Nhôm 4145: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ và Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

Hợp kim 4145 thuộc nhóm hợp kim nhôm 4xxx, nhóm này đặc trưng chủ yếu bởi silic làm nguyên tố hợp kim chính. Chuỗi 4xxx thường được sử dụng khi cần cải thiện tính lưu động, giảm điểm nóng chảy và tăng khả năng chịu mài mòn; 4145 phù hợp với những đặc điểm này và thường được cung cấp dưới dạng sản phẩm rèn nguội cho các ứng dụng kết cấu và liên kết.

Nguyên tố hợp kim chính trong 4145 là silic; ngoài ra còn có một lượng nhỏ và kiểm soát được của sắt, mangan và các nguyên tố vi lượng như titan và crôm để điều chỉnh cấu trúc tinh thể và phản ứng cơ học. Độ bền của 4145 chủ yếu đạt được thông qua tăng cường dung dịch rắn bởi silic và quá trình làm cứng biến dạng (làm cứng cơ học); đây không phải là hợp kim nhôm chịu xử lý nhiệt theo phương pháp điển hình, vì vậy các phương pháp làm cứng kết tủa như T6 mang lại lợi ích hạn chế.

Những đặc tính chính của 4145 bao gồm độ bền trung bình đến khá đối với hợp kim Al-Si, khả năng chống mềm hóa tuyệt vời ở vùng hàn so với một số hợp kim có thể xử lý nhiệt, độ dẫn nhiệt tốt cho các ứng dụng tản nhiệt, và khả năng tạo hình tốt trong các trạng thái tôi mềm. Khả năng hàn thường rất tốt khi sử dụng kim loại phụ phù hợp, trong khi khả năng chống ăn mòn đủ dùng trong môi trường khí quyển và biển mặn nhẹ nhưng kém hơn so với các hợp kim nhóm magiê cao trong môi trường biển ăn mòn mạnh.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 4145 bao gồm ô tô (chi tiết kết cấu và ghép nối), vật tư hàn và hàn đắp, sản phẩm tiêu dùng có yêu cầu về hiệu suất nhiệt, và các ứng dụng kết cấu nhẹ yêu cầu độ bền và tính tạo hình kinh tế. Kỹ sư lựa chọn 4145 thay cho các hợp kim khác khi cần cân bằng Al-Si: nó cung cấp khả năng chống mềm hóa ở nhiệt độ cao trong vùng hàn tốt hơn nhiều hợp kim chịu xử lý nhiệt đồng thời mang lại sự thỏa hiệp giữa độ bền và tính dẻo so với nhôm tinh khiết hoặc hợp kim nhóm 5xxx.

Biến Thể Nhiệt Độ

Biến Thể	Cấp Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Ủ hoàn toàn, tốt nhất cho tạo hình và hàn đắp
H12	Trung bình	Trung bình	Khá	Tuyệt vời	Làm cứng biến dạng một phần, tăng giới hạn chảy nhẹ
H14	Trung bình - Cao	Thấp - Trung Bình	Trung bình	Tuyệt vời	Làm cứng biến dạng khoảng ¼; thông dụng cho ứng dụng tấm
H18	Cao	Thấp	Kém	Tốt	Làm cứng tối đa, dùng khi cần độ bền cao nhất từ biến dạng lạnh
T4*	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Phương pháp xử lý dung dịch - lão hoá truyền thống không hiệu quả với nhóm 4xxx
T5*	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Lão hóa nhân tạo sau làm nguội từ nhiệt độ cao không phổ biến

Các loại biến thể nhiệt độ trên phản ánh các trạng thái phổ biến trong hợp kim rèn Al-Si như 4145. Nhóm 4xxx không phản ứng với các quy trình làm cứng kết tủa như hợp kim 6xxx hay 7xxx, do đó biến thể làm cứng biến dạng H-series và ủ mềm O là các trạng thái sản xuất chủ yếu. Lựa chọn biến thể cứng hơn thuộc nhóm H sẽ đánh đổi độ dẻo và khả năng tạo hình để lấy giới hạn chảy và độ bền kéo cao hơn nhưng hạn chế các bước gia công tạo hình tiếp theo.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	4.5–12.5 (điển hình)	Nguyên tố hợp kim chính; điều khiển hành vi nóng chảy và tăng cường dung dịch rắn
Fe	0.4–1.3	Mức tạp tạo các hợp chất intermetallic; ảnh hưởng đến độ bền và độ dẻo
Mn	0.05–0.6	Tạo tinh thể mịn và cải thiện độ bền mà không làm giảm nhiều khả năng chống ăn mòn
Mg	0.05–0.6	Thêm vào nhỏ cải thiện độ bền và đáp ứng làm cứng biến dạng
Cu	≤0.25	Thông thường giữ thấp để tránh giảm mạnh khả năng chống ăn mòn
Zn	≤0.25	Giữ ở mức thấp vì chỉ cung cấp tăng cường nhẹ nhưng có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn
Cr	≤0.25	Dùng để kiểm soát kích thước tinh thể và giảm hiện tượng tái kết tinh khi gia công
Ti	≤0.15	Chất tinh chế hạt trong quá trình đúc và rèn
Khác (bao gồm cả Al dư)	Cân bằng	Nhôm làm phần cân bằng cùng các tạp chất vết (ví dụ Ni, V, Zr) được kiểm soát

Lượng silic chủ yếu định hình hành vi của 4145: với Si trong khoảng từ vài phần trăm đến trên 10%, hợp kim thể hiện tính chất đông đặc eutectic và gần eutectic làm giảm điểm bắt đầu nóng chảy và cải thiện khả năng chảy khi hàn đắp/hàn. Sắt và mangan chủ yếu ảnh hưởng đến hình thái các hợp chất intermetallic và quá trình tái kết tinh; việc kiểm soát chúng quan trọng để đạt được độ dai va đập và tính tạo hình. Thêm một lượng nhỏ magiê và crôm có thể được dùng để điều chỉnh phản ứng làm cứng biến dạng và ổn định cấu trúc tinh thể trong các chu kỳ nhiệt.

Tính Chất Cơ Học

Ứng xử kéo của 4145 phụ thuộc nhiều vào hàm lượng silic và biến thể nhiệt độ. Vật liệu đã ủ mềm (O) thường có độ bền kéo trung bình kèm với độ dãn dài tốt, thể hiện tính chịu đứt dẻo dưới tải tĩnh chậm. Các biến thể làm cứng biến dạng (nhóm H) nâng cao giới hạn chảy và độ bền kéo với chi phí giảm độ dẻo và có thể gây ra tính dị hướng nếu vật liệu bị cán hoặc đùn mạnh.

Giới hạn chảy ở trạng thái ủ mềm 4145 khá khiêm tốn, tăng đáng kể khi làm cứng biến dạng; hợp kim không thể hiện sự làm cứng rõ rệt do kết tủa nên mọi cải thiện sau khi gia công chủ yếu dựa vào biến dạng nhựa. Độ cứng tuân theo xu hướng tương tự; giá trị HB tăng với làm cứng biến dạng nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với các hợp kim đỉnh tuổi 6xxx. Hiệu suất mỏi chịu ảnh hưởng bởi bề mặt hoàn thiện và sự hiện diện của các hợp chất intermetallic giàu silic; xử lý bắn bi và đánh bóng bề mặt cải thiện đáng kể tuổi thọ mỏi.

Độ dày có ảnh hưởng đáng kể tới tính chất cơ học vì tốc độ làm nguội trong quá trình gia công ảnh hưởng tới kích thước và phân bố hạt silic; các tấm mỏng sản xuất bằng phương pháp làm nguội nhanh hoặc cán lạnh thường phân bố silic mịn hơn và có độ bền cao hơn đôi chút. Hàn và phơi nhiệt có thể làm mềm local các biến thể H trong vùng ảnh hưởng nhiệt; thiết kế thông số gia công cẩn thận cùng với xử lý cơ học sau hàn có thể giảm thiểu hiện tượng mềm hóa.

Tính Chất	O / Đã Ủ	Biến Thể Chính (H14/H18)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	120–170 MPa (điển hình)	200–270 MPa (điển hình)	Giá trị phụ thuộc lớn vào hàm lượng Si và mức độ làm cứng biến dạng
Giới Hạn Chảy	60–110 MPa (điển hình)	140–220 MPa (điển hình)	Biến thể nhóm H tăng mạnh giới hạn chảy bằng làm cứng biến dạng
Độ Dãn Dài	18–30%	5–14%	Độ dẻo giảm theo mức độ làm cứng biến dạng và sự có mặt của hợp chất Si
Độ Cứng (HB)	30–55	65–95	Độ cứng phụ thuộc biến thể và hình thái silic

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2.68–2.72 g/cm³	Thay đổi nhẹ theo hàm lượng Si nhưng gần với nhôm tinh khiết
Khoảng Nhiệt Độ Nóng Chảy	~577–640 °C	Điểm eutectic Al–Si khoảng 577 °C; dải solidus–liquidus phụ thuộc % Si và nguyên tố phụ
Độ Dẫn Nhiệt	~120–180 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết do Si làm giảm dẫn nhiệt; phù hợp cho các chi tiết tản nhiệt
Độ Dẫn Điện	~25–45 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do thành phần hợp kim
Nhiệt Dung Riêng	~880–910 J/kg·K	Giá trị điển hình cho hợp kim nhôm ở nhiệt độ môi trường
Độ Giãn Nở Nhiệt	~22–24 µm/m·K (20–100 °C)	Tương đương các hợp kim nhôm khác; cần lưu ý khi liên kết với kim loại khác có hệ số giãn nở khác biệt

Tính chất vật lý thể hiện những đánh đổi khi bổ sung silic: độ dẫn điện và mật độ vẫn hợp lý so với nhiều kim loại khác, tuy nhiên độ dẫn nhiệt và điện giảm so với nhôm tinh khiết. Nhiệt độ solidus hạ thấp do silic cải thiện tính gia công đúc và khả năng hàn đắp nhưng đòi hỏi kiểm soát nhiệt cẩn thận trong quá trình hàn và xử lý nhiệt để tránh nóng chảy cục bộ hoặc hình thành hợp kim eutectic.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước tiêu chuẩn	Đặc tính cường độ	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Cường độ thay đổi theo độ cứng và mức giảm cán	O, H12, H14	Sản xuất rộng rãi; dùng cho các tấm tạo hình và lắp ráp hàn braze
Phiến	6–25 mm	Tính đồng nhất của ứng suất làm cứng thấp hơn đôi chút ở tiết diện dày	O, H18	Tiết diện dày có thể chứa các hạt silic thô làm giảm độ dai
Đùn	Tiết diện cắt đến 200 mm	Cường độ phụ thuộc vào quá trình làm nguội và kéo căng sau đùn	O, H12	Hình biên dạng đùn dùng cho cấu kiện kết cấu và thiết bị trao đổi nhiệt
Ống	Đường kính ngoài 6–150 mm	Độ dày thành ống ảnh hưởng đến độ ổn định cơ học	O, H14	Phổ biến cho trao đổi nhiệt và dẫn chất lỏng, yêu cầu hàn/braze
Thanh/Que	Đường kính 3–60 mm	Thanh kéo nguội nâng cao cường độ và hoàn thiện bề mặt	O, H18	Dùng cho chi tiết gia công và bu lông đai ốc, silic giúp tăng khả năng chống mài mòn

Khác biệt trong quy trình gia công ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng: tấm và dải được cán đồng đều hơn và mỏng hơn, dẫn đến sự phân tán silic mịn, trong khi phiến và đùn dày có cấu trúc thô hơn làm giảm độ dẻo. Đùn và ống thường trải qua kéo căng sau đùn để giảm ứng suất dư và cải thiện ổn định kích thước. Việc lựa chọn dạng sản phẩm phụ thuộc vào độ cứng tiết diện yêu cầu, các bước tạo hình và quá trình lắp ráp sau gia công.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Vùng	Ghi chú
AA	4145	Mỹ	Danh mục trong hệ thống Aluminum Association dành cho hợp kim Al–Si dạng rèn
EN AW	Không có tương đương trực tiếp	Châu Âu	Không có mác EN AW nào hoàn toàn trùng khớp; nhóm Al–Si rèn gần nhất là AW-4043/4047
JIS	Không có tương đương trực tiếp	Nhật Bản	Có thể có danh mục địa phương cho hợp kim Al–Si nhưng không có tương đương 4145 chính xác
GB/T	Không có tương đương trực tiếp	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc bao gồm các mác Al–Si rèn nhưng 4145 có thể được cung cấp theo tiêu chuẩn riêng

Không phải lúc nào cũng có sự tương đồng 1:1 cho 4145 trong các tiêu chuẩn quốc tế do phạm vi thành phần hóa học và mục đích ứng dụng khác nhau theo vùng. Khi cần sự thay thế chính xác, kỹ sư nên đối chiếu bảng thành phần hóa học và tính chất cơ học chi tiết hoặc yêu cầu chứng nhận từ nhà cung cấp. Trong nhiều trường hợp, các mác Al–Si như EN AW-4043 hoặc 4047 có tính năng tương tự về hàn/làm vật liệu phụ, nhưng khác biệt về hàm lượng Si và cân bằng cơ học.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Trong môi trường khí quyển, 4145 cho khả năng chống ăn mòn tốt nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ tự nhiên; hàm lượng silic và các nguyên tố hợp kim nhỏ không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chống ăn mòn chung. Ăn mòn cục bộ như ăn mòn điểm thường ít nghiêm trọng hơn so với hợp kim đúc chứa silic cao, nhưng không bền bằng các hợp kim nhôm 5xxx có hàm lượng magiê cao trong môi trường biển.

Trong môi trường biển, 4145 phù hợp cho các chi tiết nằm trên vùng bắn nước hoặc được bảo vệ bằng phương pháp hy sinh và kiểm tra định kỳ. Trong môi trường ẩm ướt liên tục với nhiều chloride, 4145 dễ bị ăn mòn cục bộ và ăn mòn điện hóa khi tiếp xúc với các kim loại cực âm; các lớp phủ bảo vệ hoặc cách ly thích hợp là biện pháp phòng ngừa điển hình.

Ứng suất ăn mòn nứt không phải là nguyên nhân lỗi chính của hợp kim Al–Si ít đồng như 4145; tuy nhiên ứng suất dư do làm nguội hoặc hàn kết hợp với môi trường ăn mòn mạnh vẫn có thể gây hiện tượng tương tự SCC ở các chi tiết bị giới hạn chặt chẽ. Tương tác điện hóa nên được lưu ý khi ghép 4145 với vật liệu quý như thép không gỉ hoặc hợp kim đồng, đặc biệt trong nước biển, vì nhôm sẽ ăn mòn ưu tiên nếu không được cách ly.

So với hợp kim xử lý nhiệt nhóm 6xxx hoặc 7xxx, 4145 có khả năng chống mềm hóa vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) tốt hơn nhưng thường có độ bền ăn mòn thấp hơn so với mác 5xxx khi tiếp xúc môi trường biển. Hợp kim này là lựa chọn cân bằng thực tiễn khi yêu cầu vừa chống ăn mòn vừa hàn tốt.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

4145 có khả năng hàn tốt với cả quy trình TIG và MIG khi sử dụng khí bảo vệ và vật liệu phụ phù hợp. Hàm lượng silic trong hợp kim giúp tăng độ thấm ướt và lưu động kim loại trong quá trình hàn và braze, giảm thiểu khuyết tật thiếu kim loại liên kết. Vật liệu phụ khuyến nghị là que/dây Al–Si (ví dụ hợp kim AlSi) để duy trì hàm lượng silic và tránh nứt nóng; nên tránh dùng vật liệu phụ giàu đồng. Mềm vùng ảnh hưởng nhiệt ít nghiêm trọng hơn so với các hợp kim già hóa độ bền, nhưng quá nhiệt vẫn có thể gây chảy cục bộ hoặc phân tầng eutectic, nên kiểm soát nhiệt độ là rất quan trọng.

Khả năng gia công cơ khí

4145 có khả năng gia công cơ khí ở mức trung bình; sự có mặt của silic tăng mài mòn dụng cụ so với nhôm tinh khiết nhưng giúp kiểm soát phoi và ổn định quy trình. Dụng cụ carbide có mặt cắt được đánh bóng và góc nghiêng dương được khuyến cáo; tốc độ cắt có thể giống các hợp kim nhôm khác nhưng cần kiểm soát lượng chạy dao tránh tạo gờ bám dụng cụ. Bôi trơn thường cần ở hàm lượng silic cao để bảo vệ tuổi thọ dụng cụ và duy trì bề mặt hoàn thiện.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình ở trạng thái ủ mềm (O temper) rất tốt; 4145 có thể dập sâu, uốn cong, và tạo hình bằng công cụ truyền thống với bán kính uốn nhỏ so với các loại nhôm dày hơn. Làm nguội thành các trạng thái cứng H làm giảm đáng kể độ dẻo và tăng độ co phục hồi, nên thường thực hiện các bước tạo hình khi mềm rồi tăng cứng nhẹ bằng cách làm việc lạnh. Với các đường cong quan trọng, bán kính uốn trong tối thiểu 1–2 lần độ dày là hợp lý ở trạng thái O, tuy nhiên kích thước thực tế còn phụ thuộc vào độ dày và bộ công cụ.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Do là hợp kim chủ yếu Al–Si, 4145 không tăng cường được cường độ hiệu quả khi xử lý nhiệt kết tủa thông thường; quá trình tôi dung dịch và già hóa nhân tạo chỉ làm tăng cường độ nhẹ. Việc áp dụng quy trình T6 sẽ cho kết quả hạn chế vì silic không tạo kết tủa làm tăng độ bền tương tự Mg2Si trong các hợp kim 6xxx.

Do đó, thực hành xử lý nhiệt tập trung vào ủ mềm và kiểm soát cấu trúc tinh thể qua xử lý nhiệt. Ủ mềm hoàn toàn (O) thực hiện bằng cách giữ ở nhiệt độ cao trên điểm tái kết tinh trong thời gian đủ dài và làm nguội có kiểm soát để tạo cấu trúc dẻo dai. Làm cứng bằng biến dạng cơ học vẫn là phương pháp chính để tăng cường độ, và sự chuyển đổi độ cứng được thực hiện qua biến dạng cơ học rồi ổn định (ví dụ H14 từ O qua làm việc lạnh có kiểm soát).

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Độ mất cường độ của 4145 tăng đáng kể khi nhiệt độ vượt khoảng 150–200 °C do các quá trình phục hồi và tái kết tinh dẫn đến mềm hóa và làm các pha giàu silic thô to hơn. Việc sử dụng liên tục trên khoảng 200 °C thường không được khuyến cáo cho các ứng dụng chịu lực, mặc dù nhiệt độ ngắn hạn trong quy trình braze và hàn có thể chấp nhận được nhờ tính chất nóng chảy thuận lợi của hợp kim.

Oxy hóa ở nhiệt độ cao bị hạn chế bởi lớp oxit nhôm, nhưng các pha giàu silic có thể làm thay đổi độ bám dính của lớp oxit tại chỗ; tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao có thể gây giòn hóa và bong tróc lớp oxit trong điều kiện nhiệt độ dao động. Vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn có thể có phản ứng khác đối với nhiệt độ cao do sự thay đổi cấu trúc vi mô; khu vực này cần được chú ý nếu chi tiết làm việc gần giới hạn nhiệt độ của hợp kim.

Ứng Dụng

Ngành	Chi tiết ví dụ	Lý do chọn 4145
Ô tô	Cánh tản nhiệt và giá đỡ bộ trao đổi nhiệt	Độ dẫn nhiệt tốt và khả năng tạo hình; thân thiện với hàn/braze
Hàng hải	Giá đỡ và chi tiết kết cấu không quan trọng	Khả năng chống ăn mòn phù hợp với cường độ kinh tế
Hàng không vũ trụ	Chi tiết kết cấu phụ, kẹp giữ	Tỉ lệ cường độ trên trọng lượng và khả năng hàn thuận lợi cho cấu kiện không chính
Điện tử	Tản nhiệt và khung đỡ	Khả năng dẫn nhiệt và dễ tạo hình thành cánh tản nhiệt và cụm chi tiết
Đồ gia dụng	Vỏ thiết bị bếp và bộ trao đổi nhiệt	Sự kết hợp tốt giữa độ mềm dẻo và hiệu suất nhiệt

Sự kết hợp đặc tính nhiệt do silic, khả năng hàn và tính chất cơ học cân đối làm cho 4145 trở thành lựa chọn thực tế cho các chi tiết cần quản lý nhiệt đi cùng khả năng sản xuất kinh tế. Cân bằng tính năng cho phép thiết kế giảm thiểu gia công cơ khí và dùng các cụm chi tiết dập hoặc hàn braze.

Gợi Ý Lựa Chọn

Chọn 4145 khi bạn cần một hợp kim Al–Si dễ braze và hàn, cung cấp độ dẫn nhiệt tốt và cân bằng giữa tính tạo hình và cường độ. Hợp kim này đặc biệt phù hợp cho các bộ trao đổi nhiệt, vỏ bọc tạo hình và cụm chi tiết hàn khi không yêu cầu tuổi già hóa theo trạng thái T.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 4145 đánh đổi một mức dẫn điện và dẫn nhiệt hơi giảm để đổi lấy độ bền cao hơn và khả năng chống mài mòn/hàn rãnh tốt hơn. So với các hợp kim làm cứng lạnh như 3003 hoặc 5052, 4145 thường cung cấp hiệu suất nhiệt cao hơn và khả năng chống ăn mòn tương đương hoặc hơi thấp hơn trong khi đạt độ bền cạnh tranh sau gia công nguội. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 4145 được ưu tiên khi yêu cầu sự ổn định vùng chịu nhiệt khi hàn (HAZ) và khả năng hàn rãnh vượt trội quan trọng hơn việc đạt đỉnh độ bền cao nhất có thể.

Trong khâu thu mua, cân nhắc sự sẵn có và chi phí so với trạng thái cán nguội yêu cầu; bởi vì 4145 dựa vào gia công lạnh thay vì luyện già, việc dự trữ ở trạng thái O và một trạng thái H có thể đáp ứng hầu hết nhu cầu thiết kế, có thể đơn giản hóa chuỗi cung ứng.

Tóm tắt cuối cùng

Hợp kim nhôm 4145 vẫn là lựa chọn kỹ thuật thực tiễn khi cần những lợi ích của silic—khả năng hàn rãnh cải thiện, dẫn nhiệt tốt và hành vi vùng hàn bền vững—kết hợp cùng tính chất cơ học hợp lý và khả năng tạo hình. Phạm vi ứng dụng của nó định nghĩa bởi các trường hợp yêu cầu sự cân bằng bền bỉ của Al–Si thay vì độ bền tối đa sau luyện già, và nó tiếp tục giữ vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi giải pháp nhôm kinh tế, dễ hàn và dẫn nhiệt hiệu quả.