ألمنيوم 383: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

السبائك 383 (المعروفة عادة باسم A383 في تسمية الصب بالقوالب) هي سبيكة صهر ألومنيوم-سيليكون-نحاس تقع ضمن عائلة سبائك الصب Al–Si–Cu والتي تُصنَّف غالبًا في سلسلة الصب 3xx.x. تركيبتها الكيميائية تتركز على محتوى سيليكون مرتفع نسبيًا مع اضافات متعمدة للنحاس لزيادة القوة والسماح بالتقسية بالتقدم في العمر؛ الباقي هو الألومنيوم مع عوامل سبائكية أثرية معدلة لقابلية الصب.

تعزيز القوة في 383 يعتمد بشكل رئيسي على التقسية بالتقدم في العمر (precipitation/age hardening) الناجم عن النحاس وبدرجة أقل المغنيسيوم، مقترنًا بتحسين البنية المجهرية المكتسبة أثناء التصلب والمعالجة الحرارية؛ لذلك تُصنف هذه السبيكة على أنها قابلة للمعالجة الحرارية في التطبيق الهندسي الشائع لقطع الصب بالقوالب. من الصفات النموذجية: جيدة السيولة في الصب بالقوالب، واستقرار أبعادي عالي، ومتانة ثابتة متوسطة إلى عالية بعد التقدم في العمر، وموصلية حرارية مقبولة، ومقاومة معقولة للتآكل في البيئات الجوية؛ ولا يُعتبر قابلية التشكيل عامل تصميم رئيسي لأن 383 مخصصة للأشكال المصبوبة وليس لتشكيل الصفائح.

الصناعات التي تستخدم 383 بشكل شائع تشمل السيارات (هياكل هيكلية، مكونات نقل الحركة والمحرك)، والإلكترونيات الاستهلاكية (هياكل هيكلية وموصلات)، وبعض المعدات الصناعية حيث تُطلب أشكال معقدة رفيعة الجدران مع قوة متوسطة. يختار المهندسون 383 بدلاً من السبائك الأخرى عندما تكون قابلية التصنيع بالصُب بالقوالب، التحمل الأبعادي، والقدرة على الوصول لقوة أعلى عبر المعالجة الحرارية بعد الصب أهم من الليونة وجودة السطح للمنتجات المشغولة.

متغيرات المعالجة (Temper)

المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O (كما صُب / معاد التلدين)	منخفضة	مرتفعة (عادة 3–8%)	ضعيفة إلى متوسطة	متوسطة	مخفف الإجهاد / بنية مصبوبة؛ أعلى ليونة للأجزاء المصبوبة
T5 (متقدم عمر صناعيًا)	متوسطة	منخفضة (1–4%)	ضعيفة	متوسطة-ضعيفة	مألوف للقطع المصبوبة التي تُقدم العمر مباشرة بعد التبريد أو التبريد البطيء
T6 (معالجة محلولية ومتقدمة عمر صناعيًا)	عالية	منخفضة (1–3%)	ضعيفة	محدودة	تحقق أقصى قوة عبر المعالجة المحلولية والتبريد السريع والتقدم في العمر
T7 (متقدم عمر مفرط / مستقر)	متوسطة-عالية	منخفضة إلى متوسطة	ضعيفة	محدودة	تستخدم لتحسين الاستقرار والمتانة مع فقدان معتدل في القوة القصوى
HT (معالجات حرارية خاصة)	متغيرة	متغيرة	ضعيفة	متغيرة	دورات تثبيت خاصة مملوكة لتحسين الأبعاد أو الخصائص الميكانيكية

اختيار المعالجة يؤثر بشكل كبير على أداء 383: يوفر T6 أعلى خصائص شد ثابتة على حساب الاستطالة، بينما يقدم T5 حلاً وسطًا مناسبًا للإنتاج يتجنب المعالجة الحرارية المحلولية الكاملة. حالة الصب (O) تحافظ على أعلى ليونة وتقلل من خطر التشوه لكنها تمنح قوة وصلادة أقل بكثير مقارنة بحالات T5/T6.

التركيب الكيميائي

العنصر	نسبة %	ملاحظات
Si	8.5–11.5	العنصر السبائكي الأساسي؛ يتحكم في السيولة ويقلل الانكماش ويعدل القوة
Fe	0.6–1.5	عنصر شوائب؛ يشكل مركبات بين فلزية قد يسبب هشاشة حدود الحبوب إذا زاد محتواه
Mn	0.2–0.6	يساعد في تعديل مركبات Fe بين الفلزية ويُحسن القوة والمتانة قليلاً
Mg	0.05–0.30	يساهم في التقسية المطرية عند وجود Cu؛ غالبًا ما يكون منخفضًا في درجات الصب
Cu	2.0–3.5	الإضافة الرئيسية للتقسية بالتقدم في العمر؛ يزيد القوة ويمكن أن يقلل مقاومة التآكل
Zn	0.1–0.5	ثانوي؛ عادةً مُتحكم فيه عند قيم منخفضة، يؤثر على القوة بشكل هامشي
Cr	0.05–0.25	مكرر للحبيبات ويساعد في التحكم بشكل المركبات بين الفلزية
Ti	0.02–0.15	يستخدم كمرَكّز للحبيبات أثناء الصهر والعمليات الصب
عناصر أخرى (Ni, Pb, Sn, التوازن Al)	أثرية	إضافات ضئيلة مُتحكم بها أو بقايا؛ الألومنيوم يشكل باقي السبيكة

التركيب الكيميائي للسبائك 383 مُحسن لقابلية الصب والتقسية بالتقدم في العمر: حيث يحسن السيليكون السيولة ويقلل الانكماش، بينما يوفر النحاس آلية تقسية متقدمة قوية. الحديد والمنغنيز يتحكمان في المراحل بين الفلزية ويؤثران على المتانة؛ كما تُستخدم عناصر ثانوية مثل التيتانيوم والكروم لتنقية الحبيبات وتحسين التغذية أثناء التصلب.

الخصائص الميكانيكية

سلوك الشد في 383 يعتمد بشكل كبير على جودة الصب، سماكة القسم، والمعالجة الحرارية. عادةً تظهر المادة كما صُبت قوة شد نهائية معتدلة مع ليونة منخفضة نسبيًا تُعزى إلى المسامية وجزيئات السيليكون الخشنة؛ بعد المعالجات الحرارية T5/T6 تتطور الترسبات التي ترفع مقاومة الخضوع وقوة الشد النهائية لكنها تقلل الاستطالة.

تتزايد مقاومة الخضوع حسب حالة التقدم في العمر وحجم القسم: تستجيب مكونات الجدران الرقيقة أسرع للتقدم الصناعي في العمر وتظهر مقاومات خضوع أعلى من الأقسام السميكة بسبب معدلات تبريد أسرع وبنية مجهرية أدق. الصلادة تزيد بشكل ملحوظ من حالة O إلى T6، مما يعكس ترسيب المراحل الغنية بالنحاس؛ تتراوح قيم الصلادة (HB) من منخفضة نسبيًا (صلادة الصب الناعمة) إلى متوسطة-عالية إعتمادًا على المعالجة الحرارية.

مقاومة التعب في 383 أسوأ من سبائك الألومنيوم المشغولة لأن المسامية والمركبات بين الفلزية تعمل كمواقع نشوء للشقوق؛ ويتطلب التصميم للتعب ممارسة صب محكمة وغالبًا معالجة كثافة لاحقة أو معالجة سطوح. تأثير السماكة ملحوظ — الأقسام السميكة تبرد ببطء، مما يزيد من خشونة السيليكون الإيوتيك والمركبات بين الفلزية، وتظهر مقاومة وقوة تعب أقل مقارنة بالقطع الرقيقة.

الخاصية	O/معاد التلدين	درجة مفتاحية (مثال: T6)	ملاحظات
قوة الشد النهائية (UTS)	120–200 MPa	260–350 MPa	نطاق واسع بسبب سماكة القسم، المسامية والمعالجة الحرارية
مقاومة الخضوع (انزياح 0.2%)	70–140 MPa	180–300 MPa	تعزز T6 مقاومة الخضوع بشكل كبير عبر ترسيب النحاس
الاستطالة	3–8%	1–4%	تنخفض الليونة مع زيادة القوة والتقدم في العمر
الصلادة (HB)	50–80 HB	80–110 HB	تزداد صلادة برينل مع التقدم في العمر وانخفاض المسامية

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70–2.78 g/cm³	نمطي لسبائك صب Al–Si، يعتمد قليلاً على المسامية
نطاق الانصهار	~515–615 °C (الصلب–السائل)	تؤثر السيليكون الإيوتيكي والابتدائي على مجال الانصهار؛ التحكم في العملية مهم
الموصلية الحرارية	~120–150 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ جيدة لتبديد الحرارة
الموصلية الكهربائية	~20–35% IACS	منخفضة بسبب العناصر السبائكية خاصة Cu وSi
السعة الحرارية النوعية	~0.85–0.95 J/g·K	نمطية للألومنيوم، تختلف قليلاً مع درجة الحرارة
التوسع الحراري	21–24 µm/m·K	معامل تمدد حراري مماثل لكثير من سبائك صب Al–Si

الملف الفيزيائي يجعل 383 جذابة للمكونات التي تتطلب تبديد حرارة جيد مع كتلة منخفضة نسبيًا. سلوك الانصهار والتصلب مركزي لتصميم عملية الصب بالقوالب لأن الهيكل الإيوتيكي وشكل السيليكون الابتدائي يتحكمان في الخصائص الميكانيكية واتجاهات الانكماش.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
القوالب المصبوبة بالقالب (أساسية)	سماكة الجدار 1–12 مم	الأجزاء الرقيقة: قوة أعلى بعد التحمل؛ الأجزاء السميكة: قوة أقل	O, T5, T6	الشكل الأكثر شيوعًا لـ 383؛ هندسة معقدة وجدران رقيقة
القوالب الرملية / القوالب الدائمة	>10 مم	بنية ميكروية أكثر خشونة، خواص ميكانيكية أقل	O, HT	تستخدم لأجزاء أكبر حيث تكون القوالب المصبوبة بالقالب غير عملية
السبائك / الصفيحة	أحجام المواد الأولية للصب	غير قابل للتطبيق	خام كما هو مصبوب	تُزوّد لصانعي القوالب ومسبكّات لإعادة الصهر
الأجزاء المشغّلة	مختلفة بعد الصب	تعتمد القوة على الصب الأصلي والمعالجة الحرارية	T5/T6	تشغيل ما بعد الصب شائع للميزات الحرجة
الطرق / البثق	نادرة	عادة غير معالجة بالبثق أو الطرق	غير متوفر	كيمياء السبيكة وتصميم يركز على الصب تجعل البثق غير شائع

يُنتج ويُستهلك 383 أساسًا كأجزاء مصبوبة بالقالب؛ عمليات تشكيل الألواح، الصفائح أو التشغيل قليلة وغير مفضلة عادةً لأن السبيكة مُحسّنة لخواص متحكم بها أثناء التصلب. يجب أن تأخذ التصميمات والعمليات بعين الاعتبار سماكة المقطع ومداخل الصب لتقليل المسامية وضمان أداء ميكانيكي متوقع في الصب النهائي.

درجات مكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	383 / A383.0	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية شائعة من رابطة الألمنيوم لصب Al–Si–Cu بالقالب
EN AW	AlSi9Cu3(Fe) / مشابه	أوروبا	تسمية EN النموذجية لعائلة كيميائية مشابهة
JIS	ADC12 (تكافؤ قريب)	اليابان	الدرجة ADC12 عادةً ما تُعتبر مقابلة لـ A383 في الصب بالقالب
GB/T	AlSi9Cu3 / مشابه	الصين	معايير الصب الصينية تدرج سبائك Al–Si–Cu مماثلة بخصائص متقاربة

التكافؤ وظيفي وليس دقيقاً بالضرورة؛ نوافذ التركيب، حدود الشوائب (خاصة الحديد والرصاص)، ووصفات المعالجة الحرارية المسموح بها تختلف حسب المنطقة والمعيار. عند الاستبدال، يجب على المهندسين توفيق الاختلافات في نسب Cu وSi، الشوائب المسموح بها، ونطاقات الخواص الميكانيكية الموثقة بدلاً من الاعتماد فقط على التكافؤ الاسمي.

مقاومة التآكل

في ظروف الجو الجوي، يظهر 383 مقاومة معقولة بسبب تكون طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية؛ معدلات التآكل العامة معتدلة إلا في البيئات الملوثة بالكلوريد أو الحامضية التي تسرّع الهجوم. إضافات النحاس، مع أنها تزيد القوة، تقلل من مقاومة السبيكة للتآكل الموضعي، مما يجعل الأجزاء التي تحتوي على نسبة سطحية عالية من النحاس أكثر عرضة للتآكل الحُفري في البيئات العدائية.

في البيئات البحرية أو عالية الكلوريدات، 383 أدنى أداءً من سبائك سلسلة 5xxx Al–Mg لأن النحاس يعزز مواقع الجلفنة الدقيقة والتآكل الحُفري؛ لذا يجب على المصممين النظر في الطلاءات، الأكسدة الكهربية، أو الحماية الكاثودية عند التعرض لمياه البحر. تصدع التآكل الإجهادي (SCC) ليس نمط فشل سائد في 383 مقارنة بالسبائك المشغلة عالية القوة، لكن الفلزات بينية الخشونة وعيوب الصب يمكن أن تركز الإجهادات وتشجع بدء الشقوق تحت أحمال دورية مع العوامل المسببة للتآكل.

تتطلب التفاعلات الجلفانية اهتمامًا: عند الاقتران بمكونات من الفولاذ أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس، يكون 383 عادةً أنودي ويتآكل تفضيليًا إذا وُجد في إلكتروليت موصل؛ ينصح باستخدام المعادن المرافقة وتصميم الوصلات، الحواجز العازلة، أو الطلاءات الواقية. بالمقارنة مع عائلات السبائك الأخرى، يوازن 383 بين سهولة الصب والقوة على حساب مقاومة بحرية وتآكل حفري أقل مقارنةً بسلسلة Al–Mg.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

اللحام على 383 ممكن لكنه تحدي؛ قد تزيد بنية الصب المصبوب، المسامية ومحتوى السيليكون العالي من قابلية التشقق الحار وتنتج تنعيم متغير في منطقة تأثير الحرارة (HAZ). يمكن استخدام تقنيتي TIG وMIG للإصلاح أو التوصيل لكنها غالبًا ما تتطلب إجراءات قبل وبعد اللحام مثل تحضير السطح، سبائك لحام متخصصة (تُستخدم عادة سبائك Al‑Si مثل 4043 لمطابقة محتوى السيليكون)، وإزالة الغازات المحبوسة. قد يؤدي اللحام المكثف إلى تدهور الخواص الميكانيكية وخلق مناطق HAZ أقل قوة من الحالة T5/T6 الأصلية؛ يُنصح بتقليل اللحام في الأجزاء الحرجة الحاملة للأحمال.

قابلية التشغيل

قابلية تشغيل 383 المصبوب جيدة عمومًا مقارنة بالسبائك المشغلة لأن البنية الدقيقة Al–Si تنتج رقائق قصيرة وهشة يسهل كسرها، ويمكن تشغيل السبيكة بسرعات تغذية متوسطة إلى عالية. يُنصح باستخدام أدوات كربيد مغطاة للحفاظ على عمر الأداة، واستخدام مبردات للتحكم في درجات الحرارة وطرد الرقائق في التجاويف العميقة. سطح التشغيل قد يتأثر بالمسامية والفلزات البينية؛ عادةً ما تشمل عمليات التشطيب تثبيتًا خاليًا من الاهتزاز والتغذية المحافظة لتجنب اهتزازات الأداة وعيوب السطح.

قابلية التشكيل

كسبائك مصبوبة، 383 غير مصمم للتشكيل البارد المكثف؛ عادةً ما تكون أنصاف أقطار الانحناء بعد الصب كبيرة ومقيدة بسبب المسامية المحلية والفلزات البينية التي تقلل الليونة. أفضل نتائج التشكيل تكون في حالة مبيضة كما هي بعد الصب مع إجهادات تشكيلة محدودة، أو عبر تصميم هندسة الصب إلى الشكل النهائي لتجنب التشكيل اللاحق. عند الحاجة لتشكيل محدود يتم استخدام التشكيل الدافئ منخفض الحرارة مع شكل أداة مناسب لتقليل خطر التشققات، لكن التصميم لشكل القالب النهائي هو الخيار المفضل.

سلوك المعالجة الحرارية

تتبع المعالجة الحرارية لـ 383 تسلسل الذوبان والشيخوخة الكلاسيكي المستخدم لسبائك Al–Si–Cu المصبوبة: معالجة ذوبان (عادة في نطاق 495–540 °C حسب السماكة والمواصفة) تذيب المراحل القابلة للذوبان وتوحد المصفوفة، تليها تبريد سريع للحفاظ على محلول صلب مشبع. تعمل الشيخوخة الصناعية (T5/T6) عند درجات حرارة بين ~150–220 °C على ترسيب مراحل تحتوي على النحاس والمغنيسيوم ترفع بشكل كبير مقاومة الخضوع والشد؛ دورات الشيخوخة مضبوطة لتحقيق توازن بين القوة والليونة المحفوظة.

تطبّق دورات T7 والشيخوخة الزائدة عندما يكون الاستقرار الأبعادي ومقاومة تدهور الخواص أثناء الخدمة أو التشغيل مطلوباً؛ حيث يتم التنازل عن القوة القصوى لصالح مقاومة أكبر للترقيق عند التعرض الحراري اللاحق. لدى 383 المصبوب، يمكن أن تكون المعالجة المتسقة للذوبان محدودة بسبب سماكة المقطع والمسامات المحبوسة، لذا تستخدم العديد من الأجزاء الإنتاجية الشيخوخة T5 مباشرة على الحالة المصبوبة للحصول على صلابة دون مخاطر التشوه المرتبطة بالذوبان الكامل.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تتدهور القوة الميكانيكية لـ 383 تدريجياً مع ارتفاع درجة الحرارة؛ الخدمة المستمرة فوق ~120–150 °C تؤدي إلى فقدان كبير في المراحل المرسبة وبالتالي انخفاض مقاومة الخضوع والشد النهائي. التأكسد عند درجات حرارة مرتفعة يقتصر عادة على طبقة أكسيد الألمنيوم، لكن التعرض لفترات طويلة والتردد الحراري قد يغير خصائص طبقة الأكسيد ويشجع نمو القشور في أجواء عدائية. قد تتعرض منطقة تأثير الحرارة قرب اللحامات لتليين موضعي وترسيب حبيبات خشنة، مما يقلل القوة الموضعية عند درجات الحرارة العالية وعمر الإجهاد.

لفترات قصيرة من درجات الحرارة المرتفعة، يمكن للشروط المختارة بعناية للشيخوخة واستقرار السبيكة الحد من فقدان الخواص، لكن 383 غير موصى به للاستخدام الهيكلي المستمر في درجات حرارة عالية؛ المصممون الذين يتطلبون قوة مستدامة فوق ~150 °C ينبغي أن ينظروا في سبائك ألمنيوم متخصصة للحرارة العالية أو مواد بديلة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 383
السيارات	أغطية ناقل الحركة، أجسام الصمامات	سهولة الصب بالقالب، التحكم في أبعاد الجدار الرقيق، وقوة ما بعد الصب
الإلكترونيات الاستهلاكية	الأغلفة، الإطارات الهيكلية	موصلية حرارية جيدة، هندسة معقدة، واقتصادية في الإنتاج بكميات كبيرة
الآلات الصناعية	أغطية المضخات، أغطية الضواغط	مقاومة التآكل في بيئات محايدة وحرية في هندسة الصب
أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء / إدارة الحرارة	أغطية مشتتات الحرارة، مكونات المراوح	موصلية حرارية وقدرة على تشكيل زعانف مدمجة في صبة واحدة
الموصلات الكهربائية	أغطية الموصلات	استقرار الأبعاد، وقابلية التشغيل لميزات التوصيل

يُحدد 383 عادةً حيث تكون هناك حاجة لهندسة مصبوبة معقدة ذات جدران رقيقة، قوة ميكانيكية معقولة بعد الشيخوخة، وإنتاج اقتصادي بكميات كبيرة. توازن السبيكة بين سهولة الصب والقوة بعد الصب يجعلها خيارًا متكرراً للأغطية والمكونات التي تتطلب ميزات مدمجة وأحمال ميكانيكية معتدلة.

رؤى الاختيار

عند اختيار سبائك 383، يُفضّل استخدامها في التطبيقات التي تتطلب أشكالًا معقدة من الصب بالقالب تحت الضغط وقوة معتدلة إلى عالية بعد المعالجة بالشيخوخة، مع قبول مخاطرات أقل في الليونة وبعض التنازلات في مقاومة التآكل. بالمقارنة مع الألمنيوم النقي تجاريًا (1100)، توفر سبائك 383 قوة أعلى بشكل ملحوظ واستقرارًا أبعاديًا أفضل، لكنها تضحي بالتوصيل الكهربائي وقابلية التشكيل بسبب إضافات السبائك وبنية الميكروية الناتجة عن عملية الصب.

مقارنةً بالسبائك المعالجة بالتصلب الناتج مثل 3003 أو 5052، تقدم 383 مقاومة شيخوخة أكبر للقطع المصبوبة، لكنها تتخلف عن مقاومة تآكل البيئة البحرية وقابلية تشكيل الصفائح للسبائك المطروقة الحاملة للماجنيزيوم. بالمقارنة مع السبائك المطروقة القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061/6063، يمكن تفضيل 383 عندما تكون الأولوية لصب الشكل النهائي الهندسي المعقد، على الرغم من أن مقاومات الشد والصلابة ومقاومة التعب للسبائك من سلسلة 6xxx قد تكون أفضل في العديد من التطبيقات الإنشائية المطروقة.

الملخص الختامي

تظل سبائك 383 ذات أهمية عندما يجتمع اقتصاد الصب بالقالب تحت الضغط، وتعقيد الجدران الرقيقة، والقدرة على التصلب بعد الصب لتلبية أهداف أداء المكون؛ حيث توفر تركيبتها الكيميائية ومرونة عملياتها تصميمًا عمليًا يجمع بين قابلية الصب والقوة والأداء الحراري. إن اختيار الحالة الحرارية الصحيحة، وضبط ظروف الصب، والانتباه إلى حماية السطح تعمل على إطالة عمرها التشغيلي، مما يجعلها عنصرًا رئيسيًا في التطبيقات الصناعية العامة، والالكترونيات، وقطاع السيارات.