ألمنيوم A3004: التركيب، الخصائص، دليل التلدين، والتطبيقات

نظرة شاملة

يُعد A3004 من سبائك الألومنيوم من سلسلة 3xxx، وينتمي إلى عائلة Al-Mn حيث يُعتبر المنغنيز العنصر السبائكي الرئيسي. هو سبيكة لا تخضع للمعالجة الحرارية وقابلة للتقسية بالتمدد (strain hardening)، وغالبًا ما تحتوي على إضافات معتدلة من النحاس والسيليكون لزيادة القوة مقارنةً بعائلة 3003 الأساسية. تعتمد آلية التقوية الأساسية على العمل البارد (التقسية بالتمدد) وتأثيرات المحلول الصلب والمواد المتفرقة المدفوعة بالسبائك الدقيقة بدلاً من التقسية بالتراكم. تشمل الخصائص النموذجية أداءً متوسطًا إلى مرتفعًا في الليونة في الحالة المُخمّدة، وزيادة مقاومة الشد عند درجة حرارة الغرفة في الحالات المقسية بالتمدد، ومقاومة جيدة للتآكل العام، وقابلية تقليدية للّحام والتشكيل للألومنيوم.

تُختار سبيكة A3004 من قبل صناعات تتطلب توازنًا بين قابلية التشكيل وقوة أعلى عند العمل البارد مقارنةً بدرجات Al-Mn النقية أو منخفضة السبائك. تشمل القطاعات الشائعة التكسية المعمارية، زعانف المبادلات الحرارية، أواني الطبخ والأجهزة المنزلية، ألواح النقل، وأعمال الصفائح المعدنية العامة التي تحتاج إلى عملية الختم والسحب. يُفضل اختيارها على السبائك الأبسط عندما يتطلب التصميم قوة خضوع وقوة شد إضافية دون التضحية بعمليات التشكيل أو إذا كانت جودة السطح وقابلية الطلاء مهمة. يفضل المهندسون A3004 عندما تتطلب الحاجة إلى سبيكة ذات تكلفة فعالة وقابلة للتشكيل بسهولة مع قوة أفضل من 1100/3003 دون التكاليف المترتبة على معالجة السبائك المعالجة حراريًا.

تتوفر السبيكة بشكل واسع في أشكال الألواح، اللفات، وبعض المنتجات المبثوقة، مما يجعلها عملية للتصنيع عالي الحجم. الأسباب الإنتاجية مثل سهولة العمل البارد، التنبؤ بارتداد الزنبرك، واستقرار التحولات الحرارية أثناء المعالجة تزيد من جاذبيتها للمصممين ومهندسي الإنتاج. يعتمد اختيار المادة عادة على توازن شكل الجزء، طرق التشكيل، ومستويات القوة المطلوبة بعد التشكيل.

أنواع الحالات الحرارية

الحالة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	حالة مُخمّدة بالكامل لتحقيق أقصى ليونة
H14	متوسطة	متوسطة	جيدة جدًا	جيدة جدًا	نصف مقسية، شائعة للتشكيل المتوسط والقوة المعتدلة
H18	عالية	منخفضة	مقبولة	جيدة جدًا	مقسية بالكامل، تُستخدم عند الحاجة إلى قوة وصلابة أعلى
H24	متوسطة إلى عالية	متوسطة	جيدة	جيدة جدًا	ربع لينة (مشكّلة ثم مثبتة حراريًا)، توازن بين التشكيل والقوة النهائية
H26	عالية	منخفضة إلى متوسطة	مقبولة	جيدة جدًا	حالة مع مزيد من التقسية بالتمدد للحصول على مقاومة خضوع أعلى

تتحكم الحالات الحرارية في سلسلة 3xxx بشكل مباشر في التوازن بين القوة وقابلية التشكيل من خلال درجة العمل البارد. حالة التخميد (O) تقدم أفضل قابلية للسحب والاستطالة، بينما الحالات H تزيد تدريجيًا من مقاومة الخضوع والشد على حساب الليونة وقدرة السحب العميق.

عادةً ما يقوم المصنعون بتسلسل عمليات التخميل، ما قبل التشكيل، والعمل البارد النهائي لتحقيق تراكم خصائص مصممة للأجزاء. تتم استخدام الحالات المثبتة حرارياً مثل H24 حيث يلزم التحكم المعتدل في الارتداد الزنبركي ومراحل التشكيل المعتدلة اللاحقة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	0.3 كحد أقصى	عامل إزالة أكسدة ثانوي؛ كميات صغيرة تحسن القابلية للصب وجودة السطح
Fe	0.7 كحد أقصى	شوائب نموذجية؛ تؤثر على بنية الحبوب ويمكن أن تقلل الليونة إذا زادت نسبته
Mn	1.0–1.5	العنصر المقوي الرئيسي في سلسلة 3xxx؛ يحسن استجابة التقسية بالتمدد
Mg	0.10 كحد أقصى	عادة منخفضة؛ كميات أكبر تحول السلوك إلى عائلة 5xxx
Cu	0.2–0.6	رفع القوة وخصائص الشد مقارنةً بـ 3003
Zn	0.25 كحد أقصى	شوائب بسيطة؛ تأثير معتدل على القوة
Cr	0.10 كحد أقصى	إضافة أثرية للتحكم في بنية الحبوب وتحسين استقرار الحالة الحرارية
Ti	0.15 كحد أقصى	مكرر حبيبات في المنتجات المصبوبة والسبائك
عناصر أخرى (بما في ذلك Zr, Be)	0.05 لكل منها، 0.15 كحد أقصى مجتمعة	بقايا وعناصر أثرية؛ الألومنيوم هو العنصر المتبقي

تم تعديل التركيب الكيميائي لـ A3004 لتوفير قوة إضافية في درجة حرارة الغرفة مقارنة بـ 3003 بشكل رئيسي عبر محتوى المنغنيز والإضافة المضبوطة للنحاس. يعمل المنغنيز كعنصر سبائكي بديل يزيد معدل التقسية بالتمدد ويثبّت بنية الحبوب أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية. يعزز النحاس القوة ويخفض قليلاً مقاومة التآكل، لذا يُحدد محتواه للحفاظ على أداء جوي جيد.

تعتبر العناصر الأثرية والحدود المنخفضة للشوائب مهمة لتجنب الهشاشة، والحفاظ على قابلية التشكيل، وضمان سلوك متناسق للصفائح عبر دفعات الإنتاج. الألومنيوم هو العنصر المتبقي ويسيطر على الخصائص الفيزيائية مثل الكثافة والموصلية الحرارية.

الخصائص الميكانيكية

يظهر A3004 سلوك شد تقليدي بتقسية التمدد: حالة التخميد O تُظهر مقاومة خضوع منخفضة واستطالة عالية، في حين تقدم الحالات H زيادة في مقاومة الخضوع والشد مع انخفاض الليونة. سلوك الخضوع في الحالات H خطي نسبيًا مع درجة العمل البارد؛ ويعد التقسية التدريجية فعالة لتخصيص الأداء الميكانيكي لمتطلبات الجزء. ترتفع الصلادة بتوقع مع تغيير الحالة الحرارية ويمكن استخدامها كمعيار تحكم إنتاجي للفحص أثناء الخط.

أداء التعب معتاد لسبائك Al-Mn: حدود التحمل أقل من الفولاذ لكنها كافية للعديد من التطبيقات التي تتطلب تحميلات دورية عند التحكم في تركيزات الإجهاد. عمر التعب حساس لسطح القطعة، الإجهادات المتبقية من التشكيل، ومناطق التأثير الحراري الموضعية من اللحام. تؤثر السماكة بشكل مباشر على القوة والليونة المرصودة في اختبارات الشد؛ السماكات الرقيقة قد تظهر قابلية تشكيل ظاهرة أعلى بينما تحتفظ السماكات الأكبر بطاقة امتصاص أكبر.

الارتداد الزنبركي واللاتماثلية هي اعتبارات عملية للعمليات على الختم والثني؛ يجب مراعاة الخصائص الاتجاهية الناتجة عن الدرفلة في تصميم القوالب. تُستغل تطبيقات الهيكل الخفيف نسبة القوة إلى الوزن المواتية لهذه السبيكة، ولكن يجب أن تأخذ هوامش التصميم في الحسبان انخفاض مقاومة التعب المشقوق وصلابة الكسر مقارنةً بدرجات الألومنيوم المعالجة حراريًا الأعلى قوة.

الخاصية	O / مخمّد	الحالة الحرارية الرئيسية (مثلاً H14/H18)	ملاحظات
قوة الشد	~120–160 MPa	~200–260 MPa	تعزز الحالات H قوة الشد القصوى بشكل كبير بواسطة العمل البارد
مقاومة الخضوع	~35–70 MPa	~140–190 MPa	تتدرج مقاومة الخضوع مع الحالة؛ مقاسة عند إزاحة 0.2%
الاستطالة	~30–40%	~3–15%	انخفاض كبير في الليونة في حالات المقسية بالكامل
الصلادة (HV)	~25–40	~45–85	ترتبط الصلادة بالتقسية بالتمدد وتتوافق مع القوة

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70–2.74 g/cm³	كثافة نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ اختلاف طفيف بسبب السبائك
نطاق الانصهار	~605–660 °C	نطاق الصلادة–السائلة متأثر بإضافات السبائك الطفيفة
الموصلية الحرارية	~120–160 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنها جيدة لتطبيقات نقل الحرارة
الموصلية الكهربائية	~30–38 % IACS	منخفضة عن الألومنيوم النقي بسبب السبائك؛ مقبولة للمكونات الموصلّة
السعة الحرارية النوعية	~900 J/kg·K	نموذجية لسبائك الألومنيوم عند درجة حرارة الغرفة
التمدد الحراري	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	مقارنة مع سبائك الألومنيوم المشغولة الأخرى

يحافظ A3004 على خصائص نقل حراري ملائمة مقارنة بالعديد من المعادن الهيكلية، مما يجعله مفيدًا لتطبيقات تبادل الحرارة وإدارة الحرارة. تقلل إضافات المنغنيز والنحاس من الموصلية الكهربائية، لذا فهو ليس الخيار الأول عندما تكون الموصلية القصوى مطلوبة، لكنه مقبول لأجزاء هيكلية موصلة أو صفائح ناقلة للتيار في ظروف متطلبة متوسطة.

يدعم التمدد الحراري المنخفض والكثافة الخفيفة الاستقرار البعدي والتصميم خفيف الوزن ضمن نطاق درجة حرارة معتدل، إلا أن المهندسين يجب أن يأخذوا في الاعتبار التمدد والانخفاض في الخصائص الميكانيكية عند درجات حرارة مرتفعة عند تصميم التجميعات.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2–6.0 مم	تزداد القوة مع المعالجات H	O, H14, H24	الشكل الأكثر شيوعًا للتكسية، الزعانف، واللوحات
صفائح	6–25 مم	توفر محدود؛ الأقسام السميكة أصعب في المعالجة الباردة	O, H18	تستخدم للأجزاء الهيكلية حيث تكون السماكة ضرورية
بثق	أقسام حتى 200 مم	تتأثر القوة بعمليات البثق والمعالجة الباردة اللاحقة	H14, H24	أقل شيوعًا من الألواح؛ أشكال مخصصة للقواعـد والبروفيلات
أنابيب	سماكة الجدار 0.5–6 مم	أداء مماثل للألواح؛ تستخدم عمليات السحب	O, H14	تستخدم في HVAC، أنوية المبادلات الحرارية، وأنابيب ذات قطر صغير
قضبان/أعمدة	قطر Ø3–50 مم	عادةً ما تُورد بمعالجات H؛ مخزون للتشغيل الآلي	H14, H18	تستخدم للمكونات المعالجة ومثبتات حيث يسمح باستخدام السبائك

الألواح واللفائف تشكلان الشكل التجاري السائد لـ A3004، مما يعكس استخدامه الأساسي في عمليات التشكيل باللطع، السحب، والدلفنة. هناك بعض استخدامات للبثق والقضبان لكنها أقل انتشارًا؛ هذه الأشكال قد تتطلب تحكمًا خاصًا في تركيبة السبيكة وتستخدم حيث هندسة المقطع تحدد التصميم.

الفروقات في المعالجة—الدلفنة، دورات التخمير، العمل البارد—تنتج تدرجات في الخصائص عبر السماكة وامتداد اللفائف، ويجب أخذ ذلك في الاعتبار عند تصميم قوالب التشكيل واللحام. يمكن للموردين توفير تتابعات تلطيف مخصصة لتحقيق توازن بين قابلية التشكيل والقوة النهائية حسب متطلبات الإنتاج.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	A3004	الولايات المتحدة	تعيين شائع من جمعية الألمنيوم الأمريكية
EN AW	3004	أوروبا	تركيبة نوع AlMn1Cu في معايير EN
JIS	A3004	اليابان	مرجع متكرر في الصناعة اليابانية للألواح واللفائف
GB/T	3A05 / مكافئ 3004	الصين	قد تختلف التسميات المحلية؛ تحقق من التركيبة الدقيقة

تختلف مسميات الإحالات المتقاطعة حسب هيئة التقييس؛ العائلة الرقمية (3004/3xxx) متناسقة، لكن الحدود العليا والدنيا للعناصر الثانوية قد تختلف حسب المواصفات والمنتج. عند استبدال بين المعايير، يجب على المهندسين مراجعة الحدود الكيميائية والميكانيكية الدقيقة، خاصةً للنحاس والمنغنيز التي تؤثر على القوة وسلوك التآكل. قد تختلف أيضًا مسميات عمليات المعالجة السطحية، الطلاء، وتعريفات التلطيف حسب المنطقة.

مقاومة التآكل

يظهر A3004 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام نتيجة تشكل طبقة مستقرة من أكسيد الألمنيوم على السطح. في البيئات البحرية أو التي تحتوي على كلوريدات، يكون السبيكة عرضة للتآكل الحبيبي الموضعي؛ يُنصح بالاختيار الدقيق للطبقات الواقية، السدادات، وتصميم لتجنب التجاويف. المحتوى المعتدل من النحاس يقلل قليلاً من مقاومة التآكل مقارنة بالألمنيوم النقي أو 3003 لكنه غالبًا ما يحقق عمرًا مقبولًا عند استخدام حماية سطحية مناسبة.

التصدع بالتآكل الناتج عن الإجهاد (SCC) ليس مصدر قلق كبير لتركيبة A3004 عند درجات الخدمة العادية؛ سبائك Al-Mn من سلسلة 3xxx ليست معرضة بشدة للتصدع مقارنة بسبائك الألمنيوم عالية القوة. التفاعلات الجلفانية مع معادن أكثر نبلاً (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، النحاس) قد تسرع تآكل A3004 إذا كان هناك اتصال كهربائي مباشر ووجود إلكتروليت؛ العزل والاختيار الصحيح للمثبتات يخفف هذا الخطر. مقارنةً بسلسلة 5xxx (Al-Mg) و6xxx (Al-Mg-Si)، يقدم A3004 مقايضة بين مقاومة أقل للتآكل البحري وأداء أفضل في العمل البارد وتكلفة أقل.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يمكن لحام A3004 بسهولة باستخدام طرق الانصهار الشائعة مثل TIG وMIG، مع ميل منخفض للتشقق الحراري مقارنةً بسبائك الألمنيوم الأعلى قوة. الأسلاك الملحومة النموذجية تشمل Al-Si (مثلاً 4043) أو سبائك ألومنيوم متوافقة مع سلسلة 3xxx؛ يعتمد الاختيار على متطلبات الخدمة ومقاومة التآكل المطلوبة بعد اللحام. تظهر المفاصل الملحومة تليينًا موضعيًا في منطقة تأثير الحرارة إذا كانت السبيكة قد تم تقويتها مسبقًا بالشد، لذا يجب التحقق من الخصائص الميكانيكية بعد اللحام للأجزاء الحرجة. عادة لا يتطلب التسخين المسبق للأقسام الرقيقة، لكن التحكم في الحرارة وتصميم التثبيت ضروريان للحد من التشوه.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل لـ A3004 متوسطة؛ يسهل تشغيله أفضل من الألمنيوم النقي لكنه ليس بنفس سهولة بعض السبائك المحتوية على النحاس أو الرصاص المصممة للقطع السهل. أدوات الكربيد ومعدلات التغذية المعتدلة توفر تحكمًا جيدًا في رقائق القطع وجودة الأوجه، بينما يمكن استخدام أدوات السرعة العالية إذا تم التحكم في التبريد وإزالة الرقائق. تكون الحواف الزائدة قابلة للإدارة، ونطاقات التغذية/السرعة النموذجية مماثلة لسبائك سلسلة 3xxx الأخرى في التفريز والتشغيل. يتطلب البرغي والقياس انتباهًا خاصًا لمنع زيادة التقسية في المعالجات H.

قابلية التشكيل

يوفر A3004 قابلية تشكيل ممتازة في حالة O وقابلية جيدة جدًا في المعالجات الحارة الخفيفة إلى المتوسطة H، مما يجعله مناسبًا للسحب العميق، الثني، والدلفنة. تحدد نصف أقطار الثني المعالجات والسماكة؛ يمكن للصفائح المخمرة تحقيق أنصاف أقطار ضيقة بينما تتطلب المعالجات الصلبة تمامًا أنصاف أقطار أكبر لتجنب التشقق. يمكن لإجراء التشكيل التدريجي مع عمليات استخدام التخمير الوسيطة أو تقنيات السحب أن ينتج أشكالًا معقدة دون التضحية بالقوة النهائية. يجب أخذ سلوك الارتداد المرن بعين الاعتبار، خصوصًا في المعالجات H حيث تكون مقاومة الخضوع مرتفعة.

سلوك المعالجة الحرارية

A3004 هي سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ لا تستجيب لمعالجة المحلول والشيخوخة الاصطناعية كما في سبائك 6xxx أو 7xxx. تزداد القوة حصريًا عن طريق التقسية بالعمل (التشوه البلاستيكي) والتحكم الدقيق في البنية المجهرية أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية. يتم إجراء التخمير الكامل (O) لاستعادة الليونة، تقليل الإجهادات المتبقية، وتمكين عمليات التشكيل اللاحقة.

تجرى دورات التخمير عادةً عند درجات حرارة تسمح بإعادة التبلور دون نمو حبوب مفرط؛ يحدد المصنعون أوقات النقع والرفع الدقيقة لضمان خصائص متسقة. تستخدم عمليات التثبيت أو المعالجة بالارتداد الجزئي (مثل التلطيف بعد العمل البارد لتحقيق حالة مشابهة لـ H24) للتحكم في الإجهادات المتبقية والارتداد في المكونات المشكلة. لا توجد دورة معالجة محلول-شيخوخة عملية لتحقيق تقسية ترسيبية لـ A3004.

الأداء في درجات الحرارة العالية

يتعرض A3004 لخسارة تدريجية في القوة مع زيادة درجة الحرارة؛ فوق حوالي 150–200 °C تحدث تخفيضات كبيرة في مقاومة الخضوع والشد، مما يحد من استخدامه الهيكلي طويل الأمد عند درجات حرارة مرتفعة. يقتصر التأكسد على تكوين طبقة Al2O3 ملتصقة توفر حماية محدودة في درجات الحرارة العالية لكنها لا تمنع تدهور القوة. لفترات تعرض قصيرة عند درجات حرارة معتدلة مرتفعة، تحافظ السبيكة على ليونة مفيدة لكن يجب على المصممين إجراء اختبارات تطبيقية مخصصة للزحف والاسترخاء.

قد تُظهر مناطق تأثير الحرارة في اللحام تغيرات في القوة والليونة بعد التعرض لدرجات حرارة عالية، ويمكن أن يسرع التكرار الحراري المطول من تليين الأقسام المعالجة بعمل بارد. للتطبيقات التي تتطلب قوة مستدامة فوق ~150 °C، يختار المهندسون عادة سبائك مقاومة للحرارة أو سلسلات ألومنيوم متخصصة ذات احتفاظ أفضل بالقوة في درجات الحرارة العالية.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام A3004
السيارات	لوحات الهيكل، التشطيبات	قابلية تشكيل جيدة للسحب، وقوة محسنة مقارنة بـ 3003
التدفئة والتهوية وتكييف الهواء / نقل الحرارة	زعانف، لفائف المكثفات	توصيل حراري وقابلية تشكيل للزعانف واللفائف الرقيقة
العمارة	التكسية، السقوف المعلقة	جودة السطح، سهولة الطلاء، ومقاومة التآكل
السلع الاستهلاكية	أواني الطهي، الأجهزة المنزلية	توازن بين القابلية للتشكيل، القوة، وجودة السطح
الإلكترونيات	ألواح الهياكل، الأغلفة	ألواح هيكلية خفيفة الوزن وذات توصيل حراري جيد

يفضّل A3004 حيث يلتقي سهولة التصنيع والاقتصاد بالأداء الوظيفي: يمكن تشكيله إلى أشكال معقدة، يحتفظ بالقوة الكافية بعد التشكيل، ويقبل عمليات المعالجة السطحية وطرق الربط بسلوك متوقع. يدعم مزيج خصائص السبائك إنتاج قطع بكميات كبيرة تتطلب توازنًا بين الليونة والقوة المرتفعة دون الحاجة لخطوات معالجة حرارية.

نصائح للاختيار

عند اتخاذ مهندس القرار بشأن تحديد A3004، يجب التركيز على التوازن بين القابلية للتشكيل، القوة المتوسطة، والتكلفة. اختر A3004 بدلاً من الألمنيوم النقي تجاريًا (1100) عندما تكون هناك حاجة إلى مقاومة خضوع ومقاومة شد أعلى مع الحفاظ على قابلية جيدة للتشكيل واللحام. يتنازل عن بعض الموصلية الكهربائية وأقصى ليونة مقارنة بـ 1100، لكنه يقدم مزايا قوة ذات معنى للأجزاء المطلية أو المسحوبة.

بالمقارنة مع السبائك المعالجة بالتشغيل الأخرى مثل 3003 و5052، تقع A3004 في الوسط: حيث إنها أقوى من 3003 بسبب إضافات النحاس والمنغنيز وغالبًا ما تكون مقاومة التآكل فيها قابلة للمقارنة مع 3003، بينما يوفر 5052 مقاومة تآكل فائقة في البيئات البحرية وقوة أعلى في العديد من الحالات الصلبة. اختر 5052 عند الحاجة إلى مقاومة الكلوريدات بشكل أساسي، ولكن اختر A3004 عندما تكون عمليات التشكيل وحساسية التكلفة هي العوامل الحاسمة في القرار.

عند المقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يُختار A3004 حيث لا تكون تعقيدات التكلفة والإجراءات الخاصة بحل المعالجة والشيخوخة مبررة. استخدم A3004 للتطبيقات التي تتطلب صفائح ذات قابلية تشكّل عالية وقوة نهائية متوسطة؛ وخصص 6061/6063 للتطبيقات التي تتطلب قوة قصوى أعلى أو أداءً هيكليًا عند درجات حرارة مرتفعة.

الملخص الختامي

يظل A3004 سبائك الألومنيوم العملية والمستخدمة على نطاق واسع من سلسلة 3xxx التي تشغل الفراغ بين المواد التجارية النقية عالية الليونة والسبائك المعقدة القابلة للمعالجة الحرارية. تضمن تركيبتها الكيميائية المحكومة واستجابتها الموثوقة للتصلب بالتشغيل اختيارًا اقتصاديًا للأجزاء المشكّلة والمطلية والملحومة في مجالات العمارة، وتكييف الهواء، والسيارات، والسلع الاستهلاكية. يختار المصممون A3004 عندما تكون التركيبة المثلى من القابلية للتشكيل، والقوة المتوسطة، والفعالية من حيث التكلفة مطلوبة للتصنيع على نطاق الإنتاج.