الألومنيوم 443: التركيب، الخواص، دليل المعالجات، والتطبيقات

Table Of Content

Table Of Content

نظرة شاملة

السبائك 443 تندرج ضمن سلسلة 4xxx من سبائك الألومنيوم، وهي عائلة يهيمن عليها السيليكون كعنصر سبائكي رئيسي. تتميز سلسلة 4xxx عادة بمحتويات متوسطة من السيليكون التي تقلل من نطاق الذوبان وتحسن مقاومة التآكل وقابلية اللحام بالتلحيم؛ ويتبع 443 هذا النمط مع إدخال إضافات محكومة من الحديد والمنغنيز وعناصر أثرية لضبط القوة وسلوك المعالجة.

العناصر السبائكية الرئيسية في 443 هي السيليكون (Si)، الحديد (Fe) وكميات صغيرة من المنغنيز (Mn)، مع إضافات طفيفة من النحاس (Cu)، المغنيسيوم (Mg)، الكروم (Cr) والتيتانيوم (Ti) تستخدم لتحسين بنية الحبيبات والسيطرة على القوة. السبائك في الأساس غير قابلة للمعالجة الحرارية وتعتمد في قوتها الفعالة على تأثيرات المحلول الصلب وتقسية الإجهاد الناتجة عن التشغيل البارد. تضيف الإضافات الدقيقة والمرحلة الغنية بالسيليكون صلابة مرتفعة واستقرارًا أبعاديًا أكثر مقارنة بالألومنيوم شبه النقي.

الصفات الرئيسية لـ 443 تشمل قوة معتدلة إلى جيدة مقارنة بسبائك الألومنيوم (أعلى من الدرجات النقية تجاريًا)، موصلية حرارية جيدة، سهولة معقولة في التشغيل ومقاومة معقولة للتآكل في الظروف الجوية العادية. قابلية اللحام جيدة عمومًا لعمليات اللحام بالانصهار الشائعة لكنها تتطلب اهتمامًا باختيار الحشوة لتفادي التأثيرات الكهروكيميائية الموضعية والفراغات. الصناعات التي تستخدم 443 عادة تشمل ألواح هيكل السيارة وأقسام الهياكل، التركيبات البحرية، أغلفة ومكونات الإلكترونيات الاستهلاكية حيث تلزم موازنة بين قابلية التشكيل واللحام وقوة أعلى من الألومنيوم النقي.

يختار المهندسون 443 عندما يحتاجون إلى ألومنيوم اقتصادي يحتوي على السيليكون يُقدم قوة وسلوكًا حراريًا محسّنًا مقارنة بدرجات 1xxx و 3xxx، مع سهولة تصنيع واقتصادية أعلى مقارنة بالسبائك القوية القابلة للمعالجة الحرارية. كما يجعل النطاق المنخفض للانصهار ومحتوى السيليكون منه خيارًا جذابًا في عمليات التلحيم والتلحيم الموضعي، وحيثما تكون الموصلية الحرارية والثبات الأبعادي أثناء دورات التسخين مهمة.

مضاعفات التخشين (Temper)

التخشين مستوى القوة الاستطالة قابلية التشكيل قابلية اللحام ملاحظات
O منخفضة عالية (20–35%) ممتازة ممتازة حالة مخدرة بالكامل، أفضل قابلية للتشكيل
H12 منخفضة-متوسطة متوسطة (10–18%) جيدة جدًا جيدة جدًا تقسية إجهاد خفيفة، يحتفظ بليونة معقولة
H14 متوسطة أقل (6–12%) جيدة جيدة جدًا تقسية إجهاد متوسطة لتطبيقات الألواح
H16 متوسطة-عالية منخفضة (4–10%) مقبولة جيدة تشغيل بارد أثقل لقوة خضوع أعلى
H18 عالية منخفضة (2–6%) ضعيفة جيدة تقسية إجهاد شديدة لأقصى قوة معالجة
T4 (إذا كانت مستقرة) منخفضة-متوسطة متوسطة-عالية جيدة جدًا جيدة تخفيف إجهاد / تثبيت طبيعي بعد التشكيل

يؤثر التخشين بشكل أساسي على التوازن بين القوة والليونة في 443؛ حيث يمنح التخشين O أقصى استطالة وسهولة في التشكيل بينما تتنازل مضاعفات H عن الليونة مقابل قوة الخضوع وقوة الشد من خلال التحكم في التشغيل البارد. لاختيار التخشين المناسب خلال التصنيع يعتمد على شكل القطعة النهائية وتسلسل العمليات: تشكيل في حالة O أو H12، ثم الارتداد إلى درجة خشونة أعلى مثل H14 أو H18 بالتشغيل البارد حسب الحاجة.

التركيب الكيميائي

العنصر نطاق النسبة المئوية ملاحظات
Si 0.8 – 2.0 العنصر السبائكي الرئيسي؛ يخفض نقطة الانصهار ويكوّن مراحل غنية بالسيليكون
Fe 0.4 – 1.2 يشكل مركبات بين فلزية مستقرة؛ يؤثر على القوة والمتانة
Mn 0.05 – 0.6 يضبط بنية الحبيبات؛ يحسن القوة ومقاومة التآكل
Mg 0.02 – 0.20 قليل؛ يمكن أن يزيد القوة قليلاً عن طريق المحلول الصلب
Cu 0.01 – 0.20 إضافات صغيرة للقوة لكنها تقلل مقاومة التآكل إذا كانت مرتفعة
Zn 0.02 – 0.25 أثر بسيط؛ تقوية محدودة عن طريق المحلول الصلب
Cr 0.01 – 0.15 يسيطر على إعادة التبلور ونمو الحبيبات أثناء المعالجة
Ti 0.01 – 0.10 مكرر الحبيبات للمنتجات المصبوبة أو المشغولة
عناصر أخرى (بما في ذلك توازن Al) باقي النسبة يشمل شوائب منخفضة المستوى (Ni, V, Zr) حسب ممارسات المصنع

ينسق تركيب 443 للحفاظ على السيليكون كعنصر سبائكي مهيمن مع التحكم بالحديد والمنغنيز لموازنة المتانة، القابلية للبثق وسلوك الترسيب. يوفر السيليكون مقاومة للتآكل وأداء حراري بينما يشكل الحديد والمنغنيز مراحل بين فلزية تعزز السبائك لكنها تخفض الليونة إذا كانت زائدة. تبقى العناصر الأثرية مثل الكروم والتيتانيوم منخفضة عمدًا لتحسين حجم الحبيبات وتثبيت الخصائص أثناء التشكيل واللحام.

الخصائص الميكانيكية

يعرض 443 سلوك شد نموذجي لسبائك الألومنيوم الحاملة للسيليكون غير القابلة للمعالجة الحرارية: منطقة مطاطية خطية نسبياً تليها بلاستيكية معتدلة وامتصاص طاقة جيد في الحالة المخدرة. تزداد مقاومة الخضوع ومقاومة الشد القصوى بوضوح مع التشغيل البارد؛ ولكن تقل الليونة ومقاومة الكسر بالتناسب. يستجيب السبائك بشكل متوقع لمجهودات التشكيل المعتمدة على السماكة، حيث تحقق السماكات الأقل قوة أعلى نتيجة تركيز الإجهاد.

تتبع الصلادة الاتجاهات التي تحددها حالة التخشين والتشغيل البارد. في الحالة المخدرة تكون الصلادة منخفضة مما يسهل التشغيل والتشكيل، في حين تقدم درجات H18 أو ما يشابهها زيادات ملحوظة في الصلادة مفيدة للمكونات الصلبة. الأداء ضد التعب كافٍ للتطبيقات متوسطة التحمل؛ تتحسن مقاومة التعب مع التشطيب السطحي المناسب وتجنب نقاط الشقوق أو عيوب اللحام. تؤثر السماكة بشكل ملحوظ: تحافظ المقطع السميك على قوة ظاهرة أقل قليلاً في الثني بسبب تغايرات ميكروهيكلية متبقية، ومعدلات التبريد أثناء التصنيع تؤثر على توزيع الترسيبات المحلية.

الخاصية حالة O / مخدرة تخشين رئيسي (H14/H18) ملاحظات
قوة الشد 80 – 130 MPa 180 – 260 MPa تزداد القوة مع التشغيل البارد؛ القيم تعتمد على محتوى السيليكون والتشغيل
قوة الخضوع 30 – 70 MPa 110 – 170 MPa ترتفع الخضوع بشكل ملحوظ مع تقسية الإجهاد؛ غالبًا ما تكون القيمة المحددة للتصميم
الاستطالة 20 – 35% 2 – 12% تنخفض الليونة مع زيادة القوة؛ الحالة المخدرة الأفضل للتشكيل
الصلادة (HB) 30 – 50 60 – 95 قيم برينيل تقريبية؛ الصلادة تتناسب مع مستوى التخشين

الخصائص الفيزيائية

الخاصية القيمة ملاحظات
الكثافة 2.70 g/cm³ كثافة نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ نسبة قوة إلى وزن ممتازة
نطاق الذوبان ~570 – 640 °C السيليكون يخفض درجة التصلب مقارنة بالألومنيوم النقي؛ النطاق يعتمد على نسبة السيليكون
الموصلية الحرارية 120 – 160 W/m·K موصلية حرارية جيدة لعمليات تبديد الحرارة وإدارة الحرارة
الموصلية الكهربائية 30 – 45 % IACS منخفضة مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ ما تزال مناسبة لتوصيل التيار غير الحرج
السعة الحرارية النوعية ~0.90 J/g·K قريبة من الألومنيوم النقي؛ مفيدة لحسابات الكتلة الحرارية
المعامل الحراري للتمدد 22 – 24 µm/m·K معامل تماثلي لمعظم سبائك الألومنيوم

يجمع 443 بين كثافة منخفضة نسبيًا وموصلية حرارية جيدة، مما يجعله مرغوبًا حيث يكون التبديد الحراري والتحكم بالوزن مهمين معًا. يساعد انخفاض نطاق الذوبان في عمليات اللحام والتلحيم الموضعية، لكنه يتطلب تحكمًا دقيقًا في درجات الحرارة لمنع الذوبان غير المقصود أو تكتل المراحل الغنية بالسيليكون. تؤثر السبائكية على الموصلية الكهربائية مقارنة بالألومنيوم النقي لكنها تظل مناسبة للعديد من التطبيقات غير الحرجة من حيث التوصيل الكهربائي.

أشكال المنتجات

الشكل السماكة/الحجم النموذجي سلوك القوة التمبرا الشائعة ملاحظات
ألواح 0.3 – 6.0 mm حساسة للعمل البارد؛ السماكات الرفيعة تكتسب القوة بسرعة O, H12, H14 شائعة للألواح الخارجية ومبادلات الحرارة؛ تشكل ممتاز في حالة O
صفائح 6 – 25 mm أقل تعرضاً للعمل البارد؛ تحتفظ بخواص التلدين ما لم تُعالَج O, H16 تستخدم للمكونات الإنشائية حيث توفر السماكة الصلابة
بثق مقاطع حتى 200 mm يمكن بثقها ثم سحبها بارداً لزيادة القوة O, H14, H16 ثبات أبعاد جيد للسكك والهياكل
أنابيب Ø 6 – 150 mm سماكة الجدار تؤثر على مقاومة الانهيار والانحناء O, H12, H14 شائعة في الأنابيب الهيكلية خفيفة الوزن ونوى مبادلات الحرارة
قضبان/عصي Ø 3 – 50 mm يمكن العمل البارد عليها لزيادة القوة O, H14, H18 تستخدم للبراغي، المحاور، والمكونات المخرطة

الشكل وسماكة المقطع يؤثران بشكل كبير على مسارات التصنيع والخواص النهائية لـ 443. عادةً ما تُورد الألواح والبثق الرقيق في حالة التلدين لتسهيل التشكيل ثم تُصلب بالعمل للحصول على القوة المطلوبة، بينما تُ spécify الصفائح السميكة غالباً في تمبراهات أكثر نعومة لتجنب التشقق أثناء التشكيل. تتطلب عمليات البثق تحكماً دقيقاً في كيمياء القضيب ونمط التسخين لتجنب تركز السيليكون وتحقيق دقة أبعاد متسقة.

الدرجات المكافئة

المعيار الدرجة المنطقة ملاحظات
AA 443 الولايات المتحدة الأمريكية التسمية الرقمية الأساسية المستخدمة تجارياً في أمريكا الشمالية
EN AW لا يوجد مكافئ مباشر أوروبا لا يرتبط رقم EN AW واحد مباشرة؛ الأقرب هي سبائك عائلة AlSi-Mn
JIS لا يوجد مكافئ مباشر اليابان توجد متغيرات إقليمية ذات توازنات Si/Fe/Mn مشابهة
GB/T لا يوجد مكافئ مباشر الصين المعايير الصينية قد تدرج درجات ألمنيوم-سيليكون متشابهة للتشكيل

لا يوجد مكافئ عالمي مباشر لـ AA 443 ضمن كل المعايير الدولية؛ لذا يجب على المهندسين مقارنة جداول الكيمياء والخواص الميكانيكية عند استبدال الدرجات. تنتج بعض المصانع الإقليمية أنواعاً خاصة من 443 بحدود نقاوة مختلفة قليلاً أو تاريح معالجة مختلف، لذلك تعد دقة مواصفات التركيب والتمبرا ومسارات التصنيع أمراً جوهرياً عند شراء المادة من مصادر دولية.

مقاومة التآكل

في الأجواء الجوية، يظهر 443 مقاومة تآكل متوسطة نموذجية للسبائك الألومنيوم الحاملة للسيليكون، حيث يشكل طبقة أكسيد ألمنيوم واقية تحد من التآكل العام. وجود السيليكون ومستويات الحديد المعتدلة يقلل من عرضة التآكل العام مقارنة بالسبائك ذات النحاس من سلسلة 2xxx، لكنه قد يقلل الأداء مقارنة بسبائك 5xxx عالية الماغنيسيوم في بعض البيئات.

الانكشاف البحري مناسب لـ443 في المكونات غير المحملة إجهادياً، لكن يتطلب تصميماً دقيقاً عند وقوع هجمات الكلوريد وتآكل الشقوق. مقاومة الحفر ليست مرتفعة مثل سبائك 5xxx أو 6xxx المبطنة والمخصصة للاستخدام البحري؛ لذا تستخدم الحماية الفوقية، الطلاءات العازلة، أو تصميمات الكاثود الحامية لضمان عمر خدمة طويل.

عرضة التصدع بالإجهاد التآكلي (SCC) منخفضة مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية عالية القوة، لكن مناطق اللحام أو العمل البارد المكثف قد تظهر تدهوراً موضعياً تحت تحميل الشد في البيئات العدوانية. يجب إدارة التفاعلات الكهروكيميائية مع المعادن الكاثودية (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس) بتجنب الاتصال المباشر أو العزل بالطلاءات والمواد السدادة، حيث يكون 443 أنودي مقارنة بالعديد من المعادن الهندسية. عموماً، يقدم 443 توازناً جيداً بين مقاومة التآكل وقابلية التشكيل والتكلفة، لكنه غير مفضل للهياكل البحرية ذات المحيطات عالية الكلوريد بدون إجراءات حماية.

خواص التصنيع

القابلية للحام

يسهل لحام 443 بعمليات الانصهار الشائعة مثل TIG وMIG عند اختيار سبائك حشو مناسبة؛ حيث يقلل استخدام حشوات سيليكون متوافقة مع تركيبة الأساس من التشققات الساخنة ويوفر مظهر خرزة جيد. يجب مراقبة حرارة اللحام ودرجة حرارة بين اللحامات بعناية لمنع ذوبان المراحل الغنية بالسيليكون وطمس منطقة تأثر الحرارة، الأمر الذي قد يقلل القوة الموضعية. نادراً ما تتطلب عمليات بعد اللحام استعادة القوة، لكن تخفيف الإجهاد وتصميم المفاصل الصحيح يساعدان على تجنب التشوه والمسامية.

قابلية التشغيل

تعتبر قابلية التشغيل ل443 جيدة عمومًا مقارنة بسبائك الألومنيوم عالية القوة بسبب قوتها المتوسطة ومحتوى السيليكون الذي يساهم في تشكيل رقائق متوقعة أثناء القطع. أدوات الكربيد بسرعات متوسطة وتثبيت صارم تعطي تشطيب سطح جيد؛ ينبغي ضبط التغذية والسرعات حسب قطر وعمق القطع لتجنب تراكم الرقائق. استخدام المبرد يحسن عمر الأداة والتحكم بدرجة الحرارة؛ ووسائل كسر الرقائق مفيدة خلال عمليات التشغيل الطويلة بسبب ميل الرقائق إلى الليونة في التمبرا الأطرى.

قابلية التشكيل

تُظهر قابلية تشكيل ممتازة في حالة التلدين (O)، مع إمكانية تحقيق أنصاف أقطار انحناء ضيقة اعتماداً على السماكة والأدوات؛ أنصاف أقطار الانحناء الداخلية الموصى بها تكون عادة 1–2× سماكة المادة للتمبرا ذات القوة المتوسطة. تستجيب السبيكة جيداً لعمليات التشكيل البارد الشائعة مثل السحب العميق والتشكيل باللف عند وجودها في حالات O أو H12، مع محدودية الرجوع بسبب محتوى السيليكون. للتشكيل القاسي، تساعد المعالجة الحرارية المؤقتة أو التشكيل الدافئ في تقليل خطر التشقق وتحسين جودة السطح.

سلوك المعالجة الحرارية

لا تُعتبر 443 قابلة للمعالجة الحرارية بمعنى التقسية بالتكويه؛ إذ إن زيادة القوة عن طريق التقدم الصناعي T6 غير فعالة بسبب أن المراحل الغالبة المحتوية على السيليكون لا تقدم طيف ترسيب مشابه لسبائك Al-Mg-Si. محاولات تطبيق المعالجة بالذوبان والتقسية تؤدي أساساً إلى تعتيق بنية الميكرو بدون زيادة ملحوظة في القوة القصوى.

تقسية العمل والتلدين المتحكم به هما الطريقتان الرئيسيتان لتعديل خواص 443. التلدين الكامل (O) يعيد بلورة البنية ويسترجع الحد الأقصى من اللدونة، في حين تؤدي التلدينات الجزئية والعمل البارد الخاضع للرقابة إلى زيادات متوقعة في مقاومة الخضوع والشد. تُستخدم أحياناً معالجات التثبيت مثل الخَبز بدرجات حرارة منخفضة أو التقدم الطبيعي (تشابه T4) لتقليل التغيرات الأبعادية بعد التشكيل لكنها لا تحقق مكاسب قوة كبيرة.

التعرض للحرارة قد يسبب تطرية موضعية عبر الاسترداد ونمو الحبيبات، لذلك يجب تقييم المكونات التي تخضع لدورات حرارية لاحقة (مثل اللحام أو اللحام الموضعي) لفقدان الخواص في منطقة تأثر الحرارة. عند الحاجة إلى استعادة القوة بعد الدورات الحرارية، قد يُستخدم العمل البارد الميكانيكي أو التقسية بالرصاص بدلاً من التقسية التقليدية بالتقدم.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

كالعديد من سبائك الألومنيوم، يعاني 443 من انخفاض ملحوظ في القوة مع ارتفاع درجة الحرارة فوق المحيط؛ تظهر تخفيضات ملحوظة في مقاومة الخضوع عند 100–150 °C وتطرية أكبر عند 200–300 °C. التعرض طويل الأمد لدرجات حرارة مرتفعة يعزز ظواهر الزحف والاسترخاء الإجهادي، مما يحد من استخدام السبائك في تطبيقات تحميل حرارية مستمرة. ينبغي على المصممين اعتماد عوامل تخفيض محافظة لقيم القوة عند درجات الحرارة إلا إن أُجري اختبار مباشر تحت ظروف الخدمة.

تقتصر أكسدة سبائك الألومنيوم عند درجات الحرارة المرتفعة عادة على نمو طبقة الأكسيد السطحية؛ يحافظ 443 على طبقة أكسيد حماية، لكن التعرض الطويل في بيئات مؤكسدة مع تحميل ميكانيكي قد يسرع التدهور. يجب الأخذ بعين الاعتبار الانكماش الحراري في التجميعات لتجنب الضغوط الناتجة التي قد تزيد من التعب أو تشققات الوصلات، لا سيما في التجميعات المعدنية غير المتجانسة حيث يكون اختلاف التمدد الحراري كبيراً.

تكون مناطق اللحام ومنطقة تأثر الحرارة معرضة بشكل خاص لتغيرات خواص موضعية تحت التعرض الحراري العالي؛ حيث يؤدي تعتيق الحبيبات وانحلال الترسيبات إلى تقليل مقاومة التعب وقوة الخضوع. للتشغيل عند درجات حرارة مرتفعة متقطعة، يُنصح بتوفير اعتبارات تصميمية ومتابعة تفتيش دورية.

التطبيقات

الصناعة مكون المثال لماذا يُستخدم 443
السيارات ألواح الهيكل، العناصر الهيكلية الداخلية قابلية تشكيل جيدة في حالة O، زيادة القوة بعد العمل البارد، تكلفة فعالة
البحرية القوابض، التركيبات الهيكلية غير الحرجة مقاومة تآكل معقولة وقابلية لحام جيدة للتجميع
الفضاء (غير الأساسي) التجهيزات الداخلية، الأغلفة نسبة قوة إلى وزن مناسبة وثبات حراري للهياكل الثانوية
الإلكترونيات مشعات حرارة، هياكل موصلية حرارية مع قابلية تشغيل جيدة
السلع الاستهلاكية ألواح الأجهزة، الزخارف توازن بين التشطيب، قابلية التشكيل والتكلفة

يجد سبائك الألومنيوم 443 مكانته في المكونات التي تحتاج إلى توازن بين قابلية التشكيل، الأداء الحراري، وقوة أعلى من الألومنيوم النقي تجارياً. سهولة تصنيعه وموصلية حرارته تجعله خيارًا متكررًا للأغلفة، الأجزاء المشتتة للحرارة والألواح الهيكلية المشكّلة حيث لا تعتبر القوة القصوى هي المتطلب الأساسي.

نصائح الاختيار

اختر 443 عند الحاجة إلى قوة وأداء حراري أفضل من سبائك سلسلة 1xxx مع الحفاظ على انخفاض تكاليف وتعقيد التصنيع. يتنازل السبيكة عن بعض الموصلية الكهربائية واللدونة المطلقة مقارنة بالألومنيوم النقي مقابل صلابة محسنة، قابلية تشغيل أفضل ومقاومة للتشوه الحراري.

مقارنة بالألومنيوم النقي تجارياً (1100)، يقدم 443 قوة وصلابة أعلى ولكنه يقلل قليلاً من الموصلية الكهربائية وقابلية التشكيل بالطرد. مقابل السبائك المعتادة التي تم تعتيقها بالعمل مثل 3003 أو 5052، عادة ما يوفر 443 قوة مماثلة أو أعلى قليلاً مع قابلية تشكيل مماثلة ولكن بسلوك تآكل مختلف قليلاً: حيث يتفوق 5052 على 443 في البيئات البحرية الشديدة، في حين قد يكون 443 أسهل في التشغيل واللحام بالتنجيد. مقارنة بالسبائك المعالجة حرارياً مثل 6061 أو 6063، لن يصل 443 إلى نفس القوة القصوى التي تحققها المعالجات T6 لكنه قد يُفضل حيث تعد قابلية اللحام، اللحام بالتنجيد، الثبات الأبعادي أثناء التسخين والتكلفة أكثر أهمية من أقصى مقاومة سحب.

استخدم 443 عندما تشمل سير العمل التصنيعي تشكيلًا مكثفًا متبوعًا بتقوية محلية عن طريق العمل البارد أو عندما تكون العمليات الحرارية مثل التنجيد مطلوبة. حدد مراقبة صارمة للكيمياء والحالة الحرارية عند الاستعاضة عن سبائك أخرى لضمان أداء متوقع عبر الموردين.

الملخص الختامي

لا يزال سبائك الألومنيوم 443 خيارًا عمليًا وذا صلة للمكونات الهندسية التي تحتاج إلى مزيج متوازن من قابلية التشكيل، قوة معتدلة، توصيل حراري جيد وتصنيع اقتصادي. تجعل كيمياء السليكون المهيمنة واستجابته للتقوية بالعمل البارد منه مفيدًا بشكل خاص في تطبيقات السيارات، البحرية وإدارة الحرارة حيث تكون القابلية للتصنيع والثبات الأبعادي أكثر أهمية من القوة القصوى المطلقة.

العودة إلى المدونة