ألمنيوم 3100: التركيب، الخصائص، دليل الحالة الحرارية، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
3100 هو أحد سبائك الألومنيوم من سلسلة 3xxx، وهي عائلة تتميز بالمغنيسيوم كعنصر سبيكي رئيسي. ينتمي إلى السبائك المصنعة غير المعالجة حراريًا، حيث تتحسن الخواص الميكانيكية بشكل رئيسي من خلال التحكم في العمل البارد بدلاً من عمليات المعالجة الحرارية لتقسية الترسيب.
العناصر السبيكية الرئيسية في 3100 هي المنغنيز (رئيسي)، مع مستويات منخفضة من السيليكون، الحديد وإضافات أثرية من المغنيسيوم، الكروم، والتيتانيوم. يوفر محتوى المنغنيز تقوية من خلال التصلب في الحالة الصلبة وتحسين سلوك التصلب عن طريق العمل مع الحفاظ على قابلية عالية للشد ومقاومة ممتازة للتآكل مقارنة بالسبائك المعالجة حراريًا عالية القوة.
آلية التقوية في 3100 تعتمد أساسًا على تصلب الإجهاد (تصلب العمل) والتحكم في البنية المجهرية من خلال المعالجة الحرارية-الميكانيكية؛ ولا يظهر تأثير مهم لتقسية العمر. تشمل الصفات الرئيسية قابلية تشكيل جيدة في حالات التلدين، وقوة معتدلة بعد التصلب البارد، مقاومة عالية للتآكل بشكل عام، وقابلية لحام جيدة باستخدام عمليات الانصهار الشائعة مع حساسية منخفضة لمنطقة التأثير الحراري (HAZ).
تستخدم 3100 في صناعات مثل المنتجات المعمارية والبناء، مكونات مبادلات الحرارة وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، الألواح الهيكلية الخفيفة، وتطبيقات الألواح/الشرائح العامة حيث يلزم توازن بين القابلية للتشكيل، مقاومة التآكل والقوة المعتدلة. يختار المهندسون 3100 عندما تكون القابلية للتشكيل ومقاومة التآكل أولوية على القوة القصوى وعندما تكون السبيكة غير المعالجة حراريًا والمحافظة على التكلفة مرغوبة.
متغيرات التلدين
| التلدين | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | مرتفع | ممتاز | ممتاز | مدلدن بالكامل، أعلى قابليه للشد والتشكيل |
| H12 | منخفض-متوسط | متوسط | جيد جداً | جيد جداً | تصلب جزئي بالشد، جيد للأجزاء المسحوبة |
| H14 | متوسط | متوسط-منخفض | جيد | جيد جداً | تلدين تجاري شائع للقوة المعتدلة |
| H18 | عالي | منخفض | مقبول | جيد | تصلب شديد بالعمل البارد لزيادة القوة |
| H24 | متوسط-عالي | متوسط | جيد | جيد جداً | تلدين حلولي + استرداد جزئي بالعمل عند درجة حرارة منخفضة |
| H22 | متوسط | متوسط | جيد جداً | جيد جداً | تحكم في الشد والعمل للأجزاء التي تحتاج تحكم في الارتداد |
يؤثر التلدين بشكل مباشر على موازنة القوة والليونة؛ حيث يعطي التلدين O أعلى استطالة وأفضل قابلية للتشكيل، بينما تزيد متغيرات التلدين H تدريجيًا من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد مع تراجع في الاستطالة. يعتمد اختيار التلدين على طريقة التشكيل والاستخدام النهائي: الرسم العميق والتشكيل القاسي يفضل O/H12، بينما الألواح والمقويات التي تتطلب قوة ثابتة أعلى تفضل H14/H18.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | شائبة نموذجية من عملية الصهر، تأثير قليل على القوة |
| Fe | ≤ 0.7 | شائبة شائعة، يمكنها تكوين مركبات بين فلزية تؤثر على الليونة |
| Mn | 0.8 – 1.5 | عنصر سبيكي رئيسي يوفر تقوية من خلال التصلب في الحالة الصلبة |
| Mg | ≤ 0.5 | بقليل؛ يزيد القوة قليلاً ويسهم في تصلب العمل |
| Cu | ≤ 0.2 | محتوى منخفض للحفاظ على مقاومة التآكل وقابلية اللحام |
| Zn | ≤ 0.2 | منخفض لتجنب الحساسية الكهروكيميائية الكبيرة |
| Cr | ≤ 0.1 | إضافة أثرية للتحكم في بنية الحبوب وتحسين المتانة |
| Ti | ≤ 0.15 | محسن لحجم الحبوب في المعالجة الصب أو شبه المستمرة |
| عناصر أخرى (لكل منها) | ≤ 0.05 | بقايا وعناصر أثرية، محكمة لضمان الجودة |
يعتبر محتوى المنغنيز العامل الرئيس في الأداء الميكانيكي، حيث يزيد من مقاومة الشد ويسمح بمعدلات تصلب عمل أعلى دون التأثير الكبير على الليونة. الحديد والسيليكون عناصر متبقية نموذجية تشكل جسيمات مشتتة ومركبات بين فلزية؛ إدارة مستوياتها مهمة لقابلية التشكيل وجودة السطح. الإضافات الثانوية مثل الكروم والتيتانيوم تستهدف التحكم في إعادة التبلور، حجم الحبوب واستقرار الخواص خلال الدورات الحرارية.
الخصائص الميكانيكية
يظهر سلوك الشد لـ3100 استجابة الألومنيوم النموذجية غير المعالج حرارياً: قوة أساسية منخفضة في الحالة الملدنة مع زيادة كبيرة بعد العمل البارد. نسب مقاومة الخضوع إلى مقاومة الشد معتدلة (غالباً 30–60% من UTS لحالات العمل الشديد)، ويحافظ المعدن على لينه الجيد في الحالات الملدنة، مما يسهل الرسم العميق والختم المعقد.
يرتبط الصلادة ارتباطًا وثيقًا بالتلدين ودرجة العمل البارد؛ تظهر مقاييس روكويل وفيكرز زيادة تدريجية من حالات O إلى H18. أداء التعب النموذجي للسبائك المصنعة مع حدود تعب تعتمد بشدة على جودة السطح، الإجهادات المتبقية من التشكيل ووجود الشوائب أو عيوب السطح. تؤثر سماكة المادة؛ حيث تحقق السماكات الرقيقة قابلية تشكيل أعلى وأقل عيوب داخلية، بينما قد تظهر السماكات السميكة ليونة أقل وتتطلب استراتيجيات تشكيل/قوالب مختلفة.
تسبب منطقة التأثير الحراري (HAZ) من اللحام تليينًا ميكانيكيًا موضعيًا بحدود تخفيف تأثير العمل البارد فقط؛ وبما أن 3100 غير مقسى بالترسيب، فإن انخفاض قوة منطقة التأثير الحراري معتدل وعادةً ما يمكن عكسه بمعالجات ميكانيكية بعد اللحام. سلوك الكسر للسبائك ليّن مع عنق كبير في الشد عند حالة التلدين، ويتحول إلى كسر سيلي أكثر مع زيادة التصلب بالعمل.
| الخاصية | حالة O/ملدنة | تلدين رئيسي (مثل H14/H18) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | 90 – 140 MPa | 160 – 260 MPa | القيم تعتمد على المعالجة، السماكة والمورد؛ النطاقات مؤشرية |
| مقاومة الخضوع | 30 – 60 MPa | 110 – 200 MPa | تزداد مقاومة الخضوع مع زيادة العمل البارد |
| الاستطالة | 30 – 45% | 5 – 20% | أعلى في السماكات الرقيقة والحالات الملدنة؛ تتناقص عند H18 |
| الصلادة (HV) | 20 – 40 HV | 45 – 90 HV | تتزايد الصلادة مع التلدين ودرجة العمل البارد |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.70 g/cm³ | نموذجية لسبائك الألومنيوم-المنغنيز المصنعة |
| نطاق الانصهار | 640 – 660 °C | نقطة الصلادة/السائلة لمصفوفة الألومنيوم النقي تقريبًا |
| التوصيل الحراري | 140 – 160 W/m·K | منخفض قليلاً مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبائكية |
| التوصيل الكهربائي | 30 – 45 % IACS | أقل من الألومنيوم النقي؛ يتأثر بمحتوى Mn وFe |
| السعة الحرارية النوعية | ~900 J/kg·K | مكافئة تقريبًا لسبائك الألومنيوم الشائعة الأخرى |
| المعامل الحراري للتمدد | 23 – 24 µm/m·K (20–100 °C) | معامل نموذجي لسبائك الألومنيوم |
تتميز 3100 بكثافة وخصائص حرارية قريبة جدًا من سبائك 3xxx الأخرى، مما يجعلها جذابة للتطبيقات التي تتطلب توفير الوزن والأداء الحراري معًا. يبقى التوصيل الحراري عاليًا مقارنة بالصلب والعديد من السبائك، مما يفيد مكونات توزيع الحرارة وتطبيقات مبادلات الحرارة.
التوصيل الكهربائي معتدل وكافٍ لبعض استخدامات الحافلات الكهربائية والألواح الموصلة، لكن 3100 لا تُختار للتطبيقات التي تتطلب أقصى توصيل كهربائي؛ حيث يُفضل هناك درجات الألومنيوم التجارية النقية أو السبائك الكهربائية منخفضة السبيكة. معامل التمدد الحراري نموذجي للألومنيوم ويجب أخذه بعين الاعتبار في التركيبات التي تجمع مواد مختلفة.
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | التحميات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2 – 6.0 mm | جيدة في الحالة O/H12؛ تزيد مع H14 – H18 | O, H12, H14, H18 | منتجة على نطاق واسع؛ تستخدم للواجهات والتكسية |
| صفائح | 6.0 – 25 mm | قابلية تشكيل أقل، صلابة اعوجاج أعلى | O, H22, H24 | الأجزاء السميكة تتطلب تشكيل/لحام خاص |
| بروفيلات بثق | بروفيلات تصل حتى 200 mm | القوة تعتمد على نسبة البثق والشيخوخة | O, H12, H14 | أقل شيوعًا من الألواح لكن مناسبة للبروفيلات المخصصة |
| أنابيب | أقطار متنوعة | سلوك مشابه لأنابيب المسحوبة/المبردة | O, H14 | شائعة لأنابيب التهوية والتبريد والنقل |
| قضبان/أعمدة | Ø2 – 50 mm | القوة تزداد مع السحب البارد | H12, H14, H18 | تستخدم للوصلات، المسامير، وقطع التشغيل العامة |
تعد الألواح والشرائط الأشكال السائدة لمنتج 3100 بسبب تركيز السبيكة على القابلية للتشكيل وجودة السطح. تستخدم الصفائح والأجزاء السميكة حيث يلزم الصلابة والسمك الإنشائي، لكنها تتطلب معالجة حرارية وميكانيكية أكثر دقة للحفاظ على المتانة. يتم إنتاج البروفيلات والأنابيب عند الحاجة إلى مقاطع معقدة أو أشكال جدران رقيقة مفتوحة، وتستخدم غالبًا في التهوية، البناء، والبروفيلات المعمارية.
تؤثر اختلافات المعالجة على الخصائص النهائية: جداول التدحرج وعمليات التلدين تحدد إعادة التبلور وحجم الحبيبات، في حين يحدد السحب البارد والتشكيل بالشد مقاومة الخضوع والضغوط المتبقية. غالبًا ما توجه اختيارات التطبيق حسب ما إذا كانت الأولوية هي تحقيق أقصى قابلية تشكيل (حالة O للألواح) أو قوة أعلى في الحالة المشكّلة (H14/H18).
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 3100 | الولايات المتحدة الأمريكية | مسجلة كسبيكة الألمنيوم المنصهرة Al–Mn في عائلة 3xxx |
| EN AW | 3100 | أوروبا | غالبًا ما تُشار إليها كـ EN AW-3100 في المعايير الأوروبية |
| JIS | A3100 | اليابان | المكافئات في JIS تتبع حدود تركيبية مماثلة |
| GB/T | 3100 | الصين | تتوافق المعايير الصينية عادة من حيث التركيب |
الدرجات المكافئة عبر المعايير تتطابق بشكل عام في التركيب الكيميائي لكن قد تختلف في حدود الشوائب، تعيينات التحميّة، وتحمل المنتج. قد يقدم الموردون في مناطق مختلفة نطاقات ميكانيكية مضمونة وفئات جودة سطحية مختلفة قليلاً، لذا يجب على المهندسين طلب تقارير اختبار معتمدة من المصانع في التطبيقات الحرجة. الفروق الطفيفة في حدود الشوائب (Fe، Si) تؤثر على قابلية التشكيل وجودة السطح؛ وهذه هي التفاصيل الأساسية التي يجب مراجعتها عند استبدال الدرجة المكافئة الإقليمية.
مقاومة التآكل
تتميز 3100 بمقاومة جيدة للتآكل الجوي العامة النموذجية لسبيكات Al–Mn بسبب تكوين طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية. في البيئات الريفية والصناعية، تؤدي السبيكة أداءً موثوقًا، وباستخدام معالجات سطحية مناسبة أو دهانات فإنها مناسبة للتعرض الطويل الأمد دون صيانة كبيرة.
في البيئات البحرية، تظهر السبيكة مقاومة معتدلة ضد التآكل النقطي وتآكل التجاويف، لكن التعرض للكلوريدات يسرع الهجوم المحلي مقارنة بالدرجات منخفضة السبائك أو ذات المقاومة العالية للتآكل مثل سبيكات سلسلة 5xxx المحتوية على المغنيسيوم أو السبائك البحرية الخاصة. مطلوب تفاصيل تصميمية مناسبة وطلاءات وتجنب تجمع مياه البحر الراكدة لضمان عمر طويل في التطبيقات البحرية.
التشقق الناتج عن التآكل الجهودي ليست مصدر قلق كبير بالنسبة لـ 3100 مقارنة بالسبائك العالية القوة والمعالجة حراريًا؛ حيث أن المستويات المنخفضة إلى المتوسطة للقوة وغياب البنية الدقيقة الصلبة بواسطة الترسيب يقلل من قابلية التشقق. ومع ذلك، يجب إدارة التفاعلات الجلفانية مع المعادن النبيلة الأخرى باستخدام مواد عازلة أو اختيار مسامير متوافقة لتفادي التسريع في الذوبان الأنودي في التجميعات المزدوجة.
مقارنةً بالألمنيوم التجاري النقي من سلسلة 1xxx، تقدم 3100 تنازلاً طفيفًا في الموصلية الكهربائية/الحرارية مقابل قوة ميكانيكية محسنة مع الحفاظ على سلوك مقاومة التآكل المشابه. مقارنة بسلسلة 5xxx أو 6xxx، ليست 3100 مقاومة للتآكل كالسبائك البحرية المتخصصة ولا قوية كسبائك المعالجة حرارياً، لذا يختارها المصممون عندما تكون الخصائص المتوازنة والتكلفة المعقولة ذات أهمية.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يمكن لحام 3100 بسهولة بطرق لحام القوس بالتيج (TIG) والمغ (MIG) مع تحضير بسيط، وتظهر حساسية منخفضة للتشقق الحراري لأنها تفتقر لعنصر سبائكي يشكل يوتكتيك. المواد الحشو الموصى بها هي سبائك الحشو الشائعة لأنظمة Al–Mn أو 4043/5356 العامة لأداء الوصلات؛ الاختيار يعتمد على الليونة ومقاومة التآكل المطلوبة. ستظهر منطقة التأثير الحراري(HΑΖ) بعض التليين إذا كانت هناك تعالجات ميكانيكية مسبقة، لكن غياب تقسية الترسيب يعني أن اللحامات لا تسبب هشاشة موضعية شديدة.
قابلية التشغيل
تشغيل 3100 معتدل؛ هي أسهل تشغيلًا من العديد من السبائك عالية القوة لكنها ليست سهلة القطع كالسبائك الألمنيوم المحتوية على الرصاص أو السبائك المتخصصة. يوصى باستخدام أدوات من الكربيد ذات زوايا تأثير إيجابية وطبقات طلاء مناسبة (TiN/TiAlN) للإنتاج عالي الحجم، وسرعات قطع معتدلة مع تبريد جيد تعطي أفضل جودة سطح. يميل المعدن إلى إنتاج رقائق شبه مستمرة؛ يمكن استخدام كاسرات رقائق أو تقطيع متقطع لتجنب انسداد الأدوات.
قابلية التشكيل
3100 قابلة للتشكيل بدرجة عالية في الحالة الملدنة O وتحافظ على قابلية السحب الجيدة في الحالات الخفيفة H مثل H12. نصف أقطار الانحناء النموذجية صغيرة للسمكات الرقيقة (مثال: ≤1t للألواح في حالة O)، لكن تتطلب أنصاف أقطار أكبر مع التحميّات H14/H18. تستجيب السبيكة جيدًا لعمليات التشكيل البارد؛ الارتداد المرن متوقع ويمكن السيطرة عليه باستخدام التشكيل بالشد أو طرق الشد المسبق.
سلوك المعالجة الحرارية
كسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، لا تستفيد 3100 من دورات المعالجة الحلولية والشيخوخة الترسيبية لزيادة القوة. تعتمد معالجة المصنع على العمل البارد لتحقيق درجات قوة أعلى، وأي تعرض حراري قريب أو أعلى من درجات حرارة إعادة التبلور يقلل القوة بسبب تخفيف تصلب العمل.
يتم تحقيق التلدين الكامل (تحميّة O) بتسخين إلى درجات حرارة بين 350–415 °C حسب سمك القطعة ومدة النقع، يتبعه تبريد متحكم به للحصول على بنية طرية معادة التبلور كاملة للتشكيل. يستخدم التلدين الجزئي وتخفيف الإجهادات لضبط الضغوط المتبقية والارتداد من دون تليين كامل للقطعة.
للتطبيقات التي تتطلب استعادة الخصائص بعد التشكيل أو اللحام، تُستخدم عمليات تلحيم وتحميل ميكانيكي لاحق لضبط التحميّة إلى درجات H المطلوبة كنهج قياسي. وبما أن التشيخ الصناعي له تأثير تقوية ضئيل، يتم تعيين التحميّة وضبط الخصائص من خلال التشوه الميكانيكي وليس من خلال المعالجة الحرارية الزمنية.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تحافظ 3100 على خصائص ميكانيكية مفيدة عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة، لكن القوة تتناقص تدريجيًا فوق حوالي 100–150 °C. للخدمة المستمرة فوق ~150–200 °C تصبح الزحف وفقدان قدرة التحمل أمرًا ملحوظًا ويجب النظر في سبائك حرارية بديلة.
الأكسدة في الهواء محدودة في درجات الحرارة التشغيلية النموذجية بفضل طبقة Al2O3 السطحية المستقرة، لكن التعرض لفترات طويلة لدرجات الحرارة المرتفعة يسرع نمو الحبيبات ويقلل قوة التشدد الناتجة عن العمل. منطقة التأثير الحراري حول اللحامات المكشوفة للحرارة قد تلين أكثر بسبب الاسترداد وإعادة التبلور المحدودة، لذا يجب تصميم الهياكل الملحومة المستخدمة في الخدمة الحرارية-الميكانيكية بحذر.
التعرض قصير الأمد لدرجات حرارة تقترب من نطاق الانصهار لا ينتج تحولات طورية تزيد القوة؛ بل يؤثر التعرض الحراري على تقليل القوة المكتسبة من العمل البارد وزيادة اللدونة. للمكونات المكشوفة للحرارة، ينبغي للمصممين تقييم تخفيف الضغوط المتبقية واستقرار الأبعاد بعد دورات الحرارة.
التطبيقات
| الصناعة | مكون مثال | سبب استخدام 3100 |
|---|---|---|
| السيارات | التشطيبات الداخلية واللوحات المطبوعة | قابلية تشكيل ممتازة وجودة سطح للأشكال المعقدة |
| البحرية | أنابيب HVAC وتركيبات غير هيكلية | توازن بين مقاومة التآكل وسهولة التصنيع |
| الفضاء | الهياكل الثانوية والأجزاء المغطاة | خفيفة الوزن مع قابلية تشكيل جيدة للأجزاء غير الحرجة |
| الإلكترونيات | موزعات الحرارة وغطاءات الأجهزة | موصلية حرارية عالية مع سهولة التشكيل |
يُختار 3100 للمكونات التي تتطلب تصنيعًا اقتصاديًا، جودة سطح جيدة، وإمكانية الخضوع للسحب العميق، الثني، واللحام دون تعقيدات سبيكات التقسية بالترسيب. وهو شائع بشكل خاص حيث تهيمن عمليات الألواح والشرائط وحيث تكفي مقاومة التآكل والقوة المتوسطة.
نصائح للاختيار
3100 هو خيار عملي عندما تكون القابلية للتشكيل، مقاومة التآكل والتكلفة العوامل الأساسية. اختر درجة التلدين O للقيام بالسحب العميق والأشكال المعقدة؛ واختر H14/H18 إذا كنت تحتاج قوة أعلى في الحالة المشكّلة مع قبول تقليل الاستطالة.
بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجاريًا (1100)، يوفر سبيكة 3100 قوة متزايدة وتصلبًا أفضل أثناء العمل مع تكلفة معتدلة في الموصلية وقابلية التشكيل. وبالمقارنة مع السبائك المعالجة بالعمل الشائعة مثل 3003 أو 5052، تميل 3100 إلى الاقتراب من سلوك 3003—مقدمة مقاومة للتآكل مماثلة ولكن تُختار لمعالجة المطاحن المحددة أو متطلبات السطح الخاصة. وعند مقارنتها بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061/6063، يُفضل استخدام 3100 حيث تكون قابلية التشكيل واللحام استثنائية، رغم انخفاض قوة الذروة؛ استخدم 6061 عند الحاجة إلى قوة ثابتة أعلى أو أداء محدد للتعب/الزحف.
الملخص الختامي
تظل 3100 ذات صلة كسبيكة ألمنيوم-منجنيز متوازنة للألواح، الشرائط والمكونات المشكلة حيث يتم تفضيل الدكتيلية ومقاومة التآكل على أقصى قوة. تجعل استجابتها المتوقعة للتصلب بالعمل، وتوافرها الواسع بأشكال المنتج الشائعة، وقابليتها الموثوقة للحام منها خيارًا مفضلًا للمعماريين، المصنّعين والمهندسين الباحثين عن حلول ألومنيوم اقتصادية وقابلة للتشكيل.