الألمنيوم 5183: التركيب، الخصائص، دليل التخشين، والتطبيقات

نظرة شاملة

تعد 5183 من سبائك الألومنيوم من السلسلة 5xxx، والتي يتم تقويتها بالماغنيسيوم (Mg) وتصنف على أنها غير قابلة للمعالجة بالحرارة. تم صياغة هذه السبائك لتوفير قوة أعلى مقارنة بالدرجات ذات نقاوة تجارية أقل من الماغنيسيوم مع الحفاظ على مقاومة التآكل المميزة لعائلة السبائك الحاملة للماغنيسيوم. العنصر الرئيسي في السبائك هو الماغنيسيوم، الذي يتراوح عادة في حدود نسب أحادية الرقم، مع إضافات طفيفة من الكروم وعناصر أثرية للتحكم في بنية الحبيبات ومقاومة الهجوم بين الحبيبات. آلية التقوية تعتمد بشكل رئيسي على تقوية الحالة الصلبة من الماغنيسيوم والتصلب الناتج عن الإجهاد للعمل البارد؛ ولا توجد عملية تقوية بالترسيب لتحقيق قوة عالية.

تشمل الخصائص الرئيسية لـ 5183 مقاومة شد فوق المتوسط بالنسبة لسبائك السلسلة 5xxx، مقاومة ممتازة للتآكل البحري، قابلية جيدة للحام مع المعادن الملحقة الشائعة، وقدرة تشكيل مقبولة في درجات التلدين والتصلب الخفيف بالإجهاد. يتم استخدام السبيكة على نطاق واسع في الهياكل البحرية، مكونات المركبات، أوعية الضغط، والتطبيقات التي تتطلب توازناً بين القوة، المتانة، ومقاومة مياه البحر. يختار المهندسون 5183 عندما تكون هناك حاجة لمقاومة تآكل ومرونة السلسلة 5xxx مع قوة أعلى من سلسلة 1100 أو 3000، وحيث يفضل المصمم التصلب الناتج عن العمل البارد بدلاً من المعالجة الحرارية لضبط الخصائص.

غالباً ما يُختار 5183 بدلاً من بعض سبائك السلسلة 6xxx و7xxx عندما تكون قابلية الحام ومقاومة بيئات مياه البحر أهم من الحصول على أعلى قوة مطلقة. تُستخدم عادة في بناء السفن، المنصات البحرية، خزانات التبريد، ومكونات النقل حيث يُتوقع تحميل دوري وتعرض لبيئات تحتوي على الكلوريدات. تجعل مجموعة الأداء الميكانيكي، سلوك الحام المتوقع، وتوافر السبيكة بأشكال الألواح، الصفائح، والمقاطع، خياراً هندسياً عملياً لمكونات الألومنيوم الهيكلية متوسطة إلى عالية القوة.

أنواع التلدين

الحالة الحرارية	مستوى القوة	الاستطالة	القابلية للتشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مُلدنة بالكامل؛ أفضل تشكيل ومرونة
H111	منخفضة إلى متوسطة	عالية	جيدة جداً	ممتازة	تصلب بسيط بالإجهاد؛ قابلية تشكيل تجارية عامة
H14	متوسطة	متوسطة	جيدة	ممتازة	درجة صلابة ربع؛ شائعة للرسم والتشكيل المتوسط
H24	متوسطة إلى عالية	متوسطة إلى منخفضة	مقبولة	ممتازة	تصلب بالإجهاد مستقر للحصول على قوة محسنة
H116 / H1160	متوسطة إلى عالية	متوسطة	مقبولة	ممتازة	درجة مقاومة تآكل مياه البحر تُستخدم غالباً في التطبيقات البحرية
H32	متوسطة إلى عالية	متوسطة	جيدة	ممتازة	مُصلدة بالإجهاد ومستقرة عن طريق التلدين الجزئي
(درجات T)	غير قابلة للتطبيق	—	—	—	5183 غير قابلة للمعالجة بالحرارة؛ درجات T ليست نموذجية لهذه السبائك

يؤثر اختيار الحالة الحرارية بشكل كبير على توازن القوة والمرونة في 5183. يستخدم المنتج المُلدن (O) للاستطالة العالية وأفضل قابلية للتشكيل للرسم العميق أو التشكيل المعقد، بينما تزيد درجات H القوة تدريجياً عبر العمل البارد مع تقليل الاستطالة وقدرة التمدد.

عملياً، تستخدم الأجزاء الهيكلية البحرية غالباً درجات H116 أو H32 لدمج قوة الخضوع المحسنة مع أداء مثبت في مياه البحر وتقليل القابلية لتآكل الإجهاد في ظروف الخدمة العادية. يجب على المصنّعين تنسيق اختيار الحالة الحرارية مع عمليات التشكيل والتعرض الحراري النهائي لأن الحالة قد تتغير أثناء اللحام أو التشكيل الساخن.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.40 بحد أقصى	السيليكون محدود لتقليل المراحل بين البلورية الصلبة والهشة والحفاظ على المرونة
Fe	0.40 بحد أقصى	الحديد مُتحكم فيه لتقليل جسيمات بين بلورية خشنة تقلل القابلية للتشكيل
Mn	0.10 بحد أقصى	مستوى منخفض من المنغنيز؛ كميات صغيرة تُحسّن حدة الحبيبات والمتانة
Mg	4.5–5.5	العنصر الأساسي للتقوية؛ يوفر تقوية الحالة الصلبة ومقاومة التآكل
Cu	0.10 بحد أقصى	النحاس منخفض لتجنب فقدان مقاومة التآكل وزيادة النشاط الجلفاني
Zn	0.25 بحد أقصى	الزنك منخفض لتجنب القابلية لتصدعات تآكل الإجهاد
Cr	0.05–0.25	الكروم يستخدم للتحكم في بنية الحبيبات وتقليل الحساسية للتآكل وإعادة التبلور
Ti	0.15 بحد أقصى	التيتانيوم يعمل كمكرر حبيبات، غالباً بقايا من المعالجة
عناصر أخرى (لكل منها)	0.05 بحد أقصى	عناصر أثرية وشوائب محدودة؛ الباقي ألومنيوم

يعتبر الماغنيسيوم العنصر الرئيسي في السبائك ويحدد الخصائص الميكانيكية ومقاومة التآكل لـ 5183؛ فزيادة الماغنيسيوم توفر تقوية الحالة الصلبة وأداءً أفضل في بيئات الكلوريد. يعمل الكروم كعنصر دقيق للحد من نمو الحبيبات أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية وللتقليل من تقشير التآكل وتآكل بين الحبيبات. يتم تقليل النحاس والزنك عمدًا للحفاظ على مقاومة التآكل البحرية وتقليل الاتجاهات الجلفانية تجاه الفولاذ والمعادن الأخرى.

الخصائص الميكانيكية

في سلوك الشد، تظهر 5183 مزيجاً من قوة شد متوسطة إلى عالية واستطالة جيدة تعتمد على الحالة الحرارية والسماكة. مادة التلدين (O) تظهر قوة خضوع أقل مع استطالة منتظمة وعامة عالية مناسبة لعمليات التشكيل، بينما تستعرض درجات H زيادات في قوى الخضوع والشد نتيجة التصلب بالإجهاد. تصلب المادة يرتبط بالحالة الحرارية: المنتج المصلد أو المعالج باردًا يظهر قيم صلادة فيكرز/برينل أعلى من المعدن الملدن، وتزداد الصلادة بزيادة درجة العمل البارد.

أداء التعب لـ 5183 جيد بشكل عام ضمن عائلة 5xxx عند التحكم في التشطيب السطحي، الإجهادات المتبقية، وحفر التآكل؛ إلا أن عمر التعب حساس لمركزات الإجهاد وحفر التآكل البحرية. تؤثر السماكة على كل من القوة والمرونة: الأجزاء الرقيقة أسهل في التصلب للحصول على قوى أعلى وغالباً ما تحقق مقاومة تعب أفضل بعد التشطيب السطحي، بينما قد تظهر الألواح السميكة قابلية تشكيل أقل وأنسجة ميكانيكية مختلفة بسبب تاريخ الدرفلة.

الخاصية	حالة O/ملدن	الحالة الرئيسية (مثال: H116/H32)	ملاحظات
قوة الشد	~180–260 MPa (تعتمد على السمك)	~260–340 MPa	المجالات الواسعة تعكس السماكة ودرجة التصلب؛ يجب الرجوع لبيانات المورد
قوة الخضوع	~60–140 MPa	~170–300 MPa	تزداد قوة الخضوع بشكل كبير مع درجات H والعمل البارد
الاستطالة	~20–35%	~6–18%	التلدين يظهر مرونة عالية؛ درجات H تقلل المرونة مقابل زيادة القوة
الصلادة (HB)	~30–70 HB	~60–100 HB	تتدرج الصلادة حسب درجة التصلب والتلدين

تختلف القيم الميكانيكية المحددة أعلاه حسب مسار التصنيع، التعرض الحراري السابق، وشكل المنتج؛ لذا يجب استخدام بيانات اختبار المصنع المعتمدة للدفعة الموردة عند تصميم المكونات. عند الحاجة إلى مكونات حرجة تعباً، يُنصح بتحديد معالجات ما بعد التصنيع مثل الترصيع السطحي (shot peening)، التشطيب السطحي، أو الأكسدة لتحسين مقاومة بدء العيوب السطحية وزيادة العمر الافتراضي.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.66 جم/سم³	شائعة في سبائك Al-Mg؛ أقل قليلاً من بعض أنواع Al-Zn أو Al-Cu
نطاق الذوبان	~590–640 °C	نطاق الصهر يعتمد على التركيب والشوائب
الموصلية الحرارية	~120–140 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنه لا يزال مرتفعاً لهياكل تبديد الحرارة
الموصلية الكهربائية	~30–36 %IACS	منخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب إضافة الماغنيسيوم وعناصر سببية أخرى
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K	قريبة من قيم سبائك الألومنيوم الشائعة
معامل التمدد الحراري	~23–24 µm/m·K (من 20 إلى 100 °C)	معامل التمدد الحراري النموذجي لسبائك الألومنيوم

تجعل الموصلية الحرارية والكهربائية لـ 5183 منها مناسبة لتوزيع الحرارة وبعض التطبيقات الكهربائية التي تتطلب قوة ميكانيكية أعلى من الألومنيوم النقي. تجمع المعادلة بين الموصلية الحرارية العالية نسبياً وقابلية التشكيل الجيدة تسمح باستخدامها في لوحات المبادلات الحرارية والحوامل التي تتعرض لبيئات بحرية أو تآكلية.

يجب على المصممين مراعاة معامل التمدد الحراري المرتفع نسبياً عند دمج 5183 مع مواد مختلفة لتجنب تراكم الإجهادات الحرارية أثناء تغير درجات الحرارة في الخدمة. كما أن نطاق الذوبان مهم للحام والتعرض للدورات الحرارية، حيث يؤدي الذوبان وإعادة التصلب أثناء اللحام إلى تغير محلي في البنية الميكروية والخصائص الميكانيكية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التنعيمات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6 mm	متجانس عبر السماكة؛ مناسب للطباعة والطمبعة	O, H111, H14, H116	متوفر على نطاق واسع؛ يستخدم في أغطية هيكل السيارات وألواح التطبيقات البحرية
صفائح	6–200+ mm	تشكل أقل قابلية؛ يدعم مقاطع إنشائية سميكة	O, H112, H116	صفائح سماكة ثقيلة لهياكل القوارب، والأسطح، وأوعية الضغط
البثق	مقطع عرضي 2–200 mm	تتأثر القوة بشكل الملف الشخصي والتشويه بعد البثق	O, H32, H116	الاتجاه الطولي يستفيد من عمل البثق؛ يمكن تصنيع مقاطع معقدة
أنابيب	أقطار خارجية نموذجية 6–300 mm	القوة مشابهة للألواح في الأنابيب ذات الجدران الرقيقة	O, H111	تستخدم في التوصيلات، الأنابيب الإنشائية، ومبادلات الحرارة
قضبان/أعمدة	أقطار 5–200 mm	المقاطع الصلبة تحقق القوة بالمعالجة الباردة	O, H14, H24	تستخدم في المشابك، التركيبات، والمكونات الميكانيكية

تؤثر طرق التصنيع على التفاوت الميكانيكي والضغوط المتبقية؛ تستمد الألواح والصفائح خواصها من تاريخ الدرفلة، بينما تجمع عمليات البثق بين تركيب السبيكة وشكل القالب ومعدل التبريد. غالبًا ما تُورد الصفائح السميكة بتركيب حبيبي وتنعيم محسوب لتجنب التقشّر وضمان متانة كافية للكسر في التطبيقات البحرية والتبريد العميق.

يجب مراعاة التصنيع اللاحق (الشد، الانحناء، اللحام) وأحمال الخدمة عند الاختيار بين الألواح والصفائح والبثق؛ على سبيل المثال، تقلل المقاطع المعقدة المبثوقة الحاجة إلى اللحام لكنها قد تكون أكثر تكلفة لكل وحدة مقارنة بالمنتجات المسطحة المدرفلة. يجب تحديد نوعية السطح والمعالجات المسبقة مثل تأكسيد الأنود أو الطلاء التحويلي لتحسين مقاومة التآكل والتصاق الطلاء.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5183	الولايات المتحدة الأمريكية	تعيين جمعية الألومنيوم؛ مستخدمة على نطاق واسع في أمريكا الشمالية
EN AW	5183	أوروبا	EN AW-5183 تستخدم بالتبادل غالبًا، لكن التركيبات/التفاوتات وفق EN قد تختلف قليلاً
JIS	A5183	اليابان	تتلاءم معايير JIS مع ممارسات التصنيع المحلية كيميائيًا
GB/T	5183	الصين	توجد معايير صينية مكافئة مع محتوى Mg مشابه لكن قد توجد اختلافات في حدود الشوائب

تعد تسميات الدرجات المكافئة متوافقة اسميًا، لكن قد توجد اختلافات دقيقة في حدود الشوائب، البنية المجهرية المقبولة، وتصنيفات التنعيم بين المعايير. يجب على المشترين مراجعة شهادات المصنع ومواصفات الطلب بدلاً من الاعتماد فقط على اسم الدرجة، خصوصًا للتطبيقات الحيوية مثل تصنيع هياكل السفن أو أوعية الضغط.

قد تفضل الممارسات الإقليمية تنعيمات معينة أو مواصفات إضافية (مثل H116 للخدمة البحرية)، لذا يُنصح بالتحقق من معايير القبول الكيميائية والميكانيكية وطلب تقارير اختبار لتأكيد المطابقة للمعيار المقصود.

مقاومة التآكل

تتميز 5183 بمقاومة قوية للتآكل العام والمحلي في البيئات الجوية ومياه البحر، وهو سبب رئيسي لاختيارها في التطبيقات البحرية. يوفر محتوى Mg المرتفع نسبيًا طبقة أكسيد واقية ومتماسكة وتحسن مقاومة التنخر مقارنةً بسبيكات منخفضة Mg، بينما تساعد إضافات الكروم في التحكم بحساسية التآكل الحبيبي والتقشّر. في البيئات الغنية بالكلوريد، تقلل الشوائب المُراقبة بعناية والتنعيم المناسب (مثل H116) من خطر التآكل النشط، مع أن الأضرار السطحية والصيانة السيئة قد تؤدي إلى التنخر.

فيما يخص تشقق التآكل تحت الإجهاد (SCC)، قد تكون سبائك سلسلة 5xxx التي تحتوي على أكثر من ~3% Mg معرضة تحت إجهاد شد مستمر ودرجات حرارة مرتفعة؛ إلا أن 5183 قد تم تحسينها بعناصر مثبتة وضبط التنعيم لتقليل SCC في الظروف البحرية النموذجية. مع ذلك، يجب تجنب الإجهادات الشد العالية المستمرة في بيئات الكلوريد الدافئة، واستخدام الحماية الكاثودية أو الطلاءات الوقائية عند الضرورة. التآكل بالتقشير عادة ما يكون منخفضًا في 5183 مقارنةً بسبيكات 7xxx ذات الزنك العالي أو المعالجة الباردة.

يجب مراعاة التفاعلات الكهروكيميائية عند وصل 5183 مع معادن مختلفة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك النحاس. عند التوصيل الكهربائي في بيئة كلوريد، يصبح الألمنيوم أنوديًا ويتآكل بشكل تفضيلي إلا إذا كان معزولًا بمواد عازلة أو حماية فدية. مقارنة بسبيكات سلسلة 6xxx (Al-Mg-Si)، تتمتع 5183 بمقاومة أفضل لمياه البحر لكنها عادةً تقل عن قوة الشد القصوى؛ مقارنة بالألمنيوم النقي (1100)، تقدم 5183 قوة ميكانيكية أكبر بشكل كبير وتحملًا بحريًا أفضل على حساب بعض الموصلية الكهربائية والحرارية.

خواص التصنيع

القابلية للحام

تُلحم 5183 بسهولة بعمليات اللحام الانصهارية الشائعة مثل TIG (GTAW)، MIG (GMAW)، واللحام القوسي المغمور، وتستجيب جيدًا لتقنيات الحماية الغازية. تضم سبائك الحشو الشائعة 5356 و5183؛ يستخدم 5356 (Al-Mg) بشكل متكرر لتوفير قوة ومطيلية جيدة في منطقة اللحام والتحكم في المسامية. خطورة التشقق الحراري في 5183 منخفضة نسبيًا مقارنة ببعض سبائك الألمنيوم عالية القوة، لكن تصميم مفصل اللحام، النظافة والتحكم في مدخل الحرارة ضروريان لتفادي المسامية وإدارة ترقيق منطقة التأثير الحراري (HAZ).

سهولة التشغيل

تشغيل 5183 متوسط مقارنة بسبائك الألمنيوم المصلبة بسهولة التشغيل؛ تمُر بعملية أفضل من العديد من سبائك Al-Cu عالية القوة أو بعض سبائك Al-Zn لكنها أقل من سلسلة 6xxx في بعض ظروف القطع. يُنصح باستخدام تجهيزات صلبة، أدوات كربيد ذات زاوية تراكب إيجابية، ودورات تقطيع متقطعة لتجنب تراكم الرؤوس وتشويه السطح. يجب استخدام سرعات قطع وتغذية محافظة مقارنة بسلسلة 6xxx، ويساعد التشحيم والتبريد في إخراج الرقاقة وطول عمر الأدوات.

قابلية التشكيل

تتميز 5183 بقابلية تشكيل ممتازة في التنعم O وتبقى جيدة في التنعيمات الخفيفة مثل H111 وH14، مما يسمح بالعمليات العميقة للرسم، الثني والدوران المعهودة في الألواح البحرية وأجسام النقل. تعتمد أقل نصف قطر للثني على التنعيم والسماكة؛ بالنسبة للألواح في حالة O، يمكن عمل انحناءات ضيقة (r/t < 1–2)، بينما تتطلب حالات التنعيم H أنصاف أقطار أكبر وربما تحتاج إلى التلدين الوسيط. للعمليات التشكيلية الشديدة، يُنصح بتحديد مادة مستلدنة والتحكم في خاصية الارتداد من خلال تصميم الأدوات ومعايير العملية.

سلوك المعالجة الحرارية

5183 هي سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية تعتمد خواصها الميكانيكية على المعالجة الباردة (تصلب الإجهاد) ويمكن تعديلها بالتلدين أو التعرض الحراري المحكوم. لا تنتج عمليات المعالجة الحرارية مثل المعالجة بالذوبان والشيخوخة المستخدمة في السبيكات القابلة للمعالجة نفس آليات التقوية في 5183، لذلك لا يتوقع المصممون استجابات مشابهة لT6. بدلاً من ذلك، يلين التلدين (حالة O) المادة لأقل قوة وأقصى مطيلية؛ تنتج المعالجة الباردة المحكومة تنعيمات H بقوى خضوع وشد أعلى.

يمكن لدورات الحرارة أثناء اللحام أو التشكيل الساخن أن تلين جزئيًا التنعمات المتصلدة بالإجهاد وتسبب ترقيقًا موضعيًا في منطقة التأثير الحراري (HAZ). لأن ما من تصلب بفعل الترسيب لاستعادته، لا يمكن استعادة القوة المفقودة بسبب الشيخوخة الزائدة أو التلدين إلا من خلال التشديد الميكانيكي. تُستخدم تنعيمات مستقرة (مثل H116) للحد من تغيرات الخاصية أثناء الخدمة واللحام بجمع تصلب الإجهاد المحكوم مع التثبيت الحراري لتقليل حساسية تشقق التآكل وتغير الخواص.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

عند درجات حرارة مرتفعة، تنخفض مقاومة الخضوع ومقاومة الشد في 5183 مع تقلص تقوية محلول Mg وتسارع عمليات الاستعادة. عادةً ما تقتصر درجات الحرارة التشغيلية المستمرة العملية على حوالي 100–150 °C لتطبيقات تحمل الأحمال؛ ويقلل التعرض طويل الأمد لدرجات حرارة أعلى من القدرات الميكانيكية ويزيد من معدلات الزحف. أكسدة الألمنيوم قليلة مقارنة بالسبائك الحديدية، لكن يمكن أن يحدث تقشر السطح وفقدان السلامة الميكانيكية بسبب ضعف حدود الحبيبات عند التعرض المستمر للحرارة العالية.

تكون منطقة التأثير الحراري (HAZ) الناتجة عن اللحام حساسة بشكل خاص لأن درجات الحرارة المحلية تقترب من نقط الانصهار وتتسبب في تغييرات مجهرية؛ يجب على المصممين تجنب الظروف التشغيلية التي تجمع بين درجات الحرارة المرتفعة وإجهادات شد مستمرة عالية في بيئات الكلوريد لتقليل خطر SCC. للتعرضات المؤقتة لدرجات حرارة مرتفعة، يُنصح باستخدام مقاطع أكثر سمكًا، تصاميم تخفيف الإجهاد، وطلاءات واقية للحفاظ على الأداء طويل الأمد.

التطبيقات

الصناعة	مكون المثال	سبب استخدام 5183
البحرية	ألواح الهيكل، الأسطح، الحواجز	مقاومة ممتازة لتآكل مياه البحر وقوة جيدة بالنسبة للوزن
السيارات والنقل	أرضيات المقطورات، الألواح الهيكلية	قابلية جيدة للتشكيل ومقاومة لأملاح نزع التجمد على الطرق
الفضاء والدفاع	الهياكل الثانوية، الألواح، التركيبات	قوة، متانة، وقابلية للّحام مناسبة للتجميعات الكبيرة المصنعة
أوعية الضغط / التبريد العميق	خزانات الغاز المسال، أوعية التبريد العميق	متانة جيدة في درجات الحرارة المنخفضة وقابلية للّحام
الإلكترونيات / إدارة الحرارة	الحاويات، الهيكل الخارجي	موصلية حرارية عالية مع مقاومة للتآكل

يجمع سبيكة 5183 بين القوة المتوسطة إلى العالية، وقابلية اللحام، ومقاومة التآكل بدرجة بحرية مما يحافظ على استخدامها الواسع في الهياكل والمكونات التي تعمل في بيئات قاسية. تناسبها الخاص للبناء الملحوم والتصنيعي وللأجزاء التي تتطلب كلاً من الليونة