Nhôm 319: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ tôi luyện & Ứng dụng

Tổng quan chi tiết

319 là hợp kim nhôm đúc thuộc dòng 3xx của các hợp kim đúc Al-Si-Cu. Nó được thiết kế chủ yếu như hợp kim nhôm đúc có thể xử lý nhiệt, giàu silic, trong đó đồng được thêm vào để tăng cường độ bền và cải thiện tính ổn định cơ học ở nhiệt độ cao.

Các nguyên tố hợp kim chính là silic và đồng, với hàm lượng sắt, mangan, magiê, crôm cùng các vết titan và các nguyên tố khác được kiểm soát chặt chẽ. Việc tăng cường cơ tính chủ yếu đến từ quá trình xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo (tôi kết tủa các pha giàu Cu) kết hợp với việc làm tinh tế cấu trúc vi mô của silic eutectic và pha intermetallic phân tán.

Những đặc tính nổi bật của 319 bao gồm độ bền tương đối cao ở trạng thái đúc và sau lão hóa, tính ổn định nhiệt tốt, khả năng chống ăn mòn hợp lý trong môi trường ô tô, cùng khả năng đúc tốt cho các chi tiết phức tạp mỏng. Tính hàn và gia công cơ khí đều tốt khi sử dụng vật tư và quy trình phù hợp, trong khi khả năng tạo hình bị hạn chế so với các hợp kim cán nóng; điều này làm 319 lý tưởng cho các chi tiết đúc thay vì tấm hoặc thanh ép định hình.

Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng 319 bao gồm chi tiết truyền động và kết cấu ô tô, linh kiện động cơ và hộp số, vỏ bơm, cùng một số phụ kiện hàng hải. Các kỹ sư thường chọn 319 khi cần các hình học phức tạp và độ bền trung bình đến cao sau xử lý nhiệt, cũng như khi lợi ích về công đoạn đúc và tích hợp kích thước vượt trội hơn so với các sản phẩm cán nóng.

Các biến thể nhiệt luyện

Nhiệt luyện	Cấp độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Tính hàn	Ghi chú
O (ủ/đúc nguyên bản)	Thấp	Trung bình	Bị hạn chế	Được với quy trình sửa chữa	Trạng thái đúc nguyên bản hoặc giảm ứng suất; độ dẻo cao nhất trong các nhiệt luyện đúc
T5	Trung bình-cao	Trung bình-thấp	Bị hạn chế	Tốt khi làm nóng trước	Làm nguội sau khi đúc và lão hóa nhân tạo; tăng cường độ bền mà không cần xử lý dung dịch
T6	Cao	Thấp-trung bình	Bị hạn chế	Có thể sửa chữa; nguy cơ làm mềm khu vực ảnh hưởng nhiệt (HAZ)	Xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa nhân tạo; nhiệt luyện phổ biến cho 319
T7	Trung bình	Trung bình	Bị hạn chế	Tốt khi sử dụng vật liệu hàn phù hợp	Hậu lão hóa để ổn định nhiệt và kích thước
Hxxxx (làm nguội cục bộ)	Thay đổi	Thay đổi	Kém	Thường cần quy trình đặc biệt	Ít khi sử dụng làm nguội cục bộ; phần lớn ứng dụng 319 dựa trên xử lý nhiệt hơn là tạo nguội rộng rãi

Nhiệt luyện kiểm soát rõ rệt sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo của các chi tiết đúc 319. T6 cho độ bền thực tế cao nhất cho nhiều chi tiết nhưng làm giảm độ dẻo và tăng nguy cơ làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt khi sửa chữa hàn; T7 hoặc T5 được lựa chọn khi cần tính ổn định nhiệt hoặc độ bền sau đúc mà không cần xử lý dung dịch đầy đủ.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	5.5–7.5	Nguyên tố hợp kim chính cho đúc; cải thiện dòng chảy và giảm co ngót
Fe	≤1.3	Nguyên tố tạp chất; tạo thành pha intermetallic làm giòn và ảnh hưởng đến mỏi
Mn	0.2–0.6	Kiểm soát hình thái pha Fe intermetallic và cải thiện độ dai va đập
Mg	0.05–0.45	Góp phần nhỏ vào quá trình tôi kết tủa ở một số nhiệt luyện; thường được kiểm soát thấp
Cu	2.5–4.0	Nguyên tố hợp kim chính tăng cường qua sự kết tủa các pha giàu Cu
Zn	≤0.2	Nguyên tố nhỏ; thường giới hạn để kiểm soát ăn mòn
Cr	0.04–0.25	Làm tinh tế cấu trúc hạt và ổn định vi cấu trúc chống lại quá trình lão hóa quá mức
Ti	0.02–0.12	Chất tinh tinh hạt để kiểm soát vi cấu trúc đúc
Khác	≤0.15	Bao gồm Ni, Pb, Sn, Bi và các tạp chất còn lại; giữ ở mức thấp để duy trì khả năng đúc và tính cơ học

Các phạm vi thành phần trên đại diện cho các tiêu chuẩn phổ biến của A319; giới hạn thực tế tùy thuộc vào tiêu chuẩn cung cấp và quy trình luyện đúc. Silic làm nền cho tính chất đúc và hình thái eutectic, trong khi đồng cung cấp cơ chế tôi cứng qua kết tủa sau xử lý dung dịch và lão hóa; sắt và mangan kiểm soát hình thái pha intermetallic ảnh hưởng đến độ dẻo và khả năng chịu mỏi.

Tính chất cơ học

Hành vi kéo của 319 phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt luyện và độ dày tiết diện. Ở trạng thái đúc hoặc ít biến đổi, hợp kim thể hiện giới hạn bền kéo trung bình với độ dãn dài hợp lý, trong khi các trạng thái xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo (T6) làm tăng rõ rệt giới hạn chảy và giới hạn bền kéo nhưng đi kèm với giảm độ dẻo.

Giới hạn chảy được cải thiện đáng kể nhờ sự kết tủa của các pha giàu Cu trong trạng thái T6; tỷ lệ giới hạn chảy trên bền kéo chỉ ra vùng chuyển tiếp đàn hồi – dẻo tương đối hẹp so với các hợp kim cán nóng có độ dẻo cao hơn. Độ dãn dài thường bị giới hạn ở các tiết diện dày do sự thô ráp của silic eutectic và mạng lưới intermetallic, do đó thiết kế cần tính đến độ dẻo thấp ở các chi tiết thành dày.

Độ cứng liên quan đến nhiệt luyện và vi cấu trúc, tăng rõ rệt sau xử lý dung dịch và lão hóa; giá trị Brinell phản ánh điều này với T6 cứng hơn đáng kể so với đúc nguyên bản. Hiệu suất mỏi thuộc loại trung bình và bị ảnh hưởng mạnh bởi khuyết tật đúc, hoàn thiện bề mặt và pha intermetallic; các phương pháp cải thiện mỏi phổ biến bao gồm xử lý bắn bi, gia công bề mặt và xử lý nhiệt phù hợp.

Tính chất	O/Ủ	Nhiệt luyện chính (T6)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	180–240 MPa (ước tính)	260–350 MPa (ước tính)	Biến thiên rộng theo độ dày tiết diện và phương pháp đúc
Giới hạn chảy	90–140 MPa (ước tính)	170–240 MPa (ước tính)	Kết tủa Cu làm tăng đáng kể giới hạn chảy trong T6
Độ dãn dài	2–10% (biến đổi theo tiết diện)	1–6% (biến đổi theo tiết diện)	Độ dãn giảm ở T6 và tăng độ dày tiết diện
Độ cứng	60–90 HB (ước tính)	90–130 HB (ước tính)	Độ cứng tương ứng với trạng thái kết tủa và hình thái silic

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.68 g/cm³	Điển hình cho các hợp kim đúc Al–Si; tỉ lệ bền trên khối lượng tốt
Nhiệt độ nóng chảy	~520–640 °C	Phạm vi trạng thái đông đặc tùy thuộc hàm lượng Si và Cu; có đặc trưng eutectic
Độ dẫn nhiệt	~120 W/m·K (ước tính)	Thấp hơn nhôm nguyên chất do hợp kim; đủ cao cho nhiều ứng dụng nhiệt
Độ dẫn điện	~30–40 % IACS (ước tính)	Giảm so với nhôm nguyên chất do pha hợp kim và intermetallic
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Điển hình cho hợp kim nhôm trong dải nhiệt độ phòng
Hệ số giãn nở nhiệt	~22–24 µm/m·K	Giống với các hợp kim đúc Al–Si khác

Bộ tính chất vật lý này hỗ trợ việc lựa chọn 319 cho các chi tiết đúc chịu tải nhiệt, nơi cần tiết kiệm trọng lượng và khả năng dẫn nhiệt hợp lý. Hành vi nóng chảy và đông đặc rất quan trọng trong thiết kế khuôn và kiểm soát rỗ khí do hợp kim có phạm vi đông đặc rộng và tạo thành các pha intermetallic phức tạp.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi bền	Nhiệt luyện phổ biến	Ghi chú
Đúc (cát, khuôn vĩnh cửu, ép khuôn)	Thành mỏng đến tiết diện dày (1 mm đến >100 mm)	Biến thiên lớn theo độ dày và tốc độ làm nguội	O, T5, T6, T7	Dạng sản phẩm chính; tuyệt vời cho các chi tiết phức tạp tích hợp
Tấm / Tấm Đúc	Đến vài chục mm (đúc hoặc đồng nhất hóa)	Hành vi tương tự đúc; cán nóng ít phổ biến	O, T6 sau xử lý nhiệt	Hiếm tấm cán; thường đúc theo kích thước và gia công hoàn thiện
Ép đùn	Không phổ biến	Không áp dụng	—	319 không được sản xuất như phôi ép đùn tiêu chuẩn; thành phần không tối ưu cho ép đùn
Ống	Hạn chế (ống đúc hoặc gia công)	Thay đổi	O, T6	Ống đúc hoặc gia công từ phôi đúc dùng cho các chi tiết đặc biệt
Thanh / Que	Hạn chế (thanh đúc)	Thay đổi	O, T6	Có sẵn dưới dạng phôi hoặc thỏi đúc cho gia công; không phổ biến dạng thanh cán

319 chủ yếu là hợp kim đúc và phần lớn dạng sản phẩm là các chi tiết đúc được sản xuất bằng phương pháp đúc cát, khuôn vĩnh cửu hoặc ép khuôn có áp lực. Các dạng nắn nóng và sản phẩm tấm/cán/ép đùn truyền thống hiếm hoặc không chuẩn vì thành phần hợp kim được tối ưu cho khả năng đúc và tôi kết tủa thay vì tạo nguội rộng rãi.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	319	USA	Chỉ định hợp kim đúc của Aluminum Association; thông số cơ bản phổ biến
EN	AlSi9Cu (xấp xỉ)	Châu Âu	Thành phần và ứng dụng xấp xỉ; đặc tính cơ học chính xác khác nhau theo tiêu chuẩn
JIS	AC9x (xấp xỉ)	Nhật Bản	Các loại đúc của Nhật với nhóm Si–Cu tương đương; kiểm tra số hiệu JIS cụ thể
GB/T	AlSi9Cu3 (xấp xỉ)	Trung Quốc	Hợp kim đúc phổ biến tại Trung Quốc với tỷ lệ Si và Cu tương tự; kiểm tra dung sai địa phương

Không có tiêu chuẩn toàn cầu nào tương ứng chính xác với A319 vì các nhóm hợp kim đúc khác nhau theo khu vực, và tiêu chuẩn phân nhóm hợp kim theo cách khác nhau. Các mác tương đương nêu trên chỉ là sự tương đồng về thành phần hoặc chức năng; kỹ sư cần so sánh giới hạn hóa học và cơ học cụ thể trong từng tiêu chuẩn trước khi thay thế.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Khả năng chống ăn mòn khí quyển của 319 nói chung khá tốt cho môi trường ô tô và công nghiệp vì ma trận giàu silic và hàm lượng đồng được kiểm soát giúp tạo thành lớp thụ động hợp lý. Tuy nhiên, đồng làm giảm khả năng chống ăn mòn so với các hợp kim nhôm rất thấp đồng và có thể làm tăng nguy cơ ăn mòn cục bộ trong môi trường chứa chloride mạnh.

Ở môi trường biển hoặc phơi nhiễm chloride cao, 319 hoạt động tương đối tốt nhưng không bằng các hợp kim chuyên dụng cho môi trường biển như hợp kim Al–Mg dòng 5xxx hoặc một số vật liệu thép không gỉ; thường xuyên dùng lớp phủ hy sinh, anode hóa hoặc sơn bảo vệ để nâng cao tuổi thọ sử dụng. Khả năng chống đục lỗ chịu ảnh hưởng bởi độ xốp của đúc, hoàn thiện bề mặt và xử lý nhiệt; do đó, làm kín hoặc gia công sau khi đúc thường cải thiện hiệu suất lâu dài.

Nứt ăn mòn do ứng suất (SCC) không phải là kiểu hỏng chủ đạo của 319 dưới nhiệt độ sử dụng bình thường, nhưng sự có mặt của đồng và ứng suất dư kéo (ví dụ do hàn) có thể làm tăng nguy cơ SCC trong môi trường rất ăn mòn. Tương tác điện hóa với kim loại quý hơn (ví dụ: thép không gỉ, đồng) có thể tăng tốc ăn mòn cục bộ tại điểm tiếp xúc, do đó nên sử dụng cách điện hoặc lớp phủ tại nơi tiếp xúc kim loại khác loại.

So với các nhóm hợp kim khác, 319 có khả năng chống ăn mòn tốt hơn các hợp kim rèn đồng cao nhưng yếu hơn dòng hợp kim Al–Mg 5xxx; các nhà thiết kế chọn 319 khi ưu tiên khả năng đúc và ổn định nhiệt trong khi chấp nhận các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn ở mức trung bình.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn các chi tiết đúc 319 có thể thực hiện được bằng các kỹ thuật TIG, MIG hoặc hàn chấm khi được gia nhiệt trước đúng cách và lựa chọn dây hàn phù hợp. Hợp kim dây hàn nhôm-silic như ER4043 hoặc ER4047 thường được khuyến nghị để giảm nguy cơ nứt nóng và thích ứng với sự khác biệt về giãn nở nhiệt và nhiệt độ nóng chảy.

Vùng ảnh hưởng nhiệt có thể bị làm mềm cục bộ do hòa tan hoặc phát triển các pha kết tủa trong chi tiết đã xử lý nhiệt; các mối hàn sửa chữa cần được xử lý nhiệt đúng quy trình khi yêu cầu ổn định kích thước và tính chất cơ học. Gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và giảm thiểu giữ cố định giúp giảm nứt và biến dạng khi hàn.

Khả năng gia công

319 được đánh giá là vật liệu thích hợp để gia công do có silic eutectic giúp phá vỡ phoi và độ bền mài mòn của dụng cụ không giảm quá nhanh. Nên dùng dụng cụ cacbua có góc cắt dương và kiểm soát làm mát tốt để đạt tốc độ cắt cao và bề mặt gia công ổn định.

Tốc độ cắt hợp kim nhôm đúc thường cao hơn thép, nhưng phải điều chỉnh theo hàm lượng silic và độ cứng mặt cắt; tuổi thọ dụng cụ được cải thiện khi loại bỏ phoi hiệu quả và tránh mài mòn lâu. Độ mịn bề mặt và độ chính xác kích thước phụ thuộc nhiều vào độ xốp và cấu trúc vi mô không đồng đều của đúc; gia công hoàn thiện thường thực hiện sau bước giảm ứng suất hoặc xử lý giải pháp.

Khả năng tạo hình

Việc tạo hình 319 khá hạn chế vì là hợp kim đúc, không dùng cho các quá trình biến dạng nhựa lớn; uốn, kéo hoặc dập sâu thường chỉ áp dụng cho các tiết diện mỏng hoặc được chuẩn bị đặc biệt. Tốt nhất là thiết kế các chi tiết đúc vào hình dạng chi tiết để tránh gia công tạo hình sau và tận dụng khả năng tạo hình phức tạp của đúc.

Gia công lạnh cục bộ hoặc uốn cơ học có thể áp dụng cho điều chỉnh nhỏ, nhưng tính dẻo thấp ở trạng thái tôi già và tính giòn của một số pha intermetallic hạn chế việc tạo hình rộng. Nếu cần chi tiết tạo hình, nên cân nhắc sử dụng hợp kim rèn hoặc thiết kế tính năng ngay trong quá trình đúc để loại bỏ bước tạo hình.

Ứng Xử Xử Lý Nhiệt

319 là hợp kim đúc có thể xử lý nhiệt, phản ứng tốt với xử lý giải pháp và ủ nhân tạo để phát triển cấu trúc vi mô được tăng cường kết tủa. Xử lý giải pháp thường thực hiện ở nhiệt độ ~505–545 °C trong vài giờ tùy độ dày chi tiết, sau đó làm nguội nhanh nhằm giữ nguyên các nguyên tử hòa tan trong dung dịch rắn.

Ủ nhân tạo (T6) thường thực hiện ở nhiệt độ ~150–200 °C trong vài giờ để tạo kết tủa pha giàu Cu (theta prime và các intermetallic liên quan) làm tăng giới hạn bền và độ cứng. T5 (ủ trực tiếp) được dùng khi không thể xử lý giải pháp hoàn toàn; cũng cải thiện tính chất nhưng thường thấp hơn so với T6 đầy đủ.

Điều kiện T7 hoặc quá già phát được sử dụng khi cần ổn định nhiệt và kháng biến đổi tính chất trong quá trình sử dụng; quá già phát làm các kết tủa thô hơn, giảm giới hạn bền tối đa nhưng nâng cao ổn định kích thước và khả năng chống mềm nhiệt. Kiểm soát tốc độ làm nguội, quy trình ủ và thời gian ủ tùy độ dày là yếu tố then chốt để đạt tính chất đồng nhất và hạn chế biến dạng hoặc ứng suất dư do làm nguội.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

319 duy trì độ bền cơ học có ích đến nhiệt độ cao vừa phải, nhưng pha tăng cứng bắt đầu phát triển thô trên nhiệt độ sử dụng thường vượt ~150–200 °C. Với phơi nhiễm liên tục trên nhiệt độ này, thiết kế cần dự kiến mất dần độ bền và xem xét dùng trạng thái quá già phát hoặc hợp kim chuyên dụng cho ổn định nhiệt cao.

Quá trình oxi hóa nhôm ở nhiệt độ cao chỉ ở mức độ vừa phải và tạo lớp oxit bảo vệ, nhưng môi trường và sự có mặt của chloride có thể làm thay đổi quá trình oxi hóa và tăng tốc độ xuống cấp. Vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn và các vùng tái nhiệt cục bộ có thể bị mềm và mất tính chất cao nhất khi tiếp xúc nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ thay đổi lặp đi lặp lại.

Với chi tiết chịu mỏi nhiệt hoặc tải nhiệt lặp lại, nên chọn trạng thái tôi (T7 hoặc trạng thái ổn định), kiểm soát ứng suất dư và sử dụng lớp phủ hoặc bảo vệ anode để nâng cao tuổi thọ. Với tải nhiệt cao liên tục, cần dùng hợp kim chuyên dụng cho nhiệt độ cao hoặc chuyển sang nhóm vật liệu khác.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Dùng 319
Ô tô	Vỏ hộp số và các chi tiết động cơ	Khả năng đúc tốt, tích hợp kích thước và độ bền tăng cứng theo tuổi
Hàng hải	Vỏ bơm và bộ phận đúc cấu trúc	Khả năng chống ăn mòn hợp lý với chi tiết đúc sắc nét
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện không quan trọng và giá đỡ	Độ bền trên trọng lượng cao cho chi tiết đúc phức tạp và ổn định nhiệt
Điện tử	Vỏ hộp và bộ tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt phù hợp và khả năng đúc tính năng tích hợp

319 thường được lựa chọn khi cần hình học phức tạp, bố trí gương gắn liền, đúc vách mỏng và gia công sau để giảm thao tác lắp ráp và trọng lượng. Hợp kim cân bằng khả năng đúc, độ bền sau xử lý nhiệt và chi phí cho nhiều chi tiết sản xuất hàng loạt trong ngành ô tô và vận tải.

Những Lưu Ý Khi Lựa Chọn

Khi chọn 319, ưu tiên khi cần hình học đúc phức tạp yêu cầu độ bền trung bình đến cao sau xử lý nhiệt và có các tính năng tích hợp giúp giảm thao tác lắp ráp. Khả năng đúc và hiệu suất cơ học ở trạng thái T6 làm nó trở thành lựa chọn thực tế cho vỏ hộp ô tô và công nghiệp khi hợp kim rèn không khả thi.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 319 đánh đổi độ dẫn điện và nhiệt cũng như khả năng tạo hình lấy đổi lại độ bền cao hơn đáng kể và sự ổn định nhiệt/cơ tốt hơn. So với các hợp kim làm cứng biến dạng như 3003 hoặc 5052, 319 có độ bền tăng cứng theo tuổi cao hơn nhưng thường kém khả năng chống ăn mòn ở vài môi trường; thiết kế cần bù trừ qua lớp phủ hoặc khoản dư chống ăn mòn.

So với các hợp kim rèn xử lý nhiệt phổ biến như 6061/6063, 319 có thể có hiệu suất đỉnh thấp hơn