Nhôm 356: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

356 (thường được chỉ định là A356 hoặc 356.0) là hợp kim đúc nhôm-silic-magiê thuộc nhóm hợp kim Al-Si-Mg dùng cho đúc. Nó được xếp vào nhóm hợp kim đúc dựa trên silic và được xử lý cũng như chỉ định rộng rãi dưới tên A356 theo danh pháp của Aluminum Association; các ký hiệu trong các tiêu chuẩn khác nhau phản ánh cùng thành phần hóa học Al–Si–Mg được tối ưu hóa cho hiệu suất đúc.

Nguyên tố hợp kim chính là silic (Si, khoảng 7 wt%) và magiê (Mg, thường từ 0.2–0.5 wt%), với các mức kiểm soát của sắt, đồng, mangan và các bổ sung vi lượng titan, crom để tinh chỉnh cấu trúc tinh thể và kiểm soát kích thước hạt. Hợp kim có thể xử lý nhiệt: độ bền chủ yếu đến từ quá trình làm cứng kết tủa (sự hình thành Mg2Si trong quá trình lão hóa nhân tạo) sau xử lý hòa tan và làm nguội nhanh, đồng thời kiểm soát cấu trúc vi mô qua chỉnh sửa và tinh chỉnh cấu trúc eutectic.

Đặc điểm chính của 356 bao gồm khả năng đúc và thủy động học tuyệt vời, ổn định kích thước tốt, tỷ lệ bền/trọng lượng thuận lợi sau lão hóa T6, khả năng chống ăn mòn hợp lý trong nhiều môi trường, và dẫn nhiệt chấp nhận được cho các linh kiện tản nhiệt. Khả năng hàn làm việc tốt khi sử dụng vật liệu hàn thích hợp cùng các xử lý trước/sau hàn, trong khi khả năng tạo hình giới hạn so với hợp kim rèn nhưng vẫn quản lý được cho các chi tiết đúc mỏng thành và tạo hình cục bộ.

Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng 356 bao gồm ô tô (đúc cấu trúc nhẹ, bánh xe, linh kiện treo), hàng không vũ trụ (linh kiện đúc không quan trọng, vỏ bảo vệ), hàng hải (bộ phận đúc chống ăn mòn), và điện tử (vỏ tản nhiệt và linh kiện tản nhiệt). Kỹ sư chọn 356 khi cần cân bằng giữa khả năng đúc, hiệu suất nhiệt, phản ứng làm cứng tuổi tốt và trọng lượng thấp đến trung bình so với các lựa chọn khác có độ bền cao hơn hoặc khả năng tạo hình rèn tốt hơn.

Các biến thể nhiệt độ (Temper)

Temper	Mức độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
F	Cơ bản khi chế tạo	Trung bình	Giới hạn	Tốt	Điều kiện đúc thô, không xử lý đặc biệt
O	Thấp	Cao	Tốt nhất trong các temper đúc	Tốt	Ủ mềm / trạng thái mềm hoàn toàn sau xử lý hòa tan và làm nguội chậm
T5	Trung bình-cao	Trung bình	Giới hạn	Tốt	Làm nguội từ trạng thái đúc và lão hóa nhân tạo
T6	Cao	Thấp–Trung bình	Giới hạn	Chấp nhận được với các biện pháp phòng ngừa	Xử lý nhiệt hòa tan, làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo (độ bền cực đại)
T7	Trung bình (ổn định)	Trung bình	Giới hạn	Tốt	Temper quá lão hóa hoặc ổn định để cải thiện khả năng chịu nhiệt
T4	Trung bình	Trung bình	Tốt hơn T6	Chấp nhận được	Xử lý nhiệt hòa tan và lão hóa tự nhiên; dùng cho quá trình tạo hình tiếp theo

Temper kiểm soát mạnh mẽ sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo dai trong các chi tiết đúc 356. Quá trình xử lý hòa tan, làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo (T6) tạo ra độ bền và độ cứng cao nhất nhờ kết tủa Mg2Si, nhưng làm giảm độ dãn dài và gây khó khăn cho tạo hình cục bộ hoặc gia công chảy bavia.

Các temper thấp hơn như O hoặc T4 được sử dụng khi ưu tiên khả năng tạo hình, ổn định kích thước trong quá trình gia công hoặc xử lý sau như hàn hay hàn nhiệt; T7 được chọn khi cần ổn định nhiệt và khả năng chống relaxation ứng suất, đánh đổi đôi chút với độ bền cực đại.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	6.5–7.5	Tác nhân chính cho độ bền và đúc; kiểm soát lượng eutectic và độ chảy
Fe	≤ 0.20–0.8*	Tạp chất tạo hợp chất β-AlFeSi; hạn chế để giữ độ dẻo
Mn	≤ 0.10–0.35*	Giúp chỉnh sửa hình thái hợp chất sắt; lượng nhỏ rất có lợi
Mg	0.20–0.45	Nguyên tố làm cứng tuổi (hình thành kết tủa Mg2Si trong quá trình lão hóa)
Cu	≤ 0.20	Tăng bền nhưng làm giảm khả năng chống ăn mòn nếu có nhiều
Zn	≤ 0.10	Rất thấp trong hợp kim đúc; ảnh hưởng hạn chế
Cr	≤ 0.10–0.20*	Chỉnh sửa hạt/pha để cải thiện ổn định nhiệt và kiểm soát tăng trưởng hạt
Ti	≤ 0.15	Chất tinh chỉnh hạt nhỏ, kiểm soát kích thước hạt khi đông đặc
Khác (bao gồm Sr, B, các nguyên tố đất hiếm)	vi lượng	Sr dùng phổ biến để chỉnh hình thái eutectic Si; B/Ti kiểm soát nút mầm tinh thể

*Lưu ý: Một số phạm vi thành phần khác nhau theo tiêu chuẩn và thực tiễn đúc; phạm vi trên là đại diện cho hợp kim A356/356 sản xuất thương mại và có thể thay đổi theo yêu cầu kỹ thuật từng nguồn cung.

Silic quyết định hàm lượng và đặc tính eutectic, magiê cung cấp khả năng làm cứng kết tủa cho hiệu quả lão hóa T6. Sắt và mangan kiểm soát hình thái hợp chất kim loại ảnh hưởng đến độ dai va đập và tuổi mỏi, trong khi các nguyên tố vi lượng và chất chỉnh sửa (Sr, Ti, B) được lò đúc dùng để tinh chỉnh vi cấu trúc và cải thiện tính đồng đều cơ học.

Tính chất cơ học

Hợp kim 356 thể hiện dải trải nghiệm cơ kéo rộng, phụ thuộc mạnh vào temper, độ dày tiết diện và phương pháp đúc. Ở trạng thái xử lý hòa tan và lão hóa nhân tạo T6, A356 thường có độ bền kéo và giới hạn chảy cao do kết tủa Mg2Si tinh thể mịn; tuy nhiên độ dãn dài giảm so với điều kiện ủ mềm và dễ bị ảnh hưởng bởi rỗ khí cùng cấu trúc eutectic thô. Mô đun đàn hồi gần bằng với các hợp kim nhôm khác (≈69 GPa) và không thay đổi nhiều theo temper.

Độ cứng tương quan với temper và trạng thái lão hóa: độ cứng T6 cao hơn nhiều so với trạng thái O hoặc F do sự làm cứng kết tủa. Hiệu suất mỏi chịu ảnh hưởng bởi chất lượng bề mặt, rỗ khí và hình thái silic eutectic; các chi tiết đúc A356-T6 được chỉnh sửa và tinh chỉnh đúng có thể đạt tuổi thọ mỏi cao phục vụ ngành ô tô và hàng không. Ảnh hưởng của độ dày tiết diện rõ rệt: tiết diện dày đòi hỏi thời gian xử lý hòa tan dài hơn và có thể giữ cấu trúc thô hơn cùng phân bố Mg/Si không đồng đều, giảm độ bền đạt được so với tiết diện mỏng.

Tính chất	O/Ủ mềm	Temper chính (T6)	Ghi chú
Độ bền kéo (UTS)	~120–170 MPa	~240–320 MPa	Phạm vi rộng do phương pháp đúc, kích thước tiết diện và chất lượng; độ bền cực đại T6 nhờ kết tủa Mg2Si
Giới hạn chảy (0.2% proof)	~70–120 MPa	~170–260 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh sau xử lý hòa tan và lão hóa; dao động do rỗ khí và khuyết tật đúc
Độ dãn dài (trong 50–100 mm)	~8–18%	~2–8%	Độ dẻo giảm ở trạng thái T6; ảnh hưởng lớn của rỗ khí và cấu trúc đúc
Độ cứng (HB)	~40–70 HB	~70–100 HB	Độ cứng Brinell tương quan với temper; độ cứng T6 phổ biến cho chi tiết cấu trúc đúc

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.66–2.68 g/cm³	Thông thường cho hợp kim Al–Si–Mg, nhẹ hơn thép và đồng
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy (solidus–liquidus)	~555–615 °C	Hợp kim giàu eutectic; nhiệt độ solidus và liquidus phụ thuộc hàm lượng Si và nguyên tố phụ
Độ dẫn nhiệt	~120–140 W/(m·K)	Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim và silic eutectic; vẫn đủ tốt cho tản nhiệt
Độ dẫn điện	~28–36 %IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do hợp kim; phụ thuộc temper và thành phần
Nhiệt dung riêng	~0.88–0.96 J/(g·K)	Tương đương các hợp kim nhôm khác; phụ thuộc nhiệt độ
Hệ số giãn nở nhiệt	~22–24 µm/(m·K)	Giãn nở nhôm điển hình; quan trọng khi ghép nối với vật liệu khác

Mật độ và tính chất nhiệt của 356 làm nó hấp dẫn khi cần tỷ lệ khối lượng trên độ cứng thấp và dẫn nhiệt hợp lý. Đặc tính nóng chảy và đông đặc rất quan trọng trong thực hành đúc; phạm vi đông đặc và eutectic giàu silic giúp đổ đầy khuôn tốt và giảm khuyết tật co ngót khi gia công đúng cách.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Điển Hình	Hành Vi Cơ Lực	Điều Kiện Nhiệt Thường Dùng	Ghi Chú
Đúc cát	Biến thiên, từ tiết diện mỏng đến rất dày	Độ bền phụ thuộc vào kích thước tiết diện và độ rỗng	F, O, T5, T6	Được sử dụng rộng rãi cho các chi tiết lớn, số lượng thấp; làm nguội chậm ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô
Khuôn đúc vĩnh cửu	Độ dày thành khuôn điển hình 2–50 mm	Chất lượng cao hơn so với đúc cát; cải thiện tính cơ học	T5, T6	Bề mặt hoàn thiện tốt hơn và giảm độ rỗng so với đúc cát
Đúc áp lực (nếu sử dụng)	Thành mỏng (<10 mm)	Tốc độ làm nguội cao, cấu trúc vi mô mịn	T5, T6	Đúc áp lực A356 được dùng cho một số chi tiết; kiểm soát rỗng khí rất quan trọng
Đúc đầu tư	Hình dạng phức tạp, tiết diện từ mỏng đến trung bình	Độ chính xác kích thước tốt	T5, T6	Ít phổ biến nhưng dùng cho các chi tiết chính xác
Thỏi / Phôi	Nguyên liệu cho gia công tiếp theo	Hóa học đồng nhất	O, T6 sau đúc	Nguyên liệu cho quá trình nấu chảy lại và đúc thứ cấp
Chi tiết gia công (từ phôi đúc)	Không áp dụng	Độ bền cục bộ phụ thuộc vào điều kiện nhiệt luyện và gia công nhiệt	O, T6	Xác định phần dư gia công và chất lượng bề mặt ảnh hưởng đến đặc tính cuối cùng

Quy trình gia công ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính cuối cùng: các chi tiết đúc khuôn vĩnh cửu và đúc áp lực thường có cấu trúc vi mô mịn và hiệu suất cơ học tốt hơn so với đúc cát. Xử lý nhiệt sau đúc (hoà tan + tôi + lão hóa) thường được áp dụng để tối đa hóa độ bền cho ứng dụng kết cấu, nhưng cần kiểm soát cường độ tôi và biến dạng để giữ dung sai kích thước.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	A356 / 356.0	Hoa Kỳ	Chỉ định phổ biến của Aluminum Association cho hợp kim đúc Al–Si–Mg
EN	EN AC-AlSi7Mg / AlSi7Mg	Châu Âu	Chỉ định đúc châu Âu gần tương đương với hóa học A356
JIS	ADC12 (không trực tiếp) / AlSi7Mg	Nhật Bản	ADC12 là hợp kim đúc Al–Si–Cu khác; AlSi7Mg là tương đương gần nhất
GB/T	AlSi7Mg / ZL104	Trung Quốc	Nhiều chỉ định quốc gia tương đương hóa học; ZL104 thường sử dụng cho các đúc tương tự

Sự khác biệt tinh tế giữa các tiêu chuẩn có thể bao gồm giới hạn chặt chẽ hơn về sắt hoặc đồng, yêu cầu biến tính Sr, hoặc phạm vi Mg cho phép khác biệt, ảnh hưởng đến hiệu suất cơ học cuối cùng và khả năng đúc. Người mua nên tham khảo tiêu chuẩn cụ thể và giấy chứng nhận lô hàng, vì phương pháp luyện (ví dụ: biến tính Sr, tinh chế hạt) và kiểm soát tạp chất ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính ngay cả khi hóa học danh nghĩa tương đương.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

356 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển khá tốt điển hình của hợp kim Al–Si vì màng bảo vệ Al2O3 hình thành nhanh và cấu trúc eutectic giàu Si tương đối trơ. Trong môi trường trung tính hoặc hơi ăn mòn, hợp kim hoạt động tốt với sự hạn chế của hiện tượng pitting; tuy nhiên trong môi trường biển giàu chloride, pitting cục bộ trên bề mặt đúc và vị trí intermetallic có thể xảy ra nếu màng bảo vệ bị phá hủy hoặc rỗng giữ lại các tác nhân ăn mòn.

Nứt do ăn mòn ứng suất không phải là dạng hỏng hóc chính của A356 so với một số hợp kim Al–Zn rèn có độ bền cao, nhưng độ nhạy có thể tăng lên với ứng suất kéo tại chỗ cao, khuyết tật hoặc môi trường ăn mòn mạnh. Tương tác điện hóa làm 356 trở thành anot khi ghép với kim loại quý hơn (thép không gỉ, đồng); nhà thiết kế nên cách ly mối ghép hoặc tránh tiếp xúc trực tiếp trong điều kiện ẩm ướt để ngăn ngừa ăn mòn điện hóa.

So với hợp kim rèn dòng 5xxx chứa magiê, 356 thường cung cấp khả năng chống ăn mòn tổng thể tương đương hoặc hơi tốt hơn nhưng kém hơn về khả năng chịu ngập nước biển nặng mà không có bảo vệ hy sinh. So với hợp kim rèn dòng 6xxx có độ bền cao, A356 đúc có độ bền ăn mòn tương đương trong nhiều điều kiện sử dụng, mặc dù sự khác biệt về thành phần hợp kim và nhiệt luyện quyết định hiệu suất ăn mòn cuối cùng.

Tính Chế Tạo

Khả năng hàn

356 có thể hàn bằng các phương pháp TIG (GTAW) và MIG (GMAW); tiền làm nóng và kiểm soát trình tự hàn giảm gradient nhiệt và nguy cơ rỗ khí hydro. Các hợp kim que hàn thường dùng cho sửa chữa là hợp kim Al-Si như 4043 (Al-Si) để phù hợp tính lưu động và giảm nguy cơ nứt nóng; 5356 (Al-Mg) cũng được dùng nhưng có thể tăng nguy cơ ăn mòn điện hóa và khác biệt về phản ứng cơ học. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị quá lão hóa hoặc mềm đi cục bộ trong chi tiết T6; thường phải tôi lão hoặc nhiệt luyện lại sau hàn để phục hồi độ bền.

Khả năng gia công

356 được đánh giá là dễ gia công trong các hợp kim đúc nhôm nhờ pha silicon eutectic dễ cắt, nhưng các hạt silicon làm tăng mài mòn dụng cụ và gây ma sát mài mòn trên lưỡi cắt. Dụng cụ cacbua có góc cắt dương lớn, bộ phá phoi thích hợp và làm mát đầy đủ được khuyến cáo; tốc độ trục trung bình đến cao với bước dao ăn vừa phải tối đa hóa tuổi thọ dụng cụ. Chất lượng bề mặt phụ thuộc vào cấu trúc vi mô và độ rỗng; cần chú ý chất lượng đúc và cắt bỏ lớp vỏ rỗng để có kết quả ổn định.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình hạn chế so với hợp kim rèn vì đúc chứa pha silicon eutectic giòn và độ dẻo thấp, đặc biệt sau xử lý T6. Với uốn hoặc dập cục bộ, nên dùng điều kiện xử lý hoà tan (O/T4) và giữ bán kính uốn lớn (bán kính trong tối thiểu điển hình 2–4× độ dày cho tiết diện mỏng, lớn hơn cho đúc dày) để tránh nứt tại vùng giàu Si. Các kỹ thuật tạo hình từng phần, uốn nóng và gia công cục bộ để tạo hình thường được dùng để đạt hình dạng cuối cùng mà không bị nứt.

Ứng Xử Xử Lý Nhiệt

A356 có thể xử lý nhiệt và phản ứng dự đoán được với quá trình hoà tan và lão hóa nhân tạo. Quá trình hoà tan điển hình thực hiện ở khoảng 525–545 °C trong thời gian phụ thuộc độ dày tiết diện (thường 2–4 giờ cho tiết diện mỏng, lâu hơn cho tiết diện dày) để hòa tan Mg và Si vào dung dịch rắn và làm tròn pha silicon eutectic. Tôi lạnh nhanh về nhiệt độ phòng cần thiết để giữ chất hòa tan trong dung dịch siêu bão hòa và kích hoạt quá trình kết tủa làm cứng sau đó.

Lão hóa nhân tạo cho T6 chủ yếu thực hiện ở ~150–175 °C trong vài giờ (ví dụ 6–12 giờ) để kết tủa các hạt Mg2Si mịn và đạt độ cứng và độ bền đỉnh. T5 đạt được bằng cách lão hóa nhân tạo trực tiếp sau khi đúc nguội mà không qua xử lý hoà tan đầy đủ; cho độ bền vừa phải và hữu ích khi kiểm soát biến dạng là quan trọng. T7 hoặc quá trình lão hóa quá mức ở nhiệt độ cao hơn làm giảm độ bền đỉnh nhưng cải thiện độ ổn định kích thước và nhiệt, đồng thời tăng khả năng chống giòn nhiệt. Độ nhạy với tôi lạnh, ảnh hưởng kích thước tiết diện và rỗng khí đều tác động đến độ cứng và phản ứng cơ học đạt được.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

356 giảm đáng kể độ bền trên khoảng 150–200 °C do các pha kết tủa to dần và cấu trúc kết tủa Mg2Si hòa tan hoặc sfero hóa; sử dụng lâu dài trên ~150 °C sẽ làm mềm và thay đổi kích thước cho điều kiện T6. Hiện tượng oxy hóa trong không khí ở nhiệt độ làm việc thường là nhỏ nhờ hình thành lớp bảo vệ Al2O3, nhưng nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình khuyếch tán làm suy giảm cấu trúc kết tủa. HAZ của chi tiết hàn bị mềm cục bộ và cấu trúc thô; chu kỳ nhiệt có thể thúc đẩy xuất hiện vết mỏi tại HAZ và vị trí rỗng khí.

Cho các ứng dụng nhiệt độ cao hoặc chu kỳ nhiệt nhiều lần, nên chọn điều kiện T7 hoặc ổn định, dùng lớp phủ hoặc rào nhiệt nếu có hiện tượng oxy hóa hoặc ăn mòn điện hóa gây hại, và thiết kế hạn chế tiếp xúc liên tục trên nhiệt độ làm việc khuyến nghị để giữ nguyên tính toàn vẹn cơ học.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 356
Ô tô	Heo phanh, linh kiện bánh xe, vỏ hộp số	Khả năng đúc tốt, ổn định nhiệt và độ bền chấp nhận được sau T6
Hàng hải	Vỏ bơm, vỏ hộp số	Khả năng chống ăn mòn trong khí quyển/nước mặn nhẹ, dễ đúc hình dạng phức tạp
Hàng không	Phụ kiện không chịu lực chính, vỏ bảo vệ, vỏ thiết bị	Tiết kiệm trọng lượng và khả năng đúc hình học phức tạp với đặc tính cơ học tốt
Điện tử	Tản nhiệt và vỏ bảo vệ	Độ dẫn nhiệt cao và khả năng đúc các hình dạng làm mát phức tạp
Máy móc công nghiệp	Vỏ bơm và máy nén	Ổn định kích thước, khả năng chịu mài mòn và mỏi trong dạng đúc

356 được chọn cho các chi tiết đòi hỏi sự kết hợp giữa tính lưu động tốt, độ chính xác kích thước, độ bền tăng tuổi và khả năng chống ăn mòn vượt trội hơn giới hạn của khả năng tạo hình dạng rèn. Khả năng đúc hình dạng phức tạp với tỷ lệ lỗi tương đối thấp và chấp nhận xử lý nhiệt tiếp theo làm cho nó trở nên đa dụng cho nhiều ứng dụng từ tầm trung đến cao về số lượng.

Nhận định lựa chọn

Sử dụng 356 khi yêu cầu chính là tính đúc tốt, cường độ gia công tuổi và hiệu suất nhiệt, đồng thời khi các hình học phức tạp được tạo ra hiệu quả nhất trong một quá trình đúc duy nhất. Chọn T6 để đạt cường độ và độ cứng tối đa khi có thể kiểm soát biến dạng sau xử lý nhiệt, và chọn T5/T7/O khi tính dễ tạo hình, ổn định kích thước hoặc ổn định nhiệt quan trọng hơn.

So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ 1100), 356 đánh đổi dẫn điện và khả năng tạo hình vượt trội để lấy cường độ cao hơn nhiều và tính chất đúc tốt hơn; chọn 1100 khi thiết kế ưu tiên khả năng tạo hình và dẫn điện. So với các hợp kim làm cứng bằng cách làm việc phổ biến (ví dụ 3003 / 5052), 356 cung cấp cường độ gia công tuổi cao hơn đổi lấy khả năng tạo hình ở nhiệt độ phòng kém hơn và khả năng chống ăn mòn tương đương hoặc nhỉnh hơn đôi chút trong nhiều môi trường. So với hợp kim rèn có thể xử lý nhiệt phổ biến (ví dụ 6061 / 6063), 356 cho phép đúc tốt hơn và thường chính xác về kích thước hơn đối với các chi tiết đúc phức tạp đồng thời cung cấp cường độ cạnh tranh cho các chi tiết đúc; chọn 6061 khi cần gia công rèn hoặc cường độ chịu mỏi cao hơn ở dạng kéo/nén ép.

Tóm tắt cuối

A356 (356) vẫn là hợp kim nhôm đúc chủ lực vì nó cân bằng tốt giữa tính đúc xuất sắc, khả năng gia công tuổi dự đoán được, độ bền ăn mòn tốt và tính chất nhiệt thuận lợi, khiến nó là lựa chọn thực tế cho các bộ phận ô tô, hàng không, hàng hải và quản lý nhiệt yêu cầu hình dạng phức tạp và hiệu suất kết cấu hợp lý.