مخطط صلابة سبائك الألومنيوم: HW، HB، HV، HRAB، HBA
هل تساءلت يومًا عن كيفية اختيار سبيكة الألومنيوم المناسبة لمشروعك؟ مع وجود مجموعة كبيرة من الخيارات، لكل منها خصائص فريدة من نوعها، يمكن أن تكون مهمة شاقة....
لماذا يعتبر الجدل بين سبائك الألومنيوم والموصلات النحاسية بالغ الأهمية في الصناعة الكهربائية؟ كمواد للموصلات الكهربائية، لكل منهما فوائد وعيوب فريدة من نوعها. تستكشف هذه المقالة أداء هاتين المادتين وفعاليتهما من حيث التكلفة وتطبيقاتهما، وتقدم نظرة ثاقبة على خواصهما الميكانيكية والكهربائية. سيفهم القراء كيف بدأت سبائك الألومنيوم في الظهور كبديل عملي للنحاس، مما قد يؤدي إلى تحويل أنظمة نقل الطاقة وتوزيعها. تعمق في معرفة الموصلات التي يمكن أن تقود مستقبل البنية التحتية الكهربائية.
يمكن إرجاع استخدام البشر للنحاس إلى ما قبل 10,000 سنة مضت. فقد اكتُشفت قطعة أثرية - كأس أذن نحاسية - يعود تاريخها إلى 8700 سنة في شمال العراق، كما أن الأدوات البرونزية كانت موجودة في الصين منذ أكثر من 4000 سنة في عهد شيا يو.
امتد استخدام النحاس كموصل للكهرباء لأكثر من 200 عام منذ اكتشاف الكهرباء وتطبيقها في أواخر القرن الثامن عشر.
كان الألومنيوم، وهو معدن حديث العهد نسبيًا، يُعرف باسم "الذهب الفضي" في منتصف القرن التاسع عشر، وهو أثمن من الذهب، حتى عام 1886 عندما طور العالم الأمريكي هول بشكل مستقل طريقة الألومنيوم الإلكتروليتي ممهدًا الطريق للإنتاج الصناعي.
بدأ استخدام الألومنيوم كموصل في عام 1896، عندما قام السير البريطاني ويليام كروكس بتركيب أول سلك علوي من الألومنيوم في العالم في بولتون.
في عام 1910، اخترعت جمعية الألومنيوم الأمريكية "هوب" التابعة لجمعية الألومنيوم الأمريكية أسلاك الألومنيوم المجدولة ذات النواة الفولاذية التي تم نصبها فوق شلالات نياجرا. ومنذ ذلك الحين، استُبدلت خطوط نقل الجهد العالي العلوية تدريجيًا بأسلاك الألمنيوم المجدولة المصنوعة من الألومنيوم ذات النواة الفولاذية.
بالإضافة إلى ذلك، بدأت الدول الغربية الصناعية في استخدام موصلات الألومنيوم لتحل محل الموصلات النحاسية كأسلاك توزيع في عام 1910.
في الوقت الحالي، يتم استخدام حوالي 141 تيرابايت 3 تيرابايت من الألومنيوم المنتج في العالم كمواد كهربائية، حيث تتصدر الولايات المتحدة الأمريكية استخدام الألومنيوم في الأسلاك الكهربائية، حيث يصل إلى حوالي 351 تيرابايت 3 تيرابايت.
وتمثل كمية الألومنيوم التي تستخدمها إدارات الكهرباء في الصين حوالي ثلث إجمالي استهلاك الألومنيوم، وتستخدم بشكل أساسي في نقل الجهد العالي، بينما تقل نسبة موصلات الألومنيوم المستخدمة في التوزيع عن 51 تيرابايت 3 تيرابايت. ويتأثر استخدام النحاس أو الألومنيوم كموصلات بالظروف التاريخية والوطنية وظروف الموارد.
في خمسينيات القرن العشرين، ومع الزيادة السريعة في سعر النحاس، اقترحت صناعة الأسلاك والكابلات العالمية استبدال النحاس بالألومنيوم. ولتحقيق نفس الأداء الكهربائي، يجب أن تكون مساحة المقطع العرضي لموصل الألومنيوم أكبر بمستويين أو زيادة بمقدار 501 تيرابايت 3 تيرابايت مقارنة بالموصل النحاسي.
في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي، وللأسباب نفسها، طُرح اقتراح استبدال النحاس بالألومنيوم. ومنذ عام 2005 وحتى الوقت الحاضر، تم طرح اقتراح استبدال النحاس بالألومنيوم مرة أخرى.
مع تقدم التكنولوجيا، يشير استبدال النحاس بالألومنيوم هذه المرة بشكل أساسي إلى استبدال النحاس بسبائك الألومنيوم. ما هي احتمالات استبدال النحاس بالألومنيوم؟ نحتاج إلى فهم المزيد عن خصائص سبائك الألومنيوم والنحاس والألومنيوم.
| الأداء | ألومنيوم | ألومنيوم | النحاس | النحاس | |
| صلب (0) | صعب (H8) | ملدن | صعب | ||
| الوزن الذري | 26.98 | 63.54 | |||
| الكثافة/كجم-3 | 2700 | 8890 | |||
| المقاومة النوعية/nΩ-م | 27.8 | 28.3 | 17.24 | 17.77 | |
| الموصلية/%IACS | 62 | 61 | 100 | 97 | |
| معامل درجة الحرارة للمقاومة/(nΩ-m)-K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |
| قوة الشد/ميجا باسكال | 80-110 | 150-200 | 200-270 | 350470 | |
| معامل يونغ/جباسا | 63 | 63 | 120 | 120 | |
| معامل التمدد الخطي/×10-6 كيه-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |
| السعة الحرارية النوعية | / ياء （كجم-كجم-ك)-1 | 900 | 392 | ||
| /جيم ℃ - سم 3)-1 | 2.38 | 3.42 | |||
| الموصلية الحرارية/ث- (م-ك) | 231 | 436 | |||
| المقاومة الحرارية/ك-و-1 | 0.491 | 0.259 | |||
| القطب الكهربائي الزئبقي المحتمل/ف | -0.75 | -0.22 | |||
| صلابة برينل | 25 | 45 | 60 | 120 | |
| نقطة الانصهار/℃ | 600 | 1083 | |||
| حرارة الانصهار/×105ياء - كجم-1 | 3.906 | 2.142 | |||
ملاحظة: البيانات مأخوذة من الطبعة الثانية من "دليل سبائك الألومنيوم ومعالجتها".
من من منظور معايير إنتاج الكابلات، تتبع جميع عمليات تصنيع كابلات الطاقة GB12706.1-2008 "كابلات الطاقة المعزولة المبثوقة وملحقاتها ذات الفولتية المقدرة من 1 كيلو فولت (Um=1.2 كيلو فولت) إلى 35 كيلو فولت (Um=40.5 كيلو فولت): الجزء 1: الكابلات ذات الفولتية المقدرة من 1 كيلو فولت (Um=1.2 كيلو فولت) و3 كيلو فولت (Um=3.6 كيلو فولت)"، حيث يتم إنتاج موصلات الكابلات وفقًا للمواصفة GB/T3956-2008.
يحتوي GB/T3956-2008 "موصلات الكابلات" على لوائح صريحة تسمح باستخدام النوع الأول أو الثاني من الموصلات النحاسية الملدنة المطلية بالمعدن أو غير المطلية بالمعدن أو موصلات الألومنيوم أو سبائك الألومنيوم.
قوة الشد والتوصيل الكهربائي للألومنيوم الكهربائي
| الحالة | σb/MPa | المقاومة النوعية القصوى (Ω-ملم)2/m) | التوصيلية (الحد الأدنى) / %IACS |
| 1350-0 | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 أو H12 أو H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 أو 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 أو 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
ملاحظة: البيانات مأخوذة من الطبعة الثانية من "دليل سبائك الألومنيوم ومعالجتها".
في الستينيات والسبعينيات، ارتفع السعر العالمي للنحاس. وبسبب عوامل سياسية، تم تنظيم النحاس كمادة استراتيجية، وعلى الصعيد المحلي، استُخدم الألومنيوم على نطاق واسع كمادة موصلة رئيسية لكابلات النقل.
أصبحت سياسة "استبدال النحاس بالألومنيوم" سياسة تقنية شائعة في الصناعة الكهربائية، مع استخدام كابلات الموصلات النحاسية التي تتطلب تطبيقات تقريرية.
ومن ثم، فإن الخطوط الرئيسية والخطوط الفرعية للمباني المدنية تستخدم جميعها كابلات الألومنيوم النقي. تنعكس عيوب موصلات الألومنيوم النقي (AA1350) بشكل رئيسي في الجوانب التالية:
(1) قوة ميكانيكية ضعيفة وسهلة الكسر,
(2) عرضة للزحف، مما يتطلب شد البراغي بشكل متكرر,
(3) تسخن بسهولة تحت الأحمال الزائدة، مما يشكل خطرًا على السلامة,
(4) مشكلة الاتصال الانتقالي بين النحاس والألومنيوم لم يتم تناولها بشكل جيد.
ولا تواجه هذه المشاكل على الصعيد المحلي فقط، بل هي سائدة أيضاً في صناعة الكابلات العالمية. ومع ذلك، مع تحسن العلاقات الدولية وتنفيذ الإصلاح والانفتاح في الصين، تمكنا من استيراد كمية كبيرة من موارد النحاس من الخارج، وأصبح فرق السعر بين النحاس والألومنيوم ضئيلاً، مما أدى إلى التخلص التدريجي من اتجاه "إحلال الألومنيوم محل النحاس" محلياً.
في الوقت نفسه، طورت الدول الأجنبية بنشاط موصلات جديدة من سبائك الألومنيوم لحل مشاكل التوصيل بين موصلات السبائك والمحطات الطرفية.
وفي نهاية المطاف، استخدمت الولايات المتحدة وأوروبا موصلات سبائك الألومنيوم على نطاق واسع في خطوط التوزيع.
وفقًا للكود الوطني الأمريكي للكهرباء [5] NEC330.14: "يجب أن تكون الموصلات الصلبة ذات المقطع العرضي 8، 10، 12AWG (ما يعادل الأحجام المحلية 8.37 مم2، 5.26 مم2، 3.332 مم2) مصنوعة من مواد سبائك الألومنيوم الكهربائية من سلسلة AA8000.
يجب أن تكون الموصلات المجدولة من 8AWG (ما يعادل الحجم المحلي 8.37 مم2) إلى 1000 كيلو سم (ما يعادل الحجم المحلي 506.7 مم2)، التي تحمل علامات RHH، RHW، RHW، XHHHW، THW، THHW، THHW، THWN، THHN، ومدخل الخدمة من النوع SE Style U و SE Style R، مصنوعة من مواد موصلات من سبائك الألومنيوم من الفئة AA-8000 من سلسلة AA-8000."
كان سبب التطور السريع لسبائك الألومنيوم المستخدمة كموصلات هو الارتفاع الكبير في أسعار النحاس خلال الستينيات والسبعينيات. وضمن تسميات السبائك في رابطة الألومنيوم، تشمل الأنواع الرئيسية لسبائك الألومنيوم المستخدمة كموصلات سلسلة AA1000 (الألومنيوم النقي)، وسلسلة AA6000، وسلسلة AA8000.
تُستخدم سلسلة AA1000 بشكل أساسي في الخطوط الهوائية ذات الجهد العالي. وتستخدم سلسلة AA6000 Al-Mg-Si (سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم والسيليكون) بشكل أساسي في الخطوط الهوائية عالية الجهد وقضبان ناقل الألومنيوم؛ ويوجد كلا النوعين من الموصلات في حالة صلبة، مع تحقيق التوصيلات بشكل أساسي عن طريق اللحام.
تمثل سلسلة AA8000 Al-Mg-Cu-Fe (سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم والنحاس والحديد) سبائك الألومنيوم اللينة الحقيقية المستخدمة في خطوط التوزيع. إن AA8000 سلسلة الألومنيوم حصلت السبائك على العديد من براءات الاختراع خلال الستينيات والسبعينيات.
| اسم السبيكة | رقم براءة الاختراع الأمريكية | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | ...... |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | ...... |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| RE30465 | ||
| 8177 | A98177 | ...... |
| سبائك الألومنيوم | النسبة المئوية للتركيب الكيميائي على أساس الجودة | |||||||||
| ANSI | UNS | ألومنيوم | السيليكون | حديد | النحاس | المغنيسيوم | الزنك | البورون | أخرى (المجموع) | أخرى (المجموع) |
| 8017 | A98017 | البقايا | 0.10 | 0.55-0.8 | 0.10-0.20 | 0.01-0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.03A | 0.10 |
| 8030 | A98030 | البقايا | 0.10 | 0.30-0.8 | 0.15-0.30 | 0.05 | 0.05 | 0.001-0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8076 | A98076 | البقايا | 0.10 | 0.6-0.9 | 0.04 | 0.08-0.22 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8130 | A98130 | البقايا | 0.15B | 0.40-1.0B | 0.05-0.15 | ... | 0.10 | ... | 0.03 | 0.10 |
| 8176 | A98176 | البقايا | 0.03-0.15 | 0.40-1.0 | ...... | ... | 0.10 | ... | 0.05C | 0.15 |
| 8177 | A98177 | البقايا | 0.10 | 0.25-0.45 | 0.04 | 0.04-0.12 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
ج: الحد الأقصى لمحتوى الليثيوم هو 0.03.
ب: الحد الأقصى لمحتوى السيليكون والحديد 1.0.
C: الحد الأقصى لمحتوى الغاليوم 0.03.
ملاحظة: البيانات مأخوذة من دليل موصلات الألومنيوم الكهربائية - الإصدار الثالث.
وتؤدي إضافة عناصر النحاس والحديد والمغنيسيوم دورًا حاسمًا في السبيكة:
النحاس: يعزز ثبات المقاومة الكهربائية للسبائك في درجات الحرارة العالية.
الحديد: يزيد من مقاومة الزحف وقوة الانضغاط بمقدار 280%، مما يمنع المشاكل الناجمة عن التفكك الناتج عن الزحف.
المغنيسيوم: تحت ضغط الواجهة نفسه، يمكنه زيادة نقاط التلامس وتوفير قوة شد أعلى.
أداء سبائك الألومنيوم للأسلاك الكهربائية اللينة
| اسم العلامة التجارية أو المنتج | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/% | اسم العلامة التجارية أو اسم المنتج / %IACS |
| 1350 | 74.5 | 27.5 | 32 | 63.5 |
| تريبل إي | 95 | 67.7 | 33 | 62.5 |
| سوبر -T | 95 | 67.6 | 33 | 62.5 |
| X8076 | 108.8 | 60.8 | 22 | 61.5 |
| ستابيلوي | 113.8 | 53.9 | 20 | 61.8 |
| نيكو | 108.8 | 67.7 | 26 | 61.3 |
| X8130 | 102.0 | 60.8 | 21 | 62.1 |
ملاحظة: البيانات مأخوذة من الطبعة الثانية من "دليل سبائك الألومنيوم ومعالجتها".
(1) القوة الميكانيكية: كما يتضح من الجدول، مقارنة بموصل الألومنيوم النقي AA1350، فإن قوة الشد لموصل سلسلة AA8000 تبلغ حوالي 150% من الألومنيوم النقي، و قوة الخضوع ما يقرب من 200% من الألومنيوم النقي.
(2) مقاومة الزحف: من اختبار الزحف لمدة 500 ساعة، من الواضح أن مقاومة الزحف لسبائك سلسلة AA8000 تبلغ حوالي 280% من مقاومة الزحف لموصل الألومنيوم النقي AA1350، حيث تصل بشكل أساسي إلى نفس مستوى الموصل النحاسي.
| خصائص الموصلات | النحاس الكهربائي (النحاس) | سبائك الألومنيوم AA8000 |
| الكثافة (جم/ملمتر مكعب) | 8.89 | 2.7 |
| درجة الانصهار (℃) | 1083 | 660 |
| معامل التمدد الخطي | 17*10-6 | 23*10-6 |
| المقاومة الكهربائية (Ω*م²/م²/م) | 0.017241 | 0.0279 |
| الموصلية الكهربائية IACS% | 100 | 61.8 |
| قوة الشد (ميجا باسكال) | 220-270 | 113.8 |
| قوة الخضوع (MPa) | 60-80 | 53.9 |
| معدل الاستطالة (%) | 30-45 | 30 |
بالمقارنة بين موصلات سبائك الألومنيوم AA8000 والموصلات النحاسية، نجد أنه بسبب الاختلافات في المقاومة، تختلف قيمها القياسية الدولية للنحاس الملدن (IACS).
تبلغ قيمة سبيكة الألومنيوم AA8000 61.8% من قيمة النحاس. عندما نزيد مساحة المقطع العرضي لموصل سبيكة الألومنيوم بمقدار درجتين أو نرفعها إلى 150% من مساحة المقطع العرضي للموصل النحاسي، يتوافق أداؤهما الكهربائي.
أما من حيث قوة الشد، فإن موصل سبائك الألومنيوم لا يساوي سوى نصف قوة الشد للموصل النحاسي (113.8 مقابل 220 ميجا باسكال).
ومع ذلك، نظرًا لأن كثافة سبيكة الألومنيوم AA8000 تبلغ 30.4% فقط من الموصل النحاسي، حتى عندما تزيد مساحة المقطع العرضي لموصل سبيكة الألومنيوم إلى 150% من الموصل النحاسي، فإن وزن موصل سبيكة الألومنيوم يبلغ 45% فقط من الموصل النحاسي.
ويوفر هذا الوضع للموصل المصنوع من سبائك الألومنيوم مزايا معينة في قوة الشد على الموصل النحاسي.
وتقترب قوة الخضوع لموصل سبائك الألومنيوم AA8000 من قوة خضوع موصل سبائك الألومنيوم AA8000 من قوة خضوع موصل النحاس، مما يسمح لخصائص الزحف لموصل سبائك الألومنيوم أن تقارب خصائص موصل النحاس.
فيما يتعلق بالاستطالة عند الكسر، فإن الموصل المصنوع من سبائك الألومنيوم والموصل النحاسي متماثلان بشكل أساسي.
نظرًا لمعاملات التمدد المختلفة لموصل سبائك الألومنيوم والموصل النحاسي، فإنهما غير مناسبين للتوصيل المباشر. نضمن موثوقية توصيلها من خلال الطرق التالية.
تم تنفيذ معيار GB14315-2008 لموصلات كابلات الطاقة من النحاس والألومنيوم من النوع المجعد وأنبوب التوصيل GB14315-2008 رسميًا.
في هذه المواصفة القياسية، تم أيضًا دمج محطة الانتقال من النحاس والألومنيوم رسميًا، مما يوفر أساسًا نظريًا لتوصيل الكابلات المصنوعة من السبائك بقضبان التوصيل النحاسية والمعدات الكهربائية.
تتمثل الطرق الرئيسية الحالية لانتقال النحاس إلى الألومنيوم فيما يلي:
1) كابل سبيكة + طرف انتقالي من النحاس والألومنيوم (يتصل الطرف مباشرة بـ قضيب توصيل نحاسي).
2) كابل السبيكة + طرف الألومنيوم (عند توصيل طرف الألومنيوم وقضيب التوصيل النحاسي المطلي بالقصدير، أحكم ربط البراغي وفقًا لقيم عزم الدوران التي يوفرها المعيار الوطني، وأضف غسالة قرصية للحفاظ على التوصيل الفعال للنحاس والألومنيوم أثناء التمدد والانكماش الحراري).
3) كابل سبيكة + طرف من الألومنيوم + غسالة ثنائية المعدن (يتصل الجزء الألومنيوم من الغسالة مع طرف الألومنيوم، ويتصل الجزء النحاسي مع قضيب التوصيل النحاسي).
وتتطلب جميع طرق التوصيل هذه إجراء 1000 اختبار دورة حرارية وفقًا لمعيار IEC61238-2008 أو GB9327-2008، بما يحاكي 30 عامًا من الاستخدام لضمان موثوقية توصيلات الكابلات.
تُظهر اختبارات الدورة الحرارية التي أجراها مجلس الطاقة في جورجيا بالولايات المتحدة ومعهد شنغهاي لأبحاث الكابلات أن توصيلات الكابلات المصنوعة من السبائك آمنة وموثوقة. وتشير بيانات التقرير التجريبي إلى أن موثوقيتها أكثر استقرارًا من الموصلات النحاسية.
ووفقًا لبيانات هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS)، فإن محتوى النحاس في القشرة الأرضية أقل من 0.011 تيرابايت 3 تيرابايت، بينما يشكل الألومنيوم 7.731 تيرابايت 3 تيرابايت.
وبالتالي، فإن محتوى الألومنيوم يزيد عن 1000 ضعف محتوى النحاس. واستنادًا إلى معدلات الاستهلاك الحالية، بمتوسط معدل نمو سنوي يبلغ 31 تيرابايت 3 تيرابايت، ستستمر موارد النحاس العالمية لمدة 32 عامًا أخرى.
ومع ذلك، وبالنظر إلى حجم الاستخراج الحالي للألومنيوم (حوالي 140 مليون طن/سنة)، فإن الاحتياطيات الحالية من البوكسيت يمكن أن تلبي احتياجات صناعة الألومنيوم العالمية لما يقرب من 180 عاماً.
ونظرًا للخصائص الكهربائية والميكانيكية الممتازة لموصلات سبائك الألومنيوم، فقد حسنت من عدم موثوقية وصلات الألومنيوم وعدم كفاية القوة الميكانيكية وقابليتها للزحف.
تتشابه هذه الموصلات مع النحاس في الأداء الميكانيكي، ومن خلال زيادة مساحة المقطع العرضي، يمكنها تحقيق نفس التوصيلية التي يحققها النحاس، مما يجعلها قابلة للتطبيق على نطاق واسع في أنظمة التوزيع منخفضة الجهد.
إن الترويج للموصلات المصنوعة من سبائك الألومنيوم في السوق المحلية يمكن أن يساعد البلاد على توفير قدر كبير من موارد النحاس، وتقليل الاعتماد على موارد النحاس الأجنبية، وتوفير قدر كبير من النقد الأجنبي، وكذلك توفير بعض الوفورات الاقتصادية للمستخدمين، وتسهيل التركيب على عمال التركيب.
ومع وجود العديد من المزايا، فمن المنطقي أن نعتقد أن استخدام موصلات سبائك الألومنيوم في كابلات الطاقة منخفضة الجهد سيصبح مقبولاً على نطاق واسع. ومن المحتمل أن يؤدي الاتجاه نحو استبدال الألومنيوم بالنحاس إلى حدوث تحول في صناعة الكابلات.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO