توفر سبائك الألومنيوم القابلة للصب خواص ميكانيكية متنوعة. تشمل الأنواع الشائعة A356 و A357 و A380. تعمل المعالجات الحرارية مثل T6 على تعزيز القوة. تُستخدم في صناعة السيارات والفضاء والهندسة العامة. وتتمثل الخصائص الرئيسية في قوة الشد والاستطالة والصلابة. يعتمد اختيار السبائك على احتياجات الاستخدام.

في هذه المقالة، ستحصل في هذه المقالة على المعرفة الأساسية للأنواع المختلفة من سبائك الألومنيوم القابلة للصب.

نظرة عامة على سبائك الألومنيوم المصبوب

التعريف والأهمية

هناك العديد من السبائك المستخدمة في الصب. بعض هذه السبائك هي سبائك الألومنيوم. يحتوي الألومنيوم على خليط من عناصر أخرى (مثل المغنيسيوم أو السيليكون). ينتج عن ذلك سبائكه المختلفة.

يذوب الألومنيوم عند درجة حرارة حوالي 660 درجة مئوية. ثم يتم تغذية هذا الشكل المنصهر في القالب ليتخذ شكلاً جانبيًا.

ونظرًا لانخفاض وزنها حيث تبلغ كثافتها 2.7 جم/سم مكعب، فإن هذه السبائك أخف وزنًا من الفولاذ بمقدار 3 أضعاف. وهذا هو سبب ملاءمتها في العديد من التطبيقات. على سبيل المثال، السيارات والطائرات والآلات.

كما أنها تقاوم التآكل بشكل جيد ويمكن تصنيعها بأي شكل مع الحفاظ على قوتها.

تركيب وخواص سبائك الألومنيوم المسبوكة القابلة للصب

تركيبة السبيكة

يتضمن تكوين سبائك الألومنيوم القابلة للصب تكوين العديد من العناصر. على سبيل المثال، يمكن أن يحتوي الألومنيوم على السيليكون (5-12%) أو المغنيسيوم (0.2-10%) أو النحاس (1-4%) أو الزنك (1-3%).

يذوب السيليكون عند درجة حرارة 577 درجة مئوية، مما يجعله يملأ القوالب بشكل أفضل. وفي الوقت نفسه، يساعد المغنيسيوم في الحصول على مزيد من القوة لأنه يشكل رواسب دقيقة. يُكسب النحاس صلابة.

على سبيل المثال، يوجد 8-10% سيليكون 8-10% و3-4% نحاس في سبيكة A380. وهذا هو السبب في أنها توفر سيولة عالية، وتنتشر على فجوات القالب الضيقة حتى 0.1 مم.

دور العناصر النزرة

تمنع الكميات الصغيرة من العناصر مثل الحديد (<1%) من الالتصاق بالقوالب، ويحسن المنجنيز (0.5%) من مقاومة التآكل.

تتجنب سبائك الألومنيوم المصبوبة التصاق القالب ببساطة بسبب مساهمة كميات صغيرة من العناصر النزرة مثل الحديد (<1%).

وبالمثل، فإنها تقاوم التآكل بشكل جيد ولها أحجام حبيبات أصغر بسبب المنجنيز (0.5%) والتيتانيوم (0.2%)، على التوالي. وهذا يقلل أيضًا من التشققات نتيجة لذلك.

البنية المجهرية والتركيب المجهري

توضح الصورة المذكورة تأثير التركيب على بنية الحبيبات. على سبيل المثال، تظهر الحبيبات الخشنة (بعرض 50-100 ميكرومتر) في المرحلة الأولية للصب.

تحصل عناصر السيليكون (10-20 ميكرومتر) على قوة عالية، مما يحجب الاضطرابات. وفي الوقت نفسه، تتشكل النوى عند نقطة حدود الحبوب (GBs). تنمو النوى إلى حالة المصفوفة طوال فترة التبريد.

الخواص الميكانيكية والفيزيائية

القوة والليونة:

تتمتع السبائك القابلة للسبك بقوة شد تتراوح بين 200 و380 ميجا باسكال. على سبيل المثال، يحصل سبيكة a356 على 280 ميجا باسكال وهي قابلة للمط (10%) قبل الانكسار مباشرةً.

وبالمثل، تؤدي المعالجة الحرارية (على سبيل المثال، المزاج T6) إلى زيادة قوة 20% وليونة 8% في A356. ويتم تحقيق ذلك من خلال تسخين السبائك إلى 500 درجة مئوية، وإخمادها بالماء وتعتيقها عند درجة حرارة 150 درجة مئوية لمدة 5 ساعات.

مقاومة التآكل

عندما تحتوي سبيكة ما على المغنيسيوم (على سبيل المثال، 520.0 مع 10% Mg)، فإنها تحصل على طبقة أكسيد واقية. وهذا يعني أنها قادرة على مقاومة التآكل لمدة 15-20 سنة في البيئات البحرية.

في LM6، تمنع تركيبة المحتوى العالي من السيليكون تآكل المياه المالحة. ونتيجة لذلك، تستمر في العمل عند ضغط 50 ميجا باسكال في المنتجات تحت الماء.

التوصيل الحراري والكهربائي

تحتوي السبائك مثل 319 على 6% Si و3% Cu. لذا فهي توصل الحرارة بسرعة 150 واط/م-ك. وهذا ما يجعلها الخيار الأفضل بين مكونات المحرك.

كما أنها تتميز بكثافة منخفضة تبلغ حوالي 2.7 جم/سم مكعب. وهي تحسن كفاءة استهلاك الوقود (10%) بسبب انخفاض وزنها، خاصة في السيارات.

تأثير المعالجة الحرارية

يقوم المصنعون بإجراء المعالجة الحرارية لتقليل الفراغات وصقل الحبيبات. على سبيل المثال، تؤدي خطوة التقادم إلى زيادة الصلابة من 80 HB إلى 95 HB في سبائك مثل ADC12.

بالإضافة إلى ذلك، تتسبب عملية إعادة التبلور (التي تحدث في الصورة) في انكماش الحبيبات حتى 10-20 ميكرومتر. لذلك، تزداد مقاومة السبيكة للتعب (30%) نتيجة لذلك.

درجات سبائك الألومنيوم الشائعة

A380

يوجد 8-101 تيرابايت 4 تيرابايت من السيليكون، و3-41 تيرابايت 4 تيرابايت من النحاس، وأقل من 11 تيرابايت 4 تيرابايت من الحديد في سبائك الألومنيوم المصبوب A380. تحتوي جسيمات السليكون على نقطة انصهار أقل. وهذا يعني أنها تتدفق بسلاسة في القوالب، وتملأ كل فجوة.

الصلابة أفضل بسبب العناصر النحاسية، مما يجعلها مثالية للأجزاء عالية الإجهاد. ولهذا السبب تصنع هذه السبيكة ذات 320 ميجا باسكال أقواس المحرك والعلب الإلكترونية.

يملأ الفجوات بشكل صحيح ويسبب أيضًا عيوبًا أقل. وعلاوة على ذلك، تبرد هذه السبيكة بشكل أسرع، مما يؤدي إلى تقليل وقت الإنتاج بحوالي 15%.

A356

تحتوي سبيكة A356 على محتوى من السيليكون والمغنيسيوم (7% و0.3% على التوالي). وهذا هو السبب في أنها توفر سيولة وقوة أفضل.

توجد قوة شد تبلغ 280 ميجا باسكال تقريبًا في هذه السبيكة وليونة 12%. ولذلك، يمكن أن تتمدد بقدر 12% قبل أن تنكسر.

يمكنك استخدام سبيكة A356 لصنع عجلات الطائرات والسيارات، وأجزاء التعليق، ومعدات الهبوط للطائرات، وإطارات الأجنحة.

كما أنها تتميز بخاصية فريدة من نوعها تتمثل في تحمل درجات حرارة 200 درجة مئوية لمدة 500 ساعة. وحتى عند هذه النقطة، لا يتشقق بسهولة.

بعد المعالجة الحرارية، زادت قوة هذه السبيكة (20%). لذلك، فهي مثالية للاستخدام في التطبيقات الفضائية.

6061

تتكون سبيكة 6061 من 1% من المغنيسيوم، و0.6% من السيليكون، و0.3% من النحاس. تعمل هذه العناصر، مثل المغنيسيوم، على زيادة قدرتها على إيقاف التآكل. تدوم هذه السبيكة 20 عاماً في الهواء الطلق ولا تصدأ.

اقرأ أيضًا: سبائك الألومنيوم 6061 مقابل 6063

إن قوة الشد (310 ميجا باسكال) التي تتميز بها سبيكة 6061 تجعلها مفيدة في صناعة الجسور والعوارض وأجزاء الهيكل مثل أذرع التعليق والإطارات البحرية. كما تساعد كثافته المنخفضة في جعله 60% أخف وزنًا من الفولاذ.

ADC12

تحتوي سبيكة ADC12 على 10-20% من السيليكون و2-3% من النحاس، وهي سبيكة شائعة جدًا. يتيح السيليكون في هذا المعدن إمكانية الصب السلس، بينما يزيد النحاس من صلابته.

تؤدي المعالجة الحرارية إلى تغيرات في الصلابة تتجاوز 95 HB (برينيل). تُستخدم هذه السبيكة في صناعة أجزاء مثل كتل محركات السيارات، وعلب الهواتف الذكية، وعلب علبة التروس.

كما أنها تأخذ أشكالاً معقدة الشكل في غضون 30 ثانية، مما يوفر الإنتاج حتى 251 تيرابايت 4 تيرابايت.

LM25

تُصنع سبيكة LM25 بإضافة 0.3% من المغنيسيوم و7% من السيليكون. علاوة على ذلك، تصل قوة شدها إلى 260 ميجا باسكال عند 200 درجة مئوية. وهي توفر قابلية صب جيدة لتصنيع علب المضخات والهياكل البحرية والصمامات الهيدروليكية.

كما أن جدرانه المصبوبة بالرمل رقيقة تصل إلى 1 مم؛ وهذه هي الميزة الفريدة من نوعها. لذا، يتماشى LM25 مع إنتاج تصميمات خفيفة الوزن.

LM6

10-13% من محتوى السيليكون وأقل من 0.1% من المغنيسيوم في سبيكة LM6. وبسبب ارتفاع كمية السيليكون، لا تتآكل هذه السبيكة بسهولة. ويمكن أن تتحمل 50 ميجا باسكال من الضغط في مياه البحر.

يستخدمها المصنعون لصب مراوح القوارب وتجهيزات الرصيف. تعمل في المياه المالحة دون أن يصيبها الصدأ. وهذا يقلل أيضاً من تكاليف الصيانة بنسبة تصل إلى 40%.

520.0

تحتوي سبيكة الألومنيوم القابلة للصب 520.0 على 10% من المغنيسيوم و0.1% من السيليكون. يزيد هذا الاقتراح من العناصر من قوة الشد (380 ميجا باسكال) ويقلل أيضًا من وزنها بما يصل إلى 50%.

يمكنك استخدامها لصنع أقواس الطيران وأغلفة الصواريخ والعتاد العسكري. وهناك ميزة أخرى هي التعامل مع الاهتزازات عند حوالي 500 هرتز، دون إظهار أي تشققات.

319

تحتوي هذه السبيكة على سيليكون 6% مع نحاس 3%. يحسّن السيليكون السيولة، لكن النحاس يحقق توصيلًا حراريًا أفضل (150 واط/م-ك).

يتم صبها لصنع رؤوس الأسطوانات والمشتتات الحرارية. وهي توفر أقصى درجات الدقة في الأجزاء مثل ± 0.02 مم وتناسب المحركات بإحكام.

413

تشتمل السبيكة 413 على 12% سيليكون و2% حديد. وهذا هو السبب في أنها تعطي إحكام ضغط حوالي 50 ميجا باسكال. الأجزاء، مثل المضخات الهيدروليكية والصمامات، هي تطبيقاتها.

كما أن هذه السبيكة تسد التسريبات في الفجوات، والتي يمكن أن تكون صغيرة جدًا مثل 0.5 مم، مما يوفر السوائل.

535

يضيف المصنعون 7% المغنيسيوم و0.15% السيليكون في تركيبة السبيكة 535. تتوافق مقاومتها للتآكل مع الدقة في البيئات ذات الأس الهيدروجيني 8-10 مثل مياه البحر.

تُستخدم لإنتاج هياكل السفن والحفارات البحرية، إلى جانب اللحام عند درجة حرارة 300 درجة مئوية. وهي لا تتشقق تحت درجة الحرارة هذه ويمكن أن تدوم 25 عاماً في الظروف البحرية.

عمليات صب سبك سبائك الألومنيوم

الصب بالقالب

تتضمن عملية الصب بالقالب صهر سبيكة الألومنيوم وحقنها في القالب تحت ضغط عالٍ. وهي تصب الأجزاء في مدة لا تزيد عن 10-30 ثانية، وتفي نتيجة الإخراج بمعايير سريعة ودقيقة.

ومن بين السبائك الأخرى، تُعد سبائك A380 وADC12 الأكثر استخدامًا في تصنيع حوامل محركات السيارات ومقابض أبواب الطائرات.

الصب بالرمل

تستخدم عملية الصب بالرمل قوالب رملية. ويتراوح حجم حبيباتها بين 0.10 و0.5 مم. هذه العملية مناسبة وتتماشى بشكل جيد مع تصنيع أجزاء مثل كتل المحرك. وهي أقل تكلفة بكثير (50%) من عملية الصب بالقالب ولكنها لا تعطي أسطحًا ملساء.

الصب الاستثماري

الصب الاستثماري تشمل أنماط الشمع مع طلاء السيراميك. وهي تنتج قطعاً تضيف عناصر تفصيلية، مثل شفرات التوربينات.

كما أنها تحصل فعليًا على تفاوتات أكثر دقة حوالي ± 0.05 مم ولكنها تستغرق وقتًا طويلاً جدًا (48 ساعة لكل قالب).

التحديات والحلول في مجال صب الألومنيوم

عيوب الصب

تتسبب سبائك الألومنيوم المصبوبة في حدوث عيوب مثل المسامية والانكماش، مما يضعف الأجزاء. ولهذا السبب بالضبط تحتاج إلى استخدام الصب بالتفريغ لتقليل المسامية حتى 70%.

من أجل تحسين خشونة السطح (حتى 12.5 ميكرومتر)، من المهم اختيار الصقل بالخرز بالخردق بحبيبات 0.5 مم عند 80 رطل لكل بوصة مربعة.

كما أن التسخين المسبق للقوالب قبل حقن السبيكة المنصهرة يتجنب الالتصاق ويملأ المناطق الداخلية بسيولة أفضل.

اختيار السبيكة

يمكن أن يؤدي اختيار السبيكة الخاطئة إلى تدمير المشروع بأكمله. على سبيل المثال، سبيكة A380 هي الأنسب لقطع غيار المركبات ذات الجدران الرقيقة.

في حين أن LM6 يخلق حاملًا مقاومًا يواجه مياه البحر. يملأ ADC12 الفجوات الأصغر في مدة لا تزيد عن 30 ثانية ولكنه يمكن أن يتشقق إذا زادت درجة حرارته عن 600 درجة مئوية.

تحديات المعالجة الحرارية

تقوم المنطقة الساخنة في الأفران بتسخين السبائك. يوفر استخدام درجة حرارة 500 درجة مئوية والتشغيل لمدة 4 ساعات ميزات قوية فيها.

ويساعد خزان التبريد في هذه العملية على منع التشققات حيث يقوم بتبريد الأجزاء عند 10 درجات مئوية/دقيقة. ومع ذلك، يجب ألا تكون درجة حرارة التبريد رديئة. هذا لأنه قد يؤدي إلى خطر الهشاشة. على سبيل المثال، التبريد الصحيح يجلب قوة 20% إلى سبيكة 6061.

الخلاصة:

تُعد سبائك الألومنيوم القابلة للصب مهمة جدًا في العديد من الصناعات مثل السيارات، والفضاء، والصناعة، أو حتى المنتجات الاستهلاكية. فهي خفيفة الوزن، وهذا هو السبب في أنها تقلل من استخدام الوقود.

كما أن قدرتها على إيقاف التآكل تعني أنها يمكن أن تدوم لأكثر من 25 عاماً. وهذا هو السبب أيضاً في أنها أكثر تطلباً في البيئات القاسية.

إذا كانت هناك تحديات مثل الانكماش أو المسامية، يمكنك إصلاحها باستخدام تقنيات معينة. لذا، اصنع منتجات متعددة الاستخدامات باستخدام سبائك الألومنيوم التي تختارها.