Nhôm 2018: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

Hợp kim 2018 thuộc nhóm hợp kim nhôm series 2xxx, nhóm đặc trưng chủ yếu bởi đồng là nguyên tố chính hợp kim. Dòng 2xxx được biết đến với độ bền cao tạo ra nhờ phương pháp tôi kết tủa, và 2018 thường chứa hàm lượng đồng cao cùng với lượng mangan, sắt và magie kiểm soát để điều chỉnh độ bền và độ dai.

2018 là hợp kim có thể xử lý nhiệt, tăng cường bằng phương pháp xử lý nhiệt dung dịch, làm nguội nhanh và già hóa nhân tạo để kết tủa Al2Cu và các pha liên quan; tôi cứng đóng vai trò thứ cấp trong một số trạng thái tôi. Hợp kim cung cấp độ bền tĩnh cao và khả năng gia công tốt nhưng có khả năng chống ăn mòn tự nhiên tương đối kém và tính hàn hạn chế so với nhiều hợp kim nhôm 5xxx và 6xxx.

Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng 2018 bao gồm phụ kiện và kết cấu hàng không, thiết bị quân sự, dụng cụ và đồ gá, cũng như một số ứng dụng ô tô cao cấp cần độ bền trên trọng lượng tối ưu và có thể kiểm soát ăn mòn bằng phủ bề mặt hoặc lớp bảo vệ. Kỹ sư lựa chọn 2018 khi sự kết hợp giữa độ bền cao, độ dai gãy tốt sau khi già hóa và khả năng gia công vượt trội hơn các nhược điểm về chống ăn mòn khí quyển hay biển và tính hàn.

Biến Thể Trạng Thái Tôi

Trạng Thái	Mức Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Tính Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Đã ủ hoàn toàn; phù hợp nhất cho uốn tạo hình và hàn hàn mềm
H14	Trung bình	Thấp – Trung bình	Khá	Kém	Tôi cứng biến dạng; độ dẻo hạn chế
T3	Trung bình – Cao	Trung bình	Khá	Kém	Xử lý nhiệt dung dịch, làm nguội nhanh, biến dạng lạnh và già hóa tự nhiên
T4	Trung bình – Cao	Trung bình	Khá	Kém	Xử lý nhiệt dung dịch và già hóa tự nhiên
T5	Cao	Thấp – Trung bình	Hạn chế	Kém	Làm nguội từ nhiệt độ cao và già hóa nhân tạo
T6	Cao	Thấp – Trung bình	Hạn chế	Kém	Xử lý nhiệt dung dịch và già hóa nhân tạo để đạt độ bền tối đa
T651	Cao	Thấp – Trung bình	Hạn chế	Kém	T6 có kéo giãn giảm ứng suất nhằm giảm biến dạng kích thước

Trạng thái tôi ảnh hưởng lớn đến tính chất của 2018 do các kết tủa giàu đồng kiểm soát độ bền và độ dai. Vật liệu đã ủ (O) được sử dụng khi ưu tiên tạo hình, còn T6/T651 áp dụng khi cần độ bền tối đa và ổn định kích thước bất chấp giảm độ dẻo.

Quy trình gia công (biến dạng lạnh trước khi già hóa, làm thẳng kéo giãn) cũng điều chỉnh ứng suất dư và tuổi mỏi; việc chỉ định trạng thái tôi phải phù hợp với điều kiện chế tạo và vận hành nhằm tránh thiết kế dư hoặc thiếu cho các chi tiết.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	0,15 tối đa	Tạp chất; hàm lượng silic thấp hạn chế hình thành các pha liên kim giòn
Fe	0,5–1,2	Tạp chất; tăng độ bền nhưng có thể giảm độ dẻo
Mn	0,4–1,0	Kiểm soát cấu trúc hạt và cải thiện độ dai gãy
Mg	0,2–0,8	Đóng góp vào hiệu ứng tôi già hóa cùng đồng
Cu	3,5–5,0	Nguyên tố tăng cường chính (hình thành kết tủa Al2Cu)
Zn	0,25 tối đa	Ít; đóng góp giới hạn vào độ bền
Cr	0,1–0,3	Kiểm soát cấu trúc hạt; giảm tái kết tinh
Ti	0,05–0,20	Tinh chỉnh hạt cho sản phẩm dạng rèn
Khác / Cân bằng Al	Cân bằng	Các tạp chất và nguyên tố vết; nhôm chiếm phần còn lại

Hiệu năng của 2018 chủ yếu bị chi phối bởi hàm lượng đồng, cho phép tăng cứng do kết tủa và đạt độ bền cao khi già hóa. Các phụ gia nhỏ như mangan và crom giúp tinh chỉnh cấu trúc hạt và ổn định tính cơ học trong các dao động nhiệt và biến dạng, trong khi hàm lượng sắt và silic được kiểm soát để hạn chế các pha liên kim có hại gây giòn cho hợp kim.

Tính Chất Cơ Lý

Ở các trạng thái tôi trưởng thành (T6/T651), 2018 thể hiện độ bền kéo tối đa cao và giới hạn chảy tốt so với hầu hết các hợp kim nhôm dạng rèn, phù hợp cho các chi tiết kết cấu chịu tải cao. Độ dãn giới hạn trong trạng thái tôi tối đa nhưng vẫn đủ cho nhiều chi tiết gia công hoặc tạo hình nhẹ; độ bền mỏi hợp lý nhưng nhạy cảm với kết cấu bề mặt và trạng thái ăn mòn.

2018 đã ủ (O) có độ dẻo lớn hơn nhiều cùng giới hạn chảy và bền kéo thấp hơn, phù hợp cho quá trình tạo hình và uốn nhưng cần xử lý nhiệt tiếp theo cho ứng dụng kết cấu. Độ dày cũng ảnh hưởng đến giới hạn chảy và bền kéo; các tiết diện lớn khó xử lý nhiệt dung dịch đều và có thể giảm hiệu quả già hóa hoặc tạo sự phân bố đặc tính không đồng nhất theo chiều dày.

Độ cứng trong trạng thái tôi tối đa tăng đáng kể so với trạng thái O và tương quan với các chỉ số bền kéo; tuy nhiên, độ cứng và độ bền giảm tại vùng ảnh hưởng nhiệt trong quá trình hàn hồ quang và sau khi già quá nhiệt ở nhiệt độ làm việc cao. Khởi đầu vết nứt mỏi trên 2018 đã già hóa thường xuất phát từ vết gia công hoặc vết ăn mòn bề mặt, do đó xử lý bề mặt và thiết kế chống lan truyền nứt rất quan trọng.

Tính Chất	O/Đã Ủ	Trạng Thái Chính (ví dụ: T6/T651)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	~200–260 MPa	~430–520 MPa	T6 làm tăng UTS đáng kể nhờ kết tủa tăng cứng
Giới Hạn Chảy	~70–150 MPa	~320–380 MPa	Giới hạn chảy tăng theo tuổi; biến dạng lạnh nâng giới hạn chảy trong một số trạng thái H
Độ Dãn Dài	>20%	~6–12%	Độ dẻo giảm trong trạng thái tôi tối đa; phụ thuộc độ dày tiết diện
Độ Cứng (Brinell)	~40–60 HB	~110–140 HB	Tương quan với độ bền kéo; vùng ảnh hưởng nhiệt bị mềm đi sau hàn

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2,78–2,82 g/cm³	Cao hơn một chút so với nhôm nguyên chất do có đồng
Khoảng Nhiệt Đóng Chảy	~500–635 °C	Khoảng nhiệt từ khối đặc sang dung thể; hợp kim tan chảy trong phạm vi, không tại một điểm cố định
Độ Dẫn Nhiệt	~120–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm nguyên chất; đồng làm giảm độ dẫn nhiệt
Độ Dẫn Điện	~20–35% IACS	Đồng làm giảm độ dẫn điện so với các hợp kim 1xxx
Nhiệt Dung Riêng	~0,88–0,92 J/g·K	Tương tự các hợp kim nhôm khác; biến thiên nhẹ theo nhiệt độ
Hệ Số Giãn Nở Nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100°C)	Tương đương các hợp kim nhôm khác; quan trọng cho thiết kế chịu chu trình nhiệt

Các tính chất truyền nhiệt và điện của 2018 giảm so với nhôm thương mại nguyên chất do thành phần đồng và nguyên tố hợp kim khác. Sự giảm này có ý nghĩa khi 2018 được chọn để quản lý nhiệt; các hợp kim khác hoặc đồng có thể phù hợp hơn nếu yêu cầu dẫn nhiệt, dẫn điện cao.

Đặc tính nhiệt nóng chảy và đông đặc ảnh hưởng đến xử lý nhiệt và hàn; phạm vi nhiệt nóng chảy rộng hơn làm tăng nguy cơ nứt nóng khi hàn hồ quang và đòi hỏi chu trình gia nhiệt/làm nguội kiểm soát trong xử lý nhiệt dung dịch để tránh chảy dẻo cục bộ.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Hành Vi Độ Bền	Trạng Thái Thông Thường	Ghi Chú
Tấm	0,5–6 mm	Độ bền tốt trong T6; trạng thái O thích hợp tạo hình	O, T3, T4, T6, T651	Sử dụng phổ biến cho chi tiết gia công và kết cấu nhỏ
Đĩa (Plate)	>6 mm đến trên 150 mm	Ảnh hưởng kích thước tiết diện trong xử lý nhiệt	O, T6 (nơi có thể)	Tấm dày khó già hóa đều
Đùn (Extrusion)	Phụ thuộc biên dạng	Độ bền trục tốt; có thể tôi già hóa	T6 sau khi già hóa	Giới hạn bởi tính dễ nóng và pha đồng hòa tan
Ống	Đường kính và độ dày thành ống đa dạng	Tương tự đùn khi đã già hóa	O, T6	Dùng làm ống kết cấu và phụ kiện khi cần độ bền
Thanh Tròn/Thanh Đặc	Đường kính từ vài mm đến 150 mm	Gia công tốt ở trạng thái già hóa	O, T3, T6	Phổ biến cho chi tiết tiện và bulong đinh tán

Dạng sản phẩm và quy trình ảnh hưởng mạnh đến tính chất cơ học đạt được bởi hiệu quả xử lý nhiệt biến thiên theo kích thước tiết diện và tốc độ làm nguội. Tấm và ống đùn mỏng có thể xử lý dung dịch và già hóa đồng đều hơn so với tấm dày, do đó lựa chọn dạng sản phẩm cần cân nhắc cả công nghệ chế tạo và yêu cầu kỹ thuật cuối cùng.

Biến dạng lạnh trước khi già hóa (T3) tạo sự cân bằng giữa ổn định kích thước và độ bền cuối cùng, trong khi trạng thái O hỗ trợ tạo hình phức tạp; nhà thiết kế nên phối hợp khả năng nhà cung cấp (ví dụ xử lý nhiệt dung dịch tấm dày) với tải trọng vận hành dự kiến.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	2018	Hoa Kỳ	Chỉ định của Hiệp hội Nhôm Nguyên liệu chính
EN AW	2018 / 2018A	Châu Âu	Thường liệt kê là EN AW-2018A; dung sai hóa học và cơ học có thể khác nhau
JIS	A2018	Nhật Bản	Khác biệt về giới hạn tạp chất và trạng thái tôi luyện địa phương
GB/T	2A01	Trung Quốc	Chỉ định theo tiêu chuẩn Trung Quốc; hạn chế thay thế mà không kiểm tra thông số kỹ thuật

Các chỉ định tương đương tồn tại nhưng không hoàn toàn giống nhau; giới hạn các vi hợp kim, tạp chất cho phép và thông số trạng thái tôi luyện có thể khác biệt giữa các tiêu chuẩn. Kỹ sư phải tham khảo tiêu chuẩn chính xác và chứng nhận lò luyện khi thay thế vật liệu từ các khu vực khác nhau để đảm bảo tính chất cơ học và phản ứng xử lý nhiệt phù hợp.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

2018 có khả năng chống ăn mòn khí quyển chung và ăn mòn điểm thấp hơn đáng kể so với hầu hết các hợp kim thuộc dòng 5xxx và 6xxx do hàm lượng đồng cao, thúc đẩy ăn mòn cục bộ và ăn mòn giữa các hạt trong môi trường ăn mòn mạnh. Trong môi trường biển và chứa chloride, 2018 chưa có lớp bảo vệ dễ bị ăn mòn điểm và ăn mòn khe, thường cần mạ phủ (alclad) hoặc lớp phủ chắc chắn để sử dụng lâu dài.

Hợp kim này cũng nhạy cảm hơn với nứt ăn mòn ứng suất (SCC) so với các hợp kim có hàm lượng đồng thấp hơn, đặc biệt ở trạng thái tôi luyện có độ bền cao và chịu ứng suất kéo trong môi trường ăn mòn. Tương tác điện hóa cần được lưu ý: 2018 có tính anod so với thép không gỉ và hợp kim đồng-niken, tạo dòng điện galvanic nếu để tiếp xúc điện trong môi trường dẫn điện.

Trong các ứng dụng phải chịu ăn mòn, các biện pháp thiết kế như phủ lớp bảo vệ, bảo vệ điện cực âm, cách điện bằng bulông không dẫn điện, và sử dụng sản phẩm mạ phủ là phổ biến. So với đó, các hợp kim dòng 6xxx có độ hàn tốt hơn và khả năng chống ăn mòn cao hơn nhưng độ bền đạt cực đại thấp hơn một chút, từ đó gây ra sự đánh đổi về hợp kim.

Đặc Tính Gia Công

Khả năng hàn

Hàn nhiệt của 2018 khá khó khăn; ma trận giàu đồng làm giảm khả năng hàn và tăng nguy cơ nứt nóng và rỗ khí. Thông thường tránh sử dụng hàn nhiệt cho kết cấu chịu tải cao, thay vào đó dùng liên kết cơ khí, hàn đồng hay hàn khuấy ma sát để giảm đáng kể làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nứt. Khi phải hàn, nên dùng vật liệu thêm phù hợp như que hàn Al-Cu (ví dụ 2319/4043 tùy ứng dụng) và kiểm soát nghiêm ngặt quá trình tiền nhiệt/sau nhiệt; tuy nhiên, cần chú ý giảm tính chất cơ học cục bộ tại vùng HAZ.

Khả năng gia công

2018 thường được đánh giá từ tốt đến xuất sắc về khả năng gia công trong các hợp kim nhôm có độ bền cao vì các hợp kim 2xxx đã qua tuổi có thể gia công sạch và tạo phoi ổn định. Dụng cụ cacbua với góc dương, thiết lập cứng, làm mát bằng chất lỏng và bộ phá phoi giúp kiểm soát gờ bám dao và duy trì độ chính xác kích thước. Thông thường dùng tốc độ cắt từ trung bình đến cao, độ sâu cắt nhẹ cho bước hoàn thiện, và dụng cụ cho các vết cắt gián đoạn khi gặp vùng đã làm cứng bề mặt.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình của 2018 phụ thuộc lớn vào trạng thái tôi luyện; trạng thái O cho bán kính uốn nhỏ nhất và độ dẻo kéo tốt nhất trong khi T6/T651 có độ dẻo hạn chế và cần bán kính uốn lớn hơn. Khi uốn, bán kính uốn trong khoảng 1–2× độ dày vật liệu là giá trị thực tế cho trạng thái O, còn trạng thái tuổi đạt đỉnh có thể cần >3× độ dày và thiết kế khuôn cẩn thận. Trong trường hợp cần tạo hình phức tạp rồi sử dụng ở độ bền cao, có thể tạo hình ở trạng thái O rồi xử lý nhiệt giải và tuổi hóa lại (nếu khả thi), tuy nhiên cần kiểm soát biến dạng và làm mềm trong quá trình xử lý nhiệt sau đó.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Xử lý nhiệt giải (solution treatment) của 2018 nhằm hòa tan các pha giàu Cu vào ma trận nhôm, thường ở nhiệt độ khoảng 500–535 °C tùy theo độ dày và giới hạn của tấm hoặc màng. Việc gia nhiệt đồng đều và làm nguội nhanh rất quan trọng để giữ dung dịch quá bão hòa; tốc độ làm nguội chậm ở tiết diện dày có thể tạo pha kết tủa thô và giảm khả năng tôi luyện tuổi tiếp theo.

Tuổi hóa nhân tạo (T6) được thực hiện ở nhiệt độ thường trong khoảng 150–190 °C trong vài giờ để khởi tạo và phát triển các pha kết tủa Al2Cu mịn, làm tăng giới hạn chảy và độ bền kéo; chu trình tuổi hóa được chọn để cân bằng sức bền đỉnh với độ dai chấp nhận được và tránh quá trình lão hóa quá mức. Quá tuổi hoặc tiếp xúc nhiệt độ cao trong quá trình sử dụng sẽ làm pha kết tủa lớn lên, giảm độ cứng và độ bền, làm dịch chuyển tính chất về gần trạng thái T4 hơn.

Chỉ định trạng thái thể hiện lịch sử xử lý: T3 là xử lý nhiệt giải, làm nguội lạnh và tuổi hóa tự nhiên còn T4 là xử lý nhiệt giải và tuổi hóa tự nhiên. Việc chuyển đổi trạng thái tôi luyện (ví dụ tái xử lý nhiệt giải một chi tiết T6) sẽ đặt lại chu kỳ tuổi hóa nhưng có thể gây biến dạng và thay đổi cấu trúc; do đó, thường yêu cầu thẳng lại hoặc giảm ứng suất sau nhiệt (T651) cho các chi tiết chính xác.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

2018 mất đáng kể độ bền khi nhiệt độ tăng do các pha kết tủa mịn cung cấp độ cứng tuổi bị thô lớn và hòa tan trong khoảng 120–200 °C tùy trạng thái tuổi và thời gian tiếp xúc. Do đó, ứng dụng lâu dài thường giới hạn ở nhiệt độ vừa phải và các chi tiết chịu nhiệt độ trên ~150 °C cần được đánh giá khả năng creep và giảm giới hạn chảy.

Hiện tượng oxy hóa ở nhiệt độ cao tương tự các hợp kim nhôm khác, tạo lớp oxit nhôm thụ động; tuy nhiên, môi trường nhiệt kết hợp ăn mòn (ví dụ phun muối nóng) có thể làm tăng tốc độ suy giảm. Vùng HAZ sau hàn đặc biệt nhạy cảm với mất độ bền và tăng kích thước hạt ở nhiệt độ làm việc cao, vì vậy biên độ thiết kế và xử lý sau hàn phải tính đến sự làm yếu cục bộ này.

Ứng Dụng

Ngành	Chi Tiết Ví Dụ	Lý Do Sử Dụng 2018
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, giá đỡ, bulông	Tỷ số cường độ trên trọng lượng cao và độ dai gãy tốt ở trạng thái tuổi
Quân sự / Quốc phòng	Phụ kiện kết cấu, chân đế	Độ bền tĩnh cao và khả năng gia công cho các chi tiết quan trọng
Ô tô	Giá đỡ gia công độ bền cao, dụng cụ	Độ bền kết hợp khả năng gia công tốt khi kiểm soát được ăn mòn
Dụng cụ / Đồ gá	Đồ gá, khuôn, trục dẫn	Ổn định kích thước (T651) và độ cứng chống mài mòn
Điện tử	Khung kết cấu nhất định	Độ cứng và độ bền cho các chi tiết kết cấu nhỏ

2018 được lựa chọn cho các chi tiết yêu cầu độ bền tuổi đỉnh, khả năng gia công và tính ổn định cơ học dưới tải trọng tĩnh đồng thời nơi có thể kiểm soát việc ăn mòn. Thường sử dụng phủ lớp bảo vệ, mạ phủ hoặc môi trường kiểm soát để kéo dài tuổi thọ trong môi trường ăn mòn.

Góc Nhìn Khi Lựa Chọn

Khi kỹ sư lựa chọn giữa 2018 và nhôm hợp kim thấp hoặc nhôm tinh khiết thương mại, sự đánh đổi rõ ràng: so với 1100, 2018 đánh đổi khả năng dẫn điện và nhiệt độ tạo hình để lấy độ bền cao hơn nhiều, phù hợp cho các chi tiết gia công chịu tải.

So với hợp kim làm cứng bề mặt phổ biến như 3003 hoặc 5052, 2018 cung cấp độ bền đỉnh và khả năng gia công tốt hơn đáng kể nhưng khả năng chống ăn mòn kém và khó hàn hơn; nên chọn 2018 khi độ bền và tuổi mỏi quan trọng hơn khả năng chống ăn mòn.

So với hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 2018 thường cung cấp độ bền ngang hoặc cao hơn ở một số trạng thái và khả năng gia công tốt hơn cho các chi tiết gia công nhiều; tuy nhiên 6061 cho khả năng hàn, chống ăn mòn tốt hơn và cơ chế tuổi hóa linh hoạt hơn, nên 2018 chỉ ưu tiên khi yêu cầu đặc tính độ cứng, độ dai hoặc chống mài mòn đặc thù từ pha kết tủa Al-Cu.

Tổng Kết

Hợp kim 2018 vẫn đóng vai trò quan trọng khi độ bền tĩnh cao, phản ứng tuổi hóa ổn định và khả năng gia công tốt là các tiêu chí lựa chọn quyết định, đồng thời các hạn chế về ăn mòn và hàn có thể được kiểm soát bằng thiết kế, mạ phủ hoặc phủ lớp bảo vệ. Hợp kim này tiếp tục được sử dụng trong hàng không vũ trụ, quốc phòng và ứng dụng công nghiệp chuyên biệt nơi hệ thống làm cứng kết tủa Al–Cu mang lại hiệu suất cơ học không dễ dàng đạt được với các hợp kim nhôm rèn khác.