الألومنيوم 4048: التركيب، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
السبائك 4048 هي عضو في سلسلة 4xxx من سبائك الألومنيوم، وهي عائلة غنية بالسيليكون تتميز أساسًا بوجود السيليكون كعنصر سباكة رئيسي. عادةً ما تُصنف هذه السبيكة مع سبائك Al-Si الأخرى المستخدمة في حشو اللحام، اللحام بالنحاس (brazing)، وبعض الأشكال المعالجة بالبثق حيث تُطلب السوائلية، نطاق انصهار منخفض، وخصائص تآكل جيدة.
العناصر الرئيسية المضافة في 4048 هي السيليكون (Si) بنسبة عالية تتراوح بين أحادية الرقم إلى رقمين منخفضين، مع إضافات بسيطة من المنغنيز، المغنيسيوم، النحاس وعناصر أثرية تُعدّل القدرة على الصب والاستجابة الميكانيكية. وبما أن السيليكون هو العنصر السائد، فيكون التقوية غير قابلة للمعالجة الحرارية بشكل كبير وتعتمد على التحكم في البنية المجهرية، تأثيرات المحلول الصلب، وفي الأشكال المشغولة، التقسية الناتجة عن العمل؛ حيث إن التقسية بالتقادم (الترسيب) محدودة مقارنة بسلسلات 6xxx و7xxx.
السمات الرئيسية في 4048 تتضمن سوائلية جيدة ونطاق انصهار منخفض (مفيد للحشو واللحام بالنحاس)، مقاومة جيدة للتآكل في العديد من البيئات الجوية والصناعية، قابلية لحام مناسبة مع سبائك الحشو المتوافقة، وقابلية تشكيل معتدلة عند الحالات اللينة. تشمل الاستخدامات الصناعية مواد حشو اللحام في السيارات وطبقات التكسية، سبائك اللحام بالنحاس، بعض المكونات المعالجة بالبثق، والتطبيقات التي تفيد من سطح غني بالسيليكون أو كيمياء صالحة للحام بالنحاس.
يختار المهندسون 4048 عندما تكون هناك حاجة إلى سبيكة معززة بالسيليكون لتحسين سريان حمام اللحام، تقليل التشقق الحار، أو توفير سطح غني بالسيليكون للحام بالنحاس أو التوصيل. تُفضل على السبائك ذات المقاييس العالية والقابلة للمعالجة الحرارية عندما تتطلب الخدمة سوائلية، توافقًا مع سبائك Al-Si للحشو، أو مقاومة تآكل محسنة بدلاً من قوة قصوى.
أنواع المعالجات الحرارية
| المعاملة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالٍ | ممتاز | ممتاز | حالة متمهّدة بالكامل للتشكيل واللحام بالنحاس |
| H12 / H14 | متوسط | معتدل | جيد | جيد | تقسية نتيجة إجهاد خفيف إلى متوسط؛ شائع للبثق |
| H18 / H22 | عالي | منخفض | مقبول | مقبول | تقسية عمل أعلى، يستخدم حيثما يلزم قوة إضافية |
| T4 (إن استُخدم) | متوسط | معتدل | جيد | جيد | مقسى بالتقدم الطبيعي بعد المعالجة بالمحلول؛ استجابة محدودة في سلسلة 4xxx |
| T6 (نادر) | زيادة محدودة | معتدل | معتدل | معتدل | التقسية الإصطناعية تظهر تأثيرًا محدودًا؛ ليست طريق التقوية الأساسية |
تؤثر المعاملة الحرارية بشكل كبير على اللدونة، القوة، وقابلية التشكيل في 4048. المعاملة اللينة O تعظم الاستطالة وقدرة التشكيل البارد، بينما ترفع المعاملات H الناتجة عن العمل البارد من مقاومة الخضوع وقوة الشد على حساب الاستطالة وقابلية الثني.
بما أن 4048 غير قابل للمعالجة الحرارية بشكل رئيسي، فإن معاملات الحالة T تُحدث تغييرات متواضعة مقارنة بسبائك سلسلة 6xxx؛ لذلك عادةً ما يتم تعديل الخصائص العملية من خلال التشوه الميكانيكي ودورات التبريد بدلاً من المعالجات التقليدية بالمعالجة بالمحلول والتقسية.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 8.0 – 12.0 | عنصر سباكة رئيسي يتحكم في نطاق الانصهار والسوائلية ومقاومة التآكل؛ نسبة عالية من السيليكون تخفض نقطة الانصهار وتحسن السلوك أثناء اللحام بالنحاس |
| Fe | 0.3 – 1.0 | عنصر شوائب يمكن أن يشكل بينات حديدية تؤثر على اللدونة وقابلية التشغيل |
| Mn | 0.1 – 0.8 | إضافات صغيرة تنقي حبيبات البنية وتحسن القوة ومقاومة التآكل بشكل طفيف |
| Mg | 0.05 – 0.6 | مقادير صغيرة تغير القوة وسلوك الترسيب؛ كميات زائدة تقلل تعديل الإيوتكتك للسيليكون |
| Cu | 0.05 – 0.5 | كمية طفيفة تزيد القوة وقد تقلل مقاومة التآكل؛ تُحكم للحد من حساسية التشقق الحار |
| Zn | ≤ 0.2 | محافظة على مستوى منخفض؛ الزنك له دور محدود في سبائك 4xxx |
| Cr | ≤ 0.1 | إضافة أثرية للتحكم في البنية الحبيبية وقمع عمليات إعادة التبلور |
| Ti | ≤ 0.15 | مُحسّن للحبيبات في الصب والبثق عند إضافته بكميات محددة |
| عناصر أخرى (بما في ذلك Sn, B, Ni) | متعادل إلى 0.15 إجماليًا | بقايا وعناصر أثرية تُحفظ منخفضة لتجنب تكوين بينات ضارة |
تحدد الكيمياء لسبائك 4048 سلوكها: يحكم السيليكون الخصائص الإيوتكتكية، حيث يخفض درجات الإنصهار الصلبة والسائلة ويعزز السوائلية للحام واللحام بالنحاس؛ يحسن المنغنيز والعناصر الانتقالية الصغيرة البنية المجهرية ويزداد مقاومة التآكل الموضعية؛ يُستخدم المغنيسيوم والنحاس بكميات منخفضة لضبط القوة ولكن مع حدود لتجنب تكوين أطوار ضارة.
الخصائص الميكانيكية
في السلوك الشدي، يظهر 4048 قوة شد نهائية متوسطة ولدونة جيدة في الحالة المتمهّدة. تزداد قيم الشد والحد الانتصافي بشكل كبير مع العمل البارد (معاملات H) بينما تنخفض الاستطالة. تتبع الصلادة نفس الاتجاه؛ فالمواد المتمهّدة لينة وسهلة التشكيل، أما المعاملات المشغولة فتظهر قيم برينل أو فيكرز أعلى.
أداء التعب في 4048 هو نموذجي لسبائك Al-Si: تتحسن قوة التعب مع العمل البارد وانخفاض خشونة السطح، لكن وجود أطوار غنية بالسيليكون وجسيمات بينية معدنية قد تعمل كنقاط بدء للتشققات. للسماكة تأثير قوي على الاستجابة الميكانيكية وقابلية التشكيل؛ حيث تكون المقاييس الرقيقة أسهل في السحب والثني وتستجيب بشكل أكثر تجانسًا لتقسية الجهد، بينما تحتفظ القطع السميكة بعدد أكبر من الجسيمات البينية المعدنية المصبوبة وقد تكون أكثر صلابة وأقل لَدونة.
لأعمال التصميم، ينبغي للمهندسين الاعتماد على بيانات القوة الساكنة من المعاملة المحددة وشكل المنتج مع تطبيق عوامل أمان مناسبة للتعب والتعرض البيئي. يمكن لعمليات اللحام واللحام بالنحاس أن تلين أو تُقسى المادة محليًا حسب كمية الحرارة ومدى توافق الحشو؛ لذا يُنصح بالاختبار الميكانيكي بعد العمليات للمكونات الحرجة.
| الخاصية | O/متمهّد | المعاملة الرئيسية (H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 80 – 130 MPa | 160 – 260 MPa | المدى يعتمد على السماكة، المعالجة، ودرجة تقسية الإجهاد |
| مقاومة الخضوع | 30 – 70 MPa | 110 – 200 MPa | الحد يرتفع بشكل ملحوظ مع معاملات H |
| الاستطالة | 18 – 30 % | 6 – 18 % | السبائك المتمهّدة توفر لدونة عالية؛ يقلل العمل البارد من الاستطالة |
| الصلادة (HB) | 20 – 35 HB | 45 – 90 HB | الصلادة تتناسب مع المعاملة ودرجة العمل البارد |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.68 – 2.72 جم/سم³ | قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم-السيليكون؛ تعتمد قليلاً على محتوى السيليكون |
| نطاق الانصهار | ~565 – 620 °C | التركيب الغني بالسيليكون يخفض درجات الانصهار الصلبة والسائلة مقارنة بالألومنيوم الخالص |
| التوصيل الحراري | 110 – 140 واط/م·ك | أقل من الألومنيوم الخالص لكنه لا يزال جيدًا لإدارة الحرارة |
| التوصيل الكهربائي | ~28 – 40 % IACS | منخفض عن الألومنيوم الخالص بسبب السبكة؛ يقل مع زيادة السيليكون |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.90 جول/جم·ك | سعة حرارية نموذجية للألومنيوم في درجات الحرارة المحيطة |
| التوسع الحراري | 22 – 24 µm/m·ك (20–100 °C) | معامل التمدد الحراري مشابه لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ محتوى السيليكون يخفض معامل التمدد قليلاً |
تعكس الخصائص الفيزيائية الكيمياء الغنية بالسيليكون: انخفاض نطاق الانصهار والتوصيل الحراري الجيد تجعل 4048 مفيدًا في تطبيقات التوصيل والحرارية. التوصيل الكهربائي منخفض مقارنة بسلسلة 1xxx ويجب أخذه في الاعتبار في تصميم المسارات الكهربائية أو الحرارية.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | المقاسات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| لوح | 0.3 – 6.0 mm | يتجاوب جيداً مع العمل البارد؛ السماكات الرفيعة تتشكل بسهولة | O, H14 | شائع للاستخدام في الألواح المطلية أو ألوح اللحام بالبراس وزعانف تبادل الحرارة |
| لوح سميك | 6 – 50+ mm | الألواح السميكة تظهر محتوى أكبر من المركبات بين المعادن في الحالة المصهورة | O, H22 | يستخدم حيث تُطلب الكتلة ومقاومة التآكل |
| بثق | مقاطع عرضية تصل إلى عدة أمتار | القوة تتحكم بها تصلب العمل والإجهاد الناتج عن البثق | O, H12/H14 | مناسب للمقاطع المعقدة المستفيدة من سطح معزز بالسيليكون |
| أنبوب | سمك الجدار 0.5 – 10 mm | الهندسة تؤثر على استجابة العمل البارد وقوة الانفجار | O, H18 | يستخدم لأنظمة السوائل منخفضة الضغط والتجميعات الملحومة بالبراس |
| قضيب/عمود | 3 – 100 mm | عادة ما يُورد بمقاسات وطُرُز ألطف للتشغيل أو السحب | O, H14 | قضبان مستقيمة للتشغيل الآلي أو عمليات التشكيل الثانوية |
يتم معالجة أشكال المنتجات المختلفة لاستغلال خصائص 4048 المدفوعة بالسيليكون: الألواح الرفيعة للحام البراس وأسُطح نقل الحرارة، المقاطع للبثق المعقد، والقضبان للتشغيل. تؤثر معايير المعالجة مثل درجة حرارة البثق، معدل التبريد، والعمل البارد بعد البثق بشكل كبير على الخواص الميكانيكية النهائية والبنية المجهرية.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 4048 | الولايات المتحدة الأمريكية | معروف في أدبيات المورد كنوع غني بالسيليكون ضمن سلسلة 4xxx |
| EN AW | AlSi9Cu (تقريباً) | أوروبا | لا يوجد تطابق مباشر واحد لواحد؛ بعض السبائك الأوروبية تحتوي على سيليكون مشابه لكن تختلف في النحاس/المغنيسيوم |
| JIS | A4048 (غير رسمي) | اليابان | تتفاوت التسميات المحلية؛ التأكد من الكيمياء عبر شهادات المطاحن ضروري |
| GB/T | 4048 | الصين | قد توجد درجات معيارية محلية؛ تحقق من المواصفات الوطنية للنطاقات الدقيقة |
المكافأة بين المعايير الإقليمية تقريبية لأن سبائك 4xxx لها نافذة تركيبية واسعة وتغيرات صغيرة في Mg, Cu أو Mn قد تغير الخواص. يجب على المهندسين دائماً التحقق من الشهادات الكيميائية والميكانيكية من المطاحن قبل إعلان مبدئية التبادل للأجزاء الحرجة.
مقاومة التآكل
يتمتع 4048 بمقاومة جيدة لتآكل الجو كما هو معتاد في سبائك الألمنيوم-سيليكون لأن طبقة الأكسيد السلبية للألمنيوم محفوظة ولا يسبب السيليكون إزالة التفعيله السطحية بشكل كبير. في الأجواء الصناعية والحضرية يعمل السبائك بشكل جيد، وتتحسن مدة الخدمة مع المعالجات السطحية مثل الأكسدة الأنودية أو الطلاءات الواقية.
في البيئات البحرية يُظهر 4048 أداءً متوسطاً؛ يعتبر تآكل الحفر الناتج عن الكلوريد مصدر قلق على الأسطح غير المحمية، لا سيما عند المواقع المتعرضة للجهد أو الفوالق. يمكن التخفيف من التآكل البحري بتصميم مناسب لتجنب الفوالق، تطبيق الطلاءات، والوقاية الكاثودية. التغطية بطبقات ألمنيوم أكثر نقاوة أو أنظمة الطلاء شائعة حيث يُتوقع تعرض طويل الأمد لمياه البحر.
التصدع الناتج عن الإجهاد والتآكل ليس وضع فشل رئيسي في 4048 مقارنة بالسبائك عالية القوة المعالجة حرارياً، لكن قد تحدث هشاشة موضعية قرب اللحامات أو الوصلات الملحومة بالبراس إذا كانت البنية المجهرية غير متجانسة والإجهادات المتبقية عالية. يجب تقييم التفاعلات الجلفانية مع المعادن المختلفة؛ فـ4048 أنودي مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ وكاثودي مقارنة بالمعادن النبيلة، لذا فإن اختيار مواد العزل والمثبتات مهم.
مقارنة بعائلات السبائك الأخرى، عادة ما يتفوق 4048 على السبائك عالية النحاس من حيث مقاومة التآكل لكنه أقل قليلاً مقارنة بالسبائك عالية النقاء من سلسلة 1xxx. يوفر محتوى السيليكون تأثيراً إيجابياً لبعض المعالجات السطحية وعمليات اللحام بالبراس، مما يحسن أداء التآكل في التجميعات.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يستخدم 4048 على نطاق واسع كسبائك حشو لعمليات TIG وMIG بفضل محتواه العالي من السيليكون، الذي يحسن سيولة المعدن المصهر ويقلل من التشقق الحراري في حوض اللحام. عند استخدامه كسبائك قاعدة، يمكن تطبيق لحام GTAW/GMAW التقليدي مع أسلاك مطابقة أو حشوات من نوع ER4043 للتحكم في تخفيف السيليكون والخصائص الميكانيكية. قد تنعم مناطق التأثير الحراري أو تخضع لتغيرات بنيوية حسب حالة المزاج وكمية الحرارة الداخلة، لذا ينصح بالتحكم في درجات حرارة التمرير قبل وبعد اللحام للوصلات الحرجة.
قابلية التشغيل الآلي
التشغيل الآلي على 4048 متوسط؛ السبائك الغنية بالسيليكون تميل لإنتاج رقائق شديدة التآكل وغير متصلة وقد تكون أكثر قساوة على أدوات القطع مقارنة بالألمنيوم النقي. أدوات الكربيد ذات الطلاءات المناسبة (TiN, TiAlN) والتركيبات الصلبة التي تسمح بسرعات قطع متوسطة إلى عالية مع تبريد ممتاز تحقق أفضل النتائج. استراتيجيات التحكم في الرقائق ومعدلات التغذية المحافظة تقلل من تآكل الأدوات؛ تعتمد جودة السطح على المزاج وتوزيع جسيمات السيليكون.
قابلية التشكيل
أفضل قابلية تشكيل تكون في المزاج المعالج حرارياً (O) حيث يمكن تحقيق نصف أقطار انحناء صغيرة والرسم العميق ممكن. مع ارتفاع نسبة العمل البارد في مزاج H، يجب زيادة نصف قطر الانحناء واتباع خطوات تشكيلة لتجنب التشقق. عادةً ما تُستخدم عمليات عزل بينية لاستعادة اللدونة في عمليات التشكيل الشديدة، ويجب على المصممين تحديد نصف قطر الانحناء الأدنى بناءً على سماكة اللوح والحالة المزاجية المطلوبة.
سلوك المعالجة الحرارية
كنوع من السبائك ذات سلسلة 4xxx، 4048 لا يقبل المعالجة الحرارية التقليدية للتقوية عن طريق الترسيب. إنتاج الصلادة عن طريق معالجة التسخين والترسيب الصناعي محدود لأن السيليكون لا يشكل مراحل التقوية المعتمدة في سبائك سلسلتي 6xxx و7xxx. محاولات تطبيق معالجة T6 تعطي تحسينات هامشية ونادراً ما تكون فعالة من حيث التكلفة لتغيير خصائص الكتلة.
التصلب بالعمل هو الوسيلة الرئيسية لزيادة القوة: التشوه البارد المنظم (مقاسات H) يرفع مقاومة الخضوع والشد على حساب اللدونة. يستخدم التعتيق لاستعادة اللدونة وتخفيف الإجهادات المتبقية؛ تتم دورات التعتيق النموذجية أسفل درجة حرارة الإيوتكتك بقليل لتجنب تكبير الحبيبات والحفاظ على النهاية السطحية. للتطبيقات اللحامية أو الحشو بالبراس، يستخدم التسخين الموضعي والتبريد المحكوم بدلاً من المعالجة الحلولية الكاملة.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
يفقد 4048 قوته تدريجياً مع زيادة درجة الحرارة، مع انخفاض ملحوظ فوق حوالي 150–200 °C؛ درجات الخدمة التي تقترب من أو تتجاوز 300 °C ستقلل بشكل كبير من الأداء الميكانيكي والاستقرار الأبعاد. الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة تقتصر عادةً على تكوين أكسيد الألمنيوم؛ الطبقات السميكة غير شائعة في ظروف التشغيل النموذجية لكنها تؤخذ بالاعتبار للخدمة الطويلة عند درجات الحرارة العالية.
مناطق التأثير الحراري عند اللحام قد تسبب ترققاً وهشاشة موضعية؛ التعرض للحرارة العالية يسرّع أي تغييرات في توزيع السيليكون ويعجل تكبير جزيئات المركبات بين المعادن الهشة. للمكونات التي تتطلب استقراراً عند درجات حرارة مرتفعة، يُفضل اختيار سبائك مصممة خصيصاً لمقاومة الزحف بدلاً من 4048.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكوّن | لماذا يُستخدم 4048 |
|---|---|---|
| السيارات | سبيكة حشو للحام خطوط الهيكل والمفاصل | محتوى السيليكون العالي يحسن سيولة حمام اللحام ويقلل التشقق الحراري |
| البحرية | مبادلات حرارية ملحومة وأجهزة تركيب بالبراز | قابلية جيدة للحام بالبراز ومقاومة تآكل مع الطلاءات المناسبة |
| الطيران | ملحقات غير حرجة، مواد ختم، وطبقات تغليف | توافق مع لحام الألمنيوم-السيليكون وقوة إلى وزن معتدلة |
| الإلكترونيات | زعانف مشتت حراري وتجميعات ملحومة بالبراز | موصلية حرارية وقابلية لحام مناسبة لإدارة الحرارة |
يُختار 4048 كثيراً حيث يكون أداء اللحام والبراز أو توافق حشوات اللحام أمرًا حاسماً. توازن قابلية التشكيل في المزاج اللين والأداء المعزز في المزاج المقسى بالعمل البارد يتيح له شغل موقع بين الألمنيوم النقي والسبائك المعالجة حرارياً عالية القوة.
نصائح للاختيار
اختر 4048 عندما تكون متطلباتك الأساسية هي سيولة اللحام/البراز، مقاومة التشقق الحراري، ومقاومة جيدة للتآكل أثناء الخدمة دون الحاجة إلى قوة ذروة عالية من التصلب بالترسيب. السبائك فعالة بشكل خاص كحشوات أو مواد تغليف حيث يلزم سطح غني بالسيليكون أو كيمياء قابلة للحام بالبراز.
مقارنة بالألمنيوم النقي تجارياً (1100)، يتنازل 4048 قليلاً عن الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل مقابل قوة أعلى وسلوك لحام/براز أفضل. مقابل السبائك المقساة بالعمل مثل 3003 أو 5052، يقدم 4048 لَدونة مشابهة أو أقل قليلاً لكن مع سيولة لحام وبراز محسنة ومقاومة تآكل مُماثلة في كثير من الأجواء. مقابل السبائك المعالجة حرارياً كـ6061 أو 6063، يوفر 4048 قوة ذروة أقل لكنه مفضل حيث تكون kompatibility اللحام والتقليل من تشقق الحرارة وخصائص السطح المحسّنة بالسيليكون أهم من أقصى خصائص الشد.
عند الاختيار بين المواد، قُم بموازنة التنازلات: إذا كنت تحتاج لقوة عالية بعد المعالجة الحرارية، اختر سبائك 6xxx؛ إذا كنت بحاجة لقابلية تشكيل وموصلية استثنائية، اختر سلسلة 1xxx؛ ولأداء اللحام والبراز مع مقاومة تآكل متينة، 4048 غالباً الخيار العملي.
الملخص الختامي
يظل الألمنيوم 4048 ذا أهمية في الحالات التي تتطلب خصائص تعتمد على السيليكون—مثل تحسين انسيابية اللحام والبراز، تقليل التشقق الحراري، ومقاومة جيدة للظروف البيئية—إلى جانب قوة معتدلة وقابلية جيدة للتشكيل. دوره كسبائك حشو، سلك ملبس، وسبائك مصهورة متخصصة يجعله حلًا عمليًا في التجميعات التي تعطي أولوية لأداء الوصلات وسلوك التآكل الموثوق عليه على حساب أعلى قوة قابلة للمعالجة الحرارية.