الألومنيوم 5450: التركيب، الخصائص، دليل الحالة الحرارية، والتطبيقات

نظرة شاملة

5450 هو عضو في سلسلة سبائك الألومنيوم 5xxx، وهي عائلة تتميز بإضافة المغنيسيوم كعنصر سبائكي رئيسي. تعد سبائك سلسلة 5xxx غير قابلة للمعالجة الحرارية وتكمن قوتها العالية أساساً في تقوية محلول صلب بواسطة المغنيسيوم وفي تقسية الإجهاد حيثما ينطبق ذلك.

العناصر السبائكية الرئيسية في 5450 هي المغنيسيوم (بنسبة تقريبية في النطاق المتوسط إلى العالي منفردة الأرقام بالوزن) مع ضبط محتوى المنغنيز والحديد وكميات ضئيلة من النحاس (Cu) والسيليكون (Si) والزنك (Zn) والكروم (Cr) لتعديل القوة، وبنية الحبوب، وسلوك التآكل. آلية التقوية غير قابلة للمعالجة الحرارية: تُكتسب القوة من المغنيسيوم في محلول صلب ومن خلال التشغيل البارد الميكانيكي؛ ولا يُستخدم التقدم الاصطناعي لزيادة أقصى قوة.

من الصفات الرئيسية لسبائك 5450 مزيج من القوة المرتفعة نسبياً لسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، ومقاومة جيدة للتآكل العام (خاصة في الأجواء والمناطق البحرية المعتدلة)، وقابلية لحام ممتازة باستخدام سبائك حشو الألومنيوم النموذجية، وقابلية تشكيل جيدة في الحالة المعالجة. تجعل هذه الخصائص 5450 جذابة للتطبيقات الهيكلية التي يجب أن توازن بين نسبة القوة إلى الوزن، مقاومة التآكل، وقابلية اللحام.

تشمل الصناعات النموذجية التي تستخدم سبائك من هذا الصنف بناء السفن والهياكل البحرية، ومكونات السيارات والنقل، وأوعية الضغط، وبعض الهياكل الثانوية في الطيران. يختار المهندسون 5450 بدلاً من سبائك أخرى عندما تكون قوة الحالة المصنعية العالية والأداء المتفوق للحام والطلاء مطلوبة بدون تكاليف وتشوهات المعالجات الحرارية.

الأنواع الحرارية

النوع الحراري	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع	ممتاز	ممتاز	مُعالج بالكامل بالتليين، الأفضل للتشكيل والرسم العميق
H111	منخفض–متوسط	مرتفع	جيد جداً	جيد جداً	تقسية إجهاد بسيطة وغير محددة؛ يحتفظ بقابلية تشكيل جيدة
H14	متوسط	متوسط	جيد	جيد جداً	نصف مقسى؛ شائع لتطبيقات الألواح التي تحتاج لقوة معتدلة
H22	متوسط	متوسط	جيد	جيد جداً	مقسى بالإجهاد ومستقر بمعالجة حرارية لتحسين الثبات
H32	متوسط–مرتفع	متوسط	جيد إلى عادل	جيد جداً	مقسى بالإجهاد ومستقر؛ يستخدم على نطاق واسع للألواح الهيكلية
H34	مرتفع	منخفض	عادل–ضعيف	جيد جداً	حالة صلابة كاملة تستخدم حيث يقبل صلابة عالية مع دكتيلية منخفضة

يؤثر النوع الحراري المختار لسبائك 5450 بشكل كبير على السلوك الميكانيكي وسلوك التشكيل؛ حيث يحقق النوع المعالج بالتليين O أعلى دكتيلية ويمكّن من تشكيل معقد، بينما تقايض أنواع H الدكتيلية مقابل قيم أعلى لمقاومة الخضوع ومقاومة الشد. يؤثر الثبات خلال المعالجة، ومنها مقاومة استرخاء الإجهاد وتغيرات النوع الحراري في منطقة التأثير الحراري عند اللحام، على التعيين H المحدد وأي معالجات تثبيت تم تطبيقها.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق بالنسبة المئوية	ملاحظات
Si	≤ 0.40	مزيل للأكسدة وموازن للقوة؛ يُحافظ على محتوى منخفض للحفاظ على مقاومة التآكل
Fe	≤ 0.50	عنصر شوائب؛ قد يشكل مركبات بينية تؤثر على قابلية التشكيل عند ارتفاعه
Mn	0.2–1.0	يُحسن بنية الحبوب ويعزز القوة ومقاومة إعادة التبلور
Mg	3.5–5.5	العنصر الأساسي للتقوية؛ يتحكم في تقوية المحلول الصلب وسلوك التآكل
Cu	≤ 0.25	إضافات صغيرة تزيد القوة لكنها قد تقلل مقاومة التآكل عند المستويات العالية
Zn	≤ 0.25	يُحافظ على محتوى منخفض لتقليل القابلية للتآكل الكلفاني والمحلي
Cr	0.05–0.25	يتحكم في بنية الحبوب ويحسن مقاومة تآكل حدود الحبوب
Ti	≤ 0.15	مُكرر للحبوب لمواد الصب أو المدادة؛ عادةً بقايا في السبائك المشغولة
أخرى	باقي Al، شوائب أثرية	إضافات قليلة وبقايا يتم التحكم بها لتحقيق متطلبات القوة ومقاومة التآكل

تم ضبط التركيب الكيميائي بحيث يوفر المغنيسيوم آلية القوة الرئيسية بينما يتحكم المنغنيز وكميات ضئيلة من الكروم في حجم الحبوب، وسلوك إعادة التبلور، والمتانة. يتم الحفاظ على مستويات منخفضة من السيليكون والحديد والنحاس لمنع تشكل جسيمات بينية هشة وللحفاظ على قابلية التشكيل ومقاومة التآكل. يختلف نطاق التركيب الدقيق بين الموردين والمعايير لكن تأثير المغنيسيوم والمنغنيز هو المحوري في أداء 5450.

الخصائص الميكانيكية

يعتمد سلوك الشد لسبائك 5450 بشكل كبير على النوع الحراري. في الحالة المعالجة بالتليين، تظهر مقاومة خضوع ومقاومة شد منخفضة نسبياً مع استطالة منتظمة عالية تناسب العمليات التشكيلية الشديدة. في الأنواع المقسية بالإجهاد، تزيد مقاومة الخضوع بشكل كبير بينما ينخفض المدى الكلي للاستطالة، مما يوفر صلابة مفيدة للمكونات الهيكلية.

تعتمد مقاومة الخضوع ومقاومة الشد على محتوى المغنيسيوم ومستوى التشغيل البارد؛ فسبائك H النموذجية المستخدمة للألواح الهيكلية تقدم مقاومة خضوع أعلى بكثير مقارنة بالمادة المعالجة بالتليين ولكن تظهر ظواهر نقطة الخضوع المحددة وقدرة محدودة على التقسية بالإجهاد أثناء التشكيل اللاحق. تتبع الصلادة نفس الاتجاه، حيث ترتفع مع زيادة التشغيل البارد وتثبت مع أي معالجة حرارية للتثبيت.

يستفيد الأداء في مقاومة الإجهاد المتكرر من بنية دقيقة نظيفة وتحكم جيد في حالة السطح؛ وتكون مقاومة الإجهاد أعلى في الأنواع المقسية بالإجهاد لكنها حساسة للحامات والتجاويف التي تولد تركيزات إجهاد محلية. تلعب تأثيرات السماكة دوراً مهماً: حيث تتحمل الصفائح الأرفع عمليات تقسية إجهاد أسهل أثناء التصنيع وتظهر قوة أعلى ولكن دكتيلية منخفضة عبر السماكة ونماذج إجهاد متبقية مختلفة بعد اللحام.

الخاصية	O/معالجة تليين	نوع حراري رئيسي (مثلاً H32/H34)	ملاحظات
قوة الشد	~180–260 MPa (نطاق نمطي لعائلة السبائك)	~260–360 MPa (تعتمد على مستوى التشغيل البارد)	القيم تختلف حسب السماكة والنوع الحراري والمصنع؛ قيم نموذجية هندسية
مقاومة الخضوع	~60–150 MPa	~150–320 MPa	تزداد مقاومة الخضوع بشكل كبير مع التشغيل البارد؛ تحديد النوع الحراري يتحكم في الثبات
الاستطالة	~20–35%	~8–18%	الحالة المعالجة بالتليين تعطي أعلى استطالة؛ أنواع H تقلل الدكتيلية
الصلادة	HB 30–55	HB 60–120	الصلادة تزداد مع التشغيل البارد وتعكس تاريخ التقسية بالإجهاد

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.66 جم/سم³	نمطية لسبائك Al-Mg؛ أعلى قليلاً من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية
مدى الانصهار	~570–650 °C	نطاق الصلادة–السوائل يعتمد على التركيب الدقيق والمكونّات الثانوية
التوصيل الحراري	~120–160 واط/م·ك	أقل من الألومنيوم النقي لكن جيد لتبديد الحرارة في المكونات الهيكلية
التوصيل الكهربائي	~30–40 % IACS	منخفض مقارنةً بالألومنيوم النقي بسبب المغنيسيوم والسبائك؛ يؤثر على تطبيقات EMI والموصلات
السعة الحرارية النوعية	~880–910 جول/كجم·ك	مقاربة للألومنيوم النقي؛ مفيدة لحساب الكتلة الحرارية
مُعامل التمدد الحراري	~23–24 ميكرومتر/م·ك (20–100 °C)	مماثل لمعظم سبائك الألومنيوم التجارية؛ مهم لحساب تفاوت التمدد الحراري مع المواد المختلفة

تضع مجموعة الخصائص الفيزيائية 5450 بين سبائك الألومنيوم التي تقدم نسبة قوة إلى وزن جيدة مع الحفاظ على خصائص حرارية وكهربائية مفيدة. يجب على المصممين مراعاة معامل التمدد الحراري العالي نسبياً عند الإلتحام مع مواد مختلفة والنظر في تقليل التوصيل الحراري بالمقارنة مع الألومنيوم النقي لتطبيقات المبدد الحراري أو إدارة الحرارة. كما أن الكثافة والسعة الحرارية النوعية مفيدان للهياكل الخفيفة الوزن التي تحتاج إلى كتلة حرارية أيضاً.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المقاومة	التقسية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6 mm	جيد في التقسيات H؛ مخدد للطي العميق	O, H14, H32, H34	الشكل الأكثر شيوعًا؛ يُستخدم لللوحات والمكونات المشكّلة
صفائح	6–150 mm	تقل المقاومة مع زيادة السماكة لنفس التقسية	O, H111, H32 (محدود)	الأقسام السميكة تتطلب تحكمًا في مادة المدخلات المسبوكة/المفردة وتاريخ المعالجة الحرارية
بثق	قسيمات حتى مقاطع عرضية كبيرة	تعتمد المقاومة على التبريد والعمل البارد اللاحق	O (للتشكيل)، H112 (بعض الاستقرار)	تُستخدم للأعضاء الهيكلية والهياكل؛ يجب تعديل السبائك لتناسب مادة البثق
أنابيب	القُطر وسماكة الجدار حسب التطبيق	ملحومة أو بدون لحام؛ الخصائص الميكانيكية تتأثر بالمعالجة	O, H32	شائعة في التطبيقات الميكانيكية ومعالجة السوائل؛ اللحامات تغير الخصائص المحلية
قضبان/عصي	أقطار حتى 200 mm	التحمل بالتشكيل البارد ينتج مقاومات عالية في القضبان المسحوبة	O, H14, H34	تُستخدم للمكونات المشغّلة، والربط، والأجزاء التي تتطلب صلابة أعلى

اختيار شكل المنتج يؤثر على البنية الدقيقة، تجانس المقاومة، وخطوات التصنيع. الألواح والصفائح تُلف ويمكن أن تخضع لعملية التلدين أو الاستقرار بعد اللف لضبط الخصائص، أما البثوق والأشكال المزورة فتتطلب مراقبة دقيقة لتركيب المسبوك وتاريخ المعالجة الحرارية لتجنب الأكاسيد السطحية وضمان الاستقرار الأبعادي. تؤثر قابلية اللحام وخصائص ما بعد اللحام على الشكل — حيث تميل الصفائح السميكة إلى إظهار ضعف الاستقرار في منطقة تأثير الحرارة (HAZ) وقد تتطلب استقرار ميكانيكي أو حراري بعد اللحام.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5450	الولايات المتحدة	تسمية سبائك مُشكّلة في النظام الأمريكي
EN AW	5450	أوروبا	تسمية أوروبية شائعة؛ قد تختلف المتطلبات الكيميائية والميكانيكية بحسب المواصفة
JIS	A5450 (تقريباً)	اليابان	المعايير المحلية قد تشير إلى عائلات سبائك ألمنيوم-مغنيسيوم مماثلة مع سماحيات إقليمية
GB/T	5450 (تقريباً)	الصين	توفر المعايير الصينية تركيبات مكافئة لكن يجب مراجعة المواصفات المحلية للنطاقات الدقيقة

المعادلة المباشرة بين المعايير يمكن أن تكون تقريبية لأن المعايير الإقليمية غالبًا ما تسمح بتحملات مختلفة للملوثات، اختبارات الخصائص الميكانيكية وأشكال المنتج. يجب على المهندسين مقارنة جداول التركيب الكيميائي والميكانيكي الكاملة في المواصفات ذات الصلة والتحقق من شهادات المدولّب للبلاطات أو الألواح لضمان قابلية التبادل في التطبيقات الحرجة.

مقاومة التآكل

تتمتع سبائك 5450 بمقاومة جيدة للتآكل الجوي العامة بفضل طبقة أكسيد الألمنيوم الحمائية وتوازن السبائك الذي يقاوم الحفر. في البيئات البحرية وذات المحتوى الكلوري، تكون السبائك قوية بشكل عام، لا سيما مع الحماية بالطلاءات أو الأنودة، لكن يمكن أن تحدث هجمات موضعية عند اللحامات أو مواقع الربط أو الخدوش إذا لم تُعالج الأسطح بشكل جيد.

تتأثر قابلية التشقق بالتآكل الإجهادي (SCC) بمحتوى المغنيسيوم والتقسية؛ سبائك عائلة 5xxx التي تحتوي على أكثر من حوالي 3.5% Mg يمكن أن تظهر SCC في تقسيات الشد العالي أو المحسّسة تحت إجهاد شد مستمر في بيئات حامضية. اللحام يسبب منطقة تأثير حرارة (HAZ) ملينة في العديد من التقسيات المشدودة، مما قد يقلل من مقاومة التآكل المحلية والأداء الميكانيكي إذا لم يؤخذ في الحسبان.

التفاعلات الجلفانية تتبع سلوك الألمنيوم النموذجي: 5450 يكون أنوديًا مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النحاس، لذا يجب تجنب التلامس المباشر دون مواد عازلة أو حماية تضحية. بالمقارنة مع سلسلتي 6xxx و7xxx، يقدّم 5450 مقاومة تآكل عامة أفضل وقابلية لحام أعلى، لكنه أقل قوة نهائية من سبائك 6xxx أو 7xxx المعالجة بالتقسية المثلى؛ بالمقارنة مع سلسلة 3xxx يوفر قوة أعلى بشكل ملحوظ مع قابلية تشكل مماثلة أو منخفضة قليلاً.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

5450 مناسب جدًا لعمليات اللحام الانصهاري الشائعة مثل MIG (GMAW) و TIG (GTAW)، حيث يُظهر سلوك حمام لحام جيد وميلاً منخفضًا للتشقق الحار عند استخدام المواد المملوءة والمعلمات الصحيحة. سبائك الحشو النموذجية لأعضاء عائلة 5xxx الملحومة تشمل ER5183 و ER5356، المختارة لمطابقة المقاومة، وسلوك التآكل وللسيطرة على امتصاص الهيدروجين؛ يُفضل ER5356 عادة للوصلات الجمالية والأسطح المؤكسدة. ترقيق منطقة تأثير الحرارة (HAZ) يشكل مشكلة عملية في التقسيات المشدودة ويجب على المصممين مراعاة تصميم التوصيل واستقرار ما قبل/بعد اللحام واستراتيجيات التقوية بعد اللحام المحتملة.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل للسبائك 5450 متوسطة إلى جيدة؛ مثل العديد من سبائك الألمنيوم والمغنيسيوم، قد تكون لزجة وتنتج رقائق متصلة ما لم تُستخدم فكّات رقائق أو استراتيجيات انقطاع. يُنصح باستخدام أدوات كربيد ذات زاوية قطع إيجابية وهندسات حادة مع سرعات قطع معتدلة وتبريد بالغ لتجنب تكون الحافة المتراكمة والسيطرة على الحرارة. جودة السطح ودقة الأبعاد جيدة عمومًا عند اختيار تغذية وأدوات مناسبة لدكتيلية السبيكة.

قابلية التشكيل

أفضل أداء في التشكيل يكون عند التقسية المخددة (O) حيث يمكن تحقيق نصف أقطار ثني صغيرة وعمليات سحب عميقة. في التقسيات H، يجب زيادة نصف أقطار الثني ويجب مراعاة التقليل في الاستطالة وسلوك الرجوع المرن؛ نصف أقطار الثني الداخلية النموذجية لتقسيات H14–H32 تتراوح حوالي 1–2× سمك المادة حسب الأدوات وأبعاد القطعة. إذا طلب تشكل كبير بعد اللحام أو العمل البارد، يمكن أن يعاد التلدين الوسيط لاستعادة الدكتيلية ويجب تضمينه في سير العمل.

سلوك المعالجة الحرارية

5450 هو سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ لا تتحسن الخصائص الميكانيكية بشكل ملموس من خلال المعالجة التقليدية بالترسيب والشيخوخة الاصطناعية. يتم التقوية بواسطة حل المغنيسيوم في المادة والعمل البارد حيثما كان ذلك ممكنًا. تُجرى عملية التلدين (تليين كامل إلى تقسية O) بالتسخين إلى درجات حرارة مناسبة لتقليل الإجهادات المتبقية واسترجاع الدكتيلية؛ دورات التلدين تعتمد على السماكة وشكل المنتج.

يمكن تطبيق الاستقرار الحراري (مثل المعالجة منخفضة الحرارة المحكومة أو التعرضات الحرارية الخفيفة) لتثبيت تقسيات H ضد الشيخوخة الناتجة عن الإجهاد ولتقليل مدى التليين أثناء الخدمة أو اللحام. محاولات تطبيق معالجات حرارية من نوع T (الخاصة بالسبائك المعالجة بالترسيب) لن تحقق أقصى مقاومة مثل سبائك 6xxx أو 7xxx في 5450، لذلك لا تُستخدم كطريقة تقوية.

الأداء في درجات الحرارة العالية

كما هو الحال مع معظم سبائك الألمنيوم، يظهر 5450 فقدان قوة تدريجي مع ارتفاع درجة الحرارة؛ عادة ما يقتصر الخدمة المستمرة على أقل بكثير من 200 °C لتجنب انخفاضات كبيرة في مقاومة الخضوع ومقاومة الزحف. في العديد من التطبيقات الهيكلية يتم اختيار درجة حرارة تشغيل عليا محافظة ضمن نطاق 100–150 °C للحفاظ على هوامش ميكانيكية مناسبة.

يُقيد التأكسد في درجات الحرارة المرتفعة بواسطة طبقة الألومينا الحامية، لكن التعرضات الطويلة في درجات حرارة مرتفعة يمكن أن تغير البنية الدقيقة بالقرب من حدود الحبيبات وتسارع ظواهر التآكل الموضعي في بيئات عدوانية. منطقة تأثير حرارة اللحام والمناطق المعالجة ببارد سابقًا حساسة بشكل خاص للتغيرات الحرارية ويجب تقييمها لتدهور الخصائص ضمن ملف الخدمة الحرارية المتوقع.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	لماذا يُستخدم 5450
السيارات والنقل	تعزيزات هيكلية، مكونات إدارة الاصطدام	مزيج من مقاومة أعلى للحالة المصنعية وقابلية لحام جيدة للتجميعات الملحومة
البحري	ألواح الهيكل، هياكل السطح، الحوامل	مقاومة جيدة للتآكل في بيئات المياه المالحة وتوافق عالي مع المسامير واللحام
الفضاء (ثانوي)	وصلات، ألواح وصول، عناصر نظام الأرضية	نسبة قوة إلى وزن مفضلة وخصائص تصنيع جيدة للهياكل غير الأساسية
أوعية الضغط والخزانات	أصداف الخزانات، الوصلات	توازن بين القوة والدكتيلية مع قابلية لحام جيدة للأجزاء الملحومة المضغوطة
الإلكترونيات وإدارة الحرارة	حوامل، أغطية تحتاج نشر حرارة	موصلية حرارية مناسبة مع قوة ميكانيكية أعلى من الألمنيوم النقي

يختار 5450 للمكونات التي تتطلب مقاومة أعلى من السبائك المشدودة تقليديًا دون تأثير جداول المعالجة وتقليل مخاطر التشوه المرتبطة بمعالجات الترسيب. مجموعة خصائصه المتوازنة تمكّن تصنيع أجزاء ملحومة ومشكّلة ومشغّلة في العديد من التطبيقات البحرية والنقل.

نصائح للاختيار

بالنسبة للمهندسين الذين يختارون المواد، يعتبر 5450 خيارًا عمليًا عندما تكون القوة المتوسطة إلى العالية، القابلية الممتازة للحام، ومقاومة التآكل الجيدة مفضلة على أعلى موصلية أو أقصى مقاومة حرارية معالجة حراريًا. بالمقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي مثل 1100، يتنازل 5450 عن الموصلية الكهربائية/الحرارية وسهولة التشكيل مقابل مقاومة شد وخضوع أعلى بكثير.

بالمقارنة مع السبائك المعالجة بتصلب العمل مثل 3003 أو 5052، يقدم 5450 عادة قوة ثابتة أعلى بكثير مع الحفاظ على مقاومة تآكل قابلة للمقارنة؛ والمقابل هو انخفاض قابلية التشكيل في درجات المعالجة الباردة وربما تكلفة مواد أعلى. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، لن يصل 5450 إلى أقصى قوى شد النقطة العليا لكنه يُفضل في كثير من الأحيان عندما تكون قابلية اللحام الممتازة، انخفاض مخاطر التشوه، وأداء مقاومة التآكل البحري الأفضل أكثر أهمية من أقصى قوة شد يمكن تحقيقها.

استخدم 5450 عندما تفضل الأولويات التصميمية التصنيع باللحام، الصلابة في مقاومة التآكل في البيئات الجوية/البحرية، وقوة أساسية أعلى يمكن تعديلها عبر التصلب والتشغيل البارد بدلاً من المعالجة الحرارية.

ملخص ختامي

يبقى 5450 ذا صلة كسبائك ألومنيوم متينة من سلسلة 5xxx تقدم توازنًا مقنعًا بين القوة، مقاومة التآكل، وسهولة التصنيع لتطبيقات هيكلية ملحومة ومشكلة. طبيعته غير القابلة للمعالجة الحرارية تبسط الإنتاج والفحص، مما يجعله خيارًا فعالًا حيثما يُطلب أداء ميكانيكي متكرر بعد التصنيع ومتانة خدمة عالية.