Nhôm 2618: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt và Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 2618 là thành viên của dòng hợp kim nhôm 2xxx, chủ yếu dựa trên nhôm và đồng. Phân loại 2xxx chỉ ra một nhóm nhôm có thể xử lý nhiệt, có cường độ cao trong đó đồng là nguyên tố làm tăng cường chính, được bổ sung bởi magie và các thành phần vi lượng khác như sắt, niken và crom.

Nguyên tố hợp kim chính của hợp kim này là đồng và magie, với việc bổ sung vi lượng có chủ ý bằng niken, sắt, mangan và lượng nhỏ titan/crom. Tăng cường cơ học chủ yếu đạt được bằng cách xử lý nhiệt dung dịch theo sau là làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo, tạo ra các pha kết tủa mịn Al2Cu (θ′) và các pha liên quan; việc thêm niken điều chỉnh sự ổn định của các pha kết tủa để cải thiện khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao.

Đặc điểm chính của 2618 bao gồm cường độ tĩnh và nhiệt độ cao cao, độ dẻo vừa phải, và khả năng chống ăn mòn nội tại tương đối kém so với các dòng 5xxx/6xxx. Khả năng hàn hạn chế và cần quy trình đặc biệt; khả năng tạo hình vừa phải khi ở trạng thái ủ, nhưng giảm sau khi xử lý lão hóa tăng cứng. Các ngành công nghiệp điển hình của 2618 bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô hiệu năng cao (đặc biệt là các chi tiết động cơ) và các ứng dụng khác đòi hỏi cường độ cao ở nhiệt độ cao hoặc khả năng chống mỏi vượt trội.

Kỹ sư chọn 2618 khi sự kết hợp giữa cường độ cao, giữ được tính chất ở nhiệt độ cao và hiệu suất mỏi quan trọng hơn khả năng chống ăn mòn giảm và khó khăn hơn trong hàn. Hợp kim này thường được ưu tiên so với các loại nhôm có cường độ thấp hơn khi giảm khối lượng chi tiết, ổn định kích thước ở nhiệt độ và hiệu suất chịu tải chu kỳ là các yếu tố thiết kế then chốt.

Biến thể trạng thái

Trạng thái	Cấp độ cường độ	Độ dãn	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Ủ hoàn toàn, dễ tạo hình và gia công nhất
H12	Thấp - Trung bình	Trung bình - Thấp	Khá	Khá	Làm cứng biến dạng, tăng cường hạn chế
H14	Trung bình	Thấp - Trung bình	Hạn chế	Khá	Làm cứng biến dạng nhẹ cho cường độ vừa phải
T4	Trung bình - Cao	Trung bình	Khá	Kém	Xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa tự nhiên
T6	Cao	Thấp - Trung bình	Kém	Kém	Xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa nhân tạo để đạt cường độ tối đa
T61 / T651	Cao	Thấp - Trung bình	Kém	Kém	Trạng thái ổn định với kiểm soát ứng suất dư và lão hóa
T62 / T64	Cao	Thấp - Trung bình	Kém	Kém	Hồ sơ lão hóa thay thế cho tính năng creep/cường độ tùy chỉnh

Trạng thái ảnh hưởng chủ yếu đến sự cân bằng giữa cường độ và độ dẻo: vật liệu ủ (O) cung cấp khả năng tạo hình và gia công tối đa nhưng cường độ thấp, trong khi các họ T6/T61 tối đa hóa cường độ với đánh đổi là độ dãn và khả năng tạo hình nguội bị giảm. Trạng thái ổn định T61/T651 làm giảm ứng suất dư và biến dạng trong các chi tiết gia công, rất quan trọng đối với rèn hàng không và các tiết diện lớn cần ổn định kích thước cao.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0.10–0.50	Kiểm soát lượng silic thấp để hạn chế khiếm khuyết đúc; ảnh hưởng cường độ nhỏ
Fe	0.20–1.20	Nguyên tố tạp; nồng độ cao tạo các pha intermetallic làm giảm độ dẻo
Mn	0.30–1.30	Cải thiện cường độ qua các pha phân tán và làm tinh cấu trúc hạt
Mg	1.00–1.70	Phối hợp với Cu để thúc đẩy kết tủa lão hóa tăng cứng và tăng cường độ
Cu	2.30–3.30	Nguyên tố làm tăng cường chính tạo pha kết tủa Al2Cu trong quá trình lão hóa
Zn	≤0.25	Kẽm thấp; không phải nguyên tố hợp kim chính trong 2618
Cr	0.05–0.35	Vi hợp kim dùng để kiểm soát hạt và hạn chế tái tạo tinh thể
Ti	0.05–0.30	Chất tinh hạt sử dụng trong đúc/rắn kết
Khác	Cân bằng Al; niken vi lượng ~0.60–1.30	Thêm niken (thường 0.6–1.3%) phổ biến để cải thiện cường độ nhiệt độ cao; các tạp chất khác biến đổi

Thành phần hóa học được điều chỉnh để hỗ trợ quá trình tăng cường kết tủa chủ yếu qua các pha Al–Cu với Mg thúc đẩy tốc độ kết tủa và điều chỉnh thành phần kết tủa. Niken và crom đóng vai trò vi hợp kim để ổn định pha phân tán và kéo dài khả năng giữ cường độ ở nhiệt độ cao, trong khi mangan và titan giúp kiểm soát cấu trúc hạt và hình thái pha intermetallic, cải thiện độ dai va đập và tuổi thọ mỏi.

Tính chất cơ học

Trong sử dụng, 2618 thể hiện cường độ kéo cao và giới hạn chảy đủ tốt khi được xử lý nhiệt dạng T6/T61, với tỷ lệ kéo/giới hạn chảy thường trong khoảng 1.2–1.4. Độ dãn giảm khi đạt trạng thái lão hóa tối ưu, thường ở mức một chữ số đến vài phần trăm, ảnh hưởng đến chiến lược tạo hình và gia công liên kết. Khả năng chống mỏi là điểm mạnh của 2618 so với nhiều hợp kim nhôm khác, đặc biệt khi cấu trúc vi mô và hoàn thiện bề mặt được kiểm soát tốt.

Độ cứng phụ thuộc chặt chẽ vào trạng thái nhiệt luyện; vật liệu ủ mềm và dễ gia công trong khi trạng thái lão hóa tăng cứng đạt độ cứng Brinell/Vickers cao hơn đáng kể phù hợp với sự phát triển pha kết tủa mịn. Độ dày và kích thước tiết diện ảnh hưởng đến tính chất đạt được do tốc độ làm nguội trong quá trình tôi và lão hóa kế tiếp; tiết diện dày có thể cho cường độ đỉnh thấp hơn và thời gian lão hóa kéo dài để đạt được tính chất mục tiêu.

Khả năng chống ăn mòn và các yếu tố môi trường tương tác với hiệu suất cơ học: tập trung ứng suất và khiếm khuyết bề mặt có thể làm giảm tuổi thọ mỏi và tăng tốc độ hình thành nứt trong môi trường chứa clo. Các biện pháp xử lý bề mặt phù hợp, phủ bảo vệ và thiết kế dự phòng ăn mòn thường cần thiết để đảm bảo khai thác tối ưu các ưu điểm cơ học của 2618.

Tính chất	O/Ủ	Trạng thái chính (ví dụ T6/T61)	Ghi chú
Cường độ kéo	~180–260 MPa	~420–480 MPa	Giá trị đỉnh phụ thuộc vào hồ sơ lão hóa và độ dày tiết diện
Giới hạn chảy	~100–150 MPa	~320–380 MPa	Giới hạn chảy thay đổi theo trạng thái và biến dạng trước đó
Độ dãn	~20–30%	~6–12%	Độ dãn giảm đáng kể sau lão hóa tăng cứng
Độ cứng	~50–80 HB	~120–150 HB	Độ cứng tương quan với mật độ và phân bố pha kết tủa

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	~2.78 g/cm³	Cao hơn một chút so với nhôm nguyên chất do đồng và các nguyên tố hợp kim khác
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~500–635 °C	Phạm vi từ nhiệt độ rắn đến lỏng phụ thuộc vào hóa học vùng và pha intermetallic
Độ dẫn nhiệt	~120–140 W/m·K	Thấp hơn nhôm nguyên chất; đồng làm giảm dẫn nhiệt so với dòng 1xxx
Độ dẫn điện	~20–40 %IACS	Giảm bởi hợp kim; giá trị thay đổi theo trạng thái nhiệt và gia công
Nhiệt dung riêng	~880 J/kg·K	Điển hình cho hợp kim nhôm; thay đổi nhẹ theo nhiệt độ
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K	Tương đương các hợp kim nhôm khác; thiết kế phải tính tới giãn nở nhiệt khác biệt

Độ dẫn nhiệt tương đối cao so với thép làm cho 2618 hữu ích nơi cần tản nhiệt hiệu quả, mặc dù thấp hơn các hợp kim nhôm dẫn nhiệt cao. Mật độ và hệ số giãn nở nhiệt của hợp kim tương tự các hợp kim nhôm khác nhưng cần được tính toán khi ghép nối với vật liệu khác loại hoặc thiết kế với dung sai nhiệt chặt. Phạm vi nhiệt độ nóng chảy/solidus ảnh hưởng các khoảng cửa sổ rèn và xử lý nhiệt, quy định nhiệt độ an toàn khi gia công.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Đặc Tính Cơ Lực	Độ Ứng Xử Thường Gặp	Ghi Chú
Tấm	0.5–6 mm	Tấm mỏng đạt gần độ bền tối đa thông qua các độ ứng xử phù hợp	O, T4, T6	Sử dụng khi cần tạo hình vừa phải và tỷ số bền/trọng lượng cao
Thép tấm dày	6–100+ mm	Phần dày có thể bị lão hóa thiếu và cần gia công lão hóa lâu hơn	T6, T61, T651	Thép tấm nặng dùng cho các chi tiết kết cấu và rèn
Đùn (Extrusion)	Hình dạng phức tạp với kích thước mặt cắt lớn	Đặc tính đùn thay đổi theo làm nguội và lão hóa	O, T6 (sau lão hóa)	Đùn hưởng lợi từ kiểm soát cấu trúc hạt và xử lý nhiệt sau tạo hình
Ống	Ống thành mỏng đến thành dày	Độ bền phụ thuộc vào phương pháp tạo hình và xử lý nhiệt tiếp theo	O, T6	Dùng trong các ứng dụng ống cấu trúc và chịu tải trọng cao
Thanh/Trục	Đường kính từ nhỏ đến lớn	Thanh giữ khả năng gia công tốt ở tình trạng O, độ bền cao khi được lão hóa	O, T6, T61	Phổ biến cho các chi tiết gia công tiện và phay trong hàng không vũ trụ

Quy trình xử lý (đúc, đùn, cán, rèn) ảnh hưởng đáng kể đến vi cấu trúc, sự phân bố pha kết tủa và trạng thái ứng suất dư. Các phần dày yêu cầu quy trình tôi và lão hóa cẩn thận để giảm thiểu vùng mềm nội tại và đảm bảo hiệu suất cơ học đồng đều; với các chi tiết hàng không vũ trụ quan trọng, việc thẳng trục và giảm căng thẳng (T651) là tiêu chuẩn để kiểm soát biến dạng.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	2618	USA	Định danh chính của Hiệp hội Nhôm Mỹ
EN AW	AlCu2.5Mg (xấp xỉ)	Châu Âu	Tương tự hóa học gần đúng, không phải là tương đương chính xác từng chi tiết
JIS	A2618 (xấp xỉ)	Nhật Bản	Định danh địa phương khác nhau; cần tham khảo tiêu chuẩn quốc gia để biết chính xác
GB/T	2A61	Trung Quốc	Thông thường được trích dẫn là tương đương nội địa trong tiêu chuẩn Trung Quốc

Các tương đương một-một trực tiếp là xấp xỉ bởi vì đặc điểm kỹ thuật vùng miền kiểm soát giới hạn tạp chất, hợp kim vi lượng cho phép và phương pháp thử cơ học. Khi thay thế, luôn kiểm tra chéo các yêu cầu tính chất cơ học và quy trình xử lý nhiệt thay vì chỉ dựa vào tương đương hóa học định danh. Nguyên tố vết và hợp kim vi lượng (đặc biệt là hàm lượng Ni) trong các biến thể 2618 có thể tạo khác biệt lớn về khả năng chịu nhiệt độ cao và mỏi theo tiêu chuẩn khác nhau.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Ở môi trường khí quyển, 2618 có khả năng chống ăn mòn kém hơn so với các dòng 5xxx (Mg) và 6xxx (Mg+Si) do hàm lượng đồng khá cao; các pha kết tủa giàu đồng và pha liên kim hoạt động như các cực catốt cục bộ thúc đẩy quá trình ăn mòn galvanic. Trong môi trường trung tính đến nhẹ ăn mòn với lớp phủ hoặc anod hóa thích hợp, tuổi thọ sử dụng có thể chấp nhận được, nhưng tuyệt đối không để tiếp xúc trực tiếp với các môi trường ăn mòn mạnh.

Trong môi trường biển hoặc chứa chloride, 2618 dễ bị ăn mòn dạng lỗ thủng và ăn mòn hạt nếu không được bảo vệ đúng cách; dạng ăn mòn cục bộ do chloride là một cơ chế phá hủy phổ biến. Tính dễ bị nứt ăn mòn ứng suất (SCC) cao hơn nhiều so với các hợp kim Al-Mg, nhất là dưới ứng suất kéo và môi trường ăn mòn; thiết kế phải giảm thiểu ứng suất triaxial và xem xét dùng lớp phủ bảo vệ, bảo vệ catốt hoặc anode hy sinh.

Tương tác galvanic với kim loại quý hơn (vd: thép không gỉ, đồng) có thể làm tăng tốc độ ăn mòn cục bộ của 2618, vì vậy khuyến nghị dùng cách điện hoặc phần cứng đồng bộ. So với các dòng 1xxx/3xxx, 2618 đánh đổi khả năng chống ăn mòn lấy độ bền và khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, do đó phải thường xuyên áp dụng các biện pháp chống ăn mòn (phủ, chất ức chế, kiểm soát môi trường) trong các ứng dụng dài hạn.

Các Đặc Tính Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 2618 khó khăn do hàm lượng đồng cao và đặc tính tăng cứng theo tuổi gây mềm vùng ảnh hưởng nhiệt và dễ nứt nóng. Hàn hồ quang (TIG/MIG) có thể thực hiện cho mối hàn không thiết yếu với kiểm soát nghiêm ngặt tiền nhiệt, chọn chất đắp phù hợp và xử lý nhiệt sau hàn; vật liệu đắp dựa trên hợp kim Al-Cu-Mg hoặc hệ Al-Cu-Ni thường được khuyến nghị để vừa sức bền vừa giảm nguy cơ nứt. Với các chi tiết hàng không vũ trụ quan trọng, thường tránh hàn và ưu tiên dùng liên kết cơ khí hoặc dán keo do khó phục hồi tính chất sau hàn đối với kết cấu lớn.

Khả năng gia công

2618 ở trạng thái ủ cho khả năng gia công tương đối tốt với dụng cụ cacbua tiêu chuẩn; các độ ứng xử lão hóa đỉnh cứng hơn và mài mòn hơn do các pha kết tủa. Thông thường sử dụng dụng cụ cứng, góc cắt dương và dung dịch làm mát để kiểm soát nhiệt độ khi cắt; tốc độ cắt nên thận trọng so với các hợp kim nhôm dễ gia công, và lớp phủ dụng cụ chống bám dính mảnh cắt giúp giảm hiện tượng tích tụ lưỡi cắt (BUE). Mảnh cắt thường liên tục và dẻo; tốc độ tiến dao mạnh và dụng cụ sắc giúp giảm hiện tượng làm cứng kim loại trước vùng cắt.

Khả năng tạo hình

Tạo hình tốt nhất thực hiện ở trạng thái O (ủ), nơi bán kính uốn có thể nhỏ và độ đàn hồi bật lại dễ kiểm soát; bán kính uốn tối thiểu thường khoảng 1–2 lần độ dày vật liệu tùy theo công cụ và độ dày thành. Tạo hình nguội sau khi tăng cứng tuổi bị hạn chế do độ dẻo giảm và ứng suất dư cao; khi cần tạo hình hình dạng cuối cùng, khuyến nghị sử dụng chiến lược kết hợp xử lý hoà tan – tạo hình hoặc tạo hình ở trạng thái ủ rồi lão hóa. Đối với các hình dạng phức tạp, phương pháp tạo hình nóng hoặc siêu dẻo hiếm khi dùng — các dòng hợp kim khác được ưu tiên cho nhu cầu tạo hình cực đoan.

Phản Ứng Xử Lý Nhiệt

Như một hợp kim dòng 2xxx có thể xử lý nhiệt, 2618 đáp ứng tốt với xử lý hoà tan, tôi và lão hóa nhân tạo có kiểm soát để phát triển độ bền cao. Xử lý hoà tan thường diễn ra trong khoảng 510–535 °C để hòa tan pha Al2Cu, sau đó làm nguội nhanh để giữ dung dịch rắn quá bão hòa. Chế độ lão hóa nhân tạo thường sử dụng nhiệt độ trung gian (ví dụ 160–190 °C) trong vài giờ để tạo kết tủa mịn θ′ và các pha liên quan nhằm tối đa hóa độ bền đồng thời cân bằng tính dai va đập.

Chuyển đổi các độ ứng xử T phụ thuộc vào quá trình chế biến: T4 chỉ xử lý hoà tan và lão hóa tự nhiên, T6 là xử lý hoà tan và lão hóa nhân tạo đạt độ cứng đỉnh, còn T61/T651 biểu thị bước ổn định hóa và giảm ứng suất để hạn chế ứng suất dư hoặc tác động biến dạng trước đó. Quá lão hóa tạo pha kết tủa thô giảm độ bền nhưng cải thiện độ dai và khả năng chống ăn mòn; quá trình quá lão hóa có kiểm soát đôi khi được dùng để tăng cường chống nứt ăn mòn ứng suất hoặc giảm nhạy cảm với tôi nguội.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

2618 duy trì độ bền tốt ở nhiệt độ cao hơn so với các hợp kim thông dụng dòng 6xxx nhờ bổ sung niken và đồng giúp ổn định pha kết tủa. Độ bền tĩnh hữu ích có thể duy trì trong khoảng 150–250 °C tùy theo độ ứng xử và hàm lượng Ni; trên mức này, pha kết tủa phát triển thô và làm mềm nhanh, đồng thời ứng suất creep dài hạn trở thành vấn đề thiết kế. Oxy hóa không phải là cơ chế hỏng chính của nhôm ở nhiệt độ này trong không khí, nhưng mất tính chất cơ học và có thể xuất hiện vẩy bề mặt trong môi trường ăn mòn mạnh.

Vùng ảnh hưởng nhiệt quanh mối hàn mất độ bền do hòa tan và phát triển pha kết tủa, và có thể xảy ra phục hồi/mềm hóa ở nhiệt độ sau hàn thấp. Với nhiệt độ làm việc trên khoảng 200–250 °C, nhà thiết kế nên kiểm chứng ứng xử creep ngắn và dài hạn, và xem xét dùng hợp kim được tối ưu hóa cho độ ổn định nhiệt cao nếu cần vận hành liên tục ở nhiệt độ cao.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Dùng 2618
Ô tô	Piston hiệu suất cao, thanh truyền	Độ bền tĩnh cao và bền nhiệt, khả năng chống mỏi
Hàng hải	Giá đỡ kết cấu và phụ kiện (được bảo vệ)	Tỷ số bền/trọng lượng cao khi có lớp phủ chống ăn mòn
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, bạc đạn, chi tiết hệ thống bánh hạ cánh	Độ bền cao, khả năng chống mỏi, ổn định kích thước sau lão hóa
Điện tử	Tấm tản nhiệt và giá đỡ kết cấu	Dẫn nhiệt tốt kết hợp với cơ tính cao hơn

Mặc dù 2618 không phải là hợp kim tấm đa dụng, sự kết hợp giữa độ bền cao và tính chất nhiệt tương đối tốt khiến nó hấp dẫn cho các chi tiết cần giảm trọng lượng, duy trì độ bền ở nhiệt độ cao và tuổi thọ mỏi lâu dài. Các biện pháp xử lý bề mặt bảo vệ và chiến lược liên kết tỉ mỉ thường được áp dụng để đạt hiệu suất bền vững trong môi trường sử dụng.

Gợi Ý Lựa Chọn

Chọn 2618 khi thiết kế yêu cầu độ bền tĩnh cao, duy trì cơ tính ở nhiệt độ cao và khả năng chống mỏi vượt trội hơn là khả năng chống ăn mòn nội tại hay hàn dễ dàng. Sử dụng 2618 trạng thái ủ để tạo hình và gia công, và áp dụng lão hóa hoặc ổn định có kiểm soát khi cần độ ổn định kích thước và độ bền đỉnh.

So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ, 1100), hợp kim 2618 đổi lại khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cùng độ dễ tạo hình vượt trội lấy đổi cho sức bền và khả năng chịu mỏi cao hơn nhiều. So với các hợp kim làm cứng bằng cách gia công như 3003 hoặc 5052, 2618 cung cấp sức bền cao hơn đáng kể nhưng thường có khả năng chống ăn mòn kém hơn và khó ghép nối hơn; do đó, lựa chọn 2618 cho các chi tiết kết cấu chịu tải trọng cao thay vì các chi tiết tấm kim loại thông thường. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt phổ biến như 6061/6063, 2618 thường mang lại sức bền và khả năng chịu mỏi ở nhiệt độ cao tốt hơn; tuy nhiên, 6061 có khả năng chống ăn mòn và tính hàn tốt hơn — sử dụng 2618 khi hiệu suất cơ học ở nhiệt độ cao là yếu tố quyết định.

Tóm Tắt Cuối

Hợp kim 2618 vẫn là lựa chọn nhôm cường độ cao chuyên dụng, nơi yêu cầu tăng cường sức bền bằng đồng cho xử lý nhiệt và hiệu suất chịu nhiệt cao mặc dù phải đánh đổi khả năng chống ăn mòn và tính hàn. Với quá trình xử lý cẩn thận, lựa chọn trạng thái nhiệt luyện và bảo vệ bề mặt phù hợp, 2618 mang đến sự kết hợp hấp dẫn giữa sức bền, khả năng chống chịu mỏi và tính chất nhiệt cho các ứng dụng hàng không vũ trụ, ô tô và kết cấu hiệu suất cao đòi hỏi khắt khe.