الألومنيوم 3003: التركيب، الخواص، دليل درجات التصلب والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
الدرجة 3003 هي عضو في سلسلة 3xxx من سبائك الألومنيوم المشغولة، وتتميز باستخدام المنغنيز كإضافة سبائكية رئيسية. عائلة 3xxx غير قابلة للمعالجة الحرارية وتقوى أساسًا من خلال تأثيرات المحلول الصلب والتقسية بالجهد، حيث تعتمد 3003 على إضافات Mn لتوفير توازن بين القوة وقابلية التشغيل.
تتكّون تركيبة السبك من المنغنيز بنسبة تقارب 1.0–1.5%، مع محتوى نحاس صغير ومتحكم به ومستويات منخفضة من السيليكون والحديد. تنتج هذه التركيبة قوة معتدلة أعلى من الألومنيوم التجاري النقي، ومقاومة جيدة للتآكل، وقدرة ممتازة على التشكيل في الحالات اللينة، وقابلية لحام موثوقة، مما يجعلها سبائك متعددة الاستخدامات للألواح والبثق.
يُستخدم 3003 على نطاق واسع في أنظمة التكييف والتهوية وتدوير الهواء (HVAC)، أواني الطهي، مناولة المواد الكيميائية، تغليف المباني، والعمل العام في الصفائح المعدنية حيث تكون قابلية التشكيل ومقاومة التآكل ضرورية. يختار المهندسون 3003 عندما يحتاجون إلى بديل أقوى من الألومنيوم النقي من سلسلة 1000 دون الحاجة إلى زيادة القوة عبر المعالجة الحرارية، وعندما تشمل عمليات التصنيع الثني والطباعة واللحام.
مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية، يضحّي 3003 بأقصى مقاومة شد وخضوع لكنه يكسب قابلية تشغيل مستقرة وانخفاض احتمال التشوه الناتج عن التبريد المفاجئ. كما أن توفره الواسع وتكلفته المنخفضة مقارنة بالسبائك الخاصة تعزّز من استخدامه في التطبيقات ذات الحجم العالي والسلع الأساسية.
أنواع المعالجات الحرارية (Temper)
| الحالة (Temper) | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالي (20–40%) | ممتاز | ممتاز | مخمّد تماماً، الأفضل للسحب العميق والتشكيل |
| H12 | متوسط | متوسط (10–20%) | جيد | ممتاز | عمل بارد خفيف، زيادة طفيفة في القوة مقارنة بـ O |
| H14 | متوسط | متوسط-منخفض (6–12%) | جيد | ممتاز | ربع صلب؛ شائع للطباعة والتشكيل المتوسط |
| H16 | متوسط-عالي | منخفض (4–8%) | مقبول | ممتاز | نصف صلب؛ يستخدم عندما يكون الصلابة أعلى مطلوبة |
| H18 | عالي | منخفض (1–6%) | محدود | ممتاز | صلب تماماً؛ يستخدم للتطبيقات التي تتطلب صلابة عالية |
يغيّر النوع الحراري أداء 3003 بشكل واضح عبر العمل البارد بدلًا من آليات الترصيع. توفر المادة المخمّدة (O) أقصى قدرة على اللدونة وقابلية التشكيل لعمليات السحب العميق والثني، بينما تزيد درجات H القوة نتيجة للتقسية بالجهد على حساب الاستطالة وقابلية التشكيل إلى حد ما.
اختيار الحالة هو مقايضة مباشرة بين سهولة التصنيع ومتطلبات الصلابة أو مقاومة الخضوع النهائية. تبقى قابلية اللحام ممتازة عبر الحالات لأن التقسية ليست معتمدة على المعالجة الحرارية، لكن التخفيف المحلي في منطقة تأثير الحرارة (HAZ) قد يقلل قليلاً من القوة بجانب اللحامات.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | متحكم به لتقليل الفازات الهشة والحفاظ على قابلية التشكيل |
| Fe | ≤ 0.7 | شوائب شائعة؛ الزيادة تقلل اللدونة وتزيد اللاتماثل الالكتروني |
| Mn | 1.0–1.5 | العنصر السبائكي الرئيسي الذي يوفر تقسية بالجهد |
| Mg | ≤ 0.1 | عادة بقايا؛ ليس عامل تقوية رئيسي في 3003 |
| Cu | 0.05–0.20 | إضافة صغيرة لرفع القوة وتعديل السلوك الميكانيكي |
| Zn | ≤ 0.1 | يخفض لمنع السلوك الجلفاني الضار والهشاشة |
| Cr | ≤ 0.05 | عادة بقايا؛ يمكن أن يؤثر على بنية الحبوب إذا كان موجودًا |
| Ti | ≤ 0.15 | يظهر كشائبة أو مزيل أكسجين؛ قد يوجد بكميات ضئيلة |
| عناصر أخرى (لكل منها) | ≤ 0.05 | بقايا؛ توازن الألومنيوم حسب الفرق |
المنغنيز هو العنصر السبائكي المقصود الذي يثبّت مستوى قوة أعلى من خلال تقسية المحلول الصلب وتحسين تركيب الحبوب. يزيد النحاس القوة بشكل معتدل ويمكن أن يقلل قليلاً من مقاومة التآكل إذا كان قريباً من الحد الأعلى للمواصفات.
يتم التحكم في السيليكون والحديد لتقليل الفازات الهشة والحفاظ على جودة السطح وسلوك التشكيل الجيد. تمت ضبط توازن هذه العناصر لدعم الاستجابة للعمل البارد عوضًا عن التصلب بالترسيب المعتمد على المعالجة الحرارية.
الخواص الميكانيكية
يعكس سلوك الشد في 3003 نمط السبائك المقواة بالجهد وغير القابلة للمعالجة الحرارية: حيث تتغير الخواص مع الحالة ومقدار العمل البارد. في الحالة المخمّدة تظهر السبائك قوة خضوع منخفضة وقوة شد معتدلة مع استطالة عالية، مما يتيح عمليات السحب العميق والتشكيل المعقد. مع تقدم الحالات من H12 إلى H18 ترتفع قوى الخضوع والشد بينما تنخفض الاستطالة وقابلية الثني بشكل متوقع.
الصلادة تزداد مع العمل البارد وترتبط بخواص الشد؛ تكون الصلادة منخفضة عادة في حالة O وترتفع تدريجيًا في سلسلة H. أداء التعب معتدل ويتأثر بشدة بحالة السطح، والعمل البارد، والضغوط المتبقية الناتجة عن التشكيل واللحام. قد تظهر القطاعات السميكة تحسنًا طفيفًا في عمر التعب بسبب انخفاض حساسية الشق، لكنها قد تكون أقل قابلية للتشكيل وأصعب في الطباعة.
معدل تقسية الجهد والسمك يؤثران على اللدونة النهائية والارتداد الزنبركي. الصفائح الرقيقة أسهل تشكيلًا عند نصف قطرات ضيقة، في حين أن الألواح السميكة أو البثق الثقيل تقاوم التشكيل وتتطلب قوة أكبر أو حالات صلابة أعلى. يسبب اللحام مناطق ليونة موضعية لكنه عادة لا يسبب هشاشة كبيرة لأن التصلب بالترسيب غير مستخدم في هذه السبائك.
| الخاصية | O/مخمّد | درجة رئيسية (H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | 110–155 MPa (16–22 ksi) | 160–220 MPa (23–32 ksi) | تزداد مقاومة الشد مع العمل البارد؛ النطاقات نموذجية للحالات الشائعة |
| مقاومة الخضوع | 35–70 MPa (5–10 ksi) | 120–170 MPa (17–25 ksi) | تزداد مقاومة الخضوع بشكل كبير في حالات H نتيجة لتقسية الجهد |
| الاستطالة | 20–40% | 6–12% | اللّدونة تنخفض بشكل ملحوظ مع زيادة العمل البارد |
| الصلادة (HB) | 25–45 | 40–80 | الصلادة ترتبط تقريبا مع مقاومة الشد ومستوى الحالة |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.73 g/cm³ | نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ مفيدة لحساب الكتلة والوزن |
| نطاق الانصهار | ~ 645–660 °C | نطاق انصهار ضيق بدون تكون يوتكتيكي مميز؛ مهم للّحام والتلحيم |
| الموصلية الحرارية | ~ 120–160 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي لكنها لا تزال ممتازة لتوزيع الحرارة |
| الموصلية الكهربائية | ~ 30–40 % IACS | انخفضت مقارنة بسلسلة 1000 بسبب السبائكية؛ كافية لبعض الموصلات منخفضة الجهد |
| السعة الحرارية النوعية | ~ 900 J/kg·K | مماثلة لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ مهمة لحسابات السعة الحرارية |
| معامل التمدد الحراري | ~ 23–24 µm/m·K | معامل تمدد نموذجي للألومنيوم؛ ضروري لتصميم التجميعات لتفادي تشوه أو فشل اللحامات |
تجعل الكثافة والخصائص الحرارية 3003 خيارًا جذابًا حيثما يُطلب كتلة منخفضة ونقل حراري جيد، مثل المبادلات الحرارية وأواني الطهي. تقل الموصلية الكهربائية مقارنة بالدرجات النقية لكنها تبقى مناسبة لاستخدامات كهربائية وتداخل المجال الكهرومغناطيسي (EMI) محدودة حيث تُفضل القوة الميكانيكية.
يجب أخذ معامل التمدد الحراري في الحسبان عند الربط مع مواد مختلفة لمنع التشويه أو فشل الختم. كما يؤثر نطاق الانصهار والموصلية الحرارية على ممارسات اللحام وتحكم كمية الحرارة لتقليل التليين في منطقة تأثير الحرارة (HAZ).
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | المقاسات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2–6.0 mm | المقاومة تتفاوت مع المقاس؛ السماكات الرقيقة سهلة التشكيل | O, H14, H16 | تستخدم على نطاق واسع للألواح، الأسقف، والأجهزة المنزلية |
| صفائح | >6.0 mm | قابلية تشكل أقل؛ مقاومة متبقية أعلى في حالات H | H16, H18 | تُستخدم حيثما يتطلب الصلابة ومقاومة التآكل |
| بروفيلات بثق | بروفيلات يصل طولها إلى عدة أمتار | المقاومة تعتمد على عملية البثق والمعالجة/العمل البارد | O, H12, H14 | مقاطع معقدة للاستخدامات المعمارية والهيكلية |
| أنابيب | أقطار من الصغيرة إلى الكبيرة | سماكة الجدار تؤثر على الصلابة ومقاومة الانهيار | O, H14 | تستخدم لأنظمة التهوية والتكييف، المواسير والهياكل خفيفة الوزن |
| قضبان/أعمدة | أقطار 3–100 mm | مقاومة مسحوبة نموذجية مع اختلاف حد العمل البارد | H14, H18 | تستخدم للأجزاء المصنعة والمسامير حيث لا تكون تشكيلية المواد حرجة |
الألواح هي المنتج التجاري الأكثر شيوعاً لـ 3003، تُورد في لفائف وقصاصات للطباعة والتشكيل بالبثق. تستخدم المقاطع المُبثوقة حيثما تتطلب الملفات الشخصية المخصصة، وقد تُسلم في مقاسات ألين للسماح بالتشكيل بعد البثق.
الصفائح والمقاطع الثقيلة أقل شيوعاً بسبب محدودية قابلية التشكيل وتكاليف التصنيع الأعلى، لكنها تُختار من أجل الصلابة الهيكلية أو حيثما تكون المعالجة بالقطع واللحام هي طرق التصنيع الأساسية. الأنابيب والقضبان تخدم أدواراً ميكانيكية ومعالجة سوائل متخصصة تتطلب مقاومة للتآكل وقوة متوسطة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 3003 | الولايات المتحدة الأمريكية | تعيين ASTM/AA؛ مرجع شائع في أمريكا الشمالية |
| EN AW | 3003 | أوروبا | EN AW-3003 مكافئ بشكل عام؛ تحقق من المقاسات والتحملات المحلية |
| JIS | A3003 | اليابان | غالباً ما يُشار إليها بـ A3003؛ ينبغي التحقق من حدود الشوائب مقابل مواصفات AA |
| GB/T | 3A21 (تقريباً) | الصين | 3A21 تُستخدم غالباً كمكافئ صيني مع اختلافات طفيفة في التركيب الكيميائي |
تسمية الدرجات المكافئة عبر المعايير عادة ما تعكس كيمياء السبائك، لكن اختلافات حدود الشوائب، تعريفات المقاسات، ومتطلبات التشطيب السطحي قد تؤثر على قابلية الاستبدال. يجب على المهندسين التحقق من جداول الخواص الميكانيكية وحدود المواصفات للمعيار المعني عند استبدال المواد من مصادر جغرافية مختلفة.
ينبغي تحديد لغة الشراء وشهادات الاعتماد في العقود لتشمل المعيار المعمول به والاختبارات الميكانيكية والكيميائية المطلوبة لتفادي الاختلافات الطفيفة بين النسخ الإقليمية.
مقاومة التآكل
تتمتع درجة 3003 بمقاومة جيدة للتآكل الجوي عامةً بسبب طبقة أكسيد الألومنيوم السلبية والمحتوى المنخفض نسبياً من النحاس والزنك. تقاوم البيئات المؤكسدة والجو الحضري بشكل فعال، مما يجعلها خياراً شائعاً لواجهات المباني، مجاري التهوية، والحوامل الخارجية.
في البيئات البحرية تعتبر 3003 مقبولة للعديد من الاستخدامات الهيكلية والتزيينية لكنها ليست مقاومة مثل الدرجات البحرية عالية السبائك مثل 5083 أو 5086. التعرض الطويل لمياه البحر أو الظروف الغنية بالكلوريد قد يسبب حدوث حفر؛ يوصى باستخدام طبقات حماية أو قطب ذكي لحماية الخدمة طويلة الأمد.
التشققات الناتجة عن إجهاد التآكل ليست مصدر قلق كبير للدرجة 3003 لأنها ليست سبائك معالجة حرارياً عالية القوة؛ ومع ذلك يمكن للإجهادات المتبقية العالية مع البيئات العدائية أن تؤدي إلى فشل موضعي. يجب إدارة التفاعلات الكهروكيميائية مع معادن مختلفة لأن الألومنيوم سيكون الأنود مقابل الفولاذ والنحاس، مما يتطلب العزل أو الطلاء لمنع تسريع التآكل.
مقارنةً مع سبائك السلسلة 1xxx، تقدم 3003 قوة محسنة مع مقاومة تآكل معادلة. بالمقارنة مع سبائك 5xxx و6xxx، عادةً ما تقدم 3003 قوة أقل لكن مقاومة تآكل بحرية مماثلة أو أقل قليلاً حسب التركيب الكيميائي والبيئة المستخدمة.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
تُلحَم 3003 بسهولة بعمليات TIG، MIG (GMAW)، واللحام المقاومة لأنها غير مقواة بهورنات كالتي تسببها الترسيبات. استخدام مواد حشو ألومنيوم قياسية مثل ER4043 (Al-Si) أو ER5356 (Al-Mg) شائع؛ يوفر ER4043 سيولة ممتازة ومخاطر مسامية منخفضة، بينما يمنح ER5356 قوة أعلى في اللحام. خطر التشقق الحراري منخفض لكنه يزيد مع سوء التنظيف، تشديد المفصل المفرط، أو اختيار حشو غير مناسب؛ يجب السيطرة على إدخال الحرارة ونظافة السطح لتقليل المسامية.
مناطق التأثير الحراري أثناء اللحام تطرى عند الربط بين حالات H وO لكنها لا تنتج تقوية ترسيبية. الخواص الميكانيكية بعد اللحام تعتمد أساساً على حالة المعدن الأساسي واختيار الحشو؛ ينصح بإجراء اختبارات ميكانيكية على عينات اللحام في التطبيقات الهيكلية الحرجة.
قابلية التشغيل
تتمتع 3003 بقدرات تشغيل جيدة لكنها لا تصنف على أنها سبيكة سهلة القطع؛ معدلات التشغيل متوسطة وتستفيد من إعدادات صلبة وأدوات كربيد حادة. تنتج رقاقة متصلة ومرنة قد تلتصق بالأداة إن لم تكن سرعات القطع والتغذية محسوبة جيداً؛ تساعد أدوات كسر الرقائق وتصاميم الزوايا الإيجابية في إدارة التفل.
تآكل الأدوات متوسط بسبب ميل الألمنيوم للالتصاق والأضرار؛ استخدام مواد تشحيم، كربيد مطلي، أو فولاذ عالي السرعة مع أشكال مناسبة يحسن عمر الأداة. يجب ضبط سرعات الحفر والطحن للالومنيوم بحيث تكون التغذية عالية وسرعات الدوران منخفضة نسبياً لمنع التراكم الحاد على الأدوات.
قابلية التشكيل
تعتبر قابلية التشكيل من نقاط القوة ل3003، خصوصاً في حالة O، حيث يمكن السحب العميق والثني لأطوال نصف قطر صغيرة بسهولة. تعتمد أقل نصف أقطار ثني على السماكة وحالة المقاس، لكن حالة O غالباً ما تسمح بأنصاف أقطار تصل إلى 0.5–1.0× السماكة للعديد من العمليات، بينما تتطلب حالات H14/H16 أنصاف أقطار أكبر وقد يحتاج الأمر إلى تليين للعمليات الشديدة.
العمل البارد يزيد القوة مع تقليل الليونة؛ التليين الوسيط (O) يمكن استعادة قابلية التشكيل بعد تشوهات كبيرة. للتشكيل المعقد بخطوات متعددة، خطط لتعويض الزحف بناءً على الحالة والمقاس.
سلوك المعالجة الحرارية
3003 سبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية وبالتالي لا تستجيب لعلاج الحل والتعتيق الاصطناعي للتقوية. محاولات تطبيق دورات المعالجة الحرارية المستخدمة مع سلاسل 6xxx أو 7xxx لن تولد تقسية ترسيبية في 3003؛ الصفات الفيزيائية تتحكم بها التركيبة والعمل البارد.
يتم التحكم بالخواص عبر التقسية الميكانيكية ودورات التليين. التليين الكامل (O) يتم بالتسخين إلى مدى حرارة محدد يليه تبريد محكوم لاستعادة الليونة، بينما تُشكل المقاسات العمل البارد المتدرجة (H12–H18) عن طريق تعريف مستويات العمل البارد وفي بعض الحالات علاجات استقرار مثل H112.
نظراً لأن التقوية ميكانيكية وليست ميتالورجية، تستخدم الأجزاء التي تتطلب تقسية موضعية أو تقوية انتقائية عمليات العمل البارد أو معالجات ميكانيكية محلية بدلاً من المعالجات الحرارية الشاملة.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تتحمل 3003 انخفاض تدريجي في القوة مع ارتفاع درجة الحرارة كما هو معتاد في سبائك الألومنيوم؛ فوق 150–200 °C تنخفض مقاومة الخضوع والشّد بشكل ملحوظ. التعرض الطويل فوق 200 °C غير موصى به عن التطبيقات الحاملة للأحمال بسبب تسارع الزحف والتطرّي.
الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة محدودة بسبب طبقة الألومينا الحامية، لكن قد تحدث تغيرات في لون السطح وتشققات عند درجات حرارة عالية أو في ظروف جوية عدائية. المناطق المتأثرة باللحام قد تظهر تطرّي في HAZ لكنها لا تخضع لتحولات المقاس الشائعة في السبائك المعالجة حرارياً.
يجب الأخذ بعين الاعتبار التمدد الحراري والتوسع المختلف مع المواد المختلفة المرتبطة لمنع التعب وفك الوصلات في التصميم. للخدمة المستمرة في درجات حرارة مرتفعة، يُفضل اختيار سبائك مصممة خصيصًا لقوة عالية في درجات حرارة عالية.
التطبيقات
| الصناعة | مكونات نموذجية | سبب استخدام 3003 |
|---|---|---|
| تكييف وتهوية HVAC | أوعية وأنابيب التهوية | قابلية تشكيل جيدة ومقاومة التآكل لمعالجة الهواء |
| الأجهزة المنزلية | أواني الطبخ، ألواح الأفران | نقل حراري جيد وقابلية تشكيل للأشكال المسحوبة |
| البناء والمعمار | التغليف الخارجي، الأسقف الفرعية | مقاومة الطقس وسهولة التصنيع |
| الكيماويات والعمليات | خزانات، مكونات الأنابيب | مقاومة للتآكل الكيميائي وسهولة اللحام |
| الكهرباء ونقل الحرارة | المشتتات الحرارية، المشعات | موصلية حرارية مع قوة مناسبة |
تظل 3003 سبائك عمل موثوقة في العديد من الصناعات نتيجة توازنها بين قابلية التشكيل، مقاومة التآكل، والكفاءة الاقتصادية. استجابتها المتوقعة للعمل البارد وتوافرها الواسع في شكل ألواح، لفائف، ومقاطع بثق تجعلها خياراً ميسور التكلفة للتصنيع بكميات كبيرة.
رؤى الاختيار
اختر 3003 عندما تحتاج إلى قوة أفضل مقارنةً بالألومنيوم النقي تجارياً (سلسلة 1000) مع الحفاظ على قابلية تشكيل ممتازة ومقاومة التآكل. بالمقارنة مع 1100، يتخلى 3003 عن بعض الموصلية الكهربائية والحرارية مقابل زيادة ملموسة في القوة الميكانيكية وتحسين مقاومة التشوه أثناء التشكيل.
مقارنةً بسبائك العمل المقسى القريبة مثل 5052، يقدم 3003 عادةً سهولة تشكيل أكبر ومقاومة تآكل مماثلة لكنه أقل قوة؛ يفضّل استخدام 5052 عند الحاجة إلى قوة أعلى ومقاومة تآكل بحرية أفضل. وعند المقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يتم اختيار 3003 لعمليات التصنيع التي تتطلب تشكيلاً واسعاً ولحاماً حيث لا تكون القوة القصوى حرجة ويتم إيلاء الأولوية للتكلفة والليونة.
لعمليات الشراء، أعطِ الأولوية لاختيار الطراز الحراري وشهادة المورد على رقم السبيكة الاسمي عند أهمية قابلية التشكيل أو قوة اللحام. إذا كانت قوة أعلى مطلوبة بعد التشكيل، فكر في العمل البارد الميكانيكي أو الانتقال إلى سبيكة ذات قوة داخلية أعلى مع تقبل التنازلات المناسبة في التصنيع.
ملخص ختامي
يُعد 3003 سبيكة ألومنيوم متعددة الاستخدامات مُعزّزة بالمنغنيز تملأ الفراغ بين الألومنيوم النقي والسبائك القابلة للمعالجة الحرارية ذات القوة الأعلى، من خلال تقديم توازن جيد بين القوة، وقابلية التشكيل الممتازة، ومقاومة التآكل الموثوقة. طبيعته غير القابلة للمعالجة الحرارية تُبسط خيارات التصنيع وتجعله مادة فعالة من حيث التكلفة ومتوفرة على نطاق واسع للألواح والمواد المستخرجة والمكونات المشكلة في العديد من الصناعات.