ألمنيوم 5454: التركيب الكيميائي، الخواص، دليل التعديل، والتطبيقات

نظرة شاملة

5454 هو من سبائك الألمنيوم المطروقة ضمن سلسلة 5xxx (Al-Mg)، والتي يتميز فيها المغنيسيوم كعنصر رئيسي في السبائك. غالبًا ما يُشار إليه بـ AlMg3 في التسمية الأوروبية، ويقع ضمن نطاق القوة المتوسط لسبائك المغنيسيوم، حيث يوازن بين الأداء الميكانيكي ومقاومة التآكل الممتازة.

العناصر الرئيسية المضافة هي المغنيسيوم بالإضافة إلى كميات محكمة من المنغنيز لتحسين القوة وبنية الحبوب. 5454 هو سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ حيث يتم تقويتها أساسًا من خلال تقوية المحلول الصلب بواسطة المغنيسيوم وعملية تقسية الإجهاد أثناء تشكيلها على البارد بدلاً من المعالجات الحرارية للتصلب.

الصفات الرئيسية لـ 5454 تشمل مقاومة شد جيدة بالنسبة لسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، مقاومة عالية للتآكل البحري والجوي، قابلية لحام ممتازة بعمليات اللحام بالانصهار الشائعة، وقابلية تشكيل جيدة في حالات التخمير أو المعالجة الطفيفة. تُستخدم هذه السبيكة في صناعات مثل البحرية، النقل، أوعية الضغط، والتصنيع الهيكلي العام حيث تكون مقاومة التآكل والقوة المتوسطة مطلوبة.

يختار المهندسون 5454 بدلًا من سبائك أخرى عندما يحتاجون إلى مزيج من قوة أفضل من الألمنيوم التجاري النقي ومقاومة تآكل أفضل من بعض السبائك الأعلى قوة. غالبًا ما يُفضل حيث تكون قابلية اللحام، أداء ما بعد اللحام، والمتانة في بيئات الكلورايد أهم من الوصول إلى أعلى نسبة قوة إلى وزن متاحة في سبائك المعالجة الحرارية.

متغيرات الحالة الحرارية

الحالة الحرارية	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالية (20–35%)	ممتازة	ممتازة	حالة مخمرة بالكامل لتعظيم اللدونة
H111 / H112	منخفض–متوسط	عالية–متوسطة	جيدة جدًا	ممتازة	مختصرة قليلاً أو معاملة ميكانيكية خفيفة؛ غالبًا ما تُورد لتسهيل التشكيل
H14	متوسط	متوسطة (8–15%)	جيدة	ممتازة	ربع صلابة، شائعة لتطبيقات الألواح مع تحسين القوة
H16	متوسط–عالٍ	مخفضة	مقبولة–جيدة	ممتازة	نصف صلابة، تحقيق توازن بالقوة مقابل فقدان بسيط في اللدونة
H18	عالٍ	منخفضة	محدودة	ممتازة	صلابة كاملة، تُستخدم حيث تكون القوة والصلابة الأعلى مطلوبة
H24	متوسط	متوسطة	جيدة	ممتازة	مشدودة بالإجهاد ومخمّرة جزئيًا؛ توازن بين قابلية التشكيل والقوة
T5 / T6 / T651	غير معتادة	غير معتادة	غير معتادة	غير معتادة	تعيينات حالة حرارية للسبائك المعالجة حرارياً؛ لا تنطبق عادة على 5454

تؤثر الحالة الحرارية بشكل مباشر ومتوقع على خواص 5454 لأنه غير قابل للمعالجة الحرارية. تضمن حالات التخمير (O) أقصى حد من اللدونة ومقاومة التآكل، مما يجعلها الأفضل للعمليات العميقة والثني على البارد الشدة.

كلما زادت تقسية الإجهاد (من H14 إلى H18) تزداد مقاومة الشد ومقاومة الخضوع في حين تنخفض الاستطالة وأداء الانحناء. وبما أن 5454 لا يستجيب لعمليات المعالجة بالذوبان + التعتيق، فإن التحكم في الحالة الحرارية يتم عبر المعالجة الميكانيكية والتخمير المتحكم فيه بدلاً عن معالجات الترسيب.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة %	ملاحظات
Si	≤ 0.30	شوائب؛ تحافظ على انخفاضها للحفاظ على مقاومة التآكل واللدونة
Fe	≤ 0.40	مكون بيني معدني؛ تتحكم فيه للحد من تدهور المتانة
Mn	0.40–1.20	يحسن القوة وبنية الحبوب؛ يساعد في السيطرة على إعادة التبلور
Mg	2.6–3.6	العنصر الرئيسي للتقوية؛ يوفر تقوية عبر المحلول الصلب ومقاومة التآكل
Cu	≤ 0.10	تحافظ على انخفاضه لتجنب تقليل مقاومة التآكل وتأثيرات جلفانية
Zn	≤ 0.20	نسبة قليلة؛ ارتفاع الزنك قد يقلل من مقاومة التآكل
Cr	≤ 0.25	يضاف بكميات صغيرة في بعض الأنواع للتحكم في بنية الحبوب وإعادة التبلور
Ti	≤ 0.15	محسن بنية الحبوب في الأصناف المصبوبة؛ تأثير محدود في المنتجات المطروقة
عناصر أخرى	≤ 0.15 لكل منها، ≤ 0.35 إجمالي	بواقي وإضافات أثرية؛ تتحكم للحفاظ على خواص السبيكة

محتوى المغنيسيوم المرتفع نسبيًا (حوالي 3 وزن %) هو العامل المسيطر على السلوك الميكانيكي ومقاومة التآكل لـ 5454. إضافات المنغنيز معتدلة ومقصودة؛ فهي تساعد في تعويض ضعف حدود الحبوب وتساهم في القوة دون الإضرار بمقاومة التآكل. تحافظ نسب النحاس والسيليكون المنخفضة على طبقة الأكسيد المتكونة طبيعيًا حمائية في الأجواء البحرية والصناعية.

الخواص الميكانيكية

يعرض 5454 مقاومة شد ومقاومة خضوع تتناسب مع سبائك سلسلة 5xxx متوسطة القوة، مع لدونة عالية في حالات التخمير وزيادة تدريجية في القوة مع تقسية الإجهاد. تزداد مقاومة الخضوع بشكل ملحوظ بين حالات التخمير O والصلبة الجزئية / الكاملة مع ارتفاع مقاومة الشد لكنها عادةً ما ترافقها انخفاض أكبر في الاستطالة. تظهر السبيكة متانة جيدة وقدرة امتصاص طاقة مقارنة بالعديد من سبائك الألمنيوم الأعلى قوة والمعالجة حرارياً.

أداء مقاومة التعب مقبول في بيئات خالية من الكلوريد ولكنه حساس لحالة السطح، اللحامات، ومراكز التوتر. تُظهر الوصلات الملحومة عادة تليينًا في منطقة التأثير الحراري (HAZ) مقارنة بالأساس المشدود؛ يجب أخذ ذلك في الاعتبار عند التصميم من خلال تقليل مقاومة الخضوع والحدّ من التعب محليًا. تؤثر السماكة وشكل المنتج على القيم الميكانيكية—حيث تُظهر الألواح السميكة عادة مقاومة خضوع أقل قليلاً بسبب تغايرات البنية المجهرية واحتمالية وجود إجهادات متبقية.

تتبع الصلادة الزيادة مع تقسية الإجهاد؛ فالسبيكة المخمرة لها قيم منخفضة في برينل / فيكرز بينما تصل الحالات H16 – H18 إلى قيم صلادة أعلى بكثير. العلاقة بين الصلادة ومقاومة الشد قوية بما يكفي لفحوصات سريعة على أرض المصنع، ولكن يُنصح بإجراء اختبار شد كامل للمكونات الحساسة والتجميعات الملحومة.

الخاصية	O/مخمرة	الحالة الرئيسية (مثال H16/H18)	ملاحظات
مقاومة الشد (UTS)	~95–150 MPa	~200–310 MPa	نطاق واسع حسب الحالة وشكل المنتج؛ اختلافات بين الألواح والصفح
مقاومة الخضوع (انحراف 0.2%)	~30–70 MPa	~120–240 MPa	تليين منطقة التأثير الحراري للحام قد يقلل من مقاومة الخضوع المحلية في التجميعات الملحومة
الاستطالة (A50 أو A5)	~20–35%	~4–15%	التخمير يعطي أقصى لدونة؛ الصلابة الكاملة تحد من الاستطالة
الصلادة (HB)	~25–45 HB	~60–110 HB	الصلادة ترتبط بمستوى الشغل على البارد ومفيدة لمراقبة العملية

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.66–2.70 g/cm³	قيمة نموذجية لسبائك Al-Mg المطروقة، تستخدم في حساب الكتلة والصلابة
نطاق الانصهار	~590–645 °C	نطاق التصلب والذوبان يتغير بحسب التركيب والمكونات الشائبة
الموصلية الحرارية	~120–150 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي لكنها لا تزال عالية؛ مهمة في التصميم الحراري وتبديد الحرارة
الموصلية الكهربائية	~32–38 %IACS	منخفضة مقارنةً بالألمنيوم النقي بسبب إضافات السبائك
السعة الحرارية النوعية	~880–910 J/kg·K	مفيدة في حسابات الانتقال الحراري وسعة الحرارة
معامل التمدد الحراري	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	معامل تمدد حراري نموذجي لسبائك الألمنيوم

الكثافة والخواص الحرارية تجعل 5454 جذابًا للهياكل التي تهم فيها الكتلة وتبديد الحرارة مثل هياكل السفن البحرية وأنابيب المبادلات الحرارية. الموصلية الحرارية تظل عالية بما يكفي للعديد من مهام إدارة الحرارة، على الرغم من عدم مساواتها مع الألمنيوم النقي أو بعض سبائك 6xxx ذات البنى المجهرية المختلفة.

الموصلية الكهربائية متوسطة؛ لا يُختار 5454 كوحدة موصلة تتطلب موصلية كهربائية عالية (IACS)، لكنه يمكن أن يستخدم حيث يُطلب مزيج من الأداء الميكانيكي ومقاومة التآكل مع موصلية مناسبة. اعتبارات التمدد الحراري قياسية لتصميم الألمنيوم ويجب أخذها في الحسبان في الهياكل المختلطة المواد.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المقاومة	التمبرات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6 mm	متجانسة؛ حساسة لاتجاه الدرفلة	O, H111, H14, H16	تستخدم على نطاق واسع للألواح، الحاويات، والتغليف البحري
صفائح	6–150 mm	مقاومة الخضوع المقاسة أقل قليلاً في المقاطع السميكة	O, H111	تستخدم للمكونات الهيكلية وأجزاء تحمل الضغط
بثق	مقاطع حتى الأحجام الكبيرة	تختلف المقاومة حسب المقطع والتبريد	O, H111, H14	جيدة للأطر الهيكلية والسكك؛ يتطلب التحكم في العملية لتوزيع المغنيسيوم
أنابيب	أقطار تصل إلى عدة مئات من المليمترات	مقاومة محورية وحلقة جيدة عند العمل البارد	O, H16, H18	شائعة للأنابيب البحرية وأنابيب النقل والهيكلية
قضبان/أعمدة	أقطار متنوعة	تجانس عالي في المقطع العرضي	H14–H18	تستخدم في تجهيز القطع، المثبتات، والأجزاء المصنعة

مسار المعالجة وشكل المنتج يغيران السلوك الميكانيكي والتمبرات الممكنة. تستجيب الألواح المدرفلة الرقيقة إلى المتوسطة بشكل متوقع للتصلب عند التشوه والعمليات الحرارية، بينما تحتاج الصفائح السميكة إلى درفلة أكثر عدوانية وتبريد محكم لتحقيق خواص متجانسة.

تتطلب عمليات البثق والأنابيب اهتماماً بتجانس التركيب والتحكم في المسامية الداخلية لأن سبائك المغنيسيوم الغنية قد تظهر تجانساً ضعيفاً في المقاطع السميكة. اختيار التمبر في مرحلة المنتج أساسي لمطابقة عمليات التشكيل ومتطلبات الخدمة النهائية.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5454	الولايات المتحدة الأمريكية	تعيين جمعية الألومنيوم المستخدم غالبًا في المواصفات الأمريكية الشمالية
EN AW	5454	أوروبا	تعيين أوروبي شائع (AlMg3)؛ موحد حسب EN 573/754 للمنتجات المسحوبة
JIS	A5454	اليابان	نسخة المعيار الصناعي الياباني مع محتوى مغنيسيوم ومتطلبات ميكانيكية مماثلة
GB/T	5454	الصين	درجة المعيار الصيني متوافقة مع النطاقات الكيميائية والميكانيكية الدولية

التماثل عبر المعايير قريب عموماً لكنه ليس متطابقاً؛ قد تختلف حدود الشوائب المسموح بها وطرق اختبار الخواص الميكانيكية المحددة. ينبغي للمهندسين مراجعة شهادات المطابع والمعايير الوطنية لحدود الخواص حسب السماكة، التمبرات، ومسارات المعالجة المسموح بها قبل اعتماد المواد نهائياً.

مقاومة التآكل

يمتاز 5454 بمقاومة قوية للتآكل الجوي وهو ملائم بشكل خاص للبيئات البحرية لأن المصفوفة الغنية بالمغنيسيوم تشكل طبقة أكسيد/هيدروكسيد ذاتي الشفاء ومتينة. في الظروف الثابتة الغنية بالكلوريد، قد يحدث تآكل موضعي في حالة تلف الطبقات السطحية أو وجود اقتران كهروكيميائي عدواني، لكن 5454 يظل متفوقاً على العديد من السبائك المحتوية على النحاس في هذه البيئات.

قابلية تشققات التآكل الإجهادي (SCC) في 5454 منخفضة مقارنة بسبائك الألومنيوم عالية القوة، لكنها قد تزداد تحت إجهاد شد في بيئات كلوريد دافئة مع توتر متبقي ناتج عن اللحام. توصي الممارسات التصميمية بتجنب الإجهاد الزائد الشد، التحكم بالتوترات المتبقية الناتجة عن اللحام، واستخدام المعالجات اللاحقة للحام أو الحماية الكاثودية في حالات الخدمة الشديدة.

يجب إدارة التفاعلات الجلفانية عند استخدام 5454 مع معادن أكثر نبالة من الألومنيوم (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، النحاس) خصوصاً في التعرضات البحرية. استخدام مثبتات متوافقة، طبقات عازلة، أو أنودات تلفي يقلل الهجوم الجلفاني ويطيل عمر الخدمة مقارنة بالتزاوجات غير المتحكم بها.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يلحم 5454 بسهولة باستخدام طرق اللحام الشائعة مثل MIG (GMAW) وTIG (GTAW). سبائك الحشو الموصى بها عادة هي ER5356 أو ER5183 للحامات ذات قوة أعلى أو مقاومة تآكل محسنة، مختارة لتطابق تركيب السبائك الأساسية والتحكم في المسامية واللدونة. خطر التشقق الحار منخفض مقارنة ببعض سبائك السلسلتين 2xxx و7xxx، لكن يحدث تليين لمنطقة حرارة التأثير (HAZ) وفقدان التصلب عند التشوه بشكل شائع؛ وينبغي تصميم الهياكل الملحومة لتحمل تقليل مقاومة الخضوع المحلي في منطقة HAZ.

قابلية التشغيل

تشغيل 5454 متوسط إلى مقبول مقارنة بسبائك التشغيل الحر مثل سبائك الألومنيوم-سيليكون المصبوبة؛ هو أسهل في التشغيل من العديد من السبائك المسحوبة عالية القوة لكنه أقل سهولة من الألومنيوم النقي. يُنصح باستخدام أدوات كربيد حادّة أو من الصلب عالي السرعة، معدلات تغذية متوسطة إلى عالية، وسرعات قطع منخفضة مع تبريد وتشحيم جيدين لإدارة الشظايا المستمرة وتجنب الحواف المكتنزة. يتميز السطح النهائي والدقة البُعدية بشكل عام بالجودة إذا ما تم تحسين الأدوات والسرعات لسبائك الألومنيوم.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في الحالة المرخية وتظل جيدة في التمبرات ذات العمل الطفيف؛ تُفضّل عمليات السحب العميق والختم المعقد التمبرات O أو H111. تعتمد نصف أقطار الانحناء الأدنى على التمبر والسماكة؛ الممارسة المعتادة لاستخدام أنصاف أقطار داخلية بين 2–3 مرات السماكة لـ H14/H16 وتصل إلى 1–2 مرة السماكة في الألواح الحاصلة على التليين الكامل. يؤدي العمل البارد إلى زيادة مقاومة الخضوع ومقاومة الشد ولكنه يقلل الإطالة وقد يسبب ارتداد الزنبرك، ويجب مراعاته في تصميم القوالب.

سلوك المعالجة الحرارية

5454 هو سبائك غير قابل للمعالجة الحرارية ولا يستجيب لدورات المعالجة بالحل الحراري والشيخوخة التقليدية المستخدمة لسبائك السلسلتين 6xxx أو 7xxx. لا تؤدي محاولات المعالجة بالحل والشيخوخة إلى إنتاج آليات تقسية الترسيب الفعالة في تلك العائلات القابلة للمعالجة الحرارية.

تُتحكم الخواص الميكانيكية عن طريق تصلب العمل والعمليات الحرارية مثل التليين. درجات حرارة التليين الكامل لسبائك 5xxx المسحوبة عادة تكون في نطاق 300–415 °C حسب شكل المنتج وسماكة المقطع؛ يُستخدم التليين المتحكم به في الأفران والتبريد أو التبريد البطيء لاستعادة اللدونة وتليين المادة.

تُستخدم التليينات المتوسطة أو الجزئية (مثلاً لإنتاج تمبرات H24 أو التمبرات المثبتة) لتحقيق توازن معين بين القوة وقابلية التشكيل. يمكن أن تقلل دورات التثبيت أو تخفيف التوتر منخفضة الحرارة من الإجهادات المتبقية دون تغيير كبير في مقاومة السبائك.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تقل مقاومة 5454 مع زيادة درجة الحرارة وتنخفض بشكل معتدل حتى عند درجات حرارة الخدمة المرتفعة المتوسطة (فوق ~100 °C). يؤدي التعرض الطويل لدرجات حرارة تقارب 150–200 °C إلى تدهور أكبر في الخواص الميكانيكية بسبب الاستعادة والتغيرات الميكروهيكلية، لذا عادة ما تُقيد درجات حرارة الخدمة المستمرة إلى ما دون هذه القيم بشكل كبير.

الأكسدة عند درجات الحرارة العالية ليست مصدر قلق شديد لسبائك الألومنيوم بسبب طبقة الأكسيد الواقية، لكن ارتفاع درجات الحرارة يسرّع نمو الأكسيد وقد يؤثر على التشطيب السطحي والطلاءات. قد تظهر مناطق اللحام ومنطقة حرارة التأثير تلييناً معززاً عند التعرض لدرجات حرارة مرتفعة؛ يجب أن يأخذ التصميم بالاعتبار الزحف والاسترخاء إذا ما وُجدت أحمال ودرجات حرارة مستمرة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 5454
السيارات	خطوط الوقود، الألواح غير الهيكلية للجسم	قابلية تشكيل، لحام، ومقاومة تآكل جيدة
البحرية	تغليف الهيكل، ألواح السوبرستركشر	مقاومة تآكل بحرية ممتازة وقوة إلى وزن مرتفعة
الفضاء الجوي	الهياكل الثانوية، ألواح الوصول	مقاومة تآكل وقوة معقولة للهياكل غير الأساسية
الإلكترونيات	الحاويات، موزعات الحرارة	موصلية حرارية كافية مع متانة ضد التآكل
أوعية الضغط / الخزانات	خزانات التخزين، الأنابيب	قابلية لحام جيدة ومقاومة لمياه البحر والغلاف الجوي الصناعي

يجمع 5454 بين قابلية اللحام، مقاومة التآكل، والقوة المتوسطة مما يجعله خيارًا متعدد الاستخدامات لمختلف الصناعات. يفضّل بشكل خاص للمكونات المعرضة للأجواء التآكلية حيث يلزم توفير مزايا التكلفة والوزن للألومنيوم دون التضحية بمتانة الخدمة.

نصائح اختيار

اختر 5454 عندما تحتاج إلى سبيكة توازن بين مقاومة التآكل، قابلية اللحام، وقوة متوسطة دون الاعتماد على المعالجة الحرارية. هو مناسب بشكل خاص للتطبيقات البحرية، النقل، والتطبيقات الهيكلية العامة حيث تكون متطلبات أداء ما بعد اللحام والمقاومة لبيئات الكلوريد أولوية.

بالمقارنة مع الألومنيوم التجاري النقي (مثل 1100)، يوفر 5454 قوة شد وخضوع أعلى بكثير على حساب تقليل بسيط في الموصلية الكهربائية والحرارية. مقارنةً بالسبائك المجعدة مثل 3003 أو 5052، عادةً ما يقدم 5454 قوة أعلى ومقاومة تآكل بحرية مماثلة أو أفضل، مما يجعله مفضلاً لأستخدامات الألواح الهيكلية والهيكلية للسفن.

بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، لن يحقق 5454 نفس القوة القصوى لكنه يُختار غالبًا عندما تكون مقاومة التآكل المتفوقة، سهولة التصنيع (اللحام دون معالجة حرارية لاحقة)، واللدونة الأفضل في بعض التمبرات أهم من أقصى قوة.

الملخص الختامي

تظل سبائك 5454 ذات صلة وشائعة الاستخدام لأنها توفر تركيبة قوية من مقاومة التآكل، وقابلية اللحام، وأداء ميكانيكي متوسط المستوى دون تعقيد المعالجة الحرارية. تناسبها للبيئات البحرية والبيئات المسببة للتآكل، إلى جانب سلوك التصنيع المتوقع عبر الألواح، واللوحات، والأشكال المسحوبة، يجعلها خيارًا عمليًا للمصممين والمصنعين الباحثين عن حلول ألومنيوم متينة وفعالة من حيث التكلفة.