الألمنيوم 3203: التركيب، الخواص، دليل التلدين، والتطبيقات

نظرة شاملة

السبائك 3203 هي إحدى أعضاء سلسلة سبائك الألومنيوم 3xxx، وهي عائلة تتميز بالمغنيسيوم كعنصر سبائكي رئيسي. تصنف هذه السلسلة على أنها غير قابلة للمعالجة الحرارية وتكتسب قوتها أساسًا عن طريق تقوية محلول صلب وتقوية إجهاد (تشغيل بارد) أكثر من تقوية ترسيب.

العناصر السبائكية الرئيسية في 3203 هي المنغنيز مع إضافات محكومة من الحديد وعناصر أثرية مثل النحاس، المغنيسيوم، الكروم والتيتانيوم لضبط القوة وقابلية التشكيل. آلية التقوية تعتمد بشكل رئيسي على التقوية بالتشغيل البارد مزيجة مع تقوية محلول صلب من Mn والعناصر الثانوية؛ طرق التقوية التقليدية بواسطة المعالجات الحرارية T لا توفر تقوية إضافية ملحوظة لهذه السبيكة.

السمات الرئيسية لسبيكة 3203 تشمل توازنًا بين قوة معتدلة ومقاومة جيدة للتآكل في العديد من البيئات الجوية والمعتدلة التآكل، وقابلية تشكيل جيدة جدًا في الحالة المبللة (المعالجة بالترطيب). القابلية للّحام ممتازة عمومًا لسبائك Al-Mn، وغالبًا ما يُختار 3203 للتطبيقات التي تتطلب سحب عميق، تشكيل معقد، أو تجميعات ملحومة حيث تُفضل سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية.

الصناعات النموذجية التي تستخدم 3203 تشمل مكونات الصفائح للسيارات، الألواح المعمارية، الأجهزة المنزلية والسلع الاستهلاكية، وبعض المكونات البحرية والنقل. يختار المهندسون 3203 بدلًا من الألومنيوم التجاري النقي (للقوة الأعلى) أو سبائك 6xxx/7xxx القابلة للمعالجة الحرارية (لقابلية تشكيل ولحام أفضل دون الاعتماد على المعالجة الحرارية) عندما يكون التوازن بين قابلية التشكيل البارد، اللحام، ومقاومة التآكل مرغوبًا.

أنواع المعالجات الحرارية (Temper)

نوع المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع (≥25%)	ممتاز	ممتاز	معالجة مبللة كاملة؛ أعلى ليونة للسحب العميق
H14	متوسط-عالي	منخفض–معتدل (6–12%)	جيد	جيد	شبه صلب تم تشغيله باردًا؛ شائع للألواح المشكلة
H18	عالي	منخفض (3–7%)	محدود	جيد	صلب كامل مدلفن بارد؛ يستخدم حيث يكون الصلابة/القوة مطلوبة
H24	متوسط	معتدل (10–18%)	جيد	جيد	حالة تخفيف إجهاد؛ تحسين في التشكيل بعد عمل محدود
T5 / T6 / T651	غير قابل للتطبيق	غير قابل للتطبيق	غير قابل للتطبيق	غير قابل للتطبيق	3203 غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ درجات T لا تنتج تقوية ترسيبية

يؤثر نوع المعالجة تأثيرًا مباشرًا على الأداء الميكانيكي لل3203 لأن السبيكة تقوى أساسًا عن طريق التشغيل البارد. الانتقال من الحالة O إلى سلسلة H يزيد القوة عند الخضوع والشد بشكل كبير مع تقليل الاستطالة ونطاق التشكيل.

في الممارسة العملية، يحدد المصممون حالة O لعمليات التشكيل المعقدة والأجزاء التي تحتاج إلى سحب عميق، والحالات H14/H18 للمنتجات النهائية حيث يلزم الاستقرار الأبعادي والصلابة، وحالة H24 عندما يُرغب في تحقيق توازن بين القابلية للتشكيل والقوة المتبقية (بعد المعالجة).

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.10–0.40	متحكم به لتقليل تكون المركبات البينية القابلة للتكسر؛ السيليكون يحسن القابلية للصب عند تركيزات أعلى.
Fe	0.20–0.70	مستوى شائع من الشوائب؛ ارتفاع الحديد يشكل جسيمات بينية تؤثر على التشطيب السطحي والليونة.
Mn	0.6–1.5	العنصر السبائكي الرئيسي؛ يساهم في تقوية محلول صلب وتحسين بنية الحبيبات.
Mg	0.05–0.25	مساهم ثانوي في التقوية؛ زيادة المغنيسيوم قد تقلل مقاومة التآكل.
Cu	0.05–0.25	إضافات صغيرة تزيد القوة لكن قد تقلل مقاومة التآكل وقابلية اللحام إذا كانت زائدة.
Zn	≤0.25	يحافظ على انخفاضه لتجنب التكسر والمحافظة على القابلية للتشكيل ومقاومة التآكل.
Cr	0.03–0.20	يساعد في التحكم في بنية الحبيبات ويحسن القوة بعد المعالجة الحرارية الميكانيكية.
Ti	≤0.10	مكرر بنية الحبيبات أثناء الصب والتصلب؛ يساعد في الحصول على بنية دقيقة.
عناصر أخرى (لكل منها)	≤0.05	تشمل عناصر أثرية مثل V، Zr؛ الباقي هو ألومنيوم (المتوازن).

مستوى المنغنيز هو الأداة الرئيسية لضبط القوة في سبائك 3xxx، في حين يظهر الحديد والسيليكون كمواد متبقية تؤثر على تكون الجسيمات وجودة السطح. النحاس والمغنيسيوم الثانوية يوفران زيادة طفيفة في القوة لكن يجب التحكم فيهما للحفاظ على مقاومة التآكل وسلوك التصنيع.

الخواص الميكانيكية

تتأثر سلوك الشد في 3203 بشكل كبير بنوع المعالجة: في الحالة المبللة (O) تظهر السبيكة مقاومة شد وخضوع منخفضة نسبيًا مع استطالة عالية ومقاومة ممتازة للرقبة، في حين تقدم الدرجات المعالجة بالتشغيل البارد مقاومات خضوع أعلى بكثير مع ليونة أقل. تتناسب مقاومة الخضوع وقوة الشد النهائية مع درجة التشغيل البارد وقد تختلف بشكل ملحوظ مع سمك النصل بسبب تدرجات تقوية خلال السمك.

تتبع الصلادة اتجاه الشد وتعد مؤشراً مفيداً لتقدير مستوى التشغيل البارد أثناء التصنيع. يتأثر أداء الإجهاد بالتشطيب السطحي، الإجهاد المتوسط للشدة، ووجود الجسيمات البينية؛ الأسطح المحضرة جيدًا والتصاميم الحذرة يمكن أن توفر عمر إجهاد قوي مشابه لسبائك سلسلة 3xxx الأخرى.

السمك وتاريخ المعالجة مهمان: المقاييس الرقيقة تميل إلى الدلفنة الباردة إلى مقاومات أعلى وليونة أقل بسهولة، بينما يمكن لأجزاء أسمك الاحتفاظ بمزيد من الليونة بعد نفس مقدار التشغيل البارد. قد تظهر التركيبات الملحومة تخفيفًا موضعيًا في مناطق التأثير الحراري للحالات المعالجة بالتشغيل البارد، ويجب أخذ ذلك بعين الاعتبار في التصاميم الهيكلية.

الخاصية	O/مبلل	درجة رئيسية (H14)	ملاحظات
قوة الشد	110–140 MPa	180–240 MPa	نطاقات نموذجية؛ القيم النهائية تعتمد على السمك ودرجة التشغيل البارد.
قوة الخضوع	35–60 MPa	120–190 MPa	تزداد مقاومة الخضوع بشكل كبير مع التشغيل البارد؛ H14 عادة ما تحدد للأجزاء المشكلة.
الاستطالة	25–35%	6–12%	تنخفض الليونة بشكل كبير مع درجات أعلى؛ تستخدم O للسحب العميق.
الصلادة (HB)	30–45 HB	60–95 HB	الصلادة تتناسب مع نوع المعالجة وتوفر تغذية راجعة سريعة أثناء مراقبة الجودة.

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 جم/سم³	نموذجية لسبائك الألومنيوم-المغنيسيوم؛ مفيدة لحساب الكتلة.
نطاق الانصهار	~600–650 °C	يتغير الصلادة/السوائل قليلًا حسب التركيب؛ نطاق ضيق مقارنة بسبائك الصب.
التوصيل الحراري	120–160 W/m·K (25 °C)	أدنى قليلًا من الألمنيوم النقي بسبب السبائكة؛ جيد لإدارة الحرارة.
التوصيل الكهربائي	~30–45 % IACS	منخفض مقارنة بالألمنيوم النقي؛ يقل أثناء التشغيل البارد.
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	سعة حرارية نموذجية للألومنيوم تستخدم في الحسابات الحرارية.
التمدد الحراري	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	معامل تمدد حراري مشابه لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ مهم للتوصيل مع معادن مختلفة لمنع إجهاد المفاصل أو عدم تطابق حراري.

الجمع بين التوصيل الحراري والكهربائي العالي نسبيًا مع الكثافة المنخفضة يجعل 3203 خيارًا جذابًا للتطبيقات الحرارية الحساسة للوزن حيث لا يُطلب توصيل عالٍ جدًا. يجب استخدام قيم التمدد الحراري والتوصيل في تصميم التركيبات مع مواد مختلفة لتجنب الإجهاد أثناء التشغيل أو عدم تطابق حراري.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المطابقات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–4.0 mm	يصلب بالعمل على البارد؛ السماكات الأدق تصل إلى مطابقات أعلى	O, H14, H24	تستخدم على نطاق واسع للوحات والأجزاء المشكلة؛ السحب العميق في حالة O.
ألواح سميكة	4–25+ mm	قابلية محدودة للعمل على البارد في الأقسام السميكة جداً	O, H24	تستخدم للمكونات الهيكلية حيث يلزم سماكة؛ تقل قابلية التشكيل مع زيادة السماكة.
بروفيلات بثق	مقاطع حتى 1000 mm	الخواص الميكانيكية تعتمد على نسبة البثق والعمل على البارد اللاحق	O, H12/H14	بروفيلات بثق للإطارات المعمارية والقنوات.
أنابيب	سمك الجدار 0.5–6.0 mm	تعتمد القوة على طريقة التشكيل (ملحومة بح seam أو بدون)	O, H14	شائعة في أنظمة التهوية وتكييف الهواء وأنظمة السوائل ذات الضغط المنخفض.
قضبان/أعمدة	3–50 mm	تحافظ القضبان الصلبة على خواص التلدين ما لم تُسحب على البارد	O, H18	تستخدم للمكونات الميكانيكية والبراغي ومواد التشكيل.

تؤثر اختلافات المعالجة على قرارات الاستخدام: الألواح هي الأكثر شيوعاً وتستفيد من معالجة اللففة، الألواح السميكة والبروفيلات تتطلب دورات حرارية أطول وتقليل العمل على البارد. غالباً ما تبدأ التجميعات الملحومة من خامات O أو H24، ثم قد تخضع لعمليات عمل بارد لتحقيق التفاوتات البعدية النهائية.

درجات مكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3203	الولايات المتحدة	تعيين هذه السبيكة ضمن نظام Aluminum Association.
EN AW	— (الأقرب EN AW-3003 / EN AW-3105)	أوروبا	لا يوجد مكافئ دقيق في EN؛ 3003/3105 هما أقرب الدرجات التجارية من حيث التركيب والسلوك.
JIS	A3003 (تقريباً)	اليابان	المواصفات اليابانية عادة لا تسرد 3203 بشكل محدد؛ A3003 مشابهة تركيبياً.
GB/T	سلسلة 3xxx (الأقرب 3003)	الصين	التعيينات الصينية تعكس الكيمياء العامة لسبيكة 3xxx؛ المكافئات المباشرة لـ3203 غير شائعة.

تنشأ الاختلافات الطفيفة بين المعايير من حدود الشوائب المسموح بها والإضافات التتبعية الخاصة مثل Cr أو Ti التي تؤثر على بنية الحبيبات وقابلية التشكيل. عند الاستبدال، يجب على المهندسين مقارنة النطاقات الكيميائية المعتمدة بدقة، جداول الخواص الميكانيكية، والحالات الحرارية؛ فالاستبدال المباشر واحد لواحد قد لا يكون مقبولاً للتطبيقات الحرجة.

مقاومة التآكل

تتمتع 3203 بمقاومة جيدة للتآكل الجوي العام المميزة لسبائكات Al-Mn، حيث تشكل طبقة أكسيد مستقرة وملتصقة تحمي السطح الأساسي في العديد من البيئات الحضرية والصناعية. تتحمل السبيكة دورات البلل والجفاف بشكل جيد، وتعمل التشطيبات الشائعة مثل التأكسد الكهربائي (anodizing) على تحسين المظهر والحماية من التآكل.

في البيئات البحرية أو ذات المحتوى العالي من الكلوريدات، تؤدي 3203 بشكل مناسب للعديد من التطبيقات الهيكلية وغير الهيكلية لكنها ليست مقاومة للتآكل كالسبائك عالية الماغنيسيوم من سلسلة 5xxx في حالات الغمر في مياه البحر القاسية. يمكن أن يحدث تآكل موضعي على الأسطح المكشوفة في حال عدم تطبيق طبقات حماية أو معالجات أنودية، ويجب حماية اللحامات لتجنب تآكل التصدعات في المفاصل.

مقاومة التصدع الناتج عن التآكل الإجهادي (SCC) منخفضة مقارنة ببعض السبائك المعالجة حرارياً عالية القوة، لكن يجب على المصممين تقليل الإجهادات المتبقية الشدية والمركزات الحادة للإجهاد في المكونات المعرضة للبيئات العدوانية. تتبع التفاعلات الجلفانية قواعد الألمنيوم القياسية: تجنب التلامس المباشر مع المعادن النبيلة دون عزل؛ استخدم الأنودات التضحية أو المواد المعزولة عند الاقتران مع الفولاذ أو النحاس لمنع تسريع التآكل.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

تلحم 3203 بسهولة باستخدام عمليات الانصهار التقليدية مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW)، وتُنتج معدن لحام قابل للديكتيلية وانصهار عالي الجودة عند تنظيف الرأس وتوافق المفصل بشكل جيد. سبائك المادة الحشو النموذجية تشمل 4043 (Al-Si) و5356 (Al-Mg) حسب الحاجة للديكتيلية ومقاومة التآكل، وغالباً ما يُختار 4043 لتقليل مخاطر التشققات الساخنة. تكون مخاطر التشققات الساخنة منخفضة في سبائك Al-Mn، ولكن الاهتمام بتصميم المفصل، إدخال الحرارة، وضبط التشوه بعد اللحام أمر أساسي؛ المطابقات العاملة على البارد تظهر نقص الصلابة في منطقة تأثير الحرارة (HAZ) ويجب أخذ ذلك في الاعتبار في التصاميم الهيكلية.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل باستخدام الماكينات معتدلة عادةً وأقل من سبائك الألمنيوم عالية السيليكون سهلة القطع؛ تُشغل السبيكة جيداً بأدوات كربيد وتركيبات صلبة. يُنصح بسرعات قطع أعلى من الفولاذ ولكن أقل من سبائك الألمنيوم سهلة القطع، مع استخدام قواطع ذات زاوية هجوم إيجابية، وتوفير تبريد أو نفخ هوائي مكثف لتجنب حافة متراكمة ورقائق طويلة مترابطة. جودة السطح والسيطرة على الأبعاد جيدة جداً عند التحكم بالرقائق وإدارة تآكل الأدوات.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في حالة O حيث تدعم السبيكة عمليات السحب العميق، التشكيل بالشد، والانحناءات المعقدة بحد أدنى من التشقق. للعمل على الثني، يُنصح بأدنى أنصاف أقطار انحناء داخلية تقريباً 1–2× السماكة في حالة O، و3–4× السماكة في المطابقات H14/H18 لتجنب التشققات. التراجع المرن متوسط ويمكن التعويض عنه في تصميم أدوات التشكيل؛ يستخدم بعض التصاميم عمليات تمليين متوسطة لاستعادة الديكتيلية بعد العمل البارد المكثف.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، لا تستجيب 3203 للمعالجات بالحل الحراري والشيخوخة كالسبائك من سلسلة 6xxx أو 7xxx؛ التقدم الصناعي في التحمل لا ينتج تقوية هامة بالتصلب الترسيبي. محاولات شيخوخة السبيكة عند درجات حرارة T لا تُحدث زيادة واضحة في القوة كما هو الحال في العائلات القابلة للمعالجة الحرارية.

التلدين (إعادة التبلور) ودورات التلدين المضبوطة هي المعالجات الحرارية الأساسية المستخدمة مع 3203 لاستعادة الديكتيلية بعد العمل البارد. درجات الحرارة النموذجية للتلدين الكامل تتراوح بين 350–415 °C مع تبريد مسيطر عليه للحصول على حالة O؛ تستخدم التلدينات الجزئية ودورات تخفيف الإجهاد للوصول إلى H24 أو حالات تخفيف الإجهاد دون تليين المادة بالكامل.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تُظهر 3203 فقداناً تدريجياً في القوة مع زيادة درجة الحرارة؛ الخدمة المستمرة طويلة الأمد فوق 100–150 °C ستُظهر انخفاضاً ملحوظاً في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد. يمكن تحمل التعرض القصير المدى إلى درجات حرارة تصل إلى نحو 200 °C في الخدمة المتقطعة، لكن يجب على المصممين مراعاة انخفاض معامل المرونة وتأثيرات الزحف والإمكانية المحتملة لاستعادة البنية الدقيقة في المطابقات العاملة على البارد.

مقاومة الأكسدة نموذجيّة لسبائك الألمنيوم: تتشكل طبقة أكسيد رقيقة بسرعة وتمنع المزيد من الأكسدة، ولا يعد تكون القشور السطحية مشكلة عند درجات الحرارة ذات الصلة بمعظم تطبيقات 3203. مناطق تأثير الحرارة على اللحام ومناطق العمل البارد هي الأكثر حساسية للحرارة وقد تواجه تلييناً أو انخفاضاً في القدرة الميكانيكية عند