ألمنيوم 4043: التركيب، الخواص، دليل الحالة الحرارية والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
4043 هو عضو في سلسلة سبائك الألومنيوم 4xxx التي تحتوي على السيليكون، والمصممة أساسًا لتطبيقات اللحام وتحسين السيولة في الحالة المنصهرة. عائلة 4xxx ليست من السلاسل القابلة للمعالجة بالحرارة؛ حيث يأتي التقوية من تأثيرات المحلول الصلب للعناصر المسبوكة ومن تصلب التشغل البارد عند العمل على المعدن في حالة باردة.
العنصر الرئيسي في سبيكة 4043 هو السيليكون (Si)، عادةً في نطاق 4.5–6.0% بالوزن، مع مستويات منخفضة من الحديد وإضافات أثرية من التيتانيوم وعناصر أخرى تعمل كمٌنظِم حبيبات. يخفض السيليكون نطاق الانصهار، ويحسن قابلية الصب وسيولة معدن اللحام، ويقلل من احتمالية حدوث التشقق الحراري أثناء اللحام بالدمج.
الخصائص الرئيسية لـ 4043 تشمل مقاومة شد معتدلة، قابلية ممتازة للحام، مقاومة جيدة للتآكل، وقابلية تشكيل معقولة في الحالة المعالجة حرارياً (المخمرة). يستخدم على نطاق واسع كمادة ملء في لحام MIG/TIG للألومنيوم ويورد أيضًا كمنتج مشغول لأجزاء غير هيكلية حيث تكون قابلية اللحام ومقاومة التآكل أكثر أولوية من أقصى مقاومة ميكانيكية.
الصناعات التي تستخدم 4043 غالبًا تشمل تصنيع السيارات (سلك اللحام والتلحيم)، تصنيع الأجهزة المنزلية، التصنيع العام، والتجمعات الكهربائية والإلكترونية حيث تكون الموصلية الجيدة واللحامات النظيفة مطلوبة. يختار المهندسون 4043 على البدائل عندما تكون السيولة، وانخفاض ميل التشقق الحراري، والتوافق مع مسابح اللحام المحتوية على أكسيد الألومنيوم هي المحركات الأساسية بدلًا من الخصائص الميكانيكية القصوى.
متغيرات الحالة (Temper)
| الحالة | مستوى القوة | الاستطالة | القابلية للتشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالية (15–30%) | ممتازة | ممتازة | مخمال كامل، أفضل قابلية للتشكيل والطوعية |
| H14 | متوسطة | منخفضة–متوسطة (3–10%) | متوسطة | ممتازة | معالجة باردة لحالة نصف صلبة، يزيد مقاومة الخضوع |
| H18 | متوسطة–عالية | منخفضة (≈3%) | محدودة | ممتازة | حالة معالجة باردة كاملة الصلابة لقوة أعلى |
| T4 | منخفضة–متوسطة | متوسطة | جيدة | ممتازة | معالجة حرارية بالمحلول والشيخوخة الطبيعية؛ غير شائعة جداً لـ4043 لكنها موجودة في بعض المنتجات المشغولة |
| T5 / T6 / T651 | غير مطبقة / متغيرة | غير مطبقة | غير مطبقة | ممتازة | الحالات النموذجية T5/T6 ليست قياسية للـ4043 لأن السبيكة ليست قابلة للتقسية بالشيخوخة؛ تعكس القوائم وجود معالجة محدودة أو متخصصة |
تؤثر الحالة بشكل رئيسي على الطوعية ومقاومة الخضوع وقابلية التشكيل للـ4043. توفر الحالة المخملة (O) أعلى استطالة وأسهل تشكيل، في حين أن حالات H والمعالجة الباردة تتنازل عن الطوعية لصالح مقاومة خضوع وصلابة أعلى.
تؤثر حالات المعالجة أيضًا على سلوك اللحام وحساسية الإجهاد المتبقي؛ حيث تقلل الحالات الأطرى من احتمالية التشقق في التجميعات الملحومة وتفضل للتشكيل المعقد قبل اللحام.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 4.5–6.0 | العنصر الأساسي في السبيكة؛ يحسن السيولة ويقلل نطاق الانصهار |
| Fe | ≤0.8 | شائبة معتادة؛ يشكل بينبلورات يمكن أن تؤثر على السطح وتشتت الخواص الميكانيكية |
| Mn | ≤0.05 | عادة قليلة؛ مساهمة ضعيفة في التقوية |
| Mg | ≤0.05 | منخفضة؛ 4043 ليست مصممة للتقوية عبر ترسيب المغنيسيوم |
| Cu | ≤0.2 | يحافظ عليها منخفضة للحفاظ على مقاومة التآكل وقابلية اللحام |
| Zn | ≤0.25 | مستوى شائبة طفيف؛ تأثير محدود على الخواص عند هذه النسب |
| Cr | ≤0.05 | أثر بسيط؛ قد يستخدم للسيطرة على الشوائب |
| Ti | ≤0.20 | يضاف غالبًا كمنظم حبيبات في أشكال السبائك المصبوبة / مواد ملء اللحام |
| عناصر أخرى / التوازن ألومنيوم | التوازن | الألومنيوم يشكل الباقي مع السيطرة على العناصر الأثرية حسب المواصفة |
السيليكون هو المسيطر على الأداء في 4043: يقلل حرارة السائل ويزيد من سيولة المعدن المنصهر، مما يحسن اللحام بالدمج ويقلل التشقق أثناء التصلب. تُراقب العناصر الثانوية للحد من بينبلورات ضارة وللحفاظ على مقاومة التآكل؛ ويستخدم التيتانيوم مع إضافات صغيرة عمدًا كمنظم حبيبات لتحسين البنية الدقيقة في السبائك المصبوبة وترسيبات اللحام.
الخصائص الميكانيكية
يعرض 4043 سلوك شد نموذجي لسبائك الألومنيوم السيليكون غير القابلة للمعالجة الحرارية: مقاومات شد مطولة ومقاومات خضوع معتدلة مع استطالة نسبياً عالية في الحالة المخملة. يتأثر سلوك الخضوع بشدة بالحالة والمعالجة الباردة؛ حيث يمكن للمادة المعالجة باردة (حالة H) الوصول إلى مقاومات خضوع مناسبة لتطبيقات هيكلية غير حرجة، بينما يستخدم المنتج المخمل حيث يتطلب التشكيل.
قيم الاستطالة مرتفعة في الحالة O وتنخفض بشكل كبير مع زيادة المعالجة الباردة. تتناسب الصلادة مع الحالة - الصلادة في الحالة المخملة منخفضة؛ حالات H تظهر صلادة أعلى مع انخفاضات في الاستطالة. أداء التحمل تحت التعب متوسط ويتأثر بشدة بحالة السطح، مناطق تأثر الحرارة من اللحام، ووجود المسامية الناتجة عن الصب أو اللحام.
تؤثر السماكة بشكل ملحوظ: يمكن للعينات الرقيقة أن تظهر مقاومة شد مقاسة أعلى قليلًا بسبب الدرفلة والمعالجة السابقة، في حين أن القطاعات السميكة وترسيبات اللحام قد تظهر خواص أقل وتفاوتًا في البنية الدقيقة أكبر. يؤثر حال السطح والإجهادات المتبقية الناتجة عن التشكيل / اللحام بشكل قوي على عمر التعب وبدء التشقق.
| الخاصية | O/مخمل | الحالة الرئيسية (مثل H14/H18) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | ≈80–140 MPa | ≈120–200 MPa (حسب المعالجة الباردة) | نطاق واسع حسب طريقة المعالجة؛ قد تختلف مقاومة شد معدن اللحام |
| مقاومة الخضوع | ≈30–80 MPa | ≈90–160 MPa | مقاومة الخضوع تزيد بشكل ملحوظ مع المعالجة الباردة |
| الاستطالة | ≈15–30% | ≈3–10% | تتناقص الطوعية مع المعالجة الباردة |
| الصلادة (HB) | ≈25–50 HB | ≈50–85 HB | الصلادة تختلف وفق الحالة والمعالجة الباردة السابقة |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.68 g/cm3 | نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ مفيدة لحساب الكتلة |
| نطاق الانصهار | ≈577–613 °C (الصلب–السائل) | السيليكون يخفض الصلب مقارنة بالألومنيوم النقي؛ النطاق الفعلي يختلف حسب محتوى السيليكون |
| التوصيل الحراري | ≈120–160 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ لا يزال جيدًا لإدارة الحرارة |
| التوصيل الكهربائي | ≈30–45 %IACS | مخفض مقارنة بالألومنيوم النقي؛ ترسيبات اللحام والبنية الدقيقة تؤثر أيضاً على التوصيل |
| السعة الحرارية النوعية | ≈0.9 J/g·K (900 J/kg·K) | سعة حرارية نموذجية للألومنيوم؛ تعتمد بشكل ضعيف على السبائكية |
| التوسع الحراري | ≈23–24 µm/m·K (20–100 °C) | معامل التمدد الخطي النموذجي لسبائك الألومنيوم؛ مهم لحساب الإجهادات الحرارية |
مجموعة الخواص الفيزيائية لـ4043 تؤهله للتطبيقات الحرارية والكهربائية التي تستفيد من الموصلية المتوسطة والكثافة المنخفضة. التوصيل الحراري كافٍ للعديد من تطبيقات المشتت الحراري ونقل الحرارة، لكن يجب للمصممين أخذ تخفيض التوصيل مقارنة بالألومنيوم النقي بعين الاعتبار عند إجراء نمذجة حرارية دقيقة.
نطاق الانصهار المخفض والسيولة المحسنة التي يوفرها السيليكون هما العاملان الرئيسيان لتسهيل اللحام والصب، وتؤثر هذه الخواص الحرارية الفيزيائية على ديناميكا التصلب واحتمالية التشقق الحراري في عمليات الدمج.
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | الحالات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.3–6.0 mm | مقاومة منخفضة في الحالة O؛ يمكن يصلب بعمليات العمل البارد | O, H14 | تستخدم للألواح، الأغلفة، والتطبيقات التي تتطلب قابلية تشكيل |
| صفائح | 6–50 mm | مقاومة معتدلة؛ القطاعات السميكة تظهر تدرجات في البنية الدقيقة | O, كما دحرجت | أقل شيوعاً كصفائح هيكلية بسبب القوة القصوى المحدودة |
| بروفيلات بثق | مقاطع معقدة، أقطار عرضية 1–50 mm | تختلف حسب البروفيل والعمل البارد | O, حالات معالجة باردة | المقاطع البثق تستخدم حيث تكون قابلية اللحام وتعريف الشكل مهمة |
| أنابيب | قطر من عدة ميليمترات حتى أقطار كبيرة | تختلف القوة حسب سماكة الجدار والحالة | O, H | تستخدم لأنابيب توصيل السوائل وأنابيب هيكلية غير حرجة |
| قضبان / أسلاك | 2–50 mm | عادة مقاومة معتدلة؛ تستخدم غالبًا كسلك ملء للحام | O, مسحب | شكل شائع لأسلاك اللحام وقضبان التلحيم |
تُعالَج أشكال السبائك المشغولة للـ4043 مع التركيز على قابلية اللحام والتشكيل؛ يتم غالبًا تخميل الألواح والمقاطع البثق لتسهيل التشكيل واللحام اللاحق. ويمكن تطبيق التشغيل البارد لزيادة القوة للأعضاء الهيكلية غير الحرجة، مع ضرورة الموازنة بين تقليل الطوعية.
تُنتج منتجات جودة اللحام والأسلاك/القضبان من 4043 بتركيبة كيميائية مراقبة وتنظيم الحبيبات لتعظيم سيولة المعدن المنصهر، تقليل المسامية، والتحكم في التشقق أثناء التصلب في وصلات اللحام والتلحيم.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 4043 | الولايات المتحدة | تعيين جمعية الألمنيوم؛ يُشار إليه عادةً في المواصفات |
| EN AW | 4043 | أوروبا | غالبًا ما يُشار إليه كـ EN AW-4043 أو AlSi5 لنطاق كيميائي مماثل |
| JIS | A4043 / AlSi5 | اليابان | المعايير الصناعية اليابانية تستخدم توصيفات مماثلة لـ Al–Si؛ التعيين الدقيق قد يختلف |
| GB/T | 4043 | الصين | تعيينات GB/T الصينية تتطابق إلى حد كبير مع تركيبات AA/EN لسبائك لحام Al–Si |
التكافؤ تقريبي نظرًا لاختلاف ممارسات التصنيع، وحدود الشوائب والإضافات المتبقية المسموح بها بين المعايير الإقليمية. يجب على المهندسين التحقق من شهادات التحليل للمورد عند التطبيقات الحرجة وأخذ الاعتبار للتغيرات الصغيرة المسموح بها في Fe, Ti والعناصر النادرة التي قد تؤثر على سلوك اللحام والصب.
مقاومة التآكل
يمتاز 4043 بمقاومة جيدة للتآكل الجوي العام النموذجي لسبائك الألمنيوم عند تعرض السبيكة للهواء أو البيئات المسببة للتآكل المعتدلة. تتشكل طبقة أكسيد الألمنيوم المستقرة التي توفر تمويهًا (باسيفيشن)، ووجود السليكون لا يضعف الطبقة السلبية بشكل كبير في الظروف العادية.
في البيئات البحرية أو التي تحتوي على كلوريد، يتمتع 4043 بمقاومة معتدلة لكنه لا يزال عرضة للهجوم الموضعي إذا وُجد اقتران كلفاني مع معادن أكثر نبلاً أو إذا تعرضت الطلاءات للتلف. مقاومة التآكل النخري أفضل من بعض السبائك عالية القوة بسبب انخفاض محتوى النحاس، لكنها ليست بقوة السبائك البحرية المتخصصة تحت ظروف رذاذ الملح النشطة.
مقاومة التشقق الناتج عن تآكل الإجهاد في 4043 منخفضة مقارنة بالسبائك عالية القوة القابلة للمعالجة بالحرارة، ولكن مناطق التأثير الحراري للحام والإجهادات الباقية الشدادية قد تركز التشقق المعين بالتآكل. يجب على المصممين النظر في الطلاءات، الحماية الكاثودية، واستراتيجيات العزل عند وجود معادن مختلفة لتقليل الهجوم الكلفاني.
مقارنةً بسلسلة 2xxx و7xxx، يوفر 4043 مقاومة عامة أفضل للتآكل بسبب انخفاض محتوى Cu وارتفاع Si؛ مقارنة بسلسلة 5xxx، أداؤه مشابه في العديد من الظروف الجوية ولكن سبائك 5xxx ذات محتوى المغنيسيوم الأعلى عادةً ما تكون أفضل مقاومة لمياه البحر في التطبيقات الهيكلية.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
يعد 4043 من سبائك الحشو المفضلة عند لحام الألمنيوم بسبب ارتفاع محتوى السليكون الذي يوفر سيولة ممتازة وانخفاض ميل لتشقق اللحام بالحرارة. يعمل بشكل جيد مع عمليات MIG (GMAW) وTIG (GTAW) وهو الخيار القياسي للحام الألمنيوم إلى الألمنيوم حيث يكون من المقبول وجود معدن ملحوم أكثر ليونة ومرونة. خطر التشقق الحراري منخفض في ترسيبات اللحام 4043 مقارنة بالعديد من سبائك الحشو أو الأساس، لكن يجب التحكم في مسامية اللحام وامتصاص الهيدروجين.
قابلية التشغيل
تتمتع سبيكة 4043 المشغولة بقدرة تشغيل متوسطة؛ تُشغل بسهولة أكبر من السبائك المعالجة حراريًا عالية القوة لكنها أصعب قليلًا من الألمنيوم النقي بسبب خبثية السليكون. يوصى باستخدام أدوات كربيد ذات زوايا إيجابية وتركيبات أدوات ثابتة لضبط القطع بشكل متوقع. يجب تحسين سرعات القص ومعدلات التغذية لتجنب تكوين حواف متراكمة والتعامل مع جزيئات السليكون الكاشطة في البنية المجهرية.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل ممتازة في حالة التلدين O مع إمكانية تحقيق أنصاف أقطار انحناء ضيقة للصفائح الرقيقة؛ نصف قطر الانحناء الداخلي النموذجي يتراوح بين 1–3× السماكة حسب الأدوات والجهد. يزيد العمل البارد من القوة لكنه يقلل قابلية التشكيل، لذا عادة ما يتم التشكيل في حالة O أو مع عمليات تلدين وسطية. للتشكيل الشديد، يجب الانتباه إلى تأثير الارتداد وإمكانية تكوين شقوق سطحية في حالات H التي عولجت بالتشغيل البارد بشكل مكثف.
سلوك المعالجة الحرارية
4043 هو سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية بشكل اسمي؛ فهو لا يستجيب لتسلسل المعالجة التقليدي من المعالجة بالمعايرة ثم التعتيق الاصطناعي كما هو الحال في سبائك سلسلة 6xxx أو 7xxx. المحاولات لإجراء تعتيق T6 تعطي تقوية ترسيبية محدودة بسبب انخفاض محتوى Mg وCu بشكل غير كافٍ لتحقيق تقسية كبيرة بالتعتيق.
يمكن أن تعمل المعالجة بالمعايرة على تجانس البنية المجهرية وإذابة التكتلات في الأشكال المصبوبة، لكن أي تعتيق لاحق ينتج تغييرات خصائص متواضعة فقط. التلدين (حالة O) هو العملية الحرارية القياسية لاستعادة الليونة وتخفيف الإجهادات الباقية؛ دورات التلدين النموذجية تتراوح بين 300–400 °C حسب شكل المنتج والليونة المطلوبة.
العمل البارد (حالات H) هو الطريق الرئيسي لزيادة القوة في 4043 بعد التشكيل. يزيد التقسية نتيجة العمل من مقاومة الخضوع والصلادة لكنه يجب أن يوازن مع انخفاضات استطالة التشكيل وزيادة القابلية للكسر تحت الأحمال الدورية.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
كالعادة مع معظم سبائك الألمنيوم، يتعرض 4043 لفقدان كبير في القوة مع ارتفاع درجة حرارة الخدمة فوق درجة الحرارة المحيطة. تنخفض الخصائص الهيكلية المفيدة بشكل ملحوظ فوق 150–200 °C، والتعرض طويل الأمد بالقرب من نطاق الانصهار يضعف السلامة الميكانيكية. يقتصر الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة على تكوين طبقة الألومينا المستقرة، ولكن يمكن أن تحدث آليات تقشر وهشاشة في الأجواء العدائية.
تشهد منطقة التأثير الحراري حول اللحامات تغييرات مترية وتمدداً موضعيًا أو تخشناً في البنية المجهرية؛ في حين أن معدن اللحام 4043 نفسه لين، قد تقل خصائص HAZ مما يحد من قدرة تحمل الأحمال في درجات الحرارة المرتفعة. للخدمة المستمرة في درجات حرارة مرتفعة، يجب اختيار سبائك مطورة خصيصًا لمقاومة الزحف.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | سبب استخدام 4043 |
|---|---|---|
| السيارات | التشطيبات الزخرفية والتجميعات الملحومة | قابلية لحام ممتازة وتشطيب سطح جيد بعد اللحام |
| البحرية | الأغلفة غير الهيكلية، مواد حشو اللحام للتجميعات | مقاومة جيدة للتآكل وانخفاض تشقق اللحام الحراري |
| الفضاء | حشو لحام الألمنيوم، قضبان الإصلاح | توافق مع معادن أساس الألمنيوم والتحكم في خصائص لحام المعادن |
| الإلكترونيات | قضبان التوصيل والأغلفة ومكونات نشر الحرارة | توازن ملائم بين التوصيل والكثافة المنخفضة |
| الأجهزة المنزلية | أواني الطهي ومكونات الخزائن | قابلية التشكيل، قابلية اللحام، ومقاومة التآكل |
يُستخدم 4043 بشكل كبير كسلك وقضيب لحام أكثر من كونه سبيكة هيكلية رئيسية؛ دوره في التجميعات غالبًا تمكين وصلات دمج موثوقة وتوفير معدن ملحوم مرن يتحمل التغيرات الحرارية. تجمع السيولة وقلة الحساسية للتشقق ومقاومة التآكل المعقولة يدعم استخدامه الواسع في الأجزاء الهيكلية غير الحرجة وأجزاء الأغلفة.
نصائح للاختيار
اختر 4043 عندما تكون قابلية اللحام، سيولة المعدن المصهور، ومقاومة التآكل من الأولويات الأعلى مقارنة بالقوة القصوى. هو مملوء لحام ممتاز للأغراض العامة وللمكونات التي تتطلب قابلية تشكيل وترسيب لحام مرن.
مقارنة بالألمنيوم التجاري النقي (مثلاً 1100)، يضحي 4043 قليلاً من التوصيلية الكهربائية وقابلية التشكيل مقابل قوة أعلى وسيولة أكبر لحمم اللحام. مقارنة بسبائك العمل البارد مثل 3003 أو 5052، يقدم 4043 قوة مماثلة أو أقل قليلاً لكنه يحسن قابلية اللحام وميل أقل للتشقق الحراري؛ أداء التآكل مماثل أو أفضل قليلاً حسب البيئة. مقارنة بسبائك المعالجة حراريًا مثل 6061/6063، يُختار 4043 عندما لا تكون القوة القصوى مطلوبة لكن قابلية اللحام والتوافق مع الحشوات وتقليل مخاطر التشقق من الأولويات.
في مفاضلات التصميم والشراء، اعتبر توفر أشكال الحشو، مزايا التكلفة لعمليات اللحام، وما إذا كانت متطلبات الأداء الميكانيكي بعد اللحام تستدعي بديلًا أقوى أو تصميم وصلة مهندس.
ملخص ختامي
يظل 4043 ذا صلة في الهندسة الحديثة لأنه يوفر معدن لحام منخفض التشقق مع مقاومة جيدة للتآكل وسلوك ميكانيكي كافٍ لطيف واسع من التطبيقات الهيكلية والأغلفة غير الحرجة، مما يجعله سبيكة أساسية للحام والتصنيع ومكونات الألمنيوم للأغراض العامة.