الألومنيوم 4028: التركيب، الخصائص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 4028 هي من ضمن سلسلة سبائك الألومنيوم 4xxx، وهي عائلة تتميز باحتوائها على السيليكون كعنصر رئيسي للسبائك. تعتبر هذه الدرجة غنية بالسيليكون وذات سبائك دقيقة تحتوي أيضًا على كميات مضبوطة من المغنيسيوم وعناصر انتقالية لتحقيق توازن بين المتانة، وقابلية اللحام، وقابلية التشكيل.

تحقق السبيكة تقوية من خلال مزيج من تأثيرات محلول صلب محكم، وتشتت جسيمات دقيقة من السيليكون، وترسب محدود لعناقيد Mg-Si؛ عمليًا تتصرف كسبيكة شبه قابلة للمعالجة الحرارية مع استجابة جيدة للمعالجة بالحل والشيخوخة الصناعية، كما تستجيب جيدًا للتصلب الناتج عن العمل. السمات النموذجية تشمل مقاومة شد متوسطة إلى عالية في الأطوار المعتقة، مقاومة جيدة للتآكل في البيئات الجوية، قابلية لحام ممتازة باستخدام سبائك حشوة Al-Si، وقابلية تشكيل جيدة في الحالة المُطرَية (المُعتقة).

تُستخدم السبائك 4028 بشكل شائع في صناعات مكونات الهيكل والتشطيب في السيارات، وتركيبات وهياكل بحرية، والأجهزة الاستهلاكية، وبعض الهياكل الثانوية في الطيران التي تتطلب توازنًا بين قابلية التشكيل والنسبة قوة/وزن. يتم اختيار هذه السبيكة عندما يحتاج المصممون إلى قوة أفضل من درجات الألومنيوم النقي التجاري دون التضحية بأداء اللحام والقصب.

غالبًا ما تُختار 4028 على سبائك السلسلة 1000/3000 عندما تكون هناك حاجة إلى قوة أعلى وثبات أبعادي، وعلى سبائك السلسلة 6xxx عندما تكون قابلية اللحام وسلوك الصب/القصب الموجه بالسيليكون من الأولويات. طابعها شبه المعالج حراريًا يجعلها جذابة حيثما تكون المعالجة ما بعد التصنيع والشيخوخة الصناعية ممكنة، لكن القوى الذروية القصوى غير ضرورية.

أنواع الأطوار (التمبَر)

الطور	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالٍ (20–30%)	ممتاز	ممتاز	مُعتق بالكامل، أقصى دكتيلية وقابلية تشكيل
H14	متوسط	متوسط (12–18%)	جيد	ممتاز	تصلب نتيجة للعمل بمرحلة واحدة لتصلب معتدل
H24	متوسط-مرتفع	متوسط (10–15%)	جيد إلى متوسط	ممتاز	تصلب وتشغيل جزئي، تحكم جيد في ارتداد النابض
T4	متوسط	متوسط (12–18%)	جيد	ممتاز	معالجة بالحل وشيخوخة طبيعية، خصائص متوازنة
T5	متوسط-مرتفع	أقل (8–14%)	متوسط	جيد جدًا	تبريد من درجة حرارة مرتفعة وشيخوخة صناعية، تسريع الإنتاج
T6 / T651	عالي	أقل (8–12%)	متوسط إلى ضعيف	جيد جدًا	معالجة محلول وشيخوخة صناعية لأقصى قوة؛ T651 يشمل تخفيف الإجهاد

الطور يتحكم مباشرة في التوازن بين القوة والدكتيلية لـ 4028 ويسيطر على قابلية التشكيل لعمليات الطباعة العميقة والطرق التشكيلية الأخرى. الطور المعتق O يوفر أقصى استطالة وأدنى نقطة انفعال، بينما T6/T651 يحقق أعلى قوة مستخدمة على حساب انخفاض قابلية الانثناء وزيادة ارتداد النابض.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة %	ملاحظات
Si	0.9–1.8	عنصر السبك الرئيسي؛ يحسن السيولة، يقلل نطاق الانصهار، ويساعد على اللحام
Fe	0.4–1.0	شائبة تُكوّن مركبات بينية؛ تُتحكم للحد من فقدان الدكتيلية
Mn	0.05–0.50	معدل بنية الحبيبات ومكون للتشتت لتحسين القوة والمتانة
Mg	0.15–0.60	يُمكن من تقوية بترسيب محدود (عناقيد Mg-Si) ويزيد القوة
Cu	0.02–0.30	مستويات منخفضة لدعم القوة مع الحفاظ على مقاومة التآكل
Zn	0.02–0.25	إضافة طفيفة، يقتصر لتجنب حساسية التآكل النقري (SCC)
Cr	0.01–0.10	يسيطر على بنية الحبيبات ويقلل إعادة التبلور أثناء المعالجة
Ti	0.02–0.12	مكرر حبيبات يستخدم في صناعة المعادن الأساسية لتحسين الميكروهيكل
عناصر أخرى	0.05 كحد أقصى (لكل عنصر) / 0.15 الكلي	تشمل آثار عناصر مثل Zr وSr؛ تحافظ على مستويات منخفضة لتجنب المرحل الضارة

تركيز السيليكون يحدد سلوك 4028 بشكل كبير: فهو يحسن قابلية الصب وتوافق حشوة اللحام بينما يقلل نطاق التصلب. يعمل المغنيسيوم والمنغنيز معًا لتعزيز تصلب معتدل بفعل الشيخوخة وصقل الميكروهيكل المعالج، بينما تحتاج الحديد والشوائب الأخرى إلى سيطرة صارمة لمنع تكوين مركبات بينية خشنة تقلل الدكتيلية وعمر الإجهاد.

الخواص الميكانيكية

في سلوك الشد، تظهر 4028 فرقًا ملحوظًا بين الأطوار المعتقة والمعتدلة. الحالة المعتقة (O) تعطي مقاومة شد وخضوع منخفضة مع استطالة عالية، ما يسهل عمليات السحب العميق والتشكيل المعقد؛ بينما الأطوار المعتقة (T5/T6) تعطي فروقًا ضيقة بين عتبة الخضوع ومقاومة الشد النهائية وقوة أعلى مناسبة للمكونات الهيكلية.

ترتفع مقاومة الخضوع بشكل كبير مع المعالجة بالحل والشيخوخة الصناعية، عادةً لتصل إلى 60–70% من مقاومة الشد القصوى في ظروف T6. يتأثر أداء التعب بحالة السطح والعمل البارد؛ حيث تُظهر الأجزاء المصقولة والمقذوفة بالرصاص حدود تحمل أفضل، في حين يمكن للمركبات البينية الخشنة الناتجة عن نسب Fe العالية أن تعمل كمواقع لبدء تصدعات.

الصلادة مرتبطة بالطور؛ فالأجزاء المعتقة ناعمة وسهلة التشغيل، بينما تعطي أسطح T6 قيم برينل أو فيكرز أعلى تتوافق مع زيادة كثافة الانزلاق وتقوية الترسيبات. يؤثر السمك على استجابة التقسية ومعدلات التبريد أثناء المعالجة بالحل، لذا تتطلب الأجزاء السميكة عدة مليمترات دورات حرارية مضبوطة لتحقيق خصائص متجانسة.

الخاصية	O / معتق	الطور الرئيسي (T6/T651)	ملاحظات
مقاومة الشد	95–140 MPa	210–270 MPa	قيمة T6 تعتمد على سمك المقطع ومنحنى الشيخوخة
مقاومة الخضوع	35–60 MPa	140–200 MPa	تزداد مقاومة الخضوع بشكل قوي مع الشيخوخة الصناعية
الاستطالة	20–30%	8–12%	الاستطالة تقل مع زيادة القوة
الصلادة (HB)	25–40 HB	60–90 HB	الصلادة تتبع مقاومة الشد وتؤثر على سهولة التشغيل

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70–2.73 g/cm³	قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم، نسبة قوة إلى وزن جيدة
نطاق الانصهار	~570–640 °C	السبائك تُخفض وتوسع نطاق الانصهار مقارنة بالألمنيوم النقي
التوصيل الحراري	120–150 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي؛ يقلل السيليكون والسبائك التوصيل إلى حد معتدل
التوصيل الكهربائي	~28–42 % IACS	يعتمد على الطور والسبائك؛ أقل من الألمنيوم النقي أو سبائك السلسلة 1xxx
السعة الحرارية النوعية	~900 J/kg·K	سعة حرارية نوعية نموذجية للألمنيوم، مفيدة لإدارة الحرارة
التوسع الحراري	22–24 µm/m·K (20–100 °C)	مقارنة مع سبائك الألمنيوم الأخرى، مهمة لتصميم الوصلات مع المعادن المختلفة

الخواص الفيزيائية لـ 4028 تجعلها خيارًا مفضلًا للمكونات التي تتطلب إدارة حرارية وبناء خفيف الوزن. التوصيل الحراري للسبيكة كافٍ لتطبيقات تبدد الحرارة، بينما ينخفض التوصيل الكهربائي مقارنة بالألومنيوم النقي، لذا نادرًا ما تُستخدم حيث تتطلب أقصى توصيل.

يجب مراعاة التمدد الحراري ونطاق الانصهار في التركيبات الملحومة والمعالجات الحرارية بدرجات حرارة مرتفعة. يتطلب التصميم السماح بفروق التمدد والرقابة الدقيقة لمعدلات التسخين والتبريد أثناء المعالجة الحرارية لتجنب التشوهات.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الأطوار الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2–6.0 mm	مستوى متجانس عبر الدرفلة؛ قابلية تشكيل جيدة في O/T4	O, H14, T4, T5	شائعة للأجزاء المطبوعة والهياكل الخارجية
صفائح سميكة (Plate)	6–50 mm	كفاءة تبريد أقل؛ تتطلب دورات معالجة محلول أسمك	O, T4, T6 (مقيدة)	الأقسام السميكة تحتاج شيخوخة خاصة للوصول للخصائص المستهدفة
بروفيلات القصب (Extrusion)	بروفيلات حتى 200 mm	قوة واستقرار أبعادي جيدة بعد الشيخوخة	O, T5, T6	السيليكون يعزز سيولة القصب وجودة السطح
أنابيب	جدار 0.5–10 mm	سلوك مشابه للألواح؛ الانثناء والتشكيل الهيدروستاتيكي في الحالة المعتقة	O, H24, T6	شائعة لمكونات الهيكل والتجهيزات
قضبان / عصي	Ø3–100 mm	سهولة تشغيل جيدة في الحالة O؛ القضبان المعتقة تستخدم في التجهيزات	O, T6	مسحوبة ومستقيمة لأجزاء دقيقة

تستفيد الألواح والبروفيلات من توازن السبيكة بين السيولة والقوة؛ يمكن للأجزاء الرقيقة أن تخضع لمعالجة بالحل وتبريد سريع للاستجابة أفضل للشيخوخة. الصفائح السميكة تتطلب دورات معالجة محلول أطول وتبريد مضبوط لتجنب تليين مركز السُمك وعدم تجانس الخصائص.

تستفيد المقاطع المُسحَبة من احتواء السبائك على السيليكون لتقليل تآكل القوالب وتحسين جودة السطح، في حين تُورد الأنابيب والقضبان غالبًا في حالة التخمير (annealed) لتسهيل التشكيل أو في حالات تقسية للقطع الميكانيكية. يؤثر اختيار مسار المعالجة على البنية المجهرية النهائية ويجب أن يتوافق مع هندسة المكوّن ومتطلبات خصائص المادة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	الملاحظات
AA	4028	الولايات المتحدة الأمريكية	تصنيف صناعي للمتغير المُسبوك بسبائك دقيقة من سلسلة 4xxx
EN AW	AlSi1MgMn	أوروبا	تقريباً مكافئ كيميائياً؛ تطبق رموز التلدين الإقليمية
JIS	A4028 (تقريباً)	اليابان	تختلف التسميات المحلية؛ دورات المعالجة الحرارية مصممة حسب المنطقة
GB/T	4028	الصين	غالبًا ما تُنتج بتركيبات كيميائية مماثلة مع فرق في مقاييس التصنيع المحلية

قد تستخدم المعايير الإقليمية قواعد ترقيم مختلفة للسبائك وتفاوتات تصنيع، لذا يتطلب الاستبدال المباشر التحقق من نطاقات التركيب الكيميائي الدقيقة وضمانات الخواص الميكانيكية. فروق صغيرة في حدود الشوائب، ممارسات تنقية الحبوب، والعناصر المسموح بها يمكن أن تؤثر على عمر التعب وقابلية اللحام، لذلك يجب أن يشمل المرجع الفني أوراق المواصفات وبيانات الاختبار.

مقاومة التآكل

في البيئات الجوية، تظهر سبيكة 4028 مقاومة جيدة للتآكل العام، مستفيدة من وجود السيليكون وقلة محتوى النحاس مما يقلل من الجهد الكهروكيميائي مقابل البيئات الغنية بالكلوريدات. يتشكل أكسيد حماية بسهولة، وتقاوم السبيكة التنحيف المنتظم تحت ظروف التعرض الخارجية النموذجية.

تقدم البيئات البحرية مخاطر تعرّض للتآكل الحضيض وحفر التآكل، خاصة في مناطق الركود أو حيث يتركز الكلوريد. السبيكة أكثر مقاومة من السبائك الحاملة للنحاس لكنها تتطلب معالجات سطحية أو طلاءات تضحوية للخدمة الطويلة بالغمر أو مناطق الرش.

قابلية شق التآكل بالجهد منخفضة مقارنةً بالسبائك عالية القوة من سلسلة 2xxx أو 7xxx، بسبب الضغوط المتبقية المعتدلة والمحتوى المحدود من النحاس والزنك. مع ذلك، يجب تصميم وتجهيز التركيبات الملحومة ذات الضغوط المتبقية الشدّية والتغاير الميتالورجي بعناية لتقليل مخاطر الشقوق الناجمة عن التآكل بالجهد.

يجب النظر في التفاعلات الغالوانية عند اقتران 4028 مع معادن أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس؛ يمكن أن تخفف العوازل أو الأنودات التضحوية من التآكل المتسارع. بالمقارنة مع سبائك سلسة 5xxx الغنية بالمغنيسيوم، توفر 4028 عمومًا قابلية لحام أفضل ومقاومة مماثلة للتآكل الجوي لكنها قد تكون أكثر عرضة قليلاً لحفر التآكل الموضعي بالكلوريد.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

تُلحَم 4028 بشكل ممتاز بعمليات التلحيم بالاندماج القياسية مثل TIG وMIG، ويمكن ربطها بسهولة بسبائك الحشو Al-Si مثل ER4043 أو ER4047. ميل التشقق الحراري منخفض لأن السيليكون يقلل من مدى التصلب، لكن اختيار غير صحيح للحشو أو تصميم مشترك ضعيف قد يؤدي إلى وجود مسامات وتليين منطقة متأثرة بالحرارة (HAZ). يجب إدارة كمية الحرارة لإيقاف زيادة تلدين HAZ أو فقدان المواصفات الميكانيكية المجاورة للوصل الملحوم.

قابلية التشغيل

للسبيكة قابلية تشغيل متوسطة إلى جيدة في حالة التخمير، تتحسن عندما تكون بعض النسخ التجارية تحتوي على محسنات قابلية التشغيل خالية من الرصاص. توفر أدوات الكربيد المزودة بزوايا موجبة وتبريد مناسب تحكمًا متسقًا في الشظايا وجودة سطح عالية. سرعات القطع الموصى بها معتدلة؛ زيادة معدلات التقديم تقلل من تكوّن الحافة المتراكمة لكنها قد تزيد خشونة السطح إن لم تُحسن بشكل صحيح.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في حالة O، مما يسمح بالتشكيل المعقد والختم العميق والقولبة الهيدروستاتيكية مع نصافات ضيقة. مع زيادة القوة في حالات التلدين H وT، تزيد نصافات الحد الأدنى للثني وعودة الزنبرك؛ عادةً ما تتطلب القطع بحالة T6 فتحات ونصافات أكبر. للعمليات التشكيلية التدريجية، يمكن استخدام التقدم بالتقسية في حالة T4 يتبعها معالجات تقسية نهائية لموازنة القابلية والخصائص النهائية.

سلوك المعالجة الحرارية

4028 عبارة عن سبيكة نصف قابلة للمعالجة الحرارية: حيث يؤدي تلدين المحلول المتحكم به يعقبه تبريد سريع وتقسية صناعية إلى زيادة ملموسة في القوة. تُجرى معالجة المحلول عادة بين 510–540 °C حسب سمك القسم لإذابة المراحل القابلة للذوبان، تليها تبريد مائي للحفاظ على محلول صلب مشبع فوق الحد.

تتم عملية التقسية الصناعية عادة عند 160–190 °C لمدة 4–10 ساعات لترسيب تجمعات دقيقة من Mg-Si وتشتتات السيليكون؛ منحنيات التقسية تختلف حسب القسم والتقسية الزائدة تقلل القوة وتحسن اللدونة. خيار T5 (مبرد من درجة حرارة مرتفعة ومقسى صناعيًا) هو خيار مناسب للإنتاج عندما يكون التلدين الكامل غير عملي.

للتلدين والتخمير عند الورشة، تتحقق حالة O بتسخين إلى ~370–400 °C لتخفيف الضغوط أو التليين يليه تبريد في فرن متحكم. يبقى التقسية بالعمل طريقة فعالة للتقوية عندما لا تتوفر معالجة حرارية، خاصة في درجات سلسلة H.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تبدأ قوة التشغيل في التناقص فوق نحو 120–150 °C بسبب تدهور استقرار المراحل المترسبة وضعف التفاعل بين إزاحات البلورة وترسيباتها. للخدمة المستمرة، يحد المصممون عادة استخدام 4028 تحت 150 °C للحفاظ على نسبة كبيرة من قوة درجة حرارة الغرفة.

مقاومة الأكسدة مشابهة للسبائك الألومنيوم الأخرى؛ تتشكل طبقات أكسيد واقية بسرعة وتحد من تدهور الأداء بدرجات حرارة عالية في الأجواء غير العدائية. التعرض الطويل فوق 200 °C يسرع من تعتيق المراحل المقوية وقد يسبب تليينًا دائمًا وتغيرًا أبعاديًا، خصوصًا في القطاعات الرقيقة حيث قد يزداد التس creep تأثيرًا.

تكون مناطق متأثرة بالحرارة في اللحام (HAZ) معرضة بشكل خاص لفقدان القوة عند التعرض لدرجات حرارة مرتفعة بعد اللحام؛ يمكن تحديد عمليات تقسية لاحقة أو معالجة محلول تليها التقسية لاستعادة الخواص حسب متطلبات التصميم.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 4028
السيارات	ألواح داخلية للجسم، حوامل تركيب	قابلية تشكيل جيدة في حالة O وقوة أعلى في حالات T5/T6 للهياكل الملحومة
البحرية	حوامل، أغطية، تجميلات	مقاومة مناسبة للكلوريد وقابلية لحام ممتازة مع أحمال Al-Si
الفضاء	تركيبات ثانوية، أنابيب ممر الهواء	نسبة قوة إلى وزن مناسبة وقابلية سحب جيدة للمقاطع المعقدة
الإلكترونيات	مصادر حرارة، أغطية	موصلية حرارية كافية واستقرار أبعادي بعد التلدين

يُحدد استخدام 4028 غالبًا حيث تتقاطع متطلبات القابلية للتصنيع مع قابلية اللحام مع الحاجة لأداء ميكانيكي أعلى مما تقدمه السبائك المنسوجة اللينة. تسمح خصائصه المتوازنة باستخدامه ضمن عدة قطاعات نقل وصناعية حيث تُطلب قوى معتدلة، وسلوك تآكل جيد، وسهولة تصنيع متزامنة.

نصائح الاختيار

اختر 4028 عندما تتطلب التصاميم قوة أعلى من الألمنيوم التجاري النقي (1100) مع الحفاظ على قابلية تشكيل كبيرة وقابلية لحام فائقة. بالمقارنة مع 1100، تتنازل 4028 عن بعض التوصيل الكهربائي والحراري لكنها تكتسب قوة شد وخضوع كبيرة.

مقارنةً بالسبائك العالية الصلابة المعالجة بالعمل مثل 3003 أو 5052، توفر 4028 قوة أعلى في الحالات المعتّقة ومقاومة تآكل جوي مماثلة، رغم أنها قد تكون أقل قليلاً في تحمل الضرر في بيئات الكلوريد العدائية جداً. مقارنةً بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061/6063، تقدم 4028 قابلية لحام أفضل وسلوك سحب وتشكيل محسّن بفضل السيليكون على حساب أعلى قوة قصوى ممكنة.

للمشتريات، فضّل 4028 عندما تشمل عمليات التصنيع لحام بالاندماج مع سبائك الحشو Al-Si، عندما تكون جودة سطح السحب مهمة، أو عندما تبسط السبائك نصف القابلة للمعالجة الحرارية الإنتاج دون الحاجة إلى دورات معالجة حرارية عالية القوة.

ملخص ختامي

تحتل سبيكة 4028 موقعًا عمليًا بين سبائك الألمنيوم بفضل دمج تصنيع دعم السيليكون مع إضافات مغنيسيوم محكومة، مما ينتج مادة نصف قابلة للمعالجة الحرارية توازن بين القابلية للتشكيل، وقابلية اللحام، ومقاومة التآكل، والقوة المتوسطة إلى العالية. تظل مناسبة حيث يحتاج المصممون إلى قابلية تصنيع وخدمة موثوقة دون تكلفة أو مخاطر شقوق التآكل بالجهد المرتبطة بالسبائك ذات المحتوى العالي من النحاس أو الزنك.