ألمنيوم 4017: التركيب، الخواص، دليل الحالة الحرارية والاستخدامات

نظرة شاملة

يُعد 4017 من سلسلة سبائك الألومنيوم 4xxx، وهي عائلة تتميز عادةً بمستوى عالٍ من السيليكون يؤثر على سلوك الذوبان وخصائص اللحام. ترمز تصنيف 4xxx إلى السيليكون كعنصر السبائك الرئيسي، وتم تطوير 4017 لتحقيق توازن بين قابلية التشكيل، قابلية اللحام، والقوة المعتدلة للتطبيقات الإنشائية والربط.

تشمل العناصر السبائكية الرئيسية في 4017 السيليكون كعنصر أساسي، مع إضافات محكومة من الماغنيسيوم والمنغنيز وكميات صغيرة محكومة من الحديد والتيتانيوم كبقايا. تتحقق القوة في 4017 أساسًا من تقوية محلول صلب بواسطة السيليكون والعمل بالتشكيل البارد (تقسية الإجهاد)؛ ويُعامل على أنه غير قابل لمعالجة حرارية لزيادة القوة، على الرغم من أن التشيخوخة الصناعية الثانوية يمكن أن تؤثر على استقرار الميكروتركيب في بعض الحالات.

السمات الرئيسية لـ 4017 هي مقاومة شد وخضوع معتدلة مقارنة بالألومنيوم النقي، قابلية لحام وتلحيم محسنة بفضل السيليكون، ومقاومة جيدة للتآكل في البيئات الجوية والبحرية المعتدلة. قابلية التشكيل في درجات التلدين قوية، بينما تزيد بعض عمليات المعالجة والتشكيل البارد القوة على حساب اللدونة.

تشمل الصناعات النموذجية التي تستخدم 4017 مكونات هياكل وأجسام السيارات، التجميعات الملحومة والمملسنة، البروفيلات المعمارية، والتصنيع العام حيث مطلوب مزيج من القابلية للتشكيل واللحام. يتم اختيار 4017 بدلاً من بعض السبائك الأخرى عندما يحتاج التطبيق إلى تحسين التوافق مع مواد التعبئة للحام، تقليل الحساسية للتشقق الحراري، وتحقيق توازن بين القوة والقابلية للتشكيل بدون تكلفة أو تعقيد تصنيع سبائك قابلية المعالجة الحرارية العالية القوة.

تباينات الدرجات (Temper)

الدرجة (Temper)	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عال (20–35%)	ممتاز	ممتاز	مُلدن بالكامل، أقصى لدونة للتشكيل
H12	منخفض-متوسط	معتدل (10–20%)	جيد	ممتاز	تقسية إجهاد جزئية، تشكيل محدود
H14	متوسط	معتدل (8–15%)	جيد-معتدل	ممتاز	تقسية إجهاد خطوة واحدة لقوة معتدلة
H22	متوسط	معتدل (8–15%)	جيد	ممتاز	تقسية إجهاد واستقرار بواسطة تعرض حراري منخفض
H24	متوسط-عالي	أقل (6–12%)	معتدل	ممتاز	تقسية إجهاد مع بعض التشيخوخ الطبيعي/الاستقرار
T4	غير متوفر / محدود	غير متوفر	معتدل	جيد	معالجة محلول صلب وتشيخوخ طبيعي؛ نادر التزامن للسبائك 4xxx
T5	محدود	معتدل	جيد-معتدل	جيد	تبريد من درجة حرارة مرتفعة وتشيخوخ صناعي؛ فائدة محدودة
T6	غير شائع	غير متوفر	ضعيف	جيد	عموماً غير قابل للتطبيق؛ سبائك 4xxx ليست قابلة للمعالجة الحرارية بشكل موثوق لتحقيق قوة عالية

تؤثر درجة التلدين بشكل كبير على أداء 4017 عن طريق تبادل اللدونة مقابل القوة عبر عمليات تقسية الإجهاد والاستقرار. يوفر الوضع المدلل (O) أفضل قابلية للتشكيل للرسم العميق والثني، في حين توفر درجات السلسلة H زيادات تدريجية في مقاومة الخضوع والشد مع خسائر مقابلة في الاستطالة.

يجب أن يأخذ اختيار درجة العمل بعين الاعتبار عمليات الربط اللاحقة، حيث يؤثر التشكل البارد على الإجهادات المتبقية والتشوه أثناء اللحام، وتقلل بعض الدرجات المستقرة من مدى اللين في منطقة التأثر الحراري.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة المئوية (%)	ملاحظات
Si	4.0–6.0	عنصر السبائك الأساسي؛ يخفض نطاق الذوبان، يحسن اللحام والتلحيم، ويساهم في القوة
Fe	0.2–0.8	عنصر شوائب؛ يشكل مركبات بينية تؤثر على المتانة وجودة السطح
Mn	0.2–0.8	تحكم في التركيب الحبيبي وبعض التقوية عبر المشتتات
Mg	0.2–0.8	إضافات صغيرة تعزز القوة عبر محلول صلب وترسيبات طفيفة عند توازن مع السيليكون
Cu	≤0.1	مستوى منخفض للحفاظ على مقاومة التآكل وتجنب تقوية مفرطة تقلل اللدونة
Zn	≤0.1	محتوى منخفض لتجنب التحسس والاهتمامات الجلفانية
Cr	≤0.1	إضافات أثرية للتحكم في الحبيبات ولتثبيت الميكروتركيب
Ti	≤0.15	محسن لحجم الحبيبات يضاف بكميات صغيرة للتحكم في حجم الحبيبات المصهورة والمصنعة
أخرى	الباقي ألومنيوم؛ الشوائب ≤0.15 لكل منها	تشمل بقايا وعناصر أثرية محكومة للحفاظ على اتساق الأداء

يضع التوازن الكيميائي في 4017 السيليكون كعنصر تعزيز ومعالجة رئيسي، مع إضافة معتدلة من المغنيسيوم والمنغنيز لضبط السلوك الميكانيكي والميكروتركيب. يقلل السيليكون من لزوجة الانصهار ويحسن تدفق المعدن في عمليات التلحيم واللحام، بينما يضيف Mg وMn قوة إضافية متواضعة ويضبطان إعادة التبلور. التحكم الدقيق في الحديد والنحاس مهم للحفاظ على المتانة ومقاومة التآكل.

الخصائص الميكانيكية

يتميز سلوك الشد في 4017 باستجابة تقسية إجهاد مسطحة نسبياً في درجات العمل المُصنعة، حيث يُظهر المعدن الملدن استطالة عالية وقيم منخفضة لمقاومة الخضوع والشد القصوى. تميل نسب مقاومة الخضوع إلى الشد إلى أن تكون متوسطة، مما يعني وجود بعض اللدونة قبل التشوه الدائم ولكن أقل من الألومنيوم النقي اللين جداً. تؤثر السماكة وتاريخ المعالجة على القوى المقاسة، حيث تظهر الصفائح المشغولة بالتشكيل البارد بزيادات ملحوظة في قيم الخضوع والشد.

تتجاوز استطالة درجات O عادة 20% وتسمح بالتشكيل المكثف، بينما تقلل درجات السلسلة H الاستطالة إلى أقل من 15%. تتناسب الصلادة مع الدرجة وحالة التشكل البارد، حيث تزداد قيم صلادة برينل أو فيكرز بشكل متوقع مع رقم H بينما يظل المعدن المدلل لينًا وسهل التشغيل والتشكيل. أداء الإجهاد مُرضٍ للتصنيع العام، مع كون حالة السطح واللحامات والإجهادات المتبقية هي العوامل المؤثرة الرئيسية على عمر التعب.

تؤثر السماكة بشكل كبير؛ فالمقاطع الرقيقة تتعرض لمعدلات تقسية إجهاد أعلى أثناء التشكيل وقد تظهر مقاومة شد أعلى في الدرجات المشغولة بسبب العمل البارد خلال السُمك. على العكس، فإن الألواح والبروفيلات السميكة أقل استجابة للتشكيل بالشد وقد تعتمد أكثر على كيمياء السبيكة والترسيب لتحقيق القوة.

الخاصية	O/مدّلنة	درجة رئيسية (مثلاً H14)	ملاحظات
قوة الشد	120–170 MPa	180–260 MPa	تختلف القيم مع السماكة ودرجة العمل البارد؛ القيم المختبرية نموذجية
مقاومة الخضوع	50–100 MPa	120–200 MPa	مقاومة الخضوع تزداد بشكل قوي مع تقسية الإجهاد
الاستطالة	20–35%	8–15%	تقل اللدونة في الدرجات المقسية بالإجهاد
الصلادة	30–55 HB	55–95 HB	تتبع الصلادة العمل البارد؛ السبائك المدلنة ناعمة وسهلة التشغيل والتشكيل

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.68–2.71 g/cm³	كثافة نموذجية للألومنيوم خفيف الوزن؛ تختلف قليلاً مع محتوى السيليكون
نطاق الذوبان	~575–640 °C	ينتشر نطاق الإيوتكتك والصلبوس-ليكويدوس بفعل إضافات السيليكون
التوصيل الحراري	120–160 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنه لا يزال مرتفعًا؛ يقلل السيليكون التوصيل مقارنة بـ Al-1100
التوصيل الكهربائي	~30–45 % IACS	مخفض مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب إضافات السبائك
السعة الحرارية النوعية	~0.88–0.90 J/g·K	مقارنة بسبائك الألومنيوم الأخرى
الاتساع الحراري	22–24 µm/m·K (20–100 °C)	اتساع نموذجي للألومنيوم؛ يجب وضعه في الاعتبار عند ربط مواد مختلفة

تجعل الخصائص الفيزيائية لـ 4017 منها خيارًا جذابًا حيث يلزم الوزن المنخفض وإدارة الحرارة، بينما يخفف محتوى السيليكون من خصائص الذوبان لعمليات الربط. لا يزال التوصيل الحراري كافياً لتطبيقات تصريف الحرارة لكنه مخفض مقارنةً بدرجات الألومنيوم المنقى جداً؛ ينبغي للمصممين مراعاة ذلك في التحليل الحراري.

يعني انخفاض التوصيل الكهربائي أن 4017 ليس الخيار المفضل للموصلات عالية الأداء، لكنه يبقى مناسبًا للأجزاء الإنشائية التي يجب أن توصل الكهرباء بمستويات متوسطة أو تُلحم باستخدام ممارسات الألومنيوم القياسية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المتانة	المطابقات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	السماكات الرقيقة تستجيب جيداً للتشكيل البارد	O, H14, H24	تُستخدم للألواح المشكَّلة، التجميعات الملحومة، والتغليف
صفائح	6–50 mm	الأقطار الأكبر تظهر تصلُّب إجهاد أقل	O, H22	تُستخدم للمكونات الإنشائية الملحومة والأجزاء المخرطة
بثق	حتى مقاطع كبيرة	تعتمد المتانة على نسبة البثق والتبريد	O, H14	مقاطع للأُطُر، المسارات، والتجميعات الملحومة
أنابيب	سماكة جدار 1–10 mm	السلوك يعتمد على التشكيل (ملحوم أو بدون درز)	O, H12	مناسب للأنابيب الهيدروليكية أو الإنشائية الملحومة
قضيب/عصا	5–50 mm	تصلُّب إجهاد محدود في المقطع العرضي	O, H12	تُستخدم للأجزاء المخرطة والتجهيزات

تختلف عمليات التشغيل بين أشكال المنتج نتيجة لسماكة المقطع ومعدلات التبريد؛ حيث أن السماكات الرقيقة تتصلب بسهولة أكبر عبر التشكيل البارد بينما الألواح والبثوث السميكة تتطلب تثبيت ميكانيكي أو حراري لتحقيق الخواص المطلوبة. يمكن إنتاج مقاطع بثق بأشكال مخصصة وغالباً ما تخضع لمعالجات حرارية خفيفة أو دورات تثبيت للتحكم في الإجهادات المتبقية والثبات الأبعادي.

اختيارات التطبيقات تعتمد على الشكل: الألواح تستخدم للألواح المختومة والملحومة، والبثوث للإطارات الإنشائية، والصفائح أو القضبان للأجزاء المخرطة حيث تكون الخواص العامة والصلابة هي الأهم.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	4017	الولايات المتحدة	تعيين ضمن ترقيم Aluminum Association؛ الكيمياء مُتحكم بها لخصائص عائلة 4xxx
EN AW	مكافئ سلسلة 4xxx (مثلاً EN AW-4043)	أوروبا	سبائك مشابهة تعتمد على السيليكون متاحة؛ التكافؤ المباشر يحتاج تحقق كيميائي
JIS	A4xxx (مثلاً A4043)	اليابان	المعايير المحلية تستخدم تشكيلات مماثلة للسبائك الملحومة/الملصوقة
GB/T	مكافئ سلسلة 4xxx	الصين	المعايير الصينية تحتوي على سبائك مطروقة غنية بالسيليكون؛ تتطلب المطابقة الدقيقية للدرجة

المراجع المتبادلة تقريبية لأن المعايير الوطنية أحياناً تحدد نسب قصوى مختلفة للملوثات ونوافذ قبول تغير تؤثر على السلوك الميكانيكي. يجب على المهندسين التحقق من الكيمياء وشهادات التحليل والخصائص المقاسة بدلاً من الاعتماد فقط على أرقام التعيين عند الاستبدال بين سبائك من معايير ومناطق مختلفة.

الفروق الصغيرة في الملوثات والعناصر النزرة (مثل Fe, Cu) يمكن أن تغير مقاومة التعب، جودة السطح، وقابلية اللحام، لذا يُنصح بالإختبارات التأهيلية أو تدقيقات سلسلة التوريد للتطبيقات الحرجة.

مقاومة التآكل

تتمتع 4017 بمقاومة جيدة عامة لتآكل الجو، بسبب تكوين طبقة أكسيد ألمنيوم مستقرة ومحتوى منخفض نسبياً من النحاس والزنك اللذان يمكن أن يعززا التآكل الموضعي. في الأجواء الخارجية والصناعية التقليدية، يقدم السبيكة أداءً جيداً بمعدلات تآكل مشابهة لسبائك الألمنيوم الحاملة للسيليكون وليس لسبائك المغنيسيوم الغنية الأكثر عرضة للتآكل النخري.

التعرض البحري يحمل خطراً مرتفعاً لهجوم موضعي إذا تراكمت رواسب حاملة للكلوريد على السطح؛ ومع ذلك، تقاوم 4017 التآكل المنتظم جيداً وغالباً ما تؤدي أداءً مقبولاً في مناطق الرش الساحلية عندما تحمى بطبقات طلاء أو أنودة. يمكن أن يكون تآكل الشقوق وتحت الرواسب مشكلة في التجميعات الملحومة التي تبقى فيها بقايا الفلكس أو الملوثات.

التشققات الناتجة عن التآكل الإجهادي ليست نمط فشل رئيسي لعائلة 4xxx؛ 4017 أقل عرضة لSCC من بعض سبائك 7xxx المحتوية على المغنيسيوم والتي تتعرض لإجهاد عالي. يجب مراعاة التفاعلات الكهربائية عند تركيب 4017 مع سبائك أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس؛ يُنصح بالحماية الأنودية أو الحواجز العازلة لتجنب تسريع تآكل مكون الألمنيوم في الوصلات متعددة المعادن.

مقارنة مع سبائك 5xxx الحاملة للمغنيسيوم، تتنازل 4017 قليلاً عن المقاومة التضحية مقابل قابلية لحام أفضل وقابلية أقل للتقشير بعد اللحام، أما مقارنة مع سبائك 6xxx فتتسم مقاومة التآكل بأداء تنافسي لكنها تعتمد بشكل كبير على جودة السطح وتاريخ المعالجة الحرارية.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

تتميز 4017 بقدرة لحام عالية عبر عمليات الانصهار الشائعة مثل TIG وMIG، لأن السيليكون يقلل من ميل التشقق الساخن ويحسن تدفق حمم اللحام. يُنصح باستخدام سبائك لحام حاملة للسيليكون (مثل حشوات Al-Si المشابهة لـEN AW-4043) لضمان التوافق الميتالورجي وتقليل المسامية ومخاطر التشقق أثناء اللحام بالانصهار. تليين المنطقة المتأثرة بالحرارة معتدل مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة حرارياً، لكن المناطق المعالجة بارداً قد تفقد بعض قوة التصلب عند اللحام أو التعرض الحراري بعد اللحام.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل لـ4017 متوسطة إلى جيدة؛ محتوى السيليكون يشجع على تشكل رقائق متوقعة ويدعم سرعات قطع أعلى مقارنة بالسبائك الناعمة جداً، مع السماح بالحصول على تشطيب سطحي جيد. يُفضل استخدام أدوات كربيد بزاوية مثبتة إيجابية، ويُحسن التبريد أو التزييت الرذاذي من عمر الأداة وجودة السطح. التحكم في الرقائق يتأثر بسماكة المقطع والمطابقة؛ زيادة السيليكون قد تنتج سلوكاً أكثر تآكلاً، لذا يجب اختيار الأدوات مع الأخذ في الاعتبار مقاومة التآكل.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل في الحالة الملدنة (O) ممتازة، مما يسمح بالسحب العميق، الثني، والتشكيل بالشد مع أنصاف أقطار انحناء نسبياً كبيرة. أنصاف الأقطار الموصى بها عادة تكون 1–3 أضعاف سماكة المادة للعمليات الشائعة في حالة O، وتزداد للقيم H. استجابة العمل البارد إيجابية ويمكن التنبؤ بها، مما يمكّن من رفع القوة تدريجياً عبر التشكيل، لكن يجب الأخذ في الاعتبار التموج الربيعي في التصميم والأدوات لتحقيق الأبعاد المطلوبة.

سلوك المعالجة الحرارية

بما أن 4017 سبيكة غير قابلة أساساً للمعالجة الحرارية، فإنها لا تستجيب بفعالية لمعالجات الحل+الشيخوخة الصناعية التقليدية كما هو الحال في سلاسل 6xxx أو 7xxx. محاولات تطبيق معالجة حرارة من نوع T6 تعطي تقوية محدودة بسبب محتوى السيليكون وتوازن Mg:Si الذي لا يدعم ترسيب مكثف لـMg2Si.

تصلب العمل هو المسار الرئيسي لزيادة القوة في 4017؛ يستخدم العمل البارد المسيطر عليه يليه تثبيت أو شيخوخة خفيفة (سلاسل H2x–H3x) لقفل الخواص وتقليل تأثيرات الشيخوخة الطبيعية. إعادة التلدين الكامل (O) تعيد السبيكة لأكثر حالاتها ليونة ومرونة للتشكيل، وتستخدم معالجات إزالة الشد لتقليل الإجهادات المتبقية من التشكيل أو اللحام. في ظروف خدمة متخصصة يمكن استخدام الشيخوخة الصناعية المسيطر عليها (T5/T4) لتثبيت البنية المجهرية لكنها تعطي زيادة بسيطة في القوة.

التحكم في العملية خلال دورات الحرارة—اللحام، اللحام بالبراده، أو خطوات التسخين في التصنيع—مهم للحد من تآكل جزيئات السيليكون والحفاظ على جودة السطح ومقاومة التآكل.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تنخفض قوة 4017 بشكل ملحوظ عند درجات الحرارة المرتفعة مقارنة بدرجات حرارة الغرفة؛ حدود الخدمة عادة تُحدد بحدود محافظة بين 100–150 °C للتطبيقات الحاملة لأحمال مستمرة. فوق هذه الدرجات، يمكن أن تتكبر بين نتائج السيليكون-الألمنيوم مما يخفض مقاومة الخضوع والتعب.

أكسدة الألمنيوم ذاتية التقييد، لذا تكوين القشرة قليل مقارنة بالسبائك الفيرrous، لكن التعرض الطويل لدرجات حرارة عالية قد يزيد خشونة السطح وهشاشة الأجزاء ذات التفاصيل الدقيقة. المنطقة المتأثرة بالحرارة بجوار اللحامات عرضة لتغيرات مجهرية قد تقلل من الصلابة المحلية ومقاومة التعب.

للاستخدامات المقيدة بتعريض مؤقت لدرجات حرارة عالية، يمكن استخدام 4017 مع الأخذ بعين الاعتبار تدهور القوة والتغيرات الأبعادية المحتملة؛ يجب اعتماد عوامل أمان هندسية وخطوات تثبيت حرارية للخدمة عند درجات حرارة مرتفعة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 4017
السيارات	ألواح الهيكل الخارجية، الأُطُر الفرعية الملحومة	قابلية تشكيل ولحام جيدة وقوة معتدلة مع كتلة منخفضة
البحري	حوامل هيكلية، إطارات غير حرجة	توازن بين مقاومة التآكل وسهولة اللحام في البيئات الساحلية
الفضاء	ملحقات ثانوية، أعضاء هيكلية داخلية	قوة إلى وزن جيدة وتوافق مع عمليات اللحام/التلبيس
الإلكترونيات	هيكليات وموزعات حرارية	موصلية حرارية جيدة وسهولة التصنيع مع تحكم في جودة السطح

يُستخدم 4017 عادة حيث يتطلب الأمر مزيجاً من التصنيع الملحوم، التشكيل، وقوة ميكانيكية معقولة دون تعقيدات السبيكة القابلة للمعالجة الحرارية. استغلاله في الأجزاء الإنشائية الثانوية والتجميعات المصنّعة يستفيد من خواصه المتوازنة وسهولة التصنيع.

رؤى الاختيار

تُعد 4017 خيارًا عمليًا عندما يحتاج المهندسون إلى قابلية لحام وتجهيز لحام تفوق إلى جانب قابلية تشكيل وقوة معقولة. وهي مناسبة بشكل خاص في الحالات التي تهيمن فيها عمليات الانضمام على التصنيع وحيث يلزم تشكيل أو ضغط واسع النطاق في درجات التليين.

مقارنةً بالألمنيوم النقي تجاريًا (مثل 1100)، تقدم 4017 توازنًا بتضحية بعض التوصيلية الكهربائية وقابلية التشكيل القصوى مقابل قوة أعلى بكثير ومقاومة محسنّة للتصدع الحراري في اللحامات. مقابل السبائك المقسّاة شغليًا الشائعة مثل 3003 أو 5052، عادةً ما توفر 4017 قابلية لحام محسنة وقوة أفضل قليلاً لتجميعات ملحومة أو ملحومة باللحام بالنحاس مع الحفاظ على مقاومة تآكل تنافسية. مقارنةً بالسبائك المعالجة حراريًا مثل 6061 أو 6063، لن تصل 4017 إلى نفس درجات القوة القصوى لكنها مفضلة عندما يكون تصنيع اللحام، وقلة قابلية ترقق منطقة التأثير الحراري (HAZ)، وبساطة المعالجة أولويات أعلى من القوة القصوى.

ضع في اعتبارك حدود التكلفة والتوفر: غالبًا ما تتوفر 4017 في مخزون الألواح والبروفيلات للمشاغل الصناعية، لكن يجب دائمًا التحقق من صحة التبديل من خلال مراجعة كيمياء المورد وبيانات اختبارات الخواص مقابل متطلبات التطبيق.

الملخص النهائي

تظل 4017 ذات صلة كسبائك الألمنيوم المسحوب المحتوي على السيليكون، والتي تقدم توازنًا عمليًا بين قابلية اللحام، والقابلية للتشكيل، والقوة المتوسطة للتطبيقات التي تعتمد بشكل كبير على التصنيع. تجعل تركيبتها الكيميائية ومرونة معالجتها خيارًا متينًا حيث يجب تحقيق توازن بين عمليات الانضمام، والقابلية للتصنيع، وأداء المقاومة للتآكل لتلبية متطلبات الهندسة والإنتاج.