ألومنيوم A3003: التركيب، الخصائص، دليل التصلب والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
A3003 هو سبيكة ألومنيوم-منغنيز من سلسلة 3xxx، حيث يعتبر المنغنيز هو العنصر الرئيسي المضاف الذي يوفر تقوية من خلال محلول صلب وتحسناً في استجابة تصلب الشغل. يُصنف كسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ حيث يتم اكتساب القوة بشكل رئيسي عبر التشغيل البارد بدلاً من المعالجة الحرارية للتعتيق.
تشمل الخصائص الرئيسية لـ A3003 قوة متوسطة، قابلية تشكيل جيدة جداً، مقاومة مقبولة للتآكل في العديد من الأجواء، وقابلية جيدة للّحام باستخدام عمليات الألومنيوم القياسية. تستخدم هذه السبيكة عادة في صناعات البناء والإنشاء (المزاريب، الأسقف، التغليف)، ومعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والتبادل الحراري، وأدوات المطبخ والطبخ، وتصنيع المعادن بشكل عام حيث يتطلب الأمر تكلفة منخفضة ومرونة عالية.
غالباً ما يختار المهندسون A3003 عندما تكون هناك حاجة إلى توازن بين القابلية للتشكيل ومقاومة التآكل بتكلفة أقل للمواد مقارنة بالعديد من سبائك الألومنيوم المسبوكة أو القابلة للمعالجة الحرارية. يجمع هذا المعدن بين الليونة، وسلوك ميكانيكي مستقر بعد التشغيل البارد، وتوفر واسع في الألواح واللفات، مما يجعله مفضلاً على سبائك 1xxx الناعمة جداً عندما تكون القوة الإضافية مطلوبة دون التضحية بأداء التشكيل.
أنواع التخشين (Temper)
| نوع التخشين | مستوى القوة | الاستطالة | سهولة التشكيل | سهولة اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالٍ (30–45%) | ممتاز | ممتاز | حالة معتمة بالكامل؛ الأفضل للسحب العميق |
| H12 | منخفض-متوسط | متوسط-عالٍ (20–30%) | جيد جداً | ممتاز | تصلب قليل مع احتفاظ بجودة التشكيل |
| H14 | متوسط | متوسط (12–20%) | جيد | ممتاز | نوع تجاري نموذجي لقوة معتدلة |
| H16 | متوسط-عالٍ | أدنى (8–15%) | مقبول-جيد | ممتاز | زيادة القوة بواسطة التشغيل البارد |
| H18 | عالٍ | منخفض (3–8%) | مقبول-ضعيف | ممتاز | صلب بالكامل؛ يستخدم حيث الأولوية للتصلب والقوة |
| H22 | منخفض-متوسط (مثبت) | متوسط-عالٍ (20–30%) | جيد جداً | ممتاز | تصلب بالشد ومعتمة جزئياً (مثبت) |
تتحقق درجات التخشين في عائلة 3xxx عبر كميات متحكم بها من التشغيل البارد ودورات تعتيق تثبيتية متفرقة بدلاً من المعالجة بالحل والشيخوخة. مع زيادة رقم H، ترتفع مقاومة الشد ومقاومة الخضوع بسبب زيادة كثافة الانزلاقات بينما تنخفض الليونة وقابلية التشكيل بسبب تصلب الشغل.
للتصنيع، يختار المصممون درجات O أو درجات H المنخفضة للسحب العميق والعمليات التي تتطلب بلاستيك كبير، ودرجات H14–H18 للأجزاء التي تحتاج إلى صلابة أعلى واستقرار أبعاد بعد التشكيل.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.0–0.6 | مزيل للأكسدة؛ تُحفظ النسب منخفضة للحفاظ على الليونة |
| Fe | 0.0–0.7 | شائبة؛ تؤثر على القوة وتشطيب السطح |
| Mn | 0.8–1.5 | العنصر الرئيسي المضاف؛ يوفر تقوية من المحلول الصلب |
| Mg | 0.0–0.2 | قليل؛ يمكن أن يزيد القوة قليلاً |
| Cu | 0.0–0.2 | عادة منخفض; الإفراط في النحاس يقلل مقاومة التآكل |
| Zn | 0.0–0.1 | أثر ضئيل؛ منخفض لتجنب الحساسية الكهروكيميائية |
| Cr | 0.0–0.1 | أثر ضئيل؛ يتحكم في بنية الحبوب في بعض الذوبات |
| Ti | 0.0–0.15 | منعم للحبوب في الإنتاج المصبوب/القوالب |
| أخرى (لكل عنصر) | 0.0–0.05 | الأخرى مجتمعة بحد أقصى ~0.15%; الباقي ألومنيوم |
مستوى المنغنيز هو السمة المميزة لـ A3003، حيث يخلق محلولاً صلبًا أقوى من الألومنيوم التجاري النقي ويسمح بتقوية كبيرة عبر التشغيل البارد. تؤثر العناصر النزرة والشوائب على تشطيب السطح، وسلوك إعادة التبلور، وميول التآكل؛ يسيطر المصنعون عليها لتلبية حدود المواصفات للألواح واللفات.
الخصائص الميكانيكية
يعرض A3003 سلوك شد ليّن مع منطقة واضحة لتصلب التشوه في منحنيات الشد للدرجات المعالجة بالتشغيل البارد. في الحالة المعتمة، يبلُغ فولاذ الخضوع عند إجهاد منخفض جداً مع استطالة متجانسة طويلة، بينما تُظهر المنتجات من درجات H مقاومة خضوع ومتانة شد أعلى مع تقلص استطالة متجانسة.
تتزايد الصلادة مع التخشين وترتبط بالخصائص الشدّية؛ تزداد صلادة برينل أو فيكرز بشكل ملموس من O حتى H18 بسبب زيادة كثافة الانزلاقات. أداء الإجهاد متوسط ويتأثر بشدة بتشطيب السطح، ومعدل التشغيل البارد، ووجود الأخاديد؛ حيث تظهر درجات التشغيل البارد قوة إجهاد محسنة على حساب الليونة.
تؤثر السماكة على القوة وقابلية التشكيل: السماكات الأرق تسمح عموماً بأقطار انحناء أدق وقابلية تشكيل ظاهرة أعلى، بينما القطاعات السميكة قد تظهر إجهادات انحناء أعلى مسموح بها مع نقصان استطالة متجانسة وسلوك ارتداد نابضي أكبر.
| الخاصية | O/مقلمة | درجة رئيسية (H14) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد (MPa) | 95–125 | 140–180 | القيم تختلف باختلاف السماكة والدرجة؛ H14 هدف تجاري نموذجي |
| مقاومة الخضوع (MPa) | 30–70 | 90–120 | تزايد كبير في مقاومة الخضوع مع التشغيل البارد |
| الاستطالة (%) | 30–45 | 10–20 | الاستطالة تنخفض مع تصلب الدرجة |
| الصلادة (HB) | 30–45 | 50–70 | الصلادة ترتبط بمقاومة الشد ومستوى التشغيل البارد |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.70–2.73 جم/سم³ | كثافة قياسية للألومنيوم؛ تتغير بشكل طفيف مع العناصر المضافة |
| نطاق الانصهار | ~640–655 °C | من الصلبوس إلى اللّيقوس؛ سلوك انصهار مشابه لسبائك Al-Mn النموذجية |
| التوصيل الحراري | ~120–150 W/m·K | توصيل حراري عالي مناسب لتطبيقات تبادل الحرارة |
| التوصيل الكهربائي | ~30–40 %IACS | أقل من الألومنيوم النقي بسبب Mn والعناصر المذابة الأخرى |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.90 J/g·K (900 J/kg·K) | طبيعية لسبائك الألومنيوم عند درجات حرارة الغرفة |
| معامل التمدد الحراري | ~23–24 ×10⁻⁶ /K (20–100°C) | مماثل لسبائك الألومنيوم المشغولة الأخرى |
يحتفظ A3003 بمعظم الخصائص الفيزيائية المرغوبة في معدن الألومنيوم الأساسي مثل الكثافة المنخفضة والتوصيل الحراري العالي، مع تنازل بسيط في التوصيل الكهربائي بسبب إضافات المنغنيز. يجب أخذ التمدد الحراري والسعة الحرارية في الاعتبار عند تصميم المكونات الملتحمة وتطبيقات الدورات الحرارية.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | الدرجات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.2–6.0 مم | نطاق واسع حسب التخشين | O, H12, H14, H16 | تُستخدم للأسقف، المزاريب، أدوات الطهي، مجاري الهواء |
| صفائح سميكة (Plate) | >6 مم (استخدامات محدودة) | اتجاهات قوة مماثلة؛ السماكات الأسمك تقلل التشكيل | H14–H18 | أقل انتشاراً؛ تستخدم عند الحاجة إلى ألواح أكثر صلابة |
| بروفايلات بثق (Extrusion) | بروفيلات تصل إلى مقاطع عرضية كبيرة | تزداد القوة بعد التشغيل أو تصلب الشغل | H14/H16 (بعد التشكيل) | يمكن بثق 3003 لكن سبائك 6xxx أكثر شيوعاً للبُنى الإنشائية |
| أنابيب | قطر 10–200+ مم | الأنابيب المسحوبة بارداً تظهر قوة أعلى | H14, H18 | تستخدم لتكييف الهواء والتعامل مع السوائل منخفضة الضغط |
| قضبان / أعمدة | أقطار صغيرة | تعتمد القوة على السحب | H18 للقضبان عالية القوة | تُستخدم في البراغي، المسامير، والتشكيلات الصغيرة |
الألواح واللفات هي الأشكال التجارية الأساسية لـ A3003 نظراً لتركيز تطبيقه على الألواح المصنعة والأجزاء المشكّلة. يمكن بثق 3003 لكن العديد من البثق الهيكلي يستخدم 6063/6061 لخصائص ميكانيكية محسّنة؛ ومع ذلك يتم اختيار بثق 3003 حيث تكون الأولوية لقابلية التشكيل ومقاومة التآكل. تتحكم عمليات المعالجة—كاللف البارد، التخشين، تشطيب السطح، ودورات التعتيق—بالمقياس النهائي، التركيب السطحي، والتوازن الميكانيكي المصمم للاستخدام النهائي.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | A3003 | الولايات المتحدة | التسمية الأساسية المستخدمة في معايير UNS/AA |
| EN AW | EN AW-3003 | أوروبا | مكافئ تحت EN 573؛ حدود كيميائية مماثلة |
| JIS | A3003 | اليابان | تستخدم JIS ترقيمًا مشابهًا؛ قد تختلف حدود المواصفات الكيميائية والميكانيكية قليلاً |
| GB/T | 3A21 (مُطابق شائع) | الصين | تطابق GB/T 3880 والمعايير الأخرى درجة 3003 مع تسميات صينية مثل 3A21 |
تتطابق المكافئات المعيارية عادة مع محتوى Mn الرئيسي وتستخدم تسمية المعالجة الحرارية المشابهة (O, Hx). تظهر اختلافات دقيقة في حدود الشوائب القصوى، وتعريف شروط اختبار الخواص الميكانيكية للمعالجة الحرارية، وقبول سطح التشغيل / المعالجة السطحية، وهي عوامل قد تؤثر على الاختيار للتطبيقات ذات التنظيم العالي أو المشتريات عبر الحدود.
مقاومة التآكل
يوفر A3003 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام بسبب طبقة الأكسيد الواقية التي تتشكل بسرعة على أسطح الألومنيوم. يعمل بشكل جيد في الأجواء الحضرية والريفية ويقاوم البقع والأكسدة، مما يجعله خيارًا متكررًا للمزاريب، الأسقف، والألواح المعمارية الخارجية.
في البيئات البحرية، يعتبر A3003 مقبولًا للعديد من التطبيقات البحرية القريبة من الشاطئ والمفتوحة، لكنه أقل مقاومة للتآكل التوكلي والتآكل داخل الشقوق مقارنة بسبائك سلسلة 5xxx الأعلى محتوى الماغنيسيوم. تتطلب التعرضات المطولة لبيئات غنية بالكلوريد طبقات حماية أو عزلاً عن المعادن المختلفة أو اختيار سبيكة محسنة للاستخدام البحري.
يظهر السبيكة قابلية منخفضة لتشقق التآكل الإجهادي الكلاسيكي لأنها غير قابلة للمعالجة الحرارية ولها تركيزات محدودة من العناصر المذابة التي تعزز التشقق. يمكن أن يؤدي التلامس الجلفاني مع معادن أكثر نقاءً (النحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ) إلى تسريع الهجوم المحلي؛ لذا يجب على المصممين عزل الوصلات كهربائيًا وتحديد طبقات واقية أو أنودات فدية حيث يكون الاتصال بين المعادن المختلفة لا مفر منه. مقارنة بسلسلة 1xxx، يتنازل A3003 قليلًا عن الموصلية لصالح تحسين القوة الميكانيكية، ومقارنة بسلسلة 5xxx، يتنازل عادة عن بعض مقاومة التآكل البحري لصالح قابلية تشكل أفضل وتكلفة أقل.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يلحم A3003 بسهولة باستخدام العمليات الشائعة مثل MIG (GMAW) وTIG (GTAW) مع سبائك الحشو من سلسلة 4xxx الألومنيوم-السيليكون، حيث يتم تحسين السيولة والقوة. تعتبر طرق الربط بالصلب الصلب واللحام النقطي فعالة أيضًا على السماكات الرقيقة؛ لا عادةً ما يلزم التسخين المسبق للأجزاء الصغيرة، ولكن يمكن استخدامه لتقليل التشوه. تليين منطقة حرارة اللحام محدود لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، ولكن التجانس الموضعي يستعيد الليونة ويقلل القوة في مناطق الشغل البارد، ويجب أخذ ذلك في الاعتبار أثناء التصميم.
قابلية التشغيل
التشغيل على آلة لدرجة 3003 متوسط الصعوبة؛ قد تؤدي ليونتها إلى رقائق طويلة ومطاطية ما لم تُحسن هندسة الأدوات وسرعات التغذية. تقلل أدوات الكربيد ذات الزاوية الإيجابية وإستراتيجيات القطع المتقطعة من تكوّن الحافة المتراكمة وتحسن جودة السطح. السرعات والتغذيات الموصى بها متحفظة مقارنة بالصلب؛ ويعد استخدام المبرد وإزالة الرقائق أمرًا مهمًا للسيطرة على درجة حرارة قطعة العمل والحفاظ على الدقة البُعدية.
قابلية التشكيل
يعد A3003 من أكثر درجات السبائك قابلية للتشكيل في الاستخدام التجاري؛ يدعم السحب العميق والدوران والثني والتشكيل بالشد في الحالة المعالجة حراريًا أو المجهدة قليلًا. تعتمد نصف أقطار الثني الدنيا على المعالجة والسمك، لكن الممارسات التصميمية النموذجية تحدد 1-2× السمك لـ H14 و0.5-1× السمك لمعالجة O حسب الأدوات. للأجزاء التي تتطلب تشكيلاً شديدًا، يبدأ بمعالجة O ثم السحب أو التشكيل، يتبع ذلك عمل تقوية بالشد أو آنيلية تثبيتية إذا كانت هناك حاجة لقوة تشغيلية أعلى.
سلوك المعالجة الحرارية
لا تقبل سبيكة A3003 المعالجة الحرارية من حيث المعالجة بالتقسية التسنينية؛ فالمعالجة بالحرارة المحلولة والشيخوخة الاصطناعية لا تؤدي إلى تقوية ملحوظة. تعتمد الممارسة الصناعية النموذجية على الشغل البارد (عمل الشد) لرفع القوة والصلادة، مع تحقيق المعالجة الحرارية عبر تحكم كميات التشوه الميكانيكي.
تُستخدم عملية التليين (الكامل أو الجزئي) لاستعادة الليونة وإعادة تبلور البنية الدقيقة بعد الشغل البارد الثقيل؛ تتراوح درجات حرارة التليين بين 300–415 °C حسب التأثيرات المطلوبة في إعادة التبلور والنمو الحبيبي. تُستخدم المعالجات التثبيتية مثل التليين الجزئي (H22) عندما يُراد بعض الاسترداد دون العودة الكاملة لحالة التليين O اللينة.
الأداء في درجات الحرارة العالية
عند درجات الحرارة العالية، يطرأ فقدان تدريجي في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد على A3003؛ تؤدي درجات حرارة الخدمة التي تتجاوز حوالي 150 °C إلى تقليل ملحوظ في القوة، مع تليين كبير فوق ~200 °C. تظل مقاومة الأكسدة مقبولة نظرًا لطبقة Al2O3 السطحية المستقرة، لكن مقاومة الزحف ضعيفة مقارنة بالسبائك المقاومة للمعالجة الحرارية أو العالية القوة، لذلك لا يُنصح باستخدامها لتحميلات هيكلية طويلة الأمد عند درجات حرارة مرتفعة.
الوصلات الملحومة في A3003 لا تتعرض للهشة طويلة الأمد عند درجات الحرارة العالية، ولكن التسخين العابر أثناء اللحام قد يؤدي إلى آنيلية موضعية لمناطق العمل البارد وتغيير الخواص الميكانيكية، مما يجب أخذه بعين الاعتبار عبر هوامش التصميم أو المعالجة الميكانيكية بعد اللحام عند الحاجة.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | سبب استخدام A3003 |
|---|---|---|
| البناء والتشييد | مزاريب، الأسقف، التغليف الخارجي | قابلية تشكيل ممتازة، مقاومة تآكل، تكلفة فعالة |
| أنظمة التكييف / تبادل الحرارة | قنوات التهوية، الزعانف | موصلية حرارية عالية وسهولة تشكيل الزعانف الرقيقة |
| السلع الاستهلاكية / أواني المطبخ | أواني الطهي، صواني الخبز | أداء حراري جيد، قابلية التشكيل وسطح صحي |
| النقل | خزانات الوقود (غير حرجة)، الألواح الداخلية | قوة وقابلية تشكيل متوسطة بتكلفة منخفضة |
| المعدات الصناعية | خزانات التخزين، المداخن | مقاومة التآكل وسهولة التصنيع للألواح الكبيرة |
يجمع A3003 بين القابلية للتشكيل، وقابلية اللحام، ومقاومة التآكل مما يجعله حجر الأساس لمكونات الألواح المعدنية حيث لا تكون الأحمال الهيكلية الشديدة عاملًا حاسمًا في التصميم. تكلفته المنخفضة وتوافره الواسع على شكل صفائح ولفائف يعزز اختياره عبر العديد من الصناعات.
رؤى حول الاختيار
اختر A3003 عندما تحتاج إلى سبيكة اقتصادية ذات قابلية تشكيل متفوقة ومقاومة جيدة للتآكل الجوي، مع قبول قوة متوسطة مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية. هو الخيار المثالي للسحب العميق والأجزاء المصنوعة من الصفائح المعدنية حيث يكون اللحام والمظهر السطحي مهمين.
مقارنة بالألومنيوم التجاري النقي (1100)، يوفر A3003 قوة أعلى مع تكلفة معتدلة في الموصلية الكهربائية وقابلية تشكيل مماثلة، مما يجعله مفضلًا لتطبيقات الصفائح الهيكلية. مقابل السبائك المجهدة الأخرى مثل 5052، يملك A3003 عادةً قابلية تشكيل مماثلة ولكن قوة أقل قليلاً ومقاومة تآكل بحرية مخفضة قليلًا؛ اختر 5052 لأداء بحري محسّن بالماغنيسيوم. مقارنةً بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية كـ 6061 أو 6063، اختر A3003 عندما يكون التشكيل والتكلفة أولوية على القوة القصوى؛ 6061 يعطي قوة هيكلية أعلى عند إمكانية تطبيق التشيخ، بينما 3003 يستمر أسهل تشكيلًا وأقل تكلفة.
الملخص الختامي
يظل A3003 ذو صلة في الهندسة الحديثة لأنه يوفر توازنًا فعالاً من حيث الكلفة بين الليونة، وقابلية اللحام، ومقاومة التآكل لتصنيع الصفائح المعدنية والأجزاء المشكلة. طريق تقويته غير المعالجة حراريًا عبر الشغل البارد يُبسط عمليات التصنيع للعديد من الموردين ويضمن أداء ميكانيكي مستقر ومتوقع عبر الحالات الحرارية الشائعة.