ألمنيوم 4N01: التركيب، الخواص، دليل التصلب، والتطبيقات

نظرة شاملة

السبائك 4N01 مصنفة ضمن عائلة سبائك الألومنيوم 4xxx، وهي مجموعة تتميز بشكل أساسي بالسيليكون كمضاف مضبوط وتصميم للسبائك التي توفر قابلية جيدة للحام واستقرار حراري. في التطبيق الصناعي يُستخدم 4N01 كسبائك مشغولة مع تعديل تركيبي يضعه بين سلوك سلسلة 3xxx الكلاسيكية (Al–Mn) و4xxx (Al–Si)، مما ينتج توازنًا بين القابلية للتشكيل، القوة المعتدلة، وأداء تصنيع موثوق.

العناصر الرئيسية المضافة في 4N01 تشمل السيليكون والمنغنيز كمضافات مقصودة، مع وجود الحديد المتبقي وعناصر أثرية مثل التيتانيوم والكروم تستخدم للسيطرة على حجم الحبيبات وتثبيت البنية الدقيقة. يستمد تقويته بشكل أساسي من تأثيرات المحلول الصلب والصلابة الناتجة عن التشغيل أثناء التصنيع بدلاً من تقوية بالمراحل المترسبة، لذلك يُصنف وظيفيًا كسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية وقابلة للتصلب بالتشوه.

السمات الرئيسية لـ 4N01 تشمل مقاومة شد معتدلة، مقاومة جيدة للتآكل العام في البيئات الجوية، قابلية لحام متفوقة مقارنة بالعديد من السبائك المعالجة حراريًا، وقابلية تشكيل باردة جيدة جدًا في حالات التلدين. الصناعات النموذجية التي تستخدم 4N01 تشمل النقل (ألواح الجسم والمكونات غير الإنشائية)، أغلفة المباني، الأجهزة الخفيفة، وبعض أسواق البثق والأنابيب حيث يلزم دمج القابلية للتشكيل مع مقاومة التآكل.

يختار المصممون 4N01 بدلاً من السبائك الأخرى عندما يتطلب المكوّن سهولة تصنيع جيدة (الرسم العميق، القص، اللحام) مع قوة معتدلة وتوفير في الوزن، وحيث تكون الأولوية هي الأداء المستقر في التجميعات الملحومة بدلاً من تحقيق أعلى قوة ممكنة. وغالبًا ما يُختار السبيكة عندما تكون التكلفة، التوفر، وسلوك منطقة التأثير الحراري (HAZ) أثناء اللحام عوامل هامة في الاختيار.

أنواع التلدين (Temper Variants)

حالة التلدين	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مادة مملوءة بالتلدين تمامًا؛ الأفضل للرسم العميق والتشكيل
H12	منخفضة–متوسطة	متوسطة	جيدة جدًا	ممتازة	تصلب جزئي عبر الدرفلة؛ تحافظ على اللدونة الجيدة
H14	متوسطة	متوسطة–منخفضة	جيدة	ممتازة	حالة تجارية شائعة لأجزاء الألواح المعززة
H24	متوسطة–عالية	متوسطة	جيدة	ممتازة	مشددة بالعمل ومستقرة محسنة للقوة
H32	متوسطة	متوسطة	جيدة	ممتازة	مشددة بالتشوه ومستقرة؛ مقاومة للتليين
T4 (محدودة)	متوسطة	متوسطة	جيدة	ممتازة	شيخوخة طبيعية بعد المعالجة بالمحلول؛ استخدام محدود لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية بشكل رئيسي

تؤثر حالة التلدين بشكل كبير على التوازن بين القوة واللدونة في 4N01، حيث تعتمد السبيكة على التصلب بالتشوه بدلاً من تقوية الترسّب. توفر حالة التلدين O أقصى قدرة على التشكيل والرسم، في حين أن درجات H، الناتجة عن العمل البارد والتحكم في الاستقرار، تزيد من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد على حساب الاستطالة وحدّة الانحناء.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.4–1.0	السيليكون يحسن السيولة أثناء السكب ويزيد من قابلية اللحام؛ المستويات المعتدلة تقلل من نطاق الانصهار وتساعد على استقرار منطقة التأثير الحراري (HAZ).
Fe	0.3–0.8	الحديد هو شوائب شائعة تخلق مركبات معدنية باطلة؛ ارتفاع الحديد يقلل اللدونة ويزيد عدد الجسيمات الهشة.
Mn	0.6–1.2	المنغنيز يوفر تقوية عبر المحلول الصلب ويحسن مقاومة التجديد والتآكل.
Mg	0.02–0.20	المغنيسيوم منخفض لتجنب تعزيز التقسية بعد التلدين؛ أثر صغير يؤثر على القوة ومعدل التصلب بالتشوه.
Cu	0.02–0.20	النحاس عادة منخفض؛ زيادة النحاس تعزز القوة لكنها قد تقلل المقاومة للتآكل وقابلية اللحام.
Zn	0.02–0.20	الزنك محدود؛ زيادته ترفع القوة قليلاً لكنها قد تقلل مقاومة التآكل في البيئات البحرية.
Cr	0.02–0.15	الكروم يستخدم بكميات صغيرة لتحسين حجم الحبيبات وكبت ترسيبات على حدود الحبيبات.
Ti	0.01–0.10	التيتانيوم مزيل أكسدة ومحسن لحجم الحبيبات؛ إضافات صغيرة تحسن القابلية للتشكيل والسيطرة على الشوائب.
عناصر أخرى	≤0.15 لكل منها	العناصر الأثرية مثل Zr، Ni، Pb يتم الحد منها عادة؛ مجموع الشوائب محدود للحفاظ على الخواص.

تم تعديل تركيب 4N01 لتعزيز القابلية للتشكيل البارد واللحام مع توفير قوة معتدلة من خلال تأثيرات المنغنيز والسيليكون. السيليكون يقلل من فترة الانصهار ويساعد في سياقات اللحام واللحام بالنحاس، في حين يثبت المنغنيز البنية المجهرية تجاه التلدين ويمنح زيادة فعلية في القوة دون الحاجة لدورات معالجة حرارية.

الخواص الميكانيكية

يعتمد سلوك الشد في 4N01 بشكل كبير على حالة التلدين والسماكة، حيث يظهر المعدن الملدن مقاومة خضوع منخفضة واستطالة عالية، بينما تظهر درجات H مقاومة خضوع عالية ولدونة أقل. قيم مقاومة الشد معتدلة مقارنة بالسبائك المعالجة حراريًا؛ وينبغي على المصممين مراعاة انخفاض اللدونة وزيادة التوتر الارتدادي مع زيادة العمل البارد.

مقاومة الخضوع عادة منخفضة في حالة O وتزداد بتوقع مع العمل البارد من سلسلة H؛ تظهر السبائك استجابة تصلب خطية حتى مستويات تشوه معتدلة ثم تثبيت الشيخوخة الناتجة عن التشوه (strain-age stabilization). أداء التعب كافٍ للأحمال الدورية غير الحرجة، لكن سطح التشطيب، الإجهادات المتبقية من التشكيل واللحام، والسماكة تلعب دوراً قوياً في سلوك حد التحمل.

الصلادة في 4N01 منخفضة نسبيًا في المادة الملدنة وتزداد مع حالة التلدين والعمل البارد؛ وترتبط الصلادة بزيادة مقاومة الخضوع والشد ويمكن استخدامها كمؤشر سريع للتحقق من حالة التلدين في الورش. تؤثر السماكة بشكل كبير حيث تميل السماكات الرقيقة لتحقيق قوة فعالة أعلى في عمليات الدرفلة والتشكيل وتظهر تجانس تبريد أفضل أثناء العمليات التي تتضمن تبريدًا سريعًا.

الخاصة	حالة O/الملدنة	حالة رئيسية (مثلاً H14/H24)	ملاحظات
قوة الشد	80–120 MPa	150–220 MPa	القيم تعتمد على السماكة ودرجة العمل البارد؛ H24 تظهر زيادة ملحوظة مقارنة بحالة O.
مقاومة الخضوع	30–60 MPa	90–170 MPa	مقاومة الخضوع تزيد بشكل واضح مع التصلب بالتشوه؛ للاستخدام التصميمي استخدم الحد الأدنى للأقسام السميكة.
الاستطالة	25–40%	8–20%	المادة الملدنة عالية اللدونة؛ تقل الاستطالة عندما تزداد حالة التلدين.
الصلادة	20–40 HB	40–75 HB	الصلادة تزيد مع درجات H؛ تستخدم كمقياس مراقبة جودة للتحقق من حالة التلدين.

الخواص الفيزيائية

الخاصة	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 جرام/سم³	كثافة الألومنيوم القياسية؛ مفيدة لحسابات الكتلة والصلابة.
نطاق الانصهار	~600–660 °C	السبائك توسع نطاق الانصهار مقارنة بالألومنيوم النقي؛ السيليكون يقلل من نطاق التصلب.
التوصيل الحراري	120–150 W/m·K	توصيل حراري مرتفع نسبيًا؛ أقل قليلاً من الألومنيوم النقي بسبب السبائك.
التوصيل الكهربائي	~30–45% IACS	السبائك تقلل التوصيل مقارنة بالألومنيوم النقي لكنها تبقى مقبولة للكثير من التطبيقات الكهربائية.
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K	مفيدة لحسابات التحولات الحرارية في تطبيقات التبريد الحراري.
التوسع الحراري	23–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C)	توسع حراري نموذجي للألومنيوم؛ مهم لتصميم التمدد التفاضلي مع الفولاذ والمواد المركبة.

الخواص الفيزيائية تجعل 4N01 مناسبة للتطبيقات التي يكون فيها النقل الحراري والكثافة المنخفضة أولوية، ولكن حيث لا يكون التوصيل الكهربائي المطلق هو المعيار الأهم. يجب الأخذ في الاعتبار معاملات التوسع الحراري والتوصيلية في التجمعات التي تضم مواد غير متجانسة لتجنب إجهادات حرارية ومشاكل كهروكيميائية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح (Sheet)	0.2–6 mm	موحدة؛ قوة فعالة أعلى في السماكات الرقيقة	O, H12, H14, H24	تُستخدم على نطاق واسع في تشكيل جسم السيارات، الألواح، والواجهات.
لوح (Plate)	6–25 mm	صلابة عمل أقل قليلاً لكل تمريرة؛ قيود أكبر عبر السماكة	O, H32	تُستخدم للأغطية الهيكلية والأجزاء المصنعة السميكة.
بثق (Extrusion)	سماكة الجدار 1–20 mm	القوة تعتمد على معالجة التصلب والحشو	O, H14, H24	مناسبة للملفات المعقدة حيث تلعب قابلية اللحام وجودة سطح البثق دوراً مهماً.
أنبوب (Tube)	قطر Ø 6–300 mm	خصائص محيطية متأثرة بالمعالجة؛ خيارات ملحومة وغير ملحومة	O, H14	تُستخدم لأغلفة الهيدروليك، الأنابيب المعمارية، والعناصر الهيكلية الخفيفة.
قضيب/عامود (Bar/Rod)	قطر Ø 3–80 mm	القضبان المسحوبة على البارد تظهر زيادة في القوة بسبب تقسية الشغل	H12, H14	تُستخدم للمكونات المشغلة والتركيبات حيث يلزم استقرار التصنيع.

مسار المعالجة يؤثر بقوة على السلوك الميكانيكي النهائي: لف الألواح يعطي اتجاهات مفضلة تؤثر على قابلية التشكيل والصلابة، بينما تستفيد البثقات من حرارة الاحتكاك والتبريد المنضبط للحصول على مكونات دقيقة ومتجانسة. اختيارات التصنيع — سواء استخدام الأنابيب الملحومة أو الملفات المبثوقة — تعتمد على دقة الأبعاد، جودة السطح، وعمليات ما بعد التشكيل مثل الطلاء أو التأنيود.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	4N01	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية تجارية تُستخدم للمشتريات المحلية وأوراق المواصفات.
EN AW	4xxx (تقريباً)	أوروبا	سبائك مماثلة ضمن عائلة EN AW 4xxx؛ تحتاج المطابقة المباشرة لكيمياء دقيقة.
JIS	A4xxx (تقريباً)	اليابان	تتضمن المعايير اليابانية سبائك مماثلة تحتوي على السيليكون والمنجنيز؛ يلزم التحقق من المكافأة حسب التركيب.
GB/T	4N01	الصين	تسمية GB/T الصينية شائعة في سلاسل التوريد الإقليمية مع تطابق كيميائي ومعالجات حرارية.

المعايير وأنظمة الترقيم الإقليمية ليست دائماً متطابقة؛ فروق بسيطة في حدود الشوائب، الحد الأقصى للنحاس أو المنجنيز قد تسبب اختلافات جوهرية في مقاومة التآكل والأداء الميكانيكي. عند استبدال أو تحديد درجات مكافئة، يجب على المهندسين مقارنة المواصفات الكيميائية والميكانيكية الكاملة، تعريفات المعالجة الحرارية وسجلات المعالجة من المورد بدلاً من الاعتماد على التسمية فقط.

مقاومة التآكل

تمتاز 4N01 بشكل عام بمقاومة جيدة للتآكل الجوي بسبب طبقة أكسيد الألومنيوم الخاملة وتأثير المنجنيز المثبت ضد الهجوم بين الحبيبي. في البيئات الريفية والحضرية، تؤدي السبائك أداءً مماثلاً لدرجات الألومنيوم غير المعالجة حرارياً وعادة ما تتفوق على الفولاذ منخفض السبائك من حيث العمر الخالي من الصيانة.

في البيئات البحرية، تقدم 4N01 أداء معتدلاً؛ فهي أكثر مقاومة للتآكل العام من العديد من السبائك الحاملة للنحاس لكنها عرضة للتآكل المحلي (النخر) في الظروف الغنية بالكلوريدات إذا لم تتم المعالجة السطحية بشكل صحيح. تُستخدم التشطيبات الواقية مثل التأنيود، الطلاءات التحويلية، أو أنظمة الطلاء الملائمة عادة لتمديد عمر الخدمة في التطبيقات البحرية والساحلية.

مقاومة التشقق بنمط التآكل الإجهادي منخفضة في 4N01 مقارنة بالسبائك عالية القوة المعالجة حرارياً، لأنها تفتقر إلى التراكيب الراسبة التي تعزز تشقق التآكل الإجهادي. مع ذلك، تتطلب التفاعلات الجلفانية مع المعادن الأكثر نبالة (مثلاً النحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ في الحالة الخاملة) اهتماماً تصميمياً: سيكون الألومنيوم أنودياً وقد يتآكل تفضيلياً إلا إذا تم عزله كهربائياً أو حمايته بطبقات مناسبة.

بالمقارنة مع عائلات السبائك الأخرى، تقدم 4N01 مقاومة تآكل أفضل من العديد من السبائك التي تحتوي على النحاس وسلوكاً مقارباً لعائلات 3xxx و5xxx في البيئات غير البحرية. مقارنة بسلسلة 6xxx و7xxx، تتحمل 4N01 تعرض البحر أفضل عموماً لكنها لا تصل إلى ذروة القوة لتلك السبائك المعالجة حرارياً.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

تعرض 4N01 قابلية لحام ممتازة مع العمليات الشائعة للانصهار مثل MIG (GMAW) وTIG (GTAW)؛ فالسبائك تمتلك مجال انصهار واسع نسبياً وتنتج تشققات حرارية قليلة عند اتباع أفضل الممارسات. السبائك المملوءة الموصى بها هي تلك المتطابقة من حيث اللدونة ومقاومة التآكل — ER4043 وهو مملوء غني بالسيليكون شائع للتجميعات الملحومة، وER5356 يمكن استخدامه حيث تكون قوة اللحام أعلى مطلوبة، على الرغم من أن تركيب معدن اللحام يؤثر على توازن التآكل والميكانيك. تليين منطقة التبريد الحراري محدود بالمقارنة مع السبائك المعالجة بالتصلب بالترسيب، والتغيرات في الخواص الميكانيكية بعد اللحام متوقعة ويمكن التحكم فيها بتصميم الوصلات المناسب والتحكم في مدخلات الحرارة.

قابلية التشغيل

كونها سبيكة ألومنيوم ذات ليونة نسبية وقابلة للتقسية بالتشوه، تتمتع 4N01 بقابلية تشغيل متوسطة نموذجية للألومنيوم المشغول؛ تعمل بشكل أفضل في معالجات H حيث تقل الاهتزازات بسبب القوة والصلابة. يُنصح بأدوات كربيد مطلية بـ TiAlN أو TiN للقطع بسرعات عالية، مع معدلات تغذية معتدلة وسرعات مغزل عالية لإنتاج رقائق قصيرة ومتحكم بها. استراتيجيات التبريد وإزالة الرقائق مهمة لتجنب تراكم الحواف وأختناق الأدوات، ويمكن للمعالجة المسبقة بالتصلب أو اختيار المعالجة الحرارية أن يؤثر بشكل كبير على عمر الأداة وجودة السطح النهائي.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في الحالة اللاصقة كلياً (O) مما يتيح السحب العميق، التمديد، الطي (اللحام الحافتين)، وعمليات التشكيل متعددة الخطوات المعقدة دون تشققات. نصف قطر الانحناءات الداخلية النموذجي في معالجة O يمكن أن يكون حوالي 1–2× سماكة المادة للانحناءات البسيطة و2–4× السماكة للتشكيلات الأعلى شدة، بينما الأجزاء المعالجة H تتطلب أنصاف أقطار أكبر وقد تحتاج لتسخين مسبق أو عمليات تأنيب وسيطة. تستجيب السبيكة بشكل متوقع لعمليات الشغل البارد؛ ويُحدد المصممون غالباً إجراء تأنيب بعد التشكيل الثقيل لتخفيف ارتداد الشكل واستعادة اللدونة قبل عمليات التشطيب النهائية.

سلوك المعالجة الحرارية

4N01 غير قابلة عمليا للمعالجة الحرارية؛ فهي لا تكتسب تقوية جوهرية من دورات التشييب الاصطناعية المستخدمة في سبائك 6xxx أو 7xxx. المحاولات لتطبيق معالجة حل والتشييب الصناعي تنتج زيادة محدودة في القوة لأن السبيكة تفتقر إلى أنظمة Mg–Si أو Zn–Mg التي تشكل المواد الراسبة المقوية.

لذلك، يتم تعديل القوة من خلال الشغل البارد المضبوط (تقسية الشغل) ومعالجة الاستقرار الحراري (تأنيب درجات حرارة منخفضة) للوصول إلى توليفة مرغوبة من القوة والتمدد. التأنيب الكامل (O) يستعيد أقصى درجات اللدونة، في حين يستخدم التأنيب الجزئي وعلاجات الاستقرار (تصنيفات T حيثما تنطبق) لتخفيف الإجهادات المتبقية ومعتدلة تأثيرات الشغل البارد السابق.

الأداء في درجات الحرارة العالية

ينخفض القوة الميكانيكية في 4N01 تدريجياً مع ارتفاع درجة الحرارة ويحد المصممون عادة من درجات حرارة التشغيل المستمرة إلى أقل من ~150 °C لتجنب انخفاضات كبيرة في مقاومة الخضوع وأداء الإجهاد. يمكن تحمل التعرض قصير المدى لدرجات حرارة أعلى (حتى ~250 °C) لكنه يؤدي إلى تليين قابل للقياس واحتمال استعادة البنية المجهرية التي تقلل القوة المكتسبة من الشغل.

الأكسدة قليلة عند درجات الحرارة ذات الصلة بمعظم ظروف الخدمة لأن الألومنيوم يشكل طبقة أكسيد واقية، إلا أن التعرض طويل الأمد لدرجات حرارة مرتفعة قد يثخن طبقات الأكسيد ويغير تشطيب السطح والتصاق الطلاء. سلوك منطقة التأثير الحراري (HAZ) أثناء اللحام في درجات حرارة محلية مرتفعة يكون حميداً مقارنة بالسبائك المعالجة حرارياً، لكن على المصممين الأخذ بالحسبان فقدان مؤقت للقوة وتشوهات محتملة بالقرب من اللحامات.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 4N01
السيارات	ألواح الهيكل الخارجية، ألواح التعزيز الداخلية	قابلية تشكيل ممتازة للقص والضغط، قابلية لحام جيدة، ومقاومة تآكل بسعر معقول
البحرية	أسطح غير هيكلية، تركيبات	توازن جيد بين مقاومة التآكل وقابلية التصنيع للاستخدام الساحلي والبحري الخفيف
الفضاء الجوي	تركيبات ثانوية، أغطية	قوة جيدة إلى وزن بالنسبة للمكونات غير الهيكلية الأساسية وقابلية انضمام جيدة
الإلكترونيات	ألواح توزيغ الحرارة، أغلفة	موصلية حرارية عالية مع وزن خفيف وتصنيع موثوق
البناء والهندسة المعمارية	تكسية، تجاويف، إطارات نوافذ	قابلية تشكيل، تشطيب سطحي جمالي، وأداء جيد في مقاومة العوامل الجوية

يتم استخدام 4N01 عادة حيث يلزم توليفة من قابلية التشكيل، قابلية اللحام، وقوة كافية دون الحاجة لدورات معالجة حرارية معقدة. غالباً ما يكمل دورها سبائك ذات قوة أعلى حين يكون القابلية التصنيعية الاقتصادية وأداء التآكل عوامل حاسمة لاختيار المادة.

نصائح الاختيار

عند اختيار 4N01، يُفضل استخدامها في التطبيقات التي تعطي أولوية لقابلية التشكيل، قابلية اللحام، ومقاومة التآكل على القوة القصوى الممكن تحقيقها. طبيعتها غير المعالجة حرارياً تبسط التصنيع، تقلل خطر تردي منطقة التأثير الحراري، وتخفض تكلفة المعالجة مقارنة بالسبائك المعالجة بالتصلب بالترسيب.

بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجارياً (1100)، يقدم 4N01 قوة أعلى بشكل ملحوظ مع تراجع طفيف في الموصلية الكهربائية وانخفاض بسيط في قابلية التشكيل، مما يجعله مفضلاً في تطبيقات الألواح الحاملة للأحمال. مقابل السبائك المقواة بالتصليد مثل 3003 أو 5052، يتمتع 4N01 بقوة مماثلة أو أعلى قليلاً مع مقاومة تآكل مشابهة وقابلية لحام محسنة في بعض تكوينات الوصلات.

بالمقارنة مع السبائك المعالجة حرارياً مثل 6061 أو 6063، يوفر 4N01 سهولة أكبر في اللحام وتوقع أفضل لأداء منطقة التأثير الحراري (HAZ) على حساب انخفاض أقصى قوة؛ يُفضل اختيار 4N01 عندما تزداد أهمية تبسيط المعالجة، والتشكيل الفائق، أو الإنتاج المبني على التكلفة على الحاجة إلى أقصى قوة أو صلابة.

ملخص الختام

يبقى 4N01 خياراً هندسياً عملياً حيث يتطلب التوازن بين قابلية التشكيل، مقاومة التآكل، واللحام الموثوق دون تعقيد المعالجة الحرارية، ويواصل خدمته في صناعات متنوعة حيث يُفضل التصنيع والتشغيل المتوقع وأداء دورة الحياة على أقصى قوة.