ألمنيوم 3103: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 3103 هي عضو في عائلة الألومنيوم-المنغنيز من سلسلة 3xxx، وتصنف كسبائك ممسوكة تجارياً غير قابلة للمعالجة الحرارية. العنصر الأساسي في السبائك الدقيقة هو المنغنيز، مع إضافات صغيرة وشوائب محكومة من السيليكون، الحديد، النحاس، والماغنيسيوم لضبط القوة وقابلية التشكيل.

تتولد القوة في 3103 بشكل رئيسي من تأثيرات المحلول الصلب والتصلب بالانفعال أثناء التشغيل البارد، بدلاً من المعالجة الحرارية بواسطة الترسيب. تجمع السبائك بين قوة متوسطة ومرونة جيدة جداً ومقاومة ممتازة للتآكل في العديد من البيئات الجوية، بالإضافة إلى سهولة اللحام والتشكيل لمنتجات الألواح والبثق.

تشمل الصناعات التي عادةً ما تستخدم 3103 التشطيبات المعمارية، التصنيع العام، مكونات أنظمة التهوية والتكييف (HVAC)، والسلع الاستهلاكية حيث يتطلب الأمر عملية رسم عميقة أو تشكيل ملحوظ. يختار المهندسون 3103 على السبائك الأكثر نقاءً عند الحاجة إلى زيادة متواضعة في الأداء الميكانيكي دون التضحية بقابلية التشكيل أو زيادة كبيرة في التكلفة مقارنةً بالسبائك الشائعة من سلسلة 1xxx و 3xxx.

أنواع المعالجة

نوع المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	سهولة اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	حالة مخدرة؛ أقصى مرونة للتشكيل
H14	متوسطة	متوسطة	جيدة جداً	ممتازة	تصلب خفيف بالانفعال؛ شائع للأجزاء المصنوعة بالرسم
H18	عالية	أقل	جيدة	ممتازة	تصلب أكبر للعمل لمزيد من الصلابة
H24	متوسطة	متوسطة	جيدة جداً	ممتازة	تصلب بالانفعال مع تخدير جزئي لتحقيق توازن
H22 / H26	متوسطة-عالية	متوسطة-منخفضة	جيدة	ممتازة	مستويات تصلب متوسطة شائعة التوريد

يتم تعديل خصائص 3103 بشكل رئيسي عبر العمل البارد؛ حيث توفر حالة O (المخدرة) أفضل مرونة وقابلية للتشكيل، في حين تزيد أنواع معالجة H درجات مقاومة الخضوع ومقاومة الشد تدريجياً. لا تنطبق معالجات الحرارة T القابلة للمعالجة الحرارية على سبائك 3xxx من المنغنيز بنفس طريقة أنظمة Al-Mg-Si أو Al-Cu، لذا تركز خيارات المعالجة على تراكيب العمل البارد والتخدير.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	0.20–0.60	مستوى شوائب؛ زيادة السيليكون تعزز القوة قليلاً لكنها تقلل المرونة
Fe	0.40–1.20	شوائب شائعة تشكل مركبات بينية قد تقلل الاستطالة
Mn	0.80–1.50	العنصر الأساسي؛ يوفر تقوية بالمحلول الصلب وتحكم في بنية الحبوب
Mg	0.05–0.50	كميات صغيرة تعزز القوة؛ ليست آلية تقسية رئيسية
Cu	0.05–0.20	نسبة منخفضة محكومة للحد من التعرض للتآكل الموضعي
Zn	0.05–0.30	نسبة طفيفة للحفاظ على تقسية الترسيب منخفضة
Cr	0.05 كحد أقصى	نسبة أثرية للتحكم في إعادة التبلور في بعض المنتجات
Ti	0.05 كحد أقصى	مكرر حبيبات في السبك أو بعض طرق التشغيل
عناصر أخرى	التوازن ألومنيوم وبقايا	تشمل عناصر أثرية مثل Pb وSn محكومة حسب المواصفة

يعتبر مستوى المنغنيز السيطرة الرئيسية على التركيب الكيميائي لـ 3103 وهو المسؤول عن معظم التمايز الميكانيكي للسبائك مقارنة بالدرجات الأنقى. السيليكون والحديد هما شوائب نموذجية من المواد الخام وعمليات التصنيع؛ تؤثر شكلية وحجم المركبات البينية على المرونة وقابلية التشكيل في المكونات المسحوبة أو المرسومة عميقاً.

الخصائص الميكانيكية

في الحالة المخدرة، يُظهر 3103 مقاومات شد وخضوع معتدلة مع استطالة نسبية عالية، مما يجعله مناسباً لعمليات التشكيل والرسم. يزيد التشغيل البارد إلى درجات H من مقاومات الشد والخضوع على حساب المرونة، مما يتيح للمصممين اختيار حل وسط بين الصلابة وقابلية التشكيل. الصلادة مرتبطة بنوع المعالجة وتتراوح عادة في نطاق برينل المنخفض في حالة O، وترتفع مع درجات H الأعلى؛ مقاومة التعب متوسطة وتعتمد على التشطيب السطحي والعمل البارد.

تؤثر سماكة المادة على الاستجابة الميكانيكية: الألواح الرقيقة تُسحب بسهولة أكبر وتتصلب بشكل أكثر انتظاماً، بينما تحتفظ الصفائح السميكة أو البثاقات بحجم حبيبات أكبر وقد تظهر إجهادات متبقية أعلى بعد التشكيل. منطقة التأثر بالحرارة من اللحام عادة ليست عرضة للهشاشة لأن السبائك لا تعتمد على تقسية الترسيب، ولكن يمكن حدوث تليين موضعي من تخدير مناطق العمل البارد قرب اللحامات.

الخاصية	O / مخدرة	نوع المعالجة الرئيسي (مثلاً H14/H18)	ملاحظات
قوة الشد	100–145 MPa	140–190 MPa	النطاق يعتمد على السماكة ونوع المعالجة؛ H18 قريب من الحد الأعلى
قوة الخضوع	40–80 MPa	90–140 MPa	قوة الخضوع تزداد بشكل ملحوظ بالتصلب بالانفعال
الاستطالة	20–38%	6–18%	المخدرة عالية المرونة؛ درجات H تقلل من المرونة
الصلادة	25–50 HB	50–85 HB	قيمة تقريبية حسب اختبار برينل؛ ترتفع مع التصلب

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 جم/سم³	معتادة لسبائك الألومنيوم-المنغنيز؛ مناسبة لتصاميم حساسة الوزن
نطاق الانصهار	645–660 °C	فاصل الصلب إلى السائل معتاد لسبائك الألومنيوم الممسوكة
التوصيل الحراري	120–150 واط/(م·ك)	أقل من الألومنيوم النقي لكنه لا يزال مرتفعاً لإدارة الحرارة
التوصيل الكهربائي	30–40% IACS	مخفض مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ كافٍ لبعض الاستخدامات الناقلة
السعة الحرارية النوعية	0.90 كج/(كغ·ك)	قيمة معتادة عند درجة حرارة الغرفة لتصميم السعة الحرارية
التوسع الحراري	23.5 ×10⁻⁶ /ك	معامل التمدد الخطي قريب من معظم سبائك الألومنيوم

يحتفظ 3103 بمعظم التوصيل الحراري والسعة الحرارية المفيدة للألومنيوم، مما يجعله مناسباً لأدوار إدارة الحرارة المتوسطة حيث تكون قابلية التشكيل الممتازة مطلوبة أيضاً. توصيله الكهربائي أقل من الألومنيوم النقي لكنه يظل كافياً للتطبيقات التي تعطي الأولوية للخصائص الميكانيكية والتشكيل على أقصى توصيل كهربائي.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	أنواع المعالجة الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2–6.0 mm	تصلب منتظم لفائف رقيقة	O, H14, H18	مستخدمة على نطاق واسع للرسم، الطباعة، الواجهات
صفائح	6–25 mm	قابلية تشكيل أقل؛ حجم حبيبات أكبر	O, H22	تستخدم للألواح الهيكلية والتصنيع
بثائق	سماكة الجدار 1–10 mm	قوة اتجاهية؛ احتمال الأنيسوتروبية	O, H14	بروفايلات للزخارف والقنوات المعمارية
أنابيب	قطر خارجي 6–168 mm	قابلية جيدة للرسم للأنابيب الملحومة والسلسة	O, H14	قنوات HVAC وأنابيب زخرفية
قضبان/أعمدة	قطر 3–50 mm	أقل شيوعاً؛ قابلية تشغيل متوسطة	O, H14	مثبتات، مكونات مخورة حيث تكون القابلية للتشكيل أقل أهمية

الألواح واللفائف هي أشكال المنتجات الأكثر انتشاراً ل3103 لأن المزايا الأساسية للسبائك هي قابلية التشكيل وسهولة التشطيب السطحي. تستفيد البثق والأنابيب من خصائص التدفق للسبائك أثناء التشوه الحار والبارد، بينما يُستخدم الصفائح والقضبان حيث تكون متطلبات التشكيل أقل وتصبح الاستقرار البعدي أو الصلابة أكثر أهمية.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3103	الولايات المتحدة الأمريكية	تصنيف الجمعية الأمريكية للألومنيوم
EN AW	3103	أوروبا	تصنيف ممسوك أوروبي، كيمياء وخصائص مماثلة
JIS	A3103	اليابان	تصنيف JIS يتوافق مع عائلة سبائك الألومنيوم-المنغنيز
GB/T	3103	الصين	المعيار الصيني للسبائك الممسوكة Al-Mn

تتناغم المعايير الإقليمية ل3103 بشكل عام في التركيب الكيميائي والشوائب المسموح بها، لكنها قد تختلف في النطاقات المسموح بها لعناصر مثل Fe وSi، بالإضافة إلى تعريفات أنواع المعالجة. تؤثر هذه الاختلافات الطفيفة على البنية المجهرية النهائية، خصوصاً شكلية المركبات البينية، والتي بدورها تؤثر على أداء الرسم العميق وجمالية السطح في التطبيقات المعمارية.

مقاومة التآكل

يوفر 3103 مقاومة جيدة جداً للتآكل الجوي مقارنةً بسبائك أخرى من الألومنيوم-المنغنيز لأن المنغنيز لا يزيد بشكل كبير من القابلية للكهروفولتية. في التعرضات الريفية والحضرية، يشكل السبائك طبقة أكسيد مستقرة تحمي الركيزة؛ الأداء في الأجواء الصناعية مقبول، بالرغم من أن الملوثات الكبريتية والحامضية تسرع من الهجوم الموضعي مقارنةً بالبيئات غير الضارة.

في البيئات البحرية أو التي تحتوي على تركيز عالٍ من الكلوريدات، يُظهر السبائك 3103 أداءً معتدلاً، لكنه أقل متانة من سبائك الألومنيوم-مغنيسيوم من السلسلة 5xxx المصممة خصيصًا للخدمة البحرية. لا يُعد تمدد التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي شائعًا في 3103 لأنه غير قابل للتقسية بالترسيب؛ مع ذلك، فإن التفاعلات الغلفانية مع المواد النبيلة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس يمكن أن تسرع التآكل الموضعي إذا سمحت تفاصيل التصميم بحجز الإلكتروليت. مقارنةً بسلسلة 1xxx (الألومنيوم تجاري النقاء) عادةً ما يُظهر السبائك 3103 أداءً ميكانيكيًا محسّنًا مع مقاومة تآكل مماثلة أو أقل قليلًا، بينما بالمقارنة مع سبائك 5xxx يتنازل عن بعض متانة التآكل لصالح قابلية تشكيل أفضل.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يتلحّم السبائك 3103 بسهولة باستخدام عمليات الاندماج التقليدية (TIG/MIG) ويظهر قابلية منخفضة للتشقق الحراري بسبب طبيعته غير القابلة للمعالجة الحرارية. الأسلاك الملحومة الموصى بها غالبًا ما تكون من تكوينات السلسلة 3xxx أو مواد ملحومة عامة من Al-Mg عندما يكون مطلوبًا زيادة اللدونة؛ يجب أن يأخذ اختيار المادة المضافة في الاعتبار متطلبات التشكيل بعد اللحام. التحكم في إدخال الحرارة مهم لتجنب تليين مفرط للمناطق المجاورة المعالجة بالتبريد البارد، رغم أن تليين منطقة التأثير الحراري أقل إشكالية مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة بالتقسية بالترسيب.

قابلية التشغيل

معدل قابلية التشغيل لسبائك 3103 متوسط وأقل قليلًا من سبائك الألومنيوم المخصصة للتشغيل السهل والمحتوية على الرصاص أو البزموت. استخدام أدوات كربيد حادة، سرعات قطع معتدلة، وإخراج جيد للرقائق يوفر نتائج سطحية ثابتة؛ تؤثر معدلات التقديم على تكوين الحواف الخشنة في القطع الرقيق. هندسة أداة القطع التي تحفز على تكوين رقائق مستمرة وتقلل من الحافة المتراكمة تحسّن الإنتاجية، خصوصًا في عمليات التشغيل مثل الخراطة والحفر.

قابلية التشكيل

تُعتبر قابلية التشكيل من بين المزايا الأساسية للسبائك 3103، حيث تُمكّن مقاومة الخضوع المنخفضة إلى المتوسطة في درجة المعالجة O من عمليات السحب العميق، والتشكيل بالدحرجة، والانحناءات المعقدة. تعتمد أقل نصف قطر انحناء على درجة المعالجة والسمك؛ في درجة المعالجة O يمكن تحقيق نصف قطر انحناء داخلي تقريبي من 0.5 إلى 1.0× السماكة بدون تشقق. بالنسبة للعملية التشكيلية الشديدة، يمكن اختيار درجات المعالجة H14 أو درجات متوسطة للتحكم في ارتداد النابض، بينما تستعيد عمليات التلدين الوسطية اللدونة عند الحاجة إلى خطوات تشكيل متعددة.

سلوك المعالجة الحرارية

السبائك 3103 غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ يتم تعديل القوة عبر الشغل البارد والتلدين المُتحكم به بدلاً من المعالجة بالمعالجة الحرارية والحملات العمرية. يتم إجراء التلدين النموذجي (O) عند درجات حرارة كافية لإعادة التبلور وتخفيف تصلب الشغل، مما يعيد اللدونة لعمليات التشكيل اللاحقة. لا تؤدي دورات التشيّج الاصطناعية المقصودة لترسيب المراحل المقوية إلى تحسين القوة لهذه العائلة من السبائك، لذا تركز المعالجة الحرارية على التعافي والتحكم في نمو الحبوب.

في تدفقات الإنتاج، يتنقل المصنعون بين تسلسل التلدين والشغل البارد للوصول إلى درجات المعالجة H المطلوبة؛ توفر عمليات التلدين الجزئية (بنمط H24) توازنًا بين القابلية المحفوظة للتشكيل وزيادة مقاومة الخضوع بالسماح بإعادة تبلور محدودة. من الضروري التحكم الدقيق في التعرض الحراري أثناء التصنيع واللحام لتجنب التليين غير المقصود أو تكبير الحبوب الذي قد يضعف الأداء الميكانيكي وجودة السطح.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تتدهور مقاومة سبائك 3103 مع ارتفاع درجة الحرارة تدريجيًا؛ يبدأ التليين الملحوظ فوق حوالي 150-200 °C، ويُعتبر الأداء بشكل عام غير مناسب للأحمال الهيكلية عند درجات حرارة مرتفعة. يقتصر الأكسدة عند هذه الدرجات بسبب الطبقة الحامية من οكسيد الألمنيوم، لكن التعرض الطويل يسرّع من نمو الحبوب وتكبير مركبات بين معدنية، مما يقلل من اللدونة ومقاومة التعب. السبائك مناسبة جيدًا للتحميلات الحرارية قصيرة الأجل ودرجات الحرارة المتوسطة للخدمة لكنها غير مناسبة للتطبيقات الهيكلية ذات درجة الحرارة العالية المستمرة.

يمكن أن تشهد مناطق التأثير الحراري للحام تأثيرات تمبريّة موضعية؛ وبما أن السبائك غير محكمة بتقسية الترسيب، يظهر ذلك عادةً على شكل انخفاض في تقوية الشغل البارد وتغيرات موضعية في بنية الحبوب بدلاً من زيادة ضعف القياسية الناتجة عن التشيّج المفرط. ينبغي للمصممين تقليل الضغوط المسموح بها للأجزاء المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة مستمرة والنظر في سبائك بديلة للخدمات المستمرة فوق 200 °C.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 3103
الهندسة المعمارية	ألواح التكسية وأسقف التسقيف	قابلية تشكيل ممتازة وتشطيب سطحي عالي الجودة للأشكال المعقدة
أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء / قنوات التهوية	قنوات الهواء والغرف الهوائية	سهولة التصنيع، مقاومة التآكل، وزن منخفض
السلع الاستهلاكية	الأجهزة المنزلية، أغطية أدوات الطهي	قابلية السحب وتوافق مع عمليات المعالجة السطحية
صناعة السيارات	تشطيبات داخلية، ألواح غير هيكلية للجسم	توازن بين قابلية التشكيل وزيادة القوة مقابل الألومنيوم التجاري النقي
الإلكترونيات	أغطية موزعات الحرارة	ناقلية حرارية جيدة مع سهولة الطباعة

يجمع السبائك 3103 بين قابلية التشكيل، القوة المتواضعة، ومقاومة التآكل مما يجعله خيارًا عمليًا للعديد من المكونات غير الهيكلية التي تتطلب تشكيلات معقدة وتشطيب سطحي جذاب. تسهّل سهولة تصنيعه من تعقيد وتكلفة التصنيع لقطع الضغط أو السحب ذات الحجم الكبير.

نصائح الاختيار

بالنسبة للمهندس الذي يختار بين 3103 والألومنيوم التجاري النقي (مثل 1100)، يقدم 3103 قوة شد ومقاومة خضوع أعلى مع تنازل طفيف في الموصلية الكهربائية والحرارية. تُختار 3103 عندما تكون تعقيدات التشكيل وزيادة القوة المتواضعة أهم من تحقيق أقصى موصلية.

بالمقارنة مع سبائك الشغل البارد الأخرى مثل 3003 و5052، يقع 3103 عادةً بين 3003 و5052 من حيث القوة ومقاومة التآكل: فهو يوفر قوة محسنة مقارنة بـ1100/3003 مع الحفاظ على قابلية تشكيل أفضل من سبائك Mg العالية في سلسلة 5xxx. يستخدم 3103 عندما تحتاج إلى قوة أعلى من 3003 ولكن مع ضرورة الحفاظ على قابلية السحب العميق وتشطيب السطح.

مقابل السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، لن يصل 3103 إلى أقصى قوى لها، لكنه غالبًا ما يُفضّل حينما يكون التشكيل المعقد، التكلفة المنخفضة، أو التوازن المحسّن بين المقاومة للتآكل وقابلية التشكيل مطلوبًا. اختر 3103 للأشكال المختومة أو المسحوبة حيث تكون المعالجة الحرارية بعد التشكيل غير عملية.

خلاصة ختامية

يبقى السبائك 3103 ألومنيومًا هندسيًا عمليًا للأجزاء التي تعطي الأولوية لقابلية التشكيل، مقاومة التآكل، وتصنيع بتكلفة فعّالة مع الحاجة إلى تحسينات متواضعة في القوة مقارنةً بدرجات الألومنيوم النقي التجاري. تبسط طبيعته غير القابلة للمعالجة الحرارية تدفقات العمل التصنيعية ويجعله عنصرًا أساسيًا للقطع المختومة، المسحوبة، والمُشكلة بالاختراق في قطاعات العمارة، التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، والمنتجات الاستهلاكية.