ألمنيوم 3B21: التركيب الكيميائي، الخصائص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

3B21 هي من سبائك الألومنيوم من سلسلة 3xxx، وتتميز بشكل أساسي بالسباكة القائمة على المنغنيز وتنتمي إلى عائلة غير المعالجة حراريًا. تم تكوينها للاستفادة من تقوية محلول صلب بواسطة Mn، وفي بعض الأنواع، بالإضافة المحدود من Mg؛ حيث يتم تحقيق التقوية بشكل رئيسي من خلال العمل على البارد بدلاً من المعالجة الحرارية بواسطة الترسيب.

الخصائص الرئيسية لـ 3B21 تشمل قوة معتدلة إلى جيدة مقارنة بالألومنيوم النقي، وقابلية تشكيل ممتازة في الحالة المعتدلة (المخفضة)، ومقاومة جيدة للتآكل الجوي العام، وسهولة في اللحام باستخدام طرق اللحام التقليدية للألومنيوم. الصناعات النموذجية التي تستخدم 3B21 تتراوح من النقل وواجهات السيارات الخارجية إلى السلع الاستهلاكية وبعض الهياكل البحرية الثانوية حيث يكون التوازن بين قابلية التشكيل ومقاومة التآكل مطلوبًا.

يختار المهندسون 3B21 عندما تكون هناك حاجة إلى مزيج من الليونة لعمليات التشكيل وأداء ميكانيكي أفضل من الألومنيوم النقي التجاري دون تعقيد المعالجة الحرارية. تنافسيتها مقارنةً بالسبائك الأخرى تأتي من انخفاض الكثافة، واستجابة متوقعة للعمل على البارد، وتكلفة إنتاج وتصنيع منخفضة نسبيًا.

غالبًا ما يفضل اختيار 3B21 على السبائك المعالجة حراريًا ذات القوة الأعلى عندما تكون عمليات التشكيل المعقدة والحفاظ على جودة السطح مهمة، وكذلك على الألومنيوم النقي أو السبائك الأكثر ليونة، عندما تكون السعة الهيكلية الإضافية ومقاومة الانبعاج مرغوبة.

أنواع التصلب (Temper Variants)

نوع التصلب	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع (30–45%)	ممتازة	ممتازة	معتدل بالكامل، الأفضل للسحب العميق والتشكيل
H12	منخفض-متوسط	متوسط-مرتفع (20–30%)	جيدة جداً	جيدة جداً	مصلب بشكل خفيف نتيجة عمل ميكانيكي جزئي
H14	متوسط	متوسط (10–20%)	جيدة	جيدة جداً	تصلب بارد تجاري شائع للألواح؛ قوة مردودية أعلى
H16	متوسط-مرتفع	متوسط (8–15%)	مخفضة	جيدة	درجة تصلب أعلى لتحسين الصلابة
H18	مرتفع	منخفض-متوسط (6–12%)	محدودة	جيدة	عمل بارد أثقل، زيادة القوة للألواح الهيكلية
H24	متوسط-مرتفع	متوسط (10–18%)	جيدة	جيدة جداً	مصلب ومُثبت؛ يحتفظ ببعض قابلية التشكيل
T3 (حيث يطبق)	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر	غير طريق رئيسي — سبائك 3xxx غير معالجة حرارياً؛ تسميات T تُستخدم للاستقرار بعد التغليف في بعض المواصفات

يتم اتباع ممارسة تسمية التصلب لـ 3B21 وفقًا للتعامل التقليدي لسلسلة 3xxx: التصلب اللين O لأقصى قابلية تشكيل وتشكيلة من أنواع H لزيادة القوة تدريجياً عبر التصلب بالانفعال. اختيار نوع التصلب يوازن بين تعقيد التشكيل، التحكم بالارتداد، والصلابة المطلوبة أثناء الخدمة؛ يجب مراعاة أي تخفيف محلي في مناطق اللحام لأجزاء H-mpered عند إصلاح اللحام والانضمام بعد التشكيل.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة المئوية	ملاحظات
Si	≤ 0.6	شائبة نموذجية؛ الزيادة تقلل الليونة وتشجع على تكوين مركبات بينية
Fe	≤ 0.7	شائبة شائعة؛ تؤثر على بنية الحبيبات وقد تشكل مراحل هشة
Mn	0.8–1.5	عنصر السبيكة الأساسي لعائلة 3xxx؛ يعزز القوة ويمنع إعادة التبلور
Mg	0.1–0.6	إضافة بسيطة في بعض الأنواع؛ يزيد تقوية المحلول الصلب ويحسن التصلب بالانفعال
Cu	≤ 0.2	مستويات منخفضة قد تكون موجودة؛ تحسن القوة قليلاً لكن تقلل مقاومة التآكل
Zn	≤ 0.25	عادة منخفضة؛ المحتويات الأعلى غير نمطية لعائلة 3xxx
Cr	≤ 0.10	كميات صغيرة للسيطرة على بنية الحبيبات وتحسين استقرار التصلب
Ti	≤ 0.15	إضافات صغيرة تستخدم لتحسين نِقاء الحبيبات في المنتجات المصبوبة أو المشغولة
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05–0.15	بقايا أخرى (Ni، Pb، Sn) محفوظة منخفضة لتجنب الهشاشة أو المراحل الضارة

يميل تركيب السبيكة 3B21 إلى توازن يهيمن عليه المنغنيز يوفر تقوية ثابتة بالعمل على البارد وليونة قوية. يقلل Mn من إعادة التبلور ويكوّن جسيمات دقيقة تثبت الحبيبات أثناء التشكيل والتعرضات الحرارية المعتدلة. يعزز Mg، عند تواجده بكميات معتدلة، القوة من خلال تأثير محلول صلب ويُحسن قدرة التصلب بالانفعال، لكنه يجب أن يكون محدودًا لتجنب الصفات السلبية الموجودة في سبائك 5xxx ذات Mg العالية.

الخصائص الميكانيكية

تتبع السلوك الشدّي ل 3B21 الاتجاهات الكلاسيكية لسلسلة 3xxx: الحالة المعتدلة (O) تظهر قيم منخفضة نسبياً لقوى الخضوع والشد مع استطالة موحدة عالية تمكن من تشكيل شديد. ينتج العمل على البارد (أنواع H) زيادات كبيرة في قيم الخضوع والشد على حساب الليونة وقابلية الانحناء، ويرتفع الارتداد مع زيادة التصلب بالانفعال. يؤثر سمك الصفيحة وتاريخ المعالجة بشدة على الخصائص المقاسة؛ حيث قد تظهر السماكات الرفيعة قوة ظاهرية أعلى بسبب تصلب العمل البارد أثناء التصنيع.

الصلادة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بنوع التصلب: صلادة روكويل أو برينل ترتفع بشكل متوقع مع رقم H. أداء التعب في 3B21 متوسط — أفضل من الألومنيوم النقي لقوة الأساس الأعلى لكنه أقل من بعض السبائك المعالجة حراريًا؛ يهيمن على عمر التعب جودة السطح، والضغوط المتبقية من التشكيل، والنتوءات في المادة. نسب الخضوع إلى الشد معتدلة؛ إدخال حرارة محلي (مثل اللحام) يمكن أن ينتج عنه تخفيف منطقة متأثرة بالحرارة، خاصة في السبائك المتصلبة بشدة.

تُحدد حدود التشكيل البارد بواسطة نوع التصلب وحجم الحبيبات؛ تصل السماكة O للسحب العميق بنطاقات انحناء صغيرة دقيقة لوحات حساسة، بينما قد يتطلب H18 انحناءات أكبر وخطوات تشكيل تقدمية. القيم النموذجية أدناه تمثل النطاقات المعتادة للسماكات النموذجية والأنواع الشائعة.

الخاصية	O / معتدل	نوع رئيسي (مثلاً H14)	ملاحظات
قوة الشد	90–130 MPa	150–220 MPa	القيم تختلف حسب السماكة والدُفعة؛ H14 شائع للألواح الهيكلية المعتدلة
قوة الخضوع	30–70 MPa	100–160 MPa	تزداد قوة الخضوع بشكل كبير مع العمل البارد؛ زيادة منخفضة في O
الاستطالة	30–45%	8–20%	تعتمد الاستطالة على نوع التصلب ومسار الانفعال أثناء التشكيل
الصلادة (HB)	25–45 HB	50–85 HB	الصلادة تزيد مع تصلب H؛ التحويل إلى HRC/HRB متغير

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.70 g/cm³	معتادة لسبائك الألومنيوم المشغولة؛ مفيدة لنسبة القوة إلى الوزن
نطاق الانصهار	~640–655 °C	سباكة تخفض نقطة الانصهار قليلاً مقارنة بالألومنيوم النقي (660 °C)
الموصلية الحرارية	~120–150 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي؛ لكنها لا تزال عالية للتطبيقات التي تتطلب تبديد حرارة
الموصلية الكهربائية	~28–40% IACS	مخفضة مقارنةً بالسلسلة 1xxx بسبب السبيكة؛ تعتمد على محتوى Mn/Mg
السعة الحرارية النوعية	~0.88–0.91 J/g·K	نموذجية لسبائك الألومنيوم حول درجة حرارة الغرفة
التوسع الحراري	~23–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C)	مماثل للسبائك الأخرى؛ مهم لتصميم دورات حرارية وضبط الضغوط الحرارية

تحافظ 3B21 على مزايا الألومنيوم الحرارية والكهربائية مع قبول تخفيضات متواضعة ناتجة عن السبيكة. تظل الموصلية الحرارية مرتفعة بما فيه الكفاية لمكونات توزيع الحرارة وأجزاء إدارة الحرارة الاستهلاكية. معامل التمدد الحراري يقارن مع سبائك الألومنيوم الأخرى ويجب استيعابه في الوصلات متعددة المواد للتحكم بالضغوط الحرارية.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
لوح	0.2–6.0 mm	تتغير القوة حسب المعالجة الحرارية؛ السماكات الرقيقة غالباً ما تكون أقسى قليلاً	O, H14, H24	يُستخدم على نطاق واسع للألواح، والأغطية، والأجزاء المشكّلة
لوحة	>6 mm حتى 25 mm	مساهمة العمل البارد أقل في الصفائح ذات السمك الأكبر	O, H18	تُستخدم حيث يلزم مقاطع أكبر؛ يُؤخذ في الاعتبار التشغيل أو تشكيل اللوح
بثق	مقاطع حتى عدة أمتار	تعتمد القوة على تبريد المقطع العرضي؛ متوسطة	O, H112	الأشكال المبثوقة تستفيد من Mn لتثبيت الحبيبات أثناء البثق
أنبوب	أقطار من صغيرة إلى كبيرة	سماكة الجدار والمعالجة الحرارية تحددان الصلابة	O, H16	أنابيب مسحوبة أو مبثوقة لأُطُر خفيفة الوزن
قضيب/عارض	أقطار وأبعاد مستوية	عادةً ألين في حالة التلدين؛ يمكن سحبه باردًا	O, H12	إنتاج مكونات مشغلة وآلات تثبيت حيثما كان ذلك مناسبًا

تحدد طرق التشكيل والمعالجة اختيار شكل المنتج: دلف لوح يوفر تشطيب سطح متفوق وتحكم دقيق في السماكة للألواح المرئية، بينما يعرض البثق مقاطع عرضية معقدة لكنه يتطلب الانتباه لتأثيرات التقدم في العمر/الإجهاد. غالبًا ما تتطلب اللوحات والمقاطع الأسمك طرق تشكيل مختلفة (التشكيل التدريجي، التشكيل الساخن) لتحقيق أشكال مماثلة. يجب أن تأخذ التجميعات الملحومة في الاعتبار تليين درجة الحرارة المحلية واحتمال التشوه في المكونات الرقيقة.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3B21	الولايات المتحدة الأمريكية	الاسم المستخدم في بعض كتالوجات الموردين؛ غير موحد عالميًا عبر جميع قوائم AA
EN AW	3003 / عائلة 3xxx	أوروبا	أقرب المكافئات الأوربية المشغولة تكون في سلسلة 3xxx AW؛ تطابق واحد لواحد يتطلب فحص التركيب الكيميائي
JIS	A3003 / A3xxx	اليابان	درجات سلسلة 3xxx اليابانية تظهر تركيب Mn مماثل وخصائص مشابهة
GB/T	3B21	الصين	تعيين صيني 3B21 يتوافق مع ترقيم السبائك المحلية وضوابط التركيب

يجب إجراء المقارنة المباشرة بين المعايير باستخدام حدود التركيب الكيميائي والمتطلبات الميكانيكية بدلاً من الاسم فقط. الفروق الطفيفة في شوائب المسموح بها، ومحتوى Mg، وممارسات المعالجة قد تنتج فروقات ملحوظة في الخصائص؛ لذلك، للتطبيقات التي تتطلب تأهيل دقيق، يُنصح بطلب شهادات المصنع وإجراء اختبارات مقارنة بدلاً من الاعتماد فقط على جداول التكافؤ الاسمية.

مقاومة التآكل

يوفر 3B21 مقاومة جيدة عامة لتآكل الأجواء نموذجية لسبائك Mn في سلسلة 3xxx؛ حيث يتكون غشاء أكسيدي بسرعة يحمي البنية الأساسية في معظم البيئات غير العدائية. في الأجواء الحضرية والصناعية، يؤدي السبيكة أداءً جيدًا، وفي كثير من الحالات يُختار على الألمنيوم النقي عندما يكون مطلوبًا زيادة بسيطة في القوة الميكانيكية دون التأثير على مقاومة التآكل في الظروف المحيطة.

في البيئات البحرية، يقدم 3B21 مقاومة معقولة للتآكل المتجانس لكنه أكثر عرضة للهجوم الموضعي (التنقر) والانفصال في ظروف غنية بالكلوريد أكثر من بعض سبائك Al-Mg (5xxx) أو السبائك المطلية بشكل خاص. يؤثر تشطيب السطح، والتغطية، ونظافة السبيكة (تقليل Fe وCu) بشكل كبير على الأداء في التعرضات البحرية.

قابلية الشقوق الناتجة عن تآكل الإجهاد لسبائك 3xxx التي تحتوي على Mn منخفضة عمومًا مقارنةً بالسبائك التي تحتوي على Cu أو ذات محتوى Mg العالي؛ ومع ذلك، فإن التفاعلات الجلفانية مع المواد الأشرف (فولاذ مقاوم للصدأ، نحاس) ستعزز التآكل المتسارع للألمنيوم عند اتصال الإلكتروليت. يجب على المصممين أخذ الحماية الفاعلة والعزل الكهربائي في الاعتبار لمنع تدهور جلفاني في التجميعات متعددة المعادن.

خصائص التصنيع

اللحام

تُنجز عمليات اللحام في 3B21 بسهولة باستخدام عمليات شائعة مثل TIG وMIG مع دروع غاز الأرجون وممارسات التحضير القياسية. يفضل عادة اختيار أسلاك الحشو من نوع Al-Mn أو Al-Si لمطابقة السلوك الميكانيكي وتقليل التشقق الحراري؛ 4043 (Al-Si) و5356 (Al-Mg) تُستخدم غالبًا حسب التوازن المطلوب بين الليونة والقوة. المعالجات التي تمت بتقسية الإجهاد العالية ستشهد تليين منطقة التأثير الحراري واحتمال انخفاض الخواص المحلية؛ يجب التخطيط للحالة الميكانيكية قبل وبعد اللحام.

سهولة التشغيل

سهولة التشغيل متوسطة وأقل من سبائك النحاس سهلة التشغيل أو الفولاذ، لكنها قابلة للعمل بأدوات مناسبة. أدوات كربيد مع رأس موجب، استراتيجيات تغذية عالية، وتبريد غمر توفر أفضل توازن بين عمر الأداة وجودة السطح. الرقائق تميل لأن تكون مستمرة ومرنة؛ يُفضل التحكم في تراكم الحافة الهندسية وتصميم كسر الرقائق المناسب في تشغيل الإنتاج.

سهولة التشكيل

سهولة التشكيل ممتازة في حالة المعالجة O وتظل جيدة في معالجات H منخفضة لمعظم عمليات التشكيل والطرق الشائعة. نصف قطر الانحناء الأدنى النموذجي في معاملة O يمكن أن يكون منخفضًا حتى 0.5–1.0T للانحناءات البسيطة، لكن يجب مراعاة ارتداد الزن والقوام الرقيق أثناء السحب العميق. المعالجات بالتقسية (H16–H18) تحتاج إلى أنصاف أقطار أكبر وتشكيل متعدد المراحل لتفادي التشقق؛ يمكن استعادة سهولة التشكيل عبر التلدين عند الحاجة.

سلوك المعالجة الحرارية

باعتبارها سبيكة لا تستجيب للمعالجة الحرارية التقليدية، لا يستجيب 3B21 للمعالجة بالتحليل والشيخوخة لترسيب لتحسين القوة بشكل ملحوظ. المحاولات لتطبيق دورات الحل والشيخوخة التقليدية لن تحقق المكاسب التي يمكن الحصول عليها في عائلات 6xxx/7xxx. بدلاً من ذلك، يتم التحكم في الخواص الميكانيكية من خلال العمل البارد (تقسية الإجهاد) والتلدين المُتحكم به.

يتم التلدين لاستعادة الليونة ضمن نطاقات ألومنيوم نموذجية، عادةً بين ~300–420 °C حسب سماكة اللوح وبنية الحبيبات المطلوبة، يعقبها تبريد مُتحكم. التلدين المفرط يمكن أن يكبّر الحبيبات ويقلل سهولة التشكيل في بعض العمليات؛ ممارسات المعالجة الحرارية المثبتة H (مثل H24) تستخدم تثبيت حراري معتدل أو تخفيف إجهاد منخفض للحد من انزلاق الخواص.

للتصاميم التي تتطلب قوة أعلى مما يمكن تحقيقه بالعمل البارد، يجب على المهندسين تقييم البدائل القابلة للمعالجة الحرارية؛ وإلا فأن تسلسل التشكيل البارد، والأعمال القوالب التقدمية، وجدولة تقسية العمل هي النهج القياسي لـ 3B21.

الأداء في درجات الحرارة العالية

يحافظ 3B21 على خصائص مفيدة عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة لكنه يعاني فقدانًا تدريجيًا للقوة فوق حوالي 100–150 °C، مع انخفاضات كبيرة في مقاومة الخضوع ومقاومة الانسياب الحرجي عند درجات حرارة أعلى. لاستخدام مستمر في درجات حرارة مرتفعة أو حيث يكون الانسياب الحرجي مهمًا، يُفضل عادة سبائك مرتفعة الحرارة أو الفولاذ المقاوم للصدأ.

الأكسدة ليست قيدًا جوهريًا في الهواء لفترات قصيرة بسبب طبقة أكسيد الألومنيوم الواقية؛ مع ذلك، فإن التعرض الطويل في أجواء مؤكسدة عدائية أو غنية بالكلوريدات عند درجات حرارة مرتفعة سيدمر الطبقات الواقية ويعجل الهجوم. قد تظهر مناطق تأثير الحرارة للحام انخفاضًا في القدرات الميكانيكية وتليينًا محليًا، ويجب مراعاتها في دورات الحرارة أو أحمال درجات الحرارة العالية.

التطبيقات

الصناعة	المكون النموذجي	سبب استخدام 3B21
السيارات	ألواح الهيكل الداخلية/الخارجية، الزينة	سهولة تشكيل جيدة للطرق المعقدة وقوة معتدلة لمقاومة الانبعاجات
البحرية	هياكل ثانوية، الزينة	مقاومة تآكل مناسبة وسهولة التصنيع؛ خفيف الوزن
الفضاء	وصلات غير حرجة، الكسوات	نسبة قوة إلى وزن ملائمة وسهولة تشكيل للألواح المشكلة
الإلكترونيات	حوامل، موزعات الحرارة	موصلية حرارية عالية وسهولة في تشطيب السطح

يُختار 3B21 عادةً عندما يكون مطلوبًا توازن من سهولة التشكيل، مقاومة التآكل، وأداء هيكلي معتدل بتكلفة منخفضة. تجعل تعدد استخداماته عبر أشكال المنتجات من الألواح والبثق مادة عملية للألواح المرئية، الأغطية المشكّلة، وأعضاء الهياكل الثانوية حيث تكون توفير الوزن وتكلفة التصنيع أولوية.

نصائح الاختيار

عند اختيار 3B21، يجب إعطاء الأولوية للتطبيقات التي تتطلب سهولة تشكيل ممتازة وأداء جيد في مقاومة التآكل مع قوة معتدلة. يُفضل حالة المعالجة O للسحب العميق والأشكال المعقدة؛ واستخدام معالجات H للمكونات التي تحتاج إلى صلابة أفضل أو مقاومة انبعاج دون اللجوء لتعقيد المعالجة الحرارية.

بالمقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي (1100)، يتنازل 3B21 قليلاً في الموصلية الكهربائية والحرارية مقابل قوة أعلى بشكل ملحوظ وقدرة أفضل على تقسية العمل. مقارنة بسبائك العمل-المُقسى الشائعة مثل 3003 أو 5052، يكون 3B21 عادة في نقطة وسطى: أقوى من الألمنيوم النقي لكنه يتمتع بمقاومة تآكل مماثلة أو محسنة قليلاً مقابل سبائك 5xxx ذات Mg الأعلى. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يوفر 3B21 سهولة تشكيل أفضل في الحالة الملدنة وأسهل تصنيع، لكن بقوة ذروة أقل؛ يفضل 3B21 عندما يكون التشكل ومقاومة التآكل أولوية على متطلبات القوة القصوى.

الملخص الختامي

تستمر 3B21 كألومنيوم مطروق عملي قائم على Mn يجمع بين قابلية تشكيل ممتازة، ومقاومة موثوقة للتآكل، وتقوية متوقعة بالتشغيل البارد لمجموعة واسعة من التطبيقات الهيكلية وخفيفة الوزن والمشكلة. يجعل توازن خواصه وسهولة تصنيعه منه خيارًا اقتصاديًا عندما تكون القوة المتوسطة وقابلية التصنيع العالية هما العوامل الرئيسية في التصميم.