ألمنيوم 4N30: التركيب، الخصائص، دليل المعالجة، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
4N30 هو عضو في سلسلة سبائك الألومنيوم 4xxx، وهي عائلة تتميز باستخدام السيليكون كعنصر رئيسي للسبائك. ينتمي إلى مجموعة Al-Si التي تُستخدم أساساً في أسلاك اللحام، سبائك اللحام بالقصدير، والمنتجات المشغولة حيث تتطلب تحسين السيولة، مقاومة التآكل، أو سلوك انصهار مضبوط.
العنصر الأساسي في السبائك هو السيليكون بنسبة تتراوح في خانة الأرقام المفردة الوسطى، مع مستويات متبقية من الحديد والمنغنيز وآثار من التيتانيوم والكروم التي تضاف للتحكم في حجم الحبيبات وتعديل الشوائب. التقوية في 4N30 تتحقق بشكل أساسي من خلال تأثيرات محلول صلب وتشديد الشد بدلاً من التقوية التقليدية بالتساقط؛ إذ أن المحتوى المنخفض من السيليكون لا يخلق استجابة تقسية عمرية قوية كما هو الحال في سبائك Mg-Si (6xxx).
الخصائص الرئيسية لـ 4N30 تشمل مقاومة متوسطة، توصيل حراري جيد مقارنة بالعديد من السبائك الأخرى، واللحامية موثوقة مع انحسار منخفض لمشكلة التشقق الساخن عند معالجتها بشكل صحيح. مقاومة التآكل نموذجية لسبائك Al-Si — عموماً جيدة في البيئات الجوية لكنها تطلب اهتماماً في التصميم لخدمة بحرية غنية بالكلوريدات أو في أزواج جلفانية مع معادن كاثودية.
الصناعات النموذجية التي تستخدم 4N30 تشمل السيارات في تطبيقات الحشو والربط، التصنيع العام للتجميعات الملحومة والملحومة بالقصدير، المكونات الكهربائية حيث يكون التوصيل الحراري مرغوباً، وبعض السلع الاستهلاكية للأجزاء المصبوبة أو المشكّلة. يختار المهندسون 4N30 عندما يُطلب توازن بين اللحامية والقوة المتوسطة وقابلية التشكيل، أو عندما يوفر كيمياء السيليكون سلوكاً محسنًا للمعادن المصهورة للتوصيل أو العمليات مجاورة الصب.
أنواع المعالجات الحرارية
| المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | اللحامية | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية | ممتازة | ممتازة | حالة معادة التلدين بالكامل لأقصى دكتيلية |
| H12 | متوسطة | متوسطة | جيدة | ممتازة | مبردة بعدد قليل من التشغیل البارد، مع زيادة في مقاومة الخضوع |
| H14 | متوسطة-عالية | منخفضة-متوسطة | مقبولة | ممتازة | تشغيل بارد بربع الصلابة، شائع للألواح الهيكلية |
| H18 | عالية | منخفضة | محدودة | ممتازة | تشغيل بارد كامل لأعلى قوة عملية |
| T451 / T4 (إذا تم التطبيق) | متوسطة | متوسطة | جيدة | ممتازة | إزالة الإجهاد بعد التسوية/شيخوخة مصطنعة محدودة (نادرة لسلسلة 4xxx) |
اختيار المعالجة يؤثر بقوة على مقاومة الخضوع والاستطالة لأن 4N30 يكتسب معظم قوته من خلال تشديد الشد. العمل البارد (معالجات H) يرفع مقاومة الخضوع وقيم الشد مع تقليل الدكتيلية وقابلية التشكيل، مما يجعل H14/H18 شائعة للألواح الهيكلية حيث القوة الأعلى مطلوبة.
حالة التلدين O تزيد من قابلية التشكيل للعمليات العميقة كالقص والتثني المعقد، وتستخدم عادة في الحالات التي تتطلب عمليات لحام أو تشكيل لاحقة تتطلب دكتيلية عالية وأدنى حد من ارتداد الزعنفة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 2.5–4.0 | العنصر الأساسي في السبائك؛ يتحكم في السيولة ويقلل من نطاق الانصهار |
| Fe | 0.2–0.8 | عنصر شوائب؛ يشكل مركبات باطنية تؤثر على الدكتيلية وقابلية التشغيل |
| Mn | 0.1–0.5 | معدل لحجم الحبيبات؛ يحسن القوة ومقاومة التآكل الموضعية |
| Mg | 0.05–0.3 | ناقص؛ يمكن أن يعزز بعض تأثيرات الترسيب إذا كان عند مستويات عليا |
| Cu | ≤0.10 | يحافظ على مقاومة التآكل منخفضة؛ المستويات الأعلى تزيد القوة وتقلل مقاومة التآكل الإجهادي |
| Zn | ≤0.15 | متبقي طفيف؛ مستويات عالية غير نمطية في عائلة 4xxx |
| Cr | ≤0.05 | مكرر حجم الحبيبات ومكوّن مشتت بكميات أثرية |
| Ti | ≤0.15 | يستخدم لتحسين حجم الحبيبات في المصبوبات والبثق |
| العناصر الأخرى | باقي Al / المتبقيات | تشمل عناصر أثرية مثل Sr وZr في درجات المعالجة المحكمة |
السيليكون هو المحرك الرئيسي للأداء في 4N30: يقلل من نطاق الانصهار قليلاً ويحسن السيولة ومقاومة التآكل في تطبيقات الاحتكاك. الحديد والمنغنيز يتحكمان في شكل المركبات الباطنية؛ حيث يشكل الحديد مراحل هشة بينما يمكن للمنغنيز تعديل شكلها بشكل مفيد. تستخدم العناصر الأثرية مثل التيتانيوم والكروم لتحسين حجم الحبيبات وتنمية التوحيدية الميكانيكية بعد المعالجة الحرارية أو الميكانيكية.
الخصائص الميكانيكية
سلوك الشد لـ 4N30 يتميز بقوة شد نهائية متوسطة مع معامل مرونة منخفض نسبياً يشبه سبائك الألومنيوم الأخرى. في الحالة المعادة التلدين، يظهر السبائك أنماط فشل دكتيلية مع استطالة متجانسة جيدة، بينما تظهر المعالجات الباردة مستوى أعلى من مقاومة الخضوع على حساب استطالة متجانسة ومتانة عند العلامات. الأداء في التعب يعكس المكونات الميكروهيكلية وحالة السطح؛ حيث أن التشطيب السطحي والضغوط المتبقية من التشكيل هما المتحكمان الأساسيان في عمر التعب.
تتدرج قيم مقاومة الخضوع والشد بشكل كبير حسب المعالجة الحرارية. المادة المعاد تلدينها (O) تظهر مقاومة خضوع منخفضة مع استطالة جيدة، بينما ترفع معالجات H من مقاومة الخضوع حتى مرتين إلى ثلاثة أضعاف مستوى الحالة المعاد تلدينها. وتتبع الصلادة نفس الاتجاه: فالمادة المعاد تلدينها ناعمة وسهلة التشغيل أو التشكيل، حيث تحقق المواد المعالجة باردة صلادات أعلى بقيم برينل أو فيكرز مفيدة للأجزاء التي تحددها مقاومة التآكل.
تأثيرات السماكة هامة: قد تحتفظ الأقسام السميكة بالتغاير الميكروهيكلي للصب أو البثق ويمكن أن تظهر دكتيلية أقل وقوة أقل قليلاً مقارنة بالألواح الرقيقة التي تم معالجتها برودة بشكل متجانس. مناطق اللحام ومنطقة التأثير الحراري عادةً ما تظهر ترخياً موضعياً عندما يكون العمل البارد كبيراً، ويجب على المصممين الأخذ بعين الاعتبار تخفيضات القوة المتعلقة بالمنطقة المتأثرة بحرارياً في الوصلات.
| الخاصية | O/المعاد تلدينه | معالجة حرارية رئيسية (مثلاً H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | 110–140 MPa | 200–260 MPa | القيم تعتمد على محتوى السيليكون ومستوى العمل البارد |
| مقاومة الخضوع | 30–60 MPa | 140–200 MPa | مقاومة الخضوع ترتفع بقوة مع العمل البارد؛ منخفضة في الحالة المعاد تلدينها |
| الاستطالة | 20–35% | 4–12% | دكتيلية عالية في O؛ تقل في معالجات H |
| الصلادة | 30–40 HB | 60–90 HB | نطاقات الصلادة برينل النموذجية للألواح؛ تختلف حسب المعالجة |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.70 g/cm³ | نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ تغير طفيف حسب محتوى السيليكون |
| نطاق الانصهار | ~610–650 °C | أضيق من سبائك السيليكون العالية؛ الصلادة تقترب من الألومنيوم النقي عند انخفاض السيليكون |
| التوصيل الحراري | 140–180 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي؛ السيليكون وعناصر السبائك الأخرى تقللان من التوصيل |
| التوصيل الكهربائي | 38–52 %IACS | السباكة تقلل من التوصيل مقارنة بالألومنيوم النقي |
| السعة الحرارية النوعية | ~900 J/kg·K | نموذجية لسبائك الألومنيوم عند درجة حرارة الغرفة |
| التوسع الحراري | 22–24 µm/m·K | معامل خطي قريب من مختلف سبائك الألومنيوم؛ يجب مراعاة التوسع في التصميم الحراري |
تعكس الخصائص الفيزيائية مقايضة: حيث يقلل إضافة السيليكون من نقطة الانصهار ويحسن القابلية للصب ولكنه يخفّض التوصيل الكهربائي والحراري مقارنة بالألومنيوم النقي. لتطبيقات إدارة الحرارة، توفر السبائك توصيلاً جيداً مع كثافة أقل مقارنة بالنحاس، مما يجعلها جذابة للمكونات خفيفة الوزن المبددة للحرارة. تبقى الكثافة ومعاملات التوسع بالقرب من سلاسل 2xx/6xx، مما يسمح باستبدال نسبي سهل في العديد من التصاميم.
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المعالجات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.3–6.0 mm | موحدة عبر السماكة إذا تم التدوير البارد | O, H12, H14 | شائعة للأجزاء المشكّلة والتجميعات الملحومة |
| صفائح | 6–25 mm | قد تحتوي على تدرج طفيف في القوة | O, H18 | الأقسام السميكة تتطلب تحكم دقيق في التجانس |
| بثق | سماكة الجدار 1–20 mm؛ ملفات شخصية حسب الطلب | تختلف القوة حسب التبريد والعمل | O, T45, H12 | البثق يستفيد من مكررات حجم الحبيبات مثل Ti أو Sr |
| أنابيب | أقطار 6–300 mm | ثبات أبعاد جيد | O, H14 | أنابيب بدون درز وأخرى ملحومة متوفرة |
| قضبان/أعمدة | أقطار 3–100 mm | قابلية تشغيل جيدة في المعالجات اللينة | O, H12 | الرسم البارد يزيد من القوة للقضبان |
مسار المعالجة يؤثر على الخصائص النهائية: التدوير البارد والرسم يزيدان القوة ويخفضان الدكتيلية، بينما يعيد التلدين أو إزالة الإجهاد قابلية التشكيل. يسمح البثق بقطع مقطع عرضي معقد ولكن يتطلب التحكم في حجم الحبيبات لتفادي التغاير الاتجاهي؛ الصفائح والأقسام الثقيلة أكثر عرضة للشوائب وتتطلب مراقبة جودة أدق. يجب أن يكون اختيار شكل المنتج متوافقاً مع بيئة الاستخدام النهائي وخطوات التوصيل/التصنيع المطلوبة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 4N30 | USA | تعيين محدد للمصنع والمورد ضمن عائلة 4xxx |
| EN AW | 4030 (الأقرب) | أوروبا | EN AW-4030 سبائك ألمنيوم-سيليكون المشغولة ذات مستويات سيليكون مماثلة |
| JIS | A4043 (سلك ملء مقارن) | اليابان | JIS A4043 يستخدم عادة كسلك ملء ألمنيوم-سيليكون؛ تقارب تقريبي لسبائك الأساس |
| GB/T | 4N30 (أو AlSi3) | الصين | تسميات GB/T قد تتضمن درجات ألمنيوم-سيليكون المشغولة بمواصفات كيميائية مشابهة |
لا تتوفر دائمًا درجات مكافئة مباشرة واحد لواحد بسبب اختلاف مواصفات المنتج، حدود الشوائب، وطرق التصنيع حسب المنطقة والمصنع. الدرجات EN وJIS المذكورة هي تقاربات تقريبية داخل عائلة Al-Si؛ عند الاستبدال يجب على المهندسين مقارنة الحدود التركيبية التفصيلية، الخواص الميكانيكية، وممارسات الشهادات بدلاً من الاعتماد فقط على تسمية الدرجة.
مقاومة التآكل
في البيئات الجوية، يظهر 4N30 عادةً حماية أكسيد طبيعية جيدة مماثلة للسبائك الأخرى من الألمنيوم، ونسب النحاس المنخفضة تساعد في الحفاظ على مقاومة التآكل العام. السلوك الحامي مناسب للتعرضات الداخلية وللأماكن الريفية الخارجية، مع تأثير قوي لحالة السطح والطلاءات وتفاصيل التصميم مثل التصريف وتجنب الشقوق على الأداء طويل الأمد.
في البيئات البحرية وذات محتوى عالي من الكلوريدات، يتمتع 4N30 بمقاومة معتدلة لكنه أكثر عرضة للتآكل الموضعي بالنقط مقارنة بالسبائك 5xxx (الماغنيسيوم) عالية السبائكية أو السبائك المعالجة خاصة من نوع 6xxx. الطرق التصميمية مثل الأكسدة الأنودية، الطبقات السطحية، أو الطلاءات التضحية شائعة حيث يتطلب عمر خدمة طويل في الماء المالح. تصدعات التآكل الإجهادي أقل شيوعًا في سبائك Al-Si مقارنة بسبائك عالية النحاس أو ماغنيسيوم، لكن الإجهادات الشد مع الوسائط المسببة للتآكل قد تحدث سوءات تشبه SCC؛ يجب تقليل الإجهادات المتبقية والمطبقة.
يجب إدارة التفاعلات الجلفانية: 4N30 أنودي مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس لكنه كاثودي لبعض سبائك الماغنيسيوم، لذا يجب تجنب أزواج المواد التي تُحدث أزواج جلفانية عدوانية في البيئات الرطبة. بالمقارنة مع سبائك 1xxx (الألمنيوم التجاري النقي)، يقدم 4N30 انخفاضًا طفيفًا في مقاومة التآكل المطلقة مقابل قوة أفضل وقابلية لحام أعلى؛ بالمقارنة مع 5xxx، يوفر عادة قابلية لحام محسنة ولكن أداء أقل قليلاً في التعرض النقي للكلوريدات.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يتميز 4N30 بسهولته العامة في اللحام باستخدام عمليات الانصهار التقليدية مثل TIG وMIG، مستفيدًا من ميل السيليكون لتقليل احتمالية التشقق الساخن. تُستخدم أسلاك الحشو ضمن عائلة Al-Si (مثل AlSi5) بشكل شائع لمطابقة التركيب الكيميائي وتعزيز تجمع اللحام السائل؛ للمفاصل الهيكلية، يحقق تطابق التركيب بين الأساس والحشو تحسينًا في الخواص الميكانيكية. قد يظهر منطقة التأثير الحراري HAZ تليينًا موضعيًا إذا كان المعدن الأساسي قد تم تشكيله باردًا لزيادة القوة، لذا يجب فحص الخواص الميكانيكية بعد اللحام لمفاصل حرجة. نادرًا ما يكون التسخين المسبق ضروريًا للأقسام الرقيقة، لكن التحكم في حرارة الإدخال واستخدام تصميم مناسب للمفاصل يقلل من التشوه والفراغات.
قابلية التشغيل
قابلية تشغيل 4N30 في الحالات الملدنة جيدة مقارنة بسبائك الألمنيوم الصلبة؛ يُشغل بسهولة بأدوات HSS أو كربيد قياسية. سلوك الرقائق عادة متواصل ويمكن ضبطه عبر إعدادات التغذية والسرعة المناسبة؛ المبردات تحسّن عمر الأداة وجودة السطح. وجود سبائك بينية وجسيمات غنية بالحديد قد يزيد من تآكل الأدوات مقارنة بالألمنيوم النقي جدًا، لذا يُنصح بشروط هندسية وطلاءات (TiAlN، TiN) لأداء أفضل في التصنيع الإنتاجي.
قابلية التشكيل
قابلية التشكيل في حالة O ممتازة للسحب العميق والانحناءات المعقدة، بانحناءات دنيا تقارب 1–1.5 ضعف السماكة حسب الأدوات وحالة السطح. يقلل التشكيل البارد (حالات H) من القابلية للتشكيل ويزيد من الارتداد المرن؛ لذا تستخدم حالات H12/H14 فقط لعمليات التشكيل البسيطة أو عند الحاجة إلى قوة أعلى فور الانتهاء من التشكيل. التشكيل عند درجات حرارة مرتفعة ممكن للأشكال المعقدة، مع ضرورة الانتباه لأكسدة السطح وتزييت الأدوات لتجنب الاحتكاك والشد.
سلوك المعالجة الحرارية
يصنف 4N30 كسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية من الناحية الهندسية العملية؛ لا يظهر تقوية ملحوظة عبر دورات التصلب الحلولي والشيخوخة الاصطناعية التقليدية. محاولات المعالجة التصلب الحلولي تعطي تقوية محدودة بسبب غياب نظام ترسيب Mg-Si الذي يمنح ازدياداً في التقسية في سبائك 6xxx.
تُطوّر القوة في المقام الأول عن طريق العمل البارد: التحكم في عمليات الدلفنة، السحب، والتشكيل البارد يحدد الأداء الميكانيكي النهائي. دورات التلدين القياسية فعالة لاستعادة اللدونة: التسخين في نطاق التلدين المناسب يليه تبريد مُتحكم فيه يعيد تبلور الميكروهيكل ويذيب هياكل التشوه. عند تطبيق معالجات حرارية طفيفة (مثل تخفيف الإجهاد)، يجب الحذر من حدوث تشديد زائد أو تجميع مفرط للسبائك البينية مما يقلل من اللدونة.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
يبدأ 4N30 بفقدان القوة بشكل ملحوظ عند زيادة درجة التشغيل فوق نحو 150–200 °C، مع تليين تدريجي عند درجات أعلى بسبب استعادة وتجمّع مجموعات الذوبان. التعرض طويل الأمد لحرارة مرتفعة يعزز تغيرات في الميكروهيكل تقلل من مقاومة الخضوع وعمر التعب، مما يجعله أقل ملاءمة للتطبيقات الهيكلية عالية الحرارة. مقاومة الأكسدة مماثلة لسبائك الألمنيوم؛ تتكوّن طبقات أكسيد واقية بسرعة لكنها لا تمنع تدهورًا خاصًا بالتطبيق في درجات حرارة عالية أو في بيئات مؤكسدة تحتوي على كلوريدات أو مركبات كبريت.
قد تظهر مفاصل اللحام تليينًا ممدودًا في منطقة التأثير الحراري HAZ عند التعرض العالي، ويجب اعتبار سبائك ألمنيوم مقاومة للحرارة أو مواد بديلة في التصاميم التي تتطلب مقاومة الزحف أو تحمل الأحمال الطويل الأمد عند درجات حرارة مرتفعة.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | لماذا يُستخدم 4N30 |
|---|---|---|
| السيارات | أسلاك ملء، حوامل هيكلية صغيرة | قابلية جيدة للحام وقوة معتدلة للحام النقاطي والخطي |
| البحرية | هياكل غير حرجة، تجهيزات | مقاومة تآكل كافية وقابلية تشكيل ولحام |
| الطيران | تجهيزات ثانوية، مشابك | نسبة قوة إلى وزن جيدة للهياكل غير الأساسية وسهولة التصنيع |
| الإلكترونيات | ناشرات حرارة، أغطية | موصلية حرارية وكثافة منخفضة لإدارة الحرارة |
| السلع الاستهلاكية | حواف أدوات الطبخ، إطارات | قابلية تشكيل وجودة سطح بعد الأكسدة الأنودية |
يملأ 4N30 فجوة تصميمية حيث يكون التوازن بين قابلية اللحام، التشكيل، والأداء الميكانيكي المعتدل مطلوبًا، خصوصًا حيث تحسن كيمياء السيليكون عمليات الربط أو الصب المرتبطة. يُستخدم بشكل واسع حيث تتفوق التكلفة، سهولة التصنيع، ومقاومة التآكل المقبولة على الحاجة لأعلى قوة ممكنة.
نصائح اختيار
اختر 4N30 عندما يحتاج تصميمك إلى قابلية لحام موثوقة، قابلية تشكيل جيدة في الحالة الملدنة، وقوة معتدلة مع موصلية حرارية مناسبة. هو مناسب بشكل خاص للتجميعات الملحومة، البثق، والمكونات حيث تساعد خصائص السيليكون في السائلة أو سلوك الذوبان في الربط أو خطوط سير العمل المصاحبة للصب.
بالمقارنة مع الألمنيوم النقي تجاريًا (1100)، يوفر 4N30 قوة أعلى وتحسين في مقاومة البلى وسلوك حمامات اللحام مع التنازل عن بعض الموصلية الكهربائية والحرارية واللدونة العالية جدًا. بالمقارنة مع السبائك المعالجة بالتصلب مثل 3003 أو 5052، يقدم 4N30 قابلية لحام مماثلة أو أفضل قليلاً وقابلية تشكيل مشابهة مع قوة تقع بين عائلات 1xxx و5xxx حسب الحالة. وبالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061/6063، يُختار 4N30 عندما تكون قابلية اللحام والتشكيل الأفضل أولوية على القوة العظمى الناتجة عن التصلب الشيخوخي، أو عندما تكون مستويات السبائك المنخفضة وخصائص الانصهار المختلفة مفيدة.
الخلاصة النهائية
يبقى 4N30 سبيكة هندسية عملية حيث يكون مزيج من قابلية اللحام الجيدة، القوة المعتدلة، وقابلية التشكيل مطلوبًا إلى جانب مقاومة مقبولة للتآكل وأداء حراري. موقعه ضمن عائلة Al-Si يجعله خيارًا متعدد الاستخدامات للمكونات المصنعة والمجمعة عبر تطبيقات السيارات، البحرية، والتصنيع العام حيث تكون الخواص المتوازنة والمعالجة الموثوقة أساسية.