نحاس
عندما يكون الجزء الغني بالألمنيوم في سبيكة الألومنيوم والنحاس 548، تكون أقصى نسبة ذوبان للنحاس في الألومنيوم 5.65%. وعند انخفاض درجة الحرارة إلى 302، تكون نسبة ذوبان النحاس 0.45%. يُعد النحاس عنصرًا هامًا في السبائك، وله تأثير مُقوٍّ للمحلول الصلب. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر CuAl2 المُترسب بالشيخوخة تأثيرًا واضحًا في تقوية الشيخوخة. يتراوح محتوى النحاس في سبائك الألومنيوم عادةً بين 2.5% و5%، ويكون تأثير التقوية في أفضل حالاته عندما يتراوح محتوى النحاس بين 4% و6.8%، لذا فإن محتوى النحاس في معظم سبائك الدورالومين يقع ضمن هذا النطاق. قد تحتوي سبائك الألومنيوم والنحاس على كميات أقل من السيليكون والمغنيسيوم والمنغنيز والكروم والزنك والحديد وعناصر أخرى.
السيليكون
عندما تكون درجة حرارة الجزء الغني بالألمنيوم في نظام سبيكة Al-Si يوتكتيكية 577، فإن أقصى ذوبان للسيليكون في المحلول الصلب هو 1.65%. على الرغم من أن الذائبية تقل مع انخفاض درجة الحرارة، إلا أنه لا يمكن تقوية هذه السبائك عمومًا بالمعالجة الحرارية. تتميز سبيكة الألومنيوم والسيليكون بخصائص صب ممتازة ومقاومة للتآكل. إذا تمت إضافة المغنيسيوم والسيليكون إلى الألومنيوم في نفس الوقت لتكوين سبيكة ألومنيوم-مغنيسيوم-سيليكون، فإن مرحلة التقوية هي MgSi. نسبة كتلة المغنيسيوم إلى السيليكون هي 1.73:1. عند تصميم تركيبة سبيكة Al-Mg-Si، يتم تكوين محتوى المغنيسيوم والسيليكون بهذه النسبة على المصفوفة. من أجل تحسين قوة بعض سبائك Al-Mg-Si، تتم إضافة كمية مناسبة من النحاس، وتضاف كمية مناسبة من الكروم لتعويض الآثار السلبية للنحاس على مقاومة التآكل.
تبلغ أقصى قابلية ذوبان Mg₂Si في الألومنيوم في الجزء الغني بالألمنيوم من مخطط الطور المتوازن لنظام سبيكة Al-Mg₂Si 1.85%، ويكون التباطؤ طفيفًا مع انخفاض درجة الحرارة. في سبائك الألومنيوم المشوهة، تقتصر إضافة السيليكون وحده إلى الألومنيوم على مواد اللحام، كما أن إضافة السيليكون إلى الألومنيوم لها تأثير تقوية معين.
المغنيسيوم
على الرغم من أن منحنى الذوبان يُظهر أن ذوبانية المغنيسيوم في الألومنيوم تنخفض بشكل كبير مع انخفاض درجة الحرارة، إلا أن محتوى المغنيسيوم في معظم سبائك الألومنيوم المشوهة الصناعية أقل من 6%. كما أن محتوى السيليكون منخفض أيضًا. لا يمكن تقوية هذا النوع من السبائك بالمعالجة الحرارية، ولكنه يتميز بقابلية لحام جيدة ومقاومة جيدة للتآكل وقوة متوسطة. تقوية الألومنيوم بالمغنيسيوم واضحة. مع كل زيادة بنسبة 1% في المغنيسيوم، تزداد قوة الشد بحوالي 34 ميجا باسكال. إذا تمت إضافة أقل من 1% من المنجنيز، فقد يُعزز تأثير التقوية. لذلك، يمكن أن تُقلل إضافة المنجنيز من محتوى المغنيسيوم وتُقلل من احتمالية التشقق الساخن. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن للمنجنيز أيضًا ترسيب مركبات Mg5Al8 بشكل موحد، مما يُحسن مقاومة التآكل وأداء اللحام.
المنغنيز
عندما تكون درجة الحرارة الانصهارية لمخطط طور التوازن المسطح لنظام سبيكة Al-Mn هي 658، فإن أقصى ذوبان للمنجنيز في المحلول الصلب هو 1.82٪. تزداد قوة السبيكة مع زيادة الذوبان. عندما يكون محتوى المنجنيز 0.8٪، يصل الاستطالة إلى أقصى قيمة. سبيكة Al-Mn هي سبيكة تصلب غير قابلة للشيخوخة، أي أنه لا يمكن تقويتها بالمعالجة الحرارية. يمكن للمنجنيز أن يمنع عملية إعادة تبلور سبائك الألومنيوم، ويزيد من درجة حرارة إعادة التبلور، ويحسن بشكل كبير الحبوب المعاد تبلورها. يرجع تحسين الحبوب المعاد تبلورها بشكل أساسي إلى حقيقة أن الجسيمات المشتتة لمركبات MnAl6 تعيق نمو الحبوب المعاد تبلورها. وظيفة أخرى لـ MnAl6 هي إذابة الحديد الشوائب لتكوين (Fe، Mn) Al6، مما يقلل من الآثار الضارة للحديد. المنغنيز عنصر مهم في سبائك الألومنيوم. يمكن إضافته بمفرده لتكوين سبيكة ثنائية من الألومنيوم والمنجنيز. وفي أغلب الأحيان، يُضاف مع عناصر سبائك أخرى. لذلك، تحتوي معظم سبائك الألومنيوم على المنغنيز.
الزنك
تبلغ قابلية ذوبان الزنك في الألومنيوم 31.6٪ عند 275 في الجزء الغني بالألمنيوم من مخطط الطور المتوازن لنظام سبيكة Al-Zn، بينما تنخفض قابلية ذوبانه إلى 5.6٪ عند 125. إن إضافة الزنك وحده إلى الألومنيوم له تحسن محدود للغاية في قوة سبيكة الألومنيوم في ظل ظروف التشوه. في الوقت نفسه، هناك ميل للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي، مما يحد من تطبيقه. إن إضافة الزنك والمغنيسيوم إلى الألومنيوم في نفس الوقت يشكل طور التقوية Mg / Zn2، والذي له تأثير تقوية كبير على السبيكة. عندما يزداد محتوى Mg / Zn2 من 0.5٪ إلى 12٪، يمكن زيادة قوة الشد ومقاومة الخضوع بشكل كبير. في سبائك الألومنيوم فائقة الصلابة حيث يتجاوز محتوى المغنيسيوم الكمية المطلوبة لتكوين طور Mg / Zn2، عندما يتم التحكم في نسبة الزنك إلى المغنيسيوم عند حوالي 2.7، تكون مقاومة التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي هي الأكبر. على سبيل المثال، تُشكّل إضافة عنصر النحاس إلى سبائك Al-Zn-Mg سلسلة سبائك Al-Zn-Mg-Cu. يُعدّ تأثير تقوية القاعدة الأكبر بين جميع سبائك الألومنيوم. كما أنها مادة سبائك ألومنيوم مهمة في صناعات الفضاء والطيران والطاقة الكهربائية.
الحديد والسيليكون
يُضاف الحديد كعناصر سبائك في سبائك الألومنيوم المطاوع من سلسلة Al-Cu-Mg-Ni-Fe، ويُضاف السيليكون كعناصر سبائك في سبائك الألومنيوم المطاوع من سلسلة Al-Mg-Si، وفي قضبان اللحام من سلسلة Al-Si، وسبائك صب الألومنيوم والسيليكون. في سبائك الألومنيوم الأساسية، يُعد السيليكون والحديد من العناصر الشوائب الشائعة، والتي تؤثر بشكل كبير على خصائص السبائك. توجد هذه العناصر بشكل رئيسي على شكل FeCl3 والسيليكون الحر. عندما يكون السيليكون أكبر من الحديد، يتكون طور β-FeSiAl3 (أو Fe2Si2Al9)، وعندما يكون الحديد أكبر من السيليكون، يتكون طور α-Fe2SiAl8 (أو Fe3Si2Al12). عندما تكون نسبة الحديد والسيليكون غير مناسبة، فإنها ستتسبب في حدوث تشققات في الصب. عندما يكون محتوى الحديد في الألومنيوم المصبوب مرتفعًا جدًا، سيصبح الصب هشًا.
التيتانيوم والبورون
التيتانيوم عنصرٌ مُضافٌ شائع الاستخدام في سبائك الألومنيوم، يُضاف على شكل سبيكة رئيسية Al-Ti أو Al-Ti-B. يُشكل التيتانيوم والألومنيوم طور TiAl2، الذي يُصبح نواةً غير تلقائية أثناء التبلور، ويلعب دورًا في تحسين بنية الصب وبنية اللحام. عند خضوع سبائك Al-Ti لتفاعل التغليف، يكون المحتوى الحرج للتيتانيوم حوالي 0.15%. في حال وجود البورون، يكون التباطؤ ضئيلًا يصل إلى 0.01%.
الكروم
الكروم عنصر مضاف شائع في سبائك سلسلة Al-Mg-Si، وسلسلة Al-Mg-Zn، وسلسلة Al-Mg. عند درجة حرارة 600 درجة مئوية، تبلغ ذوبانية الكروم في الألومنيوم 0.8%، وهو غير قابل للذوبان تقريبًا في درجة حرارة الغرفة. يُكوّن الكروم مركبات بين معدنية مثل (CrFe)Al7 و(CrMn)Al12 في الألومنيوم، مما يعيق عملية التبلور ونموه، ويزيد من قوة السبيكة. كما يُحسّن من متانة السبيكة ويُقلل من قابليتها للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي.
ومع ذلك، يزيد هذا الموقع من حساسية الإخماد، مما يُؤدي إلى اصفرار الغشاء المؤكسد. لا تتجاوز نسبة الكروم المضافة إلى سبائك الألومنيوم عادةً 0.35%، وتتناقص مع زيادة العناصر الانتقالية في السبيكة.
السترونشيوم
السترونشيوم عنصر نشط سطحيًا، قادر على تغيير سلوك أطوار المركبات بين المعدنية بلوريًا. لذلك، تُحسّن معالجة التعديل باستخدام عنصر السترونشيوم قابلية تشكيل السبيكة البلاستيكية وجودة المنتج النهائي. بفضل مدة التعديل الطويلة، وفعاليته العالية، وإمكانية إعادة إنتاجه، حل السترونشيوم محل الصوديوم في سبائك صب الألومنيوم والسيليكون في السنوات الأخيرة. تُحوّل إضافة 0.015% إلى 0.03% من السترونشيوم إلى سبيكة الألومنيوم للبثق طور β-AlFeSi في السبيكة إلى طور α-AlFeSi، مما يُقلل وقت تجانس السبيكة بنسبة 60% إلى 70%، ويُحسّن الخواص الميكانيكية وقابلية التشكيل البلاستيكية للمواد، ويُحسّن خشونة سطح المنتجات.
بالنسبة لسبائك الألومنيوم المشوهة عالية السيليكون (10% إلى 13%)، فإن إضافة عنصر السترونشيوم بنسبة 0.02% إلى 0.07% يمكن أن تقلل البلورات الأولية إلى الحد الأدنى، كما تُحسّن الخصائص الميكانيكية بشكل ملحوظ. تزداد قوة الشد бb من 233 ميجا باسكال إلى 236 ميجا باسكال، وتزداد مقاومة الخضوع б0.2 من 204 ميجا باسكال إلى 210 ميجا باسكال، وتزداد الاستطالة б5 من 9% إلى 12%. إضافة السترونشيوم إلى سبيكة Al-Si فائقة اليوتكتيك يمكن أن تقلل من حجم جزيئات السيليكون الأولية، وتُحسّن خصائص معالجة البلاستيك، وتُتيح الدرفلة الساخنة والباردة بسلاسة.
الزركونيوم
الزركونيوم مادة مضافة شائعة الاستخدام في سبائك الألومنيوم. تتراوح نسبتها عمومًا بين 0.1% و0.3%. يُشكّل الزركونيوم والألومنيوم مركبات ZrAl3، مما قد يُعيق عملية إعادة التبلور ويُحسّن من جودة الحبيبات المُعاد تبلورها. كما يُمكن للزركونيوم تحسين بنية الصب، لكن تأثيره أقل من التيتانيوم. يُقلل وجود الزركونيوم من تأثير التيتانيوم والبورون على تحسين جودة الحبيبات. في سبائك Al-Zn-Mg-Cu، نظرًا لانخفاض تأثير الزركونيوم على حساسية الإخماد مقارنةً بالكروم والمنغنيز، يُنصح باستخدام الزركونيوم بدلًا من الكروم والمنغنيز لتحسين البنية المُعاد تبلورها.
العناصر الأرضية النادرة
تُضاف العناصر الأرضية النادرة إلى سبائك الألومنيوم لزيادة التبريد الفائق للمكونات أثناء صبها، وتحسين حبيباتها، وتقليل تباعد البلورات الثانوية، وتقليل الغازات والشوائب في السبيكة، كما أنها تميل إلى كروية طور الشوائب. كما أنها تُقلل التوتر السطحي للمصهور، وتزيد من سيولته، وتُسهّل صبه في السبائك، مما يُؤثر بشكل كبير على أداء العملية. يُفضّل إضافة أنواع مختلفة من العناصر الأرضية النادرة بنسبة 0.1% تقريبًا. تُخفّض إضافة العناصر الأرضية النادرة المختلطة (مثل خليط من La-Ce-Pr-Nd، إلخ) درجة الحرارة الحرجة لتكوين منطقة G-P للشيخوخة في سبيكة Al-0.65%Mg-0.61%Si. يمكن لسبائك الألومنيوم التي تحتوي على المغنيسيوم أن تُحفّز تحوّل العناصر الأرضية النادرة.
النجاسة
يُشكّل الفاناديوم مركبًا حراريًا VAl11 في سبائك الألومنيوم، والذي يلعب دورًا في تنقية الحبيبات أثناء عمليتي الصهر والصب، إلا أن دوره أقل من دور التيتانيوم والزركونيوم. كما يُحسّن الفاناديوم البنية المُعاد تبلورها ويرفع درجة حرارتها.
ذوبان الكالسيوم في الحالة الصلبة في سبائك الألومنيوم منخفض للغاية، ويُشكل مركب CaAl4 مع الألومنيوم. يُعد الكالسيوم عنصرًا فائق اللدونة في سبائك الألومنيوم. تتمتع سبيكة الألومنيوم التي تحتوي على حوالي 5% كالسيوم و5% منغنيز بلدونة فائقة. يُشكل الكالسيوم والسيليكون CaSi، وهو غير قابل للذوبان في الألومنيوم. ونظرًا لانخفاض كمية السيليكون في المحلول الصلب، يُمكن تحسين التوصيل الكهربائي للألومنيوم النقي الصناعي بشكل طفيف. يُمكن للكالسيوم تحسين أداء القطع في سبائك الألومنيوم. لا يُمكن لـ CaSi2 تقوية سبائك الألومنيوم بالمعالجة الحرارية. تُساعد كميات ضئيلة من الكالسيوم في إزالة الهيدروجين من الألومنيوم المصهور.
عناصر الرصاص والقصدير والبزموت معادن ذات درجة انصهار منخفضة. ذوبانيتها الصلبة في الألومنيوم منخفضة، مما يقلل قليلاً من قوة السبيكة، ولكنه يُحسّن أداء القطع. يتمدد البزموت أثناء التصلب، مما يُحسّن عملية التغذية. إضافة البزموت إلى سبائك المغنيسيوم العالية يمنع هشاشة الصوديوم.
يُستخدم الأنتيمون بشكل رئيسي كمُعدِّل في سبائك الألومنيوم المصبوب، ونادرًا ما يُستخدم في سبائك الألومنيوم المشوهة. يُستخدم البزموت فقط في سبائك الألومنيوم المشوهة بالألمنيوم والمغنيسيوم لمنع هشاشة الصوديوم. يُضاف عنصر الأنتيمون إلى بعض سبائك الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم والنحاس لتحسين أداء عمليات الضغط الساخن والبارد.
يُمكن للبريليوم تحسين بنية طبقة الأكسيد في سبائك الألومنيوم المشوهة، وتقليل فاقد الاحتراق والشوائب أثناء الصهر والصب. يُعدّ البريليوم عنصرًا سامًا قد يُسبب تسممًا تحسسيًا لدى البشر. لذلك، لا يُمكن احتواء البريليوم في سبائك الألومنيوم التي تلامس الأطعمة والمشروبات. عادةً ما يتم التحكم في محتوى البريليوم في مواد اللحام بما لا يزيد عن 8 ميكروغرام/مل. كما يجب التحكم في محتوى البريليوم في سبائك الألومنيوم المُستخدمة كركائز لحام.
الصوديوم غير قابل للذوبان تقريبًا في الألومنيوم، وأقصى ذوبان صلب أقل من 0.0025٪. نقطة انصهار الصوديوم منخفضة (97.8 درجة مئوية)، عندما يكون الصوديوم موجودًا في السبائك، يتم امتصاصه على سطح الشجيرات أو حدود الحبوب أثناء التصلب، أثناء المعالجة الساخنة، يشكل الصوديوم على حدود الحبوب طبقة امتصاص سائلة، مما يؤدي إلى تشقق هش، وتكوين مركبات NaAlSi، ولا يوجد صوديوم حر، ولا ينتج "هش الصوديوم".
عندما يتجاوز محتوى المغنيسيوم 2%، يسحب المغنيسيوم السيليكون ويرسب الصوديوم الحر، مما يؤدي إلى "هشاشة الصوديوم". لذلك، لا يُسمح باستخدام ملح الصوديوم في سبائك الألومنيوم عالية المغنيسيوم. تشمل طرق منع "هشاشة الصوديوم" الكلورة، التي تُسبب تكوين كلوريد الصوديوم (NaCl) الذي يُصرف في الخبث، وإضافة البزموت لتكوين Na2Bi ودخوله إلى مصفوفة المعدن؛ كما يُمكن أن يُحدث إضافة الأنتيمون لتكوين Na3Sb أو إضافة معادن نادرة نفس التأثير.
تم تحريره بواسطة ماي جيانج من MAT Aluminum
وقت النشر: ٨ أغسطس ٢٠٢٤
