ألمنيوم 3A21: التركيب، الخواص، دليل التقسية والتطبيقات

نظرة شاملة

3A21 هو أحد أعضاء سلسلة سبائك الألومنيوم 3xxx، وهو من عائلة Al–Mn التي يتميز المنجنيز فيها كعنصر سبيكي رئيسي. يُصنّف هذا السبيكة على أنها غير قابلة للمعالجة الحرارية، ويمكن تقويتها عن طريق العمل البارد (التصلب بالتشوه) بدلاً من التعزيز عبر معالجة حرارية بالتحليل والترسيب.

تتراوح التركيبات النموذجية للمنجنيز ضمن نطاق يعزز تقوية الهيكل الصلب وتكوين المشتتات، مع إضافات معتدلة من Fe وSi وعناصر أثرية تؤثر بشكل طفيف على سلوك التشكيل ومقاومة التآكل. يوفر السبيكة توازنًا بين مقاومة معتدلة وقوة جيدة ومقاومة تآكل ممتازة بالإضافة إلى سهولة التشكيل واللحام، مما يجعلها مناسبة للألواح والمكونات المشكَّلة.

تستخدم 3A21 بشكل شائع في قطاعات التصنيع العام، تشطيبات السيارات، نظم التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، الأجهزة الاستهلاكية، والتطبيقات البحرية الخفيفة حيث يتطلب الأمر قوة معتدلة وسهولة في التشكيل. يختار المهندسون 3A21 عندما يكون مزيج القدرة على التشكيل البارد، القوة المعقولة، التكلفة المنخفضة، ومقاومة التآكل الجوي الجيدة أهم من القمم الأعلى للقوة التي توفرها السبائك القابلة للمعالجة الحرارية.

أنواع التصلب

الصلابة	مستوى القوة	الاستطالة	سهولة التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	مرتفع (20–40%)	ممتاز	ممتاز	مُعالج بالكامل بالتليين، أقصى قابلية للشد للتشكيل المعقد
H12	منخفضة – متوسطة	متوسطة (10–25%)	جيد جدًا	ممتاز	تصلب بسيط بالتشوه، يحافظ على سهولة التشكيل
H14	متوسطة	متوسطة (8–18%)	جيد	ممتاز	صلابة تجارية شائعة لقوة معتدلة وسهولة تشكيل
H16	متوسطة – عالية	أدنى (6–14%)	مقبول – جيد	ممتاز	تصلب أكبر بالتشوه، مقاومة خضوع أعلى للأجزاء المشكَّلة
H18	عالية	منخفضة (3–10%)	مقللة	ممتاز	تصلب تجاري قريب من الحد الأقصى بالتشوه البارد
H111	منخفضة – متوسطة	متغيرة	جيد	ممتاز	تم العمل عليها قليلاً؛ تستخدم حيث يلزم تعزيز طفيف مع سهولة تشكيل جيدة
H112	متوسطة	متوسطة	جيد	ممتاز	حالة تصلب تجارية بديلة بالتشكيل البارد

يتم تحقيق التصلب في سبائك سلسلة 3xxx عبر التحكم في كمية العمل البارد؛ حيث لا يحدث تصلب حقيقي بالترسيب مع المعالجات التقليدية T6/T651. الانتقال من حالة O إلى حالات H يزيد من مقاومة الخضوع والشد مع تقليل الاستطالة الموحدة والاستطالة الكلية، لذا يجب على المصممين موازنة متطلبات التشكيل والأحمال أثناء الخدمة.

تبقى قابلية اللحام ممتازة عبر هذه الحالات لأنها سبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ إلا أن المناطق المتصلدة بالتشوه قد تظهر تليينًا محليًا في منطقة تأثر الحرارة باللحام، وتعتمد سهولة التشكيل بعد اللحام على الاختيارات اللاحقة من العمل البارد أو التليين.

التركيب الكيميائي

العنصر	نسبة %	ملاحظات
Si	0.1–0.6	تحكم في الشوائب؛ زيادة Si تحسن القابلية للصب ولكن قد تقلل اللدونة
Fe	0.2–0.7	شائبة شائعة؛ يشكّل مركبات بينية قد تقلل اللدونة وجودة السطح
Mn	0.6–1.5	عنصر تقوية رئيسي؛ يحسن مقاومة إعادة التبلور والتآكل
Mg	0.05–0.20	كميات صغيرة؛ يساهم قليلاً في القوة مع الحفاظ على سهولة اللحام
Cu	0.05–0.3	المستويات المنخفضة قد تزيد القوة لكنها تقلل مقاومة التآكل
Zn	0.05–0.25	عادة منخفضة؛ زيادة Zn تحرّك السبيكة نحو سلوك عائلة 7xxx
Cr	0.05–0.20	سبيكة دقيقة للتحكم في هيكل الحبيبات وتحسين المتانة
Ti	0.01–0.10	مزيل للأكسجين/مربي للحبيبات في بعض المنتجات
عناصر أخرى	الباقي ألومنيوم، الشوائب ≤0.15	عناصر أثرية وشوائب منخفضة للتحكم في الخواص

تسيطر نسبة Mn على السلوك الميكروهيكلي عبر تشكيل مشتتات وتحديد إعادة التبلور خلال الدورات الحرارية، مما يحفظ القوة بعد التشكيل والتعرض الحراري المعتدل. كميات Fe وSi المسيطر عليها غير قابلة للتجنب وتؤثر على تشطيب السطح النهائي وخصائص التشكيل، في حين تُستخدم كميات ضئيلة من Cr وTi للتحكم في الحبيبات أثناء الصب والتشغيل الساخن.

الخصائص الميكانيكية

يتميز السلوك الشد في 3A21 بخصائص سبائك الألومنيوم-المنجنيز غير القابلة للمعالجة الحرارية: فالسبيكة ذات اللدونة في حالة التليين مع مقاومة خضوع منخفضة نسبياً تتحسن مع زيادة التشوه البارد. يظهر سلوك نقطة الخضوع بشكل معتدل مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية، وتعطي منحنيات الإجهاد-الشد استطالة موحدة كبيرة في حالة O مع تراجع تدريجي في اللدونة عبر حالات H الأعلى. أداء التحمل تحت إجهاد التعب جيد عمومًا للأجزاء ذات الأسطح الناعمة، لكن وجود جسيمات بينية وتشطيبات سطح خشنة يمكن أن تقلل من حدود التحمل.

تزداد الصلادة بالتصلب بالتشوه؛ وتكون الصلادة في الحالة المُلينَة منخفضة وترتفع بشكل متوقع مع حالات H التجارية. يؤثر سمك المادة بشكل ملحوظ: فالألواح الرقيقة تعمل بتصلب أكثر تجانسًا ويمكن أن تحقق قوة ظاهرة أعلى بعد التشوه، بينما الأجزاء السميكة غالبًا ما تظهر تقوية أقل بالتشوه وقابلية تشكيل منخفضة. عادةً ما تُظهر السبيكة حساسية متوسطة للنقرات وتستفيد من تشطيب جيد للأسطح للأجزاء الحساسة لتعب الإجهاد.

الخاصة	حالة O/الملين	الصلابة الرئيسية (مثل H14/H16)	ملاحظات
مقاومة الشد	~80–140 MPa	~140–210 MPa	القيم تعتمد على العمل البارد والسمك؛ H16/H18 تصل للقيم العليا
مقاومة الخضوع	~30–70 MPa	~80–160 MPa	مقاومة الخضوع تزداد بشكل قوي مع الصلابة؛ صمم بناءً على قيم الصلابة المحددة
الاستطالة	~25–40%	~5–18%	اللدونة تقل مع زيادة التصلب بالتشوه
الصلادة (HB)	~20–40 HB	~40–90 HB	صلادة برينل أو فيكرز تزداد مع رقم الصلابة والعمل البارد

الخصائص الفيزيائية

الخاصة	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70–2.73 g/cm³	معدلة قليلاً بالنسبة للألمنيوم النقي (2.70 g/cm³)
نطاق الانصهار	~630–655 °C	نطاق solidus-liquidus يعتمد على العناصر الثانوية
التوصيل الحراري	~120–150 W/m·K	أقل قليلاً من الألمنيوم النقي؛ مناسبة لتوزيع الحرارة
التوصيل الكهربائي	~28–38 % IACS	أقل من الألمنيوم النقي وبعض سبائك 1xxx بسبب Mn والشوائب
الحرارة النوعية	~880–910 J/kg·K	مقاربة للسبائك الأخرى المستخدمة في الهندسة العامة
التمدد الحراري	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	تمدد حراري نموذجي للألمنيوم؛ يجب التصميم لأجل الحركات الحرارية

يجعل الجمع بين التوصيلية الحرارية العالية نسبياً والكثافة المنخفضة سبيكة 3A21 مفيدة حيثما تكون الحاجة لإدارة حرارية خفيفة الوزن مع عدم الحاجة إلى أعلى مستوى من التوصيل. التوصيل الكهربائي ينخفض بسبب السبائكية والعمل البارد، ولذلك إذا كانت الأداء الكهربائي هو الأولوية فيفضل استخدام سبائك 1xxx الأنقى. يجب أخذ التمدد الحراري في الاعتبار في التجميعات متعددة المواد.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المطاسات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2–6.0 mm	يمكن توفيرها بحالة O أو H، وتزداد القوة مع المطاس	O, H14, H16, H18	الاستخدام الأكثر انتشاراً في المكونات المشكلة واللوحات
صفائح	6–25 mm	تأثير تقسية منخفض بالتبريد البارد، حبيبات خشنة إذا لم تُعالج	O, H111	تستخدم للأجزاء الهيكلية أو الميكانيكية عندما تكون السماكات الأكبر مطلوبة
بثق	أقطار تصل إلى عدة مئات من mm	تعتمد القوة على التبريد بعد البثق والعمل البارد	O, H112	تشكل محدود للملفات الدقيقة المعقدة مقارنة بسبائك 6xxx
أنابيب	سماكة الجدار 0.5–6.0 mm	يتصرف بشكل مشابه للألواح في الظروف ذات الجدران الرقيقة	O, H14	شائع لأنابيب التهوية HVAC والأنابيب الهيكلية الخفيفة
قضيب/عصا	Ø6–150 mm	يمكن للعمل البارد زيادة القوة في القضبان المسحوبة	H12–H18	يستخدم في التركيبات الهيكلية الخفيفة والمكونات

تختلف عمليات المعالجة بشكل كبير: حيث تُصلب الألواح والمنتجات ذات الجدران الرقيقة بسهولة إلى المستويات المطلوبة من الخصائص، بينما تحصل الصفائح وبثق السمك الكبير على زيادات أقل في تقسية العمل وقد تتطلب معالجة ميكانيكية أو حرارية بعد المعالجة لتحقيق خواص متجانسة. لذلك يجب أن يعكس اختيار الشكل المطاس الممكن تحقيقه والقوة المطلوبة أثناء الخدمة وقابلية التشكيل.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3003 (تقريباً)	الولايات المتحدة	أقرب مكافئ لاتحاد الألومنيوم في التركيب والسلوك
EN AW	3.0517 / AW-3003	أوروبا	مواصفة مماثلة أساسها Al–Mn تُستخدم للألواح العامة
JIS	A3003	اليابان	سبيكة عامة تعتمد على المنغنيز مشابهة
GB/T	3A21	الصين	تسمية محلية؛ تتماشى مع خصائص سریة 3xxx Al–Mn

تعكس الفروقات الطفيفة بين المواصفات عادة ضوابط أشد على الشوائب، محتوى النحاس المسموح به، أو حدود مختلفة على العناصر النزرة التي تؤثر على قابلية التشكيل وتشطيب السطح. عند تحديد المادة للتوريد الدولي، يجب على المهندسين طلب شهادات كيميائية وميكانيكية لتأكيد التركيب والمطاس المحدد بدلاً من الاعتماد فقط على أسماء المعادلة.

مقاومة التآكل

تُظهر 3A21 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام مشابهة لعائلة 3xxx. تشكل طبقة أكسيد مستقرة تحمي من الظروف الصناعية والريفية المعتدلة؛ وفي الأجواء الساحلية أو الغنية بالكلوريد تؤدي أداءً جيداً لكنها تتطلب اهتماماً تصميمياً لمنع تآكل الشقوق واحتجاز الأملاح.

تُظهر السبيكة مقاومة جيدة للتآكل الموحد وتعاني من قابلية محدودة للتآكل النقطي تحت التعرض البحري العدواني مقارنة بسبيكات Al–Zn الأعلى قوة. تشقق التآكل الإجهادي ليس نمط فشل شائع لسبيكات 3xxx، والقلق الأساسي هو الهجوم الموضعي في البيئات الملوثة أو عالية الكلوريد.

يجب أخذ التفاعلات الجلفانية مع المعادن المختلفة بالاعتبار: عند اقترانها مع مواد أكثر نبلاً (مثل النحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ) في البيئات الرطبة، يمكن أن تكون 3A21 القطعة الموجبة وتتعرض للتآكل تفضيلياً ما لم تُعزل. مقابل المواد النشطة أكثر، عادةً ما تكون القطعة السالبة وتحظى بالحماية؛ تشمل الاستراتيجيات النموذجية للتخفيف الطلاءات، الحواجز، والتصميم بالتضحية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

سلوك اللحام للسبيكة 3A21 ممتاز باستخدام طرق الانصهار التقليدية مثل TIG وMIG. السبائك الموصى بها كحشوات تشمل Al–Si (مثلاً 4043) وAl–Mg (مثلاً 5356) حسب المطلوب من الليونة ومقاومة التآكل في معدن اللحام؛ غالباً ما يُستخدم 4043 لتقليل خطر التشقق وتوفير بلل جيد. الحساسية للتشقق الحراري منخفضة مقارنة بسبيكات المعالجة الحرارية، ولكن الاهتمام بضبط تناسب الوصلة ونظافة المكان مهم لتجنب المسامية والشوائب.

قابلية التشغيل

التشغيل الميكانيكي لـ3A21 متوسط؛ عموماً أكثر لزوجة من سبائك الألمنيوم ذات التشغيل الحر، ويستفيد من أدوات كربيد حادة وتبريد مناسب. قابلية التشغيل أقل من سبائك Al–Cu 2xxx وسبائك Al–Si 3xx المصبوبة؛ يجب ضبط معدلات التغذية والسرعات لتجنب تكوين حواف مكدسة والسيطرة على شكل الرقائق. عمر الأدوات مقبول مع كربيدات مطلية واستراتيجيات السرعة العالية الموجهة لإنتاج رقائق مستمرة مع إخلاء مناسب.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل من نقاط القوة في 3A21 بالحالة المخداة (O)، مما يسمح بالسحب العميق والعمليات الطبع المعقدة. تعتمد نصف أقطار الانحناء الدنيا على سماكة اللوح والمطاس، ولكن المطاس O يتيح عادة الانحناءات الضيقة جداً (مثلاً R ≤ 0.5t في كثير من الحالات) بينما تتطلب مطاسات H أنصاف أقطار أكبر لتجنب التشقق. يزيد العمل البارد القوة لكنه يقلل الليونة، لذلك غالباً ما تحدد تسلسلات التشكيل خطوات تخليل أو إجهاد مسبق متحكم فيه لتحقيق الشكل والأداء النهائي.

سلوك المعالجة الحرارية

كونها سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، لا تستجيب 3A21 للمعالجة الحرارة بالتحليل والترسيب لإحداث زيادات كبيرة في القوة. تؤثر جهود المعالجة الحرارية على البنية الحبيبية، التخليل، أو تخفيف الإجهاد بدلاً من تقسية الترسيب. لا يؤتي المعالجة بالتحليل تليها التبريد تأثيراً مفيداً يذكر وقد تسبب نمو الحبيبات أو تليين غير مرغوب.

التقسية بالعمل من خلال التشوه البارد هي الطريقة الأساسية لزيادة القوة؛ هذه العملية مستقرة وقابلة للتنبؤ، مما يمكن المصممين من اختيار مطاسات H للقيم المطلوبة لمقاومة الخضوع. تستعمل عمليات المعالجة العكسية (التخليل الكامل إلى الحالة O) لاستعادة قابلية التشكيل بين عمليات التشكل أو لتخفيف الإجهادات المتبقية بعد اللحام والتصنيع.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

عند درجات الحرارة المرتفعة، تظهر 3A21 فقداناً تدريجياً للقوة يبدأ قبل نطاق الذوبان؛ يحدث تليين ملحوظ فوق حوالي 150–200 °C. مقاومة الزحف محدودة مقارنة بسبيكات الألمنيوم المقاومة للحرارة والفولاذ، لذلك لا يُنصح بالخدمة المطولة تحت حمل عند درجات حرارة مرتفعة. الأكسدة ضئيلة في الهواء عند درجات حرارة الخدمة الشائعة بفضل أكسيد الألمنيوم الحامي، لكن التعرض الطويل للحرارة العالية يمكن أن يغير حالة السطح والخواص الميكانيكية.

المناطق المتأثرة بالحرارة الملاصقة للحامات لا تخضع لتقسية الترسيب ولكن قد تعاني تخليل موضعي وتخشين حبيبي إذا تعرضت لدورات حرارية عالية، مما يقلل القوة المحلية. للتطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة، ينبغي النظر في سبائك ألمنيوم بديلة مصممة للاستقرار الحراري أو مواد غير ألمنيوم.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 3A21
السيارات	التشطيبات، القنوات، الألواح الداخلية	قابلية تشكيل جيدة، قوة معقولة، تكلفة فعالة
البحرية	حاملات هيكلية خفيفة، أنابيب التهوية	مقاومة تآكل مناسبة وسهولة في التصنيع
الطيران	الوصلات غير الحرجة، الغطاءات	نسبة قوة إلى وزن جيدة للهياكل الثانوية
الإلكترونيات	الأغطية، مشتتات الحرارة	موصلية حرارية جيدة وسهولة في التصنيع
الأجهزة المنزلية	أدوات الطهي، الألواح	قابلية تشكيل ومقاومة تآكل للسطوح الملامسة للطعام والخارجية

غالباً ما يُختار 3A21 للتطبيقات التي تتطلب مزيجاً من التشكيل، اللحام، القوة المعتدلة، ومقاومة التآكل دون تعقيد أو تكلفة سبائك المعالجة الحرارية. يسمح توازن خواصه بتصنيع فعال وأداء متين أثناء الخدمة للعديد من المكونات التجارية وشبه الهيكلية.

نصائح للاختيار

استعمل 3A21 عندما تحتاج إلى سبائك Al–Mn قوية، منخفضة التكلفة، مع قابلية تشكيل ولحام ممتازة وعندما لا يكون الذروة في مقاومة المعالجة الحرارية مطلوبة. مناسبة بشكل خاص للأجزاء المسحوبة والمطعمة، المكونات الهيكلية الخفيفة، والتطبيقات المعرضة للبيئات الجوية.

مقارنة بالألمنيوم التجاري الخالص (مثل 1100)، تقدم 3A21 قوة محسنة بشكل كبير ومقاومة أفضل للتشوه الميكانيكي أثناء الخدمة مع تنازل بسيط في الموصلية الكهربائية والحرارية. مقارنة بالسبائك المعالجة بالعمل مثل 3003/5052، تقع 3A21 في نطاق الأداء نفسه ولكن قد تُفضل إذا حُددت خواص معينة بمراقبة المنغنيز أو مطاسات خاصة؛ يوفر 5052 قوة أعلى ومقاومة تآكل بحرية أفضل بسبب Mg لكنه أقل قابلية للتشكيل مقارنة بالـ3A21 المخلى بالكامل.

مقارنة بالسبائك المعالجة حرارياً الشائعة (مثل 6061)، توفر 3A21 قابلية تشكيل أفضل وأسهل في الربط بتكلفة أقل، رغم أنها لا تصل إلى أعلى مستويات القوة للسبائك 6xxx؛ اختر 3A21 للعمليات التشكيلية المعقدة أو عندما تكون قابلية اللحام ومقاومة التآكل أكثر أولوية من أقصى قوة.

الخلاصة الختامية

يظل سبيكة الألمنيوم المنغنيز 3A21 خيارًا عمليًا وشائع الاستخدام في الهندسة الحديثة حيث يتم الحاجة إلى مزيج موثوق من القابلية للتشكيل، قابلية اللحام، مقاومة التآكل، والجدوى الاقتصادية؛ استجابة التسليح المتوقعة وخصائص التصنيع الجيدة تحافظ على أهميته في المكونات ذات الإنتاج الكمي والنصف هيكلية.