ألمنيوم 3303: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

يمثل 3303 أحد سبائك الألومنيوم من السلسلة 3xxx، والتي تُعرف باستخدام المنغنيز كعنصر رئيسي مضاف إلى الألومنيوم النقي تجارياً. كسبائك من السلسلة 3xxx، فإنها غير قابلة للمعالجة الحرارية ويعتمد آلية تقويتها الأساسية على التقسية الناتجة عن التشوه البارد وعمليات التبريد والتحكم في الحالة الحرارية بدلاً من تقسية الترسيب. تشمل العناصر الرئيسية المضافة المنغنيز (الذي يتحكم في استجابة التقسية بالتشوه وهيكل الحبوب) مع كميات أصغر من الحديد والسيليكون ونسب ضئيلة من النحاس والكروم التي تضبط القوة، وقابلية التشكيل، وسلوك المقاومة للتآكل.

الصفات الرئيسية للسبائك 3303 تتمثل في مقاومة شد معتدلة مع ليونة ممتازة ومقاومة جيدة للتآكل في العديد من الظروف الجوية والبيئات ذات التآكل المعتدل. يوفر السبيكة قابلية جيدة للحام باستخدام طرق اللحام بالتوصيل التقليدية وقابلية تشكيل ممتازة في الحالات المذابه، مما يجعله ملائمًا بشكل خاص لتصنيع الألواح المعدنية وعمليات تشكيل اللف. تشمل الصناعات النموذجية الواجهات المعمارية، ومكونات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، ومشروبات التعبئة والتغليف، والهياكل الخفيفة، وتطبيقات الصفائح المعدنية العامة التي تتطلب توازنًا بين قابلية التشكيل، ومقاومة التآكل، والتكلفة.

يختار المهندسون 3303 عندما تكون هناك حاجة لقوة محسنة مقارنة بالسبائك النقية جدًا (مثل 1100) دون التعقيد الذي يصاحب معالجة أنظمة السبائك القابلة للمعالجة الحرارية (السلسلتان 6xxx و7xxx). تكون نافذة الأداء جذابة عندما تكون القوة المعتدلة، وقابلية الرسم العميق، وقابلية اللحام الموثوق بها هي العوامل الأساسية وعندما لا تكون بيئة الخدمة شديدة العدائية (مثل الغمر البحري الغني بالكلوريد). يُفضل استخدام هذه السبيكة على درجات السبائك القابلة للمعالجة الحرارية ذات القوة الأعلى عندما تكون المرونة في التشكيل، والربط، وما بعد التصنيع، ذات أولوية وعندما تفرض قيود التكلفة والتوافر استخدام سبائك تحتوي على المنغنيز وتنتج على نطاق واسع.

حالات المعالجة الحرارية

الحالة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	مرتفعة	ممتازة	ممتازة	حالة مُعالجة بالكامل (مذابة)؛ الأفضل للرسم العميق والتشكيل المعقد
H111	منخفضة-معتدلة	مرتفعة-معتدلة	جيدة جدًا	جيدة جدًا	تقسية بالتشوه الطفيف من الحالة O؛ يُستخدم للتشكيل الخفيف مع زيادة طفيفة في القوة
H14	معتدلة	معتدلة-منخفضة	جيدة	جيدة جدًا	حالة تصلب ربع صلبة ناتجة عن العمل البارد؛ شائعة لتطبيقات الصفائح ذات القوة المتوسطة
H16	معتدلة-عالية	منخفضة-معتدلة	متوسطة	جيدة جدًا	حالة نصف صلبة؛ تُستخدم عندما يكون التحكم بالصلابة والقفز الارتدادي هامًا
H18	عالية	منخفضة	ضعيفة-معتدلة	جيدة جدًا	حالة صلبة بالكامل بعد الدرفلة الباردة؛ تُستخدم لأقصى قوة وصلابة كما هي بعد الدرفلة
H24 / H26	معتدلة-عالية	منخفضة	متوسطة	جيدة جدًا	تصلب بالتشوه ومثبت جزئيًا؛ تُستخدم عند الحاجة لاستقرار حراري معين

تلعب حالة المعالجة الحرارية دورًا قويًا ومتوقعًا في الأداء الميكانيكي والتشكيل في 3303 لأنه غير قابل للمعالجة الحرارية ويعتمد على العمل البارد. الانتقال من الحالة O إلى H18 يزيد بشكل كبير من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد مع تقليل الاستطالة وقابلية التشكيل، لذلك يختار المصممون الحالة لتحقيق توازن بين عمليات التشكيل والصلابة والقوة النهائية للقطعة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة المئوية	ملاحظات
Al	الباقي	العنصر الأساسي؛ الباقي بعد إضافات السبائك
Si	≤ 0.6	شائبة قد تقلل الليونة وتزيد القوة قليلاً
Fe	≤ 0.7	شائبة شائعة؛ تشكل مركبات بينية تؤثر على المتانة ونعومة السطح
Mn	0.8–1.5	العنصر الرئيس للتقوية في سلسلة 3xxx؛ يحسن بنية الحبوب وتقسية التشوه
Mg	≤ 0.3	كميات صغيرة قد تزيد القوة قليلاً بدون فقدان كبير في القابلية للتشكيل
Cu	≤ 0.2 (نموذجي)	نسب ضئيلة قد تحسن القوة لكنها تقلل مقاومة التآكل عند ارتفاعها
Zn	≤ 0.2	عادة منخفضة؛ القيم الأعلى غير معتادة في عائلة 3xxx
Cr	≤ 0.1	إضافة أثرية لتحكم في نمو الحبوب وتحسين استقرار منطقة التأثير الحراري
Ti	≤ 0.15	مكرر حبيبات في المنتجات المصبوبة أو المشغولة
عناصر أخرى (لكل عنصر)	≤ 0.05	تشمل V، Ni، Sn؛ تُحفظ نسبها منخفضة لتجنب المراحل الضارة

يهيمن المنغنيز على أداء السبيكة حيث يوفر تقوية في المحلول الصلب وتحسين قدرة التقسية بالتشوه. يُسمح بوجود الحديد والسيليكون كشوائب شائعة تؤثر على قابلية التشكيل والتشطيب؛ والتحكم في مستوياتهما يحسن جودة السطح ويقلل من خطر الجسيمات البينية الهشة. تُستخدم الإضافات الأثرية مثل الكروم والتيتانيوم لصقل الميكروهيكل وتثبيت نمو الحبوب خلال الدورات الحرارية والمعالجة الميكانيكية.

الخواص الميكانيكية

يعرض 3303 سلوك شد كلاسيكي لسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية: مقاومة خضوع منخفضة نسبيًا في الحالة المعالجة حرارياً مع مدى استطالة واسع، وزيادة تصاعدية في مقاومة الخضوع والشد مع زيادة العمل البارد. تستطيع السبيكة تحقيق استطالة متجانسة كبيرة في الحالة O، مما يجعلها مناسبة للرسم العميق والتشكيل التزايدي؛ في الحالات H تنخفض الليونة مع زيادة كثافة الانزلاقات وتقسية المادة. تتوافق الصلادة مع درجة العمل البارد وتعتبر مؤشرًا عمليًا لحالة المعالجة؛ تزداد الصلادة مع رقم الحالة H وتوفر قدرة أفضل على تحمل التعب إلى حد قبل أن يتسارع فقدان الليونة وبدء تشققات التعب.

تعتمد حياة التعب على نعومة السطح، والسماكة، والإجهاد المتوسط المطبق؛ يكون أداء الصفيحة المصقولة والمذابة أفضل من الصفائح المدغلة باردة عند نفس القوة الاسمية بسبب الانخفاض في مواقع نشوء الشقوق. لتأثير السماكة أهمية كبيرة: الصفائح الأرق عادةً ما تكون أكثر قوة في السبائك المدغلة بسبب العمل البارد الأكبر أثناء الدرفلة وكثرة العيوب الصغيرة. يجب أن يراعي تصميم المكونات الحساسة للتعب حالات المعالجة الحرارية والتشطيبات السطحية التي تقلل من الشقوق، وتتجنب حواف القطع الحادة، وتتحكم في الإجهادات المتبقية.

الخاصية	O/معالجة حرارية	الحالة الرئيسية (H14)	ملاحظات
مقاومة الشد	100–140 MPa	150–200 MPa	مجالات نموذجية؛ تعتمد على السماكة ومستوى العمل البارد
مقاومة الخضوع	35–70 MPa	110–150 MPa	تزداد مقاومة الخضوع بشكل ملحوظ مع التقسية
الاستطالة	25–40%	6–12%	تنخفض الاستطالة مع زيادة صلابة الحالة؛ والحالة O مفضلة للتشكيل
الصلادة (HB)	30–45	55–80	مجالات برينل تقريبية؛ تتوافق مع حالة المعالجة ومستوى العمل البارد

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70–2.72 جرام/سم³	قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم-المنغنيز المشغولة ميكانيكيًا
مجال الانصهار	~640–650 °م	الصلبة والسائلة قريبة من الألومنيوم النقي؛ نقطة الانصهار قد تختلف حسب الشوائب
التوصيل الحراري	120–160 واط/م·ك	أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ مع ذلك مرتفع مقارنة بالصلب
التوصيل الكهربائي	~20–35% IACS	انخفاض في التوصيل مقارنة بالألومنيوم النقي؛ تختلف بحسب الحالة الحرارية
السعة النوعية للحرارة	~900 جول/كغ·ك (0.90 جول/جم·ك)	قيمة نموذجية تستخدم في التصميم الحراري وحسابات السعة الحرارية
التوسع الحراري الخطي	23–24 ميكرومتر/م·ك (20–100 °م)	تمدد خطي معتدل نسبيًا نموذجي لسبائك الألومنيوم

يجمع 3303 بين كثافة منخفضة نسبيًا وتوصيل حراري جيد، مما يمنحه صلابة نوعية وقدرات إدارة حرارية مفضلة لتطبيقات غير حرجة كمشتتات حرارية. ينخفض التوصيل الكهربائي بفعل السبائكية لكنه يبقى مناسبًا لبعض الاستخدامات في القضبان الحاملة أو الصفائح الموصلة حيث تكون الأداء الميكانيكي أكثر أهمية من التوصيل المطلق. يجب مراعاة خصائص الانصهار والتوسع الحراري عند عمليات اللحام، والتلحيم، والتجميعات متعددة المواد للسيطرة على التشوه وسلامة الوصلات.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2–6.0 mm	تزداد القوة مع التدحرج البارد	O, H111, H14, H16	يتم إنتاجها على نطاق واسع؛ تُستخدم للّوح، والحوامل، والأجزاء المشكّلة
صفائح	>6.0 mm (حتى 25 mm)	تقل العمل البارد الموحد مقارنة بالألواح الرفيعة	O, H111	المنتج السميك قد يظهر استجابة أقل طفيفاً للتصلب بالعمل
بثق	مقاطع معقدة حتى 200 mm	تعتمد القوة على نسبة البثق والعمل البارد اللاحق	O, H14	أقل شيوعاً من بُقَص 6xxx لكنه يُستخدم للمقاطع خفيفة الوزن
أنابيب	Ø صغير إلى كبير (بدون لحام/ملحوم)	تصلب نتيجة السحب أو اللحام	O, H14	تُستخدم في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والأثاث؛ الخيارات بدون لحام تمتاز بمقاومة تعب أفضل
قضبان/عصي	Ø 3–50 mm	تزداد القوة مع السحب البارد	H14, H18	تُستخدم للتركيبات، والمكونات المشكلة، والبراغي

يختلف الصفيح المدحرج البارد عن مقاطع البثق والصفائح في التركيب الميكروهيكلي والاستطاعة على التصلب بالعمل؛ إنتاج الصفيح يتضمن إجهاد تمدد مرتفع أثناء التدحرج، وهو مفيد للحصول على المعالجات H النهائية. البثق ممكن لكنه أقل شيوعاً مقارنة بالسبائك المعالجة حرارياً من سلسلة 6xxx لأن سبائك المحتوية على Mn لا تخضع للتصلب بالشيخوخة؛ يقوم المصممون الذين يختارون 3303 المبثوقة بالمقايضة بين قوة الشد النهائية واللدونة وجودة السطح. عادةً تُعالج الأنابيب والقضبان بعمليات عمل بارد إضافية (سحب، تسوية) تزيد من القوة وتقلل اللدونة، لذلك يجب اختيار المعالجة H وفق خطوات التشكيل واللحام المتوقعة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3303	الولايات المتحدة	تسمية صناعية للسبائك المشكّلة في عائلة 3xxx
EN AW	3303	أوروبا	تسمية أوروبية شائعة (EN AW-3303) تُستخدم في الشراء؛ قد تختلف حدود التركيب
JIS	A3303 (تقريباً)	اليابان	قد تستخدم المواصفات اليابانية ترقيمًا مختلفًا لكن ترchemistry السبيكة متوافق
GB/T	3303 (تقريباً)	الصين	تشير المواصفات الوطنية الصينية إلى سبائك ألمنيوم-منغنيز مشابهة؛ قد تختلف الحدود الدقيقة

التكافؤ بين المواصفات تقريبي لأن المواصفات الإقليمية تحدد حدوداً مختلفة للملوثات وأحياناً متطلبات اختبار مختلفة للخواص الميكانيكية وتسميات المعالجات. يجب على المشترين التحقق بدقة من الحدود الكيميائية والميكانيكية من شهادات المورد والرجوع إلى مواصفات الشراء التحكمية للمكونات الحرجة، خاصة حيث يكون مقاومة التآكل أو قابلية التشكيل أمرًا حاسمًا.

مقاومة التآكل

توفر 3303 مقاومة جيدة للتآكل الجوي في معظم البيئات الداخلية بسبب فيلم أكسيد الألمنيوم الحامي وغياب محتوى النحاس العالي الذي قد يعزز التآكل النخري. في أجواء بحرية معتدلة العدوانية، تؤدي أداءً مقبولاً لمكونات فوق السطح والعناصر المعمارية، لكن الغمر الطويل في مياه البحر الغنية بالكلوريد يسرع التآكل الموضعي مقارنة بسبائك البحر المخصصة مثل درجات 5xxx من الألمنيوم-مغنيسيوم. تمديدات السطح والطلاءات (التأكسد بالأنود، الدهانات) تزيد مدة الخدمة بشكل كبير، وألمنيوم 3303 المؤكسد أنودياً يجمع بين مظهر جمالي محسن وحماية حاجزية إضافية.

قابلية التشققات الناتجة عن التآكل الإجهادي منخفضة مقارنة ببعض السبائك المعالجة حرارياً عالية القوة لأن 3303 تخلو من ترسيبات التصلب بالشيخوخة التي تساهم في SCC؛ مع ذلك يجب تقليل إجهادات الشد المتبقية الناتجة عن التشكيل أو اللحام. التفاعلات الجلفانية مهمة: 3303 أنودية مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس وستتآكل تفضيليًا عند الاتصال الكهربائي في وسط موصل؛ توصّى استراتيجيات العزل واستخدام مشابك متوافقة في التجميعات المختلطة المعادن. مقارنة بعائلات 5xxx و6xxx، تقدم 3303 تنازلًا عن مقاومة النخريات مقابل قابلية تشكيل أفضل ومعالجة أسهل، مما يجعلها خيارًا عمليًا للتشكيل العميق وقابلية اللحام مع أولوية على الأداء النهائي لمقاومة التآكل.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

اللحام في 3303 يتم بسهولة باستخدام طرق الانصهار الشائعة (MIG/GMAW, TIG/GTAW، واللحام بالمقاومة) ويُظهر مقاومة منخفضة للتشققات الحارة عند اتباع الممارسات الجيدة. المعادن الحشو الموصى بها مشابهة لتلك المستخدمة لسبائك أخرى من Al-Mn (مثلاً تركيبات حشو ألمنيوم-منغنيز) ويمكن استخدام حشوات ألمنيوم-سيليكون لمتطلبات السيولة؛ يجب الأخذ بتوافق مقاومة التآكل. التليين في منطقة التأثير الحراري معتدل مقارنة بالسبائك المعالجة حرارياً لأن السبيكة لا تعتمد على تقوية الترسيب، ولكن التسخين الزائد ونمو الحبيبات المفرط قد يقلل من مقاومة التعب ويغير سلوك التشكيل المجاور للحامات.

قابلية التشغيل

كسبائك لينة وذات لدونة نسبية، تتمتع 3303 بقابلية تشغيل متوسطة وتنتج عادة رقائق طويلة ومتواصلة في ظروف قطع غير مناسبة. يُوصى باستخدام أدوات كربيد ذات زاوية قطع إيجابية وكاسرات رقائق للتشغيل بالطحن والتقطيع للتحكم في تكوين الرقائق وتقليل ترسيب الحافة؛ سرعات قطع منخفضة وتبريد كافٍ يمنع اللاصقة. مؤشر قابلية التشغيل أقل من سبائك الألومنيوم سهلة التشغيل لكنه مشابه لسبائك Al-Mn العامة؛ يجب احتساب الاستهلاك والانحراف للأدوات في الأقسام الرفيعة الجدران.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في الحالة المعالجة حرارياً O، مما يتيح السحب العميق والشد والثني المعقد بأشعة صغيرة. تعتمد أدنى أنصاف أقطار الثني على المعالجة والسماكة؛ الصفائح المعالجة حرارياً تناسب بشكل معتاد نسب R/t أقل بكثير من المطلوبة للمعالجات نصف أو كاملة الصلابة. يزيد العمل البارد من القوة لكنه يقلل من اللدونة ويزيد من التمرّد؛ لذا ينبغي ترتيب عمليات التشكيل قبل المعالجة النهائية للتخفيف أو تقليل الضغوط واختيار معالجة H فقط حين تكون عمليات التشكيل لاحقة محدودة أو غير ضرورية.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبائك غير معالجة حرارياً، لا يستجيب 3303 للمعالجة بالمعالجة الحرارية للحل والشيخوخة لزيادة القوة عبر التصلب بالنقطة. تركز المعالجات الحرارية على التلدين والتثبيت: تُستخدم دورات تلدين كاملة بدرجات حرارة حوالي 370–415 °C تليها تبريد بطيء أو سريع حسب الحجم الحبيبي والملف الإجهادي المتبقي المطلوب. بعد التلدين، تستعيد معالجة O أقصى درجات اللدونة وقابلية التشكيل؛ ثم ينتقل المعدن بعمل بارد لاحق إلى حالات H حيث تزداد القوة بسبب تراكم التشوّهات.

يمكن استخدام دورات التثبيت أو التسخين المنخفض لتخفيف الإجهادات الناجمة عن العمل بدون تليين كبير عند الحاجة إلى تعديلات طفيفة في الأبعاد أو لاسترخاء الخصائص الميكانيكية. التغيرات الحرارية أثناء التصنيع مثل اللحام تعدل موضعياً الخاصية HAZ؛ وبما أن قوة 3303 تعتمد أساساً على العمل البارد، فسيكون مناطق اللحام في المعدن المتصلب مسبقاً أكثر ليونة عادةً إلا إذا تم تطبيق معالجة ميكانيكية بعد اللحام أو عمل بارد موضعي.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تعاني 3303 من فقدان تدريجي في القوة مع ارتفاع درجات الحرارة؛ يحدث انخفاض كبير في مقاومة الخضوع والشد عادةً فوق 150 °C ويصبح ملحوظًا بعد 200 °C. السبيكة ليست مخصصة للخدمة الإنشائية بدرجات حرارة مرتفعة وستُظهر تليين وزحف تحت أحمال مستمرة عند درجات حرارة عالية. مقاومة الأكسدة مشابهة لسبائك الألمنيوم الأخرى: تتشكل طبقة أكسيد مستقرة بسرعة، لكن هذه الطبقة لا تمنع التدهور الميكانيكي عند درجات الحرارة المرتفعة.

للمكونات الملحومة أو المعرضة للحرارة، يعتبر نمو الحبيبات في منطقة التأثير الحراري وفقدان القوة الناتجة عن العمل البارد المخزّن من المخاوف الرئيسة؛ يمكن أن تؤثر على عمر التعب واستقرار الأبعاد. يجب عند التصميم لتعريض متقطع لدرجات حرارة مرتفعة تطبيق عوامل أمان والنظر في سبائك بديلة (مثل بعض سبائك Al-Si أو السبائك عالية الحرارة) عند الحاجة لقوة مستدامة فوق 150 °C.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 3303
السيارات	تشطيبات داخلية وألواح غير هيكلية	قابلية تشكيل جيدة وتشطيب سطح ممتاز للأجزاء المسطحة
البحرية	حوامل HVAC وتركيبات معمارية	مقاومة مناسبة للتآكل وعملية تشكيل ممتازة
الطيران	تركيبات ثانوية وأنابيب التهوية	نسبة قوة إلى وزن ملائمة للهياكل الثانوية
الإلكترونيات	ألواح ومغلفات ناشرة للحرارة	موصلية حرارية جيدة وسهولة في التصنيع
التغليف / المستهلك	علب وزينة	مزايا في قابلية التشكيل وتشطيب السطح

تمثل 3303 خيارًا عمليًا للأجزاء التي تتطلب تشكيلًا معقدًا، وقابلية لحام جيدة، ومقاومة معقولة للتآكل دون تكلفة أو قيود معالجة سبائك المعالجة الحرارية. يجمع توازن خواصها بين الكفاءة العالية للأجزاء المشكّلة بكميات كبيرة والعناصر المعمارية التي تقودها الاعتبارات الاقتصادية وسهولة التصنيع.

رؤى الاختيار

عند اختيار 3303، يُفضّل التصاميم التي تتطلب السحب العميق أو التشكيل المكثف حيث تكون متطلبات القوة النهائية معتدلة بدلاً من تعظيمها. السبائك جذابة عندما تكون قابلية اللحام والمرونة بعد التشكيل مهمة وأيضًا عند النظر في سهولة التوريد وضبط التكاليف.

مقارنة بالألمنيوم النقي تجاريًا (1100)، يوفر 3303 قوة أعلى مع خسارة معتدلة في الموصلية الكهربائية مع الحفاظ على قابلية تشكيل جيدة. مقارنةً بالسبائك المتصلبة ميكانيكيًا الشائعة مثل 3003 و5052، يقع 3303 عادةً في منتصف الطيف: حيث يقدم قوة أعلى إلى حد ما من الدرجات النقية جدًا مع الحفاظ على قابلية تشكيل أفضل من العديد من سبائك 5xxx التي تحتوي على المغنيسيوم؛ ومقاومة التآكل جيدة ولكنها ليست بنفس مستوى سبائك Al-Mg البحرية عالية الجودة. مقارنةً بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، ستكون القوة القصوى لـ 3303 أقل لكنه مفضل للتشكيل المعقد، يوفر قابلية لحام متفوقة دون قيود التقادم بعد اللحام، وتكلفة تصنيع أقل.

الملخص الختامي

يبقى 3303 سبائك ذات صلة وعملية للهندسة الحديثة حيث يلزم الجمع بين القابلية للتشكيل، قابلية اللحام والقوة المعتدلة؛ يوفر تركيبه المعتمد على المنغنيز واستجابته للتصلب ميكانيكيًا منصة موثوقة للألواح المعدنية، الأنابيب، والأجزاء المطبوعة عبر العديد من الصناعات. عمليات تصنيعه المباشرة وخصائصه المتوازنة تجعله اختيارًا منطقيًا للمصممين الذين يفضلون القابلية للتصنيع والأداء ذو التكلفة الفعالة.