ألمنيوم 3033: التركيب، الخصائص، دليل التصلب، والتطبيقات

نظرة شاملة

3033 هو عضو في سلسلة سبائك الألمنيوم 3xxx، والتي تحتوي على المنغنيز، وهي سبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية وقابلة للتقسية بالتشكيل (strain-hardenable). ينتمي إلى العائلة التي يهيمن عليها المنغنيز حيث يُعتبر المنغنيز الإضافة الرئيسية لزيادة القوة، ويُعالج بشكل أساسي عن طريق التشغيل البارد لتطوير القوة.

الإضافات الرئيسية في 3033 عادةً ما تشمل المنغنيز مع كميات طفيفة من السيليكون، الحديد، النحاس، المغنيسيوم، الزنك، الكروم والتيتانيوم؛ حيث يتم ضبط هذه العناصر النزرة لتحقيق التوازن بين القوة، القابلية للتشكيل، ومقاومة التآكل. يعتمد السبيكة على تقوية محلول صلب من المنغنيز والعناصر الثانوية بالإضافة إلى التقسية بالتشكيل (الترسيب الصلب) بدلاً من التقسية بالترسيب، لذلك فإن حالة المادة (التمبر) وتاريخ التشغيل البارد هما العاملان الرئيسيان للأداء الميكانيكي.

الخصائص الرئيسية لـ 3033 تشمل قوة معتدلة مقارنة بالألمنيوم التجاري النقي، وقابلية جيدة للتشكيل في الحالة المعبأة (annealed)، ومقاومة معقولة للتآكل في العديد من الأجواء، وقابلية جيدة عامة للّحام بعمليات لحام الألمنيوم القياسية. الصناعات النموذجية التي تستخدم 3033 تشمل البناء والتشييد، هياكل وتطعيمات السيارات، HVAC، السلع الاستهلاكية، وبعض مكونات البحرية والإلكترونيات حيث تكون القوة المعتدلة وقابلية التشكيل الجيدة مطلوبة.

يختار المهندسون 3033 عندما تكون هناك حاجة لمزيج من القوة المعززة مقارنة بالألمنيوم النقي، وخصائص تشكيل ممتازة في تمبر O، ومعالجة اقتصادية؛ ويتم اختياره على السبائك القابلة للمعالجة الحرارية العالية القوة عندما يتطلب الأمر السحب العميق أو التشكيل المعقد، أو عندما تكون المحافظة على قوة ما بعد اللحام أكثر أهمية من الحد الأقصى لمقاومة الخضوع الممكن تحقيقها.

أنواع التمبر

التمبر	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	معبأة بالكامل؛ الأسهل في التشكيل والسحب
H12	منخفضة-متوسطة	متوسطة	جيدة جداً	جيدة جداً	تقسية خفيفة بالتشكيل؛ بعض الثباتية الأبعاد
H14	متوسطة	متوسطة-منخفضة	جيدة	جيدة جداً	تمبر شائع للألواح؛ توازن بين القابلية للتشكيل والقوة
H16	متوسطة	متوسطة-منخفضة	جيدة	جيدة جداً	أقوى من H14 مع انخفاض في الاستطالة
H18	متوسطة-عالية	منخفضة	مقبولة	جيدة جداً	تقسية أشد بالتشكيل لتحقيق مقاومة خضوع أعلى
H22	متوسطة	متوسطة	جيدة	جيدة جداً	تقسية بالتشكيل وجزئية معبأة للتحكم في الأبعاد
H24	متوسطة-عالية	متوسطة-منخفضة	مقبولة	جيدة جداً	تقسية بالتشكيل ومثبتة للتحكم في العودة المرنة (springback)
H111	متغيرة	متغيرة	متغيرة	جيدة جداً	حالة حرارية/ميكانيكية بين O وH1x؛ تقسية خفيفة بالتشكيل

يؤثر التمبر بشكل رئيسي على الخصائص الميكانيكية لأن 3033 يكتسب القوة تقريباً حصرياً عبر التشوه البلاستيكي وتراكم الانزلاقات. تُستخدم المادة المعبأة O للسحب العميق والتشكيل المعقد، في حين تُستخدم تمبرات H1x حيث تُطلب مقاومة خضوع أعلى وتحكم أبعاد أفضل.

تُبقى قابلية اللحام عالية عمومًا عبر التمبرات بسبب أن 3033 غير قابل للتقسية بالترسيب؛ مع ذلك، قد تقل القوة مجاورًا للحام في مناطق متأثرة بالحرارة بسبب التليين الموضعي، وخاصة في التمبلرات المعالجة بالتشكيل الشديد. لذا فإن اختيار التمبر المناسب هو تعبير عن موازنة بين القابلية للتشكيل، قوة الجزء النهائي، والعمليات المتوقعة بعد التصنيع.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.10–0.60	يسيطر على تدفق الصب ويؤثر بشكل معتدل على القوة
Fe	0.20–0.70	ملوث شائع؛ يقلل من اللدونة عند ارتفاعه
Mn	0.6–1.5	العنصر الرئيسي لتقوية سبائك 3xxx
Mg	0.02–0.20	مساهمة طفيفة في القوة والسلوك المقاوم للتآكل
Cu	0.02–0.20	كميات صغيرة تزيد القوة لكنها قد تقلل مقاومة التآكل
Zn	0.02–0.25	تأثير بسيط على القوة؛ الزنك الزائد يخفّض الأداء
Cr	0.01–0.10	تحكم في بنية الحبيبات ومقاومة لإعادة التبلور
Ti	0.01–0.15	مكرر لحبيبات الصب أو المنتجات المشغولة
عناصر أخرى (لكل منها)	0.05 كحد أقصى	إضافات ذرية وبقايا؛ يتم التحكم في مجموعها

كل نطاقات التركيب أعلاه هي نطاقات صناعية نموذجية لسبائك نوع 3033 وقد تختلف مواصفات المورد أو المعايير الفردية. المنغنيز هو العنصر المسيطر الذي يعزز تقوية المحلول الصلب ويوجه بنية الحبيبات، في حين تقوم العناصر الثانوية بضبط قابلية التشغيل، جودة السطح، ومقاومة التآكل.

يمكن أن تزيد الإضافات الطفيفة من المغنيسيوم والنحاس القوة أكثر، لكنها تقلل من بعض مقاومة التآكل؛ ويُسمح بالحديد والسيليكون كملوثات لكن يجب تقييدها لتجنب تكوين مركبات بين فلزية هشة تضر بالقابلية للتشكيل وأداء التعب.

الخصائص الميكانيكية

كونها سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، فإن سلوك الشد لـ 3033 يعتمد بشكل رئيسي على التمبر والسماكة. في حالة التعبئة O يُظهر 3033 مقاومة خضوع منخفضة نسبيًا وقوة شد نهائية معتدلة مع استطالة عالية مثالية لعمليات السحب. في التمبرات المتصلبة بالتشكيل (H14–H18)، تزداد مقاومة الخضوع وقوة الشد بينما تقل الاستطالة؛ يؤثر أسلوب التقسية بالتشكيل وقيمة r (مقدار تمدد السطح) على تشكيل الصفائح وسلوك العودة المرنة.

الصلادة ترتبط بالتمبر والتشغيل البارد؛ حيث تكون الصلادة منخفضة في الحالة المعبأة وتزداد بشكل كبير مع معالجة H1x. أداء التعب متواضع ويتأثر بشدة بجودة السطح، الإجهادات المتبقية من التشكيل/اللحام، ووجود التآكل؛ حيث تظهر الأجزاء المصقولة والمشغولة بالتشكيل البارد عادة حدود تحمل أفضل من المكونات الخشنة والمعبأة.

تؤثر السماكة بشكل متوقع: حيث تظهر الصفائح الرقيقة قوة ظاهرة أعلى بعد التشغيل البارد بسبب زيادة كمية التشغيل البارد لكل وحدة مساحة، في حين أن الصفائح السميكة أقل استجابة للتقسية بالتشكيل وقد تُعرض فقط في تمبرات أكثر طراوة.

الخاصية	O/معبأ	تمبر رئيسي (مثل H14/H18)	ملاحظات
قوة الشد	~110–150 MPa	~160–230 MPa	نطاق واسع حسب التشغيل البارد والسماكة
مقاومة الخضوع	~35–80 MPa	~120–200 MPa	مقاومة الخضوع ترتفع بشكل ملحوظ مع تمبرات H1x
الاستطالة	~25–40%	~6–20%	التمبر المعبأ عالي الليونة؛ H18 أقل بكثير
الصلادة (HRB)	~20–40	~40–75	الصلادة ترتبط بمستوى التقسية بالتشكيل

القيم المدرجة هي نطاقات نموذجية إرشادية لألواح وأشكال 3033 المُستخرجة؛ يجب الاعتماد على بيانات الاختبار الدقيقة من شهادات المورد للحسابات التصميمية. يجب على المصممين مراعاة انخفاض القوة في منطقة الحرارة المتأثرة باللحام وعند تحديد عمليات التشكيل، كذلك حساب العودة المرنة المتوقعة بناءً على سلوك مقاومة الخضوع ومعامل المرونة المحددين لكل تمبر.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 جم/سم³	نموذجية لسبائك الألمنيوم؛ تستخدم في حسابات الوزن والصلابة
نطاق الانصهار	~640–660 °C	فاصل الصلب-السائل يتأثر بإضافات السبائك
التوصيل الحراري	~120–160 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي؛ جيد للتبريد غير الحرج
التوصيل الكهربائي	~30–45 %IACS	منخفض مقارنة بالألمنيوم النقي بسبب الإضافات؛ مناسب لبعض التطبيقات الموصلية
السعة الحرارية النوعية	~896 J/kg·K	تقريبية عند درجة حرارة الغرفة
التوسع الحراري	~23–24 µm/m·K (20–100°C)	توسع متساوي الاتجاه نموذجي لسبائك الألمنيوم المشغولة

يحافظ 3033 على ميزة خفة الوزن للألمنيوم مع كثافة حوالي 2.70 جم/سم³، مما يجعله جذابًا حيث يقل الوزن أهمية. التوصيل الحراري والكهربائي أقل من الألمنيوم النقي ولكنه كافٍ للعديد من تطبيقات توزيع الحرارة والموصلية المتوسطة؛ للتطبيقات عالية الأداء لمشتتات الحرارة، قد يُفضل استخدام سبائك أكثر توصيلاً أو الألمنيوم النقي.

التوسع الحراري مشابه لسبائك الألمنيوم الأخرى ويجب أخذه في الاعتبار في التجميعات التي تضم مواد مختلفة لمنع حدوث إجهادات حرارية أو عدم تطابق أبعاد خلال دورات الخدمة الحرارية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المقاومة	الحالات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2–6.0 مم	تستجيب جيدًا للعمل البارد	O, H14, H16, H18	تستخدم للألواح، أنظمة التهوية والتكييف، الحاويات
صفائح	>6.0 مم	استجابة أقل للتصلب الناتج عن الإجهاد	O, H111	الأقسام الثقيلة عادةً ما تُورد بحالة أنعم
بثق (أكسترولشن)	وفقًا للشكل المقطع	العمل البارد محدود حسب الملف الشخصي	O, H112	ملفات معقدة للاستخدام الهيكلي أو الزخرفي
أنابيب	سمك الجدار 0.4–6.0 مم (متغير)	الأنابيب المسحوبة باردة تزيد من قوتها	O, H14, H16	تستخدم للأثاث، أنظمة التهوية، مبادلات الحرارة
قضبان/أعمدة	Ø3–Ø60+ مم	تصلب محدود بعد البثق	O, H111	مخزون للتشغيل، أدوات تثبيت، أعمدة

منتجات الألواح والنحيفة من 3033 سهلة التشكيل، وتستخدم غالبية التطبيقات الهيكلية والزخرفية الألواح بحالة O أو حالات حرارية خفيفة مثل H. أشكال البثق والأنابيب تتطلب تحكمًا دقيقًا في التبريد والشيخوخة الطبيعية للتحكم في الثبات البُعدي، والصفائح الثقيلة تُباع عادة بحالة أنعم لأن التصلب الناتج عن العمل في الأقسام السميكة أقل كفاءة.

تختلف طرق المعالجة: يمكن سحب الألواح عميقًا أو تشكيلها باللف بسهولة، في حين تسمح عمليات البثق بأشكال مقاطع معقدة لكنها قد تحتاج إلى تشغيل إضافي؛ القابلية للحام والتشطيب التالي (الأنودة، الطلاء) توجه اختيار شكل المنتج للاستخدام النهائي.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3033	الولايات المتحدة الأمريكية	تصنيف الصناعة للسبيكة في سجل Aluminum Association
EN AW	3033	أوروبا	تصنيف تجاري شائع تحت معايير EN
JIS	—	اليابان	لا يوجد ما يعادل دقيق 1:1؛ سلوكيات مماثلة مع سبائك Al-Mn من سلسلة 3xxx
GB/T	—	الصين	لا يوجد مكافئ مباشر في العديد من قوائم GB العامة؛ يشابه عائلة 3A21/3xxx

الدرجة 3033 معيارية تحت Aluminum Association وغالبًا ما تُعرف في أوروبا باسم EN AW-3033؛ ومع ذلك، قد لا تتوفر مكافئات صرفة 1:1 في المعايير الوطنية لبعض المناطق. حيث لا توجد مكافئات مباشرة منشورة، يجب على المهندسين مقارنة التركيب الكيميائي وسلوك الحالة الحرارية مع سبائك 3xxx المجاورة (مثل 3003، 3004) والتحقق من الأداء عبر بيانات المورد.

عند الاستبدال، تأكد من مقاييس رئيسية مثل محتوى Mn، حدود الشوائب، استجابة التقسية، وضوابط عمليات المورد لتجنب اختلافات غير متوقعة في التشكيل، مقاومة التآكل أو القابلية للحام.

مقاومة التآكل

الدرجة 3033 تظهر مقاومة جيدة عامة لتآكل الغلاف الجوي النموذجي لسبائك Al-Mn؛ الطبقة المؤكسدة الطبيعية توفر حماية في البيئات الحضرية والريفية. في الأجواء الصناعية التي تحتوي على SO2 مرتفع أو ملوثات حامضية، يقل الأداء مقارنة بالسبائك الأسمى أو الأنظمة المطلية بشكل خاص، لذا غالبًا ما يوصى بحماية سطحية أو طلاء مناسب.

في البيئات البحرية أو عالية الكلوريد، يُظهر 3033 أداءً معتدلاً لكنه أقل مقاومة من سبائك سلسلة 5xxx (Al-Mg) المصممة خصيصًا للتعرض لمياه البحر. مقاومة الحفريات مقبولة في الظروف ذات التآكل المعتدل؛ للتعرض الطويل تحت الغمر أو مناطق الرش، يُفضل استخدام سلسلة 5xxx أو طلاءات حماية مناسبة.

حساسية الانشقاق الناتج عن التآكل تحت الإجهاد منخفضة للدرجة 3033 لأنها غير خاضعة للمعالجة الحرارية وتفتقر للبنيّات المصلدة بالترسيب التي قد تُحفز الانشقاق؛ مع ذلك، الإجهادات المتبقية من التشكيل أو اللحام مع بعض البيئات قد تُشكّل مخاطر موضعية. التفاعلات الكهربائية الجلفانية تتبع سلوك الألمنيوم القياسي: عند الاقتران مع معادن أكثر نبلاً (النحاس، الفولاذات المقاومة للصدأ في ظروف معينة)، يكون الألمنيوم أنوديًا وسيتآكل تفضيليًا ما لم يُعزل كهربائيًا أو يستخدم الحماية الكاثودية.

خواص التصنيع

القابلية للحام

يمكن لحام 3033 بسهولة باستخدام عمليات الألمنيوم الشائعة مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW). السبائك المضافة المقترحة عادةً هي Al-Si (مثل 4043) لتحسين السيولة وتقليل ميل التشقق، أو مواد ملء Al-Mg (مثل 5356) عندما يُطلب قوة وصلابة اللحام أعلى مع مطابقة أفضل لليونة المعدن الأساسي. خطر التشقق الحار منخفض نسبيًا مقارنة ببعض السبائك العالية القوة، لكن تصميم الوصلات الجيد، النظافة، والتحكم في إدخال الحرارة ضرورية لتقليل المسامية وتليين منطقة التأثير الحراري (HAZ).

قابلية التشغيل

قابلية تشغيل 3033 متوسطة ومماثلة لسبائك 3xxx الأخرى؛ أصعب من سبائك الألمنيوم سهلة التشغيل وأيسر من العديد من السبائك القابلة للمعالجة الحرارية عالية القوة. استخدام أدوات كربيد بزوايا إيجابية، إعدادات صلبة وتبريد غزير ينتج شرائح منتظمة وعمر أطول للأداة؛ سرعات القطع الموصى بها معتدلة والتغذية مضبوطة لتفادي تكوّن الحافة المرتفعة. جودة السطح والدقة الأبعاد تتأثر بالحالة الحرارية؛ الحلات ذات التصلب الأعلى تتطلب قوى أكثر وتقلل من الميل لتشويش الحواف.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل من نقاط القوة في 3033 في الحالة المخنّدة O، مما يسمح بالسحب العميق، التشكيل بالتمديد، والانحناءات المعقدة مع أقل قدر من التشقق. أنصاف أقطار الانحناء الموصى بها تعتمد على الحالة الحرارية والسماكة لكن القيم النموذجية تتراوح بين 1–3 أضعاف سماكة المادة للرسومات المعتدلة وتكون أكبر لحالات H18/H24. العمل البارد يزيد القوة لكنه يقلل من الاستطالة ويزيد من الارتداد المرن، لذلك يجب على المصممين اختيار الحالة الحرارية التي توازن متطلبات التشكيل والخواص الميكانيكية النهائية.

سلوك المعالجة الحرارية

3033 هي سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، لذا لا ينتج عن المعالجات التقليدية للمعالجة بالتحليل والشيخوخة التي تستخدم مع سبائك 2xxx/6xxx/7xxx تقسية ترسيبية. تحاول عمليات الشيخوخة الصناعية لا تحقق زيادات ملحوظة في القوة تتجاوز تأثيرات الشيخوخة الطبيعية الطفيفة. لهذا السبب، تُستخدم المعالجة الحرارية بشكل أساسي للتخنيد أو تليين المادة بدلاً من تقويتها.

التصلب الناتج عن العمل هو آلية التقسية الأساسية: الزيادات التدريجية في كثافة الانزلاقات عبر الدرفلة الباردة، السحب أو الثني ترفع مقاومة الخضوع ومقاومة الشد. التليين الكامل (حالة O) يستعيد الليونة بواسطة إعادة التبلور والاسترداد. الحلات المستقرة (H112, H22, H24) تتحقق بالجمع بين العمل البارد والمعالجات الحرارية منخفضة الحرارة للتحكم في الارتداد المرن والثبات البُعدي دون الاعتماد على الترسّب.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تقل مقاومة 3033 التشغيلية مع ارتفاع درجات الحرارة؛ فوق 100–150 درجة مئوية تقريبًا، تتسارع آليات الاسترداد والزحف وتنخفض قيم مقاومة الخضوع والشد بشكل ملحوظ. للتشغيل المستمر عند درجات حرارة مرتفعة، يجب على المصممين الأخذ بالحسبان تراجع الخواص الميكانيكية والنظر في سبائك مصممة خصيصًا لاحتفاظ أفضل بالقوة عند درجات الحرارة العالية.

سلوك التأكسد مقبول للألمنيوم—تتشكل طبقة أكسيد واقية بسرعة—لكن التعرض المطول لبيئات رطبة أو تحتوي على الكلوريدات عند درجات حرارة عالية قد يعزز التآكل. مناطق اللحام والأجزاء التي عولجت بالعمل البارد بشكل مكثف تكون معرضة بشكل خاص للتليين الموضعية أو انخفاض مقاومة الزحف في حالات التعرض الحراري المفاجئ.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 3033
السيارات	تجهيزات داخلية، ألواح زخرفية	قابلية تشكيل جيدة، قوة معقولة، فعّالة من حيث التكلفة
البحرية	أغلفة غير هيكلية، تجهيزات	مقاومة تآكل معتدلة وخفة الوزن
الفضاء	تجهيزات داخلية وحوامل	نسبة قوة إلى وزن مناسبة للأجزاء الهيكلية غير الحرجة
الإلكترونيات	هياكل، مبردات حرارة متوسطة الأداء	توازن بين القابلية للتشكيل والنقل الحراري

يُختار 3033 بشكل شائع للأجزاء التي تتطلب تشكيلًا معقدًا، أداء تآكل موثوق في التعرض البحري غير الحرج، وإنتاج اقتصادي لأجزاء الألواح. يجمع بين قابلية حام عالية، وزن خفيف، وسلوك تصلب متوقع يجعلها مفيدة لمجموعة واسعة من المكونات الهيكلية والتجميلية متوسطة الشدة.

في العديد من التطبيقات، يوفر 3033 توازنًا عمليًا بين التكلفة والأداء عندما لا تكون أعلى قوة مطلوبة مطلقة لكن القابلية للتشكيل وسلامة المنتج بعد التصنيع ضرورية.

إرشادات الاختيار

اختر 3033 عندما تحتاج إلى قوة أفضل من الألمنيوم التجاري النقي مع المحافظة على قابلية تشكيل ممتازة وسهولة في اللحام؛ فهي خيار وسط عملي في عائلة 3xxx. للأجزاء المسحوبة عميقًا التي يُخطط لتعزيزها لاحقًا عبر العمل البارد، تسمح حالة O بأقصى قابلية تشكيل وتقسية متوقعة.

بالمقارنة مع الألمنيوم النقي تجاريًا (مثل 1100)، يقدم 3033 تنازلاً في بعض الموصلية الكهربائية والحرارية مقابل قوة محسنة ومقاومة أفضل للنتوءات والتعب. بالمقارنة مع السبائك الشائعة المقسّاة ميكانيكيًا (مثل 3003 أو 5052)، غالبًا ما يقع 3033 في موقع القمة ضمن عائلة السبائك المعتمدة على المنغنيز من حيث التوازن بين القوة ومقاومة التآكل — فهو غالبًا خطوة أعلى من 3003 في القوة مع الاحتفاظ بسلوك تشكيل مماثل. بالمقارنة مع السبائك المعالجة بالحرارة (مثل 6061 أو 6063)، لن يصل 3033 إلى نفس القوة القصوى لكنه مفضل حيث تكون عمليات التشكيل العميق، اللحام دون مخاوف الشيخوخة، أو توافر الصفائح ذات التكلفة الأقل أهم من القوة الساكنة القصوى.

الملخص الختامي

يظل 3033 ذا صلة حيث يتطلب المهندسون حلاً من الألمنيوم قابل للتصنيع، قابل للحام، وذو قوة معتدلة يوازن بين قابلية التشكيل، مقاومة التآكل، والتكلفة؛ استجابته المتوقعة للتقسية الحرارية وتوفره الواسع في شكل الصفائح والبروفيلات تصنع منه خيارًا متينًا للعديد من التطبيقات الصناعية والاستهلاكية.