الألومنيوم 4040: التركيب، الخصائص، دليلك للحالة الحرارية والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
4040 هو سبيكة من سلسلة الألومنيوم-السيليكون تنتمي لعائلة 4xxx، تتميز بالسيليكون كعنصر سبائكي رئيسي. تعرف سلسلة 4xxx بزيادة السيليكون التي تعزز السيولة وقابلية اللحام بدلاً من تحقيق أقصى قوة من التصلب بالتساقط.
العناصر السبائكية الرئيسية في 4040 تشمل السيليكون كإضافة مهيمنة، مع كميات محكمة من الحديد والمنغنيز وإضافات أثرية من الكروم والتيتانيوم لتحسين البنية والتحكم في نمو الحبيبات. تقوى السبيكة بشكل رئيسي بواسطة تأثيرات المحلول الصلب من السيليكون وعن طريق التقسية بالشد؛ وتعتبر غير قابلة للمعالجة الحرارية بالمعنى الكلاسيكي للتصلب بالتساقط.
السمات الرئيسية لـ 4040 تشمل قوة معتدلة مع قابلية جيدة للحام، وتوصيل حراري محترم، وزيادة في السيولة لتطبيقات اللحام واللحام اللحامي (البرازة). مقاومة التآكل في الظروف الجوية العادية من متوسطة إلى جيدة؛ وقابلية التشكيل في المعالجات الملدنة ممتازة بينما تقدم المعالجات المشدودة زيادة في القوة على حساب اللدونة.
الصناعات النموذجية التي تستخدم 4040 تشمل السيارات (خصوصاً أسلاك التعبئة والبروفيلات الهيكلية)، النقل، السلع الاستهلاكية، والتجمعات المصنعة التي تتطلب موثوقية في اللحام وجودة سطح جيدة. يختار المهندسون 4040 عندما يكون مطلوباً توازن بين أداء الوصلات الملحومة، التوصيل الحراري، والقوة المعتدلة دون الحاجة لقوة تعبئة أعلى لسبيكات المعالجة الحرارية.
أنواع المعالجات
| نوع المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية (20–35%) | ممتازة | ممتازة | حالة تم إخمادها بالكامل لأقصى درجات اللدونة |
| H12 | متوسطة-منخفضة | متوسطة (12–18%) | جيدة | ممتازة | ربع مشدود، يحتفظ بقابلية تشكيل جيدة للسحب الخفيف |
| H14 | متوسطة | منخفضة-متوسطة (8–12%) | جيدة | ممتازة | نصف مشدود، توازن بين القوة واللدونة |
| H16 | متوسطة-عالية | منخفضة (6–10%) | مقبولة | ممتازة | ثلاثة أرباع مشدود لزيادة الصلابة |
| H18 | عالية | منخفضة (4–8%) | محدودة | ممتازة | مشدد بالكامل لأعلى قوة من الشغل على البارد |
| H24 | متوسطة | متوسطة (10–15%) | جيدة | ممتازة | مشدود جزئياً وملدن لتحقيق توازن بين التشكيل والتصنيع |
المعالجات في 4040 هي في الغالب معالجة بالشد (سلسلة H) أو ملدنة بالكامل (سلسلة O) لأن السبيكة لا تستجيب للتصلب بالتساقط التقليدي من النوع T. اختيار معالجة H أكثر صلابة يرفع من مقاومة الخضوع والشد لكنه يقلل من الاستطالة وقابلية التشكيل البارد؛ وتستخدم معالجة O حيث يكون السحب العميق والانحناء مطلوبين. تُحافظ على قابلية اللحام في معظم معالجات H بسبب تأثير السيليكون الإيجابي على سيولة الذوبان وتقليل ميل التعرض للتشقق الساخن.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.6 – 1.2 | عنصر سبائكي رئيسي؛ يحسن السيولة، يقلل من نطاق الانصهار ويزيد من تقسية المحلول الصلب للسيليكون |
| Fe | 0.3 – 0.9 | شوائب شائعة؛ تشكل مركبات بينية قد تؤثر على المتانة وجودة السطح |
| Mn | 0.2 – 0.8 | مكرر للحبيبات ومساهم في القوة من خلال الجسيمات المشتتة؛ يحسن مقاومة التآكل بشكل هامشي |
| Mg | 0.02 – 0.20 | محتوى منخفض؛ تأثيرات طفيفة على القوة وسلوك التقسية بالشد |
| Cu | ≤ 0.20 | إضافة منخفضة ومحكومة؛ تزيد الكميات العالية منها من تقليل مقاومة التآكل ويتم تقليلها |
| Zn | ≤ 0.10 | تحافظ على نسبة منخفضة لتجنب تقوية غير مرغوب فيها وتقليل الأداء المقاوم للتآكل |
| Cr | 0.02 – 0.20 | يتحكم في نمو الحبيبات ويحسن ثباتية البنية الدقيقة عند درجات الحرارة العالية |
| Ti | 0.01 – 0.10 | ميكروسبائك لتحسين تنقيح الحبيبات في المنتجات المصبوبة والمشكلة |
| عناصر أخرى (لكل منها) | ≤ 0.05 | عناصر أثرية وبقايا؛ الباقي ألومنيوم |
السيليكون هو العنصر المسيطر الذي يشكّل أداء 4040: فهو يقلل الفجوة بين الصلد والسائل، يحسن قابلية الصب والسيولة في حمام اللحام، ويساهم بتقوية المحلول الصلب باعتدال. يشكل الحديد والمنغنيز مركبات بينية تؤثر على القوة وبداية تصدع الإجهاد وخصائص السطح؛ والتحكم الدقيق بهذه العناصر حاسم لجودة البثق وأداء التشكيل.
الخواص الميكانيكية
في حالة التلدين (O)، يمتاز 4040 بقوى خضوع وشد منخفضة نسبياً لكنه عالي اللدونة، مما يجعله مناسباً للسحب العميق والعمليات التشكيلية المعقدة. عند التقسية بالشد إلى معالجات H، ترتفع قوى الشد والخضوع بشكل كبير بسبب تراكم الانزلاقات، ولكن تنخفض اللدونة والمتانة، وتزيد الحساسية للترقق الموضعي. الصلادة ترتبط ارتباطاً وثيقاً بنوع المعالجة: المواد الملدنة طرية وسهلة التشغيل أو التشكيل، بينما H18 أكثر صلابة وتوفر صلابة محسنة لكنها تقلل من قابلية التشكيل.
مقاومة الإجهاد المتكرر في 4040 معتدلة وتعتمد بشكل كبير على جودة السطح، نوع المعالجة، ووجود عيوب تتعلق بالصب أو البثق؛ يمكن أن تحسن المعالجات الشدية تقوية التعب عالي الدورة لكنها تزيد حساسية السبيكة لمركزات الإجهاد. يؤثر السمك بشكل كبير على الأداء الميكانيكي: الألواح الرقيقة تميل إلى تحقيق قوة ظاهرة أعلى في معالجات H بسبب توزيع الشد أثناء الشغل البارد، بينما قد تحتفظ القطاعات السميكة بمزيد من اللدونة في معالجات مشابهة.
| الخاصية | O/ملدنة | معالجات رئيسية (H14 / H18) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 95 – 130 MPa | 170 – 230 MPa | H14≈180–200 MPa نموذجية؛ القيم تختلف بناءً على الشغل البارد والسمك |
| مقاومة الخضوع | 30 – 55 MPa | 120 – 170 MPa | H18 تقترب من الحد الأعلى؛ المقاومة ترتفع بسرعة مع التقسية بالشد |
| الاستطالة | 25 – 35% | 4 – 12% | الاستطالة تنخفض بشكل ملحوظ مع زيادة أرقام معالجات H |
| الصلادة (HB) | 20 – 35 HB | 55 – 85 HB | صلادة برينل ترتفع مع زيادة صلابة المعالجة وترتبط بقوة الشد |
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.70 جرام/سم³ | نموذجية لسبيكات الألومنيوم المشغولة؛ تستخدم لحساب الكتلة والصلابة |
| نطاق الانصهار (صلد – سائِل) | ~575 – 650 °C | السيليكون يخفض الصلد مقارنة بالألومنيوم النقي؛ النطاق يعتمد على نسبة السيليكون والعناصر الأثرية |
| التوصيل الحراري | 130 – 170 واط/م·ك (25 °C) | موصل جيد؛ أقل قليلاً مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب التسبك |
| التوصيل الكهربائي | ~40 – 50 % IACS | أقل من الألومنيوم النقي؛ التسبك والعمل على البارد يقللان التوصيل |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.90 جول/جم·ك (900 جول/كجم·ك) | مفيدة لحسابات الانتقالات الحرارية ومشتتات الحرارة |
| المعامل الحراري للتوسع | 23 – 24 ميكرومتر/م·ك | معامل نمو حراري نموذجي لسبيكات الألومنيوم؛ يتطلب التصميم معه ضبط فرق التمدد الحراري مع المواد الأخرى |
توصلية 4040 الحرارية وسعتها الحرارية تجعله فعالاً في مكونات تبديد الحرارة حيث يتطلب الأمر كذلك عمليات اللحام. الكثافة والمعامل الحراري للتوسع متوافقة مع الممارسات الهندسية النموذجية للألومنيوم وتسمح بالاستبدال في التصاميم التي تتطلب وزن خفيف مع سلوك توسع حراري متوقع.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | التمبرات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح (Sheet) | 0.3 – 6.0 mm | السمك الرفيع يظهر مقاومة ظاهرة أعلى في التمبلرات H | O, H12, H14 | تُستخدم للألواح الخارجية، مبردات الحرارة، والتجمعات الملحومة |
| ألواح سميكة (Plate) | 6 – 25 mm | تحافظ على اللدونة في الحالة O؛ وتستخدم تمبرات H للألواح الصلبة | O, H14, H18 | الأقسام السميكة تتطلب سيطرة دقيقة على الضغوط المتبقية |
| البثق (Extrusion) | مقاطع حتى عدة مئات من mm | تختلف القوة حسب سماكة الملف الشخصي والتبريد | O, H24, H14 | سهولة البثق جيدة بسبب السيليكون، وتستخدم للمقاطع المعقدة |
| أنابيب (Tube) | قطر خارجي 6 – 200 mm | القوة تتحكم بها سماكة الجدار والتمبر | O, H14 | شائعة للأنابيب الملحومة والمقاطع الهيكلية |
| قضبان/أعمدة (Bar/Rod) | قطر 6 – 100 mm | السحب البارد يزيد القوة؛ القضبان تستخدم لأجزاء تشغيل | O, H18 | مقاطع صلبة للتركيبات والتثبيتات؛ جودة السطح مهمة لأجزاء التعب |
تخلق اختلافات المعالجة (الدرفلة مقابل البثق مقابل الصب) تراكيب دقيقة مميزة تؤثر على الخصائص النهائية: غالبًا ما تحتوي البُقُط على حبيبات ممتدة وتتطلب تمبر خاص، في حين أن الألواح المدرفلة تكون موحدة أكثر وقابلة للتنبؤ في التشكيل بالقالب. تعكس اختيارات التطبيق هذه الاختلافات؛ فالألواح الرقيقة في حالة O تُفضل للتشكيل، بينما تُختار المقاطع البثق في تمبرات H للصلابة الهيكلية والسيطرة على الأبعاد.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 4040 | الولايات المتحدة الأمريكية | تسمية صناعية للتركيبة السبائكية الموصوفة هنا |
| EN AW | 4xxx / AW-4040 (غير رسمي) | أوروبا | لا يوجد رقم EN موحد؛ تستخدم سبائك سلسلة 4xxx المماثلة إقليميًا |
| JIS | A4040 (غير رسمي) | اليابان | المعايير اليابانية قد تشير إلى سبائك Al-Si المشابهة مع تسامحات تركيبية إقليمية |
| GB/T | Al-4040 (غير رسمي) | الصين | المعايير الصينية لديها سبائك Al-Si مماثلة ولكن المطابقات الدقيقة تتطلب فحص حدود التركيب الكيميائي |
لا تكون المطابقة المستقيمة بين المعايير دائما 1:1 بسبب اختلاف حدود التركيب، التحكم في الشوائب، وتعريفات التمبر وفقًا لكل هيئة معيارية. على المهندسين مقارنة نطاقات التركيب الكيميائي وحدود الخصائص الميكانيكية عند استبدال السبائك عبر المناطق؛ كما يمكن لتاريخ المعالجة (بثق مقابل درفلة) تعديل قابلية التبادل حتى عند تطابق التركيب الاسمي.
مقاومة التآكل
في بيئات جوية عادية، يظهر 4040 مقاومة تآكل متوسطة بفضل محتواه من السيليكون وانخفاض نسب النحاس والزنك. تكون السبائك قادرة على تشكيل أكسيد حماية يوفر حماية عامة، وتحسين التأكسد السطحي يزيد من متانة السطح والمظهر؛ وعادةً ما يكون التآكل الموضعي في شكل حفر صغيرًا في البيئات الخالية من الكلوريدات.
في البيئات البحرية والغنية بالكلوريدات، يُظهر 4040 أداء مقبولاً لكن سبائك 5xxx الحاملة للمغنيسيوم تتفوق عليه في مقاومة مياه البحر. للتطبيقات الهيكلية البحرية المكشوفة، يفضل المصممون عادة سبائك 5xxx أو خيارات أخرى مغطاة؛ ما زال 4040 يُستخدم للمكونات الداخلية، التجمعات الملحومة وأينما تُطبق طبقات أنودية أو طلاءات.
حساسية تكسير التآكل الإجهادي لـ4040 منخفضة مقارنة بسبائك 2xxx عالية القوة وبعض سبائك 7xxx؛ مع ذلك قد تظهر مناطق اللحام والحالات المعالجة حرارياً H هشة موضعية إذا اقترنت بكيميائيات عدوانية وإجهادات شد. يجب أخذ التفاعلات الجلفانية بعين الاعتبار: حيث أن الألمنيوم أنودي بالمقارنة مع النحاس والفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني في العديد من البيئات، لذلك يلزم العزل أو الحماية الكاثودية لمنع التآكل المتسارع.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
4040 قابل للحام بدرجة عالية مع خصائص انصهار ممتازة بفضل زيادة السيليكون في التدفق؛ يُستخدم بشكل شائع كمواد حشو للّحام TIG وMIG لتجميعات الألمنيوم. سبائك الحشو القياسية للّحام غير المتجانس تشمل 4043 (حشو أعلى في السيليكون) أو أسلاك حشو 4xxx المتوافقة لمطابقة السلوك المتري والميكانيكي. خطر التصدع الحراري منخفض، لكن تليين منطقة تأثير الحرارة (HAZ) من اللحام قد يقلل القوة المحلية في تمبرات H؛ استهلاك الحرارة والتحكم في التصميم الميكانيكي بعد اللحام مهم للحفاظ على الأداء.
قابلية التشغيل
قابلية التشغيل لل4040 معتدلة إلى جيدة مقارنة بالألمنيوم الخالص تجارياً؛ تتميز بقابلية تشغيل جيدة بأدوات كربيد وتنتج رقائق طويلة مستمرة تتطلب إدارة نشطة للرقائق. الأدوات الموصى بها هي إدخالات كربيد حادة بزوايا إيجابية ومعدلات تغذية معتدلة؛ سرعات القطع عادة بين 150–350 م/دقيقة حسب نوع الأداة والتبريد، مع انخفاض السرعات للقطع المنقطعة. جودة السطح والسيطرة على الأبعاد ممتازة في تمبر O، بينما تمبرات H قد تتطلب قوى وأدوات أكثر صلابة.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل ممتازة في الحالة المطفية O ومناسبة للسحب العميق، الثني والشد؛ يمكن أن يكون أقل نصف قطر للانحناء 1–1.5× السماكة في تمبر O لتطبيقات الألواح. يقلل العمل البارد لتمبرات H من اللدونة ويزيد ارتدادية الزنبرك والقوى المطلوبة للتشكيل، لذا تستخدم تمبرات H في التطبيقات التي يكون فيها الشكل النهائي قريبًا من الشكل النهائي وصغرت متطلبات التشكيل. يمكن لعملية التشكيل الدافئ أو التسخين المسبق تمديد حدود التشكيل للأشكال المعقدة دون الحاجة إلى التخمير.
سلوك المعالجة الحرارية
يعتبر 4040 غير قابل للمعالجة الحرارية لتعزيز الخصائص بالترسيب، وبالتالي لا يظهر استجابة تمبر T المميزة لعائلات 2xxx أو 6xxx. إن محاولات المعالجة بالذوبان والشيخوخة تنتج تغييرات طفيفة فقط لأن السيليكون في النطاق 0.6–1.2% لا يشكل ترسيبات تقوية مماثلة لـ Mg2Si.
الرافعة الميتالورجية العملية لتغيير الخصائص في 4040 هي العمل الميكانيكي (البارد) والتخمير الحراري. يتم تحقيق التخمير الكامل (O) بتسخين إلى درجات حرارة ضمن نطاق تخمير الألمنيوم النموذجي (~350–415 °C تبعًا للسماكة والمنتج) تليه عملية تبريد مضبوطة لاستعادة اللدونة. تستخدم دورات التخمير الجزئي أو تخفيف الإجهاد لتقليل الضغوط المتبقية في الأقسام السميكة أو المكونات المعالجة بشكل كبير.
الأداء في درجات الحرارة المرتفعة
يحافظ 4040 على خصائص ميكانيكية مفيدة حتى درجات حرارة معتدلة مرتفعة، لكن القوة والصلابة تنخفض تدريجيًا مع الزيادة في درجة الحرارة فوق ~100 °C. مقاومة الزحف محدودة مقارنة بالسبائك الخاصة عالية الحرارة؛ الأحمال الثابتة طويلة الأمد في درجات حرارة فوق 150 °C يمكن أن تسبب زحفًا ملحوظًا وينبغي تجنبها في التطبيقات الهيكلية. الأكسدة ضئيلة لأن الألمنيوم يشكل طبقة أكسيد مستقرة، لكن مناطق تأثير الحرارة (HAZ) والمناطق المعالجة حراريًا قد تظهر خشونة حبيبية وتليين موضعي يقلل مقاومة التعب.
لذلك، يجب على المصممين تحديد درجات حرارة الخدمة المستمرة للمكونات الحاملة للأحمال ضمن نطاق 120–150 °C وتقييم الزحف والتعب للمكونات المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة وتحميل دوري. لأوقات التعرض القصيرة أو الدورات الحرارية مع هوامش تصميم كافية، يعمل 4040 بمصداقية خاصة عند تطبيق طبقات طلاء أو تأكسد أنودي للحماية من الهجوم البيئي.
التطبيقات
| الصناعة | مكون نموذجي | سبب استخدام 4040 |
|---|---|---|
| السيارات | حوامل ملحومة، أسلاك حشو لتجميع الهيكل | قابلية لحام ممتازة وموصلية حرارية جيدة للحام وإدارة الحرارة |
| البحرية | تركيبات هيكلية داخلية وتجميعات ملحومة | مقاومة تآكل معتدلة وقابلية لحام جيدة للأجزاء المصنعة |
| الفضاء | تركيبات غير حرجة، حوامل إدارة حرارية | نسبة قوة إلى وزن مناسبة وسهولة التصنيع للهياكل الثانوية |
| الإلكترونيات | مبردات حرارية وأغلفة | موصلية حرارية جيدة مع قابلية التشكيل واللحام |
| السلع الاستهلاكية | ألواح الأجهزة والمقاطع المُبثقة | تشطيب السطح، إمكانية التأكسد وأنخفاض التشوه أثناء اللحام |
يُختار 4040 حيث يجمع بين قابلية اللحام، الأداء الحراري، والقوة المعتدلة لتقديم حل اقتصادي. يدعم توازن خصائصه كل من التجمعات الملحومة والمكونات المشكلة حيث لا تُطلب أقصى تقوية بالترسيب.
نصائح الاختيار
اختر 4040 عندما يتطلب تصميمك قابلية لحام ممتازة، موصلية حرارية جيدة، وقوة معتدلة مع قابلية تشكيل جيدة في الحالة المطهية. هو مناسب بشكل خاص للتجمعات الملحومة، تطبيقات أسلاك الحشو، والمكونات التي تهم فيها إدارة الحرارة وكذلك أداء اللحام.
بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجارياً (مثل 1100)، يستبدل 4040 بعض الموصلية الكهربائية وقابلية التشكيل بقوة أعلى وتحسين سلوك حوض اللحام؛ اختر 1100 عندما تكون أقصى قابلية للطرق أو الموصلية ضرورية. بالمقارنة مع السبائك الشائعة المعالجة بالتقسية (مثل 3003 / 5052)، يقدم 4040 عادةً قابلية لحام أفضل وسيولة انصهار أعلى ولكنه يمتلك مقاومة تآكل مياه البحر أقل قليلاً من سبائك الفئة 5xxx؛ يُفضَّل استخدام 5052 للطبقات البحرية الحرجة. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية (مثل 6061 / 6063)، يوفر 4040 سهولة أكبر في اللحام وتوافق أفضل مع حشوات اللحام، لكنه يمتلك مقاومة شد قصوى أقل؛ اختر 4040 عندما تكون سهولة اللحام والأداء الحراري أهم من الوصول لأقصى قوة شد.
الملخص الختامي
يظل 4040 خياراً عملياً للتطبيقات الهندسية التي تعطي الأولوية لقابلية اللحام، والموصلية الحرارية الجيدة، والخصائص الميكانيكية المتوازنة دون تعقيدات المعالجة الحرارية. يجمع بين سلوكية محلول صلب وتقسية بالتشكيل، إلى جانب أداء تصنيع متوقع، مما يجعله سبيكة موثوقة للهياكل الملحومة، ومكونات إدارة الحرارة، والأجزاء المشكلة في صناعات متعددة.