الألومنيوم EN AW-5251: التركيب، الخواص، دليل التخشين والتطبيقات

نظرة شاملة

EN AW-5251 هو عضو في سلسلة سبائك الألومنيوم-المغنيسيوم 5xxx، حيث يُعتبر المغنيسيوم العنصر السبيكي الرئيسي. تُعرف هذه السلسلة بسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، تُقوى بشكل رئيسي من خلال التشغيل البارد بدلاً من المعالجات الحرارية للحل والترسيب.

تشمل العناصر السبيكية الرئيسية النموذجية في EN AW-5251 المغنيسيوم (العنصر الرئيسي للتقوية)، وأثر صغير من المنغنيز للتحكم في هيكل الحبيبات، وكميات ضئيلة من الحديد والسيليكون كمخلفات. توازن هذه السبيكة بين قوة معتدلة ومقاومة جيدة جداً للتآكل، خاصة في البيئات الجوية والبحرية الخفيفة، بالإضافة إلى قابلية جيدة للحام وقابلية تشكيل معقولة في الحالات اللينة.

تُستخدم السبيكة في صناعات تحتاج إلى مزيج من القابلية للتشكيل، مقاومة التآكل، والقوة المعتدلة دون الحاجة إلى معالجة حرارية، مثل مكونات هياكل السيارات، الألواح المعمارية، تركيبات بحرية وبعض الأغلفة الإلكترونية. يفضل المصممون EN AW-5251 عندما يُراد سبيكة اقتصادية، قابلة للحام، ذات قوة أفضل من الألومنيوم الخالص تجاريًا وأداء بحري محسّن مقارنة ببعض سبائك 3xxx.

مقارنةً بالسبائك عالية القوة والقابلة للمعالجة الحرارية، تقدم EN AW-5251 معالجة أبسط (بدون خطوات الحل والشيخوخة) وسلوكاً أكثر توقعًا في التركيبات الملحومة لأنها لا تعاني من نفس درجة هشاشة منطقة التأثر الحراري (HAZ) كما هو الحال في بعض السبائك المعالجة بالترسيب. وهذا يجعلها جذابة للتجميعات الملحومة، والألواح المشكلة والبثق حيث تعتبر مقاومة التآكل أثناء الخدمة مهمة.

أنواع المعالجات (التيمبر)

نوع المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالٍ (20–35%)	ممتاز	ممتاز	مُعالج حرارياً بالكامل، أعلى دكتيلية للرسم العميق
H12	منخفضة–متوسطة	متوسطة (10–20%)	جيدة جداً	جيدة جداً	تصلب خفيف بالتشغيل البارد، جيد للتشكيل المتوسط
H14	متوسطة	متوسطة–منخفضة (8–15%)	جيد	جيدة جداً	ربع صلب، توازن بين القابلية للتشكيل والقوة
H16	متوسطة–عالية	منخفضة–متوسطة (6–12%)	متوسطة	جيدة جداً	نصف صلب، نموذجي للألواح المكشوفة
H18	عالية	منخفضة (4–10%)	محدودة	جيدة جداً	صلب كامل، لتطبيقات الألواح عالية الصلابة
H22	متوسطة	متوسطة–منخفضة	جيد	جيدة جداً	مُصلب بالتشغيل ثم مُثبت؛ ثبات أبعاد محسّن
H24	متوسطة–عالية	منخفضة–متوسطة	متوسطة	جيدة جداً	مُصلب بالتشغيل وشيخوخة اصطناعية (مثبت) لتعزيز الخضوع
H111	منخفضة–متوسطة	عالية	ممتاز	ممتاز	مشغول قليلاً بعد التلدين، قابلية تشكيل جيدة وقوة معقولة

يتم ضبط معالجة 5xxx-سلسلة أساسًا عبر التشغيل البارد بدلاً من تسلسلات المعالجة الحرارية التقليدية. يوفر تيمبر O أكبر دكتيلية للقطاعات والنقش العميق، بينما تشير أرقام H العالية إلى زيادة العمل البارد وقوة أكبر على حساب الاستطالة وقابلية التشكيل.

تُستخدم المعالجات المثبتة (H22/H24 وH111) عادةً عند توقع تشكيل متبوع بتعرض حراري خفيف أو لحام، لأنها توفر خصائص ميكانيكية أكثر اتساقًا مع تقليل مخاطر التليين غير المرغوب فيه أثناء التصنيع.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	≤ 0.25	شائبة محكومة من المعالجة؛ قد تقلل من الدكتيلية قليلاً
Fe	≤ 0.40	يثير تكوين مركبات بينية؛ الزيادة تؤدي لتدهور مقاومة التآكل
Mn	≤ 0.40	تحكم في الهيكل الحبيبي؛ يحسن القوة وسلوك إعادة التبلور
Mg	2.0–3.0	العنصر الرئيسي لتقوية المحلول الصلب والمساهمة في مقاومة التآكل
Cu	≤ 0.10	مخفض لمنع الحساسية لتكسير التآكل الإجهادي
Zn	≤ 0.25	مخلفات صغيرة؛ المستويات الأعلى غير مميزة لهذه السلسلة
Cr	≤ 0.15	يضاف في بعض الأنواع للتحكم في الهيكل الحبيبي وتقييد إعادة التبلور
Ti	≤ 0.15	محسن لحجم الحبيبات في المصبوبات وبعض الأشكال المشغولة
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05	عناصر أخرى كشوائب أو إضافات محكومة

يعد محتوى المغنيسيوم العامل الأساسي في تحديد مقاومة الخضوع ومقاومة الشد في EN AW-5251، من خلال تقوية المحلول الصلب وتفاعله مع الانزلاقات. يساعد المنغنيز والكروم عند مستويات منخفضة في تحسين هيكل الحبيبات والحفاظ على القوة أثناء التعرض الحراري، في حين تشكل الحديد والسيليكون مركبات بينية تؤثر على سلوك التعب والنخور.

تم تقييد التركيب الكيميائي عمدًا للحد من العناصر (خصوصًا النحاس والزنك) التي قد تزيد من الحساسية لتكسير التآكل الإجهادي أو تقليل مقاومة التآكل العامة، مما يجعل 5251 خيارًا موثوقًا للتطبيقات المعرضة.

الخواص الميكانيكية

يعرض EN AW-5251 سلوك الشد الكلاسيكي لسلسلة 5xxx: دكتيلية في الحالة المدللة وتزداد القوة تدريجياً مع العمل البارد مع انخفاض الاستطالة. في الحالة O، تظهر السبيكة استطالة موحدة واسعة ونسبة منخفضة بين مقاومة الخضوع ومقاومة الشد، مما يجعلها مناسبة للتشكيل الذي يتطلب إجهاد بلاستيكي كبير. تحت حالات H النموذجية، ترتفع مقاومة الخضوع بشكل ملحوظ بينما تصبح الدكتيلية محدودة، مع بداية الرقبة الموضعية مبكرة.

ترتبط الصلادة بمستوى التشغيل البارد، وتعد مقياسًا مفيدًا أثناء العمليات لتحديد الهدف بعد الدرفلة أو السحب. أداء التعب حساس لحالة السطح، السمك ووجود الجسيمات البينية؛ حيث تحسن الأسطح المصقولة أو المؤكسدة بشكل كبير عمر التعب مقابل التشطيبات كما-درفلة. يؤثر السمك بشكل ملحوظ على القوة وقابلية التشكيل — حيث ترَفَع السماكات الرقيقة الصلادة عبر التشغيل البارد خلال التشكيل وتكون أسهل للحام دون تشوه الحافة.

عند تصميم المكونات، يجب على المهندسين الأخذ بعين الاعتبار طبيعة السبيكة غير القابلة للمعالجة الحرارية: يتم تحقيق أقصى قوة عن طريق التشوه الميكانيكي والتثبيت، وليس عن طريق الشيخوخة الحرارية. بالنسبة للتجميعات الملحومة، قد يحدث تليين موضعي بالقرب من منطقة التأثر الحراري، لكنه يكون أقل حدة مقارنة بالسبائك المعالجة بالترسيب إذا كانت المعالجة والمادة اللحامية المختارة مناسبة.

الخاصية	O/مدللة	تيمبر رئيسي (H14/H24 نموذجياً)	ملاحظات
مقاومة الشد	120–155 MPa	200–260 MPa	تعتمد القيم بشكل كبير على مستوى التشغيل البارد والسمك
مقاومة الخضوع	50–90 MPa	140–210 MPa	تزداد مقاومة الخضوع بشكل ملحوظ مع التصلب بالتشغيل؛ يوضح H24 خضوعًا مثبتًا
الاستطالة	20–35%	6–16%	تنخفض الدكتيلية مع صلابة التيمبر؛ الحالة المدللة تظهر أفضل قابلية تشكيل
الصلادة (HB)	30–45 HB	60–95 HB	الصلادة تتوافق مع القوة ومستوى التشغيل البارد

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.68–2.70 g/cm³	نموذجية لسبائك الألمنيوم-المغنيسيوم المشغولة
نطاق الانصهار	~570–650 °C	فارق الصلادة والسائلة للسبيكة؛ يُنصح بهوامش تصميم محافظة
التوصيل الحراري	120–150 W/m·K	أقل قليلاً من الألمنيوم النقي بسبب الإضافات السبيكية
التوصيل الكهربائي	~28–38 % IACS	مخفض مقارنة بالألومنيوم النقي مع زيادة المغنيسيوم
السعة الحرارية النوعية	~900 J/kg·K	نموذجية لسبائك الألومنيوم عند درجة حرارة الغرفة
التوسع الحراري	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	مهمة للتجميعات الملتحمة والوصلات متعددة المواد

تضع الثوابت الفيزيائية EN AW-5251 قريبًا من سبائك Al–Mg الأخرى في السلوك الحراري والكهربائي؛ يقلل المغنيسيوم التوصيل مقارنة بالألومنيوم النقي لكنه يحتفظ بأداء حراري ممتاز لتطبيقات توزيع الحرارة. يجب على المصممين أخذ التوسع الحراري بعين الاعتبار عند إقران 5251 بمواد مختلفة، خصوصًا في الوصلات الهيكلية والتجميعات الملتحمة.

يعني نطاق الانصهار والتليين أنه يجب إدارة عمليات اللحام والدورات الحرارية التالية لتجنب التليين المحلي المفرط؛ وتعد السيطرة على مدخل الحرارة والتثبيت لتقليل التشوه ممارسة معيارية للألواح ذات التحمل الضيق.

أشكال المنتج

الشكل	السُمك/الحجم النموذجي	سلوك المتانة	الظروف الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح (Sheet)	0.3–6.0 mm	يعكس تأثيرًا قويًا للسُمك؛ الألواح الرقيقة تخضع للعمل البارد بسهولة	O, H12, H14, H24	الأكثر شيوعًا لألواح الهيكل، الواجهات وتغطية أسطح السفن البحرية
صفائح (Plate)	6–50 mm	لدونة أقل في الصفائح السميكة؛ تستخدم حيث تكون الصلابة مطلوبة	H16, H18	تستخدم غالبًا للمكونات الهيكلية حيث تكون صلابة الانحناء ذات أهمية
بثق (Extrusion)	مقاطع عرضية تصل إلى عدة مئات mm²	الخواص تعتمد على نسبة البثق والعمل البارد اللاحق	O, H111, H14	مناسبة للبروفيلات ذات القوة المتوسطة والهندسة المعقدة
أنابيب (Tube)	أقطار 6–200 mm، سماكة الجدار 0.5–6 mm	خيارات ملحومة وبدون لحام؛ تختلف الخواص باختلاف طريقة التصنيع	O, H14, H16	تستخدم في خطوط السوائل، الدرابزين والعناصر الإنشائية
قضبان/أعمدة (Bar/Rod)	أقطار حتى 50 mm	تصنع بالبثق أو السحب؛ تزداد القوة مع السحب	O, H12, H14	نمطية للقِطَع المصنعة والقطع المشغولة

تختلف طرق معالجة الألواح والصفائح في جداول الدرفلة وخطوات العمل البارد اللاحقة؛ حيث يتم عادةً معالجة الألواح على شكل لفائف ثم تقطيعها وتشكيلها، بينما تُدرَف الصفائح للسمك الأكبر مع تاريخ حراري ميكانيكي مختلف. يتطلب البثق الانتباه إلى درجة حرارة السبيكة وتصميم القالب للتحكم في تشطيب السطح والضغوط المتبقية؛ يتم عادة التطبيق اللاحق للتمديد والشيخوخة (التثبيت) للحد من التشوه.

الأشكال الأنبوبية الملحومة وقضبان التشغيل غالباً ما تصنع من نفس السبائك الأساسية لكن تُعالج بدرجات حرارة متفاوتة؛ اختيار الدرجة الوسيطة الصحيحة والاحتياطي الماكيني يقلل من الفاقد وإعادة التشغيل في بيئات الإنتاج.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA (Aluminum Association)	5251	الولايات المتحدة	تصنيف صناعي شائع يتوافق مع كيمياء وخواص EN AW-5251
EN AW	5251	أوروبا	التسمية الأوروبية القياسية لسبائك الألمنيوم-ماجنيزيوم المشغولة
JIS	— (الأقرب: A5052)	اليابان	لا يوجد مكافئ مباشر JIS واحد لواحد؛ A5052 تعتبر غالبًا الأقرب في السوق
GB/T	5251	الصين	المعيار الصيني غالبًا ما يدرج 5251 كالسبيكة المقابلة؛ تحقق من شهادة المُصنع

المكافئات المباشرة ليست دائمًا متطابقة بالضبط لأن المعايير الإقليمية تسمح باختلافات طفيفة في حدود الشوائب وممارسات الشهادات. يجب عمل المراجعة المتقاطعة حسب المتطلبات الكيميائية والميكانيكية المحددة وليس فقط رقم السبيكة.

عند الاستبدال، ينبغي للمهندسين مقارنة نطاقات مقاومة الشد/الخضوع، الدرجات المتاحة والمعالجات السطحية؛ 5052 و5154 هما بدائل شائعة مع محتوى ماجنيزيوم مختلف قليلاً وبالتالي تنازلات مختلفة بين القوة ومقاومة التآكل.

مقاومة التآكل

يقدم EN AW-5251 مقاومة جيدة جدًا للتآكل الجوي نموذجية لسبائك الألمنيوم-الماغنيسيوم، حيث يشكل طبقة أكسيد واقية مستقرة تحد من التآكل العام في البيئات الحضرية والصناعية. يحسن محتوى الماغنيسيوم المقاومة ضد التآكل النقطي في الأجواء المحتوية على الكلوريدات مقارنة بالعديد من سبائك العائلة 1xxx و3xxx، مما يجعل 5251 خيارًا متكررًا للتطبيقات المعمارية الخارجية والتطبيقات البحرية المجاورة.

في بيئات الغمر البحري أو تطاير المياه البحرية، تؤدي السبيكة أداءً جيدًا، لكن يمكن حدوث تآكل نقطي موضعي على الأسطح الخشنة أو التالفة وفي التجاويف الراكدة. تُحسّن تفاصيل التصميم مثل الصرف، تجنب التجاويف، والتشطيب السطحي المناسب (التأكسد الكهربائي، الطلاءات التحويلية أو الطلاء) بشكل ملحوظ عمر الخدمة.

يزداد خطر تآكل الشقوق الإجهادية لسبائك الألمنيوم-الماغنيسيوم مع ارتفاع مستويات الماغنيسيوم والشدود التوترية العالية؛ عند المستويات النموذجية لـ5251، يكون الخطر معتدلاً ويمكن التخفيف منه باختيار درجات أقل قوة في التجميعات الملحومة ذات الإجهادات العالية. يجب تقييم التفاعلات الجلفانية: عند اقترانها كهربائيًا بمواد أكثر نبلًا (الفولاذ المقاوم للصدأ، سبائك النحاس)، ستتصرف 5251 كمصعد وتتطلب عزلًا أو طبقات حماية لمنع التسريع في التآكل. بالمقارنة مع سبائك 6xxx و7xxx المعالجة حراريًا، يقدم EN AW-5251 عمومًا مقاومة أفضل للتآكل العام لكنه أقل في القوة القصوى الممكن تحقيقها.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

EN AW-5251 قابل للحام بدرجة عالية باستخدام عمليات الاندماج الشائعة مثل TIG وMIG، حيث يظهر خصائص انصهار جيدة وميل منخفض للتشقق الحار عند استخدام المعادن الحشو المناسبة. الخيارات النموذجية للحشو هي سبائك الألمنيوم-ماجنيزيوم في نطاق 4-5% Mg (مثل ER5356) للحفاظ على مقاومة التآكل وتقليل تليين منطقة اللحام. يجب التحكم في كمية الحرارة لتقليل تليين منطقة تأثير الحرارة، وقد تُطبق معالجات قبل أو بعد اللحام (مثل عمل بارد خفيف أو إزالة الإجهاد) لتثبيت الخواص.

سهولة التشغيل

تشغيل EN AW-5251 متوسط الصعوبة؛ يتم تشغيله بسهولة أكبر من السبائك المعالجة حراريًا عالية القوة لكنه أقل سهولة من السبائك القديمة المحتوية على الرصاص. تُنتج الأدوات الكربيدية ذات زاوية القطع الإيجابية، كسر الرقائق المناسب، وسرعات القطع المعتدلة تشطيبًا سطحيًا جيدًا. قد يحدث تصلب عمل بالقرب من القطع إذا كانت معدلات التغذية منخفضة جدًا، وبالتالي يُنصح بالتغذية المستقرة وتطبيق التبريد لتجنب تراكم الحافة واهتزاز الأداة.

القابلية للتشكيل

القابلية للتشكيل في الحالة الأنيلية (O) ممتازة، مما يمكن من عمليات السحب العميق، التشكيل بالدلفنة والقطع المعقدة ذات أنصاف أقطار الانحناء الصغيرة. مع زيادة الدرجات (H12–H18)، يجب زيادة أنصاف أقطار الانحناء ويصبح الارتداد أكثر وضوحًا، مما يتطلب تعويض الأدوات. للتشكيل البارد، يفضل البدء بألين درجة متوفرة تناسب التطبيق واستخدام خطوات تشكيل تدريجية لتقليل مخاطر التكسير.

سلوك المعالجة الحرارية

EN AW-5251 هو سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ تحقق القوة الميكانيكية من خلال العمل البارد والسيطرة على البنية المجهرية بدلاً من المعالجة بالحل والترسيب. يتم تحقيق التلدين الكامل لاستعادة اللدونة بالتسخين إلى نطاق 350–415 °C والاحتفاظ لفترة كافية لتبلور جديد، متبوعًا بالتبريد البطيء لتجنب الإجهادات المتبقية. لذلك تُوصف انتقالات الدرجات بمستويات العمل البارد ودورات التثبيت (H22/H24) بدلًا من تسلسلات الدرجات T التقليدية.

الشيخوخة الاصطناعية غير فعالة لزيادة القوة في سبائك 5xxx، لكن التعرض الحراري المنضبط في درجات حرارة معتدلة يمكن أن يغير اللدونة ويقلل الإجهادات المتبقية. يجب على المصممين تجنب درجات حرارة الخدمة وخطوات التصنيع التي قد تلين أو تشد أجزاء العمل البارد بشكل مفرط ما لم يُراد تليين محسوب. للمكونات التي ستخضع للحام، يقلل اختيار الدرجة التي تتحمل تعرضًا حراريًا جزئيًا (H22/H24, H111) من خطر تغير الخصائص غير المقبولة بعد التصنيع.

الأداء عند درجات حرارة عالية

يحافظ EN AW-5251 على خواص ميكانيكية مفيدة حتى درجات حرارة مرتفعة معتدلة، لكن يقلل القوة بشكل ملحوظ فوق حوالي 100–150 °C، ولا يُنصح بالتعرض طويل الأمد فوق ~200 °C للتطبيقات الحاملة للأحمال عادة. الأكسدة محدودة بسبب طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية، لكن التعرض الطويل لدرجات الحرارة العالية يسرع من انتشار الماغنيسيوم وتكبير الملامح المجهرية، مما يقلل الأداء الميكانيكي.

المناطق الملحومة ومناطق تأثير الحرارة حساسة للدورات الحرارية؛ قد تقلل كمية الحرارة المفرطة أثناء التصنيع أو الخدمة من مقاومة الخضوع محليًا وتزيد قابلية الزحف تحت الأحمال المستمرة. للتطبيقات ذات الحمل الحراري أو الميكانيكي الدوري عند درجات حرارة مرتفعة، ينصح باختيار سبائك أكثر استقرارًا حراريًا أو التصميم مع هامش أمان إضافي.

التطبيقات

الصناعة	المكون النموذجي	سبب استخدام EN AW-5251
السيارات	ألواح الهيكل الداخلية، الزخارف	قابلية تشكيل جيدة في حالات O/H12؛ قابلية للحام ومقاومة التآكل
البحرية	الأرضيات، التركيبات	محتوى عالي من الماغنيسيوم يحسن مقاومة التآكل النقطي في الأجواء البحرية
الفضاء	الهياكل الثانوية، الأغطية	نسبة قوة إلى وزن مناسبة وسلوك تعب جيد للأجزاء غير الرئيسية
الإلكترونيات	الأغطية، ألواح نشر الحرارة	موصلية حرارية جيدة ومقاومة التآكل للأغطية الخارجية

يشغل EN AW-5251 موقعًا متوسطًا مفيدًا حيث يتم طلب قوة متوسطة، مقاومة ممتازة للتآكل، وخصائص تصنيع جيدة. تدعم مجموعته من الخصائص استخدامًا واسعًا عبر صناعات النقل، العمارة والبحرية حيث الحاجة إلى مادة فعالة من حيث تكلفة التصنيع، قابلة للحام والتشكيل.

غالبًا ما يختار المصممون 5251 للمكونات التي ستُصنع باستخدام عمليات الصفائح المعدنية القياسية ثم تُعرض لبيئات خارجية أو ساحلية دون تعقيد المعالجة بالحل والشيخوخة.

رؤى الاختيار

ينبغي اختيار EN AW-5251 عندما تحتاج إلى قوة ومقاومة للتآكل أفضل من الألمنيوم التجاري النقي (1100)، مع الحفاظ على قابلية جيدة للتشكيل واللحام. مقارنةً بـ 1100، يتنازل 5251 عن بعض الموصلية الكهربائية والحرارية مقابل مقاومة خضوع وقوة شد أعلى بكثير، مما يتيح تصاميم بأوزان أقل بنفس مستوى الصلابة.

مقارنة بالسبائك المصلدة بالتشغيل مثل 3003 و5052، يوفر 5251 عادةً قوة أعلى مع مقاومة للتآكل مماثلة أو محسنة في الخدمات البحرية والجوية. إذا كنت تحتاج إلى أعلى مقاومة ممكنة للتآكل المرتبط بالمغنيسيوم أو توفر حالة معالجة حرارية معينة، فقم بمقارنة 5251 بدقة مع 5052/5154 نظراً لاختلافات الكيمياء والمعالجة التي تؤثر على توازن الخواص.

مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يُفضل EN AW-5251 عند التصنيع الذي يتطلب لحام أو تشكيل مكثف دون القدرة أو الرغبة في إجراء خطوات المعالجة بالحل/المعالجة بالتقادم. رغم أن 6061 يمكن أن يصل إلى قوى قصوى أعلى بعد المعالجة الحرارية، يوفر 5251 أداء لحام أكثر تنبؤاً ومعالجة أبسط للهياكل الكبيرة والمشكلة.

الملخص الختامي

يبقى EN AW-5251 سبيكة عملية ومستخدمة على نطاق واسع من الألمنيوم المصبوب Al–Mg تقدم توازناً بين مقاومة التآكل وقابلية اللحام والقوة المعتدلة دون الحاجة إلى معالجة حرارية. وتعد تعدديته عبر الألواح، والصفائح، والسبائك المعصورة، إلى جانب سلوك تصنيع متوقع، عاملاً يحافظ على أهميته في التطبيقات السياراتية، البحرية، المعمارية والهندسية العامة التي تتطلب حلول ألمنيوم متينة وفعالة من حيث التكلفة.