ألمنيوم 413: التركيب، الخواص، دليل الحرارة والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك الألومنيوم 413 هي جزء من سلسلة 4xxx، وهي عائلة تتميز بسيليكون كعنصر سبيكي رئيسي. تركز هذه السلسلة عادةً على تحسين السيولة، تقليل نطاق الانصهار، وتعزيز مقاومة التآكل بدلاً من القوة العالية عبر المعالجة الحرارية.

السبائك 413 يتم تقويتها أساسًا بتأثيرات الحل الصلب من السيليكون وعبر التقسية بالعمل؛ فهي ليست سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية التقليدية مثل العائلات 6xxx أو 7xxx. إضافات السبائك النموذجية إلى جانب السيليكون تشمل كميات محسوبة من الحديد والمنغنيز وعناصر أثرية لتعديل سهولة الصب والقوة وقابلية التشغيل.

الخصائص الرئيسية للسبائك 413 تشمل قوة معتدلة، مقاومة جيدة للتآكل في العديد من البيئات الجوية والبيئات المعتدلة العدوانية، قابلية ممتازة للحام وقابلية تشكيل جيدة في المعالجات الطرية. هذه الخصائص تجعلها مرغوبة في الصناعات التي تتطلب لحام وتشكيل موثوق مع أداء ميكانيكي معقول، مثل الهياكل الثانوية في السيارات، الأجهزة الاستهلاكية، وبعض التركيبات البحرية.

يختار المهندسون سبائك 413 على غيرها عندما يكون مطلوبًا الجمع بين قابلية اللحام، سلوك حراري متوقع في عمليات الربط، وتصنيع اقتصادي (تشكيل، تشغيل، لحام) دون تكاليف أو مخاطر التشويه المرتبطة بالسبائك المعالجة بالتصلب بالتساقط. استقرارها في منطقة متأثرة بالحرارة وقابليتها لعمليات الحشو المعدني غالبًا ما تدفع لاختيارها في التجميعات الملحومة والمكونات المُلحّمة.

متغيرات المعالجة الحرارية (Temper Variants)

المعالجة	مستوى القوة	التمدد	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مخمرة بالكامل، أقصى ليونة للتشكيل
H14	معتدلة	معتدلة	جيدة	ممتازة	تقسية جزئية بالعمل، شائعة للألواح
H18	عالية (عمل بارد)	منخفضة	ضعيفة	ممتازة	عمل بارد مكثف لزيادة مقاومة الخضوع
T4*	منخفضة-معتدلة	معتدلة	جيدة	ممتازة	ليست معالجة حرارية تقليدية؛ معالجة طبيعية بعد التبريد في بعض الأنواع الخاصة
T5/T6/T651	عادة غير قابلة للتطبيق	غير متوفر	محدودة	ممتازة	تصنيفات المعالجة الحرارية غير فعالة عادة لسلسلة 4xxx؛ الاستجابة الميكانيكية محدودة
Custom Hx/Tx	متغيرة	متغيرة	متغيرة	ممتازة	تُمنح العديد من الدُفعات التجارية معالجات خاصة لتلبية احتياجات البثق أو اللحام بالنحاس

السبائك 413 هي في الأساس سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية التقليدية، لذا فإن المعالجة الحرارية تعني عادةً درجات من العمل البارد (أعداد H) ومعالجات تجارية محددة مصممة للتشكيل أو التشغيل. يُفضل استخدام معالجات O وH ذات العمل الخفيف للتشكيل المعقد، بينما تُضحي المعالجات الأعلى H بالقابلية للتشكيل لصالح زيادة مقاومة الخضوع والصلابة.

نظرًا لأن المراحل الغنية بالسيليكون قد تترسب أثناء دورات الحرارة، فإن المعالجة التقليدية بالتقسية الصناعية من نوع T5/T6 تقدم تقوية محدودة جدًا؛ تُستخدم أحيانًا طرق معالجة متخصصة (تبريد محكم بعد الحل أو معالجات حرارية ميكانيكية مخصصة) لكنها تبقى نادرة في الممارسة العامة.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة %	ملاحظات
Si	4.5–6.5	العنصر الرئيسي المساعد في تقليل مدى الانصهار، وتحسين السيولة وتقوية الحل الصلب
Fe	0.4–1.2	شائبة شائعة؛ تكوّن مركبات بينية تؤثر على الصب وقابلية التشغيل
Mn	0.1–0.6	يساعد في التحكم بحجم الحبوب ويمكن أن يحسن القوة والأداء ضد التآكل
Mg	0.05–0.40	كميات صغيرة؛ تؤثر على القوة والسطح لكن يظل محتواها منخفضًا لتجنب تعقيد اللحام
Cu	0.05–0.25	كميات محدودة لتجنب فقد كبير في مقاومة التآكل؛ يعزز القوة إذا وُجد
Zn	0.05–0.30	عادة منخفضة؛ كمية زائدة من الزنك تقلل مقاومة التآكل
Cr	0.03–0.20	إضافات أثرية لتثبيت البنية المجهرية والحد من نمو الحبوب أثناء المعالجة
Ti	0.01–0.15	مكرر لحجم الحبيبات في الصب والبثق لتحسين الخواص الميكانيكية
غيرها	0.05–0.50	يشمل عناصر أثرية وشوائب (V, Zr, Sr)؛ إضافات محكومة لتعديل السهولة في الصب والبنية المجهرية

الكمية المتبقية هي ألومنيوم، ونطاقات التركيب المذكورة أعلاه تمثل التركيبات التجارية الشائعة لسبائك 4xxx والمنضدية والسبائك المصبوبة المعلمة كـ 413. يهيمن السيليكون على الأداء عبر خفض مدى الانصهار/التصلب وزيادة مقاومة التآكل. تدخل العناصر الثانوية (Mn, Cr, Ti) للتحكم بحجم الحبوب، تعديل شكل المركبات البينية وتحسين القوة أو قابلية التشغيل دون الإضرار بشكل كبير بقابلية اللحام أو مقاومة التآكل.

الخصائص الميكانيكية

في سلوك الشد، عادةً ما يظهر سبيكة 413 قوة شد قصوى معتدلة مع استطالة مقبولة في الحالة المخمرة، وتنخفض الليونة مع زيادة العمل البارد. تزداد مقاومة الخضوع مع معالجات H، بينما تتناقص المتانة والتمدد كتضحيات. استجابة التقسية بالعمل متوقعة وتستخدم لتحقيق القوة المستهدفة في المكونات المشكَّلة أو المسحوبة.

الصلادة ترتبط بالمعالجة: المادة المعالجة O تُظهر قيم برينل أو فيكرز منخفضة، بينما تزيد معالجات H14–H18 الصلادة عبر مضاعفة الانزلاقات. أداء مقاومة التعب يكون مناسبًا للأحمال الدورية غير الحرجة، مع تأثير كبير لمواضع التركيز الإجهادي وجودة السطح على العمر مقارنة بالسبائك العالية القوة المعالجة حراريًا. تؤثر السماكة على الخواص الميكانيكية عبر معدلات التبريد في الصب/البثق ومقدار العمل البارد المقبول؛ حيث تظهر الأقسام السميكة عمومًا قوة ومرونة أقل بسبب البنية المجهرية الخشنة.

يجب على المصممين توقع منحنيات إجهاد-انفعال ناعمة بقيم أُس تقسية متوسطة وتبادل واضح بين القوة وقابلية التشكيل عند التدرج نحو معالجات H الأعلى.

الخاصية	O/مخمرة	معالجة رئيسية (مثلاً H14/H18)	ملاحظات
قوة الشد	~120–190 MPa	~180–260 MPa	نطاقات نموذجية تعتمد على السماكة والمعالجة والتركيب الدقيق
مقاومة الخضوع	~60–120 MPa	~140–220 MPa	تزداد مقاومة الخضوع بشكل ملحوظ مع العمل البارد
الاستطالة	~20–35%	~3–12%	الحالة المخمرة تظهر ليونة عالية؛ التقسية الشديدة تقلل الاستطالة
الصلادة	~30–55 HB	~60–95 HB	تزداد الصلادة مع زيادة العمل البارد والإضافات السبيكية

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.65–2.70 g/cm³	نموذجي لسبائك الألومنيوم؛ تختلف قليلاً حسب إضافات السبائك
نطاق الانصهار	~570–650 °C	السيليكون يخفض درجة الانصهار ويقلل نطاق التصلب مقارنة بالألومنيوم النقي
الموصلية الحرارية	120–160 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنه لا يزال عاليًا؛ جيد لتطبيقات نقل الحرارة
الموصلية الكهربائية	~30–45 % IACS	منخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ كافية لبعض الاستخدامات كموصل أو في عمليات الربط
الحرارة النوعية	~0.88–0.92 J/g·K	قيم حرارية نوعية نموذجية للألومنيوم تستخدم في حسابات الكتلة الحرارية
التوسع الحراري	22–24 µm/m·K (20–100 °C)	مماثل للعديد من السبائك المشكَّلة؛ مهم لدورة الحرارة والسيطرة على الأبعاد

تضع الخصائص الفيزيائية السبيكة 413 ضمن فئة سبائك الألومنيوم متعددة الأغراض: خفيفة الوزن مع موصلية حرارية عالية مقارنة بالصلب والعديد من السبائك، لكنها ذات موصلية كهربائية منخفضة مقارنة بسلسلة 1xxx. السلوك الحراري أثناء اللحام واللحام بالنحاس ملائم لأن السيليكون يخفض نطاق الانصهار ويقلل من القابلية للتشقق الحراري في العديد من عمليات الربط.

يجب على المصممين مراعاة التوسع الحراري والموصلية عند تركيب مكونات 413 مع مواد غير متشابهة؛ إذ أن الموصلية الحرارية العالية للسبائك تجعلها مفيدة لتبديد الحرارة حيث تكون القوة المعتدلة مقبولة.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك المقاومة	الحالات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	متجانس؛ تختلف المقاومة حسب العمل البارد	O, H14, H18	يستخدم على نطاق واسع للحوامل المشكّلة والتجميعات الملحومة
لوح	6–150 mm	إنتاجية أقل في القطاعات السميكة؛ بنية دقيقة أكثر خشونة	O, light H	قد يتطلب اللوح السميك معالجة خاصة للتحكم في حجم الحبوب
بثق	مقاطع حتى عدة أمتار	يمكن إنتاجه بأشكال مقاطع متنوعة؛ القوة عبر التلطيف	O, Hxx	سهولة البثق جيدة بفضل السيليكون؛ تكرير الحبوب مهم
أنابيب	قطر خارجي صغير إلى كبير	تعتمد القوة على سماكة الجدار والعمل الميكانيكي	O, H14	شائع للأنابيب الإنشائية ورؤوس المبادلات الحرارية باللحام
قضيب/عصا	أقطار حتى ~200 mm	تزداد القوة مع السحب البارد	O, H	تستخدم للمكونات المشغولة والمثبتات في التطبيقات غير الحساسة

الألواح والمنتجات ذات السماكة الرقيقة هي الشكل الأكثر شيوعًا لتسليم 413، مما يتيح عمليات التشكيل والطباعة العميقة. منتجات اللوح والبثق تتطلب الانتباه إلى التاريخ الحراري؛ حيث يمكن أن يؤدي التصلب الغني بالسيليكون والمواد بين المعدنية إلى تكوين مراحل خشنة في القطاعات السميكة تؤثر على المتانة وقابلية التشغيل الميكانيكي.

يستفيد البثق من سيولة السيليكون لكنه غالبًا ما يتطلب تكرير الحبوب (بإضافة Ti، B) وتبريد دقيق لتحقيق أداء ميكانيكي متجانس على طول المقطع.

الدرجات المكافئة

القياسي	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	413	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية للإصدار التجاري المطروق من سلسلة 4xxx؛ قد تختلف التركيبات بين الموردين
EN AW	لا يوجد مكافئ مباشر وحيد	أوروبا	لا توجد تسمية EN AW واحدة تطابقه تمامًا؛ سلوك مشابه لعائلة EN AW-4043/4047 في بعض الخصائص
JIS	لا يوجد مكافئ مباشر وحيد	اليابان	معايير JIS لا تسرد عادة مكافئ مباشر لـ 413؛ يجب المقارنة بالتركيب الكيميائي
GB/T	لا يوجد مكافئ مباشر وحيد	الصين	قد تقدم المعايير الصينية تراكيب 4xxx مشابهة لكن التكافؤ الواحد لواحد غير شائع

لا يوجد مرجع عالمي دقيق لـ 413 في العديد من المعايير الدولية لأن سبائك عائلة 4xxx غالبًا ما تُصمم لتطبيقات محددة (مادة لحام، سبائك لحام، استخدام مطروق). عند الاستبدال، يجب على المهندسين مقارنة تركيبة مفصلة وجداول الخواص الميكانيكية المعتمدة بدلاً من الاعتماد فقط على أرقام الدرجات. الاختلافات الطفيفة في التركيب، وخاصة محتوى السيليكون والحديد، يمكن أن تغير سلوك الانصهار وأداء منطقة التأثير الحراري في اللحام.

مقاومة التآكل

يظهر 413 مقاومة جيدة عامة لتآكل الأجواء مشابهة للعديد من سبائك سلسلة 4xxx، وذلك بسبب طبقة أكسيد الألومنيوم الواقية وطبيعة انخفاض مستوى الشوائب الضارة. في البيئات ذات الاعتدال العدواني، يعمل السبائك بشكل جيد، لكن الظروف البحرية الغنية بالكلوريدات تتطلب تصميمًا دقيقًا لتجنب التآكل الحُفري الموضعي، خصوصًا عند التلامس الجلفاني مع معادن أكثر نبالة.

في التطبيقات البحرية، يمكن استخدام 413 في التركيبات الهيكلية عندما تُطبق سماحات التآكل أو الطلاءات أو الأقطاب المهدرة؛ وعادة ما لا يقلل محتوى السيليكون من مقاومة التآكل مقارنة بسبائك الماغنسيوم من سلسلة 5000. حساسية الشقوق الناتجة عن إجهاد التآكل منخفضة نسبيًا مقارنة بسبائك 2xxx و7xxx ذات القوة العالية، لكن الإجهادات المتبقية أو الشقوق يمكن أن تؤدي إلى فشل موضعي إذا تزامنت الأحمال الدورية والبيئات التآكلية.

يجب مراعاة التفاعلات الجلفانية: عند التزاوج مع الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك النحاس، يعمل 413 كأنود ويتآكل بشكل تفضيلي إلا إذا كان معزولًا كهربائيًا أو محميًا. مقارنةً بسبائك 1xxx/3xxx التي تمر بعمليات تقسية العمل، يقدم 413 توازنًا يضحي قليلاً من القابلية للتشكيل مقابل ثبات حراري أفضل في وصلات اللحام ومقاومة تآكل محسّنة في التطبيقات التلامسية.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

413 عالي القابلية للحام باستخدام طرق اللحام الانصهاري التقليدية (TIG, MIG/GMAW) وغالبًا ما يُختار عندما تكون الحاجة لسلوك انصهاري ممتاز وقلة ميل للشروخ الساخنة عالية. يقلل السيليكون من نطاق الانصهار ويحسن انسيابية حمام اللحام؛ وتُنصح عادةً معادن الحشو المطابقة للسبائك الأساسية أو من عائلة 4xxx. خطر الشروخ الساخنة منخفض مقارنةً بالسبائك عالية النحاس أو الزنك، لكن يجب اختيار الحشو مع مراعاة ظروف الخدمة ومخاطر التآكل. قد يعاني منطقة التأثير الحراري من ترخٍ محدود حسب درجة العمل البارد السابقة؛ ولتحقيق دقة هيكلية، قد يكون التشطيب الميكانيكي أو تخفيف الإجهاد بعد اللحام ضروريًا.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل لـ 413 متوسطة وعامة أفضل من العديد من سبائك الصب الغنية بالسيليكون؛ يشغل نظيفًا في حالات التلطيف Annealed ودرجات الحرارة المتوسطة H مع استخدام أدوات وسرعات مناسبة. يُفضّل استخدام أدوات كربيد للانتاج المستمر، مع سرعات قطع معتدلة وزوايا قطع إيجابية للتحكم في انبعاث الرقائق. يمكن أن تسبب المواد بين المعدنية الغنية بالسيليكون تآكلًا كاشطًا للحواف، لذا يجب اختيار مواد الأدوات والطلاءات بعناية لزيادة عمر الأداة. يمكن تحقيق نعومة سطح وتحمّل دقيق مع التحكم بالسرعات وطرق التبريد.

قابلية التشكيل

تكون قابلية التشكيل أفضل في حالة O أو الحالات H الخفيفة وتتدهور مع زيادة تقسية العمل. يمكن تحقيق أنصاف أقطار انحناء 1–2× السماكة في الألواح المليّنة للانحناءات البسيطة؛ يتطلب التشكيل العميق المعقد أو الطباعة تصميماً دقيقاً للمكابس وتحكمًا في التزييت لتجنب التشققات السطحية الناتجة عن المراحل الغنية بالسيليكون. يزيد التشكيل البارد من القوة عبر تقسية التشويه وهو الطريق المعتاد لتحقيق خواص ميكانيكية أعلى في الأجزاء المشكّلة.

سلوك المعالجة الحرارية

كونه سبيكة من سلسلة 4xxx، فإن 413 غير قابل للمعالجة الحرارية التقليدية لتقوية الترسيب. محاولات تطبيق المعالجة بالإنحلال والشيخوخة الاصطناعية تُحدث زيادات قليلة في القوة مقارنة بسبائك 6xxx و7xxx. عند تطبيق عمليات معالجة حرارية خاصة (تبريد مضبوط من قرب درجات الحرارة السائلة أو الرش التبريدي المتخصص)، يمكن تحقيق بعض الزيادات، لكنها ليست طرق إنتاج قياسية.

التقسية بالعمل هي الطريقة الرئيسية لزيادة القوة: الدرفلة الباردة، السحب، والانحناء ترفع بشكل موثوق مقاومة الخضوع والشد، واختيار الحالة الحرارية يعتمد على درجة التشويه. يعيد التلطيف الحالة إلى O، مستعيدًا المرونة ومحسّنًا القابلية للتشكيل؛ دورات التلطيف النموذجية تشبه تلك الخاصة بسبائك الألمنيوم الأخرى لكن يجب تجنب نمو الحبوب المفرط بالتحكم في الحرارة والوقت.

الأداء في درجات الحرارة العالية

يفقد 413 القوة تدريجيًا عند ارتفاع الحرارة فوق ~100–150 °C، مع حدود خدمة عملية تُحافظ عادةً تحت ~150 °C في التطبيقات الحاملة للأحمال. يحد فيلم أكسيد الألومنيوم الواقٍ من الأكسدة عند درجات الحرارة العالية، لكن التعرض المطول يعجل تكوين الجسيمات الغنية بالسيليكون ويقلل الأداء الميكانيكي.

في التجميعات الملحومة، قد تظهر منطقة التأثير الحراري ترخًّيا وتكثيفًا موضعيًا، خاصة في المناطق التي خضعت للعمل البارد مسبقًا؛ يجب على المصممين أخذ انخفاض المقاومة في اعتبارهم عند تصميم الوصلات الملحومة. للخدمة المستمرة في درجات الحرارة العالية أو التعرض الحراري الدوري، يفضل استخدام سبائك من سلسلات أخرى (مثل سبائك 2xxx/7xxx عالية القوة مع معالجات حرارية متخصصة أو سبائك ألمنيوم مقاومة للحرارة).

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 413
السيارات	لوحات هيكلية ثانوية، حوامل ملحومة	قابلية لحام جيدة، قوة معقولة، تشكيل اقتصادي
البحرية	حوامل، مكونات الرفع	مقاومة التآكل وسهولة التصنيع؛ ثبات جيد لمنطقة التأثير الحراري
الفضاء	مكونات غير حرجة، أغطية	نسبة قوة إلى وزن مناسبة وقابلية لحام للهياكل الثانوية
الإلكترونيات	مبددات حرارة، أغلفة	موصلية حرارية وقابلية تشكيل لشاسيهات الأغلفة
السلع الاستهلاكية	لوحات الأجهزة، إطارات	توازن جيد بين القابلية للتشكيل الانتهاء والتكلفة

يُحدد 413 عادةً عندما تكون مجموعة الخواص الميكانيكية متوسطة والسلوك التصنيعي (اللحام، التشكيل) موثوقًا. يجمع بين تأثير السيليكون في الخصائص الحرارية والانصهارية واستجابة تقسية العمل المتوقعة، مما يجعله خيارًا متعدد الاستخدامات للعديد من التطبيقات الهيكلية غير الحرجة والأغلفة.

يستغل المصممون عادةً قابلية اللحام والتشغيل لتبسيط التجميع وتقليل خطوات التصنيع مقارنةً بالسبائك التي تتطلب تقسية ترسيب.

نصائح للاختيار

يُعتبر 413 خيارًا منطقيًا عند الأولوية لقابلية اللحام وقابلية التشكيل الجيدة في الحالات اللينة على حساب أقصى مقاومة. مقارنةً بالألمنيوم التجاري النقي (1100)، يضحي 413 قليلاً من التوصيل الكهربائي وقابلية التشكيل قليلاً مقابل زيادة كبيرة في القوة وتحسين مقاومة التآكل؛ يُفضل استخدام 1100 عندما تكون التوصيلية ومقاومة التآكل دون حاجة للقوة هي المتطلبات الأساسية.

بالمقارنة مع السبائك المعالجة بالتصلب الشغلي الشائعة مثل 3003 و5052، يميل سبائك 413 إلى أن تكون أعلى قليلاً في القوة لنفس حالة المعالجة مع الحفاظ على مقاومة تآكل مماثلة أو أقل قليلاً؛ اختر 5052 لمقاومة تآكل أفضل في مياه البحر و3003 لتشكيل ممتاز إذا لم تكن الموصلية واللحام من العوامل الحرجة. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 و6063، يُفضل 413 في الحالات التي تكون فيها عمليات اللحام وثبات منطقة التأثير الحراري (HAZ) أهم من الحاجة إلى خصائص تقوية قصوى بالترسيب؛ ستتفوق 6061 في القوة القصوى لكنها قد تتطلب إدارة حرارية أكثر تعقيدًا أثناء اللحام.

اختر 413 عندما تركز عمليات الإنتاج على التجميعات الملحومة أو اللحام بالنحاس أو التشكيل المكثف مع حاجة إلى سبيكة متوسطة القوة وفعالة من حيث التكلفة تتحمل دورات حرارية دون تشويه أو هشاشة منطقة التأثير الحراري المرتبطة ببعض السبائك عالية القوة.

الملخص الختامي

يظل الألومنيوم 413 ملائمًا كسبيكة عملية من سلسلة 4xxx تجمع بين قابلية لحام جيدة، قابلية تشكيل سليمة في الحالة المعالجة بالتمديد (المطبوخة) وقوة ميكانيكية معتدلة لمجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية. تساعد خصائص الانصهار والخصائص الحرارية المدفوعة بالسيليكون على تبسيط عمليات الربط والمعالجة، بينما تتيح المعالجة بالتصلب البارد التحكم للقادة في تعديل القوة دون اللجوء إلى معالجات حرارية بالتقسية بالترسيب. عندما تفضل الاعتبارات الهندسية القابلية للتصنيع، وثبات منطقة التأثير الحراري، والفعالية من حيث التكلفة على القوة القصوى المطلقة، فإن 413 هو اختيار موثوق للمادة.