1. تأثير العناصر المضافة إلى السبائك

عنصر النحاس (Cu)

في سبائك الألومنيوم والنحاس, ، تبلغ القابلية القصوى للنحاس للذوبان في الألومنيوم 5.65% عند 548 درجة مئوية، وتنخفض إلى 0.45% عند 302 درجة مئوية. يُعد النحاس عنصرًا مهمًا في صناعة السبائك، حيث يساهم في تقوية المحلول الصلب. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر ترسيب مركب CuAl₂ أثناء عملية الشيخوخة تأثيرات ملحوظة في تصلب الشيخوخة.

عادةً ما يتراوح محتوى النحاس في سبائك الألومنيوم بين 2.5% و5%، حيث يُلاحظ أن أقصى درجة من التقوية تتحقق عند محتوى نحاس يتراوح بين 4% و6.8%. ولذلك، فإن محتوى النحاس في معظم سبائك الألومنيوم الصلبة يقع ضمن هذا النطاق.

سبائك السيليكون (Si)

في سبائك الألومنيوم والسيليكون وفقًا لهذه السلسلة، تبلغ القابلية القصوى للذوبان للسيليكون في الطور الغني بالألمنيوم 1.65% عند درجة حرارة اليوتكتيك البالغة 577 درجة مئوية. وعلى الرغم من أن القابلية للذوبان تنخفض مع انخفاض درجة الحرارة، إلا أن هذه السبائك لا يمكن عمومًا معالجتها حرارياً لتقويتها. وتتميز سبائك الألمنيوم والسيليكون بخصائص صب ممتازة ومقاومة عالية للتآكل.

تُصنع سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم والسيليكون عن طريق دمج المغنيسيوم والسيليكون مع الألومنيوم. وتتمثل مرحلة التقوية في هذه السبائك في مركب MgSi. وتبلغ نسبة المغنيسيوم إلى السيليكون في هذه المرحلة 1.73 إلى 1.

عند تصميم سبائك A-Mg-Si، يقوم المهندسون بتحديد نسب المحتوى من المغنيسيوم والسيليكون وفقًا لهذه النسبة. وتُضاف إلى بعض سبائك Al-Mg-Si كمية مناسبة من النحاس لتعزيز القوة، إلى جانب الكروم لمواجهة الآثار السلبية للنحاس على مقاومة التآكل.

في سبائك Mg₂Si، تبلغ الكمية القصوى من Mg₂Si التي يمكن أن تذوب في الألومنيوم 1.85% في الطور الغني بالألومنيوم. وتنخفض هذه الكمية مع ارتفاع درجة الحرارة. أما في سبائك الألومنيوم القابلة للتشكيل، فيُضاف السيليكون بمفرده إلى الألومنيوم فقط في مواد اللحام، حيث يساهم أيضًا في تعزيز المتانة إلى حد ما.

عنصر المغنيسيوم (Mg)

في سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم في هذه السلسلة، تنخفض قابلية ذوبان المغنيسيوم في الألومنيوم مع ارتفاع درجة الحرارة. ومع ذلك، في معظم سبائك الألومنيوم الصناعية القابلة للتشكيل، يقل محتوى المغنيسيوم عن 6%، كما أن محتوى السيليكون منخفض أيضًا. ولا يمكن معالجة هذه السبائك حراريًّا لتقويتها، لكنها تتميز بقدرة جيدة على اللحام، ومقاومة للتآكل، وقوة معتدلة.

يعزز المغنيسيوم من قوة الألومنيوم بشكل ملحوظ، حيث تزيد قوة الشد بنحو 34 ميجا باسكال لكل إضافة من المغنيسيوم من نوع 1%. ويمكن أن تؤدي إضافة كمية أقل من 1% من المنغنيز إلى تعزيز القوة بشكل إضافي. وبالتالي، فإن إضافة المنغنيز يمكن أن تقلل من محتوى المغنيسيوم، وتحد من ميل المعدن للتشقق الساخن، وتحسن مقاومة التآكل وقابلية اللحام. علاوة على ذلك، يمكن للمنغنيز أن يسهل الترسيب المتجانس لمركب Mg5Al8، مما يحسن مقاومة التآكل وقابلية اللحام.

عنصر المنغنيز (Mn)

في سلسلة سبائك الألومنيوم-المنغنيز، عند درجة حرارة 658 درجة مئوية، تبلغ أقصى كمية من المنغنيز التي يمكن أن تذوب في المحلول الصلب 1.82%. وتزداد قوة السبيكة بشكل مستمر مع زيادة القابلية للذوبان، لتصل إلى أقصى استطالة عند محتوى من المنغنيز يبلغ 0.8%. سبائك الألومنيوم-المنغنيز هي سبائك تصلب غير قابلة للمعالجة الحرارية، مما يعني أنه لا يمكن تقويتها من خلال المعالجة الحرارية.

يمكن للمنغنيز أن يثبط عملية إعادة التبلور في سبائك الألومنيوم، ويرفع درجة حرارة إعادة التبلور، ويؤدي إلى تنقية حبيبات إعادة التبلور بشكل ملحوظ. وتتحقق تنقية حبيبات إعادة التبلور بشكل أساسي من خلال تشتت جزيئات مركب MnAl6، التي تعوق نمو حبيبات إعادة التبلور. وتتمثل إحدى الوظائف الأخرى لمركب MnAl6 في إذابة شوائب الحديد، لتشكيل مركب (Fe, Mn)Al6، مما يقلل من الآثار الضارة للحديد.

يُعد المنغنيز عنصرًا مهمًا في سبائك الألومنيوم، ويمكن إضافته بمفرده لتشكيل سبائك ثنائية من الألومنيوم والمنغنيز (Al-Mn)، أو إضافته مع عناصر أخرى مكونة للسبائك. ولذلك، فإن معظم سبائك الألومنيوم تحتوي على المنغنيز.

عنصر الزنك (Zn)

في سلسلة سبائك الألومنيوم والزنك، تبلغ قابلية ذوبان الزنك في الألومنيوم عند درجة حرارة 275 درجة مئوية 31.6%، وتنخفض إلى 5.6% عند درجة حرارة 125 درجة مئوية. وعند إضافة الزنك بمفرده إلى الألومنيوم، فإنه يوفر تحسناً محدوداً في القوة في ظروف التشوه ويميل إلى التسبب في تشققات التآكل الناتج عن الإجهاد، مما يحد من تطبيقاته.

تؤدي إضافة الزنك والمغنيسيوم في آن واحد إلى الألومنيوم لتكوين الطور المقوي Mg/Zn₂ إلى تعزيز قوة السبيكة بشكل ملحوظ. وتؤدي زيادة محتوى Mg/Zn₂ من 0.5% إلى 12% إلى تحسين ملحوظ في مقاومة الشد ومقاومة الخضوع. وفي سبائك الألومنيوم فائقة الصلابة التي يتجاوز فيها محتوى المغنيسيوم المتطلبات اللازمة لتكوين الطور Mg/Zn₂، يتم التحكم في نسبة الزنك إلى المغنيسيوم عند حوالي 2.7 لتعظيم مقاومة التصدع الناتج عن التآكل تحت الإجهاد.

إن إضافة النحاس إلى السبائك الأساسية من الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم لتشكيل سبائك سلسلة الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم والنحاس يحقق أكبر تأثير تقويتي بين جميع سبائك الألومنيوم، مما يجعلها مادة حيوية من سبائك الألومنيوم في صناعات الفضاء والطيران والطاقة.

2. تأثير العناصر النزرة

عناصر الحديد والسيليكون (Fe-Si)

يُضاف الحديد كعنصر مركب في سبائك الألومنيوم المخصصة للطرق من سلسلة Al-Cu-Mg-Ni-Fe، بينما يُضاف السيليكون في سبائك الألومنيوم المخصصة للطرق من سلسلة Al-Mg-S، وفي قضبان اللحام من سلسلة Al-Si، وسبائك الألومنيوم-السيليكون المخصصة للصب. يُعد الحديد والسيليكون من العناصر الشائعة الملوثة في سبائك الألومنيوم الأخرى، مما يؤثر بشكل كبير على خصائص السبائك. ويوجدان بشكل أساسي في صورة FeCl₃ والسيليكون الحر.

عندما يتجاوز محتوى السيليكون محتوى الحديد، تتشكل الطور B-FeSiAl13 (أو Fe₂S₂Al₉)، بينما عندما يتجاوز محتوى الحديد محتوى السيليكون، يتشكل الطور α-Fe₂SiAl₈ (أو Fe₃Si₂Al₁₂). ويمكن أن تؤدي النسب غير الصحيحة للحديد والسيليكون إلى حدوث تشققات في المسبوكات، كما أن وجود كمية زائدة من الحديد في الألومنيوم المصبوب يمكن أن يؤدي إلى هشاشته.

عناصر التيتانيوم والبورون (Ti-B)

يُعد التيتانيوم مادة مضافة شائعة الاستخدام في سبائك الألومنيوم، حيث تُضاف في شكل سبائك رئيسية من نوع Al-Ti أو Al-Ti-B. ويشكل التيتانيوم مركب TiAl₂ مع الألومنيوم، حيث يعمل كنواة تنوي غير تلقائية أثناء عملية التبلور، مما يؤدي إلى تحسين بنية كل من القطع المصبوبة واللحامات. في سبائك سلسلة Al-Ti، يبلغ المحتوى الحرج من التيتانيوم اللازم لحدوث التفاعل الطارد للحرارة حوالي 0.15%، والذي ينخفض إلى 0.01% في وجود البورون.

عنصر الكروم (Cr)

يُعد الكروم مادة مضافة شائعة في سبائك سلاسل Al-Mg-Si وAl-Mg-Zn وAl-Mg. عند درجة حرارة 600 درجة مئوية، تبلغ قابلية ذوبان الكروم في الألومنيوم 0.8%، وهو غير قابل للذوبان عمليًّا في درجة حرارة الغرفة.

يشكل الكروم مركبات معدنية بين معدنية مثل (CFe)Al7 و(CrMn)Al12، مما يعيق عمليات تكوين النوى ونموها أثناء إعادة التبلور، ويوفر درجة معينة من تقوية السبيكة، ويحسن صلابتها، ويقلل من قابلية حدوث التصدع الناتج عن التآكل تحت الإجهاد. ومع ذلك، فقد يزيد من حساسية التبريد السريع، مما يؤدي إلى تكوين طبقة أكسيد مؤكسدة ذات لون أصفر. ولا يتجاوز محتوى الكروم في سبائك الألومنيوم عمومًا 0.35%، ويقل مع زيادة محتوى العناصر الانتقالية.

عنصر السترونتيوم (Sr)

السترونتيوم عنصر نشط سطحياً يغير سلوك المراحل الفلزية المشتركة في علم المعادن. ولذلك، فإن استخدام السترونتيوم في معالجة التعديل يحسّن من ليونة السبائك وجودة المنتج النهائي.

نظرًا لطول مدة تأثيره الفعال، ونتائجه الممتازة، وقابلية تكرارها، فقد حل السترونتيوم محل الصوديوم في السنوات الأخيرة في سبائك الصب المصنوعة من الألومنيوم والسيليكون. تؤدي إضافة 0.015%-0.03% من السترونتيوم إلى سبائك الألومنيوم المستخدمة في البثق إلى تحويل الطور β-AlFesi إلى الطور α-AlFesi، مما يقلل من وقت التجانس

يُعد فهم التأثير المعقد للعناصر المختلفة في سبائك الألومنيوم أمرًا بالغ الأهمية لتحسين خصائص المواد وتعزيز الأداء في مختلف القطاعات الصناعية. وسواء كنت تعمل في مجال الفضاء، أو صناعة السيارات، أو البناء، أو أي مجال آخر يستخدم سبائك الألومنيوم، فإن الاستفادة من هذه المعرفة يمكن أن تؤدي إلى ابتكارات وتطورات في تصميم المنتجات، وعمليات التصنيع، وجودة المنتج النهائي. اتصل بنا الآن: https://eli-tec.com/die-casting/