تأثير العناصر السبائكية والشوائب على الألومنيوم

الألومنيوم يعتبر مادة أساسية في صناعة العديد من السبائك التي يتم تعزيز خواصها عبر إضافة عناصر سبائكية معينة. العناصر السبائكية الرئيسية التي تستخدم مع الألومنيوم تشمل النحاس، المنغنيز، السيليكون، المغنيسيوم، والزنك. قد تصل نسبة هذه العناصر إلى 10% من تكوين السبيكة. إلى جانب هذه العناصر، توجد شوائب بنسب ضئيلة عادةً أقل من 0.15%، يمكن أن تؤثر بشكل كبير على خواص السبيكة.

شرح مفهوم المعادن والسبائك غير الحديدية

المعادن والسبائك غير الحديدية هي تلك التي لا تحتوي على كمية كبيرة من الحديد أو التي لا يكون الحديد فيها المعدن الأساسي. تختلف هذه المعادن عن المعادن الحديدية (مثل الحديد والصلب) بعدة خصائص تجعلها مناسبة لتطبيقات معينة في الصناعة.

خصائص المعادن غير الحديدية:

1. مقاومة عالية للتآكل:
   هذه المعادن تتميز بمقاومتها العالية للتآكل، مما يجعلها مثالية للاستخدام في البيئات التي تحتوي على عوامل مؤكسدة أو مواد كيميائية قاسية.

2. سهولة التصنيع:
   يمكن تشكيل المعادن غير الحديدية بسهولة من خلال عمليات مثل التشغيل الآلي (machining)، الصب (casting)، اللحام (welding)، التشكيل بالطرق (forging)، والدرفلة (rolling). هذه السهولة في التصنيع تجعلها مفضلة في العديد من التطبيقات الصناعية.

3. موصلية حرارية وكهربائية جيدة:
   تتميز هذه المعادن بقدرتها العالية على توصيل الحرارة والكهرباء، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في التطبيقات الكهربائية والإلكترونية.

4. لون جذاب وكثافة منخفضة:
   تمتاز بعض المعادن غير الحديدية بألوان جذابة وكثافة منخفضة، مما يجعلها مفضلة في التطبيقات التي تتطلب خفة الوزن ومظهرًا جماليًا مثل الصناعات الجوية والسيارات.

أمثلة على المعادن غير الحديدية واستخداماتها:

• النحاس: يستخدم في الأسلاك الكهربائية والأنابيب بسبب موصليته العالية.
• الألومنيوم: يستخدم في صناعة الطائرات والسيارات بفضل خفته ومقاومته للتآكل.
• القصدير: يستخدم في الطلاء واللحام.
• الرصاص: يستخدم في البطاريات ومواد الحماية من الإشعاع.
• الزنك: يستخدم في الطلاء للحماية من التآكل.
• النيكل: يستخدم في الطلاء وفي صناعة السبائك ذات المقاومة العالية للتآكل.

تأثير العناصر السبائكية المختلفة:

1. الأنتيمون:

   • يوجد بكميات ضئيلة في الألومنيوم التجاري (0.01 إلى 0.1 جزء في المليون).
   • يُضاف إلى سبائك الألومنيوم-مغنيسيوم لتحسين مقاومة التآكل في المياه المالحة عبر تكوين طبقة حماية.
   • يُستخدم بدلاً من البزموت لتقليل التشقق الحراري في سبائك الألومنيوم-مغنيسيوم.                                                                        
     
     
     

2. الزرنيخ:

   • الزرنيخ سام جداً ويجب التحكم في نسبته عند استخدام الألومنيوم في تغليف الأغذية.

3. البيريليوم:

   • يُضاف إلى سبائك الألومنيوم-مغنيسيوم لتقليل الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة.
   • يُستخدم في حمامات الألومنيوم لتحسين التصاق طبقة الألومنيوم.
   • يقلل من الأكسدة وتغير اللون في المنتجات المشكلة من الألومنيوم-مغنيسيوم.
   • يجب التحكم في نسبته في السبائك التي قد تتعرض للحام.

4. البزموت:

   • يُضاف لجعل السبائك قابلة للتشغيل بسهولة.
   • يُفضل على الرصاص لأنه يعوض الانكماش أثناء التصلب.
   • يُضاف إلى سبائك الألومنيوم-مغنيسيوم لمواجهة تأثير الصوديوم الضار.

5. البورون:

   • يُستخدم كمُحسن للحبيبات ويعزز من التوصيل الكهربائي.
   • يُستخدم بكميات قليلة (0.005 إلى 0.1%) لتحسين التركيب البلوري.

6. الكادميوم:

   • يُضاف بكميات صغيرة إلى سبائك الألومنيوم-النحاس لتسريع تقسية العُمر وزيادة المقاومة للتآكل.
   • له تأثير على تحسين قابلية التشغيل عند إضافته بنسب صغيرة.

7. الكالسيوم:

   • يُستخدم في السبائك التي تحتوي على نسبة عالية من الحديد لتحسين الخصائص الفائقة الليونة.
   • يمكن أن يقلل من تقسية العُمر في سبائك الألومنيوم-مغنيسيوم-سيليكون.
   • يرفع قليلاً من قابلية التوصيل في الألومنيوم التجاري.

8. الكربون:

   • يوجد نادراً في الألومنيوم ويمكن أن يسبب تآكل السطح في وجود الماء.

9. السيريوم:

   • يُستخدم في السبائك الصب لتحسين السيولة وتقليل التصاق القوالب.
   • يُضاف لتحسين خصائص المسحوق المعدني عالي الصلابة.

10. الكروم:

    • يُستخدم في العديد من سبائك الألومنيوم للتحكم في بنية الحبوب ومنع نموها.
    • يعزز من مقاومة التشقق الناتج عن التآكل ويزيد من القوة في السبائك المعالجة حرارياً.

11. الكوبالت:

    • يُستخدم في بعض سبائك الألومنيوم-السيليكون لزيادة القوة والمرونة.
    • يُضاف بكميات صغيرة في سبائك الألومنيوم-الزنك-المغنيسيوم-النحاس لتحسين مقاومة التشقق.

12. النحاس:

    • يُضاف لتحسين الصلابة والقوة عبر التقسية الحرارية.
    • يُستخدم مع المغنيسيوم لزيادة القوة بعد التقسية الحرارية مع الاحتفاظ بمرونة عالية.

13. النحاس-المغنيسيوم مع عناصر أخرى(تأثير الحديد)::

    • تُستخدم هذه السبائك في التطبيقات التي تتطلب قوة عالية وثباتية في الأبعاد.
    • في سبائك الألومنيوم-النحاس-المغنيسيوم التي تحتوي على الحديد، الحديد يُساهم في تحسين الاستقرار الأبعاد والخصائص الحاملة، وأيضاً في زيادة الصلابة والقوة في درجات الحرارة المرتفعة.
    • ومع ذلك، في سبائك الألومنيوم-النحاس-المغنيسيوم المشغولة (Wrought)، وجود الحديد بنسبة منخفضة (0.5%) يمكن أن يقلل من خصائص الشد إذا كان محتوى السيليكون أقل من المستوى المطلوب لربط الحديد على شكل مركب αFeSi. في هذه الحالة، الحديد قد يُضعف الخصائص الميكانيكية في حالة المعالجة الحرارية إذا لم يتم التحكم في نسب السيليكون بشكل مناسب.

ملخص:

تأثير العناصر السبائكية والشوائب في الألومنيوم معقد ويعتمد على العديد من العوامل مثل التركيب الكيميائي والمعالجة الحرارية. العناصر مثل النحاس، المغنيسيوم، والسيليكون يمكن أن تعزز بشكل كبير من قوة وصلابة الألومنيوم، بينما بعض الشوائب مثل الحديد إذا لم يتم التحكم فيها بدقة قد تؤدي إلى تدهور الخصائص الميكانيكية. 

التحكم في تركيب السبيكة والعناصر المضافة يعتبر أمراً حيوياً في صناعة سبائك الألومنيوم لتحقيق الخواص المطلوبة في التطبيقات المختلفة.

كل عنصر يُضاف إلى الألومنيوم يؤثر على خواصه بطرق مختلفة. بعض العناصر تعزز القوة والمتانة، في حين أن البعض الآخر يحسن من مقاومة التآكل أو يسهل عمليات التشغيل. فهم تأثير كل عنصر على الألومنيوم ضروري لتصميم سبائك ذات خواص معينة تتناسب مع التطبيقات المختلفة.