم المصبوب حبيباته الخشنة (تتراوح بين 50-200 ميكرومتر) والمراحل البينية المعدنية المتجمعة. وهذا هو السبب الذي أدى إلى سبب الهشاشة وانخفاض الأداء الميكانيكي.
ومن ناحية أخرى، تعمل عملية البثق على صقل بنية الحبيبات الصغيرة التي تتراوح بين 10 و50 ميكرومتر. ويرجع ذلك إلى أنها تعمل على تفتيت المعادن البينية ومحاذاة الحبيبات.
على سبيل المثال، تتباين الصورة بين جزئي البنى المجهرية. حيث تُظهر البنية المصبوبة حبيبات خشنة.
يوضّح الجزء المبثوق (أ-و) كيفية تنقيح بنية الحبيبات مما يؤدي إلى أداء أفضل.
3. التفاوتات المسموح بها
عندما يحدث تمدد القالب وانكماش التصلب، تصبح التفاوتات المسموح بها للألومنيوم المصبوب أكثر مرونة (± 0.5 مم أو أكثر).
Tighter tolerances (±0.1 mm) in extruded aluminum are doable. That’s because of using a precision die for forcing metal. This means die designs and press accuracy can cause changes in tolerances.
4. اعتبارات التصميم
يُستخدم الألومنيوم المصبوب بشكل أساسي لصنع أشكال مفصّلة بشكل حاد مع تجاويف داخلية. على سبيل المثال، كتل المحرك أو علب المضخات. ولكن بطريقة أو بأخرى، فهو غير مناسب للأشكال ذات الجدران الرقيقة أو الطويلة.
تُنتج تقنية البثق أفضل الأجزاء الطويلة والمقاطع الجانبية المنتظمة ذات المقاطع العرضية المتسقة. على سبيل المثال، العوارض أو الأنابيب. إلى جانب ذلك، يمكن أن تأخذ هذه الأجزاء أيضًا متطلبات تصميم محددة.
5. طرق الانضمام
يمكن للمصنعين ربط كل من الألومنيوم المصبوب والمنبثق معًا. ولهذا الغرض، يستخدمون تقنيات مثل اللحام أو الربط بالبراغي أو الربط اللاصق.
حيث أنه ليس من السهل لحام الألومنيوم المصبوب. والسبب هو وجود المسامية والمراحل البينية المعدنية وكذلك المحتوى العالي من السيليكون في بعض السبائك (مثل A380. يمكن أن يتسبب ذلك في حدوث تشقق.
تكون أجزاء الألومنيوم المبثوقة أسهل بكثير في اللحام والتشغيل الآلي. فهي تحتوي على هيكل موحد. وبالتالي، يجعلها ذلك أكثر تنوعًا في التجميع.
مزايا وعيوب الألومنيوم المصبوب وعيوبه
المزايا
- يتيح لك عمل أشكال مفصلة ومعقدة للغاية مع تجاويف داخلية. على سبيل المثال، رؤوس الأسطوانات، أو علب ناقل الحركة، أو علب المضخات.
- توفر خلائط الألومنيوم المصبوب مثل A356-T6 قوة شد كبيرة في حين أنها أقل من متوسط الوزن.
- هذه الأجزاء ميسورة التكلفة إذا تم إنتاجها بكميات كبيرة.
العيوب
- سوف يتسبب الغاز المحبوس أو الانكماش أثناء التصلب في فقدان الأجزاء الأخرى للقوة ومقاومة التعب. ولكن يمكن إصلاح هذه المشكلة باستخدام الصب بالتفريغ أو عوامل التفريغ.
- يتسبب كل من الانكماش السائل والصلب في تحطم الأجزاء أو تشققها. استخدم التصميم المناسب للقالب والتبريد المتحكم فيه لمعالجة ذلك.
- يتميز الألومنيوم المصبوب بقدرة تحمل أقل مقارنةً بالبثق.
مزايا وعيوب الألومنيوم المبثوق ومساوئه
المزايا
- يعطي الألومنيوم المبثوق تشطيبات ممتازة. يكون الجزء بعد خضوعه لطلاء مطحنة إلى طلاء بأكسيد الألومنيوم أو طلاء مسحوق أكثر قوة. فهي تحتوي على مقاومة محسنة للتآكل والمتانة.
- يمكنك تحقيق تفاوتات أكثر دقة باستخدام القوالب الدقيقة.
- هذه الأجزاء فعالة من حيث التكلفة بأحجام كبيرة.
- مثالية للملامح الطويلة والثابتة مثل قضبان السلم أو الأنابيب متعددة التجويف.
العيوب
- تقتصر هذه الأجزاء على الأشكال البسيطة ولا تعمل بشكل جيد مع التصميمات المعقدة.
- تحتاج إلى قوالب خاصة لصنع مقاطع مجوفة أو متعددة القنوات.
- لا يناسب البثق الأجزاء ذات المقاطع العرضية المتعددة أو السمات الداخلية المعقدة.
التطبيقات والصناعات
أمثلة محددة
بشكل عام، يُستخدم الألومنيوم المصبوب في تطبيقات السيارات. وتشمل الأجزاء كتل المحركات، وأغطية ناقل الحركة، ومحاور العجلات.
توضح الصورة الموضحة تصميم قالب كتلة المحرك. وهي تسلط الضوء على المكونات الرئيسية. على سبيل المثال، نظام البوابات (مسارات المعدن المنصهر)، والفيضانات (تجميع المواد الزائدة)، وخطوط التفريغ (إزالة الهواء)، وسبك كتلة الأسطوانة النهائية.
وفي الوقت نفسه، يستخدم المصنعون الألومنيوم المبثوق لإطارات النوافذ وقضبان الأبواب والعوارض الهيكلية. وفي مجال النقل، يستخدمونه في صناعة هياكل عربات السكك الحديدية وإطارات الشاحنات ومكونات الدراجات.
السيارات الكهربائية (EVs)
إن استخدام كل من الألومنيوم المصبوب والمنبثق في السيارات الكهربائية يجعلها أكثر شعبية. حيث يستخدم المصنعون الألومنيوم المصبوب في أغلفة البطاريات وأغلفة المحركات. وعلى العكس من ذلك، ينتج الألومنيوم المبثوق هياكل ومكونات هيكلية خفيفة الوزن.
التصنيع المضاف
يمكّن دمج الطباعة ثلاثية الأبعاد في الألومنيوم المصبوب من التعامل مع أشكال أكثر صعوبة. فهي تسهل تصنيع الأجزاء خفيفة الوزن للصناعات الفضائية والطبية.
بالإضافة إلى ذلك، أصبحت التصاميم المبتكرة ممكنة مع التقنيات المضافة للألومنيوم المبثوق. وهذا يجعل هذه الأجزاء مناسبة للاستخدام في عمليات التصنيع الهجين.
الخلاصة:
لا يوجد تشابه بين الألومنيوم المصبوب والألومنيوم المبثوق. فالقوة والبنية المجهرية والقدرة على التحمل ومستويات التصميم مختلفة. إذا اخترتهم عشوائيًا، فهذا يعني أن الاختيار يمكن أن يدمر المشروع بأكمله. لذا اختر بحكمة المواد المناسبة وعملية التصنيع المناسبة بناءً على احتياجات التطبيق.