ألمنيوم 4046: التركيب، الخواص، دليل التصلب، والتطبيقات

نظرة شاملة

السبائك 4046 هي عضو في سلسلة سبائك الألومنيوم 4xxx، التي تحتوي على السيليكون وتُستخدم أساسًا كمادة حشو للّحام وبعض التطبيقات المشغولة. تُميَّز سلسلة 4xxx بسيليكونها كمكون رئيسي للسبائك؛ وفي سبيكة 4046 تكون نسبة Si مرتفعة نسبيًا مقارنة مع العديد من سبائك 4xxx الأخرى، مما يحوّل السبيكة نحو نقطة انصهار أقل وتحسن في السيولة.

العناصر الرئيسية للسبائك 4046 تشمل السيليكون باعتباره الإضافة السائدة، مع الحديد وكميات أثرية من المنغنيز والمغنيسيوم والنحاس والزنك والكروم والتيتانيوم كعناصر ثانوية. السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية أساسًا، وتعتمد خواصها الميكانيكية على تركيبها الكيميائي والتمدد الميكانيكي بدلاً من التقسية بالتكون.

السمات الأساسية للسبائك 4046 هي سيولة ممتازة في الحالة المنصهرة وانخفاض ميل لتشققات الحرارة (مفيد في اللحام واللحام بالنحاس)، مقاومة ميكانيكية معتدلة، مقاومة جيدة للتآكل العامة النموذجية للألومنيوم، وقابلية لحام معقولة. قابلية التشكيل جيدة في الحالة المخدرة ولكنها تتدهور مع زيادة محتوى السيليكون ومع تقسية المادة بالتشقين الميكانيكي.

تُستخدم سبيكة 4046 في صناعات السيارات والنقل (كمادة حشو للّحام وبعض المكونات المصنعة)، معدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والتبريد (وصلات اللكم وتصنيع المبادلات الحرارية)، الصناعة البحرية (التصنيع والتوصيل)، والإلكترونيات (حيث تلعب السيولة والتوافقية للحام بالنحاس دوراً مهمًا). يختار المهندسون 4046 عندما تكون السيولة الممتازة لمادة الحشو مطلوبة أو حين يعطي ارتفاع نسبة السيليكون في السبيكة تماسكًا أفضل للوصلات ومقاومة جيدة لتشققات التصلب مقارنة بالسبائك ذات السيليكون الأقل.

الدرجات الحرارية

الدرجة	مستوى المقاومة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مخدر بالكامل، الأفضل للتشكيل واللحام بالنحاس
H14	متوسطة	متوسطة	متوسطة	جيدة	مشدود جزئيًا للنصف صلابة؛ يستخدم حيثما تكون القوة المتوسطة مطلوبة
H18	عالية	منخفضة	ضعيفة	جيدة	صلابة كاملة؛ تشكيل محدود، وقوة أعلى عبر العمل البارد
T4	غير مطبق	غير مطبق	غير مطبق	غير مطبق	درجات T النموذجية (المحلول + التقدم الطبيعي) غير فعالة للسبائك 4046 غير القابلة للمعالجة الحرارية
T6	غير مطبق	غير مطبق	غير مطبق	غير مطبق	التقسية الاصطناعية غير مناسبة؛ فالسبائك 4046 تقوى أساسًا بفعل العمل الميكانيكي

الدرجة الحرارية تؤثر بشكل كبير على الأداء: الحالة المخدرة (O) تعطي أقصى حد لللدونة وأفضل قابلية للتشكيل للرسومات العميقة أو الانحناءات الضيقة، بينما تزيد درجات H من القوة عن طريق العمل البارد مع التضحية بالاستطالة. نظراً لأن 4046 غير قابلة للمعالجة الحرارية، فإن تسلسلات T5/T6 التقليدية لا تنتج تقسية بالترسيب كما في سبائك 6xxx أو 2xxx.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	9.0–12.0	العنصر الرئيسي في التشكيلة؛ يزيد السيولة ويقلل نطاق الانصهار
Fe	0.4–1.0	شائبة شائعة؛ تشكل مركبات بين فلزية قد تؤثر على اللدونة
Mn	0.05–0.50	ثانوي؛ يساعد في تحسين بنية الحبيبات ومقاومة التآكل الحبيبي
Mg	0.05–0.30	منخفض؛ ليس عامل تقسية رئيسي في هذه السبيكة
Cu	0.05–0.20	أثر بسيط؛ يمكن أن يزيد القوة قليلاً لكنه يؤثر على مقاومة التآكل
Zn	0.05–0.20	أثر بسيط؛ محدود بشكل عام في سبائك 4xxx
Cr	0.05–0.20	أثر بسيط؛ يمكن التحكم في بنية الحبيبات ببعض أشكال المنتج
Ti	0.02–0.10	مضافات لتحسين بنية الحبيبات في الصناعات المعدنية أو المعالجة المصبوبة/المشغولة
عناصر أخرى (لكل منها)	0.05 كحد أقصى	عناصر متبقية مثل Bi, Pb, Ni وغيرها

تسيطر نسبة السيليكون على السلوك الميكروي وخصائص المعالجة: تخفض درجات الحرارة الصلبة والسائلة، وتنتج شبكة أو جزيئات غنية بالسيليكون في التركيب الميكروي، وتحسن سيولة الانصهار للحصول على مظهر لحام أفضل وتقليل تشققات الحرارة. يتحكم الحديد والمنغنيز في شكل وتوزيع الأطوار البينية، بينما تُحافظ العناصر الثانوية على نسب منخفضة لتجنب التأثيرات السلبية على التآكل واللدونة.

الخصائص الميكانيكية

تُظهر سبيكة 4046 في الخدمة وفي الاختبارات المختبرية مقاومة شد متوسطة ولدونة معقولة في الحالة المخدرة، وتزداد مقاومة الشد مع تقسية المادة بالتشقين. يتبع مقاومة الخضوع نفس الاتجاه؛ نظرًا لأن السبيكة غير قابلة للتقسية بالترسيب، فأن العمل البارد (درجات H) هو الطريق الرئيسي لزيادة مقاومة الخضوع. تبلغ الاستطالة أعلى قيمها في الحالة O وتنخفض بشكل كبير مع زيادة الصلابة؛ حيث أن الحالات الصلبة بالكامل تعاني من استطالة محدودة وتستلزم أنصاف أقطار انحناء أكبر.

الصلادة ترتبط بالدرجة الحرارية والعمل البارد؛ حيث تمتلك 4046 المخدرة صلادة منخفضة في حين تظهر حالات H14–H18 زيادات ملحوظة في الصلادة تتناسب مع زيادة مقاومات الخضوع والشد. أداء التحمل مقبول لأحمال دورية غير هيكلية لكنه حساس لسطح القطعة وجودة الوصل عندما تُستخدم كمادة حشو أو معدن ملحوم. تأثيرات السماكة ملحوظة: المواد الرقيقة أسهل في التشكيل وتبرد بسرعة بعد اللحام، في حين أن القطع السميكة قد تحتفظ بتركيبات ميكروية خشنة وتستلزم معايير لحام مختلفة.

الخاصية	O/مخدر	درجة رئيسية (H14 / H18)	ملاحظات
مقاومة الشد (MPa)	90–130	120–180	القيم تعتمد على السماكة، شكل المنتج، والعمل البارد؛ تقديرات للمنتجات المشغولة النموذجية
مقاومة الخضوع (MPa)	35–70	80–150	تزيد مقاومة الخضوع بوضوح مع العمل الميكانيكي؛ لا يوجد تقسية بالترسيب
الاستطالة (%)	20–30	3–12	تنخفض الاستطالة مع ازدياد الصلابة؛ التخفيض السماكي يُقلل اللدونة أكثر
الصلادة (HB أو HV)	25–50 HB	60–95 HB	تزداد الصلادة مع درجات H؛ القيم المقاسة تختلف حسب معيار الاختبار

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.66–2.70 جرام/سم³	أقل قليلاً من بعض سبائك الألومنيوم بسبب محتوى السيليكون؛ نطاق كثافة الألومنيوم النموذجي
نطاق الانصهار	~577–615 °C	نطاق متأثر بالإيوتكتك بسبب السيليكون العالي؛ نقطة صلادة أقل من الألومنيوم النقي
التوصيل الحراري	110–140 W/m·K	منخفض مقارنة بالألومنيوم النقي؛ السيليكون يخفض التوصيل بشكل معتدل
التوصيل الكهربائي	~30–40 %IACS	السبائك تخفض التوصيل مقابل الألومنيوم التجاري النقي
السعة الحرارية النوعية	~880–910 J/kg·K	قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم حول درجة حرارة الغرفة
معامل التمدد الحراري	22–24 µm/m·K (20–100 °C)	معامل مشابه للعديد من سبائك الألومنيوم؛ ينخفض قليلاً مع زيادة السيليكون

تجعل مجموعة الخصائص الفيزيائية سبيكة 4046 مناسبة لتطبيقات تتطلب سيولة منصهرة عالية ونقل حراري مثل اللحام بالنحاس ولحام المبادلات الحرارية. نطاق الانصهار المنخفض والتوصيل الحراري الأقل مقارنة بالألومنيوم النقي هي مقايضات للحصول على قابلية لحام وتحام أفضل في بعض عمليات التصنيع.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الحالات الفيزيائية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2–6.0 مم	الألواح الرقيقة أسهل في التلدين والتشكيل	O, H14	تُستخدم في التشكيل أو كمواد تغليف / قاعدة للّحام باللحام المذاب
صفائح	6–50 مم	الأجزاء الأكثر سماكة تظهر بنية أكثر خشونة	O, H18	تُستخدم في التركيبات الإنشائية أو الملحومة حيث تكون السماكة مطلوبة
بثق	مقاطع حتى مقاطع عرضية كبيرة	العمل البارد أثناء البثق يزيد من القوة	O, حالة H بعد البثق	قابلية البثق متوسطة؛ محتوى السيليكون يؤثر على تآكل القوالب
أنابيب	أقطار وأحجام جدار مختلفة	السلوك مشابه للألواح/الأنابيب ذات السماكة المكافئة	O, حالات H	غالباً ما تُستخدم في تطبيقات أنابيب مبادلات الحرارة وأنظمة التكييف والتبريد
قضبان/عصي	أقطار من عدة مم إلى كبيرة	قابلة للعمل البارد حتى حالات H	O, H	تُورد عادة كأسلاك/عصي حشو للّحام والغَرز؛ توجد أنواع حشو عالية السيليكون كمعيار

تختلف عمليات التصنيع تبعاً لمحتوى السيليكون: السبائك عالية السيليكون مثل 4046 تتدفق جيداً في الحالة السائلة مما يُسهل اللحام والغرز، لكن السيليكون العالي يصعّب التشكيل البارد الشديد. عمليات البثق واللف تتطلب مراقبة تآكل الأدوات والتحكم في التبريد لتجنب تكون جزيئات سيليكون خشنة. تركز توفر المنتج غالباً على أسلاك/عصي الحشو والألواح الرقيقة للاستخدام في اللحام وتصنيع مبادلات الحرارة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	4046	الولايات المتحدة الأمريكية	تعيين شائع للسبائكات المصبوبة والأساس لصيغ الحشو
EN AW	4046	أوروبا	مدرج غالباً تحت EN AW-4046 في الكتالوجات الأوروبية للمنتجات المصبوبة
JIS	A4046 (أو ما يعادلها)	اليابان	قد تشير المعايير المحلية إلى تركيبات ألمنيوم-سيليكون المكافئة بدلاً من الرقم الدقيق
GB/T	4046	الصين	تشتمل المعايير الصينية على سبائك ألمنيوم-سيليكون مماثلة لـ AA 4046

تعكس جداول التكافؤ التركيب الكيميائي الاسمي، لكن طرق التصنيع وحدود الشوائب تختلف حسب المنطقة والمعيار. تؤثر هذه الاختلافات على خصائص مثل الليونة، شكلية المركبات البينية، وأداء مواد حشو اللحام، لذلك ينبغي للمهندسين التحقق من شهادات المواد ونشرات بيانات المنتج عند الاستعاضة بين المواد عبر معايير مختلفة.

مقاومة التآكل

تمتلك 4046 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام النموذجي لسبائك الألمنيوم بفضل الفيلم المؤكسد الواقي الذي يتكوّن على سطح الألومنيوم. لا تؤثر إضافات السيليكون بشكل كبير على مقاومة التآكل المتجانس، لكنها قد تغير السلوك الكهروكيميائي الموضعي وتوزيع جزيئات المركبات البينية، مما قد يخلق مواقع كهروكيميائية صغيرة في البيئات العدوانية المحتوية على كلوريدات.

عند التعرض للبيئات البحرية أو الرش الملحي، تؤدي 4046 أداءً مقبولاً للعديد من التطبيقات لكنها ليست قوية بطبيعتها مثل بعض السبائك عالية المغنيسيوم التي تكوّن أفلام سلبية أكثر متانة أو سبائك الألمنيوم-المنغنيز المحسنة لمقاومة الحفر. لا يُعتبر التشقق الناتج عن التآكل تحت الإجهاد نمط فشل بارز بالنسبة لـ 4046 مقارنة بالسبائك المقواة بالمعالجة الحرارية عالية القوة؛ مع ذلك، قد يبدأ الهجوم الموضعي عند اللحامات والمفاصل إذا كانت هناك ملوثات سطحية أو إجهادات متبقية.

عند اقترانها كهروكيميائياً مع معادن مختلفة، تتصرف 4046 مثل باقي سبائك الألمنيوم وتكون أنودية مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس؛ ولذلك يتطلب التصميم الحذر مع استخدام الحواجز العازلة أو الحماية الكاثودية في التركيبات متعددة المعادن. مقارنة مع سبائك 5xxx (ألمنيوم-مغنيسيوم)، تقدم 4046 أداءً مماثلاً في مقاومة التآكل العام لكنها تضحي ببعض الليونة وقابلية التشكيل البارد مقابل تحسين خصائص اللحام والحشو.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

تُستخدم 4046 على نطاق واسع كأسلاك حشو للّحام TIG وMIG للألمنيوم وسبائكه بسبب محتوى السيليكون العالي الذي يقلل من نطاق تصلب السبائك ويحسن تدفق المعدن المصهور. عمليات TIG وMIG مع غازات الحماية المختارة بشكل مناسب تنتج لحامات نظيفة؛ يُنصح عادة بسلك الحشو ER4046 للحام سبائك Al-Mg وAl-Si عندما يُرغب في حشو متوافق مع السيليكون. يقلل استخدام 4046 من خطر التشقق الساخن مقارنة بأنواع الحشو الأقل سيليكوناً، لكن يجب التحكم في مدخل الحرارة لتجنب المسامية الزائدة والحفاظ على شكل اللحمة.

قابلية التشغيل

قابلية تشغيل 4046 متوسطة وتتأثر بمحتوى السيليكون الذي يزيد من التآكل وسرعة استهلاك الأدوات مقارنة بالسبائك قليلة السيليكون. يُنصح باستخدام أدوات كربيد ذات زاوية قطع إيجابية وتركيبات صلبة؛ ويجب اعتماد سرعات قطع متواضعة للمقاطع العرضية الكبيرة والقطع المتقطع. يكون التشطيب السطحي جيداً إذا استُخدمت سرعات تغذية مناسبة وأدوات حادة، لكن عمر الأداة يُقصر ويُفضل استخدام وسائل تبريد أو هواء للتحكم في درجة الحرارة.

قابلية التشكيل

تكون القابلية للتشكيل في الحالة O جيدة للعمليات الخفيفة، لكنها تصبح سيئة في حالات H بسبب البنية الغنية بالسيليكون التي تقلل الليونة وتزيد من قابلية حدوث تشققات عند الانحناءات الضيقة. ينصح بتوصيات نصف قطر انحناء محافظة مقارنة بسبائك الألمنيوم اللينة؛ في العمليات الحرجة عادةً ما يُجرى التلدين إلى الحالة O قبل التشكيل. في السحب العميق والختم البارد، يتطلب تصميم العملية المحكم واستخدام تزييت أو تقنيات التدبيس لتعويض انخفاض قابلية التمدد.

سلوك المعالجة الحرارية

يصنف 4046 كسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، لذا لا تستجيب لمعالجات التلدين الاصطناعي / المعالجة بالحرارة التقليدية مثل سبائك 6xxx أو 2xxx. المحاولات لتطبيق معالجات T6 التقليدية لن تنتج تقوية ترسيبية نموذجيّة لهذه العائلات. التعرض الحراري عند درجات حرارة مرتفعة يميل إلى تخفيف العمل البارد وتقليل القوة، لكنه لا ينتج تصلباً مستقراً عن طريق التقدم في السن.

يتم التلدين لاستعادة الليونة بتسخين المادة ضمن نطاق التلدين النموذجي للألمنيوم (عادة بين 300–420 °C لمدة مناسبة حسب سماكة المقطع) ثم تبريدها بالهواء؛ مما يعيد المادة إلى الحالة O. تتولد الزيادات في القوة من خلال العمل الميكانيكي البارد (حالات H) ويتم الاحتفاظ بها حتى تجرى عملية تلدين لاحقة أو تعرض حراري يؤدي إلى التعافي وإعادة التبلور.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تتناقص القوة الميكانيكية لـ 4046 تدريجياً مع زيادة درجة الحرارة، مع حدوث تليين ملحوظ فوق نحو 150–200 °C؛ لا تحتفظ بالقوة على المدى الطويل عند هذه الدرجات. تقتصر أكسدة الألمنيوم عادة على تكوين طبقة أكسيد واقية في درجات الحرارة التشغيلية العادية، ولكن عند درجات حرارة مرتفعة قد تتعرض هذه الطبقة للتلف بسبب الفلُكسات أو الملوثات أثناء اللحام أو الغرز.

قد تظهر مناطق التأثير الحراري المجاورة للحامات خصائص ميكانيكية معدلة بسبب دورات الحرارة وتنعيم البنية المجهرية؛ إلا أن 4046 ليست مقواة بالترسيب لذا يكون التليين في منطقة التأثير الحراري أقل وضوحاً مقارنة بالسبائك المعالجة بالحرارة، لكن المادة الأم المعالجة بعمل بارد قد تُلدن أثناء اللحام. للأعمال الإنشائية عند درجات حرارة عالية، يُفضل اختيار سبائك أخرى محسنة لمقاومة الانفعال أو القوة عند الحرارة المرتفعة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	لماذا يُستخدم 4046
السيارات	أسلاك لحام للجسم والأطر الفرعية	قابلية لحام ممتازة وتدفق جيد، تقليل من التشقق الساخن
البحرية	وصلات غرز مبادلات الحرارة وأنظمة التكييف	سيولة جيدة للغرز ومقاومة مقبولة للتآكل
الفضاء	وصلات غير حرجة، مواد حشو	تكامل جيد للوصلات وتوافق ممتاز لتركيبات الألمنيوم
الإلكترونيات	زعانف مبادلات الحرارة ووصلة الغرز	نقل حراري جيد وخصائص غرز مناسبة

يُحدّد 4046 غالباً للاستخدام في الحالات التي يكون فيها سلوك التدفق المعدني وتكامل الوصلات حاسماً، خصوصاً في الغرز واللحام لسبائك Al-Mg وAl-Si. لا يُختار عادة للهياكل الأساسية عالية القوة ولكنه مهم جداً للتوصيل والإصلاح والتصنيع حيث تكون جودة اللحام وتقليل التشقق أولوية.

نصائح الاختيار

اختر 4046 عندما تحتاج إلى سبيكة ألمنيوم غنية بالسيليكون للّحام أو الغرز تقدم سيولة معدنية استثنائية وتقليل التشقق عند التصلب. هو مفيد بشكل خاص لتوصيل مكونات الألمنيوم حيث يلزم ترطيب جيد لخط اللحمة وتدفق ممتاز، وعندما لا يكون الصلادة الزائدة مرغوبة.

مقارنة بالألمنيوم التجاري النقي (مثلاً 1100)، يضحي 4046 قليلاً في التوصيل الكهربائي والحراري وقابلية التشكيل مقابل قوة أفضل وأداء لحام/حشو محسن بشكل كبير. مقابل السبائك المعالجة بالعمل مثل 3003 أو 5052، يقدم 4046 سلوك تآكل مماثل لكن تدفقاً معدنياً وتحاملاً أفضل في الوصلات؛ يكون أقل ليونة في الحالات الصلبة. مقارنة بالسبائك المعالجة حرارياً مثل 6061 أو 6063، لا يصل 4046 إلى نفس القوى القصوى بعد المعالجة، لكنه مفضل عندما تكون قابلية اللحام، انخفاض احتمال التشقق الساخن، وتوافق الغرز أولويات متقدمة.

الملخص الختامي

تظل سبائك 4046 من الألمنيوم خيارًا عمليًا حيث يوفر محتوى السيليكون العالي سيولة مذابة فائقة، وأداء ممتاز في اللحام واللحام بالبرازي، وتكوين وصلات موثوقة، مما يجعلها سبائك تعبئة وتصنيع أساسية في صناعات النقل، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، والإلكترونيات. يحدد المصممون والمصنعون 4046 عندما تكون خصائص الانضمام القوية والقوة المتوسطة مع مقاومة مقبولة للتآكل أكثر أهمية من القدرة القصوى على التقسية الناتجة عن الشيخوخة.