ألمنيوم 4044: التركيب، الخواص، دليل الحالات الحرارية والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 4044 هي عضو في سلسلة سبائك الألومنيوم 4xxx، التي تتميز بكون السيليكون (Si) هو العنصر الأساسي في التركيبة السبائكية ضمن عائلة السبائك المشغولة. يحتوي على نسبة عالية من السيليكون مقارنة بسبائك السلسلة 1xxx–3xxx ويصنف كسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، حيث يعتمد بشكل رئيسي على تقوية محلول صلب وتقسية إجهاد لتحسين الخواص الميكانيكية.

العناصر السبائكية الرئيسية هي السيليكون مع إضافات صغيرة ومدروسة أو حدود للحديد والمنغنيز والعناصر النزرة؛ أما مستويات النحاس والمغنيسيوم فهي عادة منخفضة جدًا. تزيد التركيبة الغنية بالسيليكون من قابلية الصب واللحام مع تعديل سلوك انصهار السبائك وخصائص الربط.

الصفات الرئيسية لسبائك 4044 تشمل قوة معتدلة، مقاومة جيدة للتآكل في العديد من البيئات الجوية والمائية المعتدلة، لحامية ممتازة وقابلية جيدة للتشكيل في حالة التخليل. الاستخدامات الصناعية النموذجية تشمل هيكل السيارات وتطبيقات لحام البرازينج/الحشوات، المبادلات الحرارية، المكونات الكهربائية والبروفيلات الإنشائية العامة حيث تكون جودة التدفق والتوافق مع الحشوات مهمة.

يفضل المهندسون استخدام 4044 على غيرها من السبائك عندما يكون هناك حاجة لتحقيق توازن بين قابلية اللحام، أداء اللحام بالبرازينج، ومقاومة التآكل دون التكلفة أو التعقيد العملي أو انخفاض الليونة الذي يصاحب العديد من السبائك القابلة للمعالجة الحرارية. يعزز محتوى السيليكون السيولة ويقلل من حدوث الشقوق الساخنة أثناء اللحام والبرازينج، وهو السبب الرئيسي لاختياره في تطبيقات الربط والحشوات.

أنواع المعالجات الحرارية (Temper)

نوع المعاملة	مستوى القوة	الاستطالة	القابلية للتشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع	ممتاز	ممتاز	مخلوط بالكامل، أعلى ليونة وقابلية للتشكيل
H12 / H14 / H16	معتدل	معتدل	جيد	جيد جدًا	معالجات تقسية بالإجهاد؛ متوفرة من تقسية خفيفة إلى معتدلة
H18 / H24	أعلى	منخفض	مقبول	جيد	تقسية بالإجهاد أعنف لقوة مرتفعة حيث تكون القابلية للتشكيل أقل أهمية
T (مثل T4/T5/T6)	غير قابل للتطبيق / محدود	غير متوفر	محدود	غير متوفر	السبائك 4xxx ليست قابلة تقليديًا للمعالجة الحرارية؛ المعالجات T نادرة أو مرتبطة بعمليات محددة

تؤثر المعاملة الحرارية تأثيرًا قويًا ومتوقعًا على أداء 4044 لأن السبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية وتعزز القوة بشكل رئيسي من العمل البارد. الانتقال من الحالة O إلى حالات H يزيد مقاومة الخضوع والشد على حساب الليونة وقابلية التشكيل، مما يؤثر مباشرة على نصف قطر الانحناء وحدود التشكيل بالتمدد.

لعمليات اللحام والبرازينج، يُفضل استخدام المادة المخلوطة (O) للتشكيل قبل الربط ولتقليل الإجهادات المتبقية في مناطق اللحام؛ وتُستخدم حالات H حيثما تكون قوة المنتج النهائي مرتفعة وتكون العمليات اللاحقة للتشكيل محدودة.

التركيب الكيميائي

العنصر	نسبة %	ملاحظات
Si	4.0 – 6.0	العنصر السبائكي الرئيسي؛ يحسن السيولة، ويقلل نطاق الانصهار
Fe	≤ 0.7	شوائب شائعة؛ تؤثر على القوة وتكوين المركبات البينية
Mn	≤ 0.5	إضافات صغيرة لتحسين بنية الحبوب وتقوية معتدلة
Mg	≤ 0.20	عادة منخفضة؛ المغنيسيوم العالي ليس من خصائص 4044
Cu	≤ 0.20	عموماً منخفضة لتقليل التآكل والحفاظ على قابلية اللحام
Zn	≤ 0.10	منخفض؛ ليس عنصر تقوية هنا
Cr	≤ 0.10	عنصر تحكم نزر لبقاء الحبوب مستقرة
Ti	≤ 0.20	عادة يوجد كمنعم للحبوب في بعض الأشكال المنتجة
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05	متبقيات وعناصر نزرية؛ التوازن ألمنيوم

تركيز السيليكون هو العامل المسيطر على الميكروهيكل، سلوك الصلب-السائل، وتكوين الطور الغني بالسيليكون في السبائك 4044. كما تؤدي نسب الحديد والمنغنيز الصغيرة إلى تكوين مركبات بينية تؤثر على الخواص عند درجات حرارة عالية وقابلية التشغيل، بينما تحافظ نسب المغنيسيوم والنحاس المنخفضة عمدًا على مقاومة التآكل وقابلية اللحام. الأداء العام يعتمد على تقوية المحلول الصلب المدفوعة بالسيليكون بالإضافة إلى التحكم في الميكروهيكل من خلال المعالجة الحرارية والميكانيكية.

الخواص الميكانيكية

سلوك الشد لـ 4044 يماثل سبائك الألمنيوم-السيليكون غير القابلة للمعالجة الحرارية: ليونة مرتفعة نسبيًا في الحالة المخلوطة (O) وزيادة تدريجية في مقاومة الخضوع والشد مع التقسية بالإجهاد. مقاومة الخضوع منخفضة في حالة O لكنها ترتفع بشكل ملحوظ مع المعالجات H؛ أعلى استطالة تكون في O وتنخفض مع تقسية العمل. الصلادة تتبع نفس الاتجاه؛ حيث تظهر المعالجات H صلادة أعلى نتيجة تراكم الانزلاقات وربما ترسيب دقيق لمركبات الشوائب.

أداء التحمل (التعب) معتدل ويرتبط بشدة بسطح التشطيب، السماكة وحالة الإجهاد المتبقي الناتجة عن التشكيل أو اللحام. تميل المواد ذات السماكات الرقيقة إلى تقليل عمر التعب إذا لم تتم إزالة الحواف الحادة بشكل كافٍ وتخفيف الإجهادات؛ مناطق التأثير الحراري للحام والشوائب الناتجة عن المعالجة يمكن أن تكون نقاط نشوء لشقوق التعب. يجب على المصممين أخذ سلوك السماكة المتغير وأثر اللحامات أو المفاصل الملحومة أو الملحومة بالبرازينج على عمر التحمل الدوري في الحسبان.

اللاانتظامات في الميكروهيكل الناتجة عن الصب أو السحب، مثل توزيع جسيمات السيليكون، تؤثر على القابلية للتشغيل ومقاومة التآكل؛ الأقسام السميكة قد تحتفظ بجسيمات Si أكبر حجمًا وقابلية تشكيل أقل مقارنة بألواح رقيقة منتجة ومبردة إلى معالجات H.

الخاصية	O / مخلوط	معاملة رئيسية (مثلاً H14)	ملاحظات
قوة الشد	70 – 110 MPa (نموذجي)	130 – 180 MPa (نموذجي)	تختلف القيم حسب نوع المعاملة والسماكة؛ المعالجات H أعلى بكثير
مقاومة الخضوع	30 – 60 MPa (نموذجي)	100 – 150 MPa (نموذجي)	تزداد مقاومة الخضوع بشكل كبير مع العمل البارد
الاستطالة	20 – 35%	5 – 15%	تتراجع الليونة بسبب التقسية بالإجهاد
الصلادة (HB)	25 – 40 HB	55 – 75 HB	بقيس برينل كمؤشر مقارن، يختلف مع درجة التقسية

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 g/cm³	نمطي لسبائك الألمنيوم؛ مفيد لحساب الكتلة والصلابة
نطاق الانصهار	≈ 577 – 635 °C	انصهار متأثر بالتأثير الإيوتكتيمي للسيليكون؛ النطاق يعتمد على مستوى Si
التوصيل الحراري	≈ 120 – 160 W/m·K	أدنى من الألمنيوم النقي؛ السيليكون والشوائب تقلل التوصيل
التوصيل الكهربائي	≈ 35 – 55 % IACS	السبائكية تقلل التوصيل مقارنة بالسلسلة 1xxx
السعة الحرارية النوعية	≈ 880 – 910 J/kg·K	نمطي لسبائك الألمنيوم في درجة حرارة الغرفة
التمدد الحراري	≈ 23 – 24 ×10⁻⁶ /K	مماثل لسبائك الألمنيوم الأخرى، مهم لتصميم التوافق الحراري

الخصائص الفيزيائية تجعل 4044 مناسبة حيثما تكون الحاجة لتوصيل حراري جيد دون أهمية قصوى للتوصيل الكهربائي. قيم التمدد والتوصيل الحراري مهمة عند تصميم المبادلات الحرارية، علب الأجهزة الإلكترونية أو التركيبات متعددة المواد لمعالجة الاختلافات في التمدد. يبدأ الانصهار المنخفض نسبيًا بسبب الإيوتكتكيات المرتبطة بالسيليكون هو عامل مؤثر في مجالات اللحام، البرازينج وصب/الربط.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3 – 6.0 mm	متجانس؛ يتأثر بالعمل البارد	O, H14, H24	يُستخدم للألواح، مبردات الحرارة، وألواح اللحام بالنحاس
صفائح	6 – 25 mm	استجابة أقل قليلاً لعملية العمل البارد	O, H18	سماكة أكبر، قد تقلل التوزيعات الخشنة لـ Si من اللدونة
البثق	بروفيلات بطول عدة أمتار	قوة اتجاهية جيدة	O, H14	السيليكون يساعد في تدفق السبيكة وتحسين السطح في قوالب البثق
أنابيب	تشكيلات مختلفة من القطر الخارجي وسماكة الجدار	سلوك مماثل للألواح	O, H14	يُستخدم لمبادلات حرارية ملحومة وأنابيب هيكلية
قضبان/أعمدة	أقطار حتى ~100 mm	قوة أعلى كما في حالة البثق	O, H12	غالبًا ما يُستخدم حيث يتبعها تشغيل أو تزوير

تختلف عمليات التشغيل بين الألواح والبثق والصفائح حسب معدلات التبريد وجداول العمل التي تؤثر على توزيع جزيئات السيليكون وحجم الحبيبات. المنتجات الرقيقة المدلفنة على البارد إلى معالجات H تظهر قوة أعلى وتمدد أقل من الصفائح المعالجة حراريًا. تُستغل سيولة السيليكون في الأشكال بالبثق لإنتاج مقاطع رقيقة الجدار مع الحفاظ على جودة السطح والثبات الهندسي للتشكيل أو الربط اللاحق.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	4044	الولايات المتحدة	تسمية جمعية الألمنيوم
EN AW	4044	أوروبا	تسمية أوروبية شائعة؛ قد تختلف حدود التركيب قليلاً
JIS	A4044 (تقريباً)	اليابان	المواصفات المحلية قد تستخدم تسميات مماثلة لـ Al–Si
GB/T	Al4044 (تقريباً)	الصين	المواصفات الصينية قد تدرج سبائك Al–Si بمحتوى سيليكون مشابه

تشير تسميات الدرجات المكافئة عادةً إلى تركيبات كيميائية متشابهة إلى حد بعيد، لكن المواصفات الإقليمية قد تختلف في نطاقات الشوائب والعناصر النزرة. تؤثر هذه الفروقات على خصائص مثل التوصيلية الكهربائية، وسهولة التشغيل، وأداء اللحام؛ لذا يجب على المهندسين مراجعة جداول المواصفات التفصيلية للشراء والتأهيل النهائي. عند الاستبدال أو التبديل، يجب التحقق من تقارير الاختبار المعتمدة للخصائص الحيوية مثل محتوى السيليكون، بيانات الشد، وتأثير أية إضافات سبائكية.

مقاومة التآكل

تُظهر درجة 4044 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام مماثلة للعديد من سبائك الألمنيوم التجارية، بسبب طبقة Al2O3 الواقية التي تتكون بشكل طبيعي على الأسطح. لا تؤثر إضافات السيليكون بشكل ملحوظ على الفيلم السالب، وتؤدي 4044 أداءً جيدًا في الأجواء الصناعية والريفية حيث تكون الملوثات معتدلة.

في البيئات البحرية، يظهر السبيكة مقاومة معقولة للتآكل الموحد، لكن قد تحدث تآكلات موضعية في التشققات وبحيرات الماء الراكدة إذا كان هناك اقتران كهربائي مع مواد أكثر نبلاً (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك النحاس). تتطلب الخدمة طويلة الأمد في البيئات البحرية القاسية تجهيز السطح، والطلاءات، والاعتبارات المتعلقة بالكاثود/الأنود.

انخفاض قابلية الشقوق الناتجة عن التآكل الإجهادي لدرجة 4044 مقارنةً بالسبائك عالية القوة والقابلة للمعالجة الحرارية من سلسلتي 2xxx و7xxx يعود إلى مستويات القوة المعتدلة وعدم تعزيز السيليكون لنفس آليات الهجوم بين الحبيبات. ومع ذلك، يجب تصميم اللحامات أو الوصلات الملحومة أو الملحومة بالنحاس بعناية، لأن التركيب الميكروي غير المتجانس والإجهادات المتبقية في الشد يمكن أن تسرع من التآكل المحلي مقارنة بالمعدن الأساسي.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

تتمتع 4044 بقابلية لحام عالية وتُستخدم غالبًا ككيمياء ملء للحام الألمنيوم واللحام بالنحاس لأن السيليكون يحسن السيولة ويقلل ميل التشقق الحراري. تعمل العمليات الشائعة مثل GMAW (MIG) وGTAW (TIG) بشكل جيد عند اختيار أسلاك مناسبة (ER4043/ER4044)؛ ويُستخدم ER4044 على نطاق واسع في التطبيقات automotive واللحام بالنحاس. قد تظهر منطقة التأثير الحراري تليينًا موضعيًا في المعالجات شديدة العمل، وأحيانًا يُستخدم التسخين المسبق أو المعالجات بعد اللحام لتقليل الإجهادات المتبقية.

سهولة التشغيل

سهولة تشغيل 4044 متوسطة؛ تزيد جزيئات السيليكون من استقرار تفاعل أدوات القطع ويمكن أن تحسن التحكم في الرقائق مقارنةً بالألمنيوم الخالص، لكنها تزيد من تآكل الأدوات مقارنةً بالسبائك الناعمة جدًا. يُنصح باستخدام أدوات كربيد مع طلاءات TiN أو TiAlN وزوايا قطع موجبة لقطع مستقرة بسرعة معتدلة. يكون سطح القطع جيدًا عند إخلاء الرقائق بشكل نظيف؛ وتكوّن الحواف المركبة أقل إشكالية من بعض سبائك النحاس.

قابلية التشكيل

تتميز 4044 بقابلية تشكيل ممتازة في حالة O، مما يسمح بأشعة انحناء ضيقة وتطبيقات السحب العميق عندما يُتحكم في توزيع جزيئات السيليكون وحجم الحبيبات. يقلل العمل التقويمي من القابلية للتشكيل في معالجات H، لذا تُجرى عمليات التشكيل عادة في الحالة المعالجة حراريًا تليها (إذا لزم) معالجة إجهاد لزيادة القوة حسب الحاجة. تعتمد أقل أنصاف أقطار للانحناء الداخلية على السماكة والمعالجة الحرارية، ومن الأفضل تحديدها تجريبيًا لأداة معينة ودفعة السبائك.

سلوك المعالجة الحرارية

تُصنف 4044 كسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ لا يمكن تحسين خصائصها الميكانيكية بالمعالجة التقليدية مثل المعالجة بالترويق والشيخوخة الصناعية كما في سلسلتي 6xxx أو 7xxx. يتم تعزيز القوة بشكل رئيسي عبر العمل البارد (التقوية بالتشوه) مع تأثيرات محلول صلب من السيليكون. محاولات تطبيق معالجات T لها فوائد محدودة ومرتبطة أساسًا بمعالجة المنتج وليس بدورات تقوية.

يُستخدم التلدين وإعادة التبلور بفعالية لاستعادة اللدونة: إذ يذيب التلدين الكامل (O) الهياكل الناجمة عن التشوه ويكبر الرواسب الدقيقة أو مواد التعليق السيليكونية لإنتاج أفضل خصائص تشكيل. تُستخدم دورات الاستقرار وتخفيف الإجهادات صناعيًا للتحكم في الإجهادات المتبقية بعد اللحام أو اللحام بالنحاس أو التشكيل بدلاً من رفع القوة.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تتدهور مقاومة الشد لـ4044 مع ارتفاع درجة الحرارة، ويقتصر السلوك الهيكلي العملي عادة على درجات حرارة أقل من ~150 °C للأحمال المستمرة. فوق هذا النطاق، تزداد حركة التشوهات وتنخفض مساهمة محلول السيليكون والعمل البارد في القوة بسرعة، لذا يوصى المصممون بتقييد التشغيل المستمر إلى درجات حرارة أقل أو استخدام مقاطع أكثر سماكة للتعويض.

لا يكون الأكسدة شديدة في سبائك الألمنيوم عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة لأن طبقة Al2O3 تكون وقائية، لكن التعرض الطويل في درجات حرارة مرتفعة يسرع نمو الأكسيد ويعزز التآكل الميكروي لدورات السيليكون. قد تتحلل اللحامات وموصلات اللحام بالنحاس عند التعرض لدرجات حرارة الخدمة المرتفعة، ويجب تقييمها للزحف أو ارتخاء الإجهاد حيث توجد أحمال دورية أو مستمرة.

التطبيقات

الصناعة	المكون المثال	سبب استخدام 4044
السيارات	ملء اللحام ونوافذ مبادل الحرارة	سيولة ممتازة وتوافق جيد للحام/اللحام بالنحاس؛ مقاومة التآكل
البحرية	قنوات التهوية HVAC ومكونات هيكلية غير حرجة	مقاومة التآكل وسهولة التصنيع
الطيران	غير متوفر