Nhôm 357: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

357 (thường gọi là A357 hoặc các biến thể AlSi7Mg) là hợp kim nhôm silic-magie thuộc dòng 3xx, nằm trong nhóm hợp kim đúc có thể xử lý nhiệt. Các nguyên tố hợp kim chính là silic và magie, trong đó silic cung cấp khả năng đúc tốt và chống mài mòn, còn magie cho phép làm cứng kết tuổi thông qua sự kết tủa Mg2Si.

Hợp kim này được gia cường chủ yếu bằng xử lý nhiệt dung dịch (solution heat treatment) sau đó làm già hóa nhân tạo (T6/T651), tạo ra các kết tủa Mg2Si mịn; cũng có khả năng làm cứng biến dạng một phần khi gia công lạnh ở một số dạng nhất định. Các đặc tính chính bao gồm sự kết hợp ưu việt giữa giới hạn bền kéo trung bình đến cao, độ dẻo tốt đối với hợp kim đúc, khả năng chống ăn mòn vượt trội hơn nhiều hợp kim chứa đồng, và tính hàn chấp nhận được khi sử dụng đúng quy trình cùng kim loại phụ phù hợp.

Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng 357 bao gồm ô tô (đúc cấu trúc, các chi tiết treo, bánh xe), hàng không vũ trụ (các bộ phận nối và vỏ bọc), đua xe, và các ứng dụng hàng hải hiệu suất cao đòi hỏi sự cân bằng giữa trọng lượng nhẹ, độ bền và khả năng chống ăn mòn. Các kỹ sư chọn 357 thay vì các hợp kim khác khi yêu cầu các hình học đúc chi tiết cần tính lưu động được cải thiện nhờ silic và cần đạt được độ bền đỉnh sau xử lý nhiệt mà không bị nhạy nứt như các hợp kim chứa đồng cao hơn.

Biến Thể Nhiệt Độ (Temper)

Nhiệt Độ	Mức Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Ủ mềm hoàn toàn; dùng để giảm ứng suất và gia công trước xử lý nhiệt
H14	Trung bình	Trung bình	Khá	Tốt	Làm cứng biến dạng dạng thanh cán; hạn chế với đúc
T5	Trung bình - Cao	Trung bình	Khá	Tốt	Làm nguội sau gia công nóng và làm già hóa nhân tạo; quy trình sản xuất nhanh cho đúc
T6	Cao	Thấp - Trung bình	Khá	Tốt	Xử lý nhiệt dung dịch + làm già hóa nhân tạo; điều kiện độ bền đỉnh cho nhiều chi tiết đúc
T651	Cao	Thấp - Trung bình	Khá	Tốt	T6 kèm xử lý giảm ứng suất/giãn nỡ chống ứng suất còn dư; thường quy định cho đúc hàng không vũ trụ trọng yếu

Biến thể nhiệt độ được chọn ảnh hưởng mạnh đến độ bền, độ dẻo và trạng thái ứng suất còn dư của 357. Các điều kiện T6/T651 tối đa hóa giới hạn bền kéo và độ cứng nhờ kết tủa Mg2Si, nhưng giảm độ dãn dài và khả năng tạo hình so với điều kiện ủ mềm O.

Trong sản xuất, O và T5 cho phép gia công và tạo hình dễ dàng hơn trước khi làm già cuối cùng, còn T6 và T651 được dùng cho các chi tiết làm việc yêu cầu độ ổn định kích thước và hiệu suất cơ học tối ưu.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	% Thành Phần	Ghi Chú
Si	6.5–7.5	Nguyên tố hợp kim chính; cải thiện tính lưu động, giảm co ngót và tăng khả năng chống mài mòn
Fe	0.2–0.6	Tạp chất từ quá trình nóng chảy; Fe cao tạo các hợp chất giòn và giảm dẻo
Mn	0.05–0.35	Điều chỉnh hình thái hợp chất Fe và có thể cải thiện độ bền nhẹ
Mg	0.25–0.45	Nguyên tố làm cứng kết tuổi tạo Mg2Si; kiểm soát phản ứng T6
Cu	0.15–0.6	Thường hạn chế trong hợp kim đúc; tăng độ bền nhưng giảm khả năng chống ăn mòn nếu cao
Zn	0.05–0.2	Tạp chất nhỏ; không nhằm tăng cường cơ học
Cr	0.02–0.2	Dùng với lượng rất nhỏ kiểm soát cấu trúc hạt và tái tinh thể hóa ở một số biến thể
Ti	0.02–0.15	Phân tán tinh thể hạt giúp cải thiện cấu trúc đúc và độ đồng nhất cơ học
Khác	≤0.15 tổng	Các nguyên tố vết và tạp chất còn lại; giữ ở mức thấp để bảo toàn tính chống ăn mòn và cơ học

Silic và magie là cặp nguyên tố kiểm soát khả năng đúc và phản ứng xử lý nhiệt. Silic tạo các cấu trúc eutectic quyết định hành vi đông đặc, trong khi magie hòa tan trong ma trận Al và kết tủa Mg2Si trong quá trình làm già nhân tạo để nâng cao giới hạn bền kéo và chảy.

Tính Chất Cơ Học

Như một hợp kim đúc được xử lý nhiệt T6, 357 có giới hạn bền kéo và giới hạn chảy cao hơn rõ rệt so với các hợp kim cán không xử lý nhiệt điển hình, với độ dẻo vừa phải đối với chi tiết đúc. Đường cong ứng suất-biến dạng đặc trưng bởi điểm chảy rõ rệt tiếp theo là làm cứng dẻo đến giới hạn bền kéo tối đa; độ dãn dài ở nhiệt độ T6 thường bị hạn chế hơn so với vật liệu ủ mềm nhưng vẫn đủ dùng cho nhiều chi tiết cấu trúc đúc. Độ cứng tăng đáng kể sau xử lý T6/T651 do sự phân bố mịn của kết tủa Mg2Si, và độ cứng Brinell hoặc Vickers đo được tỉ lệ thuận với các chỉ tiêu bền để làm cơ sở tiêu chuẩn hóa.

Độ bền mỏi của 357 bị ảnh hưởng bởi khuyết tật đúc (khuyết lỗ rỗ, co ngót) và vi cấu trúc; việc đúc đặc hơn và hệ thống dẫn kim loại hợp lý giúp giảm khởi đầu mỏi do khiếm khuyết. Hiệu ứng chiều dày lớn vì các tiết diện dày nguội chậm hơn, làm thô cấu trúc eutectic Si và tăng nguy cơ khuyết tật rỗng, từ đó làm giảm cả độ bền tĩnh và độ bền mỏi.

Với các chi tiết mỏng và đúc nguội nhanh, tính chất T6 đạt gần mức trên của các giới hạn; với tiết diện dày và điều kiện ủ mềm ban đầu (O), độ bền và độ cứng giảm trong khi độ dẻo tăng.

Tính Chất	O/Ủ mềm	Biến Thể Chính (T6/T651)	Ghi Chú
Giới Hạn Bền Kéo (UTS)	130–220 MPa	300–360 MPa	Giá trị T6 phụ thuộc chiều dày và tốc độ đông đặc
Giới Hạn Chảy (0.2%YS)	60–150 MPa	240–300 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh sau xử lý dung dịch + làm già
Độ Dãn Dài (El%)	10–18%	4–10%	Độ dãn dài giảm trong T6; hình học và khuyết tật rỗng ảnh hưởng giá trị
Độ Cứng (HB)	50–90 HB	90–130 HB	Độ cứng phản ánh đáp ứng làm già và lịch sử làm mát

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.67–2.68 g/cm³	Điển hình cho hợp kim đúc Al-Si-Mg; tỉ lệ bền trên trọng lượng tốt
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy (solidus–liquidus)	~520–615 °C	Silic eutectic và nguyên tố silic chính làm dịch chuyển phạm vi đông đặc; giá trị tùy thành phần chính xác
Độ Dẫn Nhiệt	110–140 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng cao so với nhiều hợp kim kỹ thuật
Độ Dẫn Điện	~30–40 % IACS (~17–23 MS/m)	Bị giảm do các phần tử hợp kim; đủ dùng cho các chi tiết nhiệt/điện với độ dư thiết kế phù hợp
Nhiệt Dung Riêng	~0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	Điển hình hợp kim nhôm ở nhiệt độ phòng
Hệ Số Giãn Nhiệt	21–24 µm/m·K	Giãn nở nhiệt tương đối cao, cần chú ý khi ghép với vật liệu khác loại

Sự kết hợp giữa độ dẫn nhiệt khá cao và mật độ thấp làm cho 357 phù hợp cho các chi tiết cần tản nhiệt và trọng lượng nhẹ, dù độ dẫn của nó thấp hơn nhôm tinh khiết. Sự giãn nở nhiệt và độ ổn định kích thước dưới chu trình nhiệt độ phải được lưu ý trong các cụm lắp ghép với kim loại khác loại để tránh ứng suất điện hóa hoặc cơ học.

Chiều dày tiết diện và tạp lỗ rỗng ảnh hưởng đến phản ứng nhiệt; các chi tiết đúc đặc, hạt mịn mang lại hiệu suất nhiệt đồng đều hơn và tuổi mỏi cao hơn.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Hành Vi Cơ Lực	Tình Trạng Nhiệt Thường Gặp	Ghi Chú
Đúc cát	đa dạng (5–200 mm trở lên)	Thấp hơn do quá trình làm nguội chậm; cấu trúc vi mô thô hơn	O, T5, T6	Dùng cho các chi tiết lớn, phức tạp; có thể cần xử lý HIP để giảm rỗ khí
Khuôn cố định / đúc trọng lực	2–60 mm	Tính chất cơ học tốt hơn nhờ làm nguội nhanh hơn	T5, T6, T651	Ưu tiên cho các chi tiết kết cấu với dung sai chặt chẽ
Đúc đầu tư/đúc chính xác	phần mỏng đến trung bình	Độ tinh khiết cao, bề mặt hoàn thiện tốt	T6	Dùng cho hàng không vũ trụ và các chi tiết hiệu suất cao
Rèn/Gia công nóng (giới hạn)	đa dạng	Không phổ biến với 357; tính chất phụ thuộc vào gia công và già hóa	Biến thể H	Hiếm gặp; thành phần hợp kim chủ yếu dành cho quá trình đúc
Thỏi / Billet	thỏi/barge	Nguyên liệu đầu vào cho các quy trình đúc tiếp theo hoặc đùn	O trước khi gia công	Dùng để sản xuất nguyên liệu có độ rỗ khí thấp cho các loại đúc đặc biệt

Dạng sản phẩm đúc chiếm ưu thế trong việc sử dụng 357; khuôn cố định và đúc đầu tư tạo ra hiệu suất cơ học và chịu mỏi tốt nhất nhờ làm nguội nhanh và giảm rỗ khí. Đúc cát là lựa chọn kinh tế cho các chi tiết lớn nhưng cần kiểm soát quy trình hoặc xử lý phụ trợ (ví dụ, HIP) để bịt kín khuyết tật bên trong. Việc lựa chọn dạng sản phẩm và tốc độ làm nguội ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng đáp ứng tình trạng nhiệt và cấu trúc vi mô cuối cùng.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	357	Hoa Kỳ	Chỉ định ASTM/AA cho hợp kim Al-Si-Mg đúc phổ biến trong ngành công nghiệp
EN AW	AlSi7Mg0.6	Châu Âu	Hợp kim châu Âu gần nhất về thành phần hóa học và tính chất; thường được dùng làm tương đương trực tiếp
JIS	AlSi7Mg	Nhật Bản	Phân loại hợp kim đúc của Nhật cho các thành phần Al-Si-Mg tương tự
GB/T	AlSi7Mg	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc cho hợp kim Al-Si-Mg đúc, thường tương ứng với hóa chất của A357

Mặc dù các mục tiêu hóa học và cơ học tương tự nhau ở các tiêu chuẩn, nhưng sự khác biệt nhỏ về giới hạn tạp chất cho phép (Fe, Cu, Ti) và các yêu cầu kiểm tra cơ học có thể tạo ra sự khác biệt về hiệu suất. Mác EN châu Âu có thể chỉ định mức Mg hoặc Si tối thiểu khác biệt nhẹ để đáp ứng yêu cầu về tính chất cơ học cho các quy trình đúc cụ thể. Người mua nên yêu cầu các bản thông số kỹ thuật cụ thể và chứng nhận xử lý nhiệt để đảm bảo tính thay thế cho các ứng dụng yêu cầu an toàn cao.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

357 có khả năng chống ăn mòn khí quyển nhìn chung tốt nhờ hàm lượng đồng tương đối thấp và lớp màng oxit nhôm bảo vệ bề mặt. Trong các môi trường công nghiệp hoặc nông thôn, vật liệu này hoạt động tương đương các hợp kim Al-Si-Mg đúc khác và chống ăn mòn lỗ tốt hơn so với các hợp kim nhôm có hàm lượng đồng cao.

Trong môi trường biển, 357 thể hiện hiệu suất thỏa mãn khi tiếp xúc với nước biển bắn hoặc khí quyển biển, nhưng ngâm lâu trong nước biển làm tăng tốc độ ăn mòn điện hóa và ăn mòn lỗ, đặc biệt ở các vùng có cặn bẩn hoặc khe hở. Độ sạch kim loại, kiểm soát rỗ khí và hoàn thiện bề mặt ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ trong môi trường biển; lớp phủ bảo vệ và anode hóa là các biện pháp phổ biến để giảm thiểu.

Khả năng chịu nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) của 357 thấp hơn một số hợp kim Al-Cu cường độ cao, nhưng cần lưu ý cho các chi tiết chịu ứng suất lớn và môi trường ăn mòn. Khi ghép với kim loại có thế điện cao hơn, 357 có thể bị ăn mòn điện hóa; do đó, cách điện hoặc anod hy sinh được khuyến nghị cho các cụm kim loại hỗn hợp.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn đúc 357 thực hiện được bằng các phương pháp TIG và MIG sử dụng que hàn hợp kim Al-Si như ER4043 hoặc ER4047 hàm lượng silic thấp để giảm nứt nóng và cải thiện tính chảy của mối hàn. Làm nóng trước mối hàn có thể dùng để giảm chênh lệch nhiệt và hạn chế rỗ khí; tuy nhiên vùng ảnh hưởng nhiệt có thể bị mềm một phần do quá già hóa hoặc mất trạng thái hòa tan. Xử lý nhiệt sau hàn thường cần thiết để phục hồi tính chất cơ học ở các vùng quan trọng.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 357 ở mức trung bình và tốt hơn nhiều hợp kim rèn cường độ cao nhờ hàm lượng silic giúp phá vỡ phoi và ổn định kích thước. Dụng cụ cacbua với góc cắt dương và điều khiển tốc độ cấp cho kết quả tốt nhất; thép tốc độ cao thường gặp khó khăn do pha silic mài mòn. Tốc độ gia công nên điều chỉnh phù hợp với độ dày chi tiết và khả năng rỗ khí để tránh hiện tượng rung và xé bề mặt.

Khả năng tạo hình

Là hợp kim đúc, khả năng tạo hình nguội của 357 hạn chế so với các loại tấm nhôm rèn; các chi tiết đúc mỏng và chính xác có thể uốn hoặc dập hạn chế nếu cung cấp ở trạng thái O. Đối với tạo hình phức tạp, thường ưu tiên gia công hoặc đúc tích hợp các chi tiết thay vì tạo hình sau đúc. Khi cần tạo hình, quá trình ủ (O) hoặc xử lý hòa tan một phần theo sau là biến dạng kiểm soát và già hóa cuối cùng có thể được áp dụng trong các quy trình chuyên biệt.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Xử lý hòa tan của 357 thường được tiến hành bằng cách gia nhiệt đến khoảng 500–540 °C (tùy độ dày và biến thể hợp kim) để hòa tan Mg và Si vào dung dịch rắn trước khi làm nguội nhanh. Làm nguội nhanh từ nhiệt độ hòa tan giữ lại dung dịch rắn vượt bão hòa là tiền đề để thực hiện quá trình già hóa nhân tạo; tốc độ làm nguội và độ dày chi tiết kiểm soát mức độ dung dịch dư và quá trình tạo pha kết tủa tiếp theo.

Già hóa nhân tạo thường thực hiện ở nhiệt độ 155–190 °C trong thời gian từ 4 đến 12 giờ tùy yêu cầu cân bằng giữa cường độ và độ dẻo; điều kiện T6 hướng đến sự cân bằng giữa cường độ đỉnh và mức độ dai chấp nhận được. Quá già hóa hoặc phơi nhiệt kéo dài sẽ làm thô các pha Mg2Si và giảm cường độ; điều kiện T7 được sử dụng khi cần độ ổn định ở nhiệt độ cao hoặc giảm biến dạng.

Tăng cường cơ học không qua xử lý nhiệt rất hạn chế ở dạng đúc; tuy nhiên, gia công nguội có mục tiêu trên các sản phẩm rèn hoặc rèn nóng có thể tăng cường độ vừa phải. Xử lý ủ đến trạng thái O giúp giảm ứng suất và cải thiện khả năng gia công trước các chu trình già hóa cuối.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Khi nhiệt độ vượt khoảng 150–200 °C, 357 bắt đầu mất đáng kể lực cứng của già hóa nhân tạo do các pha Mg2Si coarsen và hòa tan; tải trọng kết cấu lâu dài trên vùng nhiệt độ này không được khuyến nghị nếu chưa có xác nhận riêng cho hợp kim. Quá trình oxi hóa nhôm có giới hạn tự nhiên ở nhiệt độ phục vụ điển hình, nhưng phơi lâu ở nhiệt độ cao làm tăng tốc độ phân hủy và có thể gây tăng độ nhám bề mặt cùng hình thành lớp oxit dày hơn.

Ở các chi tiết hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt đặc biệt nhạy cảm với giảm cường độ và thay đổi cấu trúc vi mô khi tiếp xúc nhiệt độ cao; xử lý nhiệt sau hàn giúp giảm bớt nhưng không hoàn toàn khôi phục tính chất nếu nhiệt độ làm việc gây quá già hóa. Thiết kế dự phòng và kiểm tra định kỳ cần thiết đối với các chi tiết hoạt động gần giới hạn nhiệt của hợp kim.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Dùng 357
Ô tô	Chi tiết đúc kết cấu, vỏ treo	Khả năng đúc tốt, cường độ T6, trọng lượng nhẹ
Mỹ phẩm hàng hải	Chi tiết đúc bánh lái và giá đỡ, vỏ bọc	Khả năng chống ăn mòn cùng cường độ chấp nhận được
Hàng không	Vỏ hộp số, phụ kiện	Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao và ổn định kích thước (T651)
Điện tử	Vỏ tản nhiệt	Dẫn nhiệt tốt và trọng lượng nhẹ

357 được lựa chọn khi cần kết hợp khả năng đúc, cường độ có thể xử lý nhiệt và khả năng chống ăn mòn. Việc sử dụng trong các chi tiết chịu tải đúc dựa trên kiểm soát quy trình để giảm tối đa rỗ khí và tối ưu hóa phản ứng hòa tan/già hóa nhằm đạt hiệu suất cơ học đồng đều.

Gợi Ý Lựa Chọn

Chọn 357 khi hình dạng đúc và yêu cầu cường độ đỉnh qua xử lý nhiệt quan trọng hơn tính dẫn điện cao và khả năng tạo hình vượt trội của các mác nhôm tinh khiết. So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 357 đổi lại cường độ cao hơn và ổn định kích thước tốt hơn với khả năng dẫn điện thấp hơn và khả năng tạo hình kém hơn một chút, phù hợp hơn cho chi tiết đúc kết cấu nhưng kém phù hợp cho ứng dụng dẫn điện.

So với các hợp kim cứng làm việc thường gặp (3003 / 5052), 357 có cường độ đạt được sau già hóa T6 cao hơn đáng kể nhưng độ dẻo thấp hơn và khó tạo hình nguội hơn. Khả năng chống ăn mòn tương đương hoặc nhỉnh hơn so với hợp kim chứa đồng, tuy nhiên 5052 có thể được ưu tiên hơn cho các ứng dụng tấm biển nghiêm ngặt trong môi trường biển cần tạo hình.

So với các hợp kim rèn có thể xử lý nhiệt như 6061/6063, 357 thường có khả năng đúc tốt hơn và có thể tạo hình phức tạp hơn với cường độ tôn trọng; nó được ưu tiên khi kinh tế đúc và sản xuất hình dạng gần cuối có giá trị hơn so với cường độ đỉnh cao hơn và độ đa dụng gia công rộng rãi hơn của hợp kim rèn 6061/6063.

Tóm tắt cuối

357 vẫn giữ được tính hiệu quả vì kết hợp được các ưu điểm về khả năng đúc của hệ nhôm-titan (Al-Si) với phản ứng tôi luyện theo tiêu chuẩn T6 mạnh mẽ, mang lại lựa chọn có tỷ số cường độ-trọng lượng cao cho chi tiết đúc kết cấu. Khi kiểm soát quy trình giới hạn được độ rỗng và áp dụng đúng các phương pháp xử lý nhiệt, 357 cung cấp giải pháp tiết kiệm chi phí cân bằng giữa độ bền, khả năng chống ăn mòn và tính gia công cho các chi tiết ô tô, hàng không, hàng hải và công nghiệp hiệu suất cao.