سبائك المغنسيوم
 وليد خليفةساهم بشكل رئيسي في تحرير هذا المقال
|
سبائك المغنسيوم
استخدم المغنسيوم وسبائكه على نطاق واسع في استخدامات إنشائية وذلك لخواصها المتميزة التى تجمع بين مقاومة شد من 160 إلى 365 مليون بسكال، و معامل مرونة 45 بليون بسكال، و كثافة منخفضة 1,74 جم/سم3، وهي أدنى كثافة بين الفلزات الإنشائية. و من ثم تمتاز سبائك المغنسيوم بقيم عالية لنسبة المقاومة إلى الكثافة (أي المقاومة/ الكثافة)، مقارنة بالفلزات الإنشائية الاخرى، مما يجعلها أكثر ملائمة لتطبيقات المركبات والسيارات والمعدات المتحركة. بالإضافة لما سبق يتميز المغنسيوم بمضاءلة عالية أى القدرة على امتصاص وتوهين الاهتزازات.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
استخدامات المغنسيوم و سبائكه
وصل إنتاج المغنسيوم في الدول الغربية عام 1418 هـ (1997 م) إلى 333700 طن. و وجدت هذه الكميات استخدامات مختلفة إنشائية وغير إنشائية. يمكن إجمالها كما يلى:
- 44 % عنصر سبيكى للألومنيوم
- 28.5 % مسبوكات إسطمبات بالضغط
- 14 % زَكْبَتَة (إزالة الكبريت) الصُلب
- 4 % تكوير الجرافيت في سباكة الزهر المطيل
- 2.5 % تطبيقات كهركيميائية
- 2 % صناعات كيميائية
- 1.5 % اختزال الفلزات
- 1 % منتجات مطاوعة (مُشَكَّلَة تشكيلاً لدناً)
- 0.5 % مسبوكات إسطمبات بالجاذبية
- 2 % تطبيقات أخرى
ومن الاستخدامات الإنشائية يستخدم حوالى 29 % من إجمالى المغنسيوم المنتج لصنع مسبوكات إسطمبات، أغلبها يصنع بسباكة إسطمبات الضغط. و تشمل هذه تطبيقات عديدة في صناعة السيارات و المعدات الصناعية و صناعة الطيران و الفضاء. من التطبيقات الشائعة في مكونات السيارات لوحة الأدوات (التابلوه الأمامى) وكمرات التدعيم في هيكل السيارة و سنَّادة دواسة المكبح و القابض (الدوبرياج) و مُدَرَّأَة (نافذة مُسَيَّجَة) مَأْخَذ الهواء.
وتشمل استخدامات المغنسيوم غير الإنشائية الآتى:
- عنصر سبيكى هام في تَأْشِيب (تسبيك: أى عمل السبيكة أو الأُشَابَة) سبائك الألومنيوم وتصل الكمية المستخدمة لهذا الغرض حوالى 44 % من إجمالى إنتاج المغنسيوم، و هى تمثل كما هو واضح الاستخدام الرئيسى للمغنسيوم. تدخل هذه الإضافات السبيكية في عمل سبائك الالومنيوم المطاوعة و المصبوبة، تصل نسبته في الأولى و الثانية إلى 5 و 10 % من وزن السبيكة على الترتيب و له تأثير مُحَسِّن لمقاومة و قابلية التشكيل و مقاومة التآكل، و يجعل كذلك السبائك قابلة للمعالجة الحرارية.
- مادة كاسحة للأكسجين و مُزَكْبِتة (مزيلة للكبريت) في صناعة النيكل و النحاس.
- مُزَكْبِت (مزيل للكبريت) في صناعة الحديد و الصلب.
- عامل مختزل في إنتاج التيتانيوم و الزركونيوم و البريليوم و الهافنيوم و اليورانيوم.
- عامل مساعد في تفاعل ﮔرنارد (Grignard) في الكيمياء العضوية.
- قطب مضحى في الحماية الكاثودية لبعض الفلزات من التآكل.
- صناعة الخلايا الجافة وبطاريات الخلايا الاحتياطية.
- أضافة للمغرفة قبل الصب مباشرة في مسابك الحديد الزهر لتكوير جسيمات الگرافيت لتحسين متانة و مطيلية الزهر المطيل.
- في الحفر الضوئى (حفر الكليشيهات) و ذلك لسهولة حفره و خفة وزنه.
رموز السبائك
لا يوجد نظام دولى موحد لترميز سبائك المغنسيوم إلا أنه يوجد إتجاه لتبنى طريقة التسمية التى تستخدمها الجمعية الأمريكية للاختبارات والمواد. تعتمد هذه التسمية على اسم من ثلاثة مقاطع؛
- الأول يتكون من حروف ويشير إلى العنصرين السبيكيين الرئيسيين مرتبين تنازلياً بحسب الكمية المضافة. الرموز المستخدمة وتأثير العناصر موضحة في الجدول الآتى.
- الثانى يتكون من النسب المئوية لأوزان العنصرين السبيكيين مقربة لأقرب رقم صحيح و مرتبة بنفس ترتيب العنصرين.
- الثالث رمز مخصص لتمييز السبائك المشتركة في الرمز الاسمى عن بعضها، ويبدأ من الرمز A ثم B و هكذا. الرمز X يدل على أن السبيكة ما زالت سبيكة تجريبية.
فمثلاً السبيكة AZ61A هى سبيكة مغنسيوم تحتوى على 6 % ألومنيوم و 1 % خارصين، وهي أول سبيكة مسجلة في هذا التركيب الاسمي.
رموز العناصر السبيكية المستخدمة في ترميز سبائك المغنسيوم و تأثيراتها
| الرمز | العنصر | تأثيره |
|---|---|---|
| A | ألومنيوم | له أفضل تأثير على سبائك المغنسيوم مقارنة بالعناصر الأخرى، يحسن المقاومة و الصلادة
يوسع مدى التجمد ويحسن قابلية الصب، يجعل السبائك قابلة للمعالجة الحرارية عند وجودة بنسب أعلى من 6 %، النسبة 6 % تضمن توليفة مثالية من المقاومة والمطيلية. |
| C | نحاس | يضر بقاومة سبائك المغنسيوم للتآكل عند و جوده بنسب أكبر من 0,05 %، إلا أنه يحسن من المقاومة في درجة الحرارة العالية. |
| E | فلزات أرضية نادرة | تضاف إما في شكل سبيكة السيريوم النادرة (50 % سيريوم و الباقى لنثانيوم و نيوديوم) أو سبيكة الديديميوم النادرة (85 % نيوديوم و الباقى براسيوديميم) و كلاهما سبائك طبيعية تنتج عن الاستخلاص و لا يمكن فصل مكوناتها بسهولة و لا يُحتاج لذلك. ترفع هذه الإضافات من مقاومة سبائك المغنسيوم في درجة الحرارة المرتفعة، وتقلل من تشرخ اللحامات والمسامية عند السباكة. |
| K | زركونيوم | له تأثير قوى مُنَعِّم للحبيبات و ذلك لتكوينه لمراكز تنوية متغايره لحبيبات المغنسيوم مبكراً أثناء التجمد. يعمل جيداً في سبائك المغنسيوم المحتوية على الخارصين و الفلزات النادرة و الثوريوم، و لكن تأثيره في تنعيم الحبيبات يضعف في السبائك المحتوية على ألومنيوم أو منجنيز لأنه يتفاعل معها مكوناً مركبات بين-فلزية مما يؤدى إلى استهلاكه فلا يقوم بتنعيم الحبيبات. |
| H | ثوريوم | يرفع من مقاومة الزحف (الانسلال) في درجة الحرارة تصل إلى 370 ْم. يستخدم منه ما بين 2 و 3 % بالإضافة لعناصر أخرى مثل الخارصين و الزركونيوم. يحسن قابلية اللحام (اللحامية) للسبائك المحتوية على خارصين. |
| L | ليثيوم | له ذوبانية كبيرة في الحالة الجامدة تصل إلى 5,5 % ونظراً لخفة وزنه فهو عنصر سبيكى مرغوب فيه جداً. تكفى نسبة 11 % منه لتكوين و تثبيت الطور بيتا (β) ذو البنية المكعبية المتمركزة الجسم خلافاً للبنية السداسية كثيفة الرص الأولية مما يؤدى إلى تحسين قابلية التشكيل للمنتجات المطاوعة. تخفض إضافته المقاومة و ترفع المطيلية. تطبيقات سبائك المغنسيوم-ليثيوم الثنائية محدودة. |
| M | منجنيز | ليس له تأثير كبير على مقاومة الشد و لكنه يرفع من مقاومة الخضوع، و أهم وظائفة هو تحسين مقاومة سبائك المغنسيوم-ألومنيوم و المغنسيوم-ألومنيوم-خارصين لللماء المالح، و ذلك بتنحية العناصر الضارة مثل الحديد و العناصر الثقيلة الأخرى من خلال تكوين مركبات بين-فلزية غير ضارة، يمكن أيضاً فصلها أثناء الصهر. لا تتجاوز إضافته 1,5 % في كافة الأحوال. |
| Q | فضة | تحسن الخواص الميكانيكية بزيادة الاستجابة للتقسية بالتعتيق. |
| S | سيليكون | يزيد من السيولة و يخفض من مقاومة التآكل عند وجود حديد في السبيكة. |
| W | إتريوم | له ذوبانية عالية في الحالة الجامدة (12,4 %)، يضاف مع الفلزات النادرة لتحسين مقاومة الزحف (الانسلال) حتى درجة حرارة 300 ْم. |
| Z | خارصين | يلى الألومنيوم في فاعليته كعنصر سبيكى و يستخدم مع الألومنيوم لتحسين المقاومة في درجة الحرارة العادية و لكنه يفاقم من تكوين الشروخ أثناء التجمد عند إضافته بنسبة أكبر من 1 % للسبائك المحتوية على 7 – 10 % ألومنيوم. يستخدم مع عناصر أخرى مثل الزركونيوم والفلزات النادرة لإنتاج سبائك مغنسيوم قابلة للتقسية بالترسيب (تقسية بالتعتيق). ويساعد في مقاومة التأثير الضار على مقاومة التآكل الذى تحدثه شوائب الحديد والنيكل. |
رموز المعالجات
تستخدم الجمعية الأمريكية للاختبارات و المواد نظام لرموز المعالجات يتكون من حرف و رقم واحد أو أكثر و يُفصَل رمز المعالجة عن رمز السبيكة بشرطة و يستخدم هذا النظام لسبائك عديدة مثل الألومنيوم و المغنسيوم. الرموز المستخدمة هى:
التقسيمات العامة
- F على حالة التصنيع
- O مُخَمَّرَة و مُعَادَة التبلور (للسبائك المطاوعة فقط)
- H مُصَلَّدَة بالانفعال (بالتشكيل)
- T معالجة حرارياً للحصول على حالة مستقرة تختلف عن الحالات F و O و H
- W معالجة إذابة حرارية
التقسيمات الفرعية للمعالجة H
- H1، يزيد عليها رقم أو أكثر، مُصَلَّدَة بالانفعال فقط
- H2، يزيد عليها رقم أو أكثر، مُصَلَّدَة بالانفعال ثم مُخَمَّرَة جزئياً
- H3، يزيد عليها رقم أو أكثر، مُصَلَّدَة بالانفعال ثم مُقَرَّة (جُعِلت مستقرة بالتخمير الكُلِّى)
التقسيمات الفرعية للمعالجة T
- T1، مُبَرَّدَة و مُعَتَّقَة تعتيقاً طبيعياً
- T2، مُخَمَّرَة (للمنتجات المسبوكة فقط)
- T3، معالجة بالإذابة الحرارية ثم مشكلة علة البارد
- T4، معالجة بالإذابة الحرارية
- T5، مُبَرَّدَة ثم مُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً
- T6، معالجة بالإذابة الحرارية و مُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً
- T7، مُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً و مُقَرَّة
- T8، معالجة بالإذابة الحرارية و مُشَكَّلَة على البارد و مُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً
- T9، معالجة بالإذابة الحرارية و مُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً و مُشَكَّلَة على البارد
- T10، مُبَرَّدَة و مُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً و مُشَكَّلَة على البارد
منتجات المغنسيوم
المُنْتَج الرئيسى للمغنسيوم هو مسبوكات إسطمبات الضغط، إلا أنه يُسبَك كذلك بالسباكة الرملية و القوالب الدائمة و السباكة الدقيقة و السباكة نصف الجامدة. أما السبائك المطاوعة فتشمل مطروقات و مبثوقات و ألواح و صفائح.
يَنْدُر استخدام المغنسيوم بدون تَأْشِيبُه (تَسْبِيكُه) بفلزات أخرى. السائد في سبائك المغنسيوم الحالية هو تأشيبها بالألومنيوم و المنجنيز و الخارصين و الزركونيوم و الفلزات الأرضية النادرة و الفضة. مجموعات السبائك المستخدمة تجارياً في الوقت الحالى هى:
- مغنسيوم-منجنيز
- مغنسيوم-ألومنيوم-منجنيز
- مغنسيوم-ألومنيوم-خارصين-منجنيز
- مغنسيوم-زركونيوم
- مغنسيوم-خارصين-زركونيوم
- مغنسيوم-فلزات أرضية نادرة-زركونيوم
- مغنسيوم-فضة-فلزات أرضية نادرة-زركونيوم
- مغنسيوم-إتريوم-فلزات أرضية نادرة-زركونيوم
استخدم الثوريوم من قبل في سبائك المغنسيوم و خاصة في صناعة الصورايخ و الفضاء إلا أنه توقف لإعتبارات بيئية. يمكن كذلك تقسيم سبائك المغنسيوم إلى سبائك محتوية على ألومنيوم و أخرى غير محتوية. و يضاف الزركونيوم لتنعيم الحبيبات في السبائك التى لا تحتوى على ألومنيوم و تثتثنى السبائك المحتوية على ألومنيوم لأنه يتفاعل مع الزركونيوم و يكون مركبات بين-فلزية تحد من فاعلية الزركونيوم في تنعيم الحبيبات.
قائمة لبعض سبائك المغنسيوم و تركيبها الكيميائى (% بالوزن) و خواصها الميكانيكية
| السبيكة | ألومنيوم | منجنيز | خارصين | زركونيوم | أخرى | مقاومة الشد مليون بسكال |
مقاومة الخضوع مليون بسكال |
الاستطالة % |
صلادة برينل |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| مسبوكات رملية وقوالب دائمة | |||||||||
| AM100A-T61 | 10 | 0.1 | 275 | 150 | 1 | 69 | |||
| AZ91C | 8.7 | 0.13 | 0.7 | 275 | 145 | 6 | 66 | ||
| EQ21A-T6 | 0.7 | 1,5 فضة و 2.1 ديديميوم | 235 | 195 | 2 | 65 - 85 | |||
| ZE41A-T5 | 4.2 | 0.7 | 1,2 سبيكة سيريوم طبيعية | 205 | 140 | 3,5 | 62 | ||
| مسبوكات إسطمبات | |||||||||
| AM20-F | 2.1 | 0.1 | 210 | 90 | 20 | 45 | |||
| AS21-F | 2.2 | 0.1 | 1 سيليكون | 220 | 120 | 13 | 55 | ||
| مطروقات | |||||||||
| AZ61B-F | 6 | 0.2 | 1 | 260 | 170 | 15 | 50 | ||
| ZK31-T5 | 3 | 0.6 | 290 | 210 | 7 | -- | |||
| مبثوقات | |||||||||
| AZ10-F | 1.2 | 0.2 | 0.4 | 240 | 145 | 10 | -- | ||
| M1A-F | 1.2 | 255 | 180 | 12 | 44 | ||||
| ألواح وصفائح | |||||||||
| AZ31B-H24 | 3 | 0.2 | 1 | 290 | 220 | 15 | 73 |
انظر أيضاً
المصادر
- J.R. Davis (Editor), “Alloying: Understanding the Basics”, ASM International, 2003.
- W. Smith, "Engineering Alloys: Properties and Applications", 2nd edition, McGraw Hill, New York, 1993