الألومنيوم 5005: التركيب، الخصائص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 5005 هي من سلسلة 5xxx من سبائك الألومنيوم-المغنيسيوم، وتتميز بشكل رئيسي بالمغنيسيوم كعنصر سبيكي أساسي. تقع هذه السلسلة ضمن العائلة غير المعالجة حراريًا حيث يتم تعديل القوة عن طريق العمل البارد بدلاً من التصلب الناتج عن الترسيب، وعادةً ما تُحدد ضمن مجموعة سبائك 5000 (Al–Mg) للمنتجات الصفائحية المقاومة للتآكل والقابلة للتشكيل.

العناصر السبيكية الرئيسية في 5005 هي المغنيسيوم (بنسبة اسمية تتراوح من جزء من المئة إلى حوالي 1.1%) مع إضافات أو حدود مراقبة صغيرة من السيليكون، الحديد، النحاس، المنغنيز، الكروم، الزنك والتيتانيوم. آلية التقوية تعتمد على التصلب بالتشويه (التصلب بالعمل)؛ فهو لا يستجيب لمعالجات حرارية على نمط T6، لذلك يعتمد المصممون على المعالجات الحرارية (درجات H) والعمل البارد للوصول إلى القوى المستهدفة.

تتضمن الصفات الرئيسية مقاومة جيدة للتآكل العام (أفضل من 1xxx والعديد من سبائك 3xxx)، قابلية جيدة للتشكيل في الحالة المبيضة، وقابلية جيدة للحام مع المعادن المضافة المناسبة. تجمع هذه السبائك بين قوة كافية، إمكانية إنهاء السطح (بما في ذلك الأنودة)، وتكلفة معقولة، مما يجعلها شائعة في التطبيقات المعمارية، الزخرفية، والصفائح المطلية حيث لا تكون القوة القصوى مطلوبة.

الصناعات النموذجية التي تستخدم 5005 تشمل تغطية المباني وأنظمة الجدران الستارية، اللافتات، ألواح الشاحنات والمقطورات، تقليم الأجهزة المنزلية، وبعض السلع الاستهلاكية التي تتطلب الأنودة والتشطيب الطلائي. يختار المهندسون سبائك 5005 بدلاً من غيرها عندما يكون التوازن بين القابلية للتشكيل، جودة التشطيب، ومقاومة التآكل أكثر أهمية من القوة العظمى أو القدرة على التحمل في درجات حرارة عالية.

أنواع المعالجات الحرارية

درجة المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع	ممتاز	ممتاز	حالة مبيضة بالكامل للتشكيل وأقصى ليونة
H14	متوسط	معتدل	جيد	جيد جدًا	متصلب بالتشويه وجزئيًا مبيَّض؛ شائع للسحب السطحي الضحل
H16	مرتفع-متوسط	معتدل	جيد	جيد جدًا	درجة أعلى من التصلب بالعمل مقارنة بـ H14؛ قوة محسنة
H22	متوسط	معتدل	جيد	جيد جدًا	متصلب بالتشويه ومستقر؛ ارتداد أقل من H1x في السماكات الرقيقة
H24	مرتفع-متوسط	معتدل	مقبول	جيد جدًا	متصلب بالتشويه ومستقر مع زيادة مقاومة الخضوع
H32	متوسط	جيد	جيد	جيد جدًا	متصلب بالتشويه ومستقر بعد المبيضة الخفيفة
H34	مرتفع-متوسط	معتدل	جيد	جيد جدًا	تصلب عمل أعلى واحتفاظ أفضل بالقوة مقارنة بـ H32

تغير المعالجة الحرارية التوازن بين القوة والليونة: الحالة المبيضة (O) توفر أقصى استطالة للسحب العميق، بينما تنتج درجات H قوة مقاومة خضوع وشد أعلى مقابل تقليل من قابلية التشكيل. يعتمد اختيار درجة المعالجة على العمليات التشكيلية المقصودة، حيث تستخدم درجات H2x أو H3x المستقرة لتقليل تغيرات الخواص بعد التصنيع.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.0–0.4	سيليكون منخفض ومتحكم به للحد من الشوائب الناتجة عن الصب والأكسدة
Fe	0.0–0.7	شوائب نموذجية؛ ارتفاع الحديد يقلل من الليونة وجودة التشطيب السطحي
Mn	0.0–0.2	ثانوي؛ يمكن أن يساعد في التحكم ببنية الحبيبات
Mg	0.5–1.1	العنصر الأساسي للتقوية؛ يحسن مقاومة التآكل
Cu	0.0–0.2	محدود للحفاظ على مقاومة التآكل
Zn	0.0–0.2	ثانوي؛ المستويات العالية تقلل من مقاومة التآكل
Cr	0.0–0.1	مراقب لتقليل نمو الحبيبات وتحسين الاستقرار
Ti	0.0–0.2	مكرر للحبيبات في بعض أشكال المنتج
عناصر أخرى	0.0–0.15	بقايا وعناصر أثرية (حدود لكل منها وللمجموع)

المغنيسيوم هو العنصر الأساسي في تحسين الأداء، حيث يرفع القوة من خلال تأثير المحلول الصلب ويحسن مقاومة التآكل مقارنة بالألومنيوم شبه النقي. الحديد والسيليكون هما شوائب محكومة تؤثر على الليونة وجودة السطح، بينما يحد من وجود النحاس والزنك لضمان بقاء مقاومة التآكل جيدة. تضيف كميات صغيرة من التيتانيوم والكروم ضبطًا لبنية الميكرو وهيكل الحبيبات لكنها لا تؤثر بشكل كبير على الخصائص الميكانيكية الأساسية.

الخواص الميكانيكية

يحكم سلوك الشد لـ 5005 التوليفة بين محتوى المغنيسيوم ودرجة العمل البارد المُطبق؛ إذ تظهر الحالة المبيضة (O) مقاومة خضوع منخفضة واستطالة عالية بينما توفر درجات H زيادات متوسطة في مقاومة الخضوع والشد مع انخفاض في الليونة. عادةً ما يُظهر السبيكة سلوكًا خطيًا مرنًا حتى نقطة الخضوع تليها تصلب بسيط بالتشويه؛ تختلف مقاومة الشد ومقاومة الخضوع حسب درجة المعالجة والسماكة. يجب على المصممين مراعاة قوة تعتمد على السماكة حيث أنه غالبًا ما تتم معالجة الصفائح الرقيقة بمستويات تشويه أعلى مما يؤدي إلى اختلاف القيم الميكانيكية الأساسية.

مقاومة الخضوع في 5005 المبيضة منخفضة نسبيًا مقارنة بسبائك 5xxx المصممة لأغراض إنشائية (مثل 5083 أو 5052)، لكن مقاومة الخضوع تزداد بشكل ثابت مع العمل البارد؛ لذلك يمكن تعديل القوة بحسب اختيار درجة المعالجة وجداول التشكيل البارد. الاستطالة في الحالة O ممتازة لعمليات السحب العميق وتظل مقبولة في درجات H المعتدلة المستخدمة في الألواح المشكّلة. الصلادة معتدلة وترتبط بدرجة المعالجة؛ تزداد الصلادة مع زيادة العمل البارد لكنها تظل أقل بكثير من سبائك 6xxx القابلة للمعالجة الحرارية.

أداء الإجهاد مقبول للأحمال الدورية غير الحرجة لكنه أقل من بعض سبائك 5xxx الأعلى قوة بسبب القوة الأساسية الأقل وقدرة التصلب بالتشويه الأقل في بعض الدرجات. تؤثر السماكة بشكل مهم: يمكن أن تظهر صفائح 5005 الرقيقة والمعالجة بعمليات تدوير باردة مكثفة قوة شد وخضوع أعلى بكثير من الألواح السميكة من نفس درجة المعالجة الاسمية. كما تؤثر حالة السطح (أنودة، طلاء) والإجهادات المتبقية من التشكيل أو اللحام على عمر التعب.

الخاصية	O / مبيضة	درجة مفتاحية (مثل H14/H24)	ملاحظات
قوة الشد	~90–160 MPa	~150–260 MPa	النطاقات الواسعة تعكس درجة المعالجة والسماكة؛ يجب التحقق من القيم التصميمية النموذجية بشهادات المطحنة
مقاومة الخضوع	~35–85 MPa	~120–220 MPa	تزداد مقاومة الخضوع مع درجة العمل البارد؛ درجات H شائعة للأجزاء المشكلة
الاستطالة	~20–35%	~6–20%	الحالة المبيضة تظهر أعلى استطالة؛ درجات H تضحي بالليونة لصالح القوة
الصلادة	~20–40 HB	~40–70 HB	الصلادة ترتبط بالدرجة؛ القيم المقاسة تعتمد على السماكة والمعالجة

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.66 g/cm³	معتادة لسبائك الألومنيوم ضمن عائلة 5xxx
نطاق الانصهار	~605–650 °C	يُوسع العنصر السبيكي من نطاق الانصهار مقارنةً بالألومنيوم النقي (660 °C)
التوصيل الحراري	~140–170 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنه لا يزال جيدًا لتطبيقات توزيع الحرارة
التوصيل الكهربائي	~35–45 % IACS	مخفض عن الألومنيوم النقي بسبب السبيكة؛ مقبول للاستخدامات الكهربائية على ناقلات أو حافلات التوصيل
السعة الحرارية النوعية	~900 J/kg·K	قيمة معتادة للألومنيوم، مفيدة في حسابات الكتلة الحرارية
التوسع الحراري	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	مماثل لسبائك Al–Mg الأخرى؛ هام لتصميم الوصلات مع مواد مختلفة

الكثافة والخواص الحرارية للسبيكة تجعلها جذابة حيث يُرغب في خفة الوزن وتبديد الحرارة، مثل الألواح المعمارية وبعض الأغلفة الإلكترونية. التوصيل الحراري والكهربائي أقل من الألومنيوم النقي وسلسلة 1xxx، لكنه كافٍ للكثير من تطبيقات إدارة الحرارة مع توفير تحسينات ميكانيكية وسطحية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التصلبات الشائعة	ملاحظات
لوح	0.3–6 مم	تتغير القوة حسب التصلب واللف البارد	O، H14، H24	يستخدم على نطاق واسع في الألواح المعمارية والزينة
صفائح	>6 مم حتى ~25 مم	مستويات العمل البارد المنخفضة في الصفائح السميكة تقلل القوة الممكنة	O، H32	أقل شيوعاً؛ يستخدم حيث تكون المقاطع السميكة مطلوبة ولكن بدون أحمال إنشائية ثقيلة
بثق	مقاطع حتى عدة أمتار	تعتمد المقاطع المبثوقة على التبريد والعمل اللاحق بعد البثق	O، H22	استخدام محدود للمقاطع مقارنة بسلسلة 6xxx؛ تشطيب سطحي جيد للتأكسد الأنوديك
أنابيب	جدار 0.5–6 مم	تشكيل ولحام يحددان القوة النهائية	O، H14	شائعة للأُطُر والأنابيب الزخرفية مع الثني والتشكيل
قضيب/عصا	أقطار حتى ~50 مم	مخزون مخدد؛ تعتمد القوة على السحب/العمل البارد	O، H14	تستخدم للمكونات المخردة والتثبيتات حيث المقاومة للتآكل والتشطيب ضروريان

تؤثر طريقة التشكيل وشكل المنتج بقوة على مجموعات الخواص الممكن تحقيقها: يسمح اللف البارد للوح بتحقيق تصلبات H أعلى مع قوة محسنة، بينما عادةً ما تظل الصفائح والبثق أقرب إلى حالات الأنيل. تُطبق الطلاءات والمعالجات السطحية (التأكسد الأنوديك، طلاءات PVDF) بشكل شائع على الألواح والبثق، مما يتطلب اختياراً دقيقاً لنوع التصلب وممارسات تشطيب السطح لتجنب العيوب التجميلية.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5005	الولايات المتحدة	تسمية جمعية الألمنيوم المستخدمة عادة في المواصفات الأمريكية الشمالية
EN AW	5005A / EN AW‑5005	أوروبا	التسمية الأوروبية متقاربة؛ تشير اللاحقات المحددة إلى شكل المنتج وحدود الشوائب
JIS	A5052 (ملاحظة)	اليابان	لا يوجد تطابق مباشر؛ JIS A5052 سبيكة مغنيسيوم أقوى لذلك يجب فحص الكيمياء والتصلب قبل الاستبدال
GB/T	5005	الصين	المواصفات الصينية غالباً ما تدرج 5005 مع كيمياء Al–Mg مطابقة

يمكن أن يكون التطابق الدقيق دقيقاً بسبب اختلاف حدود الشوائب المسموح بها، وطرق اختبار الخواص الميكانيكية، وتسميات التصلب عبر المعايير. يُنصح دائماً بمقارنة شهادات المعمل فيما يخص التركيب والبيانات الميكانيكية الخاصة بالتصلب بدلاً من الاعتماد فقط على التسمية. في التطبيقات الإنشائية الحرجة، تجنب الاستبدال العرضي بالرجوع إلى ورقة مواصفات المعيار الأصل.

مقاومة التآكل

تُظهر 5005 مقاومة جيدة للتآكل الجوي بسبب طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية والتأثير المفيد لمحتوى المغنيسيوم المعتدل على مقاومة الحفر. تؤدي أداءً أفضل من العديد من سبائك السلسلتين 3xxx و1xxx في البيئات المعمارية الخارجية، خاصة عند التأكسد الأنوديك أو الطلاء، كما تقاوم الأجواء الصناعية جيداً حيث لا تكون كلوريدات البيئة قاسية.

في البيئات البحرية، تعتبر 5005 ملائمة للمكونات الداخلية والخارجية ذات التعرض الخفيف، لكنها أقل أداءً من السبائك الإنشائية عالية المغنيسيوم مثل 5083 و5086 للتطبيقات الرئيسية مثل هياكل السفن. للخدمة مع الرش المائي أو الغمر المستمر، يفضل المصممون عادة السبائك البحرية عالية القوة أو يطبقون طلاءات واقية على 5005 للحد من الهجوم المحلي.

يزداد خطر تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد في سبائك Al–Mg مع زيادة محتوى Mg والإجهادات المطبقة؛ تعطي 5005 مستوى معتدل من هذا الخطر مقارنة بالسبائك ذات Mg الأعلى، لكن يجب النظر في تخفيف الإجهاد وتفاصيل الوصلات في البيئات التي تحتوي على كلوريدات. تتطلب التفاعلات الجلفانية عناية: تحافظ 5005 المؤكسدة أو المطلية على سلوك جيد، لكن التوصيل مع الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس دون عزل كهربائي قد يسرع التآكل المحلي للألمنيوم.

مقارنة بسلسلة 1100، تقدم 5005 قوة ومقاومة عامة أفضل للتآكل مع بعض التضحية بالتوصيل الكهربائي وقابلية التشكيل. مقارنة بالسبائك البحرية المتخصصة 5xxx، تقدم 5005 قوة قمة أقل ولكن مقاومة مماثلة في الاستخدامات البحرية غير الحرجة.

خواص التصنيع

القابلية للّحام

تُلحّم 5005 بسهولة باستخدام عمليات الانصهار الشائعة مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW) مع اختيار مناسب للمواد الحشوية. تُستخدم حشوات من عائلة 5356 (Al‑5%Mg) عادة لمطابقة مقاومة التآكل والحفاظ على ليونة الوصلة؛ يمكن استخدام 4043 (Al‑5%Si) لتحسين السيولة لكنه قد يؤثر سلباً على مظهر التأكسد الأنوديك. نظراً لأن 5005 غير قابلة للمعالجة الحرارية، فإن تليين منطقة تأثير الحرارة (HAZ) أقل خطورة من ترسيب الطور، لكن قد يحدث تقليل محلي لقوة العمل البارد في التصلبات H مما يؤدي إلى وصلات أضعف إذا لم يؤخذ ذلك بالاعتبار في التصميم.

قابلية التشغيل

تعد قابلية التشغيل على الماكينات للـ 5005 متوسطة إلى جيدة مقارنةً بسبائك الألمنيوم المشغولة؛ عادةً ما تكون أسهل من عائلات 1xxx و3xxx لبعض العمليات لكنها أقل من كثير من الأنواع الخالية من الرصاص سهلة القطع. يُنصح باستخدام أدوات كربيد بسرعات قطع معتدلة مع تثبيت قوي، ويجب توقع رقائق مستمرة طويلة بدون انكسار الرقائق إلا عند تعديل الهندسة أو سرعة التغذية. يستخدم المبرد/الزيت بطريقة محدودة لأن الألمنيوم يميل إلى الالتصاق على وجوه الأدوات.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في الحالة الأنيلية (O) وتظل صالحة في العديد من التصلبات H لأعمال التشكيل والثني المعتدلة. يعتمد نصف قطر الانحناء الأدنى النموذجي للوح على التصلب والسماكة وغالباً ما يكون في نطاق 1–2× سماكة المادة للانحناءات الخفيفة في تصلب O، مع التوصية باستخدام أنصاف أقطار أكبر في التصلبات H لتجنب التشققات. توفر عمليات السحب العميق أداءً جيداً في حالة O أو التصلبات H الخفيفة؛ يجب تعويض ارتداد الربيع في التصلبات H بأدوات خاصة.

سلوك المعالجة الحرارية

5005 سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ لا يمكن تقويتها عن طريق معالجة حرارية للحل أو التقدم الاصطناعي كما في سبائك 6xxx أو 7xxx. يتم تعديل القوة عن طريق العمل البارد (تقسية الإجهاد) ودورات التثبيت المحتملة لتقليل انحراف الخواص، لذا تصنف التسميات التصلبية (H1x، H2x، H3x) حالات التقسية والتثبيت المحددة.

يتم تحقيق الأنيل الكامل (O) بتسخين إلى درجة حرارة مناسبة لإعادة التبلور وإزالة تقسية الإجهاد — تتراوح درجات الأنيل النموذجية بين 300–415 °C حسب شكل المنتج ومعدل التبريد — يتبعها تبريد محكم لتجنب التشوه. تُنتج التصلبات H بالعمل البارد إلى درجات محددة، وعند الحاجة بمعالجات حرارة منخفضة لتثبيت الخواص؛ يمكن عكس هذه العمليات بالتعتيق.

نظراً لأن 5005 غير قابلة للتقسية بالتقدم (Age hardenable)، يجب على المصممين التخطيط لتسلسل التشكيل والتشطيب لتجنب التليين غير المقصود أو فقدان القوة جراء التسخين الموضعي (مثلاً أثناء اللحام) ويجب تحديد التصلب أو عمليات التثبيت بعد التصنيع عند الحاجة لأداء ميكانيكي مستقر.

الأداء في درجات الحرارة المرتفعة

تتراجع القوة في 5005 تدريجياً مع ارتفاع درجة الحرارة؛ تبدأ درجات الخدمة فوق 100–150 °C في تقليل مقاومة الخضوع والشد بشكل ملحوظ بسبب ضعف تقوية المحلول الصلب عند الحرارة العالية. لتحمل التعرضات القصيرة حتى ~200 °C تحتفظ السبيكة ببعض الأداء الميكانيكي، لكن التعرض الطويل عند هذه الدرجات قد يؤدي إلى استعادة المصفوفة وفقدان فوائد تقسية الإجهاد.

يقتصر الأكسدة على تكون طبقة أكسيد ألمنيوم واقية عند درجات الحرارة المرتفعة، لذا لا يُعتبر الأكسدة الكارثية مشكلة رئيسية في نطاقات الخدمة المعتادة، لكن نمو الطبقة المسفة قد يؤثر على تشطيب السطح للتأكسد الأنوديك. يجب فحص المناطق الملحومة ومنطقة تأثير الحرارة بالقرب من اللحامات للتحقق من انخفاض القوة واحتمالية التشوه عند درجات الخدمة المرتفعة؛ وينبغي للمصممين تجنب درجات الحرارة العالية المستمرة للمكونات التي تعتمد على قوة العمل البارد.

التطبيقات

الصناعة	مثال للمكون	سبب استخدام 5005
العمارة	التكسية والواجهات	تشطيب سطحي جيد، قابلية التأكسد الأنوديك، ومقاومة التآكل
البحرية / الترفيه	الزخارف والألواح غير الإنشائية	مقاومة التآكل وخفة الوزن للمكونات فوق الماء
السيارات / النقل	الزينة الخارجية وألواح المقطورات	قابلية التشكيل للأشكال المعقدة وتوافق مع الطلاء والتأكسد الأنوديك
الإلكترونيات	الأغطية والصناديق	التوصيل الحراري، تشطيب السطح وتوفير الوزن
الأجهزة المنزلية	الألواح الزخرفية والحواف	التأكسد الأنوديك، التماسك الطلاءي والجودة الجمالية

تُختار 5005 بشكل واسع حيث يكون مطلوباً مزيج من القابلية للتشكيل، التشطيب السطحي والقوة المعتدلة بدلاً من القدرة الإنشائية القصوى. يستمتع بميزة تجاوبه مع التأكسد الأنوديك والقدرة على إنتاج تشطيبات معمارية جذابة، مما يجعله مادة مفضلة لأنظمة التكسية البصرية والواقية.

نصائح الاختيار

تعد 5005 خياراً عملياً عندما تحتاج إلى ألومنيوم قابل للتأكسد الأنوديك، مقاوم للتآكل، وسهل التشكيل وله قوة معتدلة دون تكاليف أو متطلبات معالجة السبائك القابلة للتعتيق الحراري. اختر تصلب O للسحب العميق والتشكيل المعقد، وحدد التصلبات H المناسبة عند الحاجة إلى صلابة أو مقاومة خضوع أعلى أثناء الخدمة.

بالمقارنة مع 1100 (الألومنيوم التجاري النقي)، يتنازل سبائك 5005 قليلاً عن التوصيلية الكهربائية وقابلية التشكيل مقابل قوة أعلى بشكل ملحوظ ومقاومة أفضل للتآكل العام. وبالمقارنة مع 3003 أو 5052 (السبائك المعالجة بالتشغيل الشائع استخدامها)، عادةً ما يقع 5005 بينهما من حيث القوة ويقدم تشطيبًا متفوقًا ومظهر تأكسد أنوديك (anodizing) أفضل مقارنة بالعديد من السبائك القابلة للتصلب بالتشغيل الأخرى. وبالمقارنة مع السبائك التي يمكن معالجتها حراريًا مثل 6061 أو 6063، فإن 5005 يمتلك قوة قصوى أقل لكنه يوفر مقاومة تآكل جوهرية أفضل وجودة أعلى للتأكسد بالأنود، لذا يُفضل استخدامه في التطبيقات التي تهمها جودة التشطيب والأداء الجوي أكثر من أقصى قوة هيكلية.

الملخص الختامي

يبقى سبيكة 5005 من سبائك الألومنيوم-المغنيسيوم متعددة الاستخدامات غير القابلة للمعالجة الحرارية، والمقدرة لمزيجها من القابلية للتشكيل، والتشطيب بالتأكسد والطلاء، بالإضافة إلى مقاومتها الجيدة للتآكل العام. يمكن تعديل قوتها عبر التخمير والعمل البارد، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الهندسية المعمارية والزخرفية، والعديد من تطبيقات النقل والاستهلاك حيث تكون المظهر وسلوك المقاومة للتآكل لهما الأولوية على أقصى قدرة هيكلية.