السبيكة ( Alloy )
☰ جدول المحتويات
السبيكة مادة تتكون من فلز وعنصر آخر واحد على الأقل. تحتوي معظم السبائك على كمية كبيرة من الفلز الرئيسي أو فلز الأساس، وكميات أقل من المكونات الأخرى، التي قد تكون فلزات أو لافلزات مثل الكربون والسليكون. والعديد من الفلزات النقية لينة جدًا، أو تصدأ بسهولة، أو بها عيوب أخرى. ولكن هذه العيوب يمكن التغلب عليها بمزج هذه الفلزات بعناصر أخرى. وقد تحتوي السبيكة الواحدة على ثلاث أو أربع مواد مختلفة، أو أكثر.
ويصنع الناس السبائك عادة بصهر فلز الأساس، وإضافة المكونات الأخرى إليه، حيث تترك السبيكة السائلة بعد ذلك لتبرد وتتصلب. وتشكل العديد من السبائك إلى شكل نهائي بعد تبريدها. وتصنع سبائك أخرى دون صهر فلز الأساس. فالمصنعون، على سبيل المثال، يمزجون مساحيق بعض الفلزات معًا، ويسخنونها تحت ضغط، حيث يؤدي ذلك إلى امتزاج جسيمات المساحيق لتكوين السبيكة.
خصائص السبائك
تتكون السبائك من بلورات دقيقة تسمى الحبيبات. وتتراص ذرات كل حبيبة في ترتيب هندسي خاص، وتميل كل حبيبة بطريقة تختلف عن ميلان الحبيبات المجاورة. ويتحكم المصنعون في أحجام الحبيبات بالطرق التي يتبعونها في تسخين المادة وتشكيلها وتبريدها. فالحبيبات الصغيرة، على سبيل المثال، تكوِّن سبائك قوية. وتحدد الحدود الفاصلة بين الحبيبات أيضًا خصائص السبيكة، حيث يمكن أن تصبح مناطق ضعف عندما تكون السبيكة محتوية على شوائب، أو عندما يستخدم الناس السبيكة عند درجات حرارة عالية أو مع مواد كيميائية ضارة.
وهناك نوعان من السبائك 1- سبائك الطور الواحد 2- السبائك المتعددة الأطوار. وتتكون سبائك الطور الواحد من حبيبات ذات تركيب متشابه. وفي هذه السبائك يذوب فلز في فلز آخر بنفس الطريقة التي يذوب بها الملح في الماء. ويكون خلط النحاس والنيكل بكل النسب سبيكة طور واحد.
وتتكون السبائك المتعددة الأطوار من عدة أنواع من الحبيبات ممتزجة بعضها ببعض. وفي هذه السبائك تترابط الذرات المختلفة معًا بطرق مختلفة لتكوين مركبات قوية ومستقرة. وتتشابه نسب الفلزات المكونة لنوع معين من الحبيبات داخل السبيكة المتعددة الأطوار، ولكنها تختلف عن نسب الفلزات المكونة للأنواع الأخرى من الحبيبات. فالفولاذ سبيكة متعددة الأطوار، تحتوي على بعض حبيبات الحديد المحتوية على كميات قليلة من الكربون، وحبيبات أخرى من مركب كيميائي يسمى كربيد الحديد، يتكون من ذرة كربون واحدة مقابل كل ثلاث ذرات حديد.
ومعظم السبائك أقوى وأصلب من الفلزات النقية المكونة لها. وهي أيضًا ذات درجات انصهار أقل من درجات انصهار الفلزات النقية. ومعظم السبائك أقل قابلية للتشكل، مقارنة بالفلزات النقية ؛ أي يصعب طرقها إلى أشكال مختلفة، أو طيها إلى ألواح، أو سحبها إلى أسلاك. ولكن بعض السبائك الفائقة اللدونة ذات قابلية كبيرة للتشكل. والقليل من السبائك جيدة التوصيل للكهرباء مثل الفلزات النقية، ولكن بعض السبائك الفائقة التوصيل موصلات ممتازة للكهرباء.
أنواع السبائك
 |
سيف برونز أثري |
السبائك الأولى:
اكتشف الإنسان السبائك في الطبيعة خلال عصور ما قبل التاريخ. واشتملت هذه السبائك على نيازك الحديد والنيكل، وخلائط الذهب والفضة في قيعان الأنهار. وأول سبيكة صنعها الإنسان البرونز، حيث صنع أقدم البرونز من النحاس والزرنيخ. وقد أنتج صاهرو النحاس في عصور ما قبل التاريخ البرونز بالصدفة في حوالي عام 300 ق.م. وتلت ذلك عدة قرون اكتشف الناس خلالها أن مزج القصدير بالنحاس ينتج نوعًا جيدًا من البرونز، وبدأوا يصنعون منه الأدوات والحلي والأسلحة. والبرونز أصلب من النحاس النقي، وأكثر قابلية للصهر والقولبة إلى أشكال مفيدة. |
مخرطة تعمل بالطاقة الكهربائية مصنعة من فولاذ التنجستن شديد التحمل. |
سبائك الحديد:
الحديد هو أهم الفلزات الصناعية، حيث يستخدمه الصناعيون عادة في شكل سبيكة بدلاً من استخدامه في شكله النقي. وتسمى السبائك المؤسسة على الحديد السبائك الحديدية.وأكثر السبائك الحديدية استخدامًا سبائك الفولاذ، التي تختلف حسب تركيباتها وطرق صنعها، ولكنها تتشابه في احتوائها على كميات صغيرة من الكربون والمنجنيز وكميات كبيرة من الحديد.
ولكل نوع من الفولاذ امتيازات معينة، وأكثرها استخدامًا سبائك الفولاذات الكربوني، التي يحتوي معظمها على الكربون بنسبة تقل عن 1%، حيث يشيع استخدامها ـ لمتانتها وقوة تحملها ـ في صنع دعامات المباني وهياكل السيارات وعلب المواد الغذائية. وتحتوي سبائك الفولاذ على النيكل والكروم والموليبدنوم. وهي من القوة بحيث تستخدم في صنع منتجات مثل هياكل الدراجات وتروس هبوط الطائرات. ويحتوي الفولاذ غير القابل للصدأ على ما يزيد على 20% من الكروم، كما يدخل النيكل في تكوين أنواع عديدة منه. وهو يقاوم التآكل (الصدأ وغيره من أنواع الاتلاف الكيميائي) جيدًا، ويستخدم في صناعة الأدوات المطبخية ومعدات المشافي.
وفولاذ الأدوات نوع آخر من السبائك الحديدية يستخدم في صنع وتشكيل المواد الأخرى، ويحتوي على مكونات مثل التنجستن والكروم والموليبدنوم. وتصنع الماكينات المستخدمة في تشكيل الفلزات من أنواع خاصة من فولاذ الأدوات، تحافظ على صلابتها وحواف القطع الحادة فيها، حتى عندما تحمر بالتسخين عند استخدامها.
سبائك القوة وخفة الوزن:
يجب أن تكون السبائك المستخدمة في المركبات ـ وخاصة الطائرات ـ قوية وخفيفة. ويستخدم الألومنيوم فلز أساس في العديد من هذه السبائك. ولكن الألومنيوم النقي خفيف جدًا وضعيف، ولذلك لا يستخدم في بناء الهياكل. وعوضًا عن ذلك يمزج المصنعون الألومنيوم بمكونات أخرى لتكوين سبائك متينة وذات قدرة تحمل عالية. وتحتوي بعض سبائك الألومنيوم الشائعة على كميات قليلة من النحاس والمنجنيز والمغنسيوم. وهذه السبائك أثقل من الألومنيوم النقي بقليل، ولكن متانتها تعادل متانة بعض أنواع الفولاذ. وتحتوي سبائك ألومنيوم أخرى على الزنك والمغنسيوم والليثيوم، وهي سبائك قوية جدًا. وتستخدم سبائك الألومنيوم في العديد من المنتجات مثل علب المياه الغازية وحواف إطارات العجلات.والمغنسيوم أخف من الألومنيوم، حيث تبلغ كثافته ثلثي كثافة الألومنيوم. وهو ليس متينًا في حد ذاته، ولذلك لايمكن استخدامه في الأغراض الهيكلية، ولكنه يستخدم فلز أساس في العديد من السبائك المفيدة، التي تدخل في صناعة العديد من المنتجات، مثل أجزاء الطائرات والسيارات، بالإضافة إلى العديد من الأدوات والمعدات. والتيتانيوم فلز أساس آخر في العديد من السبائك المتينة الخفيفة، التي تستخدم في صناعة محركات الطائرات النفاثة وأجزاء الطائرات والمعدات المقاومة للتآكل في المصانع الكيميائية.
 |  |
زهرية بيوترية | جواهر ذهبية |
السبائك النفيسة وسبائك الزينة:
استخدم الناس الذهب والفضة منذ زمن طويل في شكل سبائك، عوضًا عن استخدامه في شكل فلزات نقية. فالصانعون عادة يضيفون الفلزات الرخيصة إلى الذهب والفضة، حيث يقلل ذلك تكلفة السبيكة الناتجة، مع الاحتفاظ بالمظهر الأصلي لكل من الذهب والفضة. وبالإضافة إلى ذلك يصلب التسبيك الذهب والفضة، ويحفظهما من التلف السريع عبر الاستعمال. والذهب الأصفر سبيكة ذهبية تحتوي على نحاس وفضة، وتستخدم في صناعة المجوهرات وغيرها من أدوات الزينة. ويستخدم أطباء الأسنان سبائك ذهبية مماثلة في صنع حشوات الأسنان. وتصنع بعض أنواع المجوهرات والأواني من السبائك المحتوية على الفضة والنحاس.ويمكن صنع أدوات منزلية جذابة وغير مكلفة باستخدام العديد من السبائك الرخيصة. فالفضة الألمانية مثلاً، سبيكة بيضاء مزرقة، ذات أساس نحاسي، وتحتوي على النيكل والزنك. ويستخدم الناس الفضة الألمانية في صنع الشمعدانات والأدوات المعدنية. والبيوتر سبيكة فضية اللون، قصديرية الأساس، وسهلة التشكيل والتلميع، ولذلك تستخدم في صناعة الأطباق والأباريق والزهريات. وتصنع العملات المعدنية عادة من سبائك النحاس والنيكل.
سبائك أخرى:
من السبائك المعروفة سبائك الصفر. وتحتوي هذه السبائك ذات الأساس النحاسي على الزنك بنسبة تصل إلى حوالي 40%، وكميات قليلة من القصدير أو الرصاص أو أي عنصر آخر. ومن المنتجات المحتوية على الصفر مواد السباكة والغوالق والمرابط وغيرها من الأدوات المعدنية. والمونيل سبيكة من النيكل والنحاس، تستخدم عادة في صنع المواد التي ينبغي أن تقاوم التآكل في مياه البحار، مثل توصيلات المضخات ودواسر الزوارق.والعديد من السبائك ذات تطبيقات خاصة. فالسِّتَليت مثلاً، سبيكة شديدة الصلابة، تتكون أساسًا من الكوبالت والكروم والتنجستن، ويستخدم غطاء للفولاذ، حيث تصنع منه طبقة سطحية واقية تحمي الفولاذ من البلى. ويستخدم سبيكة اللحام، ذات درجة الانصهار المنخفضة، في وصل السطوح الفلزية. وفلز الخشب سبيكة أخرى ذات درجة انصهار منخفضة، وتستخدم في صهائر أجهزة الإنذار الأوتوماتية الخاصة بالحرائق، ونظم الرش. والإنفار سبيكة من الحديد والنيكل، قليلة التمدد والانكماش في درجات الحرارة المختلفة، وتستخدم في المنتجات التي يتطلب استخدامها أن تكون ذات أحجام ثابتة، مثل نبائط القياس وقضبان النوابض.
وتصنع مغانط ممتازة من بعض السبائك، مثل الألنيكو، الذي يتكون من مجموعة من السبائك المحتوية على الألومنيوم والنيكل والكوبالت والحديد والنحاس. وبإمكان المغانط المصنوعة من هذه السبائك رفع جسم يبلغ وزنه قدر وزن المغنطيس نفسه 60 مرة. وتكون سبائك أخرى مغانط أقوى من ذلك بكثير. فعلى سبيل المثال، تنتج السبائك المحتوية على كميات كبيرة من العناصر الفلزية المسماة عناصر الأتربة النادرة، مثل السمريوم، مغانط تفوق قوتها قوة الألنيكو مئات المرات.
ويحاول العلماء الآن استنباط سبائك أقوى من السبائك القديمة وذات قدرة تحمل أكبر. فالسبائك الفائقة، على سبيل المثال، يمكنها مقاومة درجات الحرارة العالية جدًا وظروف التآكل القاسية جدًا. وهي تحتوي على النيكل أو الكوبالت ـ وهما فلزا الأساس ـ والكروم وعدد من العناصر الأخرى. وهذه الفلزات الفائقة مكونات مهمة في المركبات الفضائية ومحركات الطائرات النفاثة.