Nhôm 413: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim nhôm 413 thuộc dòng 4xxx, được đặc trưng bởi silicon là nguyên tố hợp kim chính. Dòng này thường tập trung vào cải thiện tính lưu động, giảm khoảng nhiệt độ nóng chảy và tăng khả năng chống mài mòn thay vì tăng độ bền cao thông qua xử lý nhiệt.

413 chủ yếu được làm cứng bởi hiệu ứng dung dịch rắn của silicon và luyện gia công; nó không phải là hợp kim có thể xử lý nhiệt theo cách thông thường như các dòng 6xxx hoặc 7xxx. Các thành phần hợp kim đi kèm ngoài silicon bao gồm lượng sắt, mangan và các nguyên tố vi lượng kiểm soát để điều chỉnh tính đúc, độ bền và khả năng gia công.

Đặc tính chính của 413 gồm độ bền trung bình, khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường khí quyển và môi trường hơi ăn mòn nhẹ, tính hàn tuyệt vời và khả năng tạo hình vừa phải ở các trạng thái nhiệt mềm hơn. Những đặc điểm này giúp 413 được ưa chuộng trong các ngành yêu cầu nối và tạo hình tin cậy với hiệu suất cơ học hợp lý, ví dụ như kết cấu phụ ô tô, phụ kiện tiêu dùng và một số chi tiết trong ngành biển.

Kỹ sư chọn 413 thay vì các hợp kim khác khi cần sự kết hợp giữa khả năng hàn, hành vi nhiệt dự đoán được trong quá trình nối, và chi phí sản xuất hiệu quả (tạo hình, gia công, hàn) mà không phải chịu rủi ro về biến dạng hoặc chi phí cao như các hợp kim chịu già hóa kết tủa. Sự ổn định trong vùng ảnh hưởng nhiệt và tính tương thích với kim loại phụ khi hàn thường là lý do chọn lựa cho các cụm hàn và chi tiết hàn chập.

Các trạng thái nhiệt luyện

Trạng thái	Mức độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Ủ mềm hoàn toàn, độ dẻo tối đa để tạo hình
H14	Trung bình	Trung bình	Tốt	Tuyệt vời	Luyện cứng một phần, thường dùng cho tấm
H18	Cao (gia công nguội)	Thấp	Kém	Tuyệt vời	Gia công nguội mạnh để tăng giới hạn chảy
T4*	Thấp đến trung bình	Trung bình	Tốt	Tuyệt vời	Không phải xử lý nhiệt truyền thống; trạng thái tự nhiên sau xử lý dung dịch ở các biến thể đặc biệt
T5/T6/T651	Không áp dụng phổ biến	Không áp dụng	Hạn chế	Tuyệt vời	Chỉ định xử lý nhiệt thường không hiệu quả cho dòng 4xxx; đáp ứng cơ học hạn chế
Hx/Tx tùy chỉnh	Thay đổi	Thay đổi	Thay đổi	Tuyệt vời	Nhiều lô hàng thương mại áp dụng trạng thái nhiệt chuyên biệt cho nhu cầu đùn hoặc hàn chập

413 chủ yếu là hợp kim không thể xử lý nhiệt theo cách truyền thống, nên trạng thái nhiệt thường đề cập đến mức độ làm cứng nguội (ký hiệu H) và các trạng thái nhiệt thương mại được điều chỉnh phù hợp cho tạo hình hoặc gia công. Các trạng thái O và H nhẹ được ưu tiên cho tạo hình phức tạp, trong khi trạng thái H cao hơn đánh đổi khả năng tạo hình để tăng giới hạn chảy và độ cứng.

Bởi vì các pha giàu silicon có thể kết tủa trong quá trình chu trình nhiệt, phương pháp già hóa nhân tạo T5/T6 truyền thống không tăng cường đáng kể độ bền; các quy trình đặc biệt (làm nguội kiểm soát sau xử lý dung dịch hoặc xử lý nhiệt cơ học tùy chỉnh) đôi khi được dùng nhưng vẫn hiếm trong thực tiễn chung.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	4.5–6.5	Nguyên tố hợp kim chính, giảm khoảng nhiệt nóng chảy, cải thiện tính lưu động và làm cứng dung dịch rắn
Fe	0.4–1.2	Tạp chất phổ biến; tạo hợp chất trung gian ảnh hưởng đến đúc và khả năng gia công
Mn	0.1–0.6	Kiểm soát cấu trúc hạt, cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn
Mg	0.05–0.40	Lượng nhỏ; có thể ảnh hưởng đến độ bền và hoàn thiện bề mặt nhưng giữ thấp để tránh làm phức tạp khả năng hàn
Cu	0.05–0.25	Lượng hạn chế nhằm tránh mất khả năng chống ăn mòn đáng kể; nếu có sẽ nâng cao độ bền
Zn	0.05–0.30	Thường thấp; nhiều kẽm có thể giảm khả năng chống ăn mòn
Cr	0.03–0.20	Vi lượng làm ổn định cấu trúc vi mô và hạn chế tăng trưởng hạt trong quá trình gia công
Ti	0.01–0.15	Chất làm tinh hạt trong đúc và đùn, cải thiện tính chất cơ học
Khác	0.05–0.50	Bao gồm các nguyên tố vi lượng và tạp chất (V, Zr, Sr); lượng kiểm soát nhằm điều chỉnh đúc và cấu trúc vi mô

Phần còn lại là nhôm, và các phạm vi trên là đặc trưng của các công thức thương mại phổ biến cho hợp kim 4xxx dạng rèn và đúc mang ký hiệu 413. Silicon chi phối hiệu năng bằng cách giảm khoảng nhiệt nóng chảy và tăng khả năng chống mài mòn. Các nguyên tố phụ nhỏ (Mn, Cr, Ti) được bổ sung để kiểm soát kích thước hạt, điều chỉnh hình thái hợp chất trung gian và cải thiện độ bền hoặc khả năng gia công mà không làm suy giảm đáng kể tính hàn hay khả năng chống ăn mòn.

Tính chất cơ học

Về tính năng kéo, 413 thường thể hiện giới hạn bền kéo trung bình với độ giãn dài hợp lý ở trạng thái ủ mềm và độ dẻo giảm khi gia công nguội tăng lên. Giới hạn chảy tăng theo các trạng thái H, trong khi độ dai va đập và độ giãn dài giảm đi do đánh đổi. Phản ứng làm cứng khi gia công là dự đoán được và được sử dụng để đạt độ bền mục tiêu trong các chi tiết tạo hình hoặc kéo dài.

Độ cứng phụ thuộc vào trạng thái nhiệt: trạng thái O biểu thị độ cứng Brinell hoặc Vickers thấp hơn, trong khi các trạng thái H14–H18 làm tăng độ cứng nhờ nhân lên mạng dịch chuyển. Hiệu năng mỏi thường đủ dùng cho các tải cylic không quan trọng; tuy nhiên các điểm tập trung ứng suất và hoàn thiện bề mặt đóng vai trò lớn hơn nhiều so với các hợp kim chịu xử lý nhiệt có độ bền cao. Độ dày ảnh hưởng đến tính chất cơ học thông qua tốc độ làm nguội trong đúc/đùn và mức gia công nguội đạt được; các tiết diện dày hơn thường có độ bền hiệu dụng và độ dẻo thấp hơn do cấu trúc thô hơn.

Nhà thiết kế nên kỳ vọng các đường cong ứng suất-biến dạng mượt mà với các hệ số làm cứng biến dạng trung bình và sự đánh đổi rõ ràng giữa độ bền và khả năng tạo hình khi nâng cao trạng thái nhiệt H.

Tính chất	Trạng thái O/Ủ mềm	Trạng thái chính (ví dụ H14/H18)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	~120–190 MPa	~180–260 MPa	Phạm vi điển hình phụ thuộc độ dày, quá trình và thành phần chính xác
Giới hạn chảy	~60–120 MPa	~140–220 MPa	Giới hạn chảy tăng đáng kể khi gia công nguội
Độ giãn dài	~20–35%	~3–12%	Trạng thái ủ mềm có độ dẻo cao; gia công nguội nhiều làm giảm độ giãn dài
Độ cứng	~30–55 HB	~60–95 HB	Độ cứng tăng lên khi gia công nguội và tăng hợp kim

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.65–2.70 g/cm³	Điển hình cho hợp kim nhôm; thay đổi nhẹ tùy theo thành phần hợp kim
Khoảng nhiệt nóng chảy	~570–650 °C	Silicon hạ nhiệt độ kết tinh và rút ngắn khoảng nhiệt so với nhôm tinh khiết
Độ dẫn nhiệt	120–160 W/m·K	Thấp hơn so với nhôm tinh khiết nhưng vẫn cao; thích hợp cho tản nhiệt
Độ dẫn điện	~30–45 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do hợp kim; đủ dùng cho một số ứng dụng dẫn điện hoặc liên kết
Nhiệt dung riêng	~0.88–0.92 J/g·K	Giá trị điển hình dùng trong tính toán nhiệt lượng
Hệ số giãn nở nhiệt	22–24 µm/m·K (20–100 °C)	Tương đương nhiều hợp kim rèn; quan trọng trong chu trình nhiệt và kiểm soát kích thước

Các tính chất vật lý định vị 413 vào nhóm hợp kim nhôm đa dụng: nhẹ với độ dẫn nhiệt cao so với thép và nhiều hợp kim khác, nhưng độ dẫn điện giảm so với dòng 1xxx. Hành vi nhiệt trong hàn và hàn chập thuận lợi vì silicon giảm khoảng nhiệt nóng chảy và giảm nguy cơ nứt nóng trong nhiều quy trình nối.

Nhà thiết kế cần lưu ý hệ số giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt khi ghép các chi tiết 413 với vật liệu không cùng loại; độ dẫn nhiệt cao giúp hợp kim này hữu ích trong các ứng dụng thoát nhiệt khi độ bền trung bình được chấp nhận.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Cơ tính	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Đều; cường độ thay đổi theo quá trình biến dạng nguội	O, H14, H18	Rộng rãi sử dụng cho các tấm định hình và cụm hàn
Thép tấm dày	6–150 mm	Năng suất thấp hơn ở các tiết diện dày; cấu trúc hạt thô hơn	O, H nhẹ	Thép tấm dày có thể yêu cầu xử lý đặc biệt để kiểm soát kích thước hạt
Thanh đùn	Hình dạng biên dạng đến vài mét	Có thể sản xuất đa dạng mặt cắt; cường độ đạt được qua tôi luyện	O, Hxx	Độ đùn tốt nhờ silicon; tinh chỉnh cấu trúc hạt rất quan trọng
Ống	Đường kính ngoài từ nhỏ đến lớn	Cường độ phụ thuộc vào độ dày thành ống và quá trình biến dạng	O, H14	Phổ biến cho ống kết cấu và ống trao đổi nhiệt hàn bọc
Thanh tròn/Thỏi	Đường kính đến ~200 mm	Cường độ tăng khi kéo nguội	O, H	Sử dụng cho chi tiết gia công và bộ phận liên kết trong ứng dụng không yêu cầu cao

Các dạng tấm và sản phẩm mỏng là dạng giao hàng phổ biến nhất cho 413, cho phép các thao tác dập và kéo sâu. Sản phẩm tấm dày và đùn yêu cầu chú ý đến lịch sử nhiệt; kết tinh giàu silicon và các pha intermetallic có thể tạo ra các pha thô trong các tiết diện dày làm ảnh hưởng đến độ dai va đập và khả năng gia công.

Đùn được hưởng lợi từ tính lưu động của silicon nhưng thường cần tinh chỉnh cấu trúc hạt (bổ sung Ti, B) và làm nguội cẩn thận để đạt hiệu suất cơ học đồng nhất dọc theo biên dạng.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác thép	Khu vực	Ghi chú
AA	413	Hoa Kỳ	Chỉ định cho biến thể hợp kim 4xxx thương mại đã gia công; thành phần có thể thay đổi tùy nhà cung cấp
EN AW	không có mác tương đương trực tiếp duy nhất	Châu Âu	Không có mã EN AW nào tương đương chính xác; có tính tương đồng với họ EN AW-4043/4047 ở một số tính chất
JIS	không có mác tương đương trực tiếp duy nhất	Nhật Bản	Tiêu chuẩn JIS thường không liệt kê mác tương đương trực tiếp cho 413; cần so sánh dựa trên thành phần
GB/T	không có mác tương đương trực tiếp duy nhất	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc có thể có hợp kim 4xxx tương tự nhưng ít khi có sự tương đương một-một

Không có sự tương đương chính xác toàn cầu cho 413 trong nhiều tiêu chuẩn quốc tế vì hợp kim họ 4xxx thường được thiết kế theo ứng dụng cụ thể (hàn, hàn bọc, sử dụng gia công). Khi thay thế, kỹ sư nên so sánh chi tiết bảng thành phần và tính chất cơ học được chứng nhận thay vì chỉ dựa vào mã mác. Sự khác biệt nhỏ về thành phần, đặc biệt là silicon và sắt, có thể ảnh hưởng đến đặc tính nóng chảy và vùng nhiệt ảnh hưởng (HAZ) khi hàn.

Khả năng Chống Ăn Mòn

413 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt tương đương nhiều hợp kim họ 4xxx, nhờ màng oxide nhôm bảo vệ tự nhiên và hàm lượng tạp chất gây hại thấp. Trong môi trường vừa phải, hợp kim hoạt động tốt, nhưng trong điều kiện biển giàu chloride cần thiết kế cẩn trọng để tránh ăn mòn cục bộ, đặc biệt khi có sự tiếp xúc điện hóa với kim loại quý hơn.

Trong ứng dụng hàng hải, 413 có thể dùng cho các chi tiết kết cấu khi có dự phòng ăn mòn, lớp phủ hoặc anode hy sinh; hàm lượng silicon không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống ăn mòn so với hợp kim magiê họ 5000. Độ nhạy nứt ăn mòn ứng suất thấp hơn nhiều so với hợp kim cường độ cao họ 2xxx và 7xxx, nhưng ứng suất dư và chỗ khuyết có thể gây hỏng cục bộ khi chịu tải chu kỳ trong môi trường ăn mòn.

Cần xem xét tương tác điện hóa: khi tiếp xúc với thép không gỉ hoặc hợp kim đồng, 413 sẽ đóng vai trò anodic và ăn mòn ưu tiên trừ khi được cách điện hoặc bảo vệ. So với hợp kim mềm 1xxx/3xxx bị biến dạng, 413 đánh đổi một phần tính dễ tạo hình để đổi lấy sự ổn định nhiệt cao và khả năng kháng mòn tốt hơn trong các ứng dụng tiếp xúc.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

413 rất dễ hàn với các phương pháp hàn nóng chảy truyền thống (TIG, MIG/GMAW) và thường được lựa chọn khi yêu cầu khả năng kết hợp nóng chảy tốt và ít nguy cơ nứt nóng. Silicon làm giảm nhiệt độ nóng chảy và cải thiện độ lưu động của vũng hàn; kim loại phụ phù hợp với vật liệu gốc hoặc hợp kim họ 4xxx thường được khuyến nghị. Nguy cơ nứt nóng thấp hơn so với hợp kim đồng hoặc kẽm cao, nhưng việc chọn kim loại phụ cần cân nhắc điều kiện làm việc và yêu cầu chống ăn mòn. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể bị làm mềm tùy mức độ biến dạng nguội trước đó; đối với dung sai cấu kiện kết cấu, có thể cần gia công cơ khí hoàn thiện hoặc xử lý giảm ứng suất sau hàn.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 413 ở mức trung bình và nói chung tốt hơn nhiều hợp kim gang giàu silicon; gia công sạch trong điều kiện ủ mềm (O) và nhiệt độ cứng trung bình (H) khi sử dụng dụng cụ và tốc độ đúng cách. Dụng cụ cacbua được khuyến nghị cho sản xuất liên tục với tốc độ cắt vừa phải và góc cắt thuận để kiểm soát mảnh cắt. Các pha intermetallic giàu silicon có thể gây mài mòn dụng cụ, do đó cần chọn vật liệu dụng cụ và lớp phủ phù hợp để kéo dài tuổi thọ. Hoàn thiện bề mặt và dung sai có thể đạt rất tốt khi sử dụng phương pháp cấp liệu và làm mát hợp lý.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình tốt nhất ở điều kiện O hoặc H làm cứng nhẹ và suy giảm khi độ cứng tăng. Bán kính uốn 1–2× độ dày đạt được với tấm ủ mềm cho các thao tác uốn đơn giản; các thao tác dập phức tạp hoặc kéo sâu đòi hỏi khuôn dập và kiểm soát bôi trơn cẩn thận để tránh nứt bề mặt do các pha giàu silicon. Biến dạng nguội tăng cường độ nhờ làm cứng biến dạng và là phương pháp phổ biến để đạt cơ tính cao hơn trong các chi tiết tạo hình.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Như một hợp kim họ 4xxx, 413 về cơ bản không thể xử lý nhiệt để tăng cường độ bền theo phương pháp kết tủa thông thường. Các phép xử lý nhiệt giải và lão hóa nhân tạo chỉ tăng cường độ tối thiểu so với hợp kim họ 6xxx và 7xxx. Khi áp dụng quá trình nhiệt cơ đặc biệt (làm nguội kiểm soát từ gần nhiệt độ nóng chảy hoặc làm nguội phun chuyên dụng), có thể đạt những cải tiến nhỏ nhưng không phải quy trình sản xuất chuẩn.

Phương pháp chính để tăng cường độ là làm cứng biến dạng: cán nguội, kéo và uốn tăng chắc giới hạn chảy và độ bền kéo một cách đáng tin cậy, và lựa chọn độ cứng dựa trên mức độ biến dạng. Ủ mềm giúp phục hồi điều kiện O, tái lập tính dẻo và cải thiện khả năng tạo hình; chu trình ủ mềm thông thường tương tự hợp kim nhôm khác nhưng phải kiểm soát nhiệt độ và thời gian để tránh tăng kích thước hạt quá mức.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

413 bị giảm dần độ bền khi nhiệt độ vượt khoảng 100–150 °C, với giới hạn làm việc thực tế thường dưới ~150 °C cho ứng dụng chịu tải. Quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao bị hạn chế nhờ màng oxide nhôm bảo vệ, nhưng phơi nhiễm lâu dài làm tăng quá trình kết tinh thô của các hạt giàu silicon và làm giảm tính năng cơ học.

Trong các cụm mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt có thể bị làm mềm cục bộ và kết tinh thô, đặc biệt tại vùng đã biến dạng nguội trước đó; nhà thiết kế phải tính đến sự giảm cơ tính của HAZ trong thiết kế mối hàn. Đối với ứng dụng nhiệt độ cao liên tục hoặc phơi nhiễm nhiệt chu kỳ, các hợp kim khác (ví dụ hợp kim cường độ cao họ 2xxx/7xxx với xử lý nhiệt chuyên dụng hoặc hợp kim nhôm chịu nhiệt cao) là lựa chọn thích hợp hơn.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 413
Ô tô	Tấm kết cấu phụ, giá đỡ hàn	Khả năng hàn tốt, cường độ vừa phải, chi phí tạo hình hợp lý
Hàng hải	Giá đỡ, chi tiết cột buồm	Khả năng chống ăn mòn và dễ gia công; độ ổn định vùng ảnh hưởng nhiệt tốt
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện không chịu tải trọng chính, vỏ bảo vệ	Tỷ số cường độ trên khối lượng tốt và khả năng hàn phù hợp cho kết cấu phụ
Điện tử	Thiết bị tản nhiệt, vỏ bọc	Độ dẫn nhiệt và khả năng tạo hình tốt cho khung và vỏ thiết bị
Hàng tiêu dùng	Tấm panel, khung máy gia dụng	Cân bằng giữa khả năng tạo hình, hoàn thiện bề mặt và chi phí

413 thường được chỉ định khi cần bộ tính năng cơ học trung bình và độ ổn định chế tạo đáng tin cậy (hàn, tạo hình). Sự kết hợp giữa silicon cải thiện đặc tính nhiệt và khả năng làm việc dễ dự đoán khiến 413 trở thành lựa chọn đa dụng cho nhiều ứng dụng kết cấu không yêu cầu quá cao và vỏ bọc.

Nhà thiết kế thường tận dụng khả năng hàn và gia công của nó để đơn giản hóa lắp ráp và giảm quy trình sản xuất so với các hợp kim dễ làm cứng kết tủa đòi hỏi công nghệ cao hơn.

Gợi Ý Khi Lựa Chọn

413 là lựa chọn hợp lý khi ưu tiên khả năng hàn và tạo hình tốt ở các độ cứng mềm hơn thay vì đạt cường độ đỉnh. So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 413 đánh đổi một phần độ dẫn điện và giảm nhẹ khả năng tạo hình để đổi lấy cường độ cao và kháng mòn tốt hơn; nên dùng 1100 khi đòi hỏi chủ yếu về dẫn điện và khả năng chống ăn mòn mà không cần cường độ cao.

So với các hợp kim làm cứng do biến dạng phổ biến như 3003 và 5052, 413 thường có độ bền cao hơn một chút ở cùng một trạng thái tôi luyện trong khi vẫn giữ khả năng chống ăn mòn tương đương hoặc hơi thấp hơn; chọn 5052 để có khả năng chống ăn mòn nước biển vượt trội và 3003 để có độ dẻo gia công tuyệt vời nếu tính dẫn điện và khả năng ghép nối không quá quan trọng. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 và 6063, 413 được ưa chuộng khi yêu cầu hàn và ổn định vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) quan trọng hơn khả năng chịu lực tối ưu nhờ kết tủa; 6061 sẽ có độ bền cực đại cao hơn nhưng có thể cần quản lý nhiệt phức tạp hơn trong quá trình hàn.

Chọn 413 khi quy trình sản xuất nhấn mạnh các cấu kiện hàn, nối mối hàn brazing hoặc uốn tạo hình nhiều với nhu cầu hợp kim có độ bền vừa phải, chi phí hợp lý và chịu được các chu trình nhiệt mà không bị biến dạng hoặc giòn vùng HAZ như một số hợp kim cường độ cao.

Tóm tắt cuối

Nhôm 413 vẫn giữ vị trí quan trọng như một hợp kim nhóm 4xxx thiết thực, cân bằng tốt giữa khả năng hàn, độ dẻo gia công ổn định trong trạng thái ủ mềm và độ bền cơ học vừa phải cho nhiều ứng dụng công nghiệp đa dạng. Đặc tính nóng chảy và nhiệt của silic trong hợp kim giúp đơn giản hóa việc ghép nối và gia công, trong khi khả năng làm cứng lạnh kiểm soát được giúp các kỹ sư thiết kế tùy chỉnh độ bền mà không cần xử lý nhiệt kết tủa. Khi các đánh đổi kỹ thuật ưu tiên khả năng sản xuất, ổn định vùng HAZ và hiệu quả chi phí hơn là độ bền đỉnh tối đa, 413 là lựa chọn vật liệu đáng tin cậy.