الألومنيوم 4004: التركيب، الخواص، دليل الحالات الحرارية، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
سبائك 4004 هي من سلسلة سبائك الألومنيوم 4xxx، وهي مركبات مشغولة تحتوي على السيليكون ضمن عائلة Al-Si. تتميز سلسلة 4xxx بأن السيليكون هو العنصر السبائكي الأساسي، وعادةً ما يُدمج مع نسب ضئيلة من الحديد والنحاس والمنغنيز وشوائب أخرى لتحسين قابلية الصب والخصائص الحرارية.
آلية التقوية الاسمية لـ 4004 تعتمد أساسًا على تقوية محلول صلب من السيليكون وتشتت أطوار بين معدنية غنية بالسيليكون؛ وهي بشكل كبير غير قابلة للمعالجة الحرارية وتعتمد على تقسية التشوه (عمليات H-temper) وتبريد مُتحكم به لضبط الخواص. من الصفات الرئيسية لـ 4004 القوة المتوسطة إلى الجيدة بالنسبة لسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، تحسين المقاومة للاحتكاك والثبات الحراري مقارنةً بالدرجات النقية جدًا، مقاومة جيدة للتآكل في العديد من الأجواء، وقابلية لحام وتشكيل عامة جيدة.
الصناعات التي تستخدم عادة سبائك سلسلة 4xxx مثل 4004 تشمل السيارات (مكونات الهيكل وأسلاك الحشو)، الأجهزة المنزلية، التبريد والإلكترونيات (حيث تهم التوصيلية الحرارية وقابلية الصب)، والنقل حيث يتطلب توازن بين القابلية للتشكيل والأداء الحراري المرتفع. يختار المهندسون 4004 عندما يحتاجون إلى استقرار أبعاد وأداء حراري أفضل عند درجات حرارة مرتفعة مقارنة بالألومنيوم النقي تجاريًا، ولكن دون تكلفة أو تعقيد معالجة السبائك ذات القوة الأعلى القابلة للمعالجة الحرارية.
غالبًا ما يُفضل 4004 على الدرجات الأقل سبائكًا لأنه يقدم توازنًا عمليًا: زيادة محتوى السيليكون تحسن الاستقرار عند درجات الحرارة العالية وتقلل التمدد الحراري مع الحفاظ على سلوك جيد في التشكيل البارد واللحام. يُفضل عندما تكون متطلبات التصميم قوة متوسطة مع توصيل حراري، تقليل القساوة الساخنة أثناء اللحام أو التلحيم، وأداء مستقر عبر عمليات التشكيل واللحام.
أنواع التصلب
| نوع التصلب | مستوى القوة | الاستطالة | القابلية للتشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | مرتفع | ممتاز | ممتاز | حالة مرضية مخددة لتعظيم اللدونة |
| H12 | منخفض-متوسط | متوسط | جيد جدًا | جيد جدًا | تصلب تشويه خفيف، تعافي محدود في التشكيل |
| H14 | متوسط | متوسط-منخفض | جيد | جيد جدًا | نوع تصلب شائع للعمل البارد لتطبيقات الألواح |
| H18 | مرتفع | منخفض | ضعيف | جيد | تصلب كامل، يستخدم عند الحاجة لخصائص الربيع |
| T4* | منخفض-متوسط | متوسط | جيد جدًا | جيد جدًا | حالة تصلب محلول محدودة؛ الاعتمادية على الكيمياء الدقيقة |
| T5* | متوسط | متوسط-منخفض | جيد | جيد | معالجة تقدم عمر صناعي من حالة التبريد بعد الصب؛ إمكانية تصلب محدودة |
| T6* | متوسط | متوسط-منخفض | معتدل | معتدل | بعض سبائك 4xxx تظهر استجابة ترسيب محدودة؛ الفوائد معتدلة |
بعد الجدول، يعتمد اختيار نوع التصلب لـ 4004 بشكل رئيسي على تقسية التشويه مقابل حالات التلدين، حيث توفر حالة O أقصى لدونة وتزيد سلسلة H من مستويات مقاومة الخضوع والشد تدريجيًا. عندما يُحدد معالجة حرارية بسيطة (أنواع T)، فإن التحسين في التصلب محدود مقارنة بسبائك 2xxx أو 6xxx القابلة للمعالجة الحرارية، وتُستخدم هذه المعالجة أساسًا لتحقيق استقرار البنية المجهرية أو تخفيف الإجهادات المتبقية بدلاً من تحقيق زيادات كبيرة في القوة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.7–1.6 | العنصر الرئيسي السبائكي؛ يتحكم في تقوية المحلول الصلب والسلوك الحراري |
| Fe | 0.2–0.8 | عنصر شوائب؛ يشكل أطوارًا بين معدنية تؤثر على القوة وقابلية التشغيل |
| Mn | 0.05–0.5 | مُعدِّل بنية الحبوب؛ يحسن القوة وأداء المقاومة للتآكل بشكل هامشي |
| Mg | 0.02–0.25 | مستويات منخفضة تعزز استجابة التقسية بالتشويه؛ تقوية ترسيبية محدودة |
| Cu | 0.02–0.25 | إضافات صغيرة تزيد القوة لكنها قد تقلل مقاومة التآكل إذا كانت مرتفعة |
| Zn | 0.02–0.15 | عادة منخفضة؛ تُحافظ على مستوياتها لتجنب الهشاشة وحساسية تآكل الإجهاد |
| Cr | 0.01–0.10 | عنصر أثر بسيط لتحكم في بنية الحبوب وإعادة التبلور في أنواع التصلب |
| Ti | 0.01–0.10 | معدل لحجم الحبوب يُضاف بكميات قليلة، خاصةً في الصب أو معالجة القضبان |
| عناصر أخرى | الباقي Al | عناصر متبقية وشوائب محكومة طبقًا لمواصفات الخواص الميكانيكية والمقاومة للتآكل |
يحدد مزيج السيليكون مع كميات معتدلة من الحديد والمنغنيز السلوك الميكانيكي والحراري لسبيكة 4004؛ حيث يخفض السيليكون بشكل رئيسي نطاق الانصهار موضعيًا ويزيد القوة عبر تقوية المحلول الصلب وتكوين الأطوار البينية المعدنية. تُستخدم العناصر الأثرية مثل التيتانيوم والكروم لتحسين تكرير حجم الحبوب، مما يحسن المتانة وقابلية التشكيل، في حين تُحافظ على مستويات النحاس والزنك منخفضة عمدًا للحفاظ على مقاومة التآكل وعدم الإضرار بقابلية اللحام.
الخواص الميكانيكية
سلوك الشد لـ 4004 يتوافق مع سبيكة Al-Si غير قابلة للمعالجة الحرارية: تقدم قوة شد وقوة خضوع متوسطة يمكن زيادتها عن طريق العمل البارد لكنها لا تصل إلى قيم القوة القصوى للسبائك القابلة لتقسية التقدم بالسن. الاستطالة في الحالة الملدنة مرتفعة، مما يسمح بالتشكيل المعقد، وتنخفض بشكل متوقع مع زيادة درجة التقسية H-temper. تتأثر الصلادة وقيم الشد بسماكة المقطع، تاريخ المعالجة، ووجود الأطوار البينية المعدنية الغنية بالسيليكون التي قد تقوي أو تشكل مواقع بدء تشقق تحت تحميلات دورية.
أداء التحمل (fatigue) مقبول للعديد من التطبيقات الإنشائية، ولكن يجب الحذر من التعب عالي الدورة في حالة وجود شقوق تشغيل أو عيوب لحام، حيث يمكن للأطوار السيليكونية البينية تركيز الإجهاد. تأثير السمك مهم: الألواح الرقيقة يمكن تشغليها ببرودة بشكل أكثر انتظامًا وتصل إلى مقاومات نسبية أعلى لنوع التصلب المعين، في حين أن الأجزاء السميكة قد تحتفظ بنواة أكثر ليونة وتظهر لدونة أقل في الثني أو السحب العميق.
| الخاصية | O/ملدن | نوع التصلب الرئيسي (مثلاً H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (MPa) | 90–140 | 140–220 | نطاقات الشد تعتمد على العمل البارد والسماكة؛ القيم تقريبية لأشكال الألواح |
| قوة الخضوع (MPa) | 40–80 | 80–160 | قوة الخضوع تزداد بشكل ملحوظ مع التصلب؛ H14 نمطي للألواح الإنشائية |
| الاستطالة (%) | 20–35 | 6–18 | الحالة الملدنة تعطي أعلى لدونة؛ التصلب يقلل اللدونة لزيادة القوة |
| الصلادة (HB) | 20–40 | 40–90 | تصاعدية مع العمل البارد؛ الصلادة مرتبطة بخصائص الشد |
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.68–2.71 جم/سم³ | كثافة سبائك الألومنيوم النموذجية، تعتمد قليلاً على محتوى السبائك |
| نطاق الانصهار | ~577–652 °C | السيليكون يخفض نقاط الانصهار المحلية مقارنة بالألومنيوم النقي؛ نطاق الصلادة-السائلة يتغير مع محتوى السيليكون |
| التوصيلية الحرارية | 120–165 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي لكن لا تزال عالية مقارنة بالصلب؛ مناسبة لتبديد الحرارة |
| التوصيلية الكهربية | 30–45 %IACS | منخفضة نسبياً مقارنةً بالألومنيوم النقي (>60% IACS) بسبب إضافات السبائك |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.88–0.90 J/g·K | مقارنة مع سبائك الألومنيوم الأخرى؛ مفيدة لحسابات الكتلة الحرارية |
| التوسع الحراري | 22–24 µm/m·K | أقل قليلاً من الألومنيوم النقي في سبائك Al-Si، مما يحسن الاستقرار الأبعادي مع تغير درجة الحرارة |
تجعل هذه الخواص الفيزيائية 4004 خيارًا جذابًا للتطبيقات التي تتطلب توازنًا بين خفة الوزن والتوصيل الحراري والتوصيلية الكهربائية المعقولة. إذ تبقى التوصيلية الحرارية مرتفعة بما يكفي للعديد من تطبيقات المشتتات الحرارية، في حين يساهم الانخفاض في التوسع الحراري وتحسين خصائص التصلب في جعل السبيكة مناسبة جيدًا للتجميعات الملحومة أو الملحومة بالتلحيم حيث يجب التحكم في التشوه.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المعالجات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح (Sheet) | 0.3–6.0 mm | تُظهر خصائص تعتمد بقوة على السماكة؛ الألواح تتصلب ميكانيكياً بشكل متوقع | O, H14, H18 | الشكل الأساسي لألواح الهياكل، مبادلات الحرارة وأغلفة الأجهزة |
| صفائح (Plate) | 6–50+ mm | الأقسام السميكة تحتفظ بنواة أكثر ليونة إلا إذا تم تشغلها بشدة | O, H12, H14 | تُستخدم حيث يلزم تعزيز الصلابة؛ قابلية السحب العميق محدودة |
| بثق (Extrusion) | مقطع عرضي 2–80+ mm | يمكن تثبيت الصناعة والعلاج بالتبريد البارد بعد البثق | O, H11, H22 | شائع للبروفيلات والهياكل الإنشائية |
| أنابيب (Tube) | Ø 6–300 mm | أنابيب ملحومة أو بدون لحام؛ القوة تعتمد على سماكة الجدار والمعالجة الحرارية | O, H14, H18 | تُستخدم في نقل السوائل والهياكل الخفيفة |
| قضبان/أعمدة (Bar/Rod) | Ø 3–100+ mm | يمكن سحب القضبان باردًا لزيادة القوة؛ القابلية للتشغيل جيدة | O, H12, H14 | تُستخدم للمكونات المشغولة وقطع التثبيت |
منتجات الألواح والبثق هي أكثر أشكال التسليم شيوعًا لدرجة 4004، وطرق معالجتها—الدرفلة، التلدين، التشكيل البارد والتسوية بالشد—تحدد الاستجابة الميكانيكية النهائية. الصفائح والأقسام السميكة أقل قابلية للتشكيل وغالبًا ما تتطلب تشغيلًا مسبقًا أو تشكيلًا متعدد المراحل، في حين تستفيد البثق من التحكم في التبريد وتجهيز الكتل لإدارة تدفق الحبيبات وجودة السطح.
الدرجات المكافئة
| المواصفة | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 4004 | الولايات المتحدة الأمريكية | تعيين جمعية الألمنيوم؛ مستخدمة في بعض الكتالوجات الإقليمية |
| EN AW | 4xxx (تقريبًا) | أوروبا | تصنيفات EN تجمع سبائك Al-Si بشكل عام؛ قد تختلف الأرقام المحددة |
| JIS | A4xxx (تقريبًا) | اليابان | المواصفات اليابانية تدرج أفراد عائلة Al-Si بتركيبة كيميائية مشابهة |
| GB/T | 4xxx (تقريبًا) | الصين | المواصفات الصينية تشمل عدة سبائك Al-Si مشغولة بخصائص متداخلة |
ينبغي التعامل بحذر مع المكافآت عبر المواصفات لأن عائلة 4xxx تغطي مجموعة من محتويات السيليكون والإضافات الطفيفة التي تؤثر على الأداء. يجب أن يأخذ التقاطع المرجعي في الاعتبار النطاقات الكيميائية الدقيقة وتعريفات المعالجة؛ الاستبدال المباشر بدون تحقق من الخصائص قد يؤدي إلى اختلافات غير متوقعة في القابلية للتشكيل، واللحام، ومقاومة التآكل.
مقاومة التآكل
المقاومة الجوية لدرجة 4004 جيدة بشكل عام للبيئات الداخلية العادية والخارجية ذات التلوث الخفيف؛ فالمحتوى المنخفض نسبيًا من النحاس والزنك يقلل من تسريع التآكل الكهروكيميائي. وجود مركبات سيليكون وحديد بين معدنية قد يخلق مواقع كاثودية محلية تحت ظروف عدوانية، ولكن بشكل عام تشكل السبائك طبقة أكسيد خاملة مستقرة تحمي من التآكل المنتظم.
في البيئات البحرية وذات محتوى كلوريد، تؤدي 4004 أفضل من بعض السبائك الحاملة للنحاس ولكنها لا تزال أكثر عرضة للتآكل النقطي عند مواقع التلف الميكانيكي أو مناطق اللحام مقارنةً بسبائك سلسلة 5xxx عالية المغنيسيوم. يُنصح باستخدام معالجات سطحية مناسبة، مواد مانعة للتسرب وتصميم جيد للصرف لتقليل تآكل الفتحات والنقاط في التطبيقات البحرية المكشوفة.
قابلية التشقق الناتج عن تآكل الإجهاد (SCC) في 4004 منخفضة مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية ذات القوة العالية؛ ومع ذلك، يمكن للإجهادات المتبقية الموضعية الناتجة عن اللحام أو التشكيل البارد، مع وجود بيئة ملوثة، أن تزيد من المخاطر. عند تصميم التجميعات التي تتلامس مع معادن مختلفة، يجب مراعاة الاعتبارات الكهروكيميائية-فولطية؛ فالألمنيوم 4004 أنودي مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ والمعادن الثمينة وقد يحتاج لعزل أو حماية تنازلية لمنع التسريع في التآكل.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
يظهر 4004 قابلية جيدة للحام بالتوصيل باستخدام العمليات القياسية مثل MIG وTIG واللحام بالمقاومة بفضل محتوى السيليكون الذي يقلل من ميل التشقق الحراري. عادةً ما تفضل اختيارات مادة الحشو مطابقة تركيبات Al-Si (مثل حشوات Al-5Si) للتحكم في التصلب وتقليل المسامية؛ التسخين المسبق والتحكم في حرارة الإدخال يحسن من تكامل الوصلات. قد يظهر منطقة التأثير الحراري تليينًا إذا كان المعدن الأصلي مصلبًا ميكانيكيًا، لذا غالبًا ما تكون هناك حاجة لمعالجة ميكانيكية بعد اللحام أو تعويض تصميمي.
قابلية التشغيل
تصنيف قابلية التشغيل لـ 4004 من متوسط إلى جيد مقارنة بالألمنيوم النقي تجارياً؛ السيليكون والجسيمات البينية الصغيرة تحسن انكسار الرقائق لكن يمكن أن تزيد من تآكل الأدوات مقارنة بالدرجات النقية جدًا. توفر أدوات الكربيد ذات الميل الإيجابي والهندسة المناسبة عالية السرعة أفضل إنتاجية، مع سرعات قطع متوسطة إلى عالية وتوفير تبريد كافٍ لتقليل التكلس. الحفر والقطع يتطلبان انتباهاً لمعدلات التغذية لتجنب اهتزاز الأدوات، وتمريرات التشطيب تساعد في الحفاظ على جودة السطح حيث يكون الأداء في مواجهة التعب مهمًا.
قابلية التشكيل
القابلية للتشكيل في معالجات O والحرارية الخفيفة جيدة، تدعم السحب العميق والانحناءات المعقدة مع تحكم مناسب في استرداد الارتداد. أنصاف أقطار الانحناء الدنيا تعتمد على المعالجة الحرارية والسماكة؛ الألواح المدعمة بالتلدين يمكنها تحقيق أنصاف أقطار أكثر حدة (≈1–2× السماكة) في حين أن درجات H18 أو المعالجات الثقيلة تتطلب أنصاف أقطار أكبر (≥3–6× السماكة). للعمليات التشكيلية الشديدة، يفضل استخدام O أو H12 متبوعة بتثبيت المعالجة ودوائر تخفيف الإجهاد لتحسين التحكم في الأبعاد وتقليل مخاطر التمزق.
سلوك المعالجة الحرارية
كسبائك ممثلة لعائلة 4xxx، تُصنف 4004 على أنها غير قابلة للمعالجة الحرارية إلى حد كبير؛ فهي لا تستجيب لمعالجة الحرارة التقليدية أو التشيخ الصناعي بنفس مستوى الزيادة في القوة كما في سبائك 2xxx أو 6xxx. المحاولات لاستخدام معالجات على نمط T6 تنتج تحسينات معتدلة فقط، لذا تُستخدم المعالجات الحرارية أساسًا لتجانس البنية المجهرية المصبوبة، تخفيف الإجهادات، أو تعديل طفيف للليونة بدلاً من تحقيق زيادات كبيرة في القوة.
التصلب الناتج عن العمل هو مسار التقوية الرئيسي: يسمح التشكيل البارد المنضبط ومسارات الشد (H1x/H2x/H3x) بزيادات متوقعة متدرجة في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد. دورات التلدين الكاملة تعيد المادة إلى حالة لينة وغالبًا ما تُحدد قبل عمليات التشكيل؛ يمكن استخدام معالجات التثبيت (مثل التشيخ منخفض الحرارة) لتقليل تغير الخصائص بعد التشكيل أو اللحام.
الأداء في درجات الحرارة العالية
في درجات الحرارة المرتفعة، تظهر 4004 انخفاضًا تدريجيًا في مقاومة الخضوع والشد مع تجانس مراحل غنية بالسيليكون وتناقص تقوية المحلول الصلب؛ عادةً تمتد القدرة الهيكلية المفيدة إلى درجات حرارة خدمة معتدلة (تقريبًا حتى ~150–200 °C) حسب الحمل والبيئة. التأكسد منخفض مقارنة بالسبائك الحديدية، لكن التعرض طويل الأمد في درجات حرارة مرتفعة قد يسبب تليين وانحراف أبعاد؛ يجب على المصممين الأخذ في الاعتبار الزحف تحت الأحمال المستمرة.
الوصلات الملحومة قد تكون حساسة للتعرض الحراري المرتفع حيث تولد الإجهادات المتبقية والتغيرات المجهرية المحلية مناطق قابلة للإضعاف الميكانيكي؛ المعالجات الحرارية بعد اللحام أو التصميم لإعادة توزيع الأحمال هي الإجراءات المعتادة. للتطبيقات التي تتضمن دورات حرارية، يقلل التمدد الحراري المستقر نسبيًا والتوصيل الحراري الجيد لـ 4004 من التدرجات الحرارية، ولكن يجب الانتباه إلى بداية التعب الحراري في مناطق تركيز الإجهاد.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | سبب استخدام 4004 |
|---|---|---|
| السيارات | ألواح داخلية للجسم، دروع حرارية | توازن بين القابلية للتشكيل، الاستقرار الحراري وقابلية اللحام |
| البحرية | مكونات هيكلية غير حرجة، الزينة | مقاومة جيدة للتآكل وقابلية التصنيع للأجواء البحرية |
| الطيران | أجهزة ثانوية، أغطية | نسبة القوة إلى الوزن المواتية والاستقرار البُعدي الحراري |
| الإلكترونيات | مشتتات حرارة، أغلفة | التوصيل الحراري العالي مع قابلية تشكيل أسهل مقارنةً بسبائك Al-Si المصبوبة |
تُحدد 4004 عادة حيث يحتاج التصميم إلى مزيج من القابلية للتشكيل، قوة معقولة وسلوك حراري محسّن مقارنة بالألمنيوم النقي تجارياً أو السبائك عالية النحاس. يعكس استخدامها في السيارات والإلكترونيات الحاجة إلى قابلية التصنيع (التشكيل، الربط) مع الأداء الحراري ومقاومة التآكل.
نصائح الاختيار
للملاحظة السريعة حول الاختيار: استخدم 4004 عندما تحتاج إلى قوة معتدلة مع قابلية تشكيل وخصائص حرارية متفوقة مقارنة بالألمنيوم النقي تجارياً، وحيث تكون قابلية اللحام وانخفاض الميل للتشقق الحراري مهمة. تُعد خياراً جذابًا خاصة عند كون التوصيل الحراري والاستقرار البُعدي تحت دورات حرارية من محددات التصميم.
مقارنة بـ 1100 (ألمنيوم نقي تجارياً)، تقدم 4004 تقاربًا في قابلية التشكيل مع زيادة ذات مغزى في القوة والاستقرار الحراري مع خسارة بسيطة في التوصيل الكهربائي؛ مقارنة بالسبائك المشغولة مثل 3003 أو 5052، توفر 4004 أداء حراريًّا مماثلًا أو أعلى وقابلية تشكيل مماثلة، لكنها أقل مقاومة للتآكل النهائي في البيئات عالية الكلوريد من درجات سلسلة 5xxx الحاملة للمغنيسيوم. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يكون معدل القوة القصوى عادة أقل لكنه أفضل في قابلية اللحام والسلوك الحراري؛ اخترها عندما لا يكون من الضروري الوصول لأقصى قوة بعد المعالجة وعندما يكون سهولة الربط والتشكيل أكثر أهمية من أقصى خصائص الشد.
الملخص الختامي
تظل سبائك 4004 ذات أهمية لأنها تملأ فجوة عملية: ألومنيوم مقوّى بالسيليكون غير قابل للمعالجة الحرارية يجمع بين قابلية تشكيل جيدة، وقابلية لحام موثوقة، وأداء حراري ملائم لمجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية. تجمع مجموعة خصائصه المتوازنة وسلوك معالجته المتوقع ليجعلها خيارًا قويًا للمصممين الباحثين عن حلول ألومنيوم قابلة للتصنيع ومستقرة حراريًا.