ألمنيوم EN AW-3003: التركيب الكيميائي، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

EN AW-3003 هو عضو في سلسلة 3xxx من سبائك الألومنيوم المشغولة، وهو من عائلة الألومنيوم-المنغنيز المصممة حول قوة معتدلة ومقاومة ممتازة للتآكل. تستمد سلسلة 3xxx عنصر التقوية الرئيسي من إضافات المنغنيز، التي تبلغ عادة حوالي 1.0–1.5٪ بالوزن، مما يؤدي إلى تشتت موحد لجزيئات بين معدنية ويوفر تقوية بالتحلل الصلب وتنقيح الحبيبات دون الاعتماد على التقسية بالترسيب.

3003 هو سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، ويقوى بالتشريح البارد؛ حيث يتم الحصول على التقوية عن طريق العمل بالبرودة بدلاً من الترسيب الحراري. تشمل الخصائص الرئيسية القوة المعتدلة الجيدة، قابلية التشكيل الممتازة في درجات التلدين، مقاومة تآكل جيدة جدًا في بيئات الغلاف الجوي، وتوافق واسع مع عمليات اللحام الشائعة.

الصناعات التي تستخدم EN AW-3003 بشكل متكرر تشمل البناء والتشييد للسقوف والتكسية، الأجهزة المنزلية وأدوات الطهي، مجاري التكييف (HVAC)، التعامل مع المواد الكيميائية حيث لا يتوقع حدوث تآكل تنكُّلي عدواني، وتشكيل معادن الصفائح العامة. يختار المهندسون 3003 عندما يكون مطلوبًا الجمع بين التكلفة المنخفضة، قابلية تشكيل جيدة، وقوة معقولة، وعندما لا تكون مقاومة التآكل الجلفاني أو التنكلي المتفوقة للسبائك الأعلى ضرورة.

أنواع التلدين

درجة التلدين	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالي	ممتاز	ممتاز	مُلدن بالكامل، مثالي للسحب العميق والتشكيل
H12	معتدل	معتدل	جيد	ممتاز	تقوية جزئية بالشد لتصلب معتدل
H14	معتدل-عالي	معتدل	جيد	ممتاز	درجة شائعة للعمل بالبرودة لتطبيقات الصفائح
H16	عالي	منخفض-معتدل	مقبول	ممتاز	مشددة أكثر بالشد لتصلب أعلى
H18	عالي جدًا	منخفض	ضعيف-مقبول	ممتاز	أقصى تصلب بالشد بالبرودة
H22 / H24	معتدل	معتدل	جيد	ممتاز	عمل بالبرودة وتلدين جزئي؛ توازن بين التشكيل والقوة

لدرجة التلدين أثر أساسي على التوازن الميكانيكي بين القوة والليونة لأن 3003 يُقوى بالتشريح وليس بالتقسية بالعمر. يقدم المنتج الملدن (O) أفضل قابلية للتشكيل للسحب العميق والانحناءات المعقدة، في حين أن درجات سلسلة H تضحي بالاستطالة مقابل زيادة مقاومة الخضوع وقوة الشد المفيدة للألواح الهيكلية والمقويات.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	0.0 – 0.6	شائبة ناتجة عن المعالجة؛ كميات صغيرة تقلل السيولة في السبر، لكن تأثيرها محدود في المنتجات المشغولة
Fe	0.0 – 0.7	يشكل بين معدنيات يمكن أن تقلل الليونة عند تركيزات عالية
Mn	1.0 – 1.5	العنصر الرئيسي في السبائك ويوفر التقوية ومقاومة التآكل
Mg	0.0 – 0.2	كميات صغيرة قد تزيد القوة قليلاً؛ لا يتواجد المغنيسيوم العالي في 3003
Cu	0.05 – 0.20	مضاف بسيط؛ يحسن القوة بشكل معتدل لكنه قد يقلل المقاومة للتآكل إذا كان زائدًا
Zn	0.0 – 0.10	كميات أثرية فقط
Cr	0.0 – 0.05	عنصر أثر للتحكم في بنية الحبيبات في بعض المواصفات
Ti	0.0 – 0.15	غالبًا ما يكون موجودًا كمنقح للحبيبات بكميات صغيرة
عناصر أخرى	باقي الأل + البقايا	شوائب أثرية نموذجية وعناصر سبائكية دقيقة مقصودة

يركز التركيب الكيميائي للسبيكة على المنغنيز كعامل رئيسي في التقوية ومقاومة التآكل، مع إبقاء النحاس والحديد منخفضين إلى معتدلين للحفاظ على الليونة وتقليل تكوين بين معدني. يمكن استخدام إضافات صغيرة من التيتانيوم أو الكروم للتحكم في حجم الحبيبات أثناء المعالجة، في حين يتم التحكم في السيليكون والحديد ضمن حدود لتجنب التأثيرات السلبية على القابلية للتشكيل وجودة السطح.

الخصائص الميكانيكية

السلوك الميكانيكي لـ EN AW-3003 مميز لسبيكة ألومنيوم تعمل بالتشكيل البارد وتتميز بالليونة. في الحالة الملدنة، تظهر السبيكة مقاومة خضوع وقوة شد منخفضة نسبيًا لكنها تمتلك استطالة موحدة عالية مناسبة للسحب العميق. يؤدي العمل بالبرودة لدرجات حرارة سلسلة H إلى زيادة كبيرة في مقاومة الخضوع والشد مع تقليل الاستطالة الكلية وزيادة الصلادة عبر تكاثر الانزلاقات وتقدّم التصلب بالشد.

تختلف مقاومة الخضوع وقوة الشد حسب درجة التلدين والسماكة؛ حيث تحقق السماكات الأقل عادةً قوة أعلى بعد التشكيل البارد بسبب تأثيرات تقسية العمل أثناء الدرفلة والتشكيل. ترتبط الصلادة بدرجة التلدين والعمل بالبرودة؛ حيث تظهر قياسات الصلادة باستخدام برينيل أو فيكرز زيادة تدريجية من درجة O إلى H18. أداء مقاومة التعب متوسط ويتأثر أكثر بجودة السطح والسماكة والإجهادات المتبقية الناتجة عن التشكيل مقارنة بالتركيب الكيميائي فقط.

الخاصية	O/الملدن	درجة مفتاحية (H14/H16)	ملاحظات
قوة الشد (Rm)	≈ 80–120 MPa	≈ 150–220 MPa	القيم تختلف حسب السماكة ودرجة H المحددة
مقاومة الخضوع (Rp0.2 0.2%)	≈ 35–60 MPa	≈ 120–170 MPa	يرتفع مقاومة الخضوع بشكل كبير مع العمل بالبرودة
الاستطالة (A50)	≈ 20–35%	≈ 2–12%	المنتج الملدن يتميز بقابلية تشكيل عالية؛ ودرجات H تقلل الليونة
الصلادة (HB)	≈ 20–35 HB	≈ 40–60 HB	تزيد الصلادة مع زيادة درجة التصلب بالشد

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.73 g/cm³	نموذجية لسبائك الألومنيوم-المنغنيز المشغولة
نطاق الانصهار	~640–655 °C	من الصلب إلى السائل تقريبًا
التوصيل الحراري	~130–150 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ ممتاز لنقل الحرارة
التوصيل الكهربائي	~30–40 % IACS	مخفض مقارنة بالألومنيوم التجاري النقي بسبب وجود المنغنيز والذائبات الأخرى
السعة الحرارية النوعية	~900 J/kg·K	نموذجية لسبائك الألومنيوم قرب درجة حرارة الغرفة
معامل التمدد الحراري	~23.0–24.0 µm/m·K	معامل التمدد الطولي الحراري (20–100 °C)

الخصائص الفيزيائية تجعل EN AW-3003 مناسبًا حيث يكون انتقال الحرارة والوزن مهمين، لكن لا يتطلب أعلى توصيل كهربائي ممكن. التوصيل الحراري مرتفع بما يكفي للعديد من تطبيقات تبديد الحرارة ومجاري التكييف، بينما يجب الأخذ في الاعتبار معامل التمدد الحراري المعتدل في التركيبات متعددة المواد لتجنب الحركات التفاضلية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	درجات التلدين الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2 – 6 mm	تشكل وتتصلب بشكل متوقع	O, H14, H16	الشكل الأكثر شيوعًا لألواح الأجهزة، والأسقف، والتكسية
صفائح	6 – 25 mm	قابلية تشكيل أقل، صلابة أعلى	O, H12, H14	تُستخدم للألواح الهيكلية والأغلفة المصنعة
بثق	تصاميم مخصصة	تعتمد القوة على المقطع والعمل بالبرودة	O, H14	محدودة بالمقارنة مع سبائك 6xxx؛ تستخدم حيث يهم الشكل ومقاومة التآكل
أنابيب	سمك الجدار 0.4 – 6 mm	قابلية لحام وتشكيل جيدة	O, H14	مجاري التكييف، خطوط الوقود في البيئات غير الحرجة
قضبان/أعمدة	Ø3 – Ø50 mm	محدودة بالتقوية غير المعالجة حراريًا	O, H14, H16	مواد للتشكيل البارد والتشغيل لتصنيع التجهيزات والتثبيتات

تعكس أشكال المنتج المختلفة متطلبات العمليات النهائية والاستخدام: الألواح والصفائح تُدرج وتُورد بدرجات تلدين مختلفة لتحسين التشكيل أو القوة، بينما تتطلب البثق والأنابيب اهتمامًا خاصًا بتصميم القوالب والتبريد بعد البثق للتحكم في الخصائص. لا تعمل القطاعات السميكة بالبرودة بشكل منتظم مثل المواد ذات السماكات الرقيقة، وقد تحتاج إلى تلدين قبل أو بعد المعالجة لتحقيق الليونة المطلوبة.

الدرجات المكافئة

المواصفة	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3003	الولايات المتحدة الأمريكية	التسمية الشائعة في مواصفات ASTM/AA
EN AW	3003	أوروبا	سبائك مشغولة مكافئة تحت تسمية EN
JIS	A3003	اليابان	يزن النظام الياباني الدرجة A3003 كمرادف قريب
GB/T	3A21	الصين	تسمية صينية مكافئة لدرجة 3003 في العديد من المواصفات

تعتمد الدرجات المكافئة عبر المواصفات على تركيبات وأداء مشابهة إلى حد كبير، لكن النطاقات المسموح بها ومتطلبات الاختبارات قد تختلف. يجب على المشترين التحقق من وثائق المواصفات الخاصة للحدود على الشوائب، درجات التلدين المطلوبة، وبروتوكولات الاختبار لأن هذه الفروقات الصغيرة يمكن أن تؤثر على جودة السطح، أداء التشكيل، وشهادات الاعتماد للتطبيقات المنظمة.

مقاومة التآكل

يتميز السبيكة EN AW-3003 بمقاومة جيدة للتآكل الجوي العام نتيجة لوجود طبقة أكسيد الألومنيوم السلبية وتأثير المنغنيز كمكوّن سبائكي أساسي benign نسبيًا. يُظهر أداءً جيدًا في الظروف الداخلية والريفية/الحضرية ومقاومة للغلافات الصناعية الخفيفة التي لا تحتوي على مركبات الكبريت العدوانية.

في البيئات البحرية أو المحتوية على الكلوريدات، يؤدي 3003 أداء مقبولًا للعديد من المكونات البحرية الثانوية ولكنه لا يمتلك المقاومة نفسها ضد تآكل النقاط وتآكل الشقوق كما في سبائك الألومنيوم-مغنيسيوم من سلسلة 5xxx. بالنسبة للمكونات الهيكلية البحرية الأساسية أو الأجزاء المعرضة بشدة للكلوريدات، تُفضّل عادة سبائك الفئة 5xxx (مثل 5083، 5052) أو الطلاءات الواقية.

خطر حدوث تكسير التآكل الإجهادي عند 3003 منخفض لأنه يمتلك مقاومات شد قصوى متواضعة مقارنة بالسبائك عالية القوة القابلة للمعالجة الحرارية؛ ومع ذلك، قد يكون التآكل الجلفاني الموضعي مصدر قلق عند اقترانه بمعادن أكثر نبلاً مثل النحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ دون عزل مناسب. تؤدي اختيار المادة وتقنيات العزل المناسبة إلى تقليل خطر الهجوم الجلفاني في التركيبات المعدنية المختلطة.

خواص التصنيع

قابلية اللحام
يمكن لحام EN AW-3003 بسهولة باستخدام طرق الانصهار القياسية مثل GTAW (TIG) وGMAW (MIG) مع مخاطرة منخفضة من حدوث تشققات حرارية. تشمل سبائك السلك المستخدم الشائعة ER4043 (Al–Si) وER4047 لتحسين السيولة، وER5356 (Al–Mg) عندما يُطلب قوة لحام أعلى؛ ويعتمد الاختيار على تصميم المفصل والاعتبارات المتعلقة بالتآكل بعد اللحام. تظهر مناطق التأثير الحراري تليينًا موضعيًا مقارنة بالمادة الأصلية المعالجة بالتبريد، ولا يحدث تزيّق مرتبط بتقسية بالترسيب لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية.

قابلية التشغيل
تتميز قابلية التشغيل لسبيكة 3003 بأنها متوسطة مقارنة بالسبائك الألومنيومية سهلة التشغيل؛ حيث مؤشر التشغيل أقل من سبائك Al–Cu أو Al–Si نتيجة تشكل رقائق مطيلة واتجاه لتكوّن حواف متجمعة. يُنصح باستخدام أدوات كربيد ذات هندسة حادة، وميل موجّب، مع تزويد كافٍ بالتبريد والتشحيم، ويجب ضبط سرعات الدوران لتجنب التلطيخ وتعزيز تكسر الرقائق. يتطلب الحفر والقطع الدوار دورات متقطعة مناسبة وإزالة الرقائق للحفر العميقة.

قابلية التشكيل
تُعد قابلية التشكيل من أبرز خصائص 3003، خاصة في الحالة المخدرة تمامًا O حيث يمكن إجراء السحب العميق والتمديد والطي المعقد بدون تصدعات. عادةً ما تكون نصف أقطار الانحناء الدنيا حوالي 1–2 ضعف سماكة المادة في حالة O، لكنها تزداد في درجات H للسلسلة بسبب انخفاض اللدونة؛ يجب على المصممين التحقق من أنصاف أقطار التشكيل للأطوال والسمك الهندسية المحددة. يزيد التقسية بالتشغيل من القوة لكن يحد من إمكانيات التشكيل اللاحقة؛ يُستخدم التخمير المتوسط عادة في تسلسلات التشكيل القاسية.

سلوك المعالجة الحرارية

سبيكة EN AW-3003 غير قابلة للاستجابة للمعالجة الحرارية بالحل والتقسية الاصطناعية لافتقارها إلى عناصر الترسيب المقواة؛ تُصنّف كسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية. يستخدم التخمير الحراري في نطاق تقريبًا 350–450 °C لإعادة التبلور الكامل واستعادة اللدونة بعد العمل البارد، مع التحكم في زمن الثبات ومعدلات التبريد لتجنب التشوه والحفاظ على جودة السطح.

التقسية بالتشغيل هي الآلية الأساسية لتعديل الخواص: ينتج عن التشويه البارد المحكوم درجات H مع زيادة متوقعة في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد. تتبع انتقالات الدرجات التسميات القياسية (مثل O → H14) التي تتحقق بدرجات محددة من العمل البارد أو بالتخمير الجزئي للوصول إلى درجات متوسطة مثل H22/H24.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تفقد سبيكة EN AW-3003 قوتها تدريجيًا عند درجات حرارة مرتفعة بسبب تنشيط الحركة الانزلاقية واستعادة التشوهات؛ ويصبح فقدان القوة واضحًا فوق ~125–150 °C للخدمة المستمرة. يقتصر التأكسد على تكوين طبقة مستقرة من أكسيد الألومنيوم وعادة لا يكون عاملًا مقيدًا عند التعرض لدرجات حرارة معتدلة، إلا أن التعرض طويل الأمد لدرجات حرارة عالية يسبب تدهورًا في الخصائص الميكانيكية والثبات الأبعادي.

قد تظهر مناطق اللحام والأجزاء المعالجة بكثافة تليّنًا حراريًا أثناء الخدمة عند درجات حرارة مرتفعة؛ يجب أن يأخذ المصممون في الاعتبار تأثيرات الزحف والاسترخاء تحت الأحمال المستمرة في درجات الحرارة المرتفعة ويفضلوا السبائك المصنفة لدرجات حرارة أعلى للخدمة المتواصلة فوق نطاق 100–150 °C.

التطبيقات

الصناعة	مثال على مكون	سبب استخدام EN AW-3003
السيارات	حواجز الحرارة، الزخارف، مجاري التهوية HVAC	قابلية تشكيل جيدة، مقاومة التآكل، تكلفة فعالة
البحرية	الألواح غير الهيكلية، المكونات الداخلية	مقاومة التآكل في البيئات البحرية الجوية
الفضاء	التركيبات والغلافات (غير هيكلية)	نسبة قوة إلى وزن جيدة للمكونات الثانوية
الإلكترونيات	موزعات الحرارة والأغلفة	موصلية حرارية جيدة مع قابلية التشكيل
الأجهزة المنزلية	أدوات الطهي، لوحات الثلاجة	تشطيب السطح، قابلية التشكيل، ومقاومة التآكل

تحظى سبيكة EN AW-3003 بشعبية في التطبيقات التي تتطلب توازنًا بين التكلفة المنخفضة وقابلية التصنيع ومقاومة التآكل، ولكن حيث لا تكون قوة الهيكل الأعلى ضرورية. تجعلها تعددية الاستخدام في الألواح والأنابيب والأجزاء المشكّلة مادة أساسية للعديد من المصنعين والمصنعين الأصليين.

نصائح للاختيار

يتم اختيار EN AW-3003 عندما تكون القوة المتوسطة، قابلية التشكيل الممتازة، ومقاومة التآكل الجوي الجيدة هي المتطلبات الأساسية، وعندما تلعب التكلفة والتوافر دورًا مهمًا. اختر الدرجة O للتشكيل المعقد والسحب العميق، ودرجات السلسلة H عندما يُطلب صلابة أو مقاومة خضوع أعلى للأجزاء المصنعة.

بالمقارنة مع الألومنيوم التجاري النقي (1100)، يوفر 3003 قوة أعلى بكثير على حساب موصلية كهربائية وحرارية أقل قليلاً؛ استخدم 1100 عندما تكون الموصلية القصوى والنُعومة حرجة. بالمقارنة مع سبائك سلسلة 5xxx مثل 5052، يتبادل 3003 بعض مقاومة الكلوريد/التآكل النقطي والأداء الأقوى مقابل قابلية تشكيل أسهل وتكلفة مادة أقل في العادة، مما يجعل 3003 مفضلًا للتشكيل العام والتكسية. مقابل السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يوفر 3003 قابلية تشكيل باردة أفضل وتكلفة أقل، لكن بقوة ذروة أقل؛ يفضل 3003 عندما تكون تعقيدات التشكيل ومقاومة التآكل أولوية على الخواص الميكانيكية القصوى.

الملخص النهائي

تظل EN AW-3003 سبائك ألومنيوم مستخدمة على نطاق واسع وعملية للهندسة الحديثة بسبب مزيجها من قابلية التشكيل الجيدة، القوة المقبولة بعد العمل البارد، قابلية اللحام الممتازة، ومقاومة التآكل الموثوقة للعديد من البيئات. يجعل توازن خواصها وتكلفتها الفعالة منها مادة اختيار أول للمكيفات الهوائية والأجهزة والتكسية المعمارية وتصنيع الصفائح المعدنية العامة حيث لا تكون مقاومة الشد القصوى المحفز الأساسي للتصميم.