الألومنيوم 4140: التركيب، الخواص، دليل المعالجة الحرارية والتطبيقات

نظرة شاملة

التصنيف "4140" معروف على نطاق واسع في تسميات الصلب كسبائك تحتوي على الكروم والموليبدينوم؛ ولا يوجد سبيكة ألومنيوم واحدة معتمدة عالمياً مدرجة في المعايير الكبرى باسم "AA 4140". ولأجل الوضوح والفائدة الهندسية، يعامل هذا المقال "ألمنيوم 4140" كممثل عام لعائلة سبائك Al-Si 4xxx — وهي فئة سبائك مطروقة غنية بالسيليكون تستخدم عادة للمعادن المالئة، اللحام بالتلحيم، اللحام بالقصدير وبعض البروفيلات الإنشائية.

تُسبَك سبائك الألمنيوم من نوع 4xxx أساساً بالسيليكون (Si) وتصنف ضمن سلسلة 4xxx وفق جمعية الألومنيوم. الآلية الأساسية للتقوية في هذه العائلة هي تقوية محلول صلب بواسطة السيليكون والضغط البارد؛ هذه السبائك لا تستجيب لتقوية الترسيب التقليدية وبالتالي غير قابلة للمعالجة الحرارية بصيغة تفيد سبائك 2xxx/6xxx/7xxx.

من الخصائص الرئيسية لسبائك Al-Si تشمل السلاسة العالية في الانصهار والتبلل (مما يجعلها مفضلة للمعادن المالئة واللحام بالتلحيم)، مقاومة معتدلة للشد مقارنة بالألمنيوم النقي، مقاومة جيدة للتآكل في العديد من الأجواء، وقابلية لحام ممتازة. يميل التشكيل لأن يكون جيداً في الحالة المعالجة حرارياً (المطيلة) لكنه ينخفض مع تصلب الإجهاد؛ أما سهولة التشغيل فتميل لأن تكون جيدة لأن السيليكون يعزز تكوين رقائق قصيرة واستقرار الأبعاد.

تشمل الصناعات التي تعتمد على سبائك Al-Si (4xxx) صناعة السيارات (كمواد لحام وتلحيم لمبادلات حرارية)، أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (رادياتيرات ومكثفات)، الأجهزة المنزلية، الموصلات الكهربائية التي تتطلب سلوك المعادن المالئة، وبعض الهياكل غير الأساسية والتجهيزات في الطيران. غالباً ما يختار المهندسون سبيكة 4xxx عند ربط سبائك ألومنيوم مختلفة أو عندما تكون سلاسة الانصهار والتبلل المطلوبة متميزة؛ ويتم التنازل عن أقصى قوة ميكانيكية لتحقيق أداء لحام أفضل وقابلية تصنيع فعالة من حيث التكلفة.

أنواع المعالجات الحرارية

نوع المعالجة	مستوى القوة	التمدد	سهولة التشكيل	سهولة اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالي	ممتاز	ممتاز	مطيل بالكامل؛ الأفضل للتشكيل والتلحيم
H12 / H14	متوسط	متوسط	جيد	ممتاز	تصلب بارد خفيف؛ توازن بين القوة وسهولة التشكيل
H18 / H24	متوسط إلى عالي	منخفض إلى متوسط	مقبول	ممتاز	مصلب إجهادياً أو مطيل جزئياً لمقاومة أعلى
H32	متوسط	متوسط	جيد	ممتاز	مثبت بعد التصلب؛ يستخدم عند الحاجة لاستقرار الأبعاد
T4 (حيث يُستخدم)	منخفض	عالي	ممتاز	ممتاز	بعض أنواع 4xxx قد تخضع لمعالجة تخفيف الإجهاد بدرجات حرارة منخفضة

تقدم درجات المعالجة O (المطيلة) أعلى درجة ليونة وأفضل سهولة في التشكيل، وغالباً ما تُختار للتشكيل العميق والعمليات التشكيلية الباردة المكثفة. درجات التصلب بالإجهاد (H1x/H2x) تزيد مقاومة الخضوع والشد عن طريق زيادة كثافة الإزاحة، لكنها تقلل التمدد وتزيد من الاسترجاع المرن؛ ومع ذلك تبقى سهولة اللحام ممتازة عبر جميع الدرجات لأن السيليكون يقلل من حساسية التشقق أثناء التصلب.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق بالوزن %	ملاحظات
Si	4.5–12.0	العنصر الأساسي للسباكة؛ يتحكم في نطاق الانصهار، السيولة، وتقوية المحلول الصلب
Fe	0.4–1.5	شوائب شائعة؛ يشكل مركبات بينية تقلل الليونة وتؤثر على جودة السطح
Mn	0.05–0.6	معدل لبنية الحبيبات؛ يحسن القوة بشكل معتدل ويقلل الهشاشة الحرارية
Mg	0.0–0.5	قد يتواجد بكميات صغيرة؛ يعزز الترسيب مع السيليكون في بعض التركيبات
Cu	0.0–0.5	غالباً ما يبقى منخفضاً؛ يزيد القوة لكنه قد يقلل مقاومة التآكل
Zn	0.0–0.5	عادة منخفض؛ يؤثر على السلوك الجلفاني في التجمعات
Cr	0.0–0.25	كميات أثرية للتحكم في نمو الحبيبات وإعادة التبلور في بعض الأنواع
Ti	0.0–0.2	مُحسن للحبيبات عند إضافته بكميات صغيرة عمدياً
عناصر أخرى	المتبقي (Al)	يضاف بعض العناصر الأثرية مثل B, Sr لتعديل مورفولوجيا السيليكون

السيليكون هو العنصر المحدد: زيادة السيليكون ترفع السيولة وتخفض درجة الانصهار (مفيد للحام والتلحيم)، لكن زيادته تروج لمركبات بينية غنية بالسيليكون صلبة وهشة قد تقلل من الليونة. الحديد يشكل مركبات بينية تشبه الألواح أو الإبر تقلل من سهولة التشكيل وجودة السطح، ولهذا يتم التحكم بمحتواه. تُستخدم إضافات صغيرة من المنغنيز، التيتانيوم، أو الكروم لتحسين ميكروهيكل السبائك المصبوبة أو المسحوبة وتحسين الاستقرار الميكانيكي خلال الدورات الحرارية.

الخصائص الميكانيكية

سلوك الشد لسبائك الألمنيوم من نوع 4xxx يتميز بمقاومات شد معتدلة وقوى خضوع منخفضة نسبياً في الحالة المطيلة؛ يزيد العمل البارد مقاومة الخضوع بشكل كبير مع تقليل الليونة. عادة ما تكون نسبة الاستطالة في الحالة المطيلة عالية (مناسبة للتشكيل)، وأوضاع الكسر عموماً دكتيلية مع مشاركة محدودة لمركبات بينية هشة في حال ارتفاع مستويات السيليكون أو الحديد.

الصلادة تتناسب مع نوع المعالجة ومحتوى السيليكون: سبائك 4xxx المطيلة ناعمة مقارنةً بسبائك الألمنيوم القابلة للمعالجة الحرارية، في حين أن درجات التصلب بالإجهاد تحقق صلادة مفيدة للتطبيقات الإنشائية. أداء التعب أقل عموماً من أعلى مستويات سبائك 6xxx أو 7xxx؛ ويكون عمر التعب حساساً لجودة السطح، مناطق حرارة التسخين (HAZ) في اللحام، وحجم وتوزيع جزيئات المركبات البينية.

السماكة تؤثر بشكل قوي: الصفائح الرقيقة تستجيب جيداً للتشكيل العميق والتلحيم، بينما تحافظ الألواح أو البروفيلات الأكثر سمكاً على صلابة أعلى بعد التصنيع لكنها قد تظهر ميكروهيكل أكثر خشونة وقابلية صدمات منخفضة؛ عادة لا تكون تليين منطقة حرارة اللحام مؤثرة لأن هذه السبائك ليست مقواة بالترسيب.

الخاصية	O/مطيل	نوع المعالجة الرئيسي (H14/H24)	ملاحظات
قوة الشد	80–150 MPa	150–260 MPa	النطاقات الواسعة تعكس محتوى السيليكون والعمل البارد؛ درجات H تزيد من قوة الشد القصوى
قوة الخضوع	30–90 MPa	110–200 MPa	قوة الخضوع تزداد بشكل كبير مع تصلب الإجهاد
التمدد	20–35%	6–18%	الوضع المطيل يعطي أفضل استطالة للتشكيل
الصلادة (HB)	25–60 HB	60–100 HB	الصلادة تزداد مع زيادة السيليكون والتصلب البارد

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.68 g/cm³	قيمة نموذجية لسبائك Al-Si المطروقة؛ أخف قليلاً من الصلب
نطاق الانصهار	577–660 °C	يخفض النظام Al-Si الانصهار السائل مع زيادة السيليكون؛ يختلف الانصهار السائل مع نسبة السيليكون
التوصيل الحراري	110–150 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي لكن يبقى جيداً لتطبيقات نقل الحرارة
التوصيل الكهربائي	30–45 % IACS	مخفض مقارنة بدرجات الألمنيوم الأنقى بسبب السيليكون والذائبات الأخرى
السعة الحرارية النوعية	≈0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	قيمة معتادة لسبائك الألمنيوم عند درجة حرارة الغرفة
المعاوقة الحرارية (التمدد الحراري)	23–25 µm/m·K	مقاربة لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ مهمة للتجميعات الملحومة

التوصيل الحراري المرتفع نسبياً والكثافة المتوسطة تجعل سبائك Al-Si مفيدة حيث يُعتبر نقل الحرارة والوزن من العوامل المهمة، مثل المبادلات الحرارية والرادياتيرات في السيارات. أما التوصيل الكهربائي المنخفض مقارنة بدرجات الألومنيوم الأفضل نقاءً، فيقيد استخدامها كموصل كهربائي رئيسي، لكنها تظل مقبولة للعديد من التطبيقات الإنشائية والربط التي تكون فيها الخاصية الكهربائية أقل أهمية.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الحالات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	جيدة في الحالة O؛ يمكن تقويتها بالتمدد	O, H14, H24	تستخدم على نطاق واسع في اللحام النحاسي، التكسية، زعانف المبادلات الحرارية
ألواح سميكة	6–50 mm	صلابة أقل في القطاعات السميكة؛ التركيب المجهري أكثر خشونة	O, H32	أقل شيوعًا؛ تستخدم للمكونات الإنشائية حيث تكون قابلية اللحام مهمة
بروفيلات البثق	بروفيلات بطول عدة أمتار	ثبات أبعادي جيد؛ القوة عن طريق العمل البارد	O, H14, H18	السيليكون يساعد في تدفق المعدن أثناء البثق؛ يستخدم للبروفيلات المعمارية
أنابيب	Ø 6–200 mm	سمك جدران ثابت؛ قابلية لحام جيدة	O, H24	شائع في المكثفات وأنابيب المبادلات الحرارية
قضبان/أسلاك	Ø 3–50 mm	سهولة في التشغيل	O, H14	غالباً ما تُقدم كأسلاك أو قضبان حشو للحام واللحام النحاسي

تُصنع الألواح والأنابيب من سبائك Al‑Si بحيث تركز على أداء الربط ونقل الحرارة بدلاً من القوة الساكنة القصوى. تستفيد البروفيلات من قدرة السيليكون على تحسين التدفق خلال القوالب مما يسمح بتشكيل مقاطع معقدة. غالبًا ما تُستخدم القضبان والأسلاك كخام لإنتاج أسلاك الحشو حيث تكون خصائص الانصهار هي المتطلب الأساسي.

درجات مكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	— (لا توجد درجة AA-4140)	الولايات المتحدة	4140 ليست درجة معتمدة في الجمعية الأمريكية للألمنيوم؛ استخدم AA‑4043/4047 لسبائك الحشو Al‑Si الشائعة
EN AW	EN AW‑4043 / EN AW‑4047	أوروبا	سبائك حشو و لحام شائعة لـ Si؛ نظام التسمية EN AW يتوافق مع عائلات AlSi5 و AlSi12
JIS	A4043	اليابان	سبائك حشو لحام مستخدمة على نطاق واسع في اليابان تعادل AlSi5
GB/T	AlSi5 / AlSi12	الصين	المعايير الوطنية لسبائك الحشو الغنية بالسيليكون المستخدمة في اللحام واللحام النحاسي

بما أن "4140" ليست تسمية رسمية من جمعية الألمنيوم، فإن المهندسين عادة ما يختارون سبائك AlSi المعيارية (مثل AA‑4043 أو EN AW‑4047) التي تحدد محتويات السيليكون وحدود الشوائب. الفروق بين المعايير تكمن في حدود الشوائب الأكثر صرامة (Fe, Cu) والعناصر النزرة المسموح بها؛ تؤثر هذه الفروقات على الليونة، سلوك الترطيب، وتشطيب السطح في الأجزاء النهائية.

مقاومة التآكل

تُظهر سبائك Al‑Si عمومًا مقاومة جيدة للتآكل الجوي بسبب طبقة أكسيد الألمنيوم الطبيعية. في الأجواء الريفية والصناعية تؤدي جيدًا، رغم إمكانية حدوث تآكل محلي في مواقع تركّز الجسيمات بين الفلزية (المراحل الغنية بالحديد)، مما يخلق خلايا جلفانية صغيرة قد تؤدي إلى تآكل نُقَري عند التعرض لكلوريدات.

في البيئات البحرية، تُعد سبائك Al‑Si معتدلة المقاومة لكنها عادة أقل أداءً من سبائك Al‑Mg 5xxx في التعرض الطويل للمياه المالحة. تُستخدم استراتيجيات الحماية مثل الأنودة، الطلاءات العضوية، أو الحماية الكاثودية للحد من التآكل النُقري والتآكل تحت الفتحات الناجم عن الكلوريد.

مقاومة تشقق التآكل الإجهادي في سبائك Al‑Si منخفضة نسبيًا مقارنةً بعائلات Al‑Zn عالية القوة (7xxx) أو Al‑Cu (2xxx)؛ مع ذلك، يمكن أن يشكل التشقق المحلي مشكلة في بيئات تآكل شديدة مع إجهاد شد مستمر. يجب إدارة التفاعلات الجلفانية بحذر: عند تلامس Al‑Si مع الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك النحاس قد يتآكل الأنود بشكل مفضل إذا لم يكن معزولًا كهربائيًا.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

تُعد سبائك Al‑Si (4xxx) من العائلات القابلة للحام بدرجة عالية بين سبائك الألمنيوم. يقلل السيليكون من مشكلات نطاق التصلب ويقلل من احتمالية التشقق الساخن، مما يجعلها ممتازة كسبائك حشو (مثل 4043، 4047) للحام TIG وMIG على العديد من الركائز الألمنيومية. يُفضل اختيار سبائك حشو Al‑Si متوافقة كيميائيًا مع السبائك الأساسية لتحسين الترطيب وتقليل التشقق؛ وتحكم التسخين المسبق وسرعة التحرك يقللان من المسامية وتليين منطقة التأثير الحراري (HAZ) ذو أثر بسيط لأن هذه السبائك غير مقواة بترسيب.

سهولة التشغيل

سهولة تشغيل سبائك Al‑Si جيدة بسبب تشجيع السيليكون لتكون رقائق قصيرة وهشة؛ يوصى باستخدام أدوات كربيد ذات هندسة زاوية إيجابية وسرعات قطع عالية. يجب اختيار التغذية والسرعة لتجنب تكوّن الحافة المترسبة؛ يساعد التبريد بالماء أو نفخ الهواء في إدارة التخلص من الرقائق وتحسين جودة السطح. في الحالات التي ينتج فيها محتوى عالي من السيليكون سلوكًا كاشطًا قد يقل عمر الأداة ويجب اختيار مواد أدوات مقاومة للتآكل.

قابلية التشكيل

أفضل تشكيل يكون في الحالة المعالجة حراريًا (O) حيث تُعظم مدى الاستطالة وقابلية الانحناء. تتراوح أنصاف أقطار الانحناء الداخلية الدنيا النموذجية للألواح بين 1–2×T (السماكة) حسب محتوى السيليكون والحالة؛ تتطلب الحالات المقواة بالتمدد أنصاف أقطار أكبر وخطوات تشكيل متدرجة. يمكن استخدام التشكيل الساخن للهياكل المعقدة مع توخي الحذر لتجنب تعكير الحبوب وتأكسد السطح الذي قد يؤثر سلبًا على الربط في المعالجة اللاحقة.

سلوك المعالجة الحرارية

سبائك Al‑Si 4xxx بشكل عام غير قابلة للمعالجة الحرارية التقليدية بالترسيب التي تُستخدم لسبائك سلسلتي 6000/7000. لا تستجيب للمعالجة بالتصليب والشيخوخة الصناعية لزيادة القوة بشكل كبير؛ يبقى السيليكون إما في المحلول الصلب أو على شكل جسيمات سيليكون يوتكتيكية. عند تطبيق معالجة حرارية تكون عادة لتخفيف الإجهاد، تحسين بنية الحبوب، أو تعديل شكل Si باستخدام معدّلات مثل Sr أو Na.

التقوية بالعمل البارد هي الطريقة الأساسية لزيادة القوة: رفع كثافة الانزلاقات يحسن مقاومة الخضوع مقابل بعض فقدان الليونة. تُستخدم المعالجة الحرارية (التعويم الكامل) لاستعادة الليونة عند الحاجة؛ تتم دورات التعويم عادة تحت درجات حرارة انصهار Al‑Si لتجنب الانصهار الجزئي. بعض سبائك الحشو Al‑Si يمكن معالجتها بدورات حرارية قصيرة لتجانس البنية المجهرية وتحسين أداء اللحام النحاسي، لكنها عمليات خاصة أكثر منها لتحسين الخصائص طويلة الأمد.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تبدأ سبائك Al‑Si بفقدان القوة الساكنة المفيدة عند درجات حرارة مرتفعة فوق حوالي 150–200 °C؛ مقاومة الزحف طويلة الأمد محدودة مقارنة بالسبائك المخصصة للحرارة العالية أو السبائك المطروقة المصممة للخدمة العليا. يحسن وجود جسيمات السيليكون من الثبات الأبعادي بدرجة ما عبر توفير تعزيز جزيئي، لكن الاحتفاظ بالقوة المستمرة ضعيف فوق 250 °C.

الأكسدة في الهواء تقتصر عادة على تكوين طبقة Al2O3 الواقية التي تبطئ التدهور؛ ومع ذلك، عند درجات الحرارة العالية قد يتسارع التآكل السطحي بسبب التفاعل مع الأجواء المسببة (مثل الكبريت، الأملاح المنصهرة). مناطق التأثير الحراري في اللحام لا تعاني من دورات الذوبان/الترسيب التي تطرأ في سبائك الألمنيوم المعتادة المعالجة بالترسيب، لكن التعرض الممتد لدرجات الحرارة العالية قد يؤدي إلى تعكير البنية المجهرية وتقليل الصلابة.

التطبيقات

الصناعة	المكون النموذجي	سبب استخدام 4140
السيارات	مشعات ومكثفات ملحومة نحاسيًا	ترطيب وتدفق ممتاز للحامات الملحومة؛ توصيل حراري جيد
تكييف الهواء والتبريد	زعانف وأنابيب المبادلات الحرارية	كثافة منخفضة وتوصيل حراري عالي مع قابلية تشكيل جيدة في الحالة المعالجة حراريًا
الفضاء (غير رئيسي)	قنوات، وصلات، حوامل	خفيف الوزن، مقاومة تآكل جيدة وسهولة في الربط للأجزاء غير الحرجة
الأجهزة المنزلية	أسطح الطهي، مكونات الأفران، الأغطية الخارجية	تصنيع اقتصادي ونقل حرارة جيد
مستهلكات اللحام	قضبان وأسلاك الحشو	نطاق انصهار محكم وخصائص ترطيب مناسبة للربط بين سبائك الألمنيوم

باختصار، تتميز سبائك Al‑Si (4xxx) عندما يكون الأداء في الربط، السيلان، والخصائص الميكانيكية المعتدلة هي المطلوبة بدلاً من أعلى قوة. تستخدم بكثافة كمواد حشو وفي أنظمة حرارية بسبب توازن خصائصها الحرارية والكيميائية والميكانيكية.

نصائح الاختيار

اعتبر "4140" ضمن فئة 4xxx (Al‑Si): اخترها عندما تكون قابلية اللحام، سيولة الانصهار، والأداء الحراري الجيد هي العوامل الأساسية وليس أقصى قوة ساكنة. للمكونات التي تتطلب لحامًا نحاسيًا أو ربط ركائز ألومنيوم مختلفة، غالبًا ما تكون سبائك الحشو 4xxx هي الخيار الأكثر موثوقية واقتصادية.

بالمقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي (1100)، تتنازل سبائك 4xxx عن بعض الموصلية الكهربائية وقابلية التشكيل مقابل قوة أعلى بكثير وسلوك أفضل للانصهار/الترطيب — مما يفيد عند الربط والأداء الحراري. مقارنة مع السبائك المقواة بالعمل مثل 3003 أو 5052، تقدم سبائك 4xxx مقاومة تآكل مشابهة أو أقل قليلاً ولكن سلوك انصهار أفضل وسهولة أكبر في اللحام النحاسي؛ وهي تمثل وسطًا في التوازن بين القوة وقابلية الربط. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061/6063، تعطي سبائك 4xxx قوة قصوى أقل ولكن أداءً أفضل في الربط واللحام النحاسي وغالبًا ما تكون تكلفة أقل.