Nhôm 2118: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn độ cứng và Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 2118 thuộc dòng hợp kim nhôm đồng 2xxx, với đồng là nguyên tố hợp kim chính. Nhóm này có thể xử lý nhiệt và được thiết kế để đạt độ bền cao thông qua quá trình tôi kết tủa, với đồng và các nguyên tố hợp kim phụ nhỏ được điều chỉnh để tạo ra các pha kết tủa gia cường trong quá trình lão hóa.

Thành phần hợp kim chính trong 2118 là đồng, cùng các nguyên tố bổ sung như magiê, mangan và các nguyên tố vết như sắt, silic, crôm và titan. Sự phối hợp này tạo ra độ bền riêng cao và khả năng chống mỏi tốt so với các loại nhôm thương mại không xử lý nhiệt và nhôm tinh khiết.

Gia cường chủ yếu được thực hiện bằng cách xử lý dung dịch, làm nguội mạnh và lão hóa nhân tạo để phát triển các kết tủa dựa trên Al2Cu; điều này mang lại độ bền cực đại cao hơn các hợp kim làm cứng bằng biến dạng nhưng cũng khiến tính chất nhạy cảm hơn với nhiệt độ. Các đặc tính chính bao gồm độ bền kéo và khả năng chống mỏi cao, khả năng chống ăn mòn vừa phải thường cần lớp phủ bảo vệ trong môi trường khắc nghiệt, và khả năng hàn hạn chế so với các hợp kim 5xxx/6xxx nếu không sử dụng quy trình và vật liệu phụ phù hợp.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 2118 gồm phụ kiện cấu trúc hàng không vũ trụ và bulông đai ốc, linh kiện ô tô hiệu suất cao, và ứng dụng chuyên dụng trong ngành hàng hải và quốc phòng, nơi mà tỷ lệ bền trên trọng lượng và tuổi thọ mỏi rất quan trọng. Các nhà thiết kế chọn 2118 khi cần độ bền và khả năng chống mỏi cao hơn các hợp kim phổ biến như 1100, 3003 hoặc 5052, nhưng không cần độ bền cực đại như các hợp kim 7xxx, hoặc khi ưu tiên độ dai và tính chất gãy đứt của hợp kim 2xxx.

Các biến thể nhiệt luyện

Biến thể	Cấp độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn ủ mềm, độ dẻo dai và khả năng tạo hình tối đa
H14	Trung bình thấp	Trung bình	Tốt	Khá	Làm cứng biến dạng đến độ bền trung bình, phù hợp cho ứng dụng kéo sâu
T4	Trung bình	Trung bình cao	Tốt	Khá	Xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa tự nhiên; cân bằng tốt cho việc tạo hình thêm
T5	Trung bình cao	Trung bình	Khá đến tốt	Khá	Làm nguội từ nhiệt độ cao và lão hóa nhân tạo để phát triển độ bền
T6	Cao	Thấp đến trung bình	Hạn chế	Kém đến khá	Xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo để đạt độ bền cực đại; biến thể phổ biến trong kỹ thuật
T651	Cao	Thấp đến trung bình	Hạn chế	Kém đến khá	Xử lý dung dịch, giảm ứng suất bằng kéo căng, sau đó lão hóa nhân tạo để cải thiện ổn định kích thước

Biến thể nhiệt luyện ảnh hưởng mạnh đến sự cân bằng giữa độ bền và khả năng tạo hình của 2118, bởi chu trình xử lý nhiệt kiểm soát kích thước, phân bố và sự đồng nhất của kết tủa. Biến thể O và H được dùng khi ưu tiên tạo hình hoặc kéo sâu, trong khi T6/T651 được chọn khi yêu cầu thiết kế tập trung vào độ bền và khả năng chống mỏi.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0,2 tối đa	Kiểm soát thấp để hạn chế các pha intermetallic giòn và duy trì độ dai
Fe	0,5 tối đa	Tạp chất tạo pha intermetallic ảnh hưởng đến khả năng gia công và mỏi
Mn	0,3–0,9	Cải thiện độ bền, cấu trúc hạt và khả năng chống tái kết tinh
Mg	0,2–1,0	Góp phần tạo kết tủa gia cường cùng với Cu và tăng độ dai
Cu	3,5–5,0	Nguyên tố chính gia cường; kiểm soát hiệu quả của quá trình tôi kết tủa
Zn	0,25 tối đa	Phụ gia nhỏ, giữ thấp để tránh phức tạp quá trình lão hóa
Cr	0,05–0,25	Hợp kim vi lượng để tinh chỉnh cấu trúc hạt và ổn định tính chất khi gia nhiệt
Ti	0,02–0,12	Tinh hạt, kiểm soát kích thước hạt đúc và đùn
Khác (mỗi nguyên tố)	0,05 tối đa	Nguyên tố vết và dư lượng; giới hạn để đảm bảo đặc tính kết tủa dự đoán được

Nội dung đồng chi phối phản ứng tôi kết tủa, tạo ra các pha Al2Cu và pha liên quan trong quá trình lão hóa, làm tăng độ bền và giảm độ dẻo. Magiê và mangan thay đổi hóa học kết tủa và tương tác ma trận; mangan ngăn ngừa tăng trưởng hạt và cải thiện độ dai, trong khi magiê tăng cường lão hóa khi phối hợp với đồng. Các giới hạn nghiêm ngặt về sắt, silic và kẽm được duy trì để kiểm soát độ dẻo, hành vi gãy và khả năng chống ăn mòn.

Tính chất cơ học

Khi chịu tải kéo, 2118 thể hiện độ bền kéo cực đại cao và giữ giới hạn chảy tốt ở biến thể T6/T651 so với nhiều hợp kim nhôm phổ biến. Điều kiện lão hóa cực đại tạo ra vi cấu trúc với các kết tủa phân tán mịn làm hạn chế chuyển động dislocation, mang lại độ bền chảy cao và khả năng chống mỏi tốt. Độ dãn dài ở các biến thể lão hóa cực đại giảm so với điều kiện ủ mềm, do đó các nhà thiết kế cần lưu ý độ dẻo thấp hơn khi tạo hình và trong các tình huống va đập hoặc quá tải.

Khả năng chống mỏi của 2118 tương đối tốt cho một hợp kim dòng 2xxx nhờ sự kết hợp giữa độ bền tĩnh cao và ngưỡng khởi phát vết nứt được kiểm soát bởi kết tủa; tuy nhiên tuổi thọ mỏi nhạy cảm với bề mặt hoàn thiện, hình học khuyết tật và ăn mòn cục bộ. Độ dày vật liệu ảnh hưởng đáng kể: vật liệu mỏng có thể lão hóa đồng đều hơn và thường đạt độ bền hiệu quả cao hơn ở cùng biến thể, trong khi các chi tiết dày hơn có thể cần chu trình xử lý dung dịch/lão hóa dài hơn và có độ dai thấp hơn cùng độ bền hơi giảm.

Tính chất	O/Đã ủ mềm	Biến thể chính (T6/T651)	Ghi chú
Độ bền kéo	150–260 MPa	400–480 MPa	Phạm vi rộng tùy theo thành phần chính xác, độ dày và chu trình lão hóa
Giới hạn chảy	60–150 MPa	320–380 MPa	Giới hạn chảy tăng đáng kể với xử lý T6/T651
Độ dãn dài	15–25%	7–14%	Độ dẻo giảm trong điều kiện lão hóa cực đại; thiết kế phù hợp với tạo hình
Độ cứng (HB)	40–80 HB	120–160 HB	Phạm vi Brinell; độ cứng tỷ lệ thuận với độ bền kéo và giới hạn chảy

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2,78 g/cm³	Tương tự hợp kim Al-Cu; tỷ lệ bền trên trọng lượng tốt so với thép
Khoảng nhiệt độ nóng chảy	~500–640 °C	Hợp kim làm giãn khoảng thể rắn – lỏng so với nhôm tinh khiết
Độ dẫn nhiệt	120–150 W/m·K	Bị giảm so với nhôm tinh khiết do đồng, nhưng vẫn cao
Độ dẫn điện	25–40 % IACS	Thấp hơn nhôm tinh khiết; độ dẫn giảm khi có hợp kim và làm lạnh biến dạng
Nhiệt dung riêng	~0,88 J/g·K (880 J/kg·K)	Đặc trưng hợp kim nhôm; dùng trong tính toán quản lý nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt	23–24 µm/m·K (20–100°C)	Hệ số trung bình; cần tính đến biến dạng kích thước trong lắp ráp

2118 giữ được phần lớn khả năng dẫn nhiệt tốt và mật độ thấp vốn có của nhôm, cung cấp khả năng bền trên trọng lượng và tản nhiệt tốt cho nhiều chi tiết. Độ dẫn điện giảm đáng kể so với nhôm tinh khiết nên 2118 thường không được dùng khi yêu cầu chính là dẫn điện.

Khoảng nhiệt độ nóng chảy và hệ số giãn nở nhiệt cho thấy nhiệt độ vào trong quá trình hàn và chu kỳ nhiệt trong sử dụng sẽ ảnh hưởng đáng kể đến vi cấu trúc và tính chất cơ học; những yếu tố này cần được cân nhắc khi gia công ghép nối, xử lý nhiệt và thiết kế cho tải nhiệt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi cơ học	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–6 mm	Tấm mỏng phản ứng tốt với quá trình xử lý già hóa T5/T6; tính đồng đều cao hơn ở các độ dày mỏng	O, H14, T4, T5, T6	Dùng cho các panel tạo hình và cấu kiện lắp ghép
Phiến	6–50+ mm	Các tiết diện dày cần chu trình xử lý nhiệt kéo dài; độ dai có thể thấp hơn	O, T6, T651	Các chi tiết kết cấu nặng và phụ kiện
Dạng ép thanh	Độ dày thành ống 1–20 mm	Hệ biên dạng ép cho phép độ bền theo hướng; xử lý nhiệt được thực hiện sau khi ép	O, T4, T6	Biên dạng phức tạp dùng cho các thành phần kết cấu
Ống	Đường kính ngoài 6–200 mm	Hiệu suất tùy thuộc vào độ dày thành và tốc độ tôi nước; dùng trong ứng dụng chịu mỏi cao ở trạng thái T6	O, T4, T6	Dùng cho ống kết cấu nhẹ
Thanh	Đường kính tối đa 100 mm	Thanh có thể xử lý nhiệt và tôi để đạt độ bền cao; nguyên liệu gia công	O, T6	Bu lông, chốt, và chi tiết gia công

Sản phẩm tấm và thép mỏng thường được ưu tiên khi cần tính tạo hình và độ đồng đều gia cường khi già hóa, trong khi phiến và thanh ép nặng cần chu trình nhiệt riêng do tốc độ làm nguội chậm hơn. Quy trình ép thanh và cán cũng ảnh hưởng đến cấu trúc hạt; ép thanh cho phép mặt cắt phức tạp nhưng cần kiểm soát quá trình làm nguội và già hóa để đạt được tính chất mục tiêu.

Nhà sản xuất lựa chọn dạng sản phẩm dựa trên quy trình gia công tiếp theo: tấm cho dập và tạo hình, ép thanh cho biên dạng tích hợp, và thanh cho các chi tiết gia công. Mỗi dạng sản phẩm cũng quyết định lựa chọn độ cứng để cân bằng giữa tính tạo hình và độ bền.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	2118	Hoa Kỳ	Định danh trong danh mục ANSI/AA cho hợp kim Al-Cu này
EN AW	Không có mác chính xác	Châu Âu	Không có mác EN AW tương đương trực tiếp; hành vi gần giống với dòng EN AW-2014/2024
JIS	Không có mác chính xác	Nhật Bản	JIS có các hợp kim Al-Cu (A2017/A2024) với tính chất tương tự nhưng giới hạn khác nhau
GB/T	Không có mác chính xác	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc có hợp kim Al-Cu tương tự nhưng không hoàn toàn tương đương với AA 2118

Không có tiêu chuẩn duy nhất nào chuyển đổi trực tiếp 2118 sang EN, JIS hay GB/T; các mác tương đương nên xem là "gần tương đương về hành vi" thay vì thay thế trực tiếp. Sự khác biệt về thành phần nguyên tố vết, phản ứng xử lý nhiệt và ký hiệu độ cứng khiến các kỹ sư nên tham khảo bảng thông số kỹ thuật chi tiết và thực hiện thử nghiệm đánh giá khi thay thế qua các tiêu chuẩn khác nhau.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

2118 có khả năng chống ăn mòn khí quyển vừa phải, đặc trưng cho các hợp kim Al-Cu có thể xử lý nhiệt; thường sử dụng lớp phủ bảo vệ, anode hóa hoặc mạ phủ để tăng khả năng chịu đựng lâu dài. Trong môi trường trung tính đến hơi ăn mòn nhẹ, hợp kim hoạt động tốt, nhưng ăn mòn cục bộ có thể tăng do các pha intermetallic giàu đồng và bề mặt hoàn thiện kém.

Trong môi trường biển hoặc chứa nhiều chloride, 2118 kém bền hơn hợp kim dòng 5xxx chứa magiê hoặc dòng 6xxx chống ăn mòn cao; do đó thường cần mạ phủ, lớp bảo vệ hy sinh hoặc bảo vệ cathodic cho ứng dụng cấu trúc hàng hải. Ăn mòn pitting và ăn mòn hạt có thể xảy ra tại vùng không pha kết tụ ở ranh giới hạt nếu xử lý nhiệt không đúng hoặc tiếp xúc nhiệt lâu dài.

Khả năng nứt ăn mòn ứng suất cao hơn hợp kim dòng 2xxx so với nhiều mác không xử lý nhiệt, nhất là dưới ứng suất kéo và môi trường ăn mòn. Tương tác galvanic cần lưu ý: 2118 có điện cực dương hơn thép nhưng âm hơn nhôm tinh khiết tùy theo xử lý bề mặt; cần cách điện hoặc sử dụng bu lông và lớp phủ tương thích. So với dòng 6xxx, 2118 đánh đổi khả năng chống ăn mòn lấy độ bền và khả năng chịu mỏi cao hơn, do đó lựa chọn cần cân nhắc giữa môi trường và yêu cầu cơ học.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 2118 khó hơn so với nhiều dòng nhôm khác do hàm lượng Cu cao dễ gây nứt nóng và làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Hàn TIG và MIG khả thi với kiểm soát nghiêm ngặt nhiệt lượng, tiền gia nhiệt và làm nguội, cùng lựa chọn que hàn thích hợp như Al-Cu-Mg hoặc que 4043/2319 có độ bền thấp hơn để giảm nguy cơ nứt. Xử lý nhiệt sau hàn có thể phục hồi một phần độ bền nhưng khó đạt lại mức T6 do hòa tan và kết tụ pha ở vùng HAZ.

Khả năng gia công

2118 dễ gia công ở trạng thái tôi mềm và một số độ cứng trung gian, kiểm soát phoi tốt và mài mòn dụng cụ ở mức vừa phải do có các hạt đồng và mangan. Dụng cụ carbide có góc hợp lý, gá kẹp cứng và làm mát dồi dào giúp đạt bề mặt đều và dung sai chính xác; tốc độ cắt nên bảo thủ với độ cứng cao để tránh mài mòn dụng cụ nhanh. Chỉ số gia công nhìn chung tốt hơn hợp kim Al-Zn-Mg cường độ cao nhưng kém hơn 2011 dễ gia công hoặc 1100 tinh khiết thương mại.

Khả năng tạo hình

Tạo hình tốt nhất ở trạng thái O, H14 hoặc T4 với độ dẻo đủ cho dập, uốn và dập kéo. Bán kính cong tối thiểu phụ thuộc vào độ cứng và độ dày, thường dùng 2–3× độ dày vật liệu cho uốn chặt ở trạng thái trung gian và bán kính lớn hơn cho T6. Làm nguội lạnh tăng cường độ do biến dạng dẻo nhưng có thể gây ứng suất dư ảnh hưởng tới xử lý nhiệt sau đó; có thể sử dụng tạo hình nóng hoặc tiền già hóa để tối ưu tính chất cuối cùng.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim có thể xử lý nhiệt, 2118 phản ứng theo chu trình tôi dung dịch, làm nguội nhanh và già hóa tiêu chuẩn dùng cho hợp kim Al-Cu. Quá trình tôi dung dịch thường thực hiện ở khoảng 495–505 °C để hòa tan các pha giàu Cu vào ma trận, sau đó làm nguội nhanh để giữ dung dịch rắn siêu bão hòa. Già hóa nhân tạo thường tiến hành ở nhiệt độ 160–190 °C trong vài giờ để tạo các pha kết tụ mịn và đạt độ cứng T5/T6; thời gian và nhiệt độ già hóa phải cân bằng giữa độ bền đỉnh, độ dai va đập và khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất.

Chuyển đổi trạng thái độ cứng dễ dàng: vật liệu đã tôi dung dịch có thể tự già hóa tự nhiên thành T4 hoặc già hóa nhân tạo thành T5/T6; T651 bao gồm tôi dung dịch, kéo dãn để giải phóng ứng suất dư, sau đó già hóa nhân tạo. Quá già hóa ở nhiệt độ cao hơn hoặc lâu hơn làm kết tụ lớn, giảm độ bền nhưng cải thiện độ dai và khả năng chống ăn mòn, do đó kiểm soát chu trình rất quan trọng để đạt cân bằng kỹ thuật yêu cầu.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

2118 thể hiện sự giảm độ bền rõ rệt khi nhiệt độ sử dụng tăng; tiếp xúc lâu dài trên ~120–150 °C sẽ làm suy giảm gia cường từ pha kết tụ và giảm dần giới hạn chảy và độ bền kéo. Oxy hóa ở nhiệt độ cao hạn chế trong môi trường trơ nhưng lớp oxit và biến đổi cấu trúc vi mô vẫn xảy ra nếu nhiệt độ tiếp cận phạm vi tôi dung dịch, ảnh hưởng không thể hồi phục tới tính chất cơ học.

Vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn bị làm mềm do hòa tan và kết tụ pha, phục hồi tính chất qua xử lý nhiệt sau hàn bị hạn chế bởi khiếm khuyết từ làm nguội và ứng suất dư. Với ứng dụng nhiệt độ cao gián đoạn, cần giảm hệ số chịu tải cho phép và xem xét hợp kim thay thế có tính ổn định nhiệt cao nếu nhiệt độ vận hành thường xuyên vượt quá 100 °C.

Ứng Dụng

Ngành	Chi tiết ví dụ	Lý do sử dụng 2118
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, giá đỡ và các chi tiết không phải kết cấu chính	Độ bền riêng cao và khả năng chịu mỏi tốt cho các chi tiết trọng lượng quan trọng
Ô tô	Chi tiết treo hiệu suất cao và giá đỡ kết cấu	Cân bằng độ bền trên trọng lượng và tuổi thọ mỏi cho xe hiệu năng cao
Hàng hải	Phần tử kết cấu nhỏ và phụ kiện gia công	Độ bền và khả năng gia công tốt; cần lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn
Quốc phòng	Phụ kiện tên lửa và đạn dược	Độ bền cao và dễ gia công cho chi tiết chính xác
Điện tử	Khung cấu trúc và bộ tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt tốt và độ cứng trên trọng lượng cao cho các cụm lắp ráp

2118 thường được lựa chọn khi cần kết hợp giữa độ bền tĩnh và khả năng chịu mỏi cao, khả năng gia công chấp nhận được và dẫn nhiệt hợp lý. Nhu cầu về bảo vệ bề mặt trong môi trường khắc nghiệt được đánh đổi với ưu điểm cơ học trong nhiều ứng dụng hàng không và kỹ thuật hiệu suất cao.

Những Lưu Ý Khi Lựa Chọn

Chọn 2118 khi mục tiêu thiết kế là độ bền cao và khả năng chịu mỏi, đồng thời có thể kiểm soát tốt biện pháp chống ăn mòn và các biến số trong gia công. Hợp kim rất phù hợp cho các chi tiết gia công hoặc tạo hình cần tăng cường độ bằng xử lý nhiệt và khi hợp kim 7xxx cao cường độ không cần thiết hoặc gây giòn và khó gia công.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), hợp kim 2118 đánh đổi dẫn điện và khả năng tạo hình để lấy độ bền và tuổi thọ mỏi cao hơn rõ rệt. So với các hợp kim làm cứng bề mặt phổ biến như 3003 hoặc 5052, 2118 cung cấp độ bền cao hơn nhiều với chi phí giảm khả năng hàn và độ bền ăn mòn vốn có, do đó 2118 được lựa chọn khi hiệu suất chịu tải quan trọng hơn tính dễ gia công hoặc định hình. So với các hợp kim 6xxx xử lý nhiệt (ví dụ 6061/6063), 2118 thường cung cấp độ bền mỏi tốt hơn và độ bền đỉnh cao hơn ở một số trạng thái nhiệt luyện, nhưng thường đòi hỏi biện pháp bảo vệ chống ăn mòn và quy trình hàn cẩn trọng hơn; chọn 2118 khi đặc tính độ bền/mỏi phù hợp với ứng dụng và quy trình sản xuất có thể đáp ứng yêu cầu xử lý nhiệt và bảo vệ của nó.

Tóm tắt cuối

Hợp kim 2118 vẫn là lựa chọn nhôm kỹ thuật phù hợp khi thiết kế cần cân bằng giữa độ bền cao có thể xử lý nhiệt, hiệu suất mỏi tốt và tính gia công chấp nhận được. Việc sử dụng hợp kim được tối ưu hóa khi các kỹ sư tính đến tính dẻo của vật liệu tùy trạng thái nhiệt luyện, yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn và nhạy cảm trong gia công, cho phép cấu trúc và chi tiết đạt hiệu suất cao với tỷ lệ độ bền trên trọng lượng ưu việt.