المعالجة الحرارية لسباق الألومنيوم

1. مقدمة

المعالجة الحرارية تحول سبائك الألومنيوم من الصب, مكونات الخصائص المتغيرة إلى أجزاء مصممة بدقة تلبي متطلبات التطبيق الصعبة.

عن طريق التحكم الدقيق في درجة الحرارة, نقع الأوقات, ومعدلات التبريد, يمكن للمسابك وعلماء المعادن تصميم الخواص الميكانيكية,

مثل قوة الشد, صلابة, ليونة, ومقاومة التعب, مع تحسين خصائص التآكل أيضًا, القابلية للآلات, والاستقرار الأبعاد.

هذه المقالة تتعمق في الأساسيات, العمليات, وأفضل ممارسات المعالجة الحرارية لسبائك الألومنيوم.

ونحن نهدف إلى توفير المهنية, موثوق, ودليل شامل للمهندسين, المعادن, ومتخصصو الجودة الذين يسعون إلى تحسين مكونات سبائك الألومنيوم من حيث الأداء والتكلفة.

2. لماذا المعالجة الحرارية لسبائك الألومنيوم؟?

الغرض من المعالجة الحرارية هو:

• زيادة قوة الشد والصلابة
• تحسين ليونة ومقاومة التعب
• تعزيز القدرة على التصنيع ومقاومة التآكل
• استقرار الأبعاد وتخفيف الضغط المتبقي
• عقارات مصممة خصيصًا لشروط الخدمة
• الاتساق وضمان الجودة

3. سبائك صب الألمنيوم الشائعة

تنقسم سبائك صب الألومنيوم عادة إلى فئتين رئيسيتين:

• صب الرمال / قالب دائم (يلقي الجاذبية) سبائك
• يموت الصب سبائك (يلقي الضغط)

تم تعيينهم من قبل أ رقم مكون من أربعة أرقام (على سبيل المثال, A356, A319, A380) والوقوع في أي منهما 2xx, 3xx, 4xx, أو 7xx سلسلة اعتمادا على عناصر صناعة السبائك الأولية.

طاولة: نظرة عامة على سبائك صب الألومنيوم الشائعة

4. ما هي أنواع المعالجة الحرارية المتاحة لسبائك الألومنيوم؟?

تختلف عملية المعالجة الحرارية لسبائك الألومنيوم بناءً على تركيبة السبائك, نوع الصب, والخواص الميكانيكية المطلوبة.

يتم استخدام أفران متخصصة وطرق تبريد يتم التحكم فيها بعناية لضمان استقرار الأبعاد ومنع التشقق أثناء المعالجة. فيما يلي أنواع المعالجة الحرارية الشائعة المطبقة على مصبوبات الألومنيوم:

تف (معالج بالحرارة بالكامل)

الغرض من معالجة TF هو زيادة صلابة وقوة مسبوكات الألومنيوم بشكل ملحوظ.

تتضمن العملية تسخين الصب إلى حوالي 515-535 درجة مئوية 4 ل 12 ساعات لإذابة عناصر السبائك في محلول صلب.

ثم يتم تبريده بسرعة في الماء الدافئ لمنع التشقق, تليها الشيخوخة عند 150-160 درجة مئوية 4 ل 16 ساعات.

هذا العلاج يضاعف تقريبًا صلابة الصب الأصلي. يُستخدم TF بشكل شائع عند الحاجة إلى قوة ومتانة عالية, كما هو الحال في المكونات الهيكلية.

تكمن ميزتها في التحسن الكبير في الخواص الميكانيكية مع الحفاظ على سلامة الصب.

حالة السل (T4)

تهدف هذه المعالجة الحرارية إلى تحسين الليونة والقوة المعتدلة.

يتم تسخين المسبوكات إلى ما دون نقطة الانصهار مباشرة حتى تدخل عناصر السبائك إلى محلول صلب, ثم يطفئ في الماء, الماء المغلي, أو محلول البوليمر.

يتم اختيار وسط التبريد لموازنة الخواص الميكانيكية, تقليل التشويه, والتقليل من التوتر الداخلي.

السل مناسب للأجزاء التي تتطلب قابلية جيدة للتشكيل واللحام.

الميزة هي الحفاظ على الليونة والقوة المعقولة, مما يسهل المزيد من عمليات التصنيع.

TB7 (تمت معالجة الحل واستقراره)

مصممة لإنتاج المسبوكات مع قابلية التحمل المحسنة, هذا العلاج مشابه لـ TF ولكن مع الشيخوخة يتم إجراؤه عند درجة حرارة أعلى تبلغ 240-270 درجة مئوية 2 ل 4 ساعات.

يؤدي هذا إلى مصبوبات أكثر ليونة قليلاً مقارنة بـ TF, مما يسهل التعامل معها في التطبيقات التي تتطلب بعض المرونة.

يتم استخدامه في المكونات التي تتطلب ثباتًا حراريًا وصلابة أفضل.

ال (تصلب العمر)

تعمل المعالجة الحرارية TE على تسريع عملية الشيخوخة الطبيعية عن طريق تسخين المسبوكات إلى 150-170 درجة مئوية 4 ل 12 ساعات دون أي تبريد.

يعد هذا مفيدًا بشكل خاص للمسبوكات المعقدة أو المميزة بدقة والتي يمكن أن تتلف بسبب التبريد السريع.

تعمل هذه العملية على تحسين الصلابة والاستقرار دون المخاطرة بالتشويه. يُفضل TE للأجزاء الحساسة حيث يكون الاحتفاظ بالشكل أمرًا بالغ الأهمية.

T5 (شيخوخة هطول الأمطار)

تعمل عملية التعتيق الاصطناعي هذه على تثبيت المسبوكات عن طريق تسخينها عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا (150-200 درجة مئوية) ل 2 ل 24 ساعات.

يعمل T5 على تحسين قابلية التشغيل الآلي واستقرار الأبعاد ويتم تطبيقه عادةً على مصبوبات القوالب حيث تكون الصلابة التي يمكن التحكم فيها وتشطيب السطح أمرًا مهمًا.

الميزة هي تحسين الخواص الميكانيكية مع الحد الأدنى من التأثير الحراري على الصب.

T6 مزاج

يتم استخدام العلاج T6 لتحقيق قوة وصلابة عالية.

تتم معالجة الصب عند درجة حرارة حوالي 538 درجة مئوية لمدة حوالي 12 ساعات, يتم إخماده بسرعة في الماء أو الجليكول عند درجة حرارة 66-100 درجة مئوية, ثم يتم تعتيقها بشكل مصطنع عند درجة حرارة 154 درجة مئوية 3 ل 5 ساعات.

غالباً, تتبع خطوة الاستقامة التبريد لضمان دقة الأبعاد.

يتم تطبيق T6 على نطاق واسع في مجال الطيران, السيارات, والصناعات الدفاعية للأجزاء الهيكلية التي تحتاج إلى أداء ميكانيكي ممتاز.

ميزتها الرئيسية هي زيادة القوة إلى الحد الأقصى مع تقليل التشوه تحت الحمل.

TF7 (T7 أو T71 - تمت معالجة المحلول وتثبيته)

يعزز هذا العلاج الاستقرار الميكانيكي عند درجات الحرارة العالية عن طريق معالجة المسبوكات بالمحلول وتثبيتها عند درجة حرارة 200-250 درجة مئوية.

في حين أنه يوفر قوة شد وخضوع أقل قليلاً من T6, يعمل TF7 على تحسين المقاومة الحرارية واستقرار الأبعاد.

إنه مثالي للمكونات المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة أو إجهاد طويل الأمد.

تخفيف التوتر والتليين (حالة تي اس)

المعالجة الحرارية لتخفيف التوتر, يتم تنفيذها عند 200-250 درجة مئوية, يقلل من الضغوط المتبقية التي يمكن أن تسبب تزييفها أو تشققها.

الصلب, يتم عند 300-400 درجة مئوية, يخفف المسبوكات لتسهيل التصنيع أو التشكيل.

تُستخدم هذه المعالجات عادةً للمسبوكات السميكة أو المعقدة التي تتطلب عمليات ميكانيكية إضافية. ميزتها هي تحسين استقرار الأبعاد وتعزيز قابلية التشغيل.

تبريد البوليمر

بدلا من الماء, وتستخدم محاليل البوليمر لإخماد المسبوكات بمعدل أبطأ.

وهذا يقلل من الضغوط الداخلية والتشويه, مما يجعلها مناسبة للمسبوكات المعقدة أو ذات الجدران الرقيقة التي تتطلب صلابة أقل ولكن دقة أبعاد عالية.

يوفر تبريد البوليمر طريقة تبريد لطيفة لحماية الأشكال الهندسية الدقيقة.

أنواع المعالجة الحرارية الشائعة لجدول مسبوكات الألومنيوم

5. وصفات المعالجة الحرارية الخاصة بالسبائك

A356/356.0: عملية T6 القياسية

• حل: 540-560 درجة مئوية, 6 ح (25 قسم مم).
• إخماد: ماء (~20 درجة مئوية) مع الانفعالات الخفيفة.
• شيخوخة (T6): 160-165 درجة مئوية, 6 ح; الهواء بارد إلى المحيط.
• اختياري T7: 180 درجة مئوية, 10 ح; الهواء بارد.

A380/A383: تطبيقات T4 وT5

• T4 (الشيخوخة الطبيعية): إخماد من 505-525 درجة مئوية; عقد 18-24 ساعة; قوة محدودة (~UTS 200 MPA) مع ليونة جيدة (4-6 ٪).
• T5: الشيخوخة الاصطناعية المباشرة في 160 درجة مئوية لمدة 4-6 ساعات; النتائج ~ UTS 210-230 ميجا باسكال, استطالة 3-4%.

319/319.0: SHT والشيخوخة لـ HPDC

• sht: 505-525 درجة مئوية لمدة 4-6 ساعات (10– أقسام 20 ملم).
• إخماد: البوليمر (10% باغ) للحد من التشويه.
• عمر (T6): 160-170 درجة مئوية لمدة 8-10 ساعات; ينتج UTS ~ 260 ميجا باسكال, استطالة ~ 4-5%.

A413: المسبوكات عالية القوة

• sht: 540-560 درجة مئوية لمدة 8-10 ساعات (أقسام سميكة 50-100 ملم).
• إخماد: ماء + المانع للتآكل; تهدف ل 400 درجة مئوية / ثانية التبريد.
• عمر (T6): 160-170 درجة مئوية, 10 ح; UTS ~ 270-310 ميجا باسكال, استطالة ~ 3-4%.
• فائض (T7): 180-200 درجة مئوية, 10-12 ساعة; UTS ~ 260-290 ميجا باسكال, استطالة ~ 5-6%.

6061 (المتغيرات المدلى بها) والسبائك المتخصصة

• 6061- يلقي SHT: 530-550 درجة مئوية لمدة 4-6 ساعات (12– أقسام 25 ملم).
• إخماد: الماء أو البوليمر (كلاهما مقبول للتشويه المعتدل).
• عمر (T6): 160 درجة مئوية, 8 ح; العائد ~ UTS 240-270 ميجا باسكال, استطالة ~ 8-10٪.
• 6063-يقذف: SHT مماثلة, غالبًا ما يكون T5 كافيًا لـ UTS 165-200 ميجا باسكال لكن T6 ينتج UTS ~ 210 ميجا باسكال.

6. ارتباطات الملكية الميكانيكية

قوة الشد, قوة العائد, والاستطالة بعد العلاج

• A356 T6: أوتس 240-280 ميجا باسكال; نعم 200-240 ميجا باسكال; استطالة 6-8%.
• A380 T5: أوتس 210-230 ميجا باسكال; نعم 160-180 ميجا باسكال; استطالة 3-4%.
• 319 T6: أوتس 260-280 ميجا باسكال; نعم 210-230 ميجا باسكال; استطالة 4-5%.
• A413 T6: أوتس 270-310 ميجا باسكال; نعم 220-260 ميجا باسكال; استطالة 3-4%.

تتغير الصلابة خلال مراحل المعالجة الحرارية

• A356: كما يلقي ~ 70 HB; بعد SHT ~ 60 HB; T6 ~80–85 HB; T7 ~ 75-80 حصان.
• 319: كما يلقي ~ 75 HB; T5 ~ 85 حصان; T6 ~90–95 HB.
• A413: كما يلقي ~ 80 HB; T6 ~95–105 HB; T7 ~ 90-100 حصان.

أداء التعب وتشقق معدلات النمو

• A356 T6: حد التحمل ~ 70 ميجا باسكال; T0 ~ 50 ميجا باسكال.
• 319 T6: ~ 75 ميجا باسكال; مقاومة أفضل للتعب في درجات الحرارة العالية بسبب الرواسب الدقيقة الغنية بالنحاس.
• تأثير الإجهاد المتبقي: تخفيف التوتر بشكل مناسب يمكن أن يزيد من عمر التعب بنسبة 20-30٪.

مقاومة الزحف في تطبيقات الصب ذات درجة الحرارة العالية

• تجاوزت A356 T7: يحافظ على ~ 85% من قوة درجة حرارة الغرفة عند 150 درجة مئوية; مقبول لأقواس المحرك.
• A413: يحتفظ T7 بحوالي 80٪ عند 200 درجة مئوية; يوصى به لعلب النقل تحت الأحمال المستمرة.

7. تطبيقات مسبوكات الألومنيوم

صناعة السيارات

• كتل المحرك (A356 T6): مُبَرهن 20% تخفيض الوزن مقابل. الحديد الزهر; تنتج المعالجة الحرارية UTS ~ 260 ميجا باسكال, تمكين ضغوط اسطوانة أعلى.
• رؤوس الأسطوانة (319 T6): علاج T6 يزيل فشل التعب المرتبط بالمسامية; يؤدي التشغيل المتكرر عبر الخط إلى أداء ثابت مع <1% الخردة بسبب تكسير الإرواء.

مكونات الفضاء الجوي

• الدفاعات التوربينية (6061 T6): من خلال SHT الصارمة والشيخوخة, تحقيق حياة التعب >10⁷ دورات تحت 200 إجهاد الآلام والكروب الذهنية; يؤكد العلاج اللاحق لـ CMM النفاذ <0.01 مم.
• كتل الهبوط (A356 T7): مبالغ فيه من أجل الاستقرار, يحتفظ 75% من القوة عند 120 درجة مئوية; لا يوجد تشقق في الخدمة 15,000 دورات في التقييم.

الآلات الصناعية

• مضخة العلب (A413 T6): T6 يضمن UTS >280 MPA, تقليل سماكة الجدار بنسبة 20% مقابل. تصاميم كما يلقي; تظل ممرات التشحيم ضمن ± 0.05 مم بعد التبريد.
• جثث الصمام (A380 T5): تحقيق UTS ~ 220 ميجا باسكال, استطالة ~ 4%; تخفيف التوتر في 300 درجة مئوية يلغي 80% من التشويه المصبوب, تقليل وقت المعالجة عن طريق 30%.

الإلكترونيات الاستهلاكية والمصارف الحرارية

• أحواض الحرارة (6061 T6): العائد UTS ~ 250 ميجا باسكال والتوصيل الحراري ~ 180 واط / م · كلفن; مقذوف ثم معالج بالحرارة للحصول على الأداء الأمثل في وحدات LED عالية الطاقة.
• هيكل الكمبيوتر المحمول (A356 T6): يضمن T6 الصلابة الهيكلية تحت الأحمال الميكانيكية; الحد الأدنى من صفحة الحرب (<0.2 مم عبر 200 مم) يحافظ على ملاءمة اللوحة وإنهائها.

8. خاتمة

المعالجة الحرارية الألومنيوم المسبوكات ليست اقتراح "مقاس واحد يناسب الجميع"..

من خلال فهم أساسيات المعادن - الحلول, التبريد, والشيخوخة - يمكن لعلماء المعادن تصميم دورات تعمل على تحسين خصائص سبائك معينة (6061, 7075, 356, إلخ.) وجزء هندسي.

من خلال التحكم الدقيق في درجات حرارة الفرن, إخماد وسائل الإعلام, وملامح الشيخوخة, تتحول المسبوكات إلى مكونات عالية الأداء مناسبة لقطع الغيار الفضائية, الأجهزة البحرية, تجميعات السيارات, والمرفقات الإلكترونية الدقيقة.

أخيرًا, تعتمد المعالجة الحرارية الناجحة على:

• اختيار سبائك والكيمياء
• التحكم الدقيق في العملية (درجة حرارة, وقت, معدل إخماد)
• التفتيش بعد العلاج (NDT, الاختبار الميكانيكي, الشيكات الأبعاد)
• اختيارات مزاجية تعتمد على التطبيق (T6 للقوة, T7 للاستقرار, TS لتخفيف التوتر)

من خلال الالتزام بهذه المبادئ والاستفادة من تكنولوجيا الأفران والمقاييس المتقدمة, يضمن المصنعون أن مصبوبات الألومنيوم لا تلبي المتطلبات الميكانيكية فحسب، بل تتجاوزها أيضًا, متانة, ومعايير الموثوقية للصناعات الحديثة.