سبائك المغنسيوم
| وليد خليفة |
| ساهم بشكل رئيسي في تحرير هذا الموضوع |
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، ومعامل مرونة 45 بليون بسكال، وكثافة منخفضة 1,74 جم/سم3، وهي أدنى كثافة بين الفلزات الإنشائية. ومن 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 تجاوز يتميز المغنسيوم بمضاءلة عالية أى القدرة على امتصاص وتوهين الاهتزازات.
استخدامات المغنسيوم وسبائكه
وصل إنتاج المغنسيوم في الدول الغربية عام 1418 هـ (1997 م) إلى 333700 طن. ووجدت 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. وتضم هذه تطبيقات عديدة في صناعة السيارات والمعدات الصناعية وصناعة الطيران والفضاء. من التطبيقات الشائعة في مكونات السيارات لوحة الأدوات (التابلوه الأمامى) وكمرات التدعيم في هيكل السيارة وسنَّادة دواسة المكبح والقابض (الدوبرياج) ومُدَرَّأَة (نافذة مُسَيَّجَة) مَأْخَذ الهواء.
وتضم استخدامات المغنسيوم غير الإنشائية الآتى:
- عنصر سبيكى هام في تَأْشِيب (تسبيك: أى عمل السبيكة أوالأُشَابَة) سبائك الألومنيوم وتصل الكمية المستخدمة لهذا الغرض حوالى 44 % من إجمالى إنتاج المغنسيوم، وهى تمثل كما هوواضح الاستخدام الرئيسى للمغنسيوم. تدخل هذه الإضافات السبيكية في عمل سبائك الالومنيوم المطاوعة والمصبوبة، تصل نسبته في الأولى والثانية إلىخمسة و10 % من وزن السبيكة على الترتيب وله تأثير مُحَسِّن لمقاومة وقابلية التشكيل ومقاومة التآكل، و يجعل كذلك السبائك قابلة للمعالجة الحرارية.
- مادة كاسحة للأكسجين ومُزَكْبِتة (مزيلة للكبريت) في صناعة النيكل والنحاس.
- مُزَكْبِت (مزيل للكبريت) في صناعة الحديد والصلب.
- عامل مختزل في إنتاج التيتانيوم والزركونيوم والبريليوم والهافنيوم واليورانيوم.
- 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 ومطيلية الزهر المطيل.
- في الحفر الضوئى (حفر الكليشيهات) وذلك لسهولة حفره وخفة وزنه.
رموز السبائك
لا يوجد نظام دولى موحد لترميز سبائك المغنسيوم إلا أنه يوجد إتجاه لتبنى كيفية 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 مشروحة في الجدول الآتى.
- الثانى يتكون من النسب المئوية لأوزان العنصرين السبيكيين مقربة لأقرب رقم سليم ومرتبة بنفس ترتيب العنصرين.
- الثالث رمز مخصص لتمييز السبائك المشهجرة في الرمز الاسمى عن بعضها، ويبدأ من الرمز A ثم B وهكذا. الرمز X يشير على حتى السبيكة ما زالت سبيكة تجريبية.
فمثلاً السبيكة AZ61A هى سبيكة مغنسيوم تحتوى على 6 % ألومنيوم و1 % خارصين، وهي أول سبيكة مسجلة في هذا الهجريب الاسمي.
رموز العناصر السبيكية المستخدمة في ترميز سبائك المغنسيوم وتأثيراتها
| الرمز | العنصر | تأثيره |
|---|---|---|
| A | ألومنيوم | له أفضل تأثير على سبائك المغنسيوم مقارنة بالعناصر الأخرى، يحسن المقاومة والصلادة
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 وجوده 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 والباقى لنثانيوم ونيوديوم) أوسبيكة الديديميوم النادرة (85 % نيوديوم والباقى براسيوديميم) وكلاهما سبائك طبيعية تنتج عن الاستخلاص ولا يمكن فصل مكوناتها بسهولة ولا يُحتاج لذلك. تحمل هذه الإضافات من مقاومة سبائك المغنسيوم في درجة الحرارة المرتفعة، وتقلل من تشرخ اللحامات والمسامية عند السباكة. |
| K | زركونيوم | له تأثير قوى مُنَعِّم للحبيبات وذلك لتكوينه لمراكز تنوية متغايره لحبيبات المغنسيوم مبكراً أثناء التجمد. يعمل جيداً في سبائك المغنسيوم المحتوية على الخارصين والفلزات النادرة والثوريوم، ولكن تأثيره في تنعيم الحبيبات يضعف في السبائك المحتوية على ألومنيوم أومنجنيز لأنه يتفاعل معها مكوناً مركبات بين-فلزية مما يؤدى إلى استهلاكه فلا يقوم بتنعيم الحبيبات. |
| H | ثوريوم | يحمل من مقاومة الزحف (الانسلال) في درجة الحرارة تصل إلى 370 ْم. يستخدم منه ما بين 2 و3 % بالإضافة لعناصر أخرى مثل الخارصين والزركونيوم. يحسن قابلية اللحام (اللحامية) للسبائك المحتوية على خارصين. |
| L | ليثيوم | له ذوبانية كبيرة في الحالة الجامدة تصل إلى 5,5 % ونظراً لخفة وزنه فهوعنصر سبيكى مرغوب فيه جداً. تكفى نسبة 11 % منه لتكوين وتثبيت الطور بيتا (β) ذوالبنية المكعبية المتمركزة الجسم خلافاً للبنية السداسية كثيفة الرص الأولية مما يؤدى إلى تحسين قابلية التشكيل للمنتجات المطاوعة. تخفض إضافته المقاومة وتحمل المطيلية. تطبيقات سبائك المغنسيوم-ليثيوم الثنائية محدودة. |
| M | منجنيز | ليس له تأثير كبير على مقاومة الشد ولكنه يحمل من مقاومة الخضوع، وأبرز وظائفة هوتحسين مقاومة سبائك المغنسيوم-ألومنيوم والمغنسيوم-ألومنيوم-خارصين لللماء المالح، وذلك بتنحية العناصر الضارة مثل الحديد والعناصر 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 ويخفض 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 ويستخدم مع الألومنيوم لتحسين المقاومة في درجة الحرارة العادية ولكنه يفاقم من تكوين الشروخ أثناء التجمد عند إضافته بنسبة أكبر من 1 % للسبائك المحتوية علىسبعة – 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 والمواد نظام لرموز المعالجات يتكون من حرف ورقم واحد أوأكثر ويُفصَل رمز المعالجة عن رمز السبيكة بشرطة ويستخدم هذا النظام لسبائك عديدة مثل الألومنيوم والمغنسيوم. الرموز المستخدمة هى:
التقسيمات العامة
- F على حالة التصنيع
- O مُخَمَّرَة ومُعَادَة التبلور (للسبائك المطاوعة فقط)
- H مُصَلَّدَة بالانفعال (بالتشكيل)
- T معالجة حرارياً للحصول على حالة مستقرة تختلف عن الحالات F وO وH
- W معالجة إذابة حرارية
التقسيمات الفرعية للمعالجة H
- H1، يزيد عليها رقم أوأكثر، مُصَلَّدَة بالانفعال فقط
- H2، يزيد عليها رقم أوأكثر، مُصَلَّدَة بالانفعال ثم مُخَمَّرَة جزئياً
- H3، يزيد عليها رقم أوأكثر، مُصَلَّدَة بالانفعال ثم مُقَرَّة (جُعِلت مستقرة بالتخمير الكُلِّى)
التقسيمات الفرعية للمعالجة T
- T1، مُبَرَّدَة ومُعَتَّقَة تعتيقاً طبيعياً
- T2، مُخَمَّرَة (للمنتجات المسبوكة فقط)
- T3، معالجة بالإذابة الحرارية ثم معضلة علة البارد
- T4، معالجة بالإذابة الحرارية
- T5، مُبَرَّدَة ثم مُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً
- T6، معالجة بالإذابة الحرارية ومُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً
- T7، مُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً ومُقَرَّة
- T8، معالجة بالإذابة الحرارية ومُشَكَّلَة على البارد ومُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً
- T9، معالجة بالإذابة الحرارية ومُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً ومُشَكَّلَة على البارد
- T10، مُبَرَّدَة ومُعَتَّقَة تعتيقاً اصطناعياً و مُشَكَّلَة على البارد
منتجات المغنسيوم
المُنْتَج الرئيسى للمغنسيوم هومسبوكات إسطمبات الضغط، إلا أنه يُسبَك كذلك بالسباكة الرملية والقوالب الدائمة والسباكة الدقيقة والسباكة نصف الجامدة. أما السبائك المطاوعة فتضم مطروقات ومبثوقات وألواح وصفائح.
يَنْدُر استخدام المغنسيوم بدون تَأْشِيبُه (تَسْبِيكُه) بفلزات أخرى. السائد في سبائك المغنسيوم الحالية هوتأشيبها بالألومنيوم والمنجنيز والخارصين والزركونيوم والفلزات الأرضية النادرة والفضة. 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 وخاصة في صناعة الصورايخ والفضاء إلا أنه توقف لإعتبارات بيئية. يمكن كذلك تقسيم سبائك المغنسيوم إلى سبائك محتوية على ألومنيوم وأخرى غير محتوية. ويضاف الزركونيوم لتنعيم الحبيبات في السبائك التى لا تحتوى على ألومنيوم وتثتثنى السبائك المحتوية على ألومنيوم لأنه يتفاعل مع الزركونيوم وقد يكون مركبات بين-فلزية تحد من فاعلية الزركونيوم في تنعيم الحبيبات.
قائمة لبعض سبائك المغنسيوم وهجريبها الكيميائى (% بالوزن) وخواصها 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 و2.1 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
- مغنسيوم
- قائمة السبائك
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
