Nhôm 1N50: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

1N50 là hợp kim nhôm có độ bền trung bình thuộc nhóm 5xxx (hợp kim Al-Mg), được tối ưu cho các ứng dụng kết cấu yêu cầu khả năng chống ăn mòn và tính hàn tốt. Nguyên tố chính trong hợp kim là magiê, thường chiếm khoảng 4.5–5.5% khối lượng, với sự bổ sung kiểm soát mangan và lượng rất nhỏ crôm, silic để tinh chỉnh cấu trúc hạt và nâng cao độ bền. Hợp kim không thể xử lý nhiệt; sự gia cường chính đạt được thông qua sự gia cường dung dịch rắn từ magiê và quá trình làm cứng biến dạng khi gia công nguội. Các đặc tính nổi bật bao gồm tỷ số bền trên trọng lượng thuận lợi, khả năng chống ăn mòn khí quyển và môi trường biển xuất sắc, khả năng hàn tốt với yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn tối thiểu, và độ tạo hình hợp lý ở các trạng thái mềm hơn.

Các ngành công nghiệp thường sử dụng 1N50 bao gồm đóng tàu và hàng hải, sản xuất phương tiện vận tải và rơ moóc, ốp kiến trúc, và một số chi tiết kết cấu ô tô yêu cầu khả năng chống mỏi và hiệu suất chống ăn mòn cao. Các nhà thiết kế chọn 1N50 thay cho các hợp kim dẫn điện cao, độ bền thấp khi dự đoán có tải trọng tăng và cần sửa chữa hàn cục bộ. So với các hợp kim xử lý nhiệt có độ bền cao hơn, 1N50 thường được lựa chọn cho các chi tiết kết cấu lớn nơi yêu cầu chống ăn mòn trong điều kiện làm việc và khả năng tạo hình với bán kính lớn vượt trội hơn so với nhu cầu đạt độ bền cao tối đa theo trạng thái luyện già.

Các Loại Độ Cứng

Độ Cứng	Mức Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao (≥30%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái ủ hoàn toàn; tốt nhất cho dập sâu
H12	Thấp-Trung Bình	Trung Bình (20–25%)	Tốt	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng một phần; tạo hình vừa phải
H14	Trung Bình	Trung Bình (12–18%)	Tốt	Xuất sắc	Bán cứng; thường dùng cho các tấm chịu tải vừa phải
H18	Cao	Thấp (6–12%)	Khá	Xuất sắc	Cứng hoàn toàn; hạn chế uốn, dùng nơi yêu cầu độ cứng cao
H22	Trung Bình-Cao	Trung Bình (10–15%)	Trung Bình	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng và ủ một phần; tính chất cân bằng
H32	Trung Bình-Cao	Trung Bình (10–15%)	Trung Bình	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng sau đó ổn định; giữ bền sau hàn
H116	Trung Bình-Cao	Trung Bình (10–15%)	Trung Bình	Rất Tốt	Dùng cho môi trường tiếp xúc biển với kiểm soát tái kết tinh

Các độ cứng trong 1N50 điều chỉnh hành vi cơ học bằng cách kết hợp làm cứng biến dạng với các phương pháp ổn định để duy trì độ bền trong các công đoạn gia công tiếp theo như hàn. Độ cứng mềm O tối đa hóa độ dẻo và khả năng tạo hình nhưng có giới hạn chảy và bền kéo thấp nhất, trong khi các trạng thái H đánh đổi độ dẻo lấy độ bền cao hơn và ổn định kích thước tốt hơn.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	0.10 – 0.40	Kiểm soát silic thấp để hạn chế tạo thành Fe-silicide gây giảm dẻo
Fe	0.20 – 0.60	Tạp chất điển hình; nồng độ cao làm giảm độ dai và tăng nhạy nứt
Mn	0.20 – 0.80	Tinh chỉnh hạt và chống tái kết tinh; nâng cao độ bền
Mg	4.50 – 5.50	Nguyên tố gia cường chính cung cấp làm cứng dung dịch rắn và khả năng chống ăn mòn
Cu	0.05 – 0.30	Giữ thấp để bảo vệ khả năng chống ăn mòn; thêm ít có thể tăng độ bền
Zn	0.05 – 0.25	Nhỏ; giữ thấp vì lượng cao làm giảm chống ăn mòn
Cr	0.05 – 0.25	Kiểm soát cấu trúc hạt và giảm nhạy ăn mòn dạng vẩy và ăn mòn ứng suất
Ti	0.02 – 0.10	Chất tinh chỉnh hạt, dùng trong luyện đúc/ingot kiểm soát vi cấu trúc
Khác (mỗi loại)	≤0.05	Nguyên tố vết và tạp chất còn lại; tổng các thành phần khác giới hạn theo chỉ định

Hóa học của 1N50 được điều chỉnh tối đa hóa hiệu ứng làm cứng dung dịch rắn của magiê trong khi giữ các nguyên tố tạo intermetallic ở mức thấp. Mangan và crôm là các nguyên tố vi hợp kim ổn định vi cấu trúc chống phát triển hạt và tái kết tinh khi chịu nhiệt độ, giúp duy trì độ dai và khả năng chống ăn mòn hạt ranh giới.

Tính Chất Cơ Học

Ứng suất kéo của 1N50 tăng dần giới hạn chảy và giới hạn bền kéo theo làm cứng biến dạng; hợp kim có xu hướng giữ độ dãn dài ổn định hơn so với các hợp kim xử lý nhiệt nhóm 6xxx. Ở trạng thái ủ, hợp kim thể hiện độ dãn dài đồng đều và chỉ số làm cứng biến dạng cao, có lợi cho các công đoạn tạo hình dựa vào phân bố ứng suất dẻo. Độ cứng liên quan mật thiết với độ cứng; trạng thái H có độ cứng Brinell thường cao hơn 20–40% so với trạng thái O, cải thiện khả năng chịu lực chịu nén nhưng giảm khả năng uốn.

Khả năng chịu mỏi của 1N50 được hưởng lợi từ cơ chế gãy dẻo và khả năng chống ăn mòn tốt; giới hạn mỏi phụ thuộc vào độ hoàn thiện bề mặt, mối hàn và độ dày vật liệu. Các chi tiết mỏng thường có độ dẻo bề mặt cao hơn và tỷ lệ giới hạn chảy trên bền kéo cao hơn do hiệu ứng giới hạn, trong khi chi tiết dày có thể giảm độ dẻo và xuất hiện khuyết tật như rỗ hoặc phân tách do quy trình luyện ingot không tốt. Nhà thiết kế cần cân nhắc các hệ số an toàn phụ thuộc vào độ dày tạo hình và nguy cơ mềm vùng nhiệt ảnh hưởng gần mối hàn khi quy định độ bền cho chi tiết chịu tải chu kỳ.

Tính Chất	O/Ủ	Độ Cứng Chính (H32/H116)	Ghi Chú
Giới Hạn Bền Kéo	~170 MPa	~270–300 MPa	Giá trị H32/H116 tùy thuộc mức độ gia công nguội và ổn định
Giới Hạn Chảy	~60–90 MPa	~200–240 MPa	Giới hạn chảy tăng đáng kể khi làm cứng biến dạng
Độ Dãn Dài	~30–35%	~10–16%	Độ dãn giảm ở trạng thái cứng hơn; phụ thuộc độ dày
Độ Cứng (HB)	~35–45 HB	~75–95 HB	Độ cứng tăng với làm lạnh biến dạng; ảnh hưởng đến khả năng chống mài mòn và chịu lực nén

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.66 g/cm³	Tiêu chuẩn cho hợp kim Al-Mg; góp phần tạo tỷ số bền trên trọng lượng cao
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~555–650 °C	Khoảng nhiệt nóng chảy phụ thuộc thành phần Si/Fe và hiện tượng phân tách
Độ Dẫn Nhiệt	120–140 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết; vẫn đủ cho ứng dụng tản nhiệt
Độ Dẫn Điện	~35–45 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do có magiê hòa tan; thay đổi theo trạng thái và quy trình
Nhiệt Dung	~0.90 kJ/kg·K	Giá trị tiêu chuẩn của hợp kim nhôm, hữu ích cho tính toán dung lượng nhiệt
Hệ Số Giãn Nhiệt	23–25 µm/m·K (20–100 °C)	Giãn nở tương đối cao; thiết kế phải tính đến độ giãn khác biệt với vật liệu khác như thép hay composite

Các tính chất vật lý làm cho 1N50 hấp dẫn ở các ứng dụng cần trọng lượng thấp và khả năng dẫn nhiệt song song với tính năng kết cấu. Độ dẫn điện và dung tích nhiệt giúp hợp kim được sử dụng trong các vai trò quản lý nhiệt vừa phải, nhưng nhà thiết kế cần chú ý đến giãn nở nhiệt khi liên kết với thép hay vật liệu phức hợp để tránh tập trung ứng suất trong chu trình nhiệt độ.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Chuẩn	Hành Vi Về Độ Bền	Độ Cứng Thông Thường	Ghi Chú
Tấm	0.3 – 6.0 mm	Độ bền biến đổi theo trạng thái; vật liệu mỏng có khả năng tạo hình cải thiện	O, H14, H32, H116	Sử dụng rộng rãi cho các tấm vỏ, bao che, và lớp bề mặt
Đĩa (Plate)	6 – 120 mm	Độ dẻo giảm đối với tấm dày; độ bền thay đổi ít theo độ dày	O, H22, H32, H116	Đĩa kết cấu dùng khung tàu biển và khung vận tải
Thanh Ép (Extrusion)	Tiết diện phức tạp đến 300 mm	Có thể cung cấp ở trạng thái quá già hoặc làm cứng biến dạng	O, H12, H14, H32	Hoàn thiện bề mặt tốt; ứng dụng làm ray và biên dạng
Ống	Đường kính từ nhỏ đến trên 400 mm	Kéo nguội và già hóa điều chỉnh ổn định kích thước	O, H14, H18	Dùng trong khung thủy lực và đường ống chịu ăn mòn
Thanh Tròn/Thỏi	Hình tròn/lục giác đến 200 mm	Kéo nguội hoặc cán nóng; tính chất cơ học thay đổi theo gia công lạnh	O, H12, H18	Nguyên liệu gia công và chốt/than kết cấu

Sự khác biệt trong quy trình gia công quyết định lựa chọn dạng sản phẩm; sản xuất tấm thường trải qua cán với kiểm soát chặt độ dày và bề mặt gia công mịn, trong khi tấm dày có thể qua quá trình ủ đồng nhất để giảm phân tách trung tâm. Thanh ép cho phép tạo các tiết diện phức tạp nhưng cần thiết kế khuôn cẩn thận cho hợp kim chứa magiê để tránh gợn bề mặt và đảm bảo dung sai kích thước.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	1N50	USA	Đặc tính riêng hoặc tên thương mại; thành phần hóa học phù hợp với nhóm Al-Mg
EN AW	Tương đương ~5xxx	Châu Âu	Tương đương ước lượng trong dãy EN AW 5xxx; tương thích chính xác phụ thuộc vào hàm lượng Mg và Mn
JIS	dãy ~A5xxx	Nhật Bản	Tương đương với các mác Al-Mg JIS dùng trong kết cấu hàng hải và kết cấu
GB/T	dãy ~5xxx	Trung Quốc	Có các mác tương đương với phạm vi Mg và tính chất cơ học tương tự

Các mác tương đương nên được coi là gần đúng về chức năng; việc lựa chọn cuối cùng cần tham khảo chéo giới hạn hóa học và cơ học trong các tài liệu tiêu chuẩn áp dụng. Tiêu chuẩn khu vực có thể nhấn mạnh các giới hạn tạp chất, kiểm soát cấu trúc tinh thể hay phân loại temper khác nhau dẫn đến sự khác biệt thực tế trong hiệu suất, đặc biệt với các chi tiết quan trọng trong hàng hải và hàng không.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

1N50 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển tổng thể xuất sắc, nhờ vào sự hình thành lớp oxide ổn định và vai trò có lợi của magie trong việc tạo lớp màng thụ động. Trong môi trường biển, hợp kim hoạt động tốt, chống ăn mòn đều và có khả năng chống bám lỗ hợp lý khi được bảo vệ bằng lớp hoàn thiện bề mặt phù hợp và các biện pháp bảo vệ catốt. Tuy nhiên, trong môi trường ô nhiễm cao hoặc công nghiệp chứa chloride và sulfate, quá trình ăn mòn cục bộ có thể tăng tốc nếu không có lớp phủ bảo vệ hoặc xử lý anode hóa.

Khả năng nứt ăn mòn do ứng suất thấp đến trung bình so với các hợp kim Al-Zn-Mg có độ bền cao và qua xử lý nhiệt; sự kết hợp giữa độ bền vừa phải và hàm lượng Mg khiến 1N50 không miễn nhiễm, đặc biệt dưới ứng suất kéo còn dư và nhiệt độ cao. Cần lưu ý sự tương tác điện hóa khi ghép 1N50 với các kim loại catốt như thép không gỉ và hợp kim đồng; nhôm sẽ ăn mòn ưu tiên nếu không được cách điện hoặc bảo vệ. So với các hợp kim dãy 3xxx và 1xxx, 1N50 đánh đổi khả năng tạo hình hơi giảm để đạt độ bền cao hơn đáng kể và độ chống ăn mòn tương đương hoặc tốt hơn trong các ứng dụng tiếp xúc chloride.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

1N50 dễ dàng hàn bằng các phương pháp nhiệt phổ biến như MIG (GMAW), TIG (GTAW), và hàn điện trở với rủi ro nứt đặc rắn thấp khi tuân thủ quy trình tốt. Các loại que hàn khuyến nghị là các hợp kim nhôm-magie tương thích (ví dụ tương đương ER5356 hoặc ER5183) để duy trì khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học trong vùng mối hàn và khu vực ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Khu vực HAZ có thể mềm hóa nhẹ so với vật liệu gốc đã qua làm lạnh mạnh, tuy nhiên các temper ổn định như H32 và gia công cơ học sau hàn giúp giảm biến dạng và mất cứng cục bộ.

Khả năng gia công cơ khí

Gia công 1N50 có độ khó trung bình; tính dẻo cao có thể tạo ra mẩu cắt dài liên tục nếu hình dạng dao và thông số ăn dao không tối ưu. Dụng cụ cacbua với góc độ dương và thiết kế helix biến đổi cho kết quả tốt, với tốc độ cắt điển hình thấp hơn dãy 6xxx do hiện tượng cứng nhanh khi gia công, đồng thời tốc độ ăn dao cao để thuận tiện bẻ mẩu cắt. Bề mặt gia công và kiểm soát dung sai có thể đạt được với dụng cụ công nghiệp tiêu chuẩn, nhưng cần tính toán chống rung và kẹp giữ chính xác cho các tiết diện mỏng.

Khả năng tạo hình

Hiệu suất tạo hình tốt nhất ở trạng thái O và các temper H nhẹ, khi hợp kim hỗ trợ bán kính uốn nhỏ và độ dãn dài nhựa đáng kể mà không bị nứt. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc temper và độ dày; quy tắc kinh nghiệm cho tấm ở temper O là 1,0–1,5× độ dày khi uốn khí, tăng lên cho các temper cứng hơn. Phản ứng của vật liệu khi làm lạnh có thể dự đoán và đồng đều; các chi tiết cần độ bền cuối cao thường được tạo hình ở temper O và sau đó làm lạnh thành temper H để đạt được tính chất cơ học mục tiêu.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim không thể xử lý nhiệt, 1N50 không tăng cường độ bằng cách xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo; tăng độ bền chủ yếu đạt được bằng làm lạnh và làm cứng cơ học. Ủ (toàn phần hoặc bán phần) được sử dụng để phục hồi độ dẻo cho các công đoạn tạo hình: nhiệt độ ủ toàn phần điển hình nằm trong khoảng 350–420 °C với làm nguội kiểm soát để tránh tăng trưởng hạt quá mức. Các xử lý ổn định (ví dụ H32) thực hiện các bước nhiệt nhẹ hoặc giãn kéo để giảm lão hóa tự nhiên và mất cứng trong các chu kỳ nhiệt tiếp theo, đồng thời giúp duy trì đặc tính cơ học trong kết cấu hàn.

Nếu có dao động nhiệt trong quá trình gia công, chỉ các quá trình phục hồi và tái kết tinh dựa trên temper mới làm thay đổi đáng kể tính chất; người thiết kế phải tránh nhiệt độ vượt quá ngưỡng ủ của hợp kim trong quá trình sử dụng hoặc sau gia công, vì làm mềm không mong muốn sẽ giảm giới hạn chảy và khả năng chống mỏi. Các xử lý cơ học sau hàn như đập bề mặt (peening) hoặc tạo hình kéo căng có thể dùng để tái tạo ứng suất dư nén có lợi và phục hồi độ bền cục bộ.

Hiệu Năng Ở Nhiệt Độ Cao

Ở nhiệt độ cao (trên khoảng 100–150 °C), 1N50 giảm dần độ bền do quá trình phục hồi và các quá trình khuếch tán tăng tốc ảnh hưởng đến phân bố Mg trong pha rắn. Giới hạn sử dụng cho tải trọng duy trì thường được đặt thận trọng dưới 100 °C để tránh làm mềm lâu dài và mất khả năng chịu tải. Quá trình oxi hóa giới hạn ở sự hình thành oxide nhôm bình thường trong điều kiện môi trường, nhưng tiếp xúc lâu với môi trường oxi hóa ở nhiệt độ cao có thể làm dày lớp oxide bề mặt và ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc nhiệt.

Hành vi vùng ảnh hưởng nhiệt gần mối hàn là yếu tố quan trọng trong điều kiện sử dụng nhiệt độ cao vì sự mềm hóa cục bộ có thể giảm tuổi thọ mỏi và tăng nguy cơ creep dưới tải trọng kéo dài. Với dao động nhiệt ngắn hạn hoặc chu trình sơn sấy trong hoàn thiện, 1N50 chịu được nhiệt độ vừa phải; tuy nhiên, người thiết kế cần kiểm chứng ổn định kích thước và sự biến đổi ứng suất dư đối với các chi tiết dự kiến phải chịu chu kỳ nhiệt lớn.

Ứng Dụng

Ngành	Chi Tiết Ví Dụ	Lý Do Sử Dụng 1N50
Ô tô	Panel kết cấu, thân xe kéo	Cân bằng tốt giữa độ bền, khả năng tạo hình và chống ăn mòn cho các chi tiết ngoài trời
Hàng hải	Tấm vỏ tàu, kết cấu trên boong, phụ kiện trên boong	Khả năng chống chloride xuất sắc và dễ hàn cho ứng dụng trên tàu
Hàng không	Phụ kiện thứ cấp, thành phần cấu trúc nội thất	Độ bền riêng cao với hiệu suất chống mỏi tốt trong các cấu trúc chính không quan trọng
Điện tử	Vỏ thiết bị, bộ tản nhiệt cường độ vừa	Độ dẫn nhiệt đủ cho tản nhiệt thụ động; trọng lượng thấp giúp tăng tính di động

1N50 được chỉ định rộng rãi cho các ứng dụng kết cấu trung bình, nơi tiếp xúc với môi trường ăn mòn và yêu cầu hàn hoặc tạo hình tại chỗ là phổ biến. Sự kết hợp khả năng chống ăn mòn, dễ hàn và độ bền sử dụng làm cho nó trở thành lựa chọn kinh tế cho các tấm lớn và cụm lắp ráp mà không cần dùng hợp kim xử lý nhiệt có độ bền cao hơn.

Nhận Định Lựa Chọn

Khi chọn 1N50 cho chi tiết, ưu tiên những trường hợp yêu cầu kết hợp khả năng chống ăn mòn, dễ hàn và độ bền kết cấu trung bình đến cao mà không cần cứng hóa kết tủa. Chọn temper ủ O cho các thao tác tạo hình phức tạp và chuyển sang temper H sau khi tạo hình nếu cần độ bền giới hạn chảy cao hơn.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 1N50 cung cấp độ bền cao hơn đáng kể với giảm nhẹ độ dẫn điện và khả năng tạo hình sâu. So với các hợp kim làm cứng cơ học như 3003 hoặc 5052, 1N50 nằm ở mức độ bền cao hơn với khả năng chống ăn mòn biển tương đương hoặc tốt hơn nhờ hàm lượng Mg tối ưu và các thành phần vi hợp kim. So với hợp kim xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 1N50 không đạt được độ bền đỉnh của các vật liệu này nhưng được ưa chuộng khi yếu tố dễ hàn, hiệu suất chống ăn mòn khi sử dụng và chi phí gia công kết cấu lớn được ưu tiên hàng đầu.

Tóm Tắt Cuối Cùng

1N50 vẫn giữ vị trí là hợp kim Al-Mg kết cấu đa năng cân bằng tốt giữa độ bền, chống ăn mòn và khả năng gia công cho các ứng dụng hàng hải, vận tải và kỹ thuật kết cấu tổng quát. Cấu trúc luyện kim không qua xử lý nhiệt giúp đơn giản hóa quy trình sản xuất và sửa chữa trong khi đảm bảo độ tin cậy cơ học cần thiết cho nhiều hệ thống kết cấu nhẹ hiện đại.