ما أول شيء يخطر ببالك عند قراءتك هذه الكلمة «السبائك»؟
ربما تعتقد أن السبائك تتكون من عناصر فلزية فقط، ففعليأ قد تحتوي السبائك على كلًا من فلزات ولافلزات في آن واحد.
السبيكة، هي ناتج اتحاد كلي أو جزئي بين عنصرين كيمائيين أو أكثر، بشرط أن يكون أحدهما فلزًا؛ فالفلز هو المكوّن الأساسي للسبيكة ويمثل 90% منها، وهناك مكونات أخرى يُطلق عليها المكونات الفرعية- فلزية أو لافلزية مثل السيليكون والكربون- متواجدة بكميات صغيرة جداً.
التركيب
عند النظر في تركيب فلز بالميكروسكوب الإلكتروني، يمكننا رؤية الذرات المكونة له في تركيب منتظم يُطلق عليه (الشبكة البلورية-Crystalline lattice). أما السبيكة، وبجانب ذرات الفلز الأساسي، فإننا نشاهد ذرات العنصر الفرعي ترتب نفسها بشكل عشوائي عن الهيكل البلوري. تخيل معي أننا قمنا بوضع مجموعة من الكرات البلاستيكية في صندوق، ستجد أنها ترتب نفسها عشوائياً لتكوين هيكل الكرات الذي يمثل مساحة الصندوق الداخلية.. كذلك هو الحال في ذرات السبيكة.
كيف تتكوّن السبائك؟
بما أن السبيكة عبارة عن خليط من المعادن.. ماذا لو كانت هذه المعادن في صورة صلبة؟ كيف يمكن خلطها لتكوين السبيكة؟
في هذه الحالة، الطريقة التقليدية لصناعة السبيكة هي تسخين وإذابة المكونات للحصول على سائل كلٍ على حدة، ثم خلطها معاً بصورة متجانسة وتركها لتبرد تماماً في ما يطلق عليه (محلول صلب-Solid Solution).
وهناك طريقة بديلة، هي تحويل جميع المكونات إلى مسحوق، وخلطها مع بعض جيداً ومن ثم تعريضها إلى ضغط مرتفع وحرارة مرتفعة حتى تمام التجانس. ويُطلق على هذه الطريقة المسحوق/الباودر (Powder Metallurgy) نسبة إلى علم المعادن.
الطريقة الثالثة هي غرس الأيونات (Ion implantation)، وهي طريقة دقيقة جداً في تصنيع السبائك. يمكن بها تصنيع أشباه الموصلات المستخدمة في الدوائر الكهربية وقطع الكومبيوتر. وفيها يتم تسخين الأيونات المعرضة للطبقة السطحية من المعدن.
من أنواع السبائك:
- السبائك الاستبدالية:
عندما يتم استبدال بعض ذرات العنصر الأساسي (الفلز) بذرات العنصر الفرعي، نحصل على ما يُسمي «السبيكة الاستبدالية»، بشرط أن تكون جميع هذه الذرات متقاربة في كلًا من الحجم والجدول الدوري.
هذه الشروط تتحقق في سبيكة (النحاس الأصفر-B) على سبيل المثال، والتي تتكون من عنصري النحاس والزنك حيث تحل ذرات الزنك محل ما يُقارب 10:35% من ذرات النحاس والذي يمثل العنصر الأساسي في هذه السبيكة. بالطبع يمكننا اعتبار هذه السبيكة «استبدالية»؛ لأن عنصري الحديد والزنك متقاربين في الحجم نسبيًا ومتقاربين في الجدول الدورى.
- السبائك البينية:
حجم ذرات العنصر الفرعي أصغر بكثير من ذرات العنصر الأساسي، فتنتشر الذرات صغيرة الحجم داخل ذرات العنصر الأساسي لتملأ الفراغات الموجودة بين ذراته. مثل سبيكة الحديد الصلب(Steel)، حيث ينتشر عدد صغير من ذرات الكربون لتملأ الفراغات الموجودة بين ذرات الحديد الكبيرة نسبيًا.
- السبائك البين فلزية:
لاحظنا في النوعين السابقين مجرد تجانس واتحاد العناصر فيزيائياً دون تفاعل كيميائي. ماذا لو اتحدت كيميائيًا؟ حينها نحصل على نوع جديد من السبائك، وهو السبائك البين فلزية، حيث تكون النواتج مختلفة تمامًا عن المواد الداخلة في التفاعل.
لماذا نلجأ إلى استخدام السبائك؟
عندما لا تتوفر في المعادن المنفردة الخصائص اللازمة لاستخدام معين، نلجأ إلى تصنيع سبيكة تتوافر بها الخصائص المطلوبة. فالحديد معدن قوي صالح للاستخدام في البناء، ولكن سبيكة الحديد الصلب -سبيكة الحديد والكربون- أقوى وأصلب من الحديد الخام. كذلك الألومنيوم معدن خفيف الوزن وطري في حالته النقية، لكن بإضافة كميات صغيرة من الماغنسيوم والمنجنيز والنحاس، نُكوّن سبيكة قوية بما يكفي لاستخدامها في صناعة الطائرات وتُعرف بسبيكة الديورالومين (Duralumin).
فبذلك تكون بعض السبائك أفضل في الصناعة من استخدام معدنها الأساسي منفردًا، حيث تفوقه في بعض خصائصه الفيزيائية مثل: القوة والصلابة وتوصيل الحرارة والكهرباء. كما أنه من الممكن التحكم في هذه الخواص بتغيير نسب العناصر الداخلة في تركيب السبيكة.
استخدام السبائك في الصناعة
توجد الملايين من السبائك المُصنعة والموجودة في الطبيعة بالفعل. وفيما يلي أشهر السبائك واستخداماتها الصناعية:
| السبيكة | التركيب | الاستخدام |
| المُلغَم- Amalgam | – فلزات مذابة في الزئبق مثل فضة ونحاس وزنك | – حشوات الأسنان. |
| اللحام- Solder | – 99.25% خارصين
– 0.75% نحاس |
– توصيل مكونات الدوائر الكهربية. |
| النحاس والنيكل- &Copper
-Nickel |
-75% نحاس
-25 % نيكل |
– العملات المعدنية. |
| الحديد الصلب- Steel | -98% حديد
-2% نحاس |
– قطع السيارات والطائرات.
– حديد التسليح. |
| الديورالومين- Duralumin | -94% الومنيوم
– كميات ضئيلة من النحاس والماغنسيوم والمنجنيز |
– صناعة أجسام الطائرات. |
| البرونز- Bronze | – 78% نحاس
– 22 %خارصين |
– الآلات الموسيقية. |
إعداد: إيمان الواعي
مراجعة علمية: Amira Esmail
مراجعة لغوية: ريما رباح
المصادر:
