ألمنيوم 3005: التركيب، الخصائص، دليل المعالجات و التطبيقات

نظرة شاملة

الدرجة 3005 هي من سلسلة 3xxx من سبائك الألومنيوم المصبوب، حيث الماغنيسيوم هو العنصر الرئيسي للسباكة. تحتوي السبائك عادةً على إضافات خفيفة من المغنيسيوم لتوفير توازن بين زيادة القوة وتحسن استجابة تقسية الشغل مقارنةً بـ 3003 والسبائك المشابهة.

السبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية وتعتمد قوتها بشكل رئيسي على الشغل البارد (تقسية الشغل) والسباكة الدقيقة مع Mn/Mg. وهذا يعني أن المصممين يعتمدون على المعالجات الحرارية الميكانيكية (درجات H) والتشكيل الميكانيكي بدلًا من دورات المحلول/الشيخوخة لتغيير الخواص الميكانيكية.

الصفات الرئيسية لسبائك 3005 تشمل القوة المعتدلة، مقاومة جيدة جدًا للتآكل في العديد من البيئات الجوية، قابلية تشكّل ممتازة في الدرجات اللينة، وقابلية لحام جيدة عمومًا مع المعادن المالئة الشائعة للألومنيوم. الصناعات النموذجية التي تستخدم 3005 تشمل تغليف المباني والمزاريب، علامات هيكل السيارات والتجهيزات، قنوات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، الأجهزة المنزلية، وبعض الألواح الخارجية البحرية والنقل حيث تُطلب قوة معتدلة ومظهر سطحي جيد.

يختار المهندسون 3005 عندما تكون هناك حاجة لتوازن بين قوة محسنة مقارنةً بالألمنيوم النقي (سلسلة 1000) و3003 دون التضحية بالكثير من قابلية التشكيل أو التكاليف الأعلى ومعالجة مختلفة للسبائك القابلة للمعالجة الحرارية. يتم اختيار السبائك فوق العائلات ذات القوة الأعلى عندما تكون الأولويات؛ تشكيل المساحات الكبيرة، القدرة على الطلاء، ومقاومة التآكل، بدلًا من أقصى مقاومة نوعية.

أنواع المعالجة الحرارية (Temper)

درجة المعالجة	مستوى القوة	الإطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية (≥20%)	ممتازة	ممتازة	مخمّدة بالكامل، تعظم اللدونة وقابلية السحب
H12	منخفضة–متوسطة	منخفضة–متوسطة (~15–20%)	جيدة جدًا	جيدة جدًا	تصلب بسيط بالشغل، جيدة للتشكيل المتوسط
H14	متوسطة	متوسطة (~10–15%)	جيدة	جيدة جدًا	ربع صلابة؛ شائعة للتطبيقات التي تحتاج توازن بين التشكيل والقوة
H16	متوسطة–عالية	متوسطة (~8–12%)	مقبولة–جيدة	جيدة	نصف صلابة؛ صلابة محسنة للألواح
H18	عالية	منخفضة–متوسطة (~4–8%)	مقبولة	جيدة	صلابة كاملة؛ تستخدم حيث تتطلب القوة الأعلى ومقاومة الارتداد
H22 / H24	متوسطة–عالية	متوسطة (~8–12%)	جيدة–مقبولة	جيدة	تصلب بالشغل ثم تخفيف جزئي (H24)؛ توازن مخصص بين اللدونة والقوة
T5 / T6 / T651	غير مطبقة	غير متاح	غير متاح	غير متاح	درجات معالجة حرارية غير مناسبة عمومًا لـ 3005 (سبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية)

تتحكم درجة المعالجة بشكل كبير في التوازن بين اللدونة والقوة في 3005: الدرجات اللينة O وH تسمح بالسحب العميق والتمدد، في حين توفر H16–H18 مقاومة خضوع أعلى واستقرار محسّن للألواح. ونظرًا لأن 3005 غير قابلة للمعالجة الحرارية، يجب على المصممين تحديد درجات الشغل الميكانيكية وتسلسل الشغل البارد للوصول إلى الخواص المطلوبة بدلاً من الاعتماد على دورات الشيخوخة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	≤ 0.6	السيليكون مضبوط للحد من مشاكل الصب والتدفق؛ كميات صغيرة مقبولة
Fe	≤ 0.7	الحديد هو الشائبة الشائعة؛ كميات زائدة تقلل اللدونة وجودة السطح
Mn	0.5 – 1.0	العنصر المقوي الرئيسي في سلسلة 3xxx؛ يتحكم في بنية الحبيبات وتقسية الشغل
Mg	0.3 – 0.7	مقدار صغير من المغنيسيوم يزيد القوة ويحسن استجابة تقسية الشغل
Cu	≤ 0.2	النحاس المنخفض يقلل القابلية للتآكل بين الحبيبات
Zn	≤ 0.2	مستوى الزنك منخفض لتجنب النشاط الكهروكيميائي المفرط والحفاظ على القابلية للتشكيل
Cr	≤ 0.1	الكرومايت يدخل بكميات ضئيلة للتحكم في إعادة التبلور ببعض طرق الإنتاج
Ti	≤ 0.1	التيتانيوم يستخدم بكميات دقيقة كمكرر حبيبات في تصنيع السبيكة والسبك
عناصر أخرى	≤ 0.15 لكل منها، ≤ 0.05 Bi/Pb/Sb	عناصر متبقية وإضافات أثرية؛ الباقي ألومنيوم

يشكل محتوى المنغنيز والمغنيسيوم المحدد استجابة 3005 ميكانيكيًا. يُكوّن Mn جسيمات تشتت ويثبت بنية الحبيبات أثناء الدرفلة والتشكيل بينما يساهم Mg في تقوية المحلول الصلب ويزيد مقاومة الخضوع/الشد دون جعل السبائك قابلة للمعالجة الحرارية. ضبط مستوى الحديد والسيليكون مهم لتحسين جودة السطح وقابلية الانحناء، لا سيما للتطبيقات المعمارية المطلية.

الخواص الميكانيكية

سلوك الشد لـ 3005 يعتمد بشكل كبير على درجة المعالجة وسماكة الصفيحة. في الحالة المخمّدة (O) يظهر السبائك قوة شد معتدلة مع إطالة متجانسة طويلة مناسبة للتشكيل والسحب العميق، في حين أن درجات الشغل البارد H ترفع مقاومة الخضوع ومقاومة الشد على حساب اللدونة وقابلية التشكيل.

تزداد مقاومة الخضوع بشكل ملحوظ مع تقسية الشغل؛ وتستخدم درجات H14–H18 عادة حين تلزم صلابة الألواح، التشكيل الجانبي، والتحكم في الارتداد. سلوك الإجهاد المتكرر (Fatigue) معقول للأحمال الدورية المنخفضة إلى المتوسطة؛ وتتأثر فترة التعب بشكل كبير بجودة سطح القطعة، تلف التشكيل، ومواقع تركيز الإجهاد الناتجة أثناء التصنيع.

الصلادة تتبع نفس اتجاه القوة وتُقاس غالباً بمقاييس برينل أو فيكرز ضمن مراقبة الجودة. تظهر تأثيرات السماكة بشكل واضح: السماكات الأقل تتمتع بقابلية تشكيل أعلى عند درجة حرارة الغرفة وخواص أكثر انتظامًا بعد الشغل البارد، بينما القطع السميكة تظهر قيودًا أكبر على نصف قطر الانحناء وإطالة متجانسة أقل.

الخاصية	O/مخمّد	درجة رئيسية (H14 / H18)	ملاحظات
قوة الشد	100 – 150 MPa	180 – 260 MPa	النطاق يعتمد على الدرجة والسماكة؛ درجات H تقريبًا تضاعف الشد مقارنة بـ O في ظروف معينة
مقاومة الخضوع	35 – 80 MPa	120 – 200 MPa	مقاومة الخضوع ترتفع بسرعة مع تقسية الشغل؛ التحكم في المواصفات ضروري للأجزاء المشكّلة
الإطالة	18 – 30%	4 – 15%	الإطالة تنخفض مع زيادة القوة؛ يجب التصميم للتشكيل باستخدام O/H12/H14
الصلادة (HB)	25 – 45 HB	60 – 95 HB	الصلادة ترتبط بالشغل البارد؛ القيم تختلف حسب طريقة القياس والتحضير

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.73 جرام/سم³	نموذجية لسبائك الألومنيوم-المنغنيز المصبوب؛ مفيدة لحساب الكتل
نطاق الانصهار	~643 – 654 °C	نطاق نقطة الانصهار؛ يؤثر الشوائب على الصلبة والسائلة
التوصيل الحراري	~140 W/m·K (درجة حرارة الغرفة)	أقل من الألمنيوم النقي بسبب السباكة؛ لا تزال جيدة لنقل الحرارة
التوصيل الكهربائي	~35 – 45 % IACS	منخفضة مقارنة بالألمنيوم النقي؛ التوصيل يختلف حسب الدرجة والشغل البارد
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K	نموذجية لسبائك الألومنيوم قرب درجة حرارة الغرفة
التوسع الحراري	~23.6 µm/m·K (20–100 °C)	مقارنة مع سبائك الألومنيوم الأخرى؛ مهم لتجميعات المعادن المختلفة

تحافظ 3005 على العديد من الخصائص الفيزيائية المفضلة للألومنيوم: الكثافة المنخفضة، التوصيل الحراري الجيد، والسعة الحرارية النوعية العالية. أداؤها الحراري والكهربائي أقل من الألمنيوم النقي لكن يبقى مقبولًا للعديد من تطبيقات إدارة الحرارة والتأريض الكهربائي.

يجب على المصممين أخذ معامل التمدد الحراري بعين الاعتبار عند توصيل 3005 بالفولاذ أو النحاس لتجنب الإجهادات الدورية وفشل الأختام. تدعم قيم التوصيل الحراري والسعة الحرارية استخدامه في الألواح الخفيفة لنشر الحرارة والأغطية، حيث يكون الوزن وقابلية التشكيل أهم من التوصيل المطلق.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الطرز الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2 – 6.0 mm	السماكة تؤثر على قابلية التشكيل؛ السماكات الرقيقة أسهل في السحب	O, H12, H14, H16	الاستخدام الأوسع في الكسوة، لوحات الهيكل، الأجهزة المنزلية
لوح	>6.0 mm	انخفاض اللدونة؛ يُستخدم غالبًا حيث يلزم صلابة إضافية	H16, H18	توفر محدود في الألواح الثقيلة؛ إنتاج متخصص
البثق	مقاطع مقطعية حتى الأحجام المتوسطة	المقاطع المصنعة بالبثق يمكن أن تُعالج للتقوية أو تُشطب باردًا لزيادة القوة	H14, H16	أقل شيوعًا من بلاطات 6xxx؛ يُستخدم للزخارف التكميلية
أنبوب	سمك الجدار 0.5 – 6 mm، أقطار مختلفة	أنابيب ملحومة أو بدون لحام؛ منطقة التأثر الحراري للحام وسلوك التسطيح مهمة	O, H14	قنوات HVAC، أنابيب معمارية، هياكل الأثاث
قضيب/عصا	أقطار حتى ~50 mm	السحب البارد يزيد من القوة؛ توفر محدود	H12, H14	تستخدم في المثبتات، الدبابيس، والمكونات المشكّلة

الألواح واللفائف هي الأشكال السائدة لمنتجات 3005 بسبب قابلية التشكيل الممتازة للسبائك وتشطيب السطح الذي يجعلها مثالية للمنتجات المدلفنة. الألواح الثقيلة والمقاطع الأكبر أقل شيوعًا وتُستخدم عادة حيث يلزم توفير صلابة أو سماكة أعلى، رغم أن سلاسل الألومنيوم الأخرى غالبًا ما تكون مفضلة للألواح الهيكلية الثقيلة.

يتم إنتاج أشكال البثق والأنابيب عندما يكون المطلوب مقطع أو جزء مجوف؛ يجب تعديل معايير المعالجة (تصميم القالب، سرعة البثق، والتبريد) للسبائك التي تحتوي على Mn/Mg للتحكم بتدفق الحبيبات وجودة السطح. العمليات اللاحقة للتشكيل مثل الثني، الطي، وتمديد الشد هي عمليات روتينية للألواح واللفائف في سلاسل التوريد المعمارية والسيارات.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3005	الولايات المتحدة الأمريكية	تصنيف رابطة الألومنيوم؛ يُذكر عادة في أوراق البيانات
EN AW	3005	أوروبا	EN AA‑3005 / EN AW‑3005 مستخدمة في المعايير الأوروبية وشهادات المصنع
JIS	A3005 (تقريبًا)	اليابان	قد تذكر المعايير اليابانية مكافئات مقاربة؛ يجب دائمًا التحقق من التركيب والطرز
GB/T	3005 (تقريبًا)	الصين	تحتوي المعايير الصينية على تركيبات مماثلة؛ تحقق من المواصفة الوطنية للتسامحات

تدل اصطلاحات التسميات المكافئة عبر المعايير عادةً على نفس التركيب الكيميائي الأساسي، لكن المعايير الإقليمية قد تختلف في السماحات، الشوائب المسموح بها، ومتطلبات اختبار الإنتاج. على المهندسين دائمًا مراجعة جداول الخواص الميكانيكية وشهادات اختبار المصنع بدلاً من الاعتماد فقط على أرقام الدرجات الاسمية عند توريد المواد من الخارج.

مقاومة التآكل

يظهر 3005 مقاومة جيدة لتآكل الغلاف الجوي بما يتوافق مع سلسلة 3xxx بفضل طبقة الأكسيد المستقرة ومستويات السبائكية المعتدلة. يقدم أداءً جيدًا في البيئات الحضرية والصناعية ومقاومًا للتآكل العام والتلطيخ عند الطلاء أو التأكسيد الكهربائي (anodizing).

في البيئات البحرية والغنية بالكلوريد، الصلابة مناسبة للزخارف الخارجية والألواح الهيكلية غير الحرجة، لكنها ليست قوية مثل سلسلة 5xxx (التي تحتوي على Mg أعلى وتوفر مقاومة فطريات أفضل). يمكن أن يحدث تآكل مكثف موضعي تحت هجمات الكلوريد المركزة أو في الشقوق إذا تم الإضرار بطبقات الحماية.

تكسير التآكل بالإجهاد ليس مصدر قلق رئيسي لـ 3005 في ظروف الخدمة العادية لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية ويفتقر للتركيزات التي تعرض بعض السبائك عالية القوة للخطر. يجب إدارة التفاعلات الجلفانية مع المعادن المختلفة: فالألومنيوم أنودي مقارنة بالنحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ الكربوني، مما يؤدي إلى تأكله تفضيليًا ما لم يُعزل كهربائيًا أو يُحمى بطبقات ومواد مانعة للتسرب.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يسهل لحام 3005 باستخدام طرق TIG، MIG، واللحام النقطي التقليدية عند استخدام فلزات تعبئة ألمنيوم مناسبة. تشمل الفلزات التعبئة الشائعة 4043 (Al‑Si) و5356 (Al‑Mg) اعتمادًا على القوة المطلوبة للمفصل ومقاومة التآكل في الخدمة.

خطر التشقق الحراري منخفض مقارنة ببعض السبائك المعالجة حراريًا، لكن يجب على المشغلين التحكم في مدخل الحرارة ومحاذاة المفصل لتجنب التشوه المفرط وتقليل تليين منطقة التأثر الحراري في القطع التي خضعت لعمليات تشديد بارد كثيرة. يجب النظر في خصائص ما قبل وما بعد اللحام للألواح الحاملة للأحمال والتجميعات ذات الحافات.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل في 3005 متوسطة وغالبًا أفضل من الألومنيوم النقي لكنها أقل من النحاس الأصفر القابل للتشغيل الحر وبعض سبائك 6xxx. تستخدم عمليات التشغيل العادية أدوات كربيد عالية الجودة أو مغطاة بسرعة دوران معتدلة إلى عالية وزوايا زائدة إيجابية لتعزيز تكوين الرقائق المستمرة.

التحكم بالرقائق جيد عمومًا عند استخدام تجهيزات ثابتة وتزييت بالفيض أو الرش. الحفر والتخييط ممكنان في الطرز H، لكن يجب تحسين التغذية والسرعة لتجنب تشكيل حواف متراكمة وتشويه السطح، خصوصاً في الأجزاء ذات الجدران الرقيقة.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل من نقاط القوة في 3005 في الطرز اللينة والسماكات الرقيقة، مما يتيح عمليات السحب العميق، الشد، والثني المعقد. تحدد أنصاف أقطار الثني حسب الطرز والسماكة؛ للطرز O وH12 يمكن للمصممين استخدام أنصاف أقطار أصغر بينما تطلب الطرز H16–H18 أنصاف أقطار أكبر ومراعاة زيادة استرجاع المرونة.

استجابة الشغل البارد متوقعة: يسمح التسلسل المحكم لتصلب التشوه للمصنعين بزيادة القوة تدريجيًا في المزايا المشكّلة. للتشكيل الشديد أو الهندسة المعقدة، يُفضل اختيار الطرز O أو الطرز H الخفيفة والنظر في عمليات التلدين الوسيطة لاستعادة اللدونة.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، لا يستجيب 3005 لمعالجة الحل الحراري والشيخوخة الاصطناعية كما في سبائك 6xxx و7xxx. محاولات تطبيق دورات تقسية الترسّب لن تحقق تقويًة ملحوظة لأن المساهمين الأساسيين في القوة هم جسيمات Mn وعملية التشديد البارد.

يتم ضبط الأداء عبر العمل الميكانيكي وعمليات التلدين. يتحقق التلدين (التليين) بتسخين عند درجات حرارة مناسبة يتبعه تبريد بطيء أو متحكم به لاستعادة اللدونة؛ يستخدم المصنعون دورات التلدين الكامل (O) والتلدين الجزئي لإنتاج الطرز H24 وما شابه.

بالنسبة لمهندسي العمليات، تتلخص الضوابط الحرارية الرئيسية في تجنب ارتفاع درجة الحرارة المفرط أثناء اللحام والمعالجة الحرارية الذي قد يسبب تجميع جسيمات أو نمو الحبيبات غير المرغوب فيه. توفر إعادة التبلور المسيطر عليها عبر الدرفلة والتلدين الوسيط البنية المجهرية اللازمة لقابلية التشكيل وثبات تشطيب السطح.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تنخفض القوة الثابتة لسبائك 3005 تدريجيًا مع ارتفاع الحرارة والتعرض الطويل فوق نحو 100–150 °C؛ يجب على المصممين تحديد درجات حرارة الخدمة المستمرة واستشارة بيانات الزحف للمكونات المحددة. يتحمل التعرض المؤقت لدرجات حرارة أعلى، لكن الدورات الحرارية المتكررة قد تغير الاستقرار البُعدي وتوزيع التوترات المتبقية.

تأكسد السطح عند درجات الحرارة المرتفعة محدود مقارنة بالصلب، لأن الألومنيوم يشكل طبقة أكسيد حماية؛ إلا أن نمو الأكسيد والتقشير يمكن أن يؤثر على التصاق الطلاء والأسطح الكهربائية. في الهياكل الملحومة تظهر منطقة التأثر الحراري تليينًا محليًا وانخفاضًا في مقاومة الخضوع، مما يقلل قدرة التحميل في درجات الحرارة العالية وقد يستدعي تدعيمًا ميكانيكيًا أو تعديل تصميم المفصل.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 3005
السيارات	التشطيبات الخارجية ولوحات الهيكل	توازن جيد بين قابلية التشكيل، تشطيب السطح، والقوة المعتدلة
البحرية	الزخارف، الألواح غير الهيكلية	مقاومة كافية للتآكل وقابلية الطلاء في الأجواء الساحلية
الطيران	التجهيزات الداخلية، الأجزاء الهوائية	خفيف الوزن مع خصائص تصنيع جيدة للأجزاء غير الحرجة
الإلكترونيات	الأغطية والحاويات	توزيع حراري، حماية من المجالات الكهرومغناطيسية، ومواد خفيفة للتغليف
البناء والتشييد	المزاريب، الكسوة، الأسقف	مقاومة الطقس، قابلية التشكيل للمقاطع، والتصاق جيد للطلاء

يُعتبر 3005 ذا قيمة خاصة حيثما تُطلب أسطح مشكّلة كبيرة مع تشطيب خارجي عالي الجودة وسلوك موثوق للمقاومة ضد التآكل. يسهل تشكيل السبيكة وتشطيبها تقليل تكلفة التصنيع للألواح المعمارية وأجسام الأجهزة مع تقديم أداء ميكانيكي أفضل من الألومنيوم النقي.

نصائح للاختيار

عند اختيار 3005، يُفضل التصاميم التي تحتاج قوة أفضل من سلسلة 1000 و3003 مع الحفاظ على قابلية تشكيل ممتازة وقابلية للطلاء. اختَر الطرز O أو الطرز H الخفيفة للسحب العميق، وH14–H18 للألواح حيث تكون الصلابة وقوة الخضوع أهم من الاستطالة القصوى.

بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجارياً (1100)، يتنازل سبائك 3005 قليلاً في التوصيل الكهربائي والحراري مقابل قوة أعلى بشكل ملحوظ ومقاومة أفضل للتآكل. مقارنةً بسبائك العمل المصلد الشائعة مثل 3003 أو 5052، تقدم 3005 عادة زيادة متواضعة في القوة مقارنة بـ 3003 مع الحفاظ على قابلية تشكيل مماثلة؛ وغالباً ما يُفضل استخدامها حيثما تُطلب قوة أعلى قليلاً مع أداء جيد ضد التآكل. بالمقارنة مع السبائك المعالجة حرارياً مثل 6061، تمنح 3005 قابلية تشكيل فائقة وتكلفة أقل غالبًا، لكنها تمتاز بقوة قصوى أقل؛ يُنصح باستخدام 3005 عندما تكون عمليات التشكيل وجودة السطح هي العوامل المحددة بدلاً من مقاومة الشد القصوى.

الملخص الختامي

تظل سبائك 3005 خيارًا عمليًا وشائع الاستخدام لأنها تسد الفجوة في الأداء بين الألومنيوم النقي تجارياً عالي اللدونة والسبائك المعالجة حرارياً ذات القوة الأعلى. إن مزيجها من تقوية العمل البارد، مقاومة جيدة للتآكل، تشطيب سطحي ممتاز، وسلوك تصنيع متوقع يجعلها خيارًا مفضلاً للتطبيقات المعمارية، والسيارات، والاستهلاكية حيث تُعد قابلية التصنيع والمتانة من عوامل التصميم الأساسية.