الألومنيوم 4032: التركيب، الخصائص، دليل التصلب والاستخدامات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
4032 هو عضو في سلسلة السبائك الألومنيوم 4xxx، التي يتميز فيها السيليكون كعنصر سبائكي رئيسي. هو في الأساس سبيكة Al-Si تم تطويرها للتطبيقات التي تتطلب معامل تمدد حراري منخفض، مقاومة جيدة للتآكل، وتوافق مع ثقوب الأسطوانات المصنوعة من الحديد المصبوب ومواد مختلفة أخرى متزاوجة.
تشمل العناصر الرئيسية في السبائك السيليكون (Si) بنسبة وزنية ذات خانتين عشريتين، مع إضافات معتدلة من النحاس (Cu)، الحديد (Fe)، المنغنيز (Mn)، المغنيسيوم (Mg)، الكروم (Cr)، والتيتانيوم (Ti) كميات ضئيلة. يتم تحقيق التقوية بشكل رئيسي عبر المعالجة الحرارية (معالجة التسوية والشيخوخة الصناعية) وبدرجة أقل من خلال الانحلال الصلب وتوزيع جزيئات السيليكون الدقيقة بدلاً من ترسيب Mg2Si التقليدي فقط.
السمات الرئيسية لـ4032 هي مقاومة شد مرتفعة في درجات T6، تمدد حراري منخفض نسبياً مقارنة بالعديد من سبائك الألومنيوم، خصائص تآكل جيدة، ومقاومة معتدلة للتآكل في البيئات الجوية. قابلية اللحام عملية باستخدام مواد ملء مناسبة وممارسات تسخين ما قبل وبعد اللحام، في حين أن قابلية التشكيل محدودة في درجات الذروة — مما يجعلها غالباً مستخدمة في المكونات المشغولة أو المصبوبة والمشغولة بدلاً من الألواح المشكّلة بتشكيل بارد بشكل مكثف.
تشمل الصناعات النموذجية السيارات (مكابس الأسطوانات والمكونات عالية التآكل)، هياكل الطيران الفرعية والتوصيلات، مكونات نظام الدفع، والتشغيل المتخصص لأجهزة إدارة الحرارة. يختار المهندسون 4032 عندما يكون مطلوباً توازن بين القوة، الاستقرار البعدي عند درجات حرارة مرتفعة، انخفاض التمدد الحراري، وقابلية التشغيل مقابل بدائل ذات قوة أعلى أو أكثر قابلية للتشكيل.
درجات المعالجة
| درجة المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية | ممتازة | ممتازة | حالة مخدرة بالكامل؛ أفضل قابلية للتشكيل والليونة |
| H14 | منخفضة-متوسطة | متوسطة | جيدة | جيدة | حالة تقسية العمل لتحسين حد الخضوع |
| T5 | متوسطة | منخفضة-متوسطة | محدودة | جيدة | مبردة من معالجة بدرجة حرارة مرتفعة وشيخوخة صناعية |
| T6 | عالية | منخفضة | محدودة | جيدة | معالجة حرارية بالتمثيل ثم شيخوخة صناعية لتحقيق القوة القصوى |
| T651 | عالية | منخفضة | محدودة | جيدة | درجة T6 مع تخفيف الإجهاد عبر شد لتقليل الإجهاد المتبقي |
درجة المعالجة لها تأثير كبير على التوازن بين القوة والليونة لـ4032. المادة المخدرة (O) توفر أفضل تشكيل واستطالة، في حين تعطي درجات T6/T651 أعلى قوة وصلادة على حساب قابلية التشكيل البارد.
يجب أن يأخذ اختيار الدرجة في الاعتبار العمليات اللاحقة: اختر درجات O أو درجات H الخفيفة للتشكيل المكثف أو السحب العميق، واستخدم درجات T5/T6/T651 للمكونات المشغولة أو التطبيقات التي تكون فيها الاستقرار الأبعاد ومقاومة التآكل أهم من قابلية الانحناء.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 11.0 – 13.5 | عنصر السبائك الرئيسي؛ يقلل التمدد الحراري ويحسن مقاومة التآكل والقابلية للصب |
| Fe | 0.2 – 1.2 | عنصر شوائب؛ يؤثر على المركبات بين الفلزات وقد يؤثر على الليونة |
| Mn | 0.05 – 0.5 | يسيطر على بنية الحبوب ويمكن أن يحسن القوة والمتانة |
| Mg | 0.2 – 0.8 | يوفر إمكانية التقسية بالشيخوخة (Mg2Si عند التفاعل مع سيليكون) |
| Cu | 0.2 – 1.2 | يرفع القوة والصلادة لكنه قد يقلل قليلاً مقاومة التآكل |
| Zn | ≤ 0.2 | منخفض بشكل عام؛ تأثير محدود في هذا النظام السبائكي |
| Cr | 0.05 – 0.35 | مكرر حبيبات ومكون موزع لتحسين الاستقرار والقوة |
| Ti | 0.03 – 0.2 | مكرر حبيبات للمعالجة الصب والمطروقة |
| عناصر أخرى / توازن Al | توازن | بقايا تشمل Ni، Pb، أو Bi بمستويات أثرية حسب المنتج |
الكيمياء الغنية بالسيليكون هي العامل المسيطر على التمدد الحراري، مقاومة التآكل، وشكل جزيئات الطور الثاني. المغنيسيوم والنحاس المعتدل يسمحان بالتقسية بالترسيب وتحسين القوة في درجات المعالجة الحرارية، في حين تعمل العناصر الأثرية مثل الكروم والتيتانيوم بشكل رئيسي على تحسين بنية الحبيبات وتثبيت الخصائص أثناء العمليات الحرارية.
الخصائص الميكانيكية
في سلوك الشد، يظهر 4032 تغيراً ملحوظاً بين الحالة المخدرة والمعالجة حرارياً. في حالة O تظهر السبيكة قوة شد متوسطة واستطالة عالية مناسبة للتشكيل والانحناء. في الحالات T6/T651 ترتفع مقاومة الشد بشكل كبير بسبب المعالجة بالتمثيل والشيخوخة الصناعية، مع انخفاض الليونة وقلة الاستطالة.
يتبع حد الخضوع نمطاً مماثلاً: منخفض في الحالات المخدرة ومرتفع بشكل كبير في درجات الذروة. الصلادة تتناسب مع درجة المعالجة، حيث تزداد قيم صلادة برينل بعد معالجة التسوية والشيخوخة. أداء التعب عادة جيد مقارنة بالعديد من سبائك Al-Mg بسبب جزيئات السيليكون الكثيفة والمكونات الموزعة المستقرة التي تقلل من حساسية بدء التشققات تحت حمل دوري.
سمك المادة، تاريخ المعالجة والتشغيل يؤثر على الاستجابة الميكانيكية؛ الأقسام الرفيعة تتقدم بالشيخوخة أسرع وقد تصل للقيم القصوى بوقت شيخوخة أقصر، بينما تحافظ الأجزاء السميكة على تدرجات قوة تمثيلية. التعرض الحراري بالقرب من أو فوق درجات الشيخوخة يمكن أن يقلل الخصائص القصوى بسبب الشيخوخة الزائدة وتضخم المكونات المقوية.
| الخاصية | O/مخدر | درجة رئيسية (مثل T6/T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | ~140–200 MPa (نموذجي) | ~300–380 MPa (نموذجي) | قيم T6 تعتمد على العملية والتركيب؛ الأرقام في نطاقات تقريبية |
| حد الخضوع | ~60–120 MPa (نموذجي) | ~220–320 MPa (نموذجي) | الزيادة في حد الخضوع هي الفائدة الرئيسية لمعالجة T6/T651 |
| الاستطالة | ~10–20% | ~2–8% | الليونة تنخفض بشكل ملحوظ مع درجات القوة الأعلى |
| الصلادة | ~40–70 HB | ~85–120 HB | الصلادة تتناسب مع مقاومة الشد وتوزيع جزيئات السيليكون |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.70 جرام/سم³ | نموذجي لسبائك الألومنيوم؛ مفيد لتصاميم حساسة للوزن |
| نطاق الذوبان | ~575–615 °C | تأثيرات الإيوتيك من السيليكون تخفض نقطة الانصهار مقارنة بالألومنيوم النقي |
| التوصيل الحراري | ~120–160 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي بسبب السبيكة؛ لا يزال جيداً لإدارة الحرارة |
| التوصيل الكهربائي | ~25–40% IACS | منخفض مقارنةً بالألومنيوم النقي بسبب السيليكون والإضافات السبائكية |
| الحرارة النوعية | ~0.90 J/g·K | حرارة نوعية نموذجية للألومنيوم؛ تمكن التوازن الحراري السريع |
| التمدد الحراري | ~20–22 µm/m·K | أقل من العديد من سبائك الألومنيوم بسبب المحتوى الكبير من السيليكون |
المحتوى العالي من السيليكون يقلل معامل التمدد الحراري مقارنة بسلاسل سبائك Al-Mg أو Al-Mn، وهي خاصية مهمة للاستقرار الأبعادي عند درجات حرارة مرتفعة وللمكونات المتزاوجة مع المواد الحديدية. التوصيل الحراري والكهربائي أقل من الألومنيوم عالي النقاء لكن يبقى مناسباً حيث تكون خصائص هيكلية وحرارية مطلوبة في آن واحد.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | درجات المعالجة الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.5 – 6 مم | قوة مقيدة بسبب قابلية التشكيل للسماكات الرقيقة | O, H14, T5 | تستخدم حيث يكون التشغيل محدوداً أو للتطبيقات المطلية/الملتصقة |
| صفائح | 6 – 50 مم | يحتاج الجزء السميك إلى معالجة تسوية محكمة للشيخوخة | O, T6, T651 | الأجزاء المشغولة غالباً ما تُنتج من مخزون الصفائح |
| بروفيلات سحبية | مقاطع حتى متوسطة الحجم | تعتمد الخواص على معدل التبريد والشيخوخة اللاحقة | T5, T6 | تستخدم لأعضاء هيكلية تحتاج إلى تمدد حراري منخفض |
| أنابيب | أقطار متغيرة | الأداء الميكانيكي يختلف حسب سمك الجدار | O, T6 | تستخدم غالباً في وصلات هيدروليكية أو أنابيب تبادل حراري مشغولة |
| قضبان/أعمدة | أقطار حتى 200–300 مم | خواص متجانسة بعد المعالجة الحرارية | O, T6, T651 | مصدر شائع للتشغيل الدقيق والمكونات ذات التآكل العالي |
تُختار أشكال المنتجات المطروقة بناءً على التطبيق النهائي والمتطلبات الميكانيكية. تُختار الألواح الرقيقة عندما يكون التشكيل مطلوباً، في حين أن الصفائح والقضبان والأشكال السحبية أكثر شيوعاً حيث يكون التشغيل والمعالجة الحرارية مخططان لاحقاً.
الاختلافات في المعالجة مثل معدل التبريد بعد العمل الساخن والقدرة على تنفيذ معالجة تسوية موحدة تجعل المقطع الكبير أكثر تحدياً للوصول إلى خواص T6 موحدة. غالباً ما تفضل قابلية التشغيل والاستقرار الأبعادي في قضبان وصفائح المخزون للمكونات الدقيقة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 4032 | الولايات المتحدة الأمريكية | تسمية ASTM/AA القياسية لهذه السبائك المطروقة الغنية بالسيليكون |
| EN AW | AlSi11Cu (تقريباً) | أوروبا | توجد سبائك مطروقة غنية بالسيليكون مماثلة بشكل واسع؛ لا توجد مطابقة دقيقة بنسبة 1:1 في جميع الحالات |
| JIS | A4032 (تقريباً) | اليابان | تشمل أنظمة JIS درجات مشابهة منخفضة التمدد من سبائك Al-Si-Mg المستخدمة للمكابس |
| GB/T | AlSi11Cu (تقريباً) | الصين | تشمل المعايير الصينية درجات Al-Si-Cu ذات تراكيز تركيبية مشابهة |
يجب الحذر عند استخدام مسميات الدرجات المكافئة: العديد من المعايير تصنف سبائك الألمنيوم ذات التركيب Al-Si المشابهة بقيود مختلفة على العناصر الثانوية أو qualifiers مختلفة لعمليات الإنتاج. الاختلافات في محتوى النحاس، المغنيسيوم، والشوائب أو في معالجة المنتج (مطروق مقابل مصبوب بالقالب) يمكن أن تؤدي إلى اختلافات في الأداء. ينصح دائماً بالتحقق من ممارسات المعالجة الحرارية وبيانات الخواص الميكانيكية عند الاستبدال بين المعايير الإقليمية.
مقاومة التآكل
توفر درجة 4032 مقاومة متوسطة للتآكل الجوي النموذجي لسبائك Al-Si، حيث تؤدي أداءً جيداً في معظم البيئات الصناعية والمدنية الحضرية. السبائك مقاومة للتآكل العام ولا تتطلب حماية سطحية واسعة للعديد من التطبيقات الهيكلية، رغم أن الطلاءات الواقية غالباً ما تُستخدم في حالات التعرض العدواني أو طويل الأمد.
في البيئات البحرية، تتحمل 4032 بشكل معقول تعرض الرزاز الجوي للمياه المالحة لكنها ليست مقاومة بنفس القدر كالسبائك المتخصصة من Al-Mg ذات المقاومة الأعلى للتآكل. الغمر المستمر في مياه البحر أو وجود محاليل كلوريد حمضية سيسرع من حدوث نقاط التآكل والتآكل العام، لذا يُنصح بحماية تضحية أو طلاءات حاجزة.
مقاومة الشقوق الناتجة عن التآكل تحت الإجهاد منخفضة نسبياً مقارنة بسبائك عالية القوة من نوع Al-Zn-Mg-Cu، لكن قد تحدث إذابة أنودية موضعية حول مناطق مشدودة في بيئات كلوريدية. يجب تقليل التفاعلات الجلفانية مع الفولاذ المقاوم والزوCopper عن طريق عزل المواد أو استخدام وسائل تثبيت متوافقة؛ حيث تعمل 4032 كقطب أنودي مقابل العديد من المعادن النبيلة.
مقارنة بسلاسل 1xxx و 5xxx، فإن 4032 تتنازل عن بعض الأداء في مقاومة التآكل العام مقابل قوة أعلى واستقرار حراري أفضل. مقارنة بالسبائك من سلسلة 6xxx، فهي مماثلة في الأداء الجوي لكنها تختلف في سلوك الترسيب والآليات الدقيقة للتآكل.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يمكن لحام 4032 باستخدام تقنيات اللحام بالانصهار الشائعة مثل TIG وMIG مع اتباع الممارسات المثلى. يُنصح غالباً باستخدام سبائك لحام غنية بالسيليكون مثل Al-Si filler (مثلاً ER4043) لتقليل القابلية لتشقق اللحام الساخن وتحسين سيولة معدن اللحام. تليين منطقة التأثير الحراري (HAZ) يشكل تحدياً للسبائك المعالجة حرارياً؛ إذ يمكن أن يؤدي الإفراط في التقدم بالعمر أو فقدان حالة المحلول إلى انخفاض الخصائص الميكانيكية قرب اللحامات.
يعد التسخين المسبق، والتحكم في التمرير بين اللحامات، والمعالجة الحرارية بعد اللحام من الإجراءات المفيدة في التطبيقات الحرجة لاستعادة أو تثبيت الخصائص. في الأجزاء عالية السلامة، غالباً ما تُفضل الوصلات الميكانيكية أو اللحام بالنحاس لتجنب مشاكل HAZ المرتبطة باللحام بالانصهار للسبائك المعالجة حرارياً.
قابلية التشغيل
تُعتبر 4032 من السبائك الألمنيومية سهلة إلى ممتازة في التشغيل بسبب محتواها من السيليكون وبنيتها الدقيقة المستقرة. يتم تشغيلها بشكل أنظف وأقل عرضة لتراكم حواف القطع مقارنة بالعديد من سبائك الألمنيوم النقية، وتنتج رقائق جيدة التشكيل عند استخدام أدوات من كربيد. تشمل الممارسات الموصى بها سرعات دوران معتدلة إلى عالية، إدخالات موجبة الشكل، وتبريد بالتدفق أو الرذاذ للتحكم بدرجة الحرارة وتجميع الرقائق.
تُفضل أدوات الكربيد أو الكربيد المطلي لزيادة الإنتاجية؛ يمكن استخدام فولاذ عالي السرعة للأعمال الخفيفة لكنه يتآكل بسرعة أكبر. تقلل أدوات كربيد التنجستن من تآكل الجوانب وتحافظ على جودة السطح في القطع المستمر للمواد ذات قوة T6 العالية.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل ممتازة في الحالة المهدئة O وتتدهور بشكل كبير مع زيادة التصلب الحراري. تختلف أقل أنصاف أقطار للانحناء حسب الحالة والسماكة؛ حيث يمكن تحقيق أنصاف أقطار ضيقة للصفائح الرقيقة في حالة O، بينما تتطلب صفائح T6 أنصاف أقطار أكبر وغالباً خطوات وسطية لتخفيف الإجهاد. العمل البارد محدود في T6 وT651 بسبب انخفاض الليونة، لذا يفضل تنفيذ عمليات التشكيل قبل المعالجة الحرارية النهائية أو باستخدام حالة O.
حيثما تكون الأشكال المعقدة مطلوبة في جزء نهائي عالي القوة، يُفضل التشكيل في حالة O يليها المعالجة بالحلول والشيخوخة (إذا سمحت هندسة الجزء والعملية)، أو استخدام سبائك بديلة ذات قدرة أفضل على التشكيل البارد.
سلوك المعالجة الحرارية
4032 هي سبيكة قابلة للمعالجة حرارياً؛ حيث تهدف دورات المعالجة إلى الاستفادة من كيمياء Si-Mg (وبدرجة ما Cu) لتقوية بالشيخوخة. تتراوح درجات حرارة المعالجة بالحلول بين حوالي 510–540 °C لإذابة المراحل القابلة للذوبان دون حدوث ذوبان جزئي لمكونات السيليكون الغنية. يتطلب التبريد السريع بالماء للاحتفاظ بمحلول صلب مشبع فوق الحالة الطبيعية.
تحدث الشيخوخة الاصطناعية عادةً في نطاق 150–200 °C لعدة ساعات حسب سمك المقطع والخصائص المستهدفة؛ ترتبط درجات T5 وT6 بمسارات معالجة مختلفة. يؤدي الإفراط في التقدم بالعمر عند درجات حرارة أعلى أو أوقات مطولة إلى تكوين ترسيبات أكبر وتقليل القوة القصوى لكنه قد يحسن المتانة والاستقرار الحراري.
ينبغي إدارة الانتقالات في درجات الحرارة بعناية: حيث تتطور تشوهات وضغوط متبقية خلال التبريد، لذلك غالباً ما يتم تحديد T651 (تمدد بعد التبريد) للأجزاء المشغولة التي تحتاج لأقل إجهاد متبقي. تتطلب معالجة القطاعات الكبيرة معالجة فرن محكمة وقد تحتاج أوقات نقع أطول لتحقيق خصائص متساوية.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تظهر 4032 انخفاضاً في القوة مع ارتفاع درجة حرارة الخدمة، مع فقد ملحوظ فوق ~150–200 °C حسب درجة الحرارة ومدة التعرض. التعرض القصير المدى لدرجات حرارة مرتفعة لا يدمر سلامة الميكانيكية بالضرورة، لكن الخدمة المطولة عند درجات حرارة مرتفعة تؤدي إلى تقدم عمر مفرط وتكبير بنية الترسبات، مما يقلل مقاومة الخضوع والإجهاد.
الأكسدة محدودة في الظروف التشغيلية العادية لأن الألمنيوم يشكل طبقة أكسيد واقية، لكن عند درجات حرارة أعلى وفي بيئات أكسدة أو كبريتيد عدوانية يمكن أن تتسارع الهجمات السطحية. مناطق HAZ القريبة من اللحامات تكون حساسة بشكل خاص للتليين وتدهور الخصائص إذا تعرضت لدرجات حرارة الخدمة القريبة من درجات الشيخوخة.
يجب على المصمم تقييم مقاومة الزحف والاستقرار الحراري عند تحديد 4032 للتطبيقات ذات درجات حرارة مرتفعة مستمرة؛ وللخدمة المستمرة في درجات حرارة مرتفعة قد تُفضل سبائك أخرى مخصصة للقوة العالية تحت درجات الحرارة.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | سبب استخدام 4032 |
|---|---|---|
| السيارات | المكابس (للمحركات ذات الأداء العالي والديزل) | انخفاض التمدد الحراري، مقاومة التآكل، وقابلية تشغيل جيدة لأجزاء ذات تحمل دقيق |
| البحرية | مكونات الصمامات والتوصيلات | مقاومة تآكل معتدلة وثبات أبعاد في درجات حرارة متغيرة |
| الفضاء | التجهيزات والحوامل والأجهزة المدارية حرارياً | قوة إلى وزن جيدة، ثبات حراري، وقابلية تشغيل عالية لمكونات دقيقة |
| الإلكترونيات | مشتتات حرارية وأغلفة | توازن بين التوصيل الحراري وسهولة التشغيل لبيئات مبردة |
يُختار 4032 غالبًا للمكونات التي تتطلب مزيجًا من الثبات الأبعادي، مقاومة التآكل، وقابلية التشغيل العالية بدلاً من أعلى مقاومة شد قصوى. استخدامه في مكابس السيارات هو مثال كلاسيكي حيث يكون التحكم في التمدد الحراري والقدرة على تشغيل جدران رقيقة بدقة عالية ضروريًا.
نصائح للاختيار
اختر 4032 عندما يتطلب تصميمك قوة نسبية عالية مع معامل تمدد حراري منخفض وقابلية تشغيل جيدة للمكونات الدقيقة. تعتبر فعالة خصوصاً حيث يتزاوج المعدن مع مواد مثل الحديد الزهر أو ما يشابهه يتطلب تطابقاً في سلوك التمدد الحراري وانخفاض الانحراف البُعدي مع تغير درجات الحرارة.
مقارنة بالألمنيوم النقي تجارياً (1100)، تتنازل 4032 عن الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل مقابل قوة أعلى بكثير وانخفاض التمدد الحراري. مقارنة بالسبائك المعالجة بالتصلب مثل 3003 أو 5052، توفر 4032 قوة واستقرار حراري أفضل ولكن قابلية تشكيل أقل وسلوك تآكل مختلف قليلاً. مقارنة بسبائك قابلة للمعالجة حرارية شائعة مثل 6061 أو 6063، قد تُظهر 4032 قوة شد قصوى أقل في بعض الحالات لكنها تقدم تمدداً حرارياً منخفضاً ومقاومة تآكل محسنة تبرر استخدامها في المكابس والأجزاء المعرضة لتقلبات حرارية.
ينبغي مراعاة التكلفة والتوفر عند اختيار 4032؛ فهي ليست منتشرة كالسبائك من سلسلة 6xxx في أسواق الألواح والبثق، لذا يجب تأكيد سلسلة الإمداد وقابلية الإنتاج (المعالجة الحرارية والتشغيل) مبكراً في مرحلة التصميم.
الملخص الختامي
تبقى 4032 ذات صلة في الهندسة الحديثة لأنها تجمع بشكل فريد بين انخفاض التمدد الحراري، أداء جيد في مقاومة التآكل، وقابلية تشغيل قوية مع مستويات قوة قابلة للمعالجة حرارياً. للمكونات التي يجب أن تحافظ على تحمّلات دقيقة تحت تأثير دورات حرارية وتقدم أسطحاً موثوقة للتشغيل، غالباً ما تكون 4032 الخيار العملي.