עם צמיחתו של האלומיניום בתעשיית ייצור הריתוך, וקבלתו כחלופה מצוינת לפלדה עבור יישומים רבים, ישנן דרישות גוברות מאלו המעורבים בפיתוח פרויקטים של אלומיניום להכיר טוב יותר את קבוצת החומרים הזו. כדי להבין באופן מלא את האלומיניום, מומלץ להתחיל בהיכרות עם מערכת הזיהוי/סיווג האלומיניום, סגסוגות האלומיניום הרבות הזמינות ומאפייניהן.

מערכת טמפרטורת וייעוד סגסוגת האלומיניום- בצפון אמריקה, איגוד האלומיניום בע"מ אחראי על הקצאה ורישום של סגסוגות אלומיניום. נכון לעכשיו, ישנם למעלה מ-400 סוגי אלומיניום יצוק וסגסוגות אלומיניום יצוק ולמעלה מ-200 סגסוגות אלומיניום בצורת יציקות ומטילים הרשומים באיגוד האלומיניום. מגבלות ההרכב הכימי של הסגסוגות עבור כל הסגסוגות הרשומות הללו כלולות בתקנות איגוד האלומיניום.ספר טורקיזתחת הכותרת "כינויי סגסוגות בינלאומיים ומגבלות הרכב כימי עבור אלומיניום יצוק וסגסוגות אלומיניום יצוק" ובתוךספר ורודתחת הכותרת "ייעודים ומגבלות הרכב כימי לסגסוגות אלומיניום בצורת יציקות ומטילים". פרסומים אלה יכולים להיות שימושיים ביותר למהנדס הריתוך בעת פיתוח נהלי ריתוך, וכאשר יש חשיבות לשיקול הכימיה והקשר שלה לרגישות לסדקים.

ניתן לסווג סגסוגות אלומיניום למספר קבוצות בהתבסס על מאפייני החומר הספציפי, כגון יכולתו להגיב לטיפול תרמי ומכני ואלמנט הסגסוגת העיקרי שנוסף לסגסוגת האלומיניום. כאשר ניקח בחשבון את מערכת המספור/זיהוי המשמשת לסגסוגות אלומיניום, ניתן לזהות את המאפיינים הנ"ל. לאלומיניום יצוק ולאלומיניום מעובד מערכות זיהוי שונות. המערכת המעובדת היא מערכת בת 4 ספרות, וליציקות מערכת בת 3 ספרות ומקום עשרוני אחד.

מערכת ייעוד סגסוגות יצוק- ראשית נבחן את מערכת הזיהוי בת 4 הספרות של סגסוגת אלומיניום יצוק. הספרה הראשונה (Xxxx) מציין את יסוד הסגסוגת העיקרי, אשר נוסף לסגסוגת האלומיניום ומשמש לעתים קרובות לתיאור סדרת סגסוגות האלומיניום, כלומר, סדרה 1000, סדרה 2000, סדרה 3000, עד סדרה 8000 (ראה טבלה 1).

הספרה השנייה (xXxx), אם שונה מ-0, מציין שינוי של הסגסוגת הספציפית, והספרות השלישית והרביעית (xxXX) הם מספרים שרירותיים הניתנים לזיהוי סגסוגת ספציפית בסדרה. דוגמה: בסגסוגת 5183, המספר 5 מציין שהיא מסדרת סגסוגת המגנזיום, המספר 1 מציין שהיא ה-1^stשינוי לסגסוגת המקורית 5083, וה-83 מזהה אותה בסדרה 5xxx.

היוצא מן הכלל היחיד למערכת מספור סגסוגות זו הוא סגסוגות האלומיניום מסדרת 1xxx (אלומיניום טהור), ובמקרה זה, שתי הספרות האחרונות מספקות את אחוז האלומיניום המינימלי מעל 99%, כלומר, סגסוגת 13.(50)(99.50% אלומיניום לפחות).

מערכת ייעוד סגסוגות אלומיניום יצוק

טבלה 1

ייעוד סגסוגת יצוקה- מערכת הסימון של סגסוגת יצוקה מבוססת על סימון בן 3 ספרות ועוד מספר עשרוני xxx.x (כלומר 356.0). הספרה הראשונה (Xxx.x) מציין את יסוד הסגסוגת העיקרי, אשר נוסף לסגסוגת האלומיניום (ראה טבלה 2).

מערכת ייעוד סגסוגת אלומיניום יצוקה

טבלה 2

הספרות השנייה והשלישית (xXX.x) הם מספרים שרירותיים הניתנים לזיהוי סגסוגת ספציפית בסדרה. המספר שאחרי הנקודה העשרונית מציין האם הסגסוגת היא יציקה (.0) או מטיל (.1 או .2). קידומת באות גדולה מציינת שינוי בסגסוגת ספציפית.
דוגמה: סגסוגת – A356.0 האות A הגדולה (Axxx.x) מציין שינוי של סגסוגת 356.0. המספר 3 (A3xx.x) מציין שהוא מסדרת סיליקון פלוס נחושת ו/או מגנזיום. 56 אינץ' (Ax56.0) מזהה את הסגסוגת בסדרת 3xx.x, ו-.0 (Axxx.0) מציין שמדובר ביציקה לצורה סופית ולא במטיל.

מערכת ייעוד טמפרטורת האלומיניום -אם ניקח בחשבון את הסדרות השונות של סגסוגות אלומיניום, נראה שיש הבדלים ניכרים במאפייניהן וביישומן הנובעים מכך. הנקודה הראשונה שיש להכיר בה, לאחר הבנת מערכת הזיהוי, היא שישנם שני סוגים שונים לחלוטין של אלומיניום בסדרה שהוזכרה לעיל. אלו הן סגסוגות אלומיניום הניתנות לטיפול בחום (אלה שיכולות לצבור חוזק באמצעות הוספת חום) וסגסוגות אלומיניום שאינן ניתנות לטיפול בחום. הבחנה זו חשובה במיוחד כאשר בוחנים את השפעות ריתוך הקשת על שני סוגי חומרים אלה.

סגסוגות האלומיניום המעובדות מסדרות 1xxx, 3xxx ו-5xxx אינן ניתנות לטיפול בחום וניתנות להתקשות במאמץ בלבד. סגסוגות האלומיניום המעובדות מסדרות 2xxx, 6xxx ו-7xxx ניתנות לטיפול בחום, וסדרת 4xxx מורכבת מסגסוגות הניתנות לטיפול בחום וגם מסגסוגות שאינן ניתנות לטיפול בחום. סגסוגות יצוקות מסדרות 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x ו-7xx.x ניתנות לטיפול בחום. הקשיית במאמץ אינה מיושם בדרך כלל על יציקות.

סגסוגות הניתנות לטיפול בחום רוכשות את התכונות המכניות האופטימליות שלהן באמצעות תהליך של טיפול תרמי, כאשר הטיפולים התרמיים הנפוצים ביותר הם טיפול בחום בתמיסה והזדקנות מלאכותית. טיפול בחום בתמיסה הוא תהליך של חימום הסגסוגת לטמפרטורה גבוהה (בסביבות 990 מעלות פרנהייט) על מנת להכניס את יסודות או תרכובות הסגסוגת לתמיסה. לאחר מכן מתבצעת כיבוי, בדרך כלל במים, ליצירת תמיסה רוויה-על בטמפרטורת החדר. טיפול בחום בתמיסה מלווה בדרך כלל בהזדקנות. הזדקנות היא שקיעת חלק מהיסודות או התרכובות מתמיסה רוויה-על על מנת להניב תכונות רצויות.

סגסוגות שאינן ניתנות לטיפול בחום רוכשות את תכונותיהן המכניות האופטימליות באמצעות הקשחת מאמץ. הקשחת מאמץ היא שיטה להגברת חוזק באמצעות יישום עיבוד קר. T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

ייעודי מזג הבסיסיים

טבלה 3

בנוסף לייעוד המזג הבסיסי, ישנן שתי קטגוריות משנה, האחת מתייחסת לטמפרטורת "H" - הקשחת מעין מאמץ, והשנייה מתייחסת לייעוד המזג "T" - טיפול תרמי.

חלוקות משנה של טמפרטורת H - מוקשח במאמץ

הספרה הראשונה אחרי האות H מציינת פעולה בסיסית:
H1– מוקשח רק לאחר מאמץ.
H2– מוקשח במאמץ ומחושל חלקית.
H3– מוקשח וייצוב בעומס.
H4– מוקשח במאמץ ומצופה בלכה או צבוע.

הספרה השנייה אחרי ה-H מציינת את מידת התקשות העיקול:
HX2– רבע קשיח HX4– חצי קשה HX6שלושה רבעים קשה
HX8– HX קשיח מלא9– קשה במיוחד

חלוקות משנה של טמפרטורת T - טיפול תרמי

T1- יישון טבעי לאחר קירור מתהליך עיצוב בטמפרטורה גבוהה, כגון שיחול.
T2- עיבוד קר לאחר קירור מתהליך עיצוב בטמפרטורה גבוהה ולאחר מכן יישון טבעי.
T3- טיפול בחום בתמיסה, עיבוד קר והתיישן באופן טבעי.
T4- טיפול בחום בתמיסה והתיישן באופן טבעי.
T5- יישון מלאכותי לאחר קירור מתהליך עיצוב בטמפרטורה גבוהה.
T6- טיפול בחום בתמיסה והזדקנות מלאכותית.
T7- טיפול בחום בתמיסה וייצוב (יישון יתר).
T8- טיפול בחום בתמיסה, עיבוד קר והתיישן באופן מלאכותי.
T9- טיפול בחום בתמיסה, יישון מלאכותי ועיבוד קר.
T10- עיבוד קר לאחר קירור מתהליך עיצוב בטמפרטורה גבוהה ולאחר מכן יישון מלאכותי.

ספרות נוספות מציינות הפגת מתחים.
דוגמאות:
TX51או TXX51- הקלה על מתחים באמצעות מתיחות.
TX52או TXX52– הקלה על מתח על ידי דחיסה.

סגסוגות אלומיניום ומאפייניהןאם ניקח בחשבון את שבע סדרות סגסוגות האלומיניום המעובדות, נעריך את ההבדלים ביניהן ונבין את יישומן ומאפייניהן.

סגסוגות סדרה 1xxx– (לא ניתן לטיפול בחום – עם חוזק מתיחה מקסימלי של 10 עד 27 ksi) סדרה זו מכונה לעתים קרובות סדרת האלומיניום הטהור מכיוון שהיא נדרשת להכיל לפחות 99.0% אלומיניום. הם ניתנים לריתוך. עם זאת, בשל טווח ההיתוך הצר שלהם, הם דורשים שיקולים מסוימים על מנת לייצר הליכי ריתוך מקובלים. כאשר בוחנים אותם לייצור, סגסוגות אלו נבחרות בעיקר בשל עמידותן המעולה לקורוזיה, כמו במיכלי כימיקלים מיוחדים ובצנרת, או בשל המוליכות החשמלית המצוינת שלהן כמו ביישומי פס אספקה. לסגסוגות אלו תכונות מכניות גרועות יחסית ורק לעתים רחוקות ישקלו אותן עבור יישומים מבניים כלליים. סגסוגות בסיס אלו מרותכות לעתים קרובות עם חומר מילוי תואם או עם סגסוגות מילוי 4xxx בהתאם ליישום ולדרישות הביצועים.

סגסוגות סדרה 2xxx– (ניתן לטיפול בחום – עם חוזק מתיחה מקסימלי של 27 עד 62 ksi) אלו הן סגסוגות אלומיניום/נחושת (תוספות נחושת הנעות בין 0.7 ל-6.8%), והן סגסוגות בעלות חוזק גבוה וביצועים גבוהים המשמשות לעתים קרובות ליישומי תעופה וחלל. יש להן חוזק מצוין בטווח טמפרטורות רחב. חלק מסגסוגות אלו נחשבות בלתי ניתנות לריתוך בתהליכי ריתוך בקשת עקב רגישותן לסדיקה חמה וסדקים בקורוזיה מאמצת; עם זאת, אחרות מרותכות בקשת בהצלחה רבה עם הליכי ריתוך נכונים. חומרי בסיס אלו מרותכים לעתים קרובות עם סגסוגות מילוי מסדרת 2xxx בעלות חוזק גבוה שנועדו להתאים לביצועים שלהן, אך לעיתים ניתן לרתך אותן עם חומרי מילוי מסדרת 4xxx המכילים סיליקון או סיליקון ונחושת, בהתאם ליישום ולדרישות השירות.

סגסוגות סדרה 3xxx– (לא ניתן לטיפול בחום – עם חוזק מתיחה מקסימלי של 16 עד 41 ksi) אלו הן סגסוגות אלומיניום/מנגן (תוספות מנגן הנעות בין 0.05 ל-1.8%) והן בעלות חוזק בינוני, עמידות טובה בפני קורוזיה, יכולת עיצוב טובה ומתאימות לשימוש בטמפרטורות גבוהות. אחד השימושים הראשונים שלהן היה סירים ומחבתות, והן מהוות כיום את המרכיב העיקרי עבור מחליפי חום בכלי רכב ובתחנות כוח. עם זאת, חוזקן המתון מונע לעתים קרובות את שיקולן עבור יישומים מבניים. סגסוגות בסיס אלו מרותכות עם סגסוגות מילוי מסדרות 1xxx, 4xxx ו-5xxx, בהתאם לכימיה הספציפית שלהן ולדרישות היישום והשירות הספציפיות שלהן.

סגסוגות סדרה 4xxx– (ניתנות לטיפול בחום וסגסוגות שאינן ניתנות לטיפול בחום – עם חוזק מתיחה מקסימלי של 25 עד 55 ksi) אלו הן סגסוגות האלומיניום/סיליקון (תוספות סיליקון הנעות בין 0.6 ל-21.5%) והן הסדרות היחידות המכילות סגסוגות הניתנות לטיפול בחום וגם סגסוגות שאינן ניתנות לטיפול בחום. סיליקון, כאשר מוסיפים אותו לאלומיניום, מפחית את נקודת ההיתוך שלו ומשפר את נוזליותו כשהוא מותך. מאפיינים אלו רצויים לחומרי מילוי המשמשים הן לריתוך היתוך והן להלחמה. כתוצאה מכך, סדרת סגסוגות זו נמצאת בעיקר כחומר מילוי. סיליקון, באופן עצמאי באלומיניום, אינו ניתן לטיפול בחום; עם זאת, מספר מסגסוגות סיליקון אלו תוכננו כך שיכילו תוספות של מגנזיום או נחושת, מה שמספק להן את היכולת להגיב לטובה לטיפול בחום בתמיסה. בדרך כלל, סגסוגות מילוי אלו הניתנות לטיפול בחום משמשות רק כאשר רכיב מרותך אמור לעבור טיפולים תרמיים לאחר הריתוך.

סגסוגות סדרה 5xxx– (לא ניתנת לטיפול בחום – עם חוזק מתיחה מקסימלי של 18 עד 51 ksi) אלו הן סגסוגות האלומיניום/מגנזיום (תוספות מגנזיום הנעות בין 0.2 ל-6.2%) ובעלות החוזק הגבוה ביותר מבין הסגסוגות שאינן ניתנות לטיפול בחום. בנוסף, סדרת סגסוגות זו ניתנת לריתוך בקלות, ומסיבות אלה הן משמשות למגוון רחב של יישומים כגון בניית ספינות, תחבורה, כלי לחץ, גשרים ומבנים. סגסוגות הבסיס של מגנזיום מרותכות לרוב עם סגסוגות מילוי, הנבחרות לאחר התחשבות בתכולת המגנזיום של חומר הבסיס, ותנאי היישום והשירות של הרכיב המרותך. סגסוגות בסדרה זו עם יותר מ-3.0% מגנזיום אינן מומלצות לשירות בטמפרטורה גבוהה מעל 150 מעלות פרנהייט בגלל הפוטנציאל שלהן לרגישות והרגישות שלאחר מכן לסדיקה בקורוזיית מאמץ. סגסוגות בסיס עם פחות מ-2.5% מגנזיום מרותכות לרוב בהצלחה עם סגסוגות מילוי מסדרות 5xxx או 4xxx. סגסוגת הבסיס 5052 מוכרת בדרך כלל כסגסוגת הבסיס בעלת תכולת המגנזיום המרבית שניתן לרתך עם סגסוגת מילוי מסדרת 4xxx. עקב בעיות הקשורות בהיתוך אוטקטי ותכונות מכניות גרועות בעת הריתוך, לא מומלץ לרתך חומרים מסדרת סגסוגות זו, המכילים כמויות גבוהות יותר של מגנזיום, עם חומרי מילוי מסדרת 4xxx. חומרי הבסיס בעלי תכולת המגנזיום הגבוהה יותר מרותכים רק עם סגסוגות מילוי 5xxx, שבדרך כלל תואמות את הרכב סגסוגת הבסיס.

סגסוגות סדרה 6XXX– (ניתן לטיפול בחום – עם חוזק מתיחה מקסימלי של 18 עד 58 ksi) אלו הן סגסוגות אלומיניום/מגנזיום-סיליקון (תוספות מגנזיום וסיליקון של כ-1.0%) והן נמצאות באופן נרחב בתעשיית ייצור הריתוך, בשימוש בעיקר בצורת שיחול, ומשולבות ברכיבים מבניים רבים. תוספת מגנזיום וסיליקון לאלומיניום מייצרת תרכובת של מגנזיום-סיליציד, המעניקה לחומר זה את היכולת לעבור טיפול בחום בתמיסה לחוזק משופר. סגסוגות אלו רגישות באופן טבעי לסדקים בהתמצקות, ומסיבה זו, אין לרתך אותן באופן אוטוגני בקשת (ללא חומר מילוי). תוספת כמויות נאותות של חומר מילוי במהלך תהליך ריתוך הקשת חיונית על מנת לספק דילול של חומר הבסיס, ובכך למנוע את בעיית הסדיקה בחום. הן מרותכות הן עם חומרי מילוי 4xxx והן עם חומרי מילוי 5xxx, בהתאם ליישום ולדרישות השירות.

סגסוגות סדרה 7XXX– (ניתן לטיפול בחום – עם חוזק מתיחה מקסימלי של 32 עד 88 ksi) אלו הן סגסוגות האלומיניום/אבץ (תוספות אבץ בטווח של 0.8 עד 12.0%) והן מהוות חלק מסגסוגות האלומיניום בעלות החוזק הגבוה ביותר. סגסוגות אלו משמשות לעתים קרובות ביישומים עתירי ביצועים כגון מטוסים, תעופה וחלל וציוד ספורט תחרותי. בדומה לסדרת הסגסוגות 2xxx, סדרה זו משלבת סגסוגות הנחשבות לא מתאימות לריתוך בקשת, ואחרות, שלעתים קרובות ניתנות לריתוך בקשת בהצלחה. הסגסוגות המרותכות הנפוצות בסדרה זו, כגון 7005, מרותכות בעיקר עם סגסוגות מילוי מסדרת 5xxx.

תַקצִירסגסוגות האלומיניום של ימינו, יחד עם מצבי הרוח השונים שלהן, מהוות מגוון רחב ורב-תכליתי של חומרי ייצור. לתכנון מוצר אופטימלי ופיתוח מוצלח של הליכי ריתוך, חשוב להבין את ההבדלים בין הסגסוגות הרבות הזמינות ואת מאפייני הביצועים והריתוך השונים שלהן. בעת פיתוח הליכי ריתוך בקשת עבור סגסוגות שונות אלו, יש להתחשב בסגסוגת הספציפית המרותכת. לעתים קרובות אומרים שריתוך בקשת של אלומיניום אינו קשה, "הוא פשוט שונה". אני מאמין שחלק חשוב בהבנת ההבדלים הללו הוא היכרות עם הסגסוגות השונות, מאפייניהן ומערכת הזיהוי שלהן.