Aluminum 2424: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Table Of Content

Table Of Content

Tổng Quan Toàn Diện

Nhôm 2424 là một hợp kim dạng rèn, có thể xử lý nhiệt thuộc nhóm hợp kim nhôm–đồng–magie 2xxx. Nó có liên quan chặt chẽ đến dòng 2024 nổi tiếng và được điều chỉnh để tăng cường độ bền và cải thiện độ dai va đập nhờ điều chỉnh hợp lý các hàm lượng đồng, magie và mangan cũng như kiểm soát chặt chẽ tạp chất sắt và sillicon.

Các nguyên tố hợp kim chủ yếu gồm đồng (yếu tố làm tăng cường độ chính), magie (hình thành các vùng Guinier–Preston và các pha Mg2Si tương tự góp phần ở quá trình làm già hóa) và mangan (điều khiển cấu trúc hạt và tạo các vật phân tán). Độ bền chủ yếu đạt được thông qua quá trình làm cứng kết tủa sau xử lý hòa tan và lão hóa nhân tạo, cùng với một phần do làm cứng biến dạng trong một số trạng thái tôi luyện.

Đặc tính chính bao gồm khả năng chịu lực riêng cao và độ bền mỏi tốt khi được xử lý và hoàn thiện bề mặt phù hợp, khả năng tạo hình trung bình ở các trạng thái tôi nhiệt mềm, khả năng chống ăn mòn nội tại hạn chế so với các hợp kim 5xxx/6xxx, và khả năng hàn ở mức trung bình khi sử dụng quy trình và kim loại điền đầy thích hợp. Các ngành công nghiệp tiêu biểu gồm hàng không vũ trụ (kết cấu và chi tiết phụ kiện), quốc phòng (linh kiện khung máy bay), đua xe thể thao và các ngành công nghiệp chuyên dụng đòi hỏi hiệu suất tỷ lệ bền trên khối lượng cao và tính bền mỏi tốt.

Kỹ sư thường chọn 2424 thay vì các hợp kim khác khi thiết kế ưu tiên độ dai va đập cao và hiệu suất mỏi trong hợp kim có thể xử lý nhiệt, hoặc khi cần cân bằng chặt chẽ giữa độ bền tĩnh cao và khả năng chịu tổn thương. Hợp kim này được lựa chọn thay cho các hợp kim 7xxx cường độ cao hơn khi cần cải thiện khả năng chống ăn mòn, độ dai va đập và khả năng hàn, đồng thời thay cho các hợp kim 6xxx/5xxx khi cần độ bền cực đại cao hơn.

Các Trạng Thái Tôi

Trạng thái Mức độ bền Độ dãn dài Khả năng tạo hình Khả năng hàn Ghi chú
O Thấp Cao Xuất sắc Xuất sắc Ủ mềm hoàn toàn, độ dẻo và khả năng tạo hình tối đa
T3 Trung bình-Cao Trung bình Tốt Hạn chế Làm lạnh biến dạng và lão hóa tự nhiên; độ bền mỏi tốt
T4 Trung bình Trung bình-Cao Tốt Hạn chế Xử lý hòa tan và lão hóa tự nhiên
T6 Cao Thấp-Trung bình Hạn chế Khó khăn Xử lý hòa tan và lão hóa nhân tạo để đạt độ bền cực đại
T8 / T851 Cao Thấp-Trung bình Hạn chế Khó khăn Xử lý hòa tan, làm lạnh biến dạng, và lão hóa nhân tạo / ổn định để cải thiện độ dai va đập
T351 Trung bình-Cao Trung bình Tốt Hạn chế Giảm ứng suất bằng cách kéo căng sau xử lý hòa tan

Việc tôi luyện thay đổi đáng kể các đặc tính của 2424 bằng cách thay đổi phân bố, kích thước và tính kết hợp của các pha kết tủa chứa Cu và Mg. Trạng thái tôi mềm (O, T4) tối đa hóa độ dẻo và khả năng tạo hình, trong khi các trạng thái lão hóa (T6, T8) cung cấp độ bền giới hạn chảy và bền kéo cao nhất với chi phí giảm độ dãn dài và khả năng uốn.

Chuỗi xử lý nhiệt và biến dạng nguội cũng ảnh hưởng đến ứng suất dư, khả năng chịu nứt ăn mòn do ứng suất, và tính gia công; các trạng thái ổn định (ví dụ T851) được sử dụng khi yêu cầu độ ổn định kích thước và khả năng chống lão hóa tiếp theo.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên tố Phạm vi % Ghi chú
Si ≤ 0.50 Kiểm soát thấp Si để giảm các pha intermetallic giòn và cải thiện độ dai va đập
Fe ≤ 0.50 Giữ thấp để giảm các pha intermetallic giàu Fe thô, làm suy giảm độ dẻo
Mn 0.3–1.2 Điều khiển cấu trúc hạt, tạo vật phân tán, cải thiện độ dai va đập
Mg 1.2–1.9 Góp phần làm cứng kết tủa cùng với Cu và làm tăng cường độ hòa tan rắn
Cu 3.8–5.0 Yếu tố làm cứng chính, hình thành Al2Cu và các pha kết tủa khác
Zn ≤ 0.25 Phần nhỏ, thường là tạp chất; giữ thấp để tránh các pha kết tủa có hại
Cr ≤ 0.10 Mức vi lượng để điều khiển cấu trúc hạt và tái kết tinh ở một số mẻ luyện
Ti ≤ 0.15 Tác nhân tinh luyện hạt khi thêm ở mức vi lượng trong sản xuất phôi
Khác (mỗi loại) ≤ 0.05 Cân bằng các nguyên tố hợp kim và tạp chất; còn lại là Al

Thành phần tập trung vào đồng và magie để tạo điều kiện cho các phản ứng làm già hóa tuổi kinh điển Al–Cu–Mg hình thành các vùng GP và các pha kết tủa không bền vững (θ′ và pha S), là nguồn gốc vi cấu trúc của độ bền trong 2424. Mangan và một lượng nhỏ titan hoặc crom đóng vai trò tinh luyện hạt và tạo vật phân tán, cải thiện độ dai va đập và giảm khả năng tái kết tinh trong các chu trình nhiệt.

Đặc Tính Cơ Lý

Hành vi kéo của 2424 được đặc trưng bởi giới hạn bền kéo cao và sự tăng tương ứng của giới hạn chảy khi tôi luyện đến trạng thái T6/T8. Hợp kim thể hiện một vùng giới hạn chảy rõ rệt trong một số điều kiện xử lý nhiệt và vùng đàn hồi gần như tuyến tính đến giới hạn chảy; tốc độ làm cứng biến dạng sau giới hạn chảy bị ảnh hưởng bởi sự biến dạng nguội trước đó và sự phân bố pha kết tủa. Độ dãn dài tới khi gãy giảm khi độ bền tôi luyện tăng; vật liệu ủ mềm có độ dẻo cao hơn đáng kể so với các trạng thái T6 hay T8.

Độ cứng có mối tương quan tốt với trạng thái tôi và điều kiện lão hóa; các trạng thái T6/T8 tạo ra giá trị độ cứng cực đại liên quan đến pha kết tủa kết hợp/bán kết hợp, trong khi các trạng thái hòa tan hoặc ủ cho độ cứng thấp hơn nhiều. Hiệu suất mỏi là điểm mạnh của 2424 khi được gia công và xử lý bề mặt đúng cách: đột dập bi, ứng suất nén bề mặt do peening, và loại bỏ hoặc ngăn ngừa các khuyết tật bề mặt có thể làm tăng đáng kể ngưỡng khởi tạo vết nứt mỏi. Độ dày và dạng sản phẩm ảnh hưởng đáng kể đến kết quả cơ học — các tiết diện dày làm nguội chậm hơn sau xử lý hòa tan, dẫn tới phân bố pha kết tủa thô hơn và độ bền, độ dai va đập thấp hơn đôi chút so với tấm mỏng.

Thuộc tính O/Đã ủ Trạng thái chính (điển hình T6 / T851) Ghi chú
Độ bền kéo (UTS) ~240–300 MPa ~450–510 MPa Giá trị điển hình; giá trị thực tế phụ thuộc hóa học chính xác, độ dày và chu trình lão hóa
Giới hạn chảy (offset 0.2%) ~100–160 MPa ~320–420 MPa Giới hạn chảy tăng rõ rệt với lão hóa nhân tạo và biến dạng nguội trước khi lão hóa
Độ dãn dài ~18–30% ~6–14% Độ dẻo giảm ở trạng thái tôi cao; độ dãn dài phụ thuộc vào độ dày và xử lý nhiệt
Độ cứng (HB) ~40–60 HB ~120–150 HB Độ cứng phụ thuộc vào thể tích và tính kết hợp của pha kết tủa

Đặc Tính Vật Lý

Thuộc tính Giá trị Ghi chú
Mật độ 2.78 g/cm³ Điển hình cho hợp kim nhôm–đồng–magie rèn; cao hơn nhôm tinh khiết do hàm lượng đồng
Khoảng nhiệt độ nóng chảy ~500–640 °C Phạm vi nhiệt độ rắn–lỏng của hợp kim; nóng chảy hoàn toàn gần điểm nóng chảy nhôm tinh khiết nhưng chịu ảnh hưởng pha hợp kim
Hệ số dẫn nhiệt ~120–150 W/m·K Giảm so với nhôm tinh khiết do hợp kim; vẫn tốt cho nhiều ứng dụng quản lý nhiệt
Độ dẫn điện ~28–40 % IACS Phụ thuộc trạng thái tôi; độ dẫn điện cao hơn trong trạng thái ủ mềm
Nhiệt dung riêng ~0.90 J/g·K Điển hình cho hợp kim nhôm trong khoảng nhiệt độ môi trường
Độ giãn nở nhiệt ~23–24 µm/m·K Tương tự các hợp kim nhôm khác; cần tính toán biến dạng nhiệt trong kết cấu lắp ghép kim loại khác nhau

Bộ đặc tính vật lý xếp 2424 vào nhóm nhôm cường độ cao với hệ số dẫn nhiệt và dẫn điện thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn đủ cho nhiều ứng dụng kết cấu và quản lý nhiệt. Mật độ hơi tăng do đồng, ảnh hưởng đến thiết kế quan tâm đến khối lượng và cần xem xét trong các ứng dụng yêu cầu trọng lượng tối ưu. Độ giãn nở nhiệt tương tự các hợp kim nhôm khác và có thể gây ra biến dạng nhiệt khác biệt khi sử dụng cùng thép hoặc vật liệu composite.

Dạng Sản Phẩm

Dạng Chiều Dày/Kích Thước Tiêu Biểu Đặc Tính Cơ Lực Độ Cứng Thông Thường Ghi Chú
Tấm 0,4–6,4 mm Các tấm mỏng đạt cường độ tối đa sau khi ủ già; bề mặt hoàn thiện tốt O, T3, T4, T6, T8 Phổ biến làm vỏ máy bay, phụ kiện; thường được phủ lớp bọc để bảo vệ chống ăn mòn
Thép Tấm Dày (Plate) 6,4–50 mm trở lên Chiều dày làm giảm cường độ đạt được và yêu cầu thời gian tôi luyện dài hơn O, T6, T851 Các tiết diện dày dùng cho cấu kiện kết cấu và tấm ngăn; nhạy cảm với quá trình làm nguội nhanh là quan trọng
Đùn Phụ thuộc hình dạng biên dạng Giới hạn hơn so với hợp kim 6xxx, nhưng có thể đùn được cho một số biên dạng nhất định T4, T6 Khó đùn hơn; kiểm soát quá trình đồng nhất hóa quan trọng
Ống Độ dày thành/Đường kính ngoài thay đổi Hành vi tương tự tấm/plate tùy theo độ dày thành ống O, T6 Dùng làm ống kết cấu yêu cầu cường độ cao
Thanh Tròn/Thanh Đặc Đường kính vài mm đến hơn 100 mm Cần tôi hoặc đùn để tạo tiết diện lớn O, T6 Chi tiết rèn dùng cho phụ kiện và bu lông chịu tải cao

Quy trình gia công (cán so với rèn so với đùn) và độ dày tiết diện ảnh hưởng đáng kể đến vi cấu trúc, tốc độ làm nguội và cơ chế kết tủa. Tấm và dạng mỏng thường đạt được các trạng thái cường độ cao đồng nhất hơn do tốc độ làm nguội nhanh; trong khi đó tấm dày đòi hỏi điều chỉnh quy trình (kéo dài thời gian tôi luyện, sử dụng bộ gá làm nguội kiểm soát) để tránh vùng lõi mềm và đảm bảo các tính chất cơ học đồng đều.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn Mác Khu Vực Ghi Chú
AA 2424 Hoa Kỳ Chỉ định chính tại Bắc Mỹ dùng trong ứng dụng hàng không vũ trụ
EN AW Dòng 2xxx (thay đổi) Châu Âu Tham chiếu chéo EN có thể là hợp kim dòng 2xxx có thành phần Cu–Mg tương tự
JIS A2xxx (thay đổi) Nhật Bản Có chỉ định địa phương; tham chiếu chéo cần xác nhận qua thành phần hóa học và tính chất cơ học
GB/T 2A24 Trung Quốc Chỉ định hợp kim đúc phổ biến của Trung Quốc theo kiểu số “2Axx” tương đương AA 2424

Tham chiếu chéo giữa các tiêu chuẩn mang tính tương đối và cần được xác nhận bằng thành phần hóa học cũng như yêu cầu tính chất cơ học cho các ứng dụng quan trọng. Sự khác biệt về giới hạn tạp chất cho phép, quy trình chứng nhận và định nghĩa độ cứng khiến nhà thiết kế luôn cần kiểm tra chứng chỉ vật liệu và ưu tiên sử dụng bảng quy đổi trực tiếp hoặc kiểm tra cơ học để đủ điều kiện.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Khả năng chống ăn mòn khí quyển của 2424 ở mức trung bình và kém hơn so với các hợp kim dòng 5xxx và 6xxx do hàm lượng đồng cao hơn, thúc đẩy ăn mòn cục bộ (ăn mòn điểm) trong môi trường ăn mòn mạnh. Trong điều kiện dịch vụ khí quyển thông thường, 2424 hoạt động đủ tốt nếu được sơn phủ, anode hóa hoặc phủ lớp Alclad có lớp nhôm tinh khiết bảo vệ hy sinh; phương pháp phủ lớp bọc này phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ để kết hợp khả năng bảo vệ bề mặt với cường độ lõi cao.

Trong môi trường biển hoặc giàu clorua, 2424 dễ bị ăn mòn điểm nhanh và ăn mòn liên hạt, đặc biệt ở trạng thái nhiệt luyện đạt cường độ cao; các biện pháp bảo vệ như phủ lớp bọc, lớp phủ bảo vệ, bảo vệ catốt hoặc sử dụng hợp kim thay thế (dòng 5xxx) thường cần thiết. Tác động đồng thời của ứng suất kéo và chất ăn mòn có thể gây nứt ăn mòn ứng suất (SCC) ở hợp kim dòng 2xxx; việc ổn định độ cứng và tránh ứng suất kéo duy trì trong môi trường ăn mòn giúp giảm rủi ro SCC.

Tương tác điện hóa cần được thiết kế cẩn trọng khi 2424 tiếp xúc với các kim loại ưu điện hơn (ví dụ thép không gỉ, hợp kim đồng) vì hợp kim nhôm chứa đồng có tính dễ bị điện cực âm trong nước biển; sử dụng lớp cách điện, lớp phủ hoặc anode hy sinh giảm ăn mòn điện hóa. So với họ 6xxx (Al–Mg–Si) và 5xxx (Al–Mg), 2424 đánh đổi khả năng chống ăn mòn lấy độ bền và độ bền mỏi cao hơn, do đó thường được sử dụng kèm các biện pháp bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 2424 khó khăn hơn so với các hợp kim 5xxx/6xxx do nguy cơ nứt nóng và mất cường độ vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Hàn nóng chảy (TIG/MIG/GMAW) thường yêu cầu kim loại điền Al–Cu chuyên dụng (như 2319) cùng kiểm soát nhiệt trước và sau hàn; chọn kim loại điền nhằm giảm nứt và đảm bảo tính chất cơ học tương thích. Hàn điện trở và liên kết cơ học là các phương án thay thế phổ biến khi cần mối ghép kết cấu toàn phần; nếu hàn được dùng, cần xử lý sau hàn như tôi luyện và ủ để đạt tính chất, tuy nhiên thường khó áp dụng cho cấu kiện lớn.

Khả năng gia công

2424 gia công tốt ở một số độ cứng do cường độ cao và tốc độ làm cứng giúp hình thành phoi ổn định; tuy nhiên, điều kiện nhiệt luyện đạt đỉnh có thể gây mòn dụng cụ nhanh hơn. Chỉ số gia công thường ở mức trung bình; khuyến cáo dùng dụng cụ carbide góc nghiêng tích cực và làm mát đầy đủ. Thông thường sử dụng tốc độ cắt chậm hơn và bước tiến lớn hơn nhôm tinh khiết để kiểm soát hiện tượng dính dao và giữ độ chính xác kích thước trên các đường cắt gián đoạn.

Khả năng tạo hình

Tạo hình tốt nhất ở các trạng thái O, T4 và một số T3 nhờ độ dẻo và độ uốn cao; bán kính uốn tối thiểu lớn hơn ở trạng thái T6/T8 do giới hạn độ dãn dài và hiện tượng đàn hồi ngược (springback) cao hơn. Tạo hình nguội khả thi với tấm dưới điều kiện kiểm soát bằng bộ gá và khuôn kéo phù hợp để tránh nứt tại các góc uốn và lỗ khoan. Tạo hình ấm hoặc sử dụng trạng thái mềm hơn rồi làm nóng cục bộ giúp mở rộng khả năng tạo hình cho các hình dạng phức tạp.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Tôi luyện nguội cho 2424 thường thực hiện ở nhiệt độ khoảng 495–520 °C để hòa tan các pha chứa Cu và Mg vào dung dịch rắn quá bão hòa. Quá trình tôi luyện đúng đòi hỏi thấm nhiệt đầy đủ vào tiết diện và tránh xảy ra chảy điểm các pha có nhiệt độ nóng chảy thấp; tốc độ làm nguội sau khi tôi phải đủ nhanh để giữ các nguyên tố hòa tan ở trạng thái quá bão hòa, đặc biệt với tiết diện dày.

Ướp già nhân tạo (T6) thường diễn ra ở nhiệt độ 160–190 °C trong vài giờ, tạo nên các pha kết tủa metastable (θ′ và S′) liên kết chặt để đạt cường độ tối đa; thay đổi thời gian – nhiệt độ ảnh hưởng cân bằng giữa cường độ đỉnh và độ dai va đập. Các trạng thái nhiệt luyện như T8 và T851 thực hiện các bước gia công nguội trước và ổn định hoá nhằm điều chỉnh khả năng chống mỏi và SCC đồng thời duy trì cường độ cao.

Nếu dùng quy trình không thể xử lý nhiệt, cường độ có thể tăng nhờ làm cứng biến dạng (độ cứng H) do biến dạng nguội tăng giới hạn chảy và bền kéo; ủ mềm (trạng thái O) giúp phục hồi dẻo dai bằng cách làm lớn kết tủa và hòa tan làm cứng. Quy trình tái ủ và ổn định được sử dụng trong các cụm lắp ráp để kiểm soát sự biến đổi tính chất dài hạn trong quá trình sử dụng.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Nhiệt độ làm việc cho 2424 giới hạn hơn so với thép và một số hợp kim nhôm chịu nhiệt cao; phơi nhiễm lâu dài trên khoảng 120–150 °C sẽ giảm dần giới hạn chảy và bền kéo do kết tủa lớn hơn và hòa tan. Phơi nhiễm ngắn hạn đến nhiệt độ cao hơn (khoảng 200 °C) vẫn chịu được nhưng ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi và sự ổn định kích thước.

Quá trình oxy hóa trong không khí rất hạn chế trong phạm vi nhiệt độ dành cho ứng dụng kết cấu nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ, nhưng hiện tượng bong tróc lớp oxit và oxy hóa liên hạt có thể xảy ra khi vận hành lâu dài ở nhiệt độ cao. Mềm hóa vùng ảnh hưởng nhiệt quanh mối hàn và các xử lý nhiệt liên quan phải được cân nhắc cho các chi tiết chịu tải nhiệt tuần hoàn.

Ứng Dụng

Ngành Ví Dụ Chi Tiết Lý Do Sử Dụng 2424
Hàng không vũ trụ Phụ kiện, xương cánh, bề mặt điều khiển Cường độ trọng lượng cao, hiệu suất mỏi tốt, có thể phủ lớp bọc chống ăn mòn
Hàng hải Cấu kiện kết cấu (được bảo vệ), chi tiết trang trí Cường độ mỏi cao trong điều kiện bảo vệ hoặc phủ; sử dụng ở nơi ưu tiên cường độ hơn chống ăn mòn
Ô tô / Đua xe Thanh treo, chi tiết khung Cường độ riêng cao, độ dai và chống mỏi cho các ứng dụng hiệu suất cao
Điện tử Giá đỡ kết cấu, tản nhiệt vừa phải Khả năng dẫn nhiệt hợp lý kết hợp với tính năng kết cấu
Quốc phòng Phụ kiện bọc giáp, kết cấu gắn Khả năng chịu hư hỏng và tải trọng cao cho các bộ phận chi tiết quan trọng

2424 được sử dụng khi cần cân bằng giữa cường độ tĩnh cao, khả năng chịu hư hỏng và tuổi thọ mỏi, đồng thời có thể bảo vệ bề mặt để giảm thiểu ăn mòn. Hợp kim này thường áp dụng trong ngành hàng không và phương tiện hiệu suất cao nơi tiết kiệm trọng lượng là yếu tố hàng đầu nhưng không thể hy sinh tính dai.

Thông Tin Lựa Chọn

Chọn hợp kim 2424 khi thiết kế yêu cầu độ bền riêng cao hơn và tính chất mỏi/gãy vượt trội so với các hợp kim làm cứng bề mặt thông thường, đồng thời ứng dụng có thể chấp nhận được việc dùng lớp phủ, mạ hoặc các biện pháp thiết kế để kiểm soát ăn mòn. Hợp kim này đặc biệt phù hợp cho các chi tiết phụ kiện hàng không, kết cấu và các bộ phận khung gầm hiệu năng cao, nơi độ bền và độ dai có thể xử lý nhiệt là ưu tiên hàng đầu.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 2424 đổi lấy độ bền và khả năng chống mỏi cao hơn nhiều nhưng đánh đổi bằng khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt thấp hơn cùng với độ dẻo gia công giảm trong các trạng thái nhiệt luyện tối ưu. So với các hợp kim làm cứng bề mặt như 3003 hoặc 5052, 2424 cung cấp độ bền tĩnh cao hơn đáng kể nhưng thường có khả năng chống ăn mòn thấp hơn, do đó thường yêu cầu lớp phủ bảo vệ hoặc mạ ngoài. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt phổ biến như 6061, 2424 mang lại độ bền tối đa cao hơn và độ dai chống mỏi/gãy tốt hơn trong nhiều điều kiện, và được lựa chọn khi các tính chất này quan trọng hơn ưu điểm về tính hàn và khả năng chống ăn mòn vượt trội của 6061.

Tóm Tắt Cuối Cùng

Nhôm 2424 vẫn là lựa chọn hợp kim xử lý nhiệt có độ bền cao phù hợp cho các ứng dụng kết cấu đòi hỏi cao về tuổi thọ và chịu mỏi, nơi sự cân bằng giữa độ bền, độ dai và tuổi thọ sử dụng quan trọng hơn khả năng chống ăn mòn vốn có. Với việc lựa chọn trạng thái nhiệt luyện phù hợp, bảo vệ bề mặt và kiểm soát gia công đúng cách, 2424 mang lại sự kết hợp hiệu suất cơ học ấn tượng cho các ứng dụng hàng không, đua xe thể thao và công nghiệp đặc thù.

Quay lại blog