ألمنيوم 3009: التركيب، الخواص، دليل التصلب والاستخدامات

نظرة شاملة

3009 هو سبيكة ضمن سلسلة الألمنيوم 3xxx، وهي عائلة يُعرف فيها المنغنيز كعنصر سبائكي رئيسي. وكون 3009 عضوًا من مجموعة 3xxx، فهو يستمد تقويته الأساسية من تأثيرات المحلول الصلب والتقسية بالعمل، بدلاً من المعالجة الحرارية للتساقط التي تتحكم في حدود معالجته وأدائه.

العناصر السبائكية الرئيسية في 3009 هي المنغنيز (Mn) مع إضافات طفيفة من المغنيسيوم (Mg) ومستويات أثرية من السيليكون والحديد وبقايا أخرى. توفر هذه الإضافات مزيجًا من القوة المحسنة مقارنة بالألمنيوم التجاري النقي، وقابلية تشكيل جيدة، ومقاومة مناسبة للتآكل دون الحاجة لدورات تقسية بالزمن (age hardening).

الخصائص الرئيسية لـ 3009 تشمل قوة شد وقوة خضوع معتدلة لسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، مقاومة جيدة لتآكل الغلاف الجوي، قابلية تشكيل ممتازة في درجات التليين (tempers) الملسّاة، وقابلية لحام روتينية باستخدام عمليات الالتحام الشائعة بالاندماج. الصناعات النموذجية التي تستخدم 3009 تشمل التعبئة والحاويات (ألواح علب وإغلاقات)، البناء والكسوات، مكونات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، وتطبيقات صفائح المعادن العامة حيث يتطلب توازن بين القابلية للتشكيل والقوة.

غالبًا ما يختار المهندسون 3009 عندما تكون الأولوية لقابلية التشكيل والقوة المعقولة بتكلفة منخفضة، وحيث لا تكون السبائك القابلة للمعالجة بالمعالجة الحرارية ضرورية أو مرغوبة. وتمنحه موقعه ضمن سلسلة 3xxx ميزة تكلفة ومقاومة تآكل على السبائك ذات القوة الأعلى والمعالجة حراريًا للعديد من مكونات الصفائح والهياكل الخفيفة.

اختلافات التليين (Temper Variants)

درجة التليين	مستوى القوة	التمدد	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية (~25–40%)	ممتازة	ممتازة	حالة مخملة كاملة لأقصى قابلية للطرق
H12 / H14	منخفضة–متوسطة	متوسطة (~12–25%)	جيدة جدًا	جيدة جدًا	عمل بارد خفيف يزيد من مقاومة الخضوع، شائع للأجزاء المشكلة
H18	متوسطة–مرتفعة	منخفضة (~2–6%)	ضعيفة	جيدة	قاسية بالكامل، تستخدم عند الحاجة لمقاومة ارتداد ومرونة عالية
H32 / H34	متوسطة	متوسطة (~8–18%)	جيدة	جيدة	مشدودة بالتقسية الجزئية ومتلينة لتحقيق توازن بين التشكيل والقوة
H111	منخفضة–متوسطة	متوسطة (~10–20%)	جيدة جدًا	جيدة جدًا	مستقرة إلى حد كبير لعمليات التشكيل المحدودة
T5 / T6 / T651	غير قابلة للتطبيق	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر	درجات التساقط النموذجية غير تطبيقية؛ 3009 غير قابل للمعالجة الحرارية

تحكم درجة التليين في التوازن الميكانيكي لـ 3009 بشكل مباشر من خلال التقسية بالعمل ودورات التليين. تسمح درجات التليين O (المخملة) بالتشكيل العميق والتشكيل المعقد بينما يتم اختيار درجات التليين H لتحقيق قوة خضوع وصلابة أعلى على حساب التمدد وقابلية التشكيل.

ونظرًا لأن 3009 لا يستجيب للتقسية بالتساقط، فإن السيطرة على درجة التليين تتحقق بالكامل من خلال العمل الميكانيكي البارد وخطوات التليين المضبوطة، التي تؤثر أيضًا على الارتداد، الإجهادات المتبقية، والسلوك اللاحق للحام والطلاء.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.20–0.60	مستوى شائع من الشوائب؛ زيادة Si تقلل قليلاً من اللدونة
Fe	0.20–0.70	شوائب شائعة؛ زيادة Fe المفرطة تقلل مقاومة التآكل وقابلية التشكيل
Mn	0.60–1.50	العنصر الرئيسي للتحسين في سلسلة 3xxx؛ يحسن القوة وسلوك إعادة التبلور
Mg	0.10–0.50	زيادة بسيطة في Mg ترفع القوة بشكل معتدل ويمكن أن تحسن استجابة التقسية بالعمل
Cu	≤0.10	تبقى منخفضة للحفاظ على مقاومة التآكل وتقليل قابلية تآكل الإجهاد (SCC)
Zn	≤0.10	مستويات منخفضة محكومة لتجنب التأثير السلبي على مقاومة التآكل
Cr	≤0.10	مستويات أثرية قد توجد لتثبيت هيكل الحبيبات
Ti	≤0.15	سبائك دقيقة لتحسين تكرير الحبيبات في التصنيع المصبوب أو المشغول
أخرى (لكل عنصر)	≤0.05	بقايا غير محددة، متوازنة مع الألمنيوم (~الباقي)

محتوى المنغنيز هو الإضافة السبائكية السائدة التي تحدد سلوك سلسلة 3xxx من خلال توفير تقسية محلول صلب وبنية تحتية مستقرة أثناء العمل البارد. الإضافات الطفيفة من المغنيسيوم ترفع القوة وتعدل من سلوك التقسية بالعمل، بينما يحافظ تقييد النحاس والزنك على مقاومة التآكل العامة جيدة.

تؤثر العناصر الأثرية والبقايا على نافذة المعالجة، وإعادة التبلور، وخصائص السطح؛ والمواد المعتمدة وفقًا لمواصفات معينة تتحكم في هذه العناصر لضمان تجانس التشكيل، وربط القطع، وأداء مقاومة التآكل.

الخصائص الميكانيكية

يتميز سلوك الشد لـ 3009 بأنه نموذجي لسبائك ألمنيوم–منغنيز غير القابلة للمعالجة الحرارية: قوة شد نهائية معتدلة مع نقطة خضوع منخفضة نسبيًا في حالة التليين، وارتفاع في قوة الخضوع مع التصلب البارد. اللدونة عالية في درجة التليين O وتنخفض تدريجيًا مع زيادة التقسية بالعمل؛ لذلك يجب على المصممين مراعاة انخفاض إجهاد التشكيل المسموح به لدرجات التليين H أثناء عمليات التشكيل.

تعتمد قيم مقاومة الخضوع والقوة الشدية بشكل كبير على درجة التليين والسمك. صفائح الرقيقة التي تمر بتقسية عمل بارد إلى H14 أو H18 ستظهر زيادات جوهرية في قوة الخضوع مقارنة بالحالة O، لكن هذا يصاحب انخفاض في الاستطالة وزيادة تأثير الارتداد الذي يؤثر على قوالب التشكيل والتحكم في الأبعاد.

الصلادة تتناسب مع درجة التليين: قيم فيكرز / برينل تتحرك من منخفضة في O (ناعمة، صلادة منخفضة) إلى قيم أعلى بشكل كبير في H18 (صلادة كاملة). أداء التحمل تحت الإجهاد الدوري عادة ما يكون جيدًا للأحمال الخفيفة ولكنه حساس لسطح التشطيب، والإجهادات المتبقية من التشكيل واللحام، وتأثيرات تقييد السمك.

الخاصية	O / حالة مخملة	درجة تليين رئيسية (مثل H14/H18)	ملاحظات
قوة الشد	~70–120 MPa	~150–260 MPa	نطاق واسع بسبب التليين والسمك؛ القيم تقريبية لمقاييس الصفيح النموذجية
قوة الخضوع	~30–60 MPa	~120–220 MPa	التقسية بالعمل ترفع قوة الخضوع بشكل كبير؛ نسبة الخضوع إلى الشد تتحسن مع العمل البارد
التمدد	~25–40%	~2–20%	الدكتيلية تنخفض مع التقسية بالعمل؛ التصاميم يجب أن تراعي التشكيل في درجات O أو اللينة
الصلادة (BHN)	~20–40 HB	~40–90 HB	الصلادة تتناسب تقريبًا مع التقسية السابقة بالعمل؛ تؤثر على الأداء في مقاومة التآكل والطبع

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 g/cm³	نموذجية لسبائك ألمنيوم–منغنيز المشغولة، مفيدة لحسابات الكتلة والصلابة
نطاق الانصهار	600–655 °C	السبايكة تخفض درجة انصهار الصلب قليلاً عن الألمنيوم النقي (660 °C)؛ المراحل المصبوبة غير مؤثرة في الصفائح المشغولة
التوصيل الحراري	~130–170 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي لكن لا يزال عاليًا؛ مفيد لمكونات تبديد الحرارة
التوصيل الكهربائي	~30–40 % IACS	منخفض مقارنة بالألمنيوم التجاري النقي بسبب السبائكة؛ كافٍ لبعض استخدامات قضبان التوصيل والموصلات حيث مطلوب التشكيل
السعة الحرارية النوعية	~900 J/kg·K	سعة حرارية نموذجية بالقرب من درجة حرارة الغرفة لسبائك الألمنيوم
التمدد الحراري	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	مماثل للسبائك الأخرى من الألمنيوم؛ مهم للجوانب المتعلقة بالربط الحراري والتصميم ثنائي المعدن

يحافظ 3009 على العديد من الخصائص الفيزيائية الجذابة للألمنيوم: كثافة منخفضة، توصيل حراري عالي، وسعة حرارية نوعية كبيرة. تساهم هذه العوامل في تحقيق نسبة قوة إلى وزن جيدة وإدارة حرارية فعالة في تطبيقات الصفائح.

بالنسبة للمصممين، يجب موازنة الانخفاض المعتدل في التوصيل الكهربائي والحراري مقارنة بالسبائك الأنقى مع التحسينات في الخصائص الميكانيكية ومزايا قابلية التشكيل.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المقاومة	الصلابات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2–6.0 mm	السماكة تؤثر على معدل التقسية بالعمل؛ السماكات الرقيقة تستجيب جيداً لتشكيل العلب	O, H12, H14, H18	الشكل السائد للتغليف، التغليف الخارجي والأجزاء المشكلة
ألواح سميكة	6–25 mm	قابلية التشكيل البارد محدودة؛ الاستخدام أكثر للأجزاء المخروطة والأغراض الإنشائية	O, H32	يستخدم حيثما تكون الأقسام السميكة أو التشغيل ضرورية
بثق	مقاطع عرضية متغيرة	هندسة المقطع تؤثر على الإجهادات المتبقية؛ عادةً ما يُستخدم العمل البارد بعد البثق	O, H111	أقل شيوعاً من الألواح، يستخدم للمقاطع الخاصة
أنابيب	سماكة الجدار 0.3–5 mm	طريقة السحب ولحام اللحامات تتأثر بالصلابة؛ الجدران الرقيقة تتطلب صلابات O/H14	O, H14	قنوات HVAC والأنابيب البنيوية الخفيفة
قضبان/أعمدة	Ø6–50 mm	تستخدم للأجزاء المخروطة والوصلات؛ عادةً ما تكون قضبان المخزون أكثر رخاوة للعمليات الثانوية	O, H111	أقل شيوعاً لدرجة 3009؛ سلاسل أخرى أكثر اعتياداً لقضبان ذات قوة عالية

تختلف عمليات التصنيع بين الألواح، الألواح السميكة والسبائك البثق نتيجة لمسار التشوه، الإعادة التبلورية أثناء التسخين وقدرة التصلب بالعمل البارد. سماكات الألواح الأمثل للسحب العميق والتشكيل بالدرفلة، بينما الأشكال السميكة كالألواح والقضبان موجهة أكثر للتشغيل والتشكيل المحدود.

توافر الصلابات المحددة يعتمد على قدرات المصنع والطلب السوقي؛ 3009 يُخزن عادةً على شكل ألواح بعدة صلابات O وH لتشكيل وتصنيع العلب.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3009	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية سبائك مشغولة نموذجية وفق معايير Aluminum Association
EN AW	3009	أوروبا	تسمية EN مكتوبة عادةً كـ EN AW‑3009 للتحكم في التركيب المكافئ
JIS	A3009 / سلسلة A3000	اليابان	المعايير اليابانية تقابل عائلة 3xxx؛ يمكن أن يختلف اللاحق الدقيق حسب المواصفة
GB/T	3009 / سلسلة AlMn	الصين	تعرض جداول GB/T الصينية سبائك مشغولة Al–Mn مكافئة؛ تحقق من المواصفة الدقيقة للاستخدامات الحرجة

غالباً ما تستخدم المعايير الإقليمية ترقيم مباشر لسبائك Al–Mn المشغولة، لكن حدود التركيب الكيميائي، الشوائب المسموح بها وتعريفات الصلابة قد تختلف. للأجزاء الحرجة من المهم مقارنة المواصفة أو شهادة المصنع الخاصة بالتركيب والخواص الميكانيكية بدلاً من افتراض التبادل.

الفروق الدقيقة مثل الحد الأقصى للحديد أو السيليكون، الضمانات على الخواص الميكانيكية عند سماكات معينة، ومواصفات التشطيب تؤثر على مقاومة التآكل وقابلية التشكيل، وبالتالي تتطلب التحقق عند تبديلات المعايير.

مقاومة التآكل

في البيئات الجوية، يظهر 3009 مقاومة جيدة للتآكل الطبيعي مقارنة بسبائك Al–Mn الأخرى بسبب طبقة أكسيد الألومنيوم الواقية. يعمل بشكل جيد في الأجواء الصناعية والريفية ويقاوم التصبغات والتآكل النقطي العام أفضل من السبائك الحاملة للنحاس بسبب محتواه المنخفض من النحاس.

في البيئات البحرية أو المحتوية على الكلوريدات، يقدم 3009 مقاومة معتدلة؛ والتآكل الناتج يكون موضعي على الحواف المعرضة أو إذا تلفت الطبقة الواقية ميكانيكياً. للتعرض البحري الطويل، توفر سبائك سلسلة 5xxx (Al–Mg) أداءً أفضل عمومًا، رغم أن 3009 يظل مقبولاً للمكونات الداخلية البحرية والتطبيقات غير المعرضة مباشرة لرذاذ ماء البحر.

خطر التكسير بسبب تآكل الإجهاد منخفض في 3009 نظراً لقوته المنخفضة في الصلابات النموذجية وغياب النحاس العالي؛ ومع ذلك يجب تقييم الهياكل الملحومة ذات الإجهادات الاحتياطيّة العالية والبيئات العدوانية. التفاعلات الجلفانية تتبع قواعد الألمنيوم العامة: 3009 يتآكل تفضيلياً عند الاقتران مع معادن أكثر نبلاً مثل النحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ ما لم يكن معزولاً كهربائياً أو تستخدم الأنودات المضحّية.

مقارنةً بالعائلات المعالجة حرارياً (6xxx/7xxx)، يتنازل 3009 عن أعلى مقاومة مقابل استقرار أفضل في مقاومة التآكل في العديد من التطبيقات الجوية ويتجنب مشاكل عدم ثبات الصلابة بعد المعالجة الحرارية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يسهل لحام 3009 باستخدام عمليات الانصهار الشائعة مثل GTAW (TIG) و GMAW (MIG) مع ترطيب جيد واحتمالية منخفضة للتشقق الحار. يُستخدم عادةً سبائك الحشو الألمنيومية القياسية مثل ER4043 (Al‑Si) أو ER5356 (Al‑Mg) حسب المتطلبات المرغوبة من الليونة ومقاومة التآكل؛ ER4043 يوفر سيولة محسنة وتقليل خطر التشقق الحار في لحام الألواح الرقيقة.

تليين منطقة التأثر بالحرارة (HAZ) محدود مقارنة بالسبائك المعالجة حرارياً لأن 3009 غير مقوى بالشيخوخة، لكن قد تحدث إجهادات متبقية وتشوهات محلية مع خطوط لحام كثيفة وسماكات رقيقة. قد يلزم إجراء معالجات ميكانيكية قبل وبعد اللحام (تخفيف الإجهاد، تليين خفيف أو تسوية ميكانيكية) للتجميعات الدقيقة.

قابلية التشغيل

كسبائك مشغولة رخوة ونطاطة نسبياً، يمكن تشغيل 3009 بسهولة متوسطة لكنه يميل لإنتاج رقائق طويلة ومتصلة إذا لم تستخدم أدوات ذات هندسة كاسرة للرقائق. يُنصح باستخدام أدوات كربيد بزوايا رفع إيجابية ومعدلات تغذية عالية لتجنب تراكم الحواف؛ يجب استخدام سرعات قطع معتدلة مقارنة بالفولاذ والتيتانيوم نظراً لميول الألمنيوم للانسداد والالتصاق.

مؤشر قابلية التشغيل أقل من سبائك الألمنيوم سهلة القطع لكنه مشابه لسلسلة 3xxx الأخرى؛ التشطيب السطحي والتحكم في الأبعاد عادة ممتاز إذا تم الحفاظ على التبريد المناسب، تغليف الأدوات وإزالة الرقائق.

قابلية التشكيل

يتميز 3009 بسهولة تشكيل عالية في الصلابات O والصلابات الخفيفة H، مما يتيح عمليات السحب العميق، الكحت والطباعة المعقدة مع خطر منخفض للتشقق. يعتمد الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء الموصى به على الصلابة والسماكة لكنه عادة يكون في النطاق 1–3× سماكة المادة للانحناء الهوائي في الصلابات المليّنة ويزداد للصلابات الصلبة.

استجابة التقسية بالعمل متوقعة ومتجانسة؛ على المصممين تخطيط تسلسل التشكيل لتجنب فرط الإجهاد في المناطق المحلية ويمكن استخدام التلدين الوسيط لاستعادة اللدونة عند الحاجة لأكثر من مرحلة تشكيل.

سلوك المعالجة الحرارية

3009 سبائك مشغولة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ يُتحكم في خواصها الميكانيكية بالتشغيل البارد والتلدين بدلاً من المعالجة بالذوبان وشيخوخة الترسيب. وبناءً عليه، لا تحقق دورات المعالجة التقليدية المستخدمة لسلسلة 6xxx أو 7xxx تقسية ملحوظة في 3009.

يُستخدم التلدين اللين (تلدين إعادة التبلور) لاستعادة اللدونة بعد العمل البارد، ويتم عادةً عند درجات حرارة تعزز إعادة التبلور دون حدوث انصهار مبدئي أو نمو حبيبات مفرط. يلي التلدين أفران محكمة التحكم وتسريع التبريد ثم تتم المعالجة الميكانيكية للوصول إلى الصلابات الهجينة المطلوبة.

بما أن التقسية تتحقق عبر التشوه البلاستيكي، يمكن للمصممين تعديل الخصائص المحلية باستخدام عمليات ميكانيكية (مثل الدرفلة الباردة، التشكيل بالشد) وتلدينات موضعية؛ مما يجعل 3009 مرنًا للأجزاء التي تتطلب صلابة متغيرة أو خصائص نابضية دون بنية تحتية معقدة للمعالجة الحرارية.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

يحافظ 3009 على قوة معتدلة حتى درجات حرارة مرتفعة نسبياً لكنه يلين تدريجياً عند تجاوز ~150–200 °C، مما يحد من استخدامه الإنشائي عند درجات الحرارة العالية المستمرة. عادةً ما تُحفظ درجة حرارة الخدمة التصميمية لمكونات التحميل الطويلة تحت 100–150 °C للحفاظ على هامش الخضوع وعمر التعب.

معدلات الأكسدة عند درجات حرارة مرتفعة تبقى منخفضة بسبب طبقة الأكسيد الواقية للألمنيوم، لكن زيادة تراكم القشرة وتصلب أفلام السطح يمكن أن تؤثر على قابلية التشكيل بعد التعرض الطويل. ستظهر مناطق اللحام ومنطقة تأثير الحرارة HAZ تليينًا محلياً ويجب أخذ ذلك في الاعتبار ضمن تصميمات التعرض الحراري والتشوه الزاحف.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 3009
السيارات	ألواح الهيكل الخارجية، التشطيب	قابلية تشكيل جيدة ومقاومة للضرر مع وزن منخفض
التغليف	أجسام علب المشروبات، الأغلفة	توازن بين قابلية السحب، التشطيب السطحي والتكلفة
البناء والإنشاءات	التغليف الخارجي، الأسقف، المزاريب	مقاومة التآكل وسهولة التشكيل لتفاصيل معمارية
HVAC	قنوات التهوية، الزعانف	توصيلية حرارية، قابلية التشكيل ومقاومة التآكل
الأجهزة المنزلية	الألواح الداخلية، الهياكل	تكلفة اقتصادية، يسهل لحام الخياطة أو التثبيت على شكل دبابيس مع تشطيب سطحي جيد

يجمع 3009 بين قابلية التشكيل، القوة الكافية ومقاومة التآكل مما يجعله سبيكة مفضلة لتطبيقات الألواح الرقيقة حيث يتطلب التشكيل المعقد والوزن المنخفض. كما أن استخدامه في التغليف والمنتجات المعمارية الخفيفة يظل سائداً بفضل توازن خصائص السبيكة وتوفرها في المصانع.

رؤى الاختيار

اختر 3009 عندما تكون قابلية التشكيل العالية والقوة المعقولة هي العوامل الرئيسية، وعندما لا يكون تقسية الترسيب ضرورية. توفر هذه السبائك خيارًا أقل تكلفة وأسهل في التشكيل مقارنة بالعديد من السبائك القابلة للمعالجة بالحرارة، كما تقدم أداءً أفضل في مقاومة التآكل مقارنة بالسبائك المحتوية على النحاس.

بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجارياً (1100)، يضحي 3009 بجزء من الموصلية الكهربائية والحرارية مقابل تحسين مقاومة الخضوع ومقاومة الشد وقدرة أفضل على تقسية التشوه، مما يجعله مفضلاً للأجزاء الحاملة للأحمال والمشكلة. مقابل السبائك المقواة بالتشغيل الشائعة مثل 3003 أو 5052، عادةً ما يقع 3009 بينهما: حيث يوفر قوة أعلى قليلاً من الألومنيوم النقي وقابلية تشكيل تنافسية، مع مقاومة تآكل تقارب 3003 لكنه عادةً أقل من 5052 التي تتضمن نسبة أعلى من الماغنسيوم في البيئات البحرية.

عند المقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة بالحرارة (6061/6063)، يُختار 3009 عندما تكون التشكيلات المعقدة، وانخفاض التكلفة، ومقاومة التآكل العامة الأفضل أكثر أهمية من تحقيق أقصى قوة ذروة؛ وهو الخيار المناسب للمكونات العميقة السحب والمشكلة بالدوران حيث تكون المعالجات الحرارية بعد التشكيل غير عملية أو قد تلحق ضررًا بالهندسة.

الملخص الختامي

يبقى 3009 سبيكة هندسية ذات صلة لأنها تجمع بين سهولة التصنيع والثبات في مقاومة التآكل لسلسلة 3xxx مع زيادة معتدلة في القوة نتيجة الإضافات المضبوطة من المنغنيز والماغنسيوم. يجعل توافقها مع عمليات التشكيل واللحام والتشطيب القياسية منها خيارًا عمليًا للصناعات التي تهيمن عليها الألواح، حيث تُطلب مواد ذات تكلفة فعالة ومرونة عالية.