ألمنيوم 4145: التركيب، الخواص، دليل التخشين والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 4145 هي عضو في سلسلة 4xxx من سبائك الألومنيوم، وهي عائلة تتميز أساسًا بسيليكون كعنصر سبيكي رئيسي. تُستخدم سلسلة 4xxx عادةً حيث تُرغب في تحسين السيولة، وخفض نقطة الانصهار، وتعزيز مقاومة التآكل؛ ويتوافق سبيكة 4145 مع هذا السلوك وغالبًا ما تُورد كمنتج مشغول للتطبيقات الإنشائية واللحام.

العنصر السبيكي الرئيسي في 4145 هو السيليكون؛ وتُضاف كميات صغيرة مضبوطة من الحديد والمنغنيز وعناصر أثرية مثل التيتانيوم والكروم لضبط بنية الحبيبات والاستجابة الميكانيكية. يتحقق قوة السبيكة 4145 بشكل رئيسي من تقوية محلول صلب بواسطة السيليكون والتقسية بالتشوه (التصلب بالإجهاد)؛ ولا تُعد هذه السبيكة من سبائك الألومنيوم التي تخضع لمعالجة حرارية تقليدية، لذا فإن طرق التقسية بالتسقية مثل T6 تعطي فوائد محدودة.

الصفات الرئيسية لـ4145 تشمل قوة معتدلة إلى جيدة لسبيكة Al-Si، ومقاومة ممتازة لليونة مناطق اللحام مقارنة ببعض السبائك المتعالجة حراريًا، وموصلية حرارية جيدة لتطبيقات تبديد الحرارة، وقابلية جيدة عمومًا للتشكيل في حالات التليين. القابلية للحام عادةً ما تكون جيدة جدًا مع المعادن الحشو المناسبة، في حين أن مقاومة التآكل جيدة في البيئات الجوية والبحرية المعتدلة ولكن أقل من سبائك الفئة عالية المغنيسيوم في مياه البحر العدوانية.

تستخدم سبيكة 4145 في صناعات متنوعة مثل السيارات (مكونات إنشائية ولحامية)، مواد اللحام والبرادة، المنتجات الاستهلاكية التي تتطلب أداء حراريًا، والتطبيقات الإنشائية الخفيفة حيث يتطلب الأمر توازنًا اقتصاديًا بين القوة وقابلية التشكيل. يختار المهندسون 4145 على سبائك أخرى عندما يُرغب في توازن Al-Si؛ حيث توفر مقاومة أفضل للاسترخاء الحراري في مناطق اللحام مقارنة بالعديد من السبائك المتعالجة حراريًا، وتقدم توازنًا بين القابلية للتشكيل والقوة مقارنة بالألومنيوم النقي أو سلسلات 5xxx.

أنواع المعالجات الحرارية (Temper)

المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	القابلية للحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالٍ	ممتازة	ممتازة	مُليّن بالكامل، مناسب للتشكيل والبرادة
H12	متوسطة	متوسطة	جيدة	ممتازة	تشديد جزئي بالتصلب بالإجهاد، زيادة طفيفة في مقاومة الخضوع
H14	متوسطة-عالية	منخفضة-متوسطة	متوسطة	ممتازة	ربع التشديد؛ شائع لتطبيقات الألواح
H18	عالية	منخفضة	ضعيفة	جيدة	تشديد كامل، يستخدم حيث يلزم أقصى قوة من التصلب بالتبريد
T4*	غير مطبق	غير مطبق	غير مطبق	غير مطبق	المعالجة التقليدية بالمعالجة الحرارية المحلولة غير فعالة لسلسلة 4xxx
T5*	غير مطبق	غير مطبق	غير مطبق	غير مطبق	الشيخوخة الصناعية بعد التبريد من درجة حرارة مرتفعة غير نمطية

تعكس فئات المعالجة الحرارية المبينة المعالجات العملية التي تُستخدم في سبائك Al-Si المصنعة مثل 4145. لا تستجيب عائلة 4xxx لطرق التقسية بالتسقية مثل سبائك 6xxx أو 7xxx، لذا فإن حالات الإنتاج الأساسية هي معالجات H-سيريس بالتصلب بالإجهاد والمعالجة O للتليين. اختيار معالجة H الأكثر صلابة يأتي على حساب اللدونة وقابلية التشكيل مقابل زيادة مقاومة الخضوع ومقاومة الشد، لكنه يقلل من إمكانيات التشكيل اللاحقة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق النسبي %	ملاحظات
Si	4.5–12.5 (نموذجي)	العنصر السبيكي الأساسي؛ يتحكم في سلوك الانصهار وتقوية المحلول الصلب
Fe	0.4–1.3	مستوى شوائب يشكل مركبات بين فلزية؛ يؤثر على القوة واللدونة
Mn	0.05–0.6	مكرر للحبيبات ويُحسن القوة دون تأثير كبير على مقاومة التآكل
Mg	0.05–0.6	إضافات صغيرة تُعزز القوة واستجابة التصلب بالإجهاد
Cu	≤0.25	يُحافظ عليه منخفضًا لتجنب تقليل مقاومة التآكل بشكل كبير
Zn	≤0.25	يُحافظ عليه منخفضًا لأنه يوفر تقوية طفيفة لكنه يمكن أن يضعف مقاومة التآكل
Cr	≤0.25	يستخدم للتحكم في الحبيبات وتقليل إعادة التبلور أثناء المعالجة
Ti	≤0.15	مكرر للحبيبات في التصنيع المصبوب والمشغول
عناصر أخرى (بما في ذلك الألمنيوم المتبقي)	الرصيد	الألمنيوم هو العنصر الأساسي مع بقايا أثرية مضبوطة (مثل النيكل، الفاناديوم، الزركونيوم)

يحدد محتوى السيليكون إلى حد كبير سلوك 4145: مع وجود السيليكون في حدود رقم فردي متوسط إلى رقم مزدوج منخفض، تظهر السبيكة ميزات التصلب الأيوتيك والنصف أيوتيك التي تخفض نقطة بداية الانصهار وتحسن تدفق اللحام/البرادة. يؤثر الحديد والمنغنيز بشكل رئيسي على شكل المركبات بين الفلزية وإعادة التبلور؛ لذا فإن التحكم فيهما مهم للمتانة وقابلية التشكيل. يمكن استخدام إضافات صغيرة من المغنيسيوم والكروم لتعديل استجابة العمل البارد واستقرار الحبيبات أثناء الدورات الحرارية.

الخصائص الميكانيكية

يتحدد سلوك الشد لسبيكة 4145 بمستوى السيليكون والمعالجة الحرارية. يعرض المعدن في حالة التليين (O) عادة قوة شد معتدلة مع استطالة جيدة تظهر سلوكًا ليّنًا تحت تحميل شبه ثابت. ترتفع مقاومة الخضوع ومقاومة الشد في المعالجات H-سيريس بالتصلب بالتشوه على حساب اللدونة وقد تظهر خواص متباينة إذا تم لف السبيكة أو بثقها بكثافة عالية.

قوة الخضوع في الحالة المليّنة معتدلة، لكنها ترتفع بشكل كبير مع العمل البارد؛ لا تظهر السبيكة تقسية كبيرة بالتسقية، لذا تعتمد أي زيادات بعد التصنيع على التشوهات البلاستيكية. تتبع الصلادة نفس الاتجاه؛ حيث تزداد قيم HB مع التصلب بالإجهاد لكنها تبقى أقل من سبائك 6xxx في ذروة التسقية. يتأثر أداء التحمل بالإرهاق بجودة السطح ووجود مركبات بين فلزية غنية بالسيليكون؛ وتحسين السطح بالتقشيش بالرصاص أو التلميع يزيد بشكل ملحوظ من عمر التحمل.

تؤثر السماكة بشكل ملحوظ على الخصائص الميكانيكية لأن معدلات التبريد أثناء المعالجة تؤثر على حجم وتوزيع جزيئات السيليكون؛ حيث تميل المقاسات الرقيقة الناتجة عن التبريد السريع أو الدرفلة الباردة إلى وجود توزيع أدق للسيليكون وقوة أعلى إلى حد ما. يمكن أن يؤدي اللحام والتعرض الحراري إلى ترقيق مناطق المعالجة H في مناطق المنطقة المتأثرة بالحرارة؛ ويمكن التخفيف من ذلك بتصميم دقيق لمعاملات العملية والمعالجة الميكانيكية بعد اللحام.

الخاصية	O/تليين	المعالجة الأساسية (H14/H18)	ملاحظات
قوة الشد	120–170 MPa (نموذجي)	200–270 MPa (نموذجي)	النطاقات تعتمد بشكل كبير على محتوى السيليكون ومستوى العمل البارد
قوة الخضوع	60–110 MPa (نموذجي)	140–220 MPa (نموذجي)	سلسلة H تزيد قوة الخضوع بشكل كبير بالتصلب بالإجهاد
الاستطالة	18–30%	5–14%	اللّدونة تقل مع زيادة العمل البارد والمركبات بين الفلزية بالسيليكون
الصلادة (HB)	30–55	65–95	الصلادة تتناسب مع المعالجة وشكل السيليكون

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.68–2.72 g/cm³	تختلف قليلاً حسب محتوى السيليكون لكنها قريبة من كثافة الألومنيوم النقي
نطاق الانصهار	~577–640 °C	تصلب إييوتيك Al–Si عند ~577 °C؛ نطاق الصلابة-السائلة يعتمد على %السيليكون والعناصر الثانوية
الموصلية الحرارية	~120–180 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي بسبب السيليكون الذي يقلل الموصلية؛ جيد لتطبيقات تبديد الحرارة
الموصلية الكهربائية	~25–45 % IACS	مخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب العناصر السبيكية
السعة الحرارية النوعية	~880–910 J/kg·K	قيم نموذجية لسبائك الألومنيوم في درجات الحرارة المحيطة
التمدد الحراري	~22–24 µm/m·K (20–100 °C)	مماثل لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ يجب مراعاة التمدد المختلف مع المعادن غير المتشابهة

تعكس الخصائص الفيزيائية الموازنة التي تضيفها إضافات السيليكون: تبقى الموصلية والكثافة مناسبة مقارنة بالعديد من المعادن، ومع ذلك تقل الموصلية الحرارية والكهربائية مقارنةً بالألومنيوم النقي. يُحسن خفض درجة صلابة الصلابة الناتجة عن السيليكون من قابلية الصب وخصائص البرادة لكن ذلك يتطلب تحكمًا دقيقًا في الحرارة أثناء اللحام والمعالجات الحرارية لتجنب انصهار موضعي أو تكون إيوتيك غير مرغوب فيه.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التمبيرات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	تختلف القوة حسب التبير وتقليل التدحرج	O, H12, H14	منتجة على نطاق واسع؛ تستخدم للألواح المشكّلة والتجميعات الملحومة بالقصدير
صفائح	6–25 mm	تناقص طفيف في توحيد تقسية العمل في القطاعات السميكة	O, H18	قد تحتوي القطاعات السميكة على جزيئات سيليكون أكبر تؤثر على المتانة
بثق	مقاطع عرضية تصل إلى 200 mm	تعتمد القوة على التبريد والشد بعد البثق	O, H12	تُستخدم المقاطع بالبثق للأعضاء الهيكلية ومبادلات الحرارة
أنابيب	قطر خارجي 6–150 mm	سماكة الجدار تؤثر على الاستقرار الميكانيكي	O, H14	شائعة لمبادلات الحرارة ومعالجة السوائل حيث يتطلب التلحيم أو اللحام بالقصدير
قضبان/عصي	قطر 3–60 mm	العصا المسحوبة على البارد تحسن القوة واللمسة السطحية	O, H18	تُستخدم للمكونات المُشغلة والبراغي حيث يفيد السيليكون في مقاومة التآكل

تؤثر اختلافات المعالجة على الخصائص النهائية: تتلقى الألواح والشرائط تدحرجًا وتخفيضًا أكثر توحيدًا مما يؤدي إلى تشتت ناعم للسيليكون، في حين يمكن للصفائح والقطع الثقيلة بالبثق الاحتفاظ بتركيبات دقيقة أكبر تقلل من الليونة. غالبًا ما تخضع البثق والأنابيب للشد بعد البثق لتقليل الإجهادات المتبقية وتحسين الاستقرار الأبعاد. اختيار شكل المنتج يكون حسب صلابة القطاع المطلوبة، وخطوات التشكيل، وعمليات الربط بعد التصنيع.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	4145	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية ضمن نظام Aluminum Association لسبائك Al‑Si المصبوبة
EN AW	لا يوجد مكافئ مباشر	أوروبا	لا تطابق درجة EN AW واحدة بدقة؛ الأقرب عائلات سبائك Al–Si المصبوبة تشمل AW‑4043/4047
JIS	لا يوجد مكافئ مباشر	اليابان	قد توجد تسميات محلية لمركبات Al–Si لكنها ليست مطابقة دقيقة لـ4145
GB/T	لا يوجد مكافئ مباشر	الصين	تشمل المعايير الصينية درجات Al–Si المصبوبة لكن 4145 قد تُورد بمواصفات خاصة

لا يوجد دائمًا مرجع تبادل واحد إلى واحد ل4145 في المعايير الدولية بسبب اختلاف نوافذ التركيب والغرض التطبيقي إقليميًا. حينما يلزم التبادل الدقيق، يجب على المهندسين مقارنة جداول التركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية التفصيلية أو طلب شهادات من الموردين. في كثير من الحالات، تعتبر درجات Al–Si مثل EN AW‑4043 أو 4047 مماثلة وظيفيًا لتطبيقات اللحام/المادة الحشو لكنها تختلف في محتوى السيليكون والتوازن الميكانيكي.

مقاومة التآكل

في البيئات الجوية، يظهر 4145 مقاومة جيدة نتيجة لتشكّل طبقة أكسيد الألمنيوم الطبيعية؛ نسب السيليكون والعناصر السبائكية الصغيرة لا تقلل بشكل ملحوظ من الأداء الجوي العام. التآكل الموضعي مثل التآكل التنقيبي أقل وضوحًا عادة مقارنةً بسبائك الصب العالية السيليكون، لكنه لا يصل لمتانة السلسلة البحرية لسبائك السلسلة 5xxx الغنية بالمغنيسيوم.

السلوك البحري مقبول للمكونات فوق منطقة الرش أو للأجزاء ذات الحماية التضحية والفحص الدوري. في البيئات الرطبة المستمرة والغنية بالكلوريد، يكون 4145 عُرضة للهجوم الموضعي والتآكل الجلفاني عند اقترانه بمعادن كاثودية؛ تستخدم الطلاءات الوقائية أو العزل المناسب كإجراءات قياسية للتخفيف.

التشقق بسبب التآكل تحت الإجهاد ليس وضع فشل رئيسي لسبائك Al‑Si منخفضة النحاس مثل 4145؛ إلا أن الإجهادات المتبقية من العمل البارد أو اللحام مع البيئات العدائية يمكن أن تنتج سلوكًا يشبه SCC في الهياكل المحصورة بشدة. يجب أخذ التفاعلات الجلفانية في الاعتبار عند دمج 4145 مع مواد أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك النحاس، خاصة في مياه البحر حيث يتآكل الألمنيوم تفضيليًا ما لم يكن معزولًا.

مقارنةً مع سبائك المعالجة الحرارية 6xxx أو 7xxx، يقدم 4145 مقاومة أفضل للانطفاء في مناطق التأثير الحراري للحام لكنه غالبًا أقل مقاومة نهائية للتآكل من سلسلة 5xxx في التعرض البحري. السبائك تمثل حلًا عمليًا عند كون مقاومة التآكل وقابلية اللحام هما المعايير التصميمية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

قابلية لحام 4145 جيدة جدًا عامة مع عمليات TIG وMIG عند استخدام الحماية الملائمة والمادة الحشو. محتوى السيليكون يدعم البلل والتدفق في عمليات اللحام بالانصهار واللحام بالقصدير، مما يقلل من عيوب نقص الاندماج. المعادن الحشو الموصى بها هي أنواع قضبان/أسلاك Al‑Si (مثل سبائك AlSi) للحفاظ على محتوى السيليكون وتجنب التشقق الحراري؛ يجب تجنب الحشوات الغنية بالنحاس. تقلل التليين في منطقة التأثير الحراري من الحدة مقارنةً بسبائك تصلب بالترسيب، لكن الإفراط في التسخين قد يسبب ذوبانًا موضعيًا أو فصل يوتيكتيمي، لذا تحكم الحرارة ضروري.

قابلية التشغيل

قابلية تشغيل 4145 متوسطة؛ وجود السيليكون يزيد من تآكل الأدوات مقارنةً بالألمنيوم النقي لكنه يحسن التحكم في الرقائق واستقرار التشغيل. يوصى باستخدام أدوات كربيد بوجه قطع مصقول وهندسة زاوية موجبة؛ يمكن أن تكون سرعات القطع مشابهة لسبائك الألمنيوم الأخرى لكن يجب إدارة التغذية لتجنب تشكيل حواف متراكمة. عادةً ما يكون التزييت مطلوبًا عند محتويات Si الأعلى لحماية عمر الأدوات والحفاظ على جودة السطح.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل جيدة جدًا في التبير المخفف O؛ يمكن عميق السحب والثني والتشكيل باستخدام أدوات تقليدية مع أنصاف أقطار ثني صغيرة نسبياً مقارنة بالدرجات السميكة من الألمنيوم. العمل البارد إلى تمبيرات H يقلل الليونة بشكل كبير ويزيد الاسترجاع المرن، لذلك تتم عمليات التشكيل عادة في التمبرات الطرية تليها تقسية خفيفة. للثني الحرج، أنصاف أقطار الانحناء الداخلية الدنيا بين 1-2× السماكة عملية في تمبيرات O، لكن الفروق تعتمد على السماكة والأدوات.

سلوك المعالجة الحرارية

كونه سبيكة Al–Si بشكل رئيسي، لا يتم تقويته بفعالية عبر المعالجات الحرارية التقليدية للترسيب؛ يعطي المعالجة بالتسخين التسويتي والعتيق الصناعي زيادات هامشية في القوة. محاولات تطبيق معالجات T6 تعطي استجابة محدودة لأن السيليكون لا يرسب بنفس طريقة Mg2Si في سبائك 6xxx.

لذا تركز ممارسة المعالجة الحرارية على التليين (التسكين) والسيطرة على البنية الحبيبية عبر المعالجة الحرارية. يتم التسكين الكامل (O) عبر نقع ممتد فوق درجات حرارة إعادة التبلور متبوعًا بتبريد تحكم لإنتاج بنية مجهرية لينة. تقسية العمل تبقى المسار الأساسي لزيادة القوة، وتنتقل التمبرات عبر التشوه الميكانيكي يتبعه التثبيت (مثلا H14 من O عن طريق عمل بارد مراقب).

الأداء في درجات الحرارة العالية

تبدأ خسارة القوة في 4145 بالزيادة بشكل ملحوظ فوق حوالي 150–200 °C حيث تؤدي عمليات الاسترداد وإعادة التبلور إلى التليين وتضخيم أطوار غنية بالسيليكون. يُتجنب عمومًا الخدمة المستمرة فوق 200 °C لتطبيقات تحمل الأحمال، رغم أن التعرض العرضي أثناء اللحام بالقصدير واللحام مقبول بسبب خصائص ذوبان جيدة للسبيكة.

يُحصر التأكسد في درجات الحرارة المرتفعة بطبقة أكسيد الألمنيوم، لكن الأطوار الغنية بالسيليكون قد تغير الالتصاق المؤكسد محليًا؛ التعرض طويل الأمد في درجات حرارة مرتفعة قد يؤدي إلى هشاشة وتقشر الطبقة في ظروف حرارية دورية. قد تظهر مناطق التأثير الحراري للحام استجابات مختلفة عند درجات الحرارة المرتفعة بسبب التغيرات المجهرية؛ وتحتاج هذه المناطق إلى اعتبارات خاصة إذا عملت المكونات قرب حدود درجة حرارة السبيكة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 4145
السيارات	زعانف ومساند مبادلات الحرارة	موصلية حرارية جيدة وقابلية تشكيل؛ مناسبة للّحام بالقصدير
البحرية	مساند وتركيبات هيكلية غير حرجة	مقاومة كافية للتآكل وقوة اقتصادية
الفضاء الجوي	تركيبات هيكلية ثانوية ومشابك	نسبة قوة إلى وزن جيدة وقابلية لحام للهياكل غير الأساسية
الإلكترونيات	مشتتات حرارة وهياكل	موصلية حرارية وسهولة التشكيل إلى زعانف وتجميعات
الأجهزة المنزلية	أغطية وأجزاء مبادلات حرارة لأجهزة الطهي	مزيج جيد من القابلية للتشكيل والسلوك الحراري

يجمع 4145 بين سلوك حراري مدفوع بالسيليكون، وقابلية لحام، وخصائص ميكانيكية معقولة مما يجعله خيارًا عمليًا للمكونات التي تحتاج إلى إدارة حرارية مع تصنيع اقتصادي. توازن خصائصه يمكّن المصممين من تقليل التشغيل واستخدام التجميعات المشكلة أو الملحومة بالقصدير.

نصائح الاختيار

اختر 4145 إذا كنت بحاجة إلى سبيكة Al‑Si تلحم وتلحم بالقصدير جيدًا وتوفر موصلية حرارية جيدة وتوازن وسط بين القابلية للتشكيل والقوة. تناسب بشكل خاص مكونات مبادلات الحرارة، الغلافات المشكلة والتجميعات الملحومة التي لا تتطلب تقسية بالتغذية الحرارية.

بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجارياً (1100)، تقدم سبيكة 4145 تقليلًا طفيفًا في التوصيل الكهربائي والحراري مقابل زيادة في القوة وتحسين في مقاومة التآكل والسلوك عند التلحيم/البرازة. وبالمقارنة مع السبائك المشغولة بالتصلب مثل 3003 أو 5052، توفر 4145 عادة أداء حراريًا أعلى ومقاومة تآكل مشابهة أو أقل قليلاً مع تحقيق قوة تنافسية بعد المعالجة بالتبريد. وبالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، تُفضّل 4145 عندما يكون الاستقرار المتفوق لمنطقة اللحام والتصلب الناتج عن الحرارة (HAZ) وقابلية البرازة أهم من تحقيق أعلى قوة ذروة ممكنة.

في مجال الشراء، ينبغي موازنة توافر السبيكة وتكلفتها مع حالات الصلابة المطلوبة؛ لأن 4145 تعتمد على التصلب بالتبريد بدلاً من التقسية بالشيخوخة، فإن تخزين الحالة O وحالة واحدة من حالة H يغطي معظم احتياجات التصميم، مما قد يُبسط عمليات سلسلة التوريد.

الملخص الختامي

تظل سبيكة الألومنيوم 4145 خيارًا هندسيًا عمليًا حيث تكون فوائد السيليكون—تحسين قابلية البرازة، التوصيل الحراري الجيد، والسلوك القوي لمنطقة اللحام—مطلوبة إلى جانب خصائص ميكانيكية معقولة وقابلية تشكيل جيدة. ويُحدد موقع هذه السبيكة في التطبيقات التي تتطلب توازنًا متينًا بين الألومنيوم والسيليكون بدلاً من تحقيق أقصى قوة تصلب بالشيخوخة، وتظل ذات صلة في الصناعات التي تتطلب حلول ألومنيوم اقتصادية، قابلة للحام، وذات توصيل حراري.