Aluminum 4004: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

Alloy 4004 là một thành viên của dãy hợp kim nhôm 4xxx, là các hợp kim dạng rèn chứa silic trong họ Al-Si. Dãy 4xxx đặc trưng bởi silic là nguyên tố hợp kim chính, thường kết hợp với hàm lượng nhỏ sắt, đồng, mangan và các tạp chất khác để điều chỉnh khả năng đúc và tính chất nhiệt.

Cơ chế làm cứng chính của 4004 chủ yếu là làm cứng dung dịch rắn từ silic và sự phân tán các pha intermetallic giàu Si; hợp kim này chủ yếu không xử lý nhiệt được và dựa vào làm cứng biến dạng (các trạng thái H-temper) và làm nguội có kiểm soát để điều chỉnh tính chất. Các đặc điểm nổi bật của 4004 bao gồm độ bền trung bình đến tốt đối với hợp kim không xử lý nhiệt, cải thiện độ mài mòn và ổn định nhiệt so với các loại hợp kim tinh khiết, khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường, cùng tính hàn và độ dẻo dễ tạo hình nói chung thuận lợi.

Các ngành công nghiệp thường sử dụng hợp kim dãy 4xxx như 4004 bao gồm ô tô (linh kiện thân vỏ và dây hàn), thiết bị tiêu dùng, trao đổi nhiệt và điện tử (nơi yêu cầu dẫn nhiệt và khả năng đúc), cũng như vận tải, nơi cần sự cân bằng giữa khả năng tạo hình và hiệu suất nhiệt cao. Kỹ sư lựa chọn 4004 khi cần sự ổn định kích thước và tính chất nhiệt cao hơn nhôm tinh khiết thương mại, nhưng vẫn tránh được chi phí và quy trình phức tạp của các hợp kim có độ bền cao xử lý nhiệt.

4004 thường được chọn thay vì các hợp kim ít silic hơn vì nó cung cấp sự cân đối hợp lý: hàm lượng silic tăng làm cải thiện ổn định nhiệt độ cao và giảm hệ số giãn nở nhiệt trong khi vẫn giữ được tính dẻo nguội và khả năng hàn tốt. Loại hợp kim này được ưu tiên khi yêu cầu thiết kế là độ bền trung bình kết hợp với dẫn nhiệt, giảm nguy cơ gãy nhiệt khi hàn hoặc hàn gió, và hiệu suất đồng đều trong các công đoạn tạo hình và ghép nối.

Biến Thể Ứng Xử

Ứng Xử	Cấp Độ Bền	Độ Dãn (%)	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái tôi hoàn toàn cho độ dẻo tối đa
H12	Thấp-Trung bình	Trung bình	Rất tốt	Rất tốt	Làm cứng biến dạng nhẹ, phục hồi tạo hình hạn chế
H14	Trung bình	Trung bình-Thấp	Tốt	Rất tốt	Nhiệt độ làm nguội thông dụng cho ứng dụng tấm
H18	Cao	Thấp	Kém	Tốt	Hoàn toàn cứng, dùng khi yêu cầu tính đàn hồi lò xo
T4*	Thấp-Trung bình	Trung bình	Rất tốt	Rất tốt	Trạng thái làm nguội sau hòa tan giới hạn; áp dụng tùy thành phần hóa học chính xác
T5*	Trung bình	Trung bình-Thấp	Tốt	Tốt	Lão hóa nhân tạo từ nguội sau đúc; tiềm năng làm cứng hạn chế
T6*	Trung bình	Trung bình-Thấp	Trung bình	Trung bình	Một số hợp kim dòng 4xxx phản ứng kết tủa hạn chế; lợi ích ở mức vừa phải

Sau bảng trên, việc lựa chọn ứng xử của 4004 chủ yếu xoay quanh làm cứng biến dạng so với trạng thái tôi, với O cung cấp độ dẻo tối đa và các biến thể H-temper tăng dần giới hạn chảy và bền kéo. Khi quy định xử lý nhiệt nhẹ (các loại T) thì khả năng làm cứng hạn chế hơn so với các hợp kim xử lý nhiệt dòng 2xxx hoặc 6xxx, chủ yếu dùng để ổn định cấu trúc hoặc giảm ứng suất dư hơn là để tăng độ bền lớn.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi (%)	Ghi Chú
Si	0.7–1.6	Nguyên tố hợp kim chính; kiểm soát làm cứng dung dịch rắn và đặc tính nhiệt
Fe	0.2–0.8	Tạp chất; tạo pha intermetallic ảnh hưởng đến độ bền và khả năng gia công
Mn	0.05–0.5	Điều chỉnh cấu trúc hạt; cải thiện nhẹ độ bền và khả năng chống ăn mòn
Mg	0.02–0.25	Hàm lượng thấp giúp cải thiện đáp ứng làm cứng biến dạng; làm cứng kết tủa hạn chế
Cu	0.02–0.25	Thêm một ít tăng độ bền nhưng nếu cao có thể giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	0.02–0.15	Thường rất thấp; hạn chế để tránh giòn và nhạy cảm ăn mòn ứng suất (SCC)
Cr	0.01–0.10	Nguyên tố vi lượng kiểm soát cấu trúc hạt và quá trình tái kết tinh trong ứng xử
Ti	0.01–0.10	Chất mịn hạt được thêm với lượng nhỏ, đặc biệt trong đúc hoặc gia công bán thành phẩm
Khác	Còn lại là Al	Các tạp chất và nguyên tố ngoại lai được kiểm soát chặt chẽ để đạt yêu cầu cơ học và chống ăn mòn

Sự kết hợp giữa silic với hàm lượng vừa phải sắt và mangan định hình hành vi cơ học và nhiệt của hợp kim 4004; silic chủ yếu làm giảm nhiệt độ nóng chảy khu vực và tăng độ bền nhờ làm cứng dung dịch rắn và hình thành các pha intermetallic. Các nguyên tố vi lượng như Ti và Cr được dùng để làm mịn cấu trúc hạt, cải thiện độ dai và khả năng tạo hình, trong khi đồng hoặc kẽm được giữ ở mức thấp để bảo vệ khả năng chống ăn mòn và không làm giảm tính hàn.

Tính Chất Cơ Học

Hành vi kéo của 4004 tương ứng với hợp kim Al-Si không thể xử lý nhiệt: cung cấp độ bền kéo và giới hạn chảy trung bình có thể tăng lên thông qua làm lạnh biến dạng nhưng không đạt đến điểm mạnh của các hợp kim có thể tôi luyện. Độ dãn trong trạng thái đã tôi cao, cho phép tạo hình phức tạp và giảm dần theo mức độ làm cứng biến dạng H-temper. Độ cứng và các giá trị kéo chịu ảnh hưởng bởi độ dày, lịch sử gia công và sự hiện diện của pha intermetallic giàu silicon có thể làm tăng độ bền hoặc trở thành vị trí bắt đầu nứt dưới tải lặp.

Khả năng chịu mỏi đủ dùng cho nhiều ứng dụng kết cấu, nhưng kỹ sư cần thận trọng với mỏi chu kỳ cao khi có rãnh gia công hoặc khuyết tật hàn, vì pha silicon intermetallic có thể tập trung ứng suất. Ảnh hưởng độ dày rõ ràng: các tấm mỏng làm nguội biến dạng đều hơn và đạt độ bền tương đối cao hơn cho cùng một trạng thái ứng xử, trong khi các tiết diện dày có thể giữ lõi mềm và giảm dẻo khi uốn hoặc dập sâu.

Tính Chất	O/Tôi Hoàn Toàn	Ứng Xử Chính (ví dụ H14)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo (MPa)	90–140	140–220	Phạm vi kéo phụ thuộc làm nguội biến dạng và độ dày; giá trị ước lượng cho dạng tấm
Giới Hạn Chảy (MPa)	40–80	80–160	Giới hạn chảy tăng rõ rệt với trạng thái H; H14 điển hình cho tấm kết cấu
Độ Dãn (%)	20–35	6–18	Trạng thái tôi cho độ dẻo tối đa; trạng thái H làm giảm dẻo để tăng bền
Độ Cứng (HB)	20–40	40–90	Độ cứng Brinell/Vickers tăng với làm nguội biến dạng; tỷ lệ thuận với tính chất kéo

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.68–2.71 g/cm³	Mật độ hợp kim nhôm điển hình, phụ thuộc nhẹ vào thành phần hợp kim
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~577–652 °C	Silicon làm giảm điểm nóng chảy cục bộ so với Al tinh khiết; phạm vi solidus-liquidus thay đổi với hàm lượng Si
Độ Dẫn Nhiệt	120–165 W/m·K	Thấp hơn so với Al tinh khiết nhưng cao so với thép; thuận lợi cho tản nhiệt
Độ Dẫn Điện	30–45 %IACS	Giảm so với Al tinh khiết (60%+ IACS) do sự thêm hợp kim
Nhiệt Dung Riêng	~0.88–0.90 J/g·K	So sánh thuận lợi với các hợp kim Al khác; cần thiết cho tính toán khối nhiệt
Hệ Số Giãn Nở Nhiệt	22–24 µm/m·K	Thấp hơn so với Al tinh khiết trong hợp kim Al-Si, cải thiện ổn định kích thước theo nhiệt độ

Các tính chất vật lý này làm cho 4004 trở nên hấp dẫn trong các ứng dụng cân bằng giữa trọng lượng nhẹ, dẫn nhiệt và khả năng dẫn điện hợp lý. Độ dẫn nhiệt vẫn đủ cao cho nhiều ứng dụng tản nhiệt và lan tỏa nhiệt, trong khi giảm hệ số giãn nở nhiệt và cải thiện đặc tính đông đặc giúp hợp kim phù hợp với các kết cấu hàn hoặc hàn gió, nơi cần kiểm soát biến dạng.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Tính chất cơ học	Độ tôi thường gặp	Ghi chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Thể hiện tính chất phụ thuộc mạnh vào độ dày; tấm làm cứng khi làm việc một cách dự đoán được	O, H14, H18	Dạng chủ yếu cho các tấm thân xe, bộ trao đổi nhiệt và vỏ thiết bị
Thép tấm dày (Plate)	6–50+ mm	Phần dày giữ lõi mềm trừ khi gia công nhiều	O, H12, H14	Dùng khi cần tăng độ cứng; giới hạn tính tạo hình sâu
Đùn	Tiết diện 2–80+ mm	Phần đùn có thể được ổn định tuổi và gia công nguội sau đùn	O, H11, H22	Phổ biến cho biên dạng kết cấu và khung
Ống	Ø 6–300 mm	Ống hàn hoặc liền mạch; độ bền phụ thuộc độ dày thành và độ tôi	O, H14, H18	Dùng cho hệ thống xử lý chất lỏng và khung nhẹ
Thanh/Rod	Ø 3–100+ mm	Thanh có thể kéo nguội để tăng cường độ; khả năng gia công tốt	O, H12, H14	Dùng cho chi tiết gia công và phôi bulong

Sản phẩm dạng tấm và đùn là các dạng giao hàng phổ biến nhất cho 4004, và quy trình xử lý — cán, tôi ủ, giảm nguội và làm phẳng căng — quyết định đáp ứng cơ học cuối cùng. Tấm dày và phần nặng ít tạo hình hơn và thường yêu cầu gia công trước hoặc uốn nhiều bước, trong khi đùn tận dụng làm nguội có kiểm soát và xử lý billet để kiểm soát cấu trúc hạt và hoàn thiện bề mặt.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	4004	USA	Chỉ định của Aluminum Association; dùng trong một số catalog khu vực
EN AW	4xxx (khoảng)	Châu Âu	Chỉ định theo EN nhóm hợp kim Al-Si rộng; mã số cụ thể có thể khác nhau
JIS	A4xxx (khoảng)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật liệt kê các thành viên họ Al-Si với hóa học tương tự
GB/T	4xxx (khoảng)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc bao gồm nhiều hợp kim Al-Si dập với tính chất chồng lấn

Việc tương đương giữa các tiêu chuẩn cần thận trọng vì họ 4xxx bao phủ phạm vi hàm lượng silic và các phụ gia nhỏ ảnh hưởng đến hiệu năng. Việc đối chiếu phải xem xét chính xác dung sai hoá học và định nghĩa độ tôi; thay thế thẳng không kiểm tra tính chất có thể dẫn đến khác biệt không mong muốn về tính tạo hình, hàn và chống ăn mòn.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Khả năng chống ăn mòn trong khí quyển của 4004 nói chung tốt với môi trường trong nhà và ngoài trời nhẹ ô nhiễm; hàm lượng đồng và kẽm tương đối thấp hạn chế tăng tốc ăn mòn do điện hóa. Sự có mặt của silic và hợp chất sắt giữa các pha có thể tạo vị trí catốt cục bộ trong điều kiện ăn mòn mạnh, nhưng tổng thể hợp kim tạo lớp oxit thụ động ổn định bảo vệ chống ăn mòn đều.

Trong môi trường biển và chứa clo, 4004 hoạt động tốt hơn một số hợp kim chứa đồng nhưng vẫn dễ bị ăn mòn dạng điểm tại vùng hư hại cơ học hoặc lỏng vết hàn so với các hợp kim 5xxx có magiê cao. Các xử lý bề mặt thích hợp, chất bịt kín và thiết kế thoát nước được khuyến nghị để giảm thiểu ăn mòn khe hở và điểm trong các ứng dụng biển tiếp xúc.

Độ nhạy với nứt ăn mòn ứng suất (SCC) của 4004 thấp so với các hợp kim chịu nhiệt luyện có cường độ cao; tuy nhiên, ứng suất dư tại chỗ do hàn hoặc gia công nguội, kết hợp với môi trường ăn mòn, có thể tăng nguy cơ. Khi thiết kế lắp ráp tiếp xúc kim loại khác loại, cần xem xét ăn mòn điện hóa – nhôm 4004 có tính anode so với thép không gỉ và kim loại quý, nên cần cách ly hoặc bảo vệ hy sinh để tránh ăn mòn tăng tốc.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

4004 có khả năng hàn nóng chảy tốt với các quy trình tiêu chuẩn như MIG, TIG và hàn điện trở nhờ hàm lượng silic giúp giảm nguy cơ nứt nóng. Việc chọn que hàn thường ưu tiên loại hợp kim Al-Si (ví dụ: que hàn Al-5Si) để kiểm soát sự đóng rắn và giảm bọt khí; làm nóng trước và kiểm soát nhiệt đầu vào giúp tăng độ bền mối hàn. Vùng ảnh hưởng nhiệt có thể bị làm mềm nếu vật liệu gốc đã bị làm cứng biến dạng, nên thường cần xử lý cơ học sau hàn hoặc thiết kế bù trừ.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 4004 đánh giá từ khá đến tốt so với nhôm tinh khiết thương mại; silic và các hạt hợp chất nhỏ cải thiện sự bẻ vụn phoi nhưng có thể gây mài mòn dụng cụ nhiều hơn so với nhôm tinh khiết rất cao. Dụng cụ cacbua có góc cắt dương và thiết kế phù hợp tốc độ cao cho năng suất tốt nhất, tốc độ cắt trung bình đến cao cùng lượng dung dịch làm mát nhiều giúp giảm mũi dao bị dính vật liệu. Khoan và taro cần chú ý chế độ ăn dao tránh dao kêu răng cưa, các đường chạy hoàn thiện giúp kiểm soát bề mặt khi khắt khe về mỏi cơ học.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình ở trạng thái O và các cấp độ tôi nhẹ tốt, hỗ trợ kéo sâu và uốn phức tạp với kiểm soát độ đàn hồi trở lại phù hợp. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào trạng thái tôi và độ dày; tấm đã ủ có thể uốn bán kính nhỏ hơn (≈1–2× độ dày) trong khi H18 hoặc trạng thái tôi nặng hơn yêu cầu bán kính lớn hơn (≥3–6× độ dày). Với các thao tác tạo hình nặng, dùng trạng thái O hoặc H12 rồi ổn định tuổi và xử lý giảm ứng suất sẽ tối ưu kiểm soát kích thước và giảm nguy cơ rách.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

4004 là hợp kim 4xxx đại diện, được phân loại chủ yếu không chịu tôi luyện; nó không phản ứng đáng kể với tôi luyện dung dịch và già hóa nhân tạo như các hợp kim 2xxx hoặc 6xxx. Các thử nghiệm xử lý nhiệt kiểu T6 chỉ đem lại cải thiện khiêm tốn, do đó xử lý nhiệt chủ yếu dùng để đồng nhất cấu trúc đúc, giảm ứng suất hoặc điều chỉnh nhẹ tính dẻo chứ không tăng cường độ lớn.

Gia công nguội là con đường chính tăng cường độ: giảm nguội có kiểm soát và các đẳng cứng biến dạng (H1x/H2x/H3x) cho phép tăng dần giới hạn chảy và bền kéo một cách dự đoán. Chu trình ủ hoàn toàn đưa vật liệu về tính dẻo, thường được quy định trước khi tạo hình; xử lý ổn định nhiệt (ví dụ già hóa nhiệt độ thấp) có thể dùng để giảm sai lệch tính chất sau tạo hình hoặc hàn.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Ở nhiệt độ cao, 4004 thể hiện giảm dần giới hạn chảy và bền kéo khi pha giàu silic kết tinh lớn dần và gia cường dung dịch giảm; khả năng kết cấu hữu ích thường kéo dài đến nhiệt độ làm việc trung bình (khoảng 150–200 °C) tùy thuộc tải và môi trường. Hiện tượng oxy hóa thấp hơn so với hợp kim sắt; tuy nhiên phơi nhiễm lâu dài ở nhiệt độ cao có thể gây làm mềm và biến dạng kích thước; thiết kế cần xem xét creep dưới tải kéo dài.

Mối hàn có thể nhạy cảm với nhiệt độ cao do ứng suất dư và thay đổi vi cấu trúc tại chỗ làm giảm cơ tính; xử lý nhiệt sau hàn hoặc thiết kế phân phối tải là các biện pháp phổ biến. Với ứng dụng nhiệt độ dao động, 4004 có hệ số giãn nở nhiệt ổn định và dẫn nhiệt tốt giảm chênh nhiệt; tuy nhiên cần chú ý khởi phát mỏi nhiệt tại điểm tập trung ứng suất.

Ứng Dụng

Công nghiệp	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng 4004
Ô tô	Tấm thân trong, tấm chắn nhiệt	Độ tạo hình cân bằng, ổn định nhiệt và khả năng hàn tốt
Hàng hải	Chi tiết kết cấu không quan trọng, viền trang trí	Chống ăn mòn tốt và dễ gia công trong môi trường biển
Hàng không vũ trụ	Lắp phụ, ốp khí động học	Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng tốt và ổn định kích thước nhiệt
Điện tử	Tản nhiệt, vỏ hộp	Dẫn nhiệt cao với khả năng tạo hình dễ hơn hợp kim đúc Al-Si

4004 thường được chỉ định khi thiết kế yêu cầu kết hợp tạo hình tốt, cường độ hợp lý và cải thiện đặc tính nhiệt so với nhôm tinh khiết hoặc hợp kim chứa đồng cao. Ứng dụng trong ô tô và điện tử phản ánh nhu cầu về tính gia công (tạo hình, hàn) cùng hiệu năng nhiệt và chống ăn mòn.

Gợi Ý Lựa Chọn

Lưu ý nhanh cho lựa chọn: chọn 4004 khi bạn cần cường độ trung bình với khả năng tạo hình và đặc tính nhiệt vượt trội so với nhôm tinh khiết thương mại, và khi khả năng hàn cùng giảm nguy cơ nứt khi hàn là yếu tố quan trọng. Hợp kim này đặc biệt thích hợp khi tính dẫn nhiệt và ổn định kích thước dưới chu kỳ nhiệt là yêu cầu thiết kế.

So với 1100 (nhôm tinh khiết), 4004 đánh đổi khả năng dẫn điện và tạo hình nhẹ để lấy tăng cường độ đáng kể và ổn định nhiệt. So với các hợp kim làm cứng biến dạng như 3003 hoặc 5052, 4004 thường cung cấp hiệu năng nhiệt tương đương hoặc cao hơn một chút và khả năng tạo hình tương tự, nhưng độ bền ăn mòn cuối cùng thấp hơn ở môi trường chứa clo cao so với hợp kim 5xxx có magiê. So với hợp kim chịu tôi luyện như 6061 hoặc 6063, 4004 thường có cường độ đỉnh thấp hơn nhưng khả năng hàn và tính nhiệt tốt hơn; chọn 4004 khi không cần cường độ già hóa tối đa và cần ưu tiên dễ dàng liên kết, tạo hình hơn hiệu suất cơ học tối đa.

Tóm tắt cuối

Hợp kim 4004 vẫn giữ vị trí quan trọng vì nó đáp ứng một nhu cầu thực tiễn: nhôm siêu bền với silic, không thể xử lý nhiệt, kết hợp độ dễ tạo hình tốt, khả năng hàn đáng tin cậy và hiệu suất nhiệt thuận lợi cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau. Bộ tính chất cân bằng và hành vi gia công ổn định khiến nó trở thành lựa chọn bền vững cho các kỹ sư thiết kế muốn tìm giải pháp nhôm có thể sản xuất được và ổn định về nhiệt.