Nhôm 4028: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn Độ cứng & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 4028 thuộc dòng hợp kim nhôm 4xxx, một nhóm được đặc trưng bởi silicon là nguyên tố hợp kim chính. Đây là loại hợp kim giàu silicon, microhợp kim hóa với lượng magiê và các nguyên tố chuyển tiếp được kiểm soát nhằm cung cấp sự cân bằng giữa độ bền, khả năng hàn và khả năng tạo hình.

Hợp kim đạt được sự tăng cường cơ tính thông qua sự kết hợp của hiệu ứng hòa tan dung dịch được kiểm soát, các hạt phân tán silicon mịn và sự kết tủa hạn chế từ các cụm Mg-Si; trong thực tế, nó hoạt động như một hợp kim bán có thể xử lý nhiệt với khả năng đáp ứng tốt với xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo, đồng thời cũng đáp ứng tốt với gia công làm cứng. Các đặc trưng điển hình bao gồm độ bền kéo trung bình đến cao ở các trạng thái đã lão hóa, khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường khí quyển, khả năng hàn tuyệt vời khi dùng vật liệu hàn Al-Si, và tính tạo hình thuận lợi ở trạng thái ủ mềm.

Các ngành công nghiệp thường sử dụng 4028 bao gồm các bộ phận kết cấu và trang trí ô tô, phụ kiện và vỏ máy hàng hải, thiết bị gia dụng, và một số cấu trúc phụ trong hàng không vũ trụ nơi cần sự cân bằng giữa khả năng tạo hình và tỉ lệ độ bền trên trọng lượng. Hợp kim được lựa chọn khi nhà thiết kế cần độ bền cao hơn các loại nhôm tinh khiết thương mại mà không làm giảm hiệu suất hàn và ép đùn.

4028 thường được chọn thay thế cho các hợp kim dòng 1000/3000 khi cần độ bền và độ ổn định kích thước cao hơn, và thay thế cho dòng 6xxx khi ưu tiên khả năng hàn cải thiện và tính chất đúc/ép đùn được định hướng bởi silicon. Tính chất bán có thể xử lý nhiệt của hợp kim làm nó hấp dẫn trong các trường hợp có thể lão hóa sau gia công nhưng không đòi hỏi độ bền đỉnh cực đại.

Biến thể trạng thái nhiệt

Trạng thái nhiệt	Cấp độ độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–30%)	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Ủ mềm hoàn toàn, độ dẻo và khả năng tạo hình tối đa
H14	Trung bình	Trung bình (12–18%)	Khá	Tuyệt vời	Gia công làm cứng theo một bước để đạt độ cứng vừa phải
H24	Trung bình cao	Trung bình (10–15%)	Khá – tốt	Tuyệt vời	Gia công làm cứng và ổn định một phần, kiểm soát đàn hồi tốt
T4	Trung bình	Trung bình (12–18%)	Khá	Tuyệt vời	Xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa tự nhiên, các tính chất cân bằng
T5	Trung bình cao	Thấp hơn (8–14%)	Khá	Rất tốt	Làm nguội từ nhiệt độ cao và lão hóa nhân tạo, quá trình lão hóa nhanh hơn
T6 / T651	Cao	Thấp hơn (8–12%)	Khá – kém	Rất tốt	Xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo để đạt độ bền đỉnh; T651 bao gồm bước khử ứng suất

Trạng thái nhiệt quyết định trực tiếp sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo cho 4028 và kiểm soát khả năng tạo hình cho các quy trình dập và kéo sâu. Trạng thái ủ mềm O cung cấp độ giãn dài tối đa và giới hạn chảy thấp nhất, trong khi T6/T651 đạt độ bền sử dụng cao nhất với chi phí giảm khả năng uốn và tăng độ đàn hồi trở lại.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0.9–1.8	Nguyên tố hợp kim chính; cải thiện độ chảy, giảm phạm vi nhiệt độ nóng chảy, hỗ trợ khả năng hàn
Fe	0.4–1.0	Tạp chất tạo các hợp chất intermetallic; được kiểm soát để giới hạn mất dẻo
Mn	0.05–0.50	Điều chỉnh cấu trúc hạt và tạo phân tán cho độ bền và độ dai
Mg	0.15–0.60	Kích thích hiện tượng kết tủa tăng cường (cụm Mg-Si) và tăng độ bền
Cu	0.02–0.30	Hàm lượng thấp hỗ trợ tăng cường độ bền nhưng giới hạn để duy trì khả năng chống ăn mòn
Zn	0.02–0.25	Phụ gia nhỏ, giới hạn để tránh tăng nhạy cảm ăn mòn ứng suất (SCC)
Cr	0.01–0.10	Kiểm soát cấu trúc hạt và giảm tái kết tinh trong quá trình gia công
Ti	0.02–0.12	Chất mịn hạt dùng trong luyện kim sơ cấp để tạo vi cấu trúc mịn
Khác	Tối đa 0.05 (mỗi loại) / tổng 0.15	Bao gồm các nguyên tố vi lượng như Zr, Sr; duy trì thấp để tránh pha có hại

Nồng độ silicon xác định phần lớn hành vi của 4028: nó cải thiện khả năng đúc và tương thích với vật liệu hàn đồng thời giảm phạm vi đông đặc. Magiê và mangan hoạt động cộng hưởng để cho phép khả năng làm cứng qua lão hóa vừa phải và tinh chỉnh vi cấu trúc sau xử lý, trong khi sắt và các tạp chất khác cần kiểm soát chặt để tránh các hợp chất intermetallic thô làm giảm độ dẻo và tuổi mỏi.

Tính chất cơ học

Về đặc tính kéo, 4028 thể hiện sự khác biệt rõ rệt giữa trạng thái ủ mềm và trạng thái đã lão hóa. Trạng thái ủ mềm (O) cho độ bền kéo và giới hạn chảy thấp nhưng độ giãn dài cao, thuận lợi cho kéo sâu và tạo hình phức tạp; các trạng thái đã lão hóa (T5/T6) tạo ra khoảng cách giữa giới hạn chảy và bền kéo hẹp hơn cùng độ bền tối đa cao hơn, phù hợp cho các bộ phận kết cấu.

Giới hạn chảy tăng đáng kể khi xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo, thường đạt khoảng 60–70% độ bền kéo tối đa trong điều kiện kiểu T6. Hiệu suất mỏi chịu ảnh hưởng bởi trạng thái bề mặt và làm nguội sạch; các chi tiết được đánh bóng và bắn bi nâng cao giới hạn bền mỏi trong khi các hợp chất intermetallic thô do hàm lượng Fe cao có thể là điểm bắt đầu nứt.

Độ cứng tương quan với trạng thái nhiệt; chi tiết ủ mềm có độ mềm và dễ gia công, trong khi bề mặt trạng thái T6 đạt giá trị Brinell hoặc Vickers cao hơn, phù hợp với mật độ lệch vị trí và sự gia cường nhờ kết tủa. Độ dày ảnh hưởng đến phản ứng làm cứng và tốc độ làm nguội trong quá trình xử lý dung dịch, do đó các chi tiết dày trên vài mm yêu cầu chu trình nhiệt được kiểm soát để đạt tính chất đồng nhất.

Tính chất	O / Ủ mềm	Trạng thái chính (T6/T651)	Ghi chú
Độ bền kéo	95–140 MPa	210–270 MPa	Giá trị T6 phụ thuộc vào độ dày và đường lão hóa
Giới hạn chảy	35–60 MPa	140–200 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh với lão hóa nhân tạo
Độ giãn dài	20–30%	8–12%	Độ giãn dài giảm khi độ bền tăng
Độ cứng (HB)	25–40 HB	60–90 HB	Độ cứng phản ánh độ bền và ảnh hưởng gia công

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.70–2.73 g/cm³	Điển hình cho hợp kim nhôm, tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~570–640 °C	Hợp kim làm giảm và mở rộng khoảng nhiệt độ nóng chảy so với nhôm tinh khiết
Độ dẫn nhiệt	120–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết; silicon và các nguyên tố hợp kim làm giảm nhẹ độ dẫn nhiệt
Độ dẫn điện	~28–42 % IACS	Phụ thuộc trạng thái nhiệt và hợp kim; thấp hơn nhôm tinh khiết và hợp kim dòng 1xxx
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Nhiệt dung điển hình của nhôm, hữu ích cho quản lý nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt	22–24 µm/m·K (20–100 °C)	Tương đương các hợp kim nhôm khác; quan trọng trong thiết kế mối nối với kim loại khác loại

Tính chất vật lý của 4028 khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho các bộ phận yêu cầu quản lý nhiệt và cấu trúc nhẹ. Độ dẫn nhiệt của hợp kim đủ cho các ứng dụng làm tản nhiệt trong khi độ dẫn điện giảm so với nhôm tinh khiết, do đó nó hiếm khi được dùng ở những nơi yêu cầu độ dẫn điện cực đại.

Hệ số giãn nở nhiệt và phạm vi nhiệt độ nóng chảy cần được xem xét trong các cụm hàn và xử lý ở nhiệt độ cao. Cần bố trí khoảng thiết kế để bù trừ giãn nở khác biệt và kiểm soát chính xác tốc độ gia nhiệt/làm nguội trong xử lý nhiệt để tránh biến dạng.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/kích thước điển hình	Hành vi độ bền	Trạng thái nhiệt phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.2–6.0 mm	Độ bền đồng đều qua quá trình cán; khả năng tạo hình tốt ở trạng thái O/T4	O, H14, T4, T5	Phổ biến dùng cho các chi tiết dập và vỏ máy
Thép tấm dày (Plate)	6–50 mm	Hiệu quả làm nguội thấp hơn; yêu cầu chu trình xử lý dung dịch dày hơn	O, T4, T6 (giới hạn)	Các tiết diện dày cần lão hóa đặc biệt để đạt yêu cầu tính chất
Thanh đùn	Hồ sơ đến 200 mm	Độ bền và ổn định kích thước tốt sau lão hóa	O, T5, T6	Silicon hỗ trợ lưu động ép đùn và hoàn thiện bề mặt
Ống	Đường kính thành 0.5–10 mm	Hành vi tương tự tấm; uốn và tạo hình thủy lực ở trạng thái ủ mềm	O, H24, T6	Phổ biến cho các bộ phận khung và ống dẫn
Thanh tròn / thanh đặc	Ø3–100 mm	Dễ gia công ở trạng thái O; thanh đã lão hóa dùng cho các phụ kiện	O, T6	Kéo và làm thẳng dùng cho chi tiết chính xác

Tấm và thanh đùn được hưởng lợi từ sự cân bằng giữa lưu động và độ bền của hợp kim; các chi tiết mỏng có thể xử lý dung dịch và làm lạnh nhanh để cải thiện đáp ứng lão hóa. Tấm dày yêu cầu chu trình xử lý dung dịch dài hơn và làm nguội có kiểm soát để tránh vùng mềm trung tâm và tính chất không đồng đều.

Biên dạng đùn tận dụng silic để giảm mài mòn khuôn và cải thiện bề mặt hoàn thiện, trong khi ống và thanh thường được cung cấp ở trạng thái ủ cho quá trình tạo hình hoặc ở trạng thái tôi già để ứng dụng làm chi tiết cơ khí. Việc lựa chọn quá trình gia công ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô cuối cùng và phải phù hợp với hình học chi tiết cũng như bộ tính chất yêu cầu.

Các mác tương đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	4028	USA	Định danh trong ngành cho biến thể hợp kim vi lượng 4xxx
EN AW	AlSi1MgMn	Châu Âu	Cơ sở hóa học tương đương gần đúng; áp dụng quy chuẩn nhiệt luyện khu vực
JIS	A4028 (xấp xỉ)	Nhật Bản	Định danh địa phương khác nhau; chu trình xử lý nhiệt tùy khu vực
GB/T	4028	Trung Quốc	Thường sản xuất với hóa học tương tự nhưng dung sai sản xuất địa phương

Các tiêu chuẩn khu vực có thể sử dụng quy ước số hóa hợp kim và dung sai khác nhau, do đó thay thế trực tiếp cần xác minh phạm vi hóa học và đảm bảo tính chất cơ học chính xác. Những khác biệt nhỏ về giới hạn tạp chất, phương pháp tinh chỉnh hạt và các nguyên tố vết cho phép có thể ảnh hưởng đến tuổi mỏi và tính hàn, vì vậy đối chiếu kỹ thuật cần bao gồm bảng đặc tính và dữ liệu thử nghiệm.

Khả năng chống ăn mòn

Trong môi trường khí quyển, 4028 thể hiện khả năng chống ăn mòn chung tốt, nhờ silic và hàm lượng đồng thấp giúp giảm hiệu điện thế galvanic so với môi trường giàu clorua. Lớp oxit bảo vệ hình thành nhanh chóng và hợp kim chống mòn đều khi chịu điều kiện phơi ngoài trời thông thường.

Môi trường biển gây nguy cơ ăn mòn điểm và kẹt, đặc biệt tại vùng nước tù đọng hoặc nơi tích tụ clorua. Hợp kim có khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với hợp kim chứa đồng nhưng cần xử lý bề mặt hoặc lớp phủ hy sinh để sử dụng lâu dài dưới nước hoặc vùng bắn nước.

Nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất thấp hơn so với hợp kim series 2xxx hoặc 7xxx có cường độ cao, do ứng suất dư thấp và hàm lượng đồng, kẽm hạn chế. Tuy nhiên, các kết cấu hàn có ứng suất dư kéo và không đồng nhất về mặt kim loại học cần được thiết kế và gia công cẩn thận để giảm thiểu rủi ro SCC.

Cần xem xét tương tác galvanic khi ghép nối 4028 với kim loại hoạt động hơn như thép không gỉ hoặc đồng; có thể sử dụng cách điện hoặc anot hy sinh để giảm ăn mòn tăng tốc. So với hợp kim series 5xxx (giàu Mg), 4028 thường cho khả năng hàn tốt hơn và chống ăn mòn khí quyển tương đương, nhưng có thể nhạy hơn một chút với ăn mòn điểm tập trung do clorua.

Tính chất gia công

Khả năng hàn

4028 hàn rất tốt với các quá trình hồ quang phổ biến như TIG và MIG, và dễ dàng liên kết với các hợp kim kim loại phụ Al-Si (ví dụ ER4043 hoặc ER4047). Nguy cơ nứt nóng thấp do silic làm giảm dải đông đặc, nhưng lựa chọn kim loại phụ không phù hợp hoặc thiết kế mối hàn kém vẫn có thể gây rỗ khí và làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Cần kiểm soát nhiệt lượng vào để hạn chế quá nhiệt HAZ dẫn đến mất cơ tính bên cạnh đường hàn.

Khả năng gia công cơ khí

Hợp kim có khả năng gia công vừa đến tốt ở trạng thái ủ, hiệu suất cải thiện khi một số biến thể thương mại có thêm chất tăng khả năng gia công không chì. Dụng cụ đúc cacbua với góc nghiêng tích cực và làm mát đủ cung cấp kiểm soát phoi ổn định và bề mặt gia công đạt chất lượng. Tốc độ cắt khuyến nghị ở mức vừa phải; tăng tốc độ tiến dao giúp giảm hiện tượng ăn mòn cạnh dao nhưng nếu không tối ưu có thể làm tăng độ nhám bề mặt.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình xuất sắc trong trạng thái O, cho phép các thao tác dập phức tạp, kéo sâu và thủy lực với bán kính cong nhỏ. Khi cường độ tăng lên trong các trạng thái H và T, bán kính cong tối thiểu và độ đàn hồi sau uốn tăng; các chi tiết T6 thường yêu cầu gân và bán kính lớn hơn. Trong gia công tạo hình gia tăng, có thể sử dụng tiền già T4 rồi già cuối để cân bằng giữa tính tạo hình và tính chất cuối cùng.

Hành vi xử lý nhiệt

4028 là hợp kim bán nhiệt luyện: xử lý dung dịch có kiểm soát kèm làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo giúp tăng đáng kể độ bền. Quá trình xử lý dung dịch thường thực hiện ở 510–540 °C tùy theo độ dày tiết diện để hòa tan các pha hoà tan được, sau đó làm nguội bằng nước nhằm giữ lại dung dịch rắn quá bão hoà.

Lão hóa nhân tạo thường tiến hành ở 160–190 °C trong 4–10 giờ để kết tủa các cụm Mg-Si tinh thể mịn và các phân tán Si; đường cong lão hóa phụ thuộc tiết diện và quá lão hóa sẽ làm giảm cường độ nhưng cải thiện độ dẻo. T5 (làm nguội từ nhiệt độ cao và lão hóa nhân tạo) là lựa chọn thuận tiện trong sản xuất khi xử lý dung dịch đầy đủ không khả thi.

Ở cấp độ xử lý tại xưởng, trạng thái O đạt được bằng cách nung ở ~370–400 °C để giảm ứng suất hoặc làm mềm rồi làm nguội trong lò có kiểm soát. Gia công nguội vẫn là phương pháp hiệu quả để tăng cường độ khi không có xử lý nhiệt, đặc biệt trong các trạng thái H.

Hiệu suất nhiệt độ cao

Độ bền vận hành bắt đầu giảm khi nhiệt độ trên khoảng 120–150 °C do tính ổn định của pha kết tủa giảm và tương tác dislocation-pha kết tủa suy yếu. Trong hoạt động liên tục, thiết kế thường giới hạn 4028 dưới 150 °C để giữ phần lớn độ bền ở nhiệt độ thường.

Khả năng chống oxi hóa tương tự các hợp kim nhôm khác; các lớp oxit bảo vệ hình thành nhanh và hạn chế sự xuống cấp tiếp theo trong môi trường không ăn mòn mạnh. Phơi lâu dài trên 200 °C làm tăng tốc quá trình thô lớn pha tăng cường và có thể gây mất cứng vĩnh viễn cũng như biến dạng kích thước, đặc biệt với tiết diện mỏng nơi hiện tượng creep nổi bật.

Vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn (HAZ) đặc biệt nhạy cảm với mất cơ tính khi tiếp xúc với nhiệt độ cao sau khi hàn; cần chỉ định lão hóa sau hàn hoặc xử lý dung dịch kèm lão hóa để phục hồi tính chất tùy theo yêu cầu thiết kế.

Ứng dụng

Ngành công nghiệp	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng 4028
Ô tô	Tấm thân bên trong, giá đỡ	Tính tạo hình tốt trong trạng thái O và độ bền cao hơn trong trạng thái T5/T6 cho cấu trúc liên kết
Hàng hải	Giá đỡ, vỏ bọc, viền	Chống clorua hợp lý và khả năng hàn xuất sắc với kim loại phụ Al-Si
Hàng không	Phụ kiện phụ, hệ thống dẫn khí	Tỷ lệ độ bền trên khối lượng ưu việt và khả năng đùn tạo hình phức tạp
Điện tử	Thiết bị tản nhiệt, vỏ bọc	Độ dẫn nhiệt đủ và ổn định kích thước sau lão hóa

4028 thường được chỉ định khi cần sự cân bằng giữa khả năng sản xuất và hàn với yêu cầu cơ tính cao hơn các hợp kim nhôm rèn mềm. Tính chất cân bằng của nó cho phép sử dụng trong nhiều ngành vận tải và công nghiệp nơi yêu cầu sức bền vừa phải, khả năng chống ăn mòn tốt và dễ gia công đồng thời.

Gợi ý lựa chọn

Chọn 4028 khi thiết kế cần độ bền tốt hơn nhôm tinh khiết thương mại (1100) đồng thời giữ được tính tạo hình và khả năng hàn vượt trội. So với 1100, 4028 đánh đổi một phần độ dẫn điện và dẫn nhiệt để đạt được độ bền kéo và giới hạn chảy cao hơn đáng kể.

So với các hợp kim làm cứng nguội phổ biến như 3003 hoặc 5052, 4028 cung cấp độ bền cao hơn ở trạng thái lão hóa và khả năng chống ăn mòn khí quyển tương đương, dù có thể kém chịu hư hại nhẹ trong môi trường clorua rất ăn mòn. So với hợp kim nhiệt luyện tiêu chuẩn như 6061/6063, 4028 có khả năng hàn tốt hơn và tính năng đùn tạo hình có lợi do silic, nhưng đổi lại đỉnh cường độ tối đa đạt được thấp hơn.

Về thu mua, ưu tiên 4028 khi quy trình gia công có hàn nhiệt fusion với kim loại phụ Al-Si, khi chất lượng bề mặt đùn quan trọng, hoặc khi lựa chọn hợp kim bán nhiệt luyện giúp đơn giản hóa sản xuất mà không cần chu trình nhiệt luyện cường độ cao nhất.

Kết luận

Hợp kim 4028 chiếm vị trí thực tế trong số các hợp kim nhôm nhờ sự kết hợp sản xuất hỗ trợ silic với bổ sung magie có kiểm soát để tạo ra vật liệu bán nhiệt luyện cân bằng giữa tính tạo hình, khả năng hàn, chống ăn mòn và độ bền vừa đến cao. Nó vẫn phù hợp khi thiết kế cần đảm bảo khả năng chế tạo và hiệu suất sử dụng đáng tin cậy mà không phát sinh chi phí hoặc lo ngại nứt ăn mòn ứng suất (SCC) như các hợp kim chứa đồng hoặc giàu kẽm có cường độ cao hơn.