الألومنيوم 3N21: التركيب الكيميائي، الخصائص، دليل الحالة الحرارية والتطبيقات

نظرة شاملة

3N21 هو سبيكة ألومنيوم من السلسلة 3xxx تنتمي إلى عائلة السبائك المعززة بالمنغنيز. تُسبك أساسًا بالمنغنيز كعنصر تقوية رئيسي وتحتوي على كميات ضئيلة من السيليكون، الحديد، النحاس، المغنيسيوم، الزنك وعناصر أثرية للتحكم في بنية الحبيبات وسلوك المعالجة. السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية وتحقق المقاومة من خلال التشغيلة الباردة والتحكم الدقيق في البنية المجهرية؛ تُظهر توازنًا بين مقاومة شد متوسطة ومقاومة تآكل جيدة جدًا. من الصفات النموذجية لهذه السبيكة سهولة التشكيل، قابلية لحام ممتازة في الشروط الشائعة، مقاومة معقولة للإجهاد بالنسبة للعائلة، وسلوك تآكلي متفوق على العديد من السبائك الحاملة للنحاس أو الزنك، مما يجعلها جذابة للتطبيقات البحرية والمعمارية.

الصناعات التي تستخدم عادة 3N21 تشمل النقل (ألواح الهيكل والأعضاء الهيكلية الخفيفة)، التصنيع البحري وخارجي البناء، واجهات المباني والمكونات، وبعض هياكل الإلكترونيات حيث تولي الأولوية لمتطلبات متوسطة القوة والمقاومة ضد التآكل. يختار المهندسون 3N21 على السبائك الأنقى عندما يلزم أداء ميكانيكي أعلى بدون التعقيدات الناجمة عن المعالجة الحرارية، وعلى السبائك عالية القوة القابلة للمعالجة الحرارية عندما تكون القابلية للتشكيل واللحام المتفوقة حرجة. يتم اختيار السبيكة حيث يلزم الجمع بين سهولة التصنيع (السحب العميق، الثني، اللحام) والمتانة البيئية، مما يجعلها خيارًا اقتصاديًا للعناصر الهيكلية متوسطة التحميل.

متغيرات المعالجة (Temper)

المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مخمدة بالكامل، أقصى دكتيلية وقابلية للتشكيل
H12	متوسطة	متوسطة	جيدة جدًا	ممتازة	تقسية جزئية بالتشغيلة الباردة؛ زيادة متوسطة في القوة
H14	متوسطة-عالية	متوسطة	جيدة	ممتازة	معالجة باردة شائعة لسبائك الصفائح ذات القوة المتوسطة
H16	عالية	أقل	معقولة	ممتازة	تشغيلة باردة أثقل، تستخدم عند الحاجة لقوة أعلى
H18	عالية جدًا	منخفضة	محدودة	ممتازة	أقصى تشغيلة باردة تجارية لسلسلة 3xxx
H111	متغيرة	متغيرة	جيدة	ممتازة	أساسًا عند درجة معينة من التقسية بالتشويه بعد التصنيع

للمعالجة تأثير أساسي على خصائص 3N21: زيادة التشغيلة الباردة ترفع مقاومة الخضوع ومقاومة الشد مع تقليل الاستطالة وقابلية التشكيل. مسارات الإنتاج النموذجية تستخدم معالجة O للسحب العميق ومعالجات H1x كحل وسط بين التشكيل والقوة للمكونات المطبقة أو الهيكلية.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	≤ 0.6	متحكم به لتقليل عيوب السبك/التجمعات والحفاظ على الدكتيلية
Fe	≤ 0.7	شوائب شائعة؛ زيادتها تقلل الدكتيلية ومقاومة التآكل
Mn	0.8 – 1.8	عنصر السبيكة الرئيسي يوفر تقوية بالذوبان الصلب والانتشار
Mg	≤ 0.5	إضافات صغيرة تحسن القوة واستجابة التقسية بالتشويه
Cu	≤ 0.20	محدود للحفاظ على مقاومة التآكل وقابلية اللحام
Zn	≤ 0.30	منخفض لتجنب مقايضات القوة والتآكل الجلفاني
Cr	≤ 0.10	إضافات أثرية تتحكم في بنية الحبيبات وعمليات إعادة التبلور
Ti	≤ 0.15	مكرر حبيبات للمواد المصبوبة/المسحوبة، تأثير صغير على الخصائص
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05	التحكم في الشوائب (Ni, Pb, Bi, Sn) مهم للدكتيلية وقابلية اللحام

يركز التركيب على المنغنيز كعنصر السبيكة الرئيسي مع حدود محافظة للنحاس والزنك والمغنيسيوم للحفاظ على مقاومة تآكل جيدة وقابلية للحام. تؤثر العناصر الثانوية والتحكم في الشوائب بشكل رئيسي على سلوك إعادة التبلور، حجم الحبيبات، واستجابة التشغيلة الباردة التي تحدد معًا خصائص التشكيل والإجهاد.

الخواص الميكانيكية

سلوك الشد للسبيكة 3N21 يتميز بخصائص سبائك ذات منغنيز غير قابلة للمعالجة الحرارية: قوة منخفضة نسبيًا في حالة التلدين مع زيادة واضحة من التشغيلة الباردة. تظهر مقاومة الخضوع ارتفاعًا ملحوظًا مع معالجات H؛ وفي تشغيلة باردة ثقيلة يمكن للسبيكة أن تقترب من نصف إلى نطاق القوة العالية لسبائك الألمنيوم الإنشائية، بينما تقل الدكتيلية بشكل متناسب. الصلادة ترتبط بالمعالجة ويمكن استخدامها كمؤشر ميداني سريع لحالة التقسية بالتشويه؛ تزيد الصلادة بشكل تقريبي خطيًا مع التشويه البارد التراكمي حتى حدود التشكيل العملية.

أداء الإجهاد (Fatigue) جيد بشكل عام مقارنة بالسبائك المرتفعة في النحاس أو الزنك، لأن تقوية المنغنيز بالذوبان الصلب تقلل من القابلية لتشقق التآكل الموضعي المعزز. يؤثر السمك على القوة أساسًا عبر كفاءة التشغيلة الباردة وحالة الإجهاد المتبقية؛ فالأجزاء الأسمك أصعب في زيادة التقسية بالتشويه بشكل موحد وقد تحتفظ بدكتيلية أعلى في معالجات مماثلة. يُحدث اللحام تليينًا محليًا في المعالجات المشغولة باردًا لكنه عادة لا يسبب هشاشة؛ يجب تقييم عمر الإجهاد قرب اللحامات بالنسبة لتركيزات الإجهاد وحالة منطقة التأثير الحراري (HAZ).

الخاصية	O/مُلدن	المعالجة الرئيسية (H14/H18)	ملاحظات
مقاومة الشد (MPa)	100 – 140	190 – 260	نطاقات نموذجية للصفائح؛ تعتمد على درجة التشغيلة الباردة والسمك
مقاومة الخضوع (MPa)	30 – 70	120 – 220	زيادة كبيرة مع تقسية العمل؛ القيم تتناسب مع رموز المعالجة
الاستطالة (%)	20 – 35	5 – 15	ارتفاع الدكتيلية في الحالة الملدنة؛ التشغيلة الباردة الثقيلة تقللها بشكل كبير
الصلادة (HV)	30 – 50	60 – 95	زيادة الصلادة تعكس درجة تقسية التشويه؛ قيم فيكرز تقريبية

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.68 – 2.70 جرام/سم³	نموذجية لسبائك الألمنيوم-المنغنيز؛ أقل قليلاً من العديد من درجات الصلب من حيث الكتلة
مدى الانصهار	640 – 653 °C	نطاق الصلب-السائل يعتمد على العناصر الثانوية؛ قياسي لسبائك الألمنيوم
التوصيل الحراري	140 – 170 واط/(م·ك)	أقل من الألمنيوم النقي بسبب السبكة؛ جيد للتبديد الحراري
التوصيل الكهربائي	~30 – 45 % IACS	مخفض مقارنة بالألمنيوم النقي؛ التوصيل يتناسب عكسيًا مع محتوى السبكة
السعة الحرارية النوعية	~0.90 جول/(جرام·ك)	قيمة تقريبية؛ مفيدة لحسابات إدارة الحرارة
التمدد الحراري	23 – 24 ×10⁻⁶ /ك	مماثل لكثير من سبائك الألمنيوم؛ ذات أهمية للحسابات الهيكلية المختلطة

الثوابت الفيزيائية تصنف 3N21 ضمن المواد المعدنية الهيكلية الخفيفة المناسبة للتطبيقات التي تتطلب كثافة منخفضة وتوصيل حراري/كهربائي معقول. التوصيل الكهربائي والحراري كافيان للعديد من الأدوار المتعلقة بالتبريد أو التوصيل الحراري ولكن يجب تأكيدهما مقابل الألمنيوم النقي عند الحاجة. التمدد الحراري نموذجي للسبائك ويجب أخذه بالحسبان في التجميعات متعددة المواد لتجنب التوترات الحرارية.

أشكال المنتج

الشكل	السُمك/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الشائعة	ملاحظات
صفائح	0.3 – 6.0 mm	قوة عبر التشغيلة الباردة؛ السماكات الأرفع أسهل للتشكيل البارد	O, H14, H16	مستخدمة على نطاق واسع للوح الوجهات والأجزاء المسحوبة عميقًا
ألواح	6 – 25 mm	محدودة صناعيًا؛ أقل شيوعًا بسبب حدود قابلية التشكيل	O, H18	الأجزاء السميكة أكثر تحديًا في التشغيلة الباردة الموحدة
بروفيلات مسحوبة	بروفيلات تصل إلى 200 mm	قابلة للمعالجة الحرارية في القضيب ثم التشغيلة الباردة في الخدمة	O, H112/H116	قضبان البروفيلات منقاة الحبيبات للاستقرار البعدي
أنابيب	قطر خارجي 6 – 100 mm	الخواص الميكانيكية تعتمد على الرسم والمعالجة	O, H14	تستخدم للأنابيب الهيكلية والقنوات حيث تهم مقاومة التآكل
قضبان/أسلاك	قطر 4 – 60 mm	القوة تعتمد على حالة السحب والتشغيل البارد	O, H12/H14	مزودة عادة للتشغيل أو أجزاء هيكلية صغيرة

الشكل يؤثر على السلوك الميكانيكي لأن التشغيلة الباردة أثناء التشكيل تحدد المعالجة النهائية وحالة التناسق في الخصائص. الصفائح والبروفيلات الرقيقة هي الأشكال ذات التكلفة الاقتصادية الأفضل لـ 3N21، بينما يتم إنتاج الألواح السميكة مع قابلية تشكيل محدودة وتتطلب تحكمًا خاصًا بالعمليات لتحقيق تجانس ميكانيكي مرغوب. يجب أن يأخذ اختيار شكل المنتج في الاعتبار العمليات اللاحقة: السحب العميق والطبعة تفضل الصفائح الرقيقة بحالات O/H1x، بينما الأعضاء الهيكلية تستخدم عادة معالجات H المشغولة باردًا لتحمل حمل أعلى.

درجات مكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3N21	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية مستخدمة في بعض كتالوجات الموردين؛ تتوافق مع معايير سلسلة المنغنيز 3xxx
EN AW	3003 / مشابه لـ 3N21	أوروبا	لا يوجد تطابق مباشر 1:1؛ EN AW-3003 هي الأقرب كمكافئ شائع عملياً
JIS	مشابه لـ A3003	اليابان	تركيبة JIS ودرجات المعالجة حرارية مشابهة؛ المراجعة المباشرة تتطلب فحص كيميائي
GB/T	3N21	الصين	المعيار الصيني يستخدم تسمية 3N21 في بعض مواصفات المواد

تتطلب المعادلة المباشرة بين المعايير مقارنة دقيقة من حيث التركيب الكيميائي والخواص؛ بعض المعايير تجمع السبائك المنغنيزية ذات الصلة تحت أرقام مشتركة (مثلاً 3003). تظهر فروقات دقيقة بسبب حدود الشوائب، وقياسات مقاومة الخضوع والشد، والتاريخ المعالج للسبيكة، لذا يُنصح بإجراء تأهيل متبادل وشهادة المورد في التطبيقات الحرجة. عند استبدال أو شراء 3N21 من مناطق مختلفة، يجب التأكد من تطابق درجات المعالجة والمعايير الميكانيكية بدلاً من الاعتماد على الاسم فقط.

مقاومة التآكل

تُظهر 3N21 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام النموذجي للسبائك المنغنيزية منخفضة النحاس، حيث تشكل طبقة أكسيد واقية وذات التصاق تقلل من التدهور المستقبلي. في البيئات البحرية، تؤدي أداءً جيدًا مقارنةً بالعديد من السبائك ذات المعالجة الحرارية العالية القوة بسبب محدودية محتوى النحاس والزنك، لكن الغمر الطويل والتعرض لكلوريدات يتطلبان اعتبارات تصميم مثل الطلاءات، الحماية الكاثودية أو الأنودات التضحية. لا يُعد تشقق التآكل التوتري (SCC) وضع فشل رئيسي للسبائك غير المعالجة حرارياً القائمة على المنغنيز، لكن الهجوم الموضعي عند اللحامات، التصدعات أو تحت الرواسب يمكن أن يسرّع تكوين الحفر وبدء التعب اللاحق.

يجب أخذ التفاعلات الكهروكيميائية مع المعادن المختلفة في الاعتبار: 3N21 أنودية مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النحاس، لذلك عند التلامس سوف يتآكل الألمنيوم بشكل مفضل ما لم يتم عزل كهربائياً أو تصميم النظام لاستيعاب التيارات الجلفانية. بالمقارنة مع سبائك السلسلة 5xxx التي تحتوي على المغنيسيوم، غالبًا ما تتمتع 3N21 بقابلية لحام مماثلة أو أفضل قليلاً ومقاومة تآكل مماثلة، لكن سلسلة 5xxx توفر قوة أعلى حيث لا يكون اللحام حرجاً. مقارنةً بالسبائك المعالجة حرارياً من سلسلة 6xxx، تتنازل 3N21 عن أقصى قوة ممكنة مقابل تحسين مقاومة بعض أشكال التآكل الموضعي وسهولة اللحام والتشكيل.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

اللحام بواسطة MIG (GMAW)، TIG (GTAW) وعمليات المقاومة لسبائك 3N21 بسيط في معظم درجات المعالجة بسبب محتوى النحاس المنخفض والشوائب المضبوطة، مما ينتج لحامات جيدة الليونة. الأسلاك المضافة الموصى بها هي أسلاك ألمنيوم-منغنيز/نحاس منخفضة السبيكة (مثل أسلاك قائمة على AlSi في بعض الحالات) تُختار لمطابقة أداء التآكل والمتطلبات الميكانيكية للوصل. خطر التشقق الحراري منخفض مقارنة بالسبائك العالية المحتوى من النحاس، لكن تطرية منطقة حرارة اللحام (HAZ) للدرجات المعالجة بالتبرد شائعة ويجب مراعاتها في تصميم الوصلات والمعالجة بعد اللحام.

قابلية التشغيل

تشغيل 3N21 نموذجي لسبائك Al-Mn: تشكيل رقائق جيد، قوى قطع منخفضة، وتشطيب سطحي جيد باستخدام أدوات كربيد. مؤشر القابلية للتشغيل متوسط مقارنة بالسبائك سهلة التشغيل؛ يجب تعديل السرعات ومعدلات التغذية حسب درجة المعالجة وسمك المقطع لتجنب تكوين الحافة المتراكمة وظهور الحواف. يُنصح باستخدام سائل تبريد أو نفث هوائي للقطع الأثقل لإخلاء الرقائق والسيطرة على التمدد الحراري.

قابلية التشكيل

التشكيل البارد من أقوى خصائص 3N21 في درجات O والدرجات H الخفيفة؛ يمكن تحقيق أنصاف أقطار ثني ضيقة وسحب عميق مع تزييت مناسب وأدوات متدرجة. أنصاف أقطار الثني الموصى بها تعتمد على الدرجة والسمك، لكن درجة O يمكنها استيعاب أنصاف أقطار صغيرة تصل لـ 1 – 2× السمك للعديد من الأجزاء المطبوعة، بينما H18 تتطلب أنصاف أقطار أكبر لتجنب التشقق. إذا كان التشكيل معقدًا، يُفضل البدء بدرجات O أو H12 وتطبيق تسلسل تقسية متحكم به للوصول إلى الأهداف الميكانيكية النهائية.

سلوك المعالجة الحرارية

3N21 هي سبيكة غير معالجة حرارياً ولا تستفيد من المعالجة بالحلول الحرارية والتقسية الاصطناعية كما في سبائك 6xxx أو 7xxx. يعتمد تقويتها على العمل البارد (درجات H)، التقسية بالشد، وعند الاقتضاء على معالجات استقرار لتعديل بنية الحبيبات واستجابة التلدين. تستعيد دورات التلدين الليونة (درجة O) بواسطة إعادة التبلور؛ وتُستخدم عمليات التلدين الصناعية للمخزون الملفوف أو الأجزاء التي تحتاج إلى السحب العميق لاحقًا. التعرض الحراري أثناء الخدمة أو التصنيع (مثل اللحام) قد يسبب تطرية موضعية وإعادة بلورة جزئية، مسببة تغيرات في الإجهادات المتبقية ودقة الأبعاد.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

عند درجات حرارة مرتفعة، تفقد 3N21 قوتها تدريجياً ولا يُنصح بها للتطبيقات الإنشائية فوق نحو 150 – 200 °C للأحمال المستمرة. التأكسد محدود بواسطة طبقة أكسيد الألمنيوم، لكن درجات الحرارة المرتفعة تسرّع من عمليات الانتشار واستعادة البنية الدقيقة التي تقلل من قوة العمل البارد. يمكن أن تتعرض منطقة حرارة اللحام لتطرية شبيهة بالتقدم في السن عند درجات متوسطة بسبب الاستعادة؛ يجب على المصممين التحقق من سلوك الزحف والاسترخاء للمكونات المعرضة للأحمال الحرارية الدورية. بالنسبة للتعرض المؤقت لدرجات حرارة أعلى، يكون الأداء قصير المدى مقبولًا، لكن الخدمة طويلة الأمد عند درجات حرارة عالية يجب أن تفضل السبائك المصممة خصيصًا للاستقرار الحراري.

تطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 3N21
السيارات	ألواح الهيكل، الدعامات الداخلية	مزيج جيد من القابلية للتشكيل، مقاومة التآكل، وقوة معتدلة
البحرية	ألواح الهيكل الفوقي، قطع التشطيب	مقاومة جيدة للكلوريد وقابلية لحام أثناء التصنيع
الفضاء الجوي	الأجهزة الثانوية، عناصر هيكلية غير حرجة	نسبة قوة إلى وزن جيدة وخصائص تعب محسنة للهياكل الثانوية
الإلكترونيات	الهياكل المعدنية، الحوامل، موزعات الحرارة	توازن بين التوصيل الحراري، القابلية للتشكيل، ومقاومة التآكل

تُستخدم 3N21 في التطبيقات التي تتطلب توازنًا اقتصاديًا بين سهولة التصنيع والمتانة البيئية بدلاً من أقصى قوة ممكنة. يجمع هذا السبائك بين القابلية للتشكيل واللحام وأداء مقاومة التآكل ليكون مادة أساسية لأجزاء الصفائح المعدنية التي تتطلب عمليات تشكيل وربط متكررة. تكون السبيكة جذابة خاصة عندما يفضل المصممون تجنب عمليات المعالجة الحرارية مع الحاجة إلى قدرة إنشائية أعلى من درجات الألمنيوم النقية تجاريًا.

نصائح للاختيار

لاختيار عام، يُنصح باستخدام 3N21 عندما تحتاج إلى سبائك غير معالجة حرارياً بقوة ومقاومة تعب أفضل من الألمنيوم عالي النقاء مع الحفاظ على قابلية جيدة للتشكيل واللحام. بالمقارنة مع 1100، تضحي 3N21 قليلاً في التوصيل الكهربائي والحراري وليونة المعدن النقي مقابل زيادة كبيرة في مقاومة الخضوع والشد. مقارنة بالسبائك المقساة بالعمل مثل 3003 و5052، عادةً ما تكون 3N21 عند قوة مماثلة أو أعلى قليلاً مع مقاومة تآكل قريبة، مما يجعلها مفضلة حيث يُراد تعزيز القوة المتوسطة دون الانتقال إلى السبائك المعالجة حرارياً.

مقارنةً بالسبائك المعالجة حرارياً مثل 6061 أو 6063، لن تصل 3N21 إلى القوة القصوى نفسها لكنها توفر معالجة أبسط (بدون دورات حل وتقسية) وقابلية تشكيل ولحام أفضل في العديد من الأجزاء الملحومة أو المشكّلة. استخدم 3N21 عندما تكون كفاءة التشكيل واللحام، الأداء المتسق لمقاومة التآكل، والقدرة الإنشائية المعتدلة أكثر أهمية من تعظيم القوة لكل وحدة وزن.

ملخص ختامي

تظل 3N21 ذات صلة لأنها تجمع بين المزايا العملية لعائلة سبائك المنغنيز 3xxx — مقاومة تآكل جيدة، قابلية تشكيل ممتازة وسهولة اللحام — مع مسار اقتصادي لقوة إنشائية معتدلة عبر العمل البارد. تجعل مجموعة خصائصها المتوازنة ومرونة المعالجة منها اختياراً عمليًا للعديد من تطبيقات النقل، البحرية، المعمارية والطيران الخفيف حيث تكون سهولة التصنيع والمتانة البيئية أساسية.