سبيكة

  ميّز عن صبة.

يعتبر الصلب سبيكة فلزية من عنصرين رئيسيين هما الحديد مع الكربون.

السَبيكة أو الأشابة (أو الخليطة) هي اتحاد كلي أو جزيء بين عنصرين كيميائيين أو أكثر مع بعضهما البعض على أن يكون أحدهما فلزا. وتكون السبائك مادة ذات خواص فلزية مختلفة عن العناصر المكونة لها.

السبائك المعدنية

صناعة المعادن

ملائمة المواد المعدنية لاستخدامها في تطبيق معين يتوقف على شكل المنتج المطلوب والتكلفة المطلوبة.ان فنيات صناعة المعادن هي طرق بان المعادن والسبائك يتم صناعتها أو تشكيلها لتحويلها إلى منتجات مفيدة.هذه المعادن سبق أن تم لها عمليات تنقية ومعالجة حرارية حتى يتم إنتاج السبائك بالخصائص المرغوب فيها.تصنيفات الصناعة تشمل أنواع مختلفة من طرق تشكيل المعادن مثل:السباكة واللحام والتشغيل.غالباً واحدة منهم أو أكثر يتم استخدامها قبل عملية التشطيب للشغلة.الطرق المستخدمة تعتمد على عدة عوامل؛الأكثر أهمية هو خصائص المعدن والحجم والشكل للمنتج النهائي وبالطبع التكلفة. وذلك أنواع الصناعة للمعادن:

عمليات التشكيل	السباكة
البثق	الرملية
السحب	اسطامبة
الحدادة	المستمرة
الدرفلة	البلاستيكية

وتنقسم السبائك المعدنية إلى سبائك تحتوي على نسبة حديد وسبائك لا تحتوي على حديد. أولا:السبائك التي لا تحتوي على حديد:الحديد والسبائك الأخرى التي تحتوي على حديد يتم استهلاكها إلى حد كبير جداً لأن لها نطاق واسع من الخصائص الميكانيكية.ربما تصنع لشيء معين وتكون اقتصادية في إنتاجها.ولكن لها حدود معينة خصوصاً في:1-الكثافة العالية نسبياً,2-بالمفارنة درجة توصيلها للكهرباء منخفضة,3-قابليتها للتاكل في بعض الييئات.وذلك كثير من التطبيقات من المتميز أو من الضروري استخدام سبائك أخرى لها خصائص ملائمة مركبة.نظام السبائك يتم تصنيفهم على حسب المعدن الرئيسي أو على بعض الخصائص المحددة حيث مجموعة من السبائك تشترك فيها.وهذه بعض المعادن الغير حديدية مثل:الألمنيوم والنحاس وتيتانيوم والماغنسيوم وسبائكهم.

الألومنيوم وسبائكه

الألومنيوم وسبائكه يتسمون نسبياً بالكثافة المنخفضة(2.7 جم/سم^3 مقارنة بالحديد7.9 جم/سم^3)ودرجة توصيله للكهرباء والحرارة عالية ومقاوم للتاكل في بعض البيئات، تشمل الجو المحيط.الكثير من هذه السبائك سهل تشكيلهم بسبب مرونتهم وهذا يحدث بدليل ورق الألومنيو الرفيع ودرفلة الألومنيوم النقي وحيث أن الألومنيوم له(fcc structure)تكون مرونته عند درجات الحرارة المنخفضة.أول حدود المقيدة للألومنيوم أن درجة انصهاره منخفضة(660 درجة سيليزيوس(1220 درجة فهرنهايت)) هي التي تحدد أقصى درجة حرارة للالومنيوم ممكن أن يستخدم فيها.من الممكن تحسين خواص الألومنيوم الميكانيكية بواسطة التشغيل البارد أو خلطه مع عناصر أخرى.كلا من العمليتين تهدف إلى تقليل عملية التآكل.و هؤلاء هم العناصر الهامة التي تدخل مع الألومنيوم في سبائك وتشمل(النحاس والماغنسيوم والسليكون والزنك).السبائك الغير قابلة لدرجة الحرارة تتكون من طور واحد، لزيادة صلابة الألومنيوم تتم بواسطة الأحلال المقوي للمعدن الخام.المعادن الأخرى يتقدمون في المعالجة الحرارية(فادرون على تسريع التصلب)كنتيجة للسبيكة.العديد من هذه السبائك يتصلبوا سريعاً بسبب سرعة العنصرين الآخرين غير الالومنيوم لتكوين سبيكة مركبة(MgZn2).عاماً سبائك الألومنيوم يتم تصنيفهم اما صب أو مطاوع.تركيب كلا من النوعين يتم تصميمهم على حسب اربع خانات للأرقام التي تشير إلى كمية الشوائب، وفي بعض الحالات ,مستوى النقاء.للسبائك المصبوبة، العلامة العشرية تقع بين آخر خانتين.بعد وصلة هذة الخانات والتصنيف الرئيسي لهم-الحرف والخانات من واحد إلى ثلاثة التي تشير إلى المعاجة الحرارية والخواص الميكانيكية وهذا ما يتم عليه اختيار السبيكة.لنعطي مثلاً(F,H andO)dufv)يعبرون بالترتيب عن كيف صنعت والتصلد الأنفعالي والتصلب.T3 تعني بأن السبيكة تم معالجتها حرارياً وتشغيلها على البارد.تركيب وخصائص وتطبيقات أنواع السبائك المطاوعة والمصبوبة موجودة في هذا الجدول.

تصنيف سبيكة الالومنيوم	UNSرقم	نسبة تركيب	حالة المعالجة الحرارية	مقاومة الشد(MPa)	اجهاد الخضوع(MPa)	نسبة الاستطالة في50mm	التطبيقات
1100	A91100	نحاس Cu 0.12	لدنة	90	35	35-45	أجهزة تبادل حراري وعاكس الضوء
3003	A93003	نحاسCU 0.12 وزنكZu0.1 ومنجنيزMn 1.2	لدنة	110	40	30-40	اوعية الضغط ومواسير
5052	A95052	ماغنسيومMg2.5 وكروم0.25	تصلب انفعاليH32	ر230	195	12-18	خطوط البترول ونانكات الوقود
2024	A92024	نحاس4.4 وماغنسيوم1.5 ومنجنيز0.6	معالجة حرارية(T4)	ر470	325	20	وصلة البرشام وبناء الطائرات ومنتجات ماكينة القلاوظ
6061	A96061	ماغنسيومMg1.0 وسليكونSi0.6 ونحاسCu0.30 وكروم0.23	معالجة حرارية(T4)	ر240	145	22-25	اثاث والشاحنات
7057	A97075	نحاس1.6 وزنك5.6 وماغنسيومMg2.5 وكرومCr0.23	معالجة حرارية(T6)	ر570	505	11	الطائرات ومنتجات تحمل الأجهاد العالي
295.0	A02950	نحاس4.5 وسيليكون1.1	معالجة حرارية(T4)	ر221	110	8.5	الأتوبيس وعمود الكرانك
356.0	A03560	ماغنسيوم0.3 وسيليكون7.0	معالجة حرارية(T6)	ر228	164	3.5	الطائرات
2090	-	نحاس2.7 وماغنسيوم0.25 وليثيوم2.25 وزرنيخ0.12	معالجة حرارية(T83)على البارد	ر455	455	5	الطائرات
8090	-	نحاس1.3 وماغنسيوم0.95 وليثيوم2.0 وزرنيخ0.1	معالجة حرارية(T651)على البارد	ر360	360	-	الطائرات

Adapted from ASM Handbook,Vol.2,Properties and Selection:Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials,1990.Reprinted by premission of ASM International, Materials Park,OH 44073-0002.

بعض من التطبيقات الأكثر شهرة لسبائك الألومنيوم تشمل هياكل الأتوبيسات وأجزاء بناء الطائرات والمعلبات وأجزاء السيارات(المكابس وهيكل الماتور والأنابيب المتفرعة). العالم الصناعي يتجه حالياً إلى سبائك الألومنيوم والمعادن التي كثافتها منخفضة(مثل:التيتانيوم والماغنسيوم)تكون مواد هندسية لوسائل المواصلات لأنها تقدر على تقليل استهلاك الوقود.الخصائص المهمة لهذة المواد هي قوتها والتي تتضح بواسطة خاصية مقاومة الشد والثقل النسبي.بالرغم من ذلك ممكن واحدة من هذة المعادن لديه مقاومة شد رديئة مقاؤنة الصلب؛وعلى حسب قوانين الوزن يكون الطلب أكبر تحمل للحمل الذي عليه. الجيل الجديد لسبائك الألومنيوم-اليثيوم تم تطويرها حالياً ليتم استخدمها في صناعة الطائرات وسفن الفضاء.هذه المواد لديها نسبياً كثافة منخفضة (ما بين 2.5 إلى 2.6 جم/سم^3),لديها معاملات رجوعية عالية(معامل المرونة والثقل النوعي نسبة)و مقاومة لتحمل الأجهادات المتكررة وخاصية الجساءة عند درجات الحرارة المنخفضة.إضافة إلى ان بعض من هذه فابلة للمعالجة.لكن هذه المواد تكون مكلفة في صناعتها مقارنة بسبائك الألومنيوم التقليدية لأن بعض التقنيات الفنية الخاصة بعملية الصناعة تحتاج إلى تفاعل اليثيوم كيميائياً.

الألومنيوم الخام

1. تحتوي القشرة الأرضية على 8.07% من الألومنيوم.
2. الألومنيوم يعتبر من خام البوكسيت(AL2O3)و ذلك نتيجة شدة تفاعله مع الأكسجين.
3. العملية الكهربائية ل(Hall-Heroult)تم تطويرها في أواخر القرن التاسع عشر لاستخراج الألومنيوم من خام البوكسايت.
4. تجارياً يكون الألومنيوم النقي أقل من 1% نسبة شوائب.
5. قوته العالية إلى الوزن النسبي لبعض سبائك الألومنيوم تجعله العمود الفقري لصناعة مركبات الفضاء من سبعين سنة.

لمحة تاريخية

البشر أعتادو على استخدام الألومنيوم لألاف السنين.

• الاستخدامات كانت في وقت مبكر نتيجة التجارب الطبيعية لمركبات الألومنيوم.
• عام 5000 سنة قبل الميلاد صنعوا الفرس الأواني من الطين التي تحتوي على الومنيوم اوكسيد.
• أستخدم قدماء المصريين مركبات الألومنيوم في مستحضرات تجميل والأدوية والأصباغ.

أستخراج الألومنيوم

1. عملية(bayer brocess)لتنقيح الألومنيوم من البوكسايت.
2. البوكسيت يكون من 30-55% ألومينا.
3. يتم تكرير الألومينا من البوكسايت عن طريق (bayer process).
4. يذوب البوكسيت في التوصل إلى حل تحويل الألومينا إلى هيدروكسيد الألومنيوم.
5. بعد تبريد هيدروكسيد الألومنيوم تتم ازالة الرواسب وإعادة تسخينها لترك الألومينا النقي.

العملية الكهربائية ل(Hall-heroult)

Charles Martin Hall هو من قدر على اختراق هذا.في عام1886 مرر هول تيار كهربائي من خلال بوتقة كربون مليئة بحمام من الكريوليت تحتوي على ألومينا. وبعد أن تجمدت الكتلة فام بدقها وفتحها ليرى الألومنيوم بداخلها.و بذلك تم اكتشاف هذة الطريق الكهربائية لاستخراج الألومنيوم.

انتاج الألومنيوم

طريق هول تستخدم اليوم لإنتاج الألومنيوم.تخفيض كهربائيا يحمل إلى حمام من فلور في درجة حرارة 950 درجة مئوية تحت التيار الكهربائي العالي.هذا يحدث في "أواني" حيث كاثودات الكربون بمثابة القطب السالب.و الآنود يتم استهلاكة في العملية عندما يتم تفاعل الألومنيوم مع الأكسجين. مثال لإنتاج الألومنيوم:4 طن بوكسايت يعطي 2 طن ألومينا يعطي 1 طن ألومنيوم.

تطبيقات الألومنيوم

عالمياً يمثل الألومنيوم 7.8% من إنتاج السيارات موديل 2009 التي تمثل 1448 كيلو جرام.يزداد الألومنيوم في السيارات ما بين 2 إلى 2.5 كيلو جرام سنوياً ويتوقع الخبراء ان كمية الألومنيوم قد تصل إلى 137 كيلو جرام في السيارة بحلول عام 2020.أمريكا الشمالية هي في استخدام الألومنيوم في السيارات والشاحنات الخفيفة والعربات التي تحتوي على 10% ألومنيوم.شركتا هوندا وبي إم دبليو هما الأكثر استخداماً للألومنيوم حيث يستخدمون نحو 154 كيلو جرام في العربة.

سبيكة ألومنيوم-سكانديوم

أجزاء من ميغ-29 الروسية مصنوعة من سبيكة ألومنيوم سكانديوم

بإضافة سكانديوم إلى الألومنيوم يخلق Al3Sc النانو الرواسب التي تحد من نمو الحبوب المفرط الذي يحدث في المنطقة المتضررة من حرارة مكونات الألمنيوم الملحوم. هذا واثنين من آثار مفيدة: لAl3Sc عجلت تشكل بلورات أصغر من يتم تشكيلها في سبائك الالومنيوم أخرى ويتم خفض عرض راسب المناطق الخالية التي توجد عادة في حدود الحبوب من سبائك الألومنيوم في العمر hardenenable ] الإسكنديوم. هو أيضا تكرير الحبوب فعالة في سبائك الألمنيوم، والذرة للذرة، ومقوي أقوى في الألومنيوم، على حد سواء نتيجة لتكرير الحبوب وتعزيز التساقط. ومع ذلك، سبائك التيتانيوم، التي هي أقوى ولكن أثقل، وأرخص وأكثر من ذلك بكثير يستخدم على نطاق واسع. التطبيق الرئيسي للسكانديوم المعدنية بالوزن هو في الألومنيوم سكانديوم سبائك قاصر على مكونات صناعة الطيران. هذه السبائك تحتوي على ما بين 0.1٪ و 0.5٪ (بالوزن) من سكانديوم. كانت تستخدم في الطائرات العسكرية الروسية ميج 21 وميج-29. وقد بذلت بعض البنود من المعدات الرياضية، والتي تعتمد على المواد عالية الأداء، مع سكانديوم-خلائطه، بما في ذلك مضارب البيسبول، العصي لاكروس، فضلا عن دراجة الأطر والمكونات، وأعمدة خيمة. الولايات المتحدة gunmaker سميث اند ويسون وتنتج المسدسات مع إطارات تتألف من سبيكة سكانديوم واسطوانات من التيتانيوم.

انظر أيضا

• قائمة السبائك الفلزية واللافلزية

وصلات خارجية

• Surface Alloys

المراجع

1. http://www.alcoa.com
2. I. J. Polmear, Light Alloys, Arnold, 1995
3. SAE aluminium specifications list, accessed Oct 8, 2006. Also SAE Aerospace Council, accessed Oct 8, 2006
4. R.E. Sanders, Technology Innovation in aluminium Products, The Journal of The Minerals, 53(2):21–25, 2001. Online ed.
5. "Sheet metal material". Retrieved 2009-07-26.
6. Wagner, PennyJo (Winter 1995). "Aircraft aluminum". Retrieved 2009-04-21.
7. "Aluminum in Aircraft". Retrieved 2009-04-21
8. "Easton Technology Report : Materials / Scandium". EastonBike.com. Retrieved 2009-04-03.