ألمنيوم 5053: التركيب، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

درجة 5053 هي سبيكة ألومنيوم-ماغنسيوم من سلسلة 5xxx، تصنف أساسًا ضمن السبائك المشغولة من نوع Al-Mg. تنتمي إلى عائلة غير قابلة للمعالجة الحرارية حيث يتم تقوية المادة عن طريق الإذابة الصلبة والتصلب الناتج عن الإجهاد بدلاً من التقوية عن طريق الترسيب.

العنصر الرئيسي المسبب للسبائكية هو الماغنسيوم (Mg) بنسبة تقريبية تتراوح بين 2.2-2.8%، مع إضافات صغيرة من الكروم (Cr) للتحكم في بنية الحبيبات وكميات ضئيلة من السيلكون (Si)، الحديد (Fe)، النحاس (Cu)، الزنك (Zn) والتيتانيوم (Ti). توفر نسبة الماغنسيوم ارتفاعًا في المقاومة مقارنة بالألومنيوم النقي تجاريًا وتعطي مقاومة جيدة جدًا للتآكل، خاصة في البيئات البحرية.

يتم تحقيق التقوية عن طريق تقوية الإذابة الصلبة بواسطة Mg وبواسطة العمل البارد (التصلب بالتشويه) في حالات H-temper. تتميز 5053 بتوازن بين قوة متوسطة إلى عالية ومقاومة ممتازة لتآكل مياه البحر، وقابلية جيدة للحام، وقابلية للتشكيل جيدة بالمقارنة مع سبائك المغنيسيوم الأخرى.

تشمل الصناعات النموذجية الهياكل البحرية والبحرية العميقة، أوعية الضغط، هياكل النقل، والتكسية المعمارية حيث يتم إيلاء أهمية لمقاومة التآكل وقابلية اللحام. يختار المهندسون 5053 عندما تكون هناك حاجة إلى ألومنيوم مقاوم للتآكل وقابل للحام وبقوة أعلى من عائلات 1xxx/3xxx مع تجنب تعقيد وتكاليف السبائك القابلة للمعالجة الحرارية.

فئات الحالة الحرارية (Temper)

الحالة	مستوى القوة	الاستطالة	القابلية للتشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مخدرة بالكامل، أقصى ليونة للتشكيل البارد
H14	متوسطة	متوسطة	جيدة	ممتازة	تصلب ربع العمل بالتشكيل البارد لمتانة متوسطة
H111	متوسطة	متوسطة-عالية	جيدة	ممتازة	مخلل قليلاً أو عمر طبيعي بعد تشوه محدود
H32	متوسطة-عالية	متوسطة	مقبولة-جيدة	ممتازة	تصلب إجهادي ومستقر؛ شائع للمنتجات الصفيحية
H34	متوسطة-عالية	متوسطة	جيدة	ممتازة	تشكل بارد أثقل من H32؛ زيادة في القوة
H116	متوسطة-عالية	متوسطة	جيدة	ممتازة	تصلب إجهادي مع مقاومة محسنة للتآكل لاستخدامات بحرية

تتحكم الحالة الحرارية المختارة لـ 5053 بشكل قوي في التوازن بين القوة والليونة. المادة المخدرة (O) توفر أفضل قابلية للتشكيل للرسم والتشكيل العميق، بينما ترفع حالات H القوة عند الخضوع وقوة الشد عن طريق العمل البارد المحكوم.

بالنسبة للهياكل الملحومة، اختيار الحالة الحرارية مهم لأن الحالات المتصلبة بالتشوه تنخفض صلابتها في منطقة التأثير الحراري (HAZ) وعلى طول اللحامات؛ غالبًا ما تُختار حالات H116 والمثبتة للتطبيقات البحرية للحفاظ على مقاومة التآكل بعد التصنيع.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	≤ 0.40	شائبة؛ تقلل السيولة إذا كانت زائدة
Fe	≤ 0.40	شائبة شائعة؛ يمكن أن تشكل مركبات بينية تؤثر على الليونة
Mn	≤ 0.10	كميات صغيرة تساعد على التحكم في بنية الحبيبات
Mg	2.2 – 2.8	العنصر الرئيسي للتقوية؛ يحسن مقاومة التآكل
Cu	≤ 0.10	محافظ عليه منخفضًا للحفاظ على مقاومة التآكل
Zn	≤ 0.25	قليل؛ ارتفاع Zn يزيد من احتمال حدوث تآكل الإجهاد
Cr	0.15 – 0.35	يسيطر على نمو الحبيبات، يحسن القوة والمقاومة للتآكل
Ti	≤ 0.15	مكرر للحبيبات في الصب والتشكيل بالبثق
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05	عناصر أثرية محكومة؛ باقي التركيب ألمنيوم حتى 100%

الماغنسيوم هو العنصر السائد في السبائك، حيث ينتج منه تقوية الإذابة الصلبة ويحسن السلوك القطبي الأنودي في بيئات الكلوريد. يساعد الكروم على استقرار البنية المجهرية أثناء المعالجة ويقلل من نشاط حدود الحبيبات الذي قد يقلل من مقاومة التآكل.

المستويات المنخفضة من النحاس والزنك متعمدة لتقليل قابلية التآكل الجلفاني وتآكل الإجهاد مع الحفاظ على الأداء الميكانيكي المناسب. تُدار الشوائب (Fe, Si) بعناية لتجنب تكوين مركبات بينية هشة قد تضعف الليونة.

الخصائص الميكانيكية

سلوك الشد للدرجة 5053 يعتمد بشدة على الحالة الحرارية؛ بحيث يظهر المعدن المخدر (O) قوة شد منخفضة نسبياً مع استطالة عالية، في حين تؤدي حالات العمل البارد H إلى زيادة كبيرة في مقاومة الخضوع وقوة الشد القصوى. تُظهر السبيكة سلوك انسيابي تدريجي مع استطالة موحدة جيدة في الحالات الليّنة، وعادةً ما تظهر صلابة إجهاد مستقرة قبل بداية الرقبة.

يمكن أن تمتد مقاومة الخضوع في نطاق واسع حسب الحالة الحرارية والسماكة، وتزداد بشكل ملحوظ مع العمل البارد؛ غالبًا ما تقع مقاومات الخضوع النموذجية لحالات H32/H34 في مئات الـMPa المنخفضة إلى المتوسطة لألواح ذات سماكة أكبر. تقل قيم الاستطالة مع زيادة صلابة الحالة؛ يجب على المصممين مراعاة انخفاض القابلية للتشكيل في حالات H المتصلبة والتعامل مع ارتداد الزنبرك في الأجزاء المشكّلة.

تتبع الصلادة نفس اتجاه القوة، حيث تزداد مع العمل البارد؛ تعتبر قيم صلادة فيكرز أو برينل مفيدة للمراقبة الإنتاجية لكنها تختلف مع السماكة وطريقة المعالجة. يُعتبر أداء الإجهاد معتدلاً ويتأثر بشكل كبير بلمسة السطح، الإجهادات المتبقية، وبيئة التآكل؛ حيث تنشأ شقوق الإجهاد بسهولة أكبر من حفر التآكل أو العيوب اللحامية.

الخاصية	O / مخدر	الحالة الرئيسية (مثل H32/H34/H116)	ملاحظات
قوة الشد	~105–145 MPa	~200–260 MPa	نطاق واسع حسب الحالة والسمك؛ العمل البارد يرفع UTS
قوة الخضوع	~35–70 MPa	~120–200 MPa	زيادة كبيرة مع التصلب بالإجهاد؛ السماكة تؤثر على القيم المقاسة
الاستطالة	~20–35%	~8–18%	انخفاض الليونة في الحالات المتصلبة؛ معامل السماكة يؤثر على الاستطالة المقاسة
الصلادة	منخفضة	متوسطة-عالية	ترتبط الصلادة بالعمل البارد؛ صفائح H-temper يمكن أن تكون صلادتها عالية

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.66 g/cm³	معتاد لسبائك Al-Mg؛ نسبة قوة إلى وزن جيدة
نطاق الانصهار	~590–657 °C	الفاصل بين الصلب والسائل يختلف قليلًا حسب التركيب
الموصلية الحرارية	~120–150 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنها مرتفعة لإدارة الحرارة
الموصلية الكهربائية	~28–36 % IACS	منخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ الحالة الحرارية تأثيرها بسيط
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K	قريبة من الألومنيوم النقي؛ مفيدة للتصميم الحراري
التوسع الحراري	~23.5 ×10^-6 /K	توسع خطي نموذجي قرب درجات الحرارة المحيطة

تجعل مجموعة الخصائص الفيزيائية درجة 5053 جذابة للمكونات الهيكلية خفيفة الوزن التي تتطلب أيضًا توصيلًا حراريًا وكهربائيًا معقولًا. الكثافة والتوسع الحراري مماثلان لسبائك Al-Mg الأخرى، مما يتيح سلوكًا متوقعًا في تجميعات المعادن المختلطة.

الموصلية الحرارية والكهربائية أقل مقارنة بالألومنيوم النقي لكنها تبقى كافية للعديد من تطبيقات المشتتات الحرارية والحافلات الكهربائية. يجب مراعاة نطاق الانصهار وفاصل الصلب/السائل أثناء عمليات اللحام والتلحيم لمنع الانصهار في منطقة التأثير الحراري.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الحالات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3 mm – 6.0 mm	سلوك حسب الحالة؛ السماكة الأقل تسهل التشكيل	O, H14, H32, H116	مستخدمة على نطاق واسع في الألواح البحرية وأوعية الضغط
صفائح	>6.0 mm – 25 mm	انخفاض الاستطالة في السماكات الأكبر؛ القوة متغيرة	O, H111, H32	تستخدم في الأعضاء الهيكلية والتجميعات الملحومة
بثق	مقاطع مخصصة حتى مقاطع عرضية كبيرة	تختلف القوة حسب سمك المقطع وعمر العمل البارد	H111, H32	جيدة للمقاطع المعقدة والهياكل الإطارية
أنابيب	القطر الخارجي/الداخلي حسب المواصفات، سماكة الجدار متغيرة	مماثلة للألواح السماكة الرقيقة؛ السماكات الأكبر تقلل القابلية للتشكيل	O, H32	شائعة للأنابيب الهيدروليكية والمنخفضة الضغط
قضبان/عصي	أقطار حتى عدة إنشات	قابلية التشغيل الميكانيكي والقوة تعتمد على الحالة	H111, O	تستخدم للمكونات المجهزة والبراغي

تختلف ممارسات التصنيع بين الألواح والصفائح: حيث تحسن الألواح للتشكيل والتشطيب، بينما تصنع الصفائح لأعضاء تحميل أعلى وهياكل ملحومة. يسمح البثق بالمقاطع المعقدة ويستخدم التبريد والتحرير من الإجهاد المحكوم لتحقيق الاستقرار الأبعادي المطلوب.

تتغير اعتبارات التشكيل واللحام والتشطيب السطحي حسب شكل المنتج والسماكة؛ يجب على المصممين التحقق من حالة المورد، وأقطار الانحناء الدنيا، وحالات الإجهاد المتبقية قبل تحديد مكونات 5053.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5053	USA	تسمية ASTM/AA المستخدمة عادة في المواصفات
EN AW	AlMg3 / 5053	Europe	التسمية الأوروبية غالبًا ما تستخدم الاختصار الكيميائي AlMg3؛ الخواص متوافقة مع AA5053
JIS	A5053	Japan	تسمية JIS A5053 تقابل التكوين والاستخدامات المشابهة
GB/T	5053	China	المواصفات الصينية تتوافق مع سبائك الألمنيوم-المغنيسيوم؛ يجب الانتباه لفروق التخشين والعمليات

التكافؤ بين المعايير جيد عمومًا فيما يخص التكوين الكيميائي لكن ضمانات الخواص قد تختلف بسبب حدود السماكة، حالات التخشين، ومسارات العمليات المسموح بها. يعتبر AlMg3 الأوروبي وAA5053 قابلان للتبادل في العديد من الاستخدامات الهندسية، لكن يجب أن تشير مستندات المشتريات إلى حدود التكوين ومتطلبات الخواص الميكانيكية لتجنب اللبس.

قد تسمح المعايير المحلية بحدود شوائب أو تعريفات خشونة مختلفة قليلاً، لذا في التطبيقات الحرجة يُنصح بطلب شهادات اختبار المصنع والمقارنة مع البند المعياري المعمول به.

مقاومة التآكل

يتميز 5053 بمقاومة ممتازة للتآكل الجوي وهو قوي بشكل خاص في البيئات البحرية والمشبعة بالكلوريد بسبب وجود المغنيسيوم والكروم. يشكل طبقة أكسيد ألمنيوم مستقرة وواقية تحد من التآكل الفعّال والتآكل النخري في ظروف الخدمة العادية.

في مياه البحر والتعرض لرش الملح، يتفوق 5053 بشكل ملحوظ على العديد من السبائك القابلة للمعالجة الحرارية (مثل سلسلة 2xxx و6xxx) ويُظهر سلوكًا مماثلًا أو أفضل مقارنة بسبائك 5xxx الأخرى ذات محتوى المغنيسيوم المشابه. يقاوم التآكل العام وله ميل أقل للتآكل النخري مقارنةً بالسبائك ذات النحاس العالي.

مخاطر تشقق التآكل بالإجهاد لـ5053 منخفضة مقارنة بالسبائك عالية القوة القابلة للمعالجة الحرارية، لأن آلية تقويته تعتمد على محلول صلب وتقسية الشغل وليس على ترسيبات تعتمد على التخشين. مع ذلك، يجب على المصممين تقليل التأثير الكهروكيميائي وتجنب التعرض الأنودي مقابل المعادن النبيلة؛ ويُوصى باستخدام حواجز عازلة أو مثبتات متوافقة.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يُعتبر 5053 قابلًا للحام بسهولة باستخدام عمليتي TIG وMIG؛ طبيعته كمحلول صلب ومحتواه المتوسط من المغنيسيوم تعطي خصائص تماسك جيدة. بالنسبة لأجهزة الحشو، غالبًا ما تُستخدم أسلاك Al-Mg مثل ER5356 للحفاظ على تكوين السبيكة وتجنب التشقق الساخن؛ الأسلاك ذات المغنيسيوم المنخفض قد تقلل من احتمال النفاذية في بعض الحالات.

مناطق التأثير الحراري في الحالات المشغولة ببرودة ستلين وتفقد بعض الصلابة والقوة بجانب اللحامات؛ يجب على المصممين توقع انخفاضات محلية في مقاومة الخضوع والنظر في تعويض ميكانيكي بعد اللحام أو إضافة هامش في التصميم. عادة لا تحتاج إلى تسخين مسبق، لكن التحكم في إدخال الحرارة وتركيب المفصل ضروريان لتقليل التشوهات.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل لمعادن 5053 متوسطة إلى منخفضة مقارنةً بالسبائك القابلة للتشغيل الحر الخاص للألمنيوم؛ حيث تميل السبيكة إلى اللزوجة وتنتج شرائح طويلة ومتصلة بدون استخدام أدوات مناسبة. تقاطيع الكربيد ذات زوايا قطع موجبة، حواف حادة، وتبريد عالي الجودة على الأدوات تحسن عمر الأداة وجودة السطح.

الممارسة الموصى بها تشمل سرعات قطع متوسطة إلى عالية، معدلات تغذية ثقيلة لتعزيز كسر الشرائح، وتثبيت صارم لتجنب الاهتزاز. عمليات التشكيل مثل التريدي والفواصل الدقيقة تستفيد من مرور التشطيب وربما استخدام طبقات متخصصة على الأدوات للحد من تراكم الحواف.

قابلية التشكيل

في حالة التخشين O يقدم 5053 قابلية ممتازة للسحب العميق والتمدد ويمكن تشكيله إلى أشكال معقدة بأقطار انحناء صغيرة نسبيًا. مع التصلب إلى H14/H32/H34 يجب زيادة أقطار الانحناء ويصبح الارتداد أكثر وضوحًا، مما يقلل من الحد الأدنى الممكن للأقطار وحِزم الانحناءات.

يجب تعديل سماحيات الانحناء والأدوات لمراعاة انخفاض الاستطالة في حالات التخشين الأعلى؛ في العمليات الحرجة يُفضل اختيار التخشين O أو أداء عمليات فقرة متوسطة. يمكن أن يحسن التشكيل الدافئ الدكتيلية للأشكال المعقدة لكنه نادرًا ما يكون ضروريًا لتشكيل الألواح القياسية.

سلوك المعالجة الحرارية

5053 هو سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية حيث تسيطر الخواص الميكانيكية على الطرق البارد وليس عبر المعالجة بالذوبان والترسيب. المحاولات الكلاسيكية لمعالجة T (الحل والشيخوخة) لا تؤدي إلى تقوية بالترسيب كما في سلاسل 6xxx و7xxx.

للتعديل في الخواص تُستخدم عمليات التصلب بالطرقات الباردة (تحديد خشونة H) لزيادة مقاومة الخضوع والشد؛ وتتدرج درجات التقسية المعيارية مثل H14، H32. تُجرى دورات التليين (خشونة O) لتليين المادة واستعادة الدكتيلية؛ وتكون درجات حرارة التليين النموذجية في نطاق 300–400 °C مع تبريد مسيطر عليه لتجنب التشوه.

التعرض الحراري عند درجات حرارة مرتفعة يخفف من التصلب الناتج عن العمل البارد وقد يسبب استعادة وإعادة تبلور جزئية؛ على المصممين مراعاة درجات حرارة الخدمة والتعرض بعد التصنيع التي قد تقلل القوة.

الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة

يحافظ 5053 على السلامة الميكانيكية حتى درجات حرارة معتدلة مرتفعة، لكن يحدث فقدان كبير في القوة عند التعرض المطول فوق ~100–150 °C. للخدمة المستمرة، تُحدًد درجات الحرارة القصوى الموصى بها عادةً بحوالي 120 °C للحفاظ على الخواص الميكانيكية والاستقرار الأبعادي.

تحد الأكسدة وجود طبقة أكسيد Al2O3 الواقية، لكن التآكل والليونة في المصفوفة تحدثان بسهولة أكبر مما هو في المواد المقاومة للحرارة ذات درجات الانصهار الأعلى. المناطق الملحومة ومناطق التأثير الحراري حساسة بشكل خاص لفقدان القوة عند درجات الحرارة المرتفعة بسبب استعادة تصلب الشغل البارد ونمو الحبيبات.

مقاومة الزحف محدودة وليست استخدامًا رئيسيًا في التصميم للـ5053؛ للخدمة الحرارية طويلة الأمد أو التحميل الحراري العالي يجب اختيار سبائك مصممة خصيصًا لمقاومة الزحف أو استخدام مواد بديلة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 5053
السيارات	أعناق تعبئة الوقود، ألواح الهيكل	قابلية تشكيل جيدة، مقاومة التآكل، وقابلية لحام عالية
البحرية	هيكليات السفن، الهياكل العلوية، خزانات	مقاومة ممتازة لتآكل مياه البحر وقابلية للحام
الطيران	التجهيزات الثانوية، الحوامل	نسبة قوة إلى وزن جيدة وسلوك مقاومة التآكل للأجزاء غير الحرجة
الإلكترونيات	موصلات حرارية، أغلفة	مقاومة حرارية جيدة مع حماية ضد التآكل

يُحدد 5053 بشكل واسع حيثما يتطلب تجمع مقاومة التآكل وقابلية اللحام دون الحاجة لمعالجة حرارية للترسيب. يعطي تنوعه بين الألواح، الصفائح والبروفيلات خيارًا شائعًا للتجميعات المعرضة للبيئات القاسية.

نصائح الاختيار

اختر 5053 عندما تحتاج إلى ألومنيوم مقاوم للتآكل وقابل للحام بقوة ميكانيكية أفضل من درجات الألمنيوم النقية تجاريًا. يوفر توازنًا جيدًا لتطبيقات البحرية والمعمارية حيث التشكيل والربط عمليات متكررة.

مقارنةً بـ1100 (نقية تجاريًا) يتنازل 5053 قليلاً في الموصلية الكهربائية والحرارية مقابل قوة أعلى بكثير ومقاومة تآكل مياه البحر أفضل. بالمقارنة مع 3003 أو 5052، يقدم 5053 قوة مماثلة أو أعلى قليلاً مع المحافظة على مقاومة تآكل ممتازة؛ وهو متوسط بين سبائك الألومنيوم-مغنيسيوم غير المعالجة حراريًا.

مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة مثل 6061/6063، 5053 يمتاز بمقاومة تآكل أفضل في البيئات الغنية بالكلوريد وتصنيع أبسط لأنه لا يحتاج لعمليات ذوبان وشيخوخة. اختر 5053 عندما تكون مقاومة التآكل وقابلية اللحام أهم من أقصى قوة ميكانيكية.

الملخص الختامي

يبقى 5053 ذو أهمية لأنه يجمع بشكل فريد بين أداء مقاومة التآكل لسبائك Al-Mg، تقوية العمل البارد القابلة للتوقع، وقابلية لحام متينة، مما يجعله خيارًا هندسيًا عمليًا لتطبيقات البحرية، النقل، والهياكل العامة حيث تكون المتانة في البيئات المسببة للتآكل أمرًا حاسمًا.