Nhôm 380: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 380 (thường được ký hiệu là A380 trong thực tiễn đúc áp lực) là hợp kim nhôm-silic-copper đúc, thuộc nhóm hợp kim nhôm-silic thường gọi là nhóm đúc "3xx". Hợp kim này được thiết kế cho đúc áp lực áp suất cao sản lượng lớn và ứng dụng trong luyện kim đúc, với thành phần tập trung vào silic nhằm tăng tính lưu động và đồng để cải thiện độ bền khi đúc và ổn định ở nhiệt độ cao.

Các nguyên tố hợp kim chính gồm silic (tăng tính lưu động và gia cường eutectic), đồng (tăng cường kết tủa và độ bền ở nhiệt độ cao), cùng với hàm lượng kiểm soát của sắt, kẽm, mangan và lượng nhỏ titan nhằm tinh chế hạt. Cơ chế gia cường là hỗn hợp: cấu trúc vi mô dạng đúc sẵn và các hợp chất intermetallic chứa đồng cung cấp độ bền cơ bản; quá trình xử lý nhiệt hạn chế (già hóa nhân tạo kiểu T5/T6) có thể phát triển thêm độ bền thông qua gia cường kết tủa.

Đặc tính nổi bật của hợp kim 380 bao gồm khả năng điền khuôn rất tốt, ổn định kích thước cao, bề mặt đẹp và dễ gia công hơn nhiều hợp kim đúc khác, khả năng chống ăn mòn trung bình và tính chất cơ học hợp lý cho các chi tiết đúc áp lực. Khả năng hàn hạn chế hơn so với các hợp kim nhôm biến dạng nóng và không phù hợp cho gia công biến dạng phức tạp sau đúc. Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng gồm ô tô, vỏ thiết bị điện tử tiêu dùng, vỏ hộp điện, vỏ máy cơ khí và phụ kiện nơi sản xuất số lượng lớn gần dạng cuối và yêu cầu độ chính xác kích thước cao.

Kỹ sư lựa chọn hợp kim 380 khi cần sự kết hợp giữa khả năng sản xuất đúc nhanh, độ bền đúc tốt và chi phí hợp lý so với các hợp kim thay thế. Hợp kim này được chọn thay cho hợp kim nhôm biến dạng có hiệu suất cao hơn khi ưu tiên hình học phức tạp và tối thiểu gia công lần hai; đồng thời được chọn thay các hợp kim đúc thấp cấp hơn khi cần độ bền đúc và ổn định nhiệt độ cao mà không làm tăng đáng kể độ phức tạp quy trình.

Biến thể nhiệt luyện

Biến thể	Cấp độ độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Trung bình (tùy độ dày tiết diện)	Kém	Kém đến Trung bình	Dạng đúc, có thể ủ giảm ứng suất; độ dẻo cao nhất ở trạng thái đúc
T5	Trung bình - Cao	Thấp – Trung bình	Hạn chế	Kém đến Trung bình	Già hóa nhân tạo sau làm nguội nhanh từ đúc; phổ biến cho chi tiết đúc áp lực
T6	Cao	Thấp	Hạn chế	Kém	Ưa luyện hòa tan + già hóa nhân tạo làm tăng độ bền nhưng cần kiểm soát tốt độ xốp
T651 (ít dùng)	Cao	Thấp	Hạn chế	Kém	Giảm ứng suất và già hóa nhân tạo; dùng khi yêu cầu ổn định kích thước sau gia công cao
H14 (làm cứng biến dạng; không phổ biến)	Trung bình	Thấp	Hạn chế	Kém	Thường không áp dụng cho chi tiết đúc; tham khảo so sánh

Biến thể nhiệt luyện phổ biến cho hợp kim 380 thường do quy trình đúc và hình học chi tiết quyết định hơn là theo các bước nhiệt luyện truyền thống của hợp kim biến dạng nóng. T5 là biến thể công nghiệp được dùng nhiều nhất vì tăng độ bền thông qua già hóa nhân tạo mà không gây biến dạng và rủi ro như gia công in tạp dung nhiệt luyện hòa tan.

Có thể áp dụng gia công in tạp hòa tan kết hợp già hóa nhân tạo T6 để cải thiện tính cơ học nhưng cần kiểm soát nghiêm ngặt độ xốp, hàm lượng hydro và biến dạng; do đó nhiều xưởng đúc áp lực ưu tiên dùng biến thể T5 hoặc trạng thái đúc nhằm cân bằng hiệu suất, chi phí và ổn định kích thước.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	7.5 – 10.5	Nguyên tố hợp kim chính; cải thiện tính lưu động, giảm co ngót, tạo mạng silic eutectic
Fe	0.6 – 1.3	Nguyên tố tạp tạo hợp chất intermetallic giàu Fe, nếu cao sẽ giảm dẻo dai
Mn	0.0 – 0.5	Điều khiển hình thái intermetallic; bổ sung nhỏ cải thiện độ bền và khả năng đúc
Mg	0.05 – 0.35	Hàm lượng thấp; vai trò hạn chế trong gia cường kết tủa cho 380
Cu	2.5 – 4.5	Nguyên tố chính gia cường; thúc đẩy pha kết tủa và tăng cường bền nhiệt độ cao
Zn	0.5 – 1.2	Gia cường mức nhỏ; ảnh hưởng hành vi ăn mòn nếu nồng độ cao
Cr	0.05 – 0.25	Kiểm soát hạt và intermetallic; hạn chế nứt trong một số điều kiện
Ti	0.01 – 0.25	Tinh chế hạt giúp điền khuôn tốt hơn và cấu trúc vi mô mịn hơn
Khác (Ni, Pb, Sn, B)	vết – giới hạn tối đa	Kiểm soát ở mức thấp; chì và thiếc có kiểm soát để cải thiện gia công; cân bằng Al

Hiệu suất của hợp kim 380 chịu ảnh hưởng mạnh bởi sự cân bằng Si–Cu và các nguyên tố vết kiểm soát hóa học và hình thái intermetallic. Silic thúc đẩy eutectic mịn hỗ trợ khả năng đúc và kiểm soát kích thước, trong khi đồng tạo kết tủa hoặc liên hợp intermetallic tăng độ cứng và tính bền kéo. Hàm lượng sắt và mangan kiểm soát nghiêm ngặt là yếu tố then chốt để tránh các hợp chất intermetallic thô giòn làm giảm dẻo và tuổi mỏi.

Tính chất cơ học

Hợp kim 380 thể hiện ứng xử kéo và giới hạn chảy dạng đúc chịu ảnh hưởng mạnh bởi độ dày tiết diện do cấu trúc vi tinh thể đông đặc, độ xốp và phân bố silic trong dạng eutectic cùng các hợp chất intermetallic giàu Cu. Độ bền kéo dạng đúc đạt yêu cầu nhiều chi tiết kết cấu, nhưng độ giãn dài khá khiêm tốn và bị ảnh hưởng bởi xốp và khuyết tật đúc. Độ bền mỏi bị giới hạn do chất lượng bề mặt, khuyết tật đúc và các hợp chất intermetallic giòn; các biện pháp giảm thiểu phổ biến gồm phun bi làm sạch bề mặt, gia công bề mặt và thiết kế giảm tập trung ứng suất.

Dưới tác động già hóa nhân tạo (T5) và đặc biệt khi kết hợp xử lý hòa tan kiểm soát cộng với già hóa (T6), các pha chứa đồng tạo ra gia cường kết tủa làm tăng cả giới hạn chảy và cường độ kéo, đổi lại độ dẻo giảm sút. Độ cứng có xu hướng tương tự và thường được dùng làm chỉ số kiểm soát nhanh hiệu quả biến thể nhiệt luyện. Độ dày và tốc độ làm nguội có ảnh hưởng hàng đầu: tiết diện mỏng nguội nhanh hơn, tạo vi cấu trúc mịn và độ bền đúc cao hơn nhưng cũng kèm theo ứng suất còn dư lớn hơn.

Tính chất	O/Đã ủ	Biến thể chính (ví dụ: T5/T6)	Ghi chú
Độ bền kéo (UTS)	180 – 260 MPa	240 – 360 MPa	Phạm vi rộng tùy tiết diện, xốp và xử lý nhiệt; T5 điển hình ~250–320 MPa
Giới hạn chảy (0.2% offset)	90 – 170 MPa	160 – 260 MPa	Giới hạn chảy tăng rõ rệt sau già hóa; thiết kế nên dùng giới hạn thấp bảo thủ cho chi tiết thành mỏng
Độ giãn dài (A5)	1 – 8%	1 – 5%	Độ giãn dài thấp so với hợp kim biến dạng và phụ thuộc lớn vào xốp và độ dày tiết diện
Độ cứng (HB)	60 – 90 HB	85 – 120 HB	Độ cứng Brinell dùng để kiểm soát quá trình; độ cứng tương quan với UTS ở các biến thể phổ biến

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.75 – 2.82 g/cm³	Hơi cao hơn nhôm tinh khiết do hàm lượng Si và Cu
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~500 – 640 °C	Phạm vi eutectic và solidus/liquidus phụ thuộc hợp kim; điểm bắt đầu chảy giảm do Si
Độ dẫn nhiệt	110 – 140 W/(m·K)	Thấp hơn nhôm tinh khiết; phụ thuộc hợp kim và vi cấu trúc
Độ dẫn điện	~20 – 35 %IACS	Đồng và silic làm giảm độ dẫn điện so với nhôm tinh khiết
Nhiệt dung riêng	~880 – 900 J/(kg·K)	Gần các hợp kim đúc Al-Si khác
Hệ số giãn nở nhiệt	21 – 24 µm/(m·K)	Giãn nở nhiệt vừa phải, đặc trưng hợp kim Al-Si; cần tính toán khi làm việc với vật liệu khác

Tính chất vật lý củng cố mục đích đúc áp lực phổ biến: mật độ phù hợp cho chi tiết yêu cầu trọng lượng nhẹ, độ dẫn nhiệt đủ dùng cho các vỏ thiết bị tản nhiệt, tuy thấp hơn nhôm nguyên chất. Hành vi nóng chảy và đông đặc chi phối bởi silic là yếu tố chính cho khả năng điền khuôn tuyệt vời và co ngót thấp, trong khi độ dẫn điện là yếu tố thứ yếu và thường đánh đổi để tối ưu tính cơ học và đặc tính đúc.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi cơ lý	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Đúc áp lực (chi tiết)	Độ dày thành 1–10 mm	Độ bền đúc thô; phần mỏng bền hơn do làm nguội nhanh	O, T5, T6 (ít phổ biến hơn)	Dạng sản phẩm chủ lực; bề mặt hoàn thiện tốt nhất và kiểm soát kích thước chính xác
Đúc khuôn kim loại cố định	5–40 mm	Tốc độ làm nguội thấp hơn, cấu trúc thô hơn	O, T5	Dùng cho chi tiết lớn khi đúc áp lực không kinh tế
Đúc cát / trọng lực	5–100+ mm	Cấu trúc thô, độ bền thấp hơn	O	Ít phổ biến cho 380; dùng khi hình học hoặc sản lượng quyết định
Thanh / Bán thành phẩm rèn	Hạn chế; đặc chủng	Không điển hình	—	380 hiếm khi được sản xuất dưới dạng sản phẩm rèn; thanh có thể dùng cho nghiên cứu thử nghiệm
Đùn / Tấm / Bảng	Không chuẩn	Không áp dụng	—	380 thường không sản xuất dưới dạng tấm/bảng hay nguyên liệu đùn chuẩn; nên dùng hợp kim rèn thay thế

Đúc áp lực là phương pháp chủ đạo cho 380 và điều này quyết định dạng sản phẩm sẵn có cũng như nguyên tắc thiết kế của kỹ sư. Độ dày thành, vị trí cửa nạp, tốc độ làm nguội và thiết kế khuôn là các yếu tố chính kiểm soát tính chất; hợp kim được tối ưu theo thực tế sản xuất đúc áp lực cao áp. Khi cần dạng tấm, bảng hoặc đùn, nhà thiết kế thường chuyển sang hợp kim rèn do 380 ít khi sản xuất theo những dạng sản phẩm này.

Cấp Độ Tương Đương

Tiêu chuẩn	Cấp độ	Vùng	Ghi chú
AA	380 / A380	USA / Quốc tế	Định danh đúc áp lực phổ biến tại Bắc Mỹ và nhiều tiêu chuẩn nhà máy đúc
EN AW	AlSi9Cu3(Fe)	Châu Âu	Tương đương gần trong tiêu chuẩn đúc châu Âu; chú trọng hàm lượng danh nghĩa Si và Cu
JIS	ADC12	Nhật Bản	Hợp kim đúc áp lực phổ biến của Nhật với thành phần và ứng dụng gần giống A380
GB/T	AlSi9Cu3 / ZL104	Trung Quốc	Tiêu chuẩn đúc Trung Quốc liệt kê các cấp Al–Si–Cu tương tự thường dùng thay thế A380

Việc so sánh tương đương chỉ mang tính tương đối vì thực tiễn đúc cho phép biến đổi Fe, Mn và các thành phần vi lượng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng đúc và đặc tính cơ học. Các quy cách khác nhau về mức tạp chất cho phép, phản ứng xử lý nhiệt và yêu cầu kiểm nghiệm, do đó kỹ sư nên kiểm tra chính xác thành phần và bảng tính chất cơ học trước khi chấp nhận cấp độ thay thế cho ứng dụng quan trọng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Hợp kim 380 có khả năng chống ăn mòn khí quyển trung bình điển hình của hợp kim Al-Si, được bảo vệ bởi lớp oxit nhôm thụ động. Đồng trong hợp kim làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ và có thể thúc đẩy ăn mòn tại chỗ trong môi trường chứa chloride cao, đòi hỏi phải dùng lớp phủ bảo vệ, anode hóa hoặc các giải pháp thiết kế thích hợp ở môi trường biển hoặc khắc nghiệt. Các lớp phủ bảo vệ, keo bịt kín và phương pháp bảo vệ dòng điện cực âm thường được áp dụng cho chi tiết quan trọng sử dụng ở vùng ven biển hoặc độ ẩm cao.

Hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất ít gặp hơn ở hợp kim đúc Al-Si so với các hợp kim nhôm đồng rèn cường độ cao hay dòng 7xxx, nhưng tính nhạy có thể tăng khi hàm lượng đồng cao, ứng suất kéo tồn dư và một số môi trường làm việc đặc thù. Tương tác điện hóa quan trọng trong thiết kế lắp ghép: khi 380 tiếp xúc với thép, thép không gỉ hoặc hợp kim đồng, cần cân nhắc sự khác biệt trong dãy điện cực và thường phải cách ly nhôm hoặc dùng anot hi sinh, nhất là khi lớp phủ bị tổn hại. So với hợp kim Al-Mg giàu Mg (như 5052), 380 dễ bị ăn mòn cục bộ hơn do đồng hợp kim; tuy nhiên, nó có tính đúc tốt hơn và thường được ưu tiên cho các hình dạng phức tạp nơi có thể áp dụng lớp phủ tin cậy.

Tính Chế Tạo

Khả năng hàn

Hàn 380 khá khó khăn do lỗ rỗ khí trong đúc, khí bị kẹt và sự hiện diện các pha intermetallic giàu silicon và đồng làm tăng nguy cơ nứt nóng và độ bền mối hàn kém. Hàn hồ quang (MIG/TIG) có thể thực hiện với chi tiết chuẩn bị kỹ và cắt tiết diện phù hợp bằng que hàn bổ sung Al-Si như ER4043 để tăng tính lỏng chảy và giảm nứt nóng; ER5356 có thể dùng khi cần độ bền cao hơn nhưng nguy cơ nứt sẽ tăng. Cần làm nóng trước, vệ sinh kỹ chất trợ hàn và gia công lại đến kim loại chắc; mối hàn thường không đạt bằng vật liệu gốc về độ bền và tuổi mỏi.

Khả năng gia công

380 được đánh giá có khả năng gia công tốt hơn nhiều hợp kim đúc nhờ các hạt silicon tạo ra mùn cắt ngắn, vụn giúp gia công ổn định. Nên dùng dụng cụ carbide có góc lưỡi dương và làm mát tốt; tốc độ cắt từ trung bình đến cao phù hợp cho các công đoạn gia công bán tinh và tinh. Tuổi dụng cụ được cải thiện khi giảm rung, kiểm soát độ sâu cắt và chọn lớp phủ dụng cụ phù hợp với kim loại nhôm; các hợp kim có chì hoặc thiếc có thể gia công tốt hơn nữa nhưng ít phổ biến do quy định bảo vệ môi trường.

Khả năng tạo hình

Gia công tạo hình 380 bằng uốn nguội, dập sâu hay đóng dấu rất hạn chế bởi độ dẻo thấp và sự giòn của các pha intermetallic trong đúc. Thiết kế gần hình dạng cuối cùng là chiến lược chủ đạo: thiết kế khuôn và cửa nạp để tạo hình học cuối và giảm thiểu gia công tạo hình sau đúc. Gia công cục bộ, cắt gọt và uốn nhẹ các phần mỏng khả thi nhưng cần chọn độ cứng (dùng O/T5) và kiểm soát kỹ hiện tượng hồi đàn hồi và nứt. Khi yêu cầu tạo hình đáng kể, kỹ sư thường chuyển sang hợp kim rèn được thiết kế riêng cho tính tạo hình.

Phản Ứng Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim Al-Si chứa đồng, 380 có phản ứng xử lý nhiệt hạn chế nhưng hữu ích. Ủ hòa tan có thể thực hiện trong khoảng 510–540 °C để hòa tan các pha hòa tan được, sau đó làm nguội nhanh; tuy nhiên hiệu quả bị hạn chế bởi lỗ rỗ khí đúc, khí bị kẹt và sự ổn định của các pha intermetallic không hòa tan hết. Thời gian ủ quá lâu có thể gây biến dạng hoặc làm tăng vấn đề lỗ rỗ khí, nên thời gian xử lý hẹp hơn so với hợp kim rèn.

Ủ già nhân tạo (T5) ở 150–220 °C là cách phổ biến nhất trong công nghiệp để tăng cường độ cho 380 đúc áp lực vì không cần ủ hòa tan đầy đủ. T5 tạo ra sự kết tủa vừa phải của các pha giàu đồng, cải thiện giới hạn chảy và độ cứng mà không làm thay đổi hình học như ủ hòa tan. T6 (ủ hòa tan + già nhân tạo) có thể đạt độ bền cao hơn đỉnh nhưng cần kiểm soát rất kỹ nên ít được dùng do chi phí cao, biến dạng và nguy cơ lỗ rỗ khí do hydrogen.