ما هو الألومنيوم؟ نظرة عامة على المادة واعتبارات التصميم

والألمنيوم ، ويُعرف أيضًا باسم الألمنيوم , هو أكثر المعادن غير الحديدية استخدامًا بفضل ميزاته الفريدة التي لا توجد في المعادن القائمة على الحديد. وفهم خصائصه واختيار الدرجة المناسبة وطريقة المعالجة والعلاج الحراري المناسبين أمر بالغ الأهمية عند تصميم المنتجات. دعونا ’نستعرض الأنواع المختلفة وخصائص الألومنيوم.

الميزات الرئيسية للألومنيوم

يتمتع الألومنيوم بعدة خصائص ممتازة، منها: خفة الوزن، القوة، مقاومة التآكل، سهولة التشكيل، التوصيل الحراري العالي، التوصيل الكهربائي العالي، القابلية لإعادة التدوير، عدم المغناطيسية، مقاومة درجات الحرارة المنخفضة، عكس الحرارة والضوء، المظهر الجذاب، وخلوّه من السُمّية.

خفيف الوزن

يبلغ الكثافة النوعية (الكثافة) للألومنيوم حوالي 2.7، أي ما يعادل ثلث كثافة الفولاذ تقريبًا. ويجعل وزنه الخفيف منه مادة مرغوبة للغاية في الصناعات مثل النقل (الطيران، الأقمار الصناعية، والقطارات السريعة)، والبناء، والإلكترونيات (الهواتف المحمولة).

قوية

يمكن تحسين قوة الألومنيوم النقي النوعية عن طريق صبغيته مع معادن أخرى. وتُظهر سبائك مثل سلسلة 7000، التي تُعالج حراريًا بإضافة الزنك والمغنيسيوم، قوة ممتازة. على سبيل المثال، تُستخدم سبيكة A7075 (ألومنيوم دوريالومين المقوى إضافيًا) على نطاق واسع في أجزاء الطائرات.

مقاوم للتآكل

يتفاعل الألومنيوم بسهولة مع الأكسجين، مشكلًا طبقة أكسيد كثيفة على سطحه تعمل كطبقة واقية تمنع التآكل. وتجعل مقاومته العالية للتآكل منه خيارًا مثاليًا للتطبيقات البحرية وبناء السفن والهندسة المعمارية. وهناك أيضًا تقارير تفيد بعدم حدوث أي مشكلات حتى بعد 30 عامًا من الاستخدام في المناطق المعرضة لنسائم الشواطئ.

قابلة للعمل

يُعد الألمنيوم معدنًا سهل التشكيل، مما يجعله مناسبًا لاستخدامه في طرق معالجة مختلفة. ودرجة انصهاره المنخفضة وخصائصه الجيدة في السيولة تجعله مثاليًا للصهر. ويمكن قطعه ولحامه بسهولة، مما يسمح بإنشاء مجموعة واسعة من الأشكال، بما في ذلك الأشكال ذات الجدران الرقيقة مثل رقائق الألمنيوم، بالإضافة إلى الأشكال المعقدة.

الconductivity الحراري العالي

والألمنيوم ’تبلغ موصلية الألمنيوم الحرارية حوالي ثلاثة أضعاف موصلية الحديد، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في مشعاعات السيارات، والمبادلات الحرارية، ومشعاعات الأجهزة الإلكترونية.

الconductivity الكهربائية العالية

ينقل الألمنيوم ضعف كمية التيار التي ينقلها النحاس عند نفس الوزن. وتُعد هذه الخاصية، جنبًا إلى جنب مع خفة وزنه، سببًا في جعله مادة جذابة لخطوط نقل الطاقة. ويساعد ذلك في توسيع المسافات بين الأبراج وتقليل التكاليف.

قابلة لإعادة التدوير

لا يتدهور الألمنيوم بسهولة، حتى بعد الاستخدام لفترة طويلة، وله نقطة انصهار منخفضة، مما يجعله سهل إعادة التدوير عن طريق صهر المنتج بعد استخدامه. وتتطلب عملية تدوير الألمنيوم فقط 3٪ من الطاقة اللازمة لتصنيع منتجات جديدة، ويكون جودة الألمنيوم المعاد تدويره مكافئة تقريبًا لجودة المنتجات الجديدة.

غير مغناطيسي

الألمنيوم غير مغناطيسي ولا يتأثر بالمجالات المغناطيسية المحيطة به. هذه الخاصية تجعله مناسبًا للاستخدام في الهوائيات المكافئية، والمعدات الطبية، والبوصلات المغناطيسية، والمنتجات المتعلقة بالموصلية الفائقة. كما أنه أرخص مقارنةً بمواد غير مغناطيسية أخرى مثل الذهب والفضة والنحاس.

مقاوم للدرجات الحرارية المنخفضة

حتى في ظل درجات الحرارة المنخفضة للغاية مثل النيتروجين السائل (-196 °ف)، والأكسجين السائل (-183 °ف)، يحافظ الألمنيوم على قوته وقد يزداد قوته حتى. هذه الخاصية تجعله مناسبًا للاستخدام في محطات درجات الحرارة المنخفضة، وخزانات الغاز الطبيعي المسال (LNG)، والاستكشاف الفضائي، والتكنولوجيا الحيوية.

يعكس الحرارة والضوء

يتميز الألومنيوم بقدرته على عكس الأشعة تحت الحمراء، والأشعة فوق البنفسجية، والموجات الكهرومغناطيسية. ويمكن تعزيز قدرته العاكسة أكثر من خلال زيادة نقاوته أو تطبيق تشطيب مرآة، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في عواكس التدفئة، وبدلات الفضاء، والمرآيا متعددة الأضلاع.

جذابة بصريًا

يتمتع الألومنيوم بجمال طبيعي يمكن تحسينه أكثر من خلال معالجات السطح مثل معالجة الألوميت. كما يمكن تلوينه باستخدام التلوين الإلكتروليتي، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في واجهات المباني والمواد التعبئية.

غير سام

لا يتفاعل الألومنيوم مع الطعام وهو غير سام. حتى عند ابتلاعه، يتم إخراج أكثر من 99% منه من الجسم، ولا يشكل خطرًا على التربة. ويُستخدم بشكل شائع في حاويات تغليف الأدوية والمواد الغذائية والأجهزة الطبية.

الاعتبارات عند استخدام الألومنيوم

رغم أن الألومنيوم يمتلك العديد من الخصائص الممتازة، إلا أن هناك بعض الاعتبارات:

مرونة أقل مقارنةً بالفولاذ

على الرغم من أن الألومنيوم يتمتع بقوة نوعية ممتازة، إلا أن قوته أقل من الفولاذ. وهو مناسب للهياكل المرنة واللينة مثل أجنحة الطائرات، لكنه قد لا يكون مناسبًا للأجزاء التي تتطلب قوة عالية، مثل التروس.

الاعتبارات المتعلقة بالتآكل

على الرغم من أن الألومنيوم مقاوم للصدأ، فقد يتآكل في البيئات المالحة أو عند تلامسه مع معادن مختلفة. ولمنع التآكل، قد يكون من الضروري إجراء معالجة الألوميت.

معامل تمدد خطي مرتفع

يبلغ معامل التمدد الخطي للألومنيوم ضعف ما هو عليه في المواد القائمة على الحديد تقريبًا. وقد تتعرض الأجزاء التي تتعرض لإجهادات حرارية كبيرة وتُسخّن وتُبرّد بشكل متكرر للفشل الناتج عن الإجهاد الحراري المتكرر.

لا يوجد حد تعب

على عكس المواد الحديدية، لا يمتلك الألومنيوم حد تعب —الحد الأدنى لإجهاد الذي لا يحدث فيه إرهاق معدني. لذلك، أثناء التصميم، من الضروري مقارنة الإجهاد المتغير الذي يحدث أثناء الاستخدام مع مخطط SN لضمان عدم وجود مشكلات في القوة حتى لو تطورت شقوق على مدى العمر المتوقع للمنتج.

صعوبة اللحام

والألمنيوم ’لأن طبقة أكسيد الألومنيوم لها نقطة انصهار عالية تبلغ حوالي 3632 °فهرنهايت، ويجب إزالتها قبل اللحام. بالإضافة إلى ذلك، فإن التوصيل الحراري العالي للألومينيوم ونقطة الانصهار المنخفضة تعني أن الحرارة أثناء اللحام تنتقل بسرعة إلى المعدن الأساسي، مما قد يؤدي إلى سقوط المعدن الأساسي. يتطلب لحام الألومنيوم تحكمًا دقيقًا في سرعة مشعل اللحام. ولأفضل النتائج، يجب النظر في استخدام شركة لديها سجل حافل في لحام الألومنيوم. ’فهرنهايت، ويجب إزالتها قبل اللحام. بالإضافة إلى ذلك، فإن التوصيل الحراري العالي للألومينيوم ونقطة الانصهار المنخفضة تعني أن الحرارة أثناء اللحام تنتقل بسرعة إلى المعدن الأساسي، مما قد يؤدي إلى سقوط المعدن الأساسي. يتطلب لحام الألومنيوم تحكمًا دقيقًا في سرعة مشعل اللحام. ولأفضل النتائج، يجب النظر في استخدام شركة لديها سجل حافل في لحام الألومنيوم.

الأصناف النموذجية من الألومنيوم

يتمتع الألومنيوم النقي بقوة منخفضة، لذلك يتم عادةً إضافة معادن أخرى لتكوين سبيكة. وبإضافة الحديد والزنك والمغنيسيوم والنحاس وغيرها إلى الألومنيوم، يمكن إنتاج أنواع متنوعة من السبائك.

تُصنف مواد الألمنيوم الصناعية بشكل عام إلى سبائك الألمنيوم المطروقة وسبائك الألمنيوم المسبوكة، حسب استخدام المنتج النهائي. ’يمكن معالجة الألمنيوم المطروق باستخدام التشوه البلاستيكي، في حين تُستخدم سبائك الألمنيوم المسبوكة للصهر. دعونا نستعرض أنواع سبائك الألمنيوم المطروقة هنا. ’دعونا نستعرض أنواع سبائك الألمنيوم المطروقة هنا.

سبائك الألمنيوم المطروقة

• سبائك الألمنيوم 1050

سبائك الألمنيوم 1050 (1050 AA) هي درجة نموذجية من الألمنيوم النقي. وعلى الرغم من أنها ذات قوة منخفضة، إلا أنها تمتاز بقابلية ممتازة للتشغيل ومقاومة جيدة للتآكل، مما يجعلها مناسبة للعناصر الزخرفية وخطوط نقل الطاقة.

• سبائك الألمنيوم 2017

سبائك الألمنيوم 2017 (2017AA)، والمعروفة أيضًا باسم الدورالومين، تمتلك مقاومة منخفضة للتآكل ولكنها ذات قوة عالية، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في الطائرات والسيارات والأجزاء الميكانيكية.

• سبائك الألمنيوم 2024

سبائك الألمنيوم 2024 (2024 AA)، أو السوبر دورالومين، توفر قوة أعلى من سبيكة 2017 AA.

• سبائك الألومنيوم 5052

سبائك الألومنيوم 5052 (5052 AA) تتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل وسهولة في التشكيل واللحام، مما يجعلها السبيكة الألومنيومية الأكثر انتشارًا. وتُستخدم في مواد الهيكل والإطارات و قطع المعادن الصفيحية .

• سبائك الألمنيوم 6061

سبائك الألومنيوم 6061 (6061 AA) هي سبيكة ألومنيوم تمتاز بمقاومة ممتازة للتآكل. ويعمل المعالجة الحرارية، مثل المعالجة T6، على تعزيز مقاومتها للتآكل بشكل أكبر.

• سبائك الألمنيوم 6063

سبائك الألومنيوم 6063 (6063 AA) هي سبيكة ألومنيوم تتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل وخصائص ممتازة في معالجة السطح، وتُستخدم بشكل رئيسي في المنتجات المبثوقة مثل واجهات الألومنيوم والمواد الكهربائية.

• سبائك الألومنيوم 7075

سبائك الألومنيوم 7075 (7075 AA)، أو الدورالومين الفائق الإضافي، تمتلك أعلى قوة بين سبائك الألومنيوم. وتُستخدم على نطاق واسع في الطائرات، وكانت عنصرًا أساسيًا في بناء الطائرات، بما في ذلك إسهامات كبيرة في أداء الطائرات خلال فترات الحرب.