Nhôm 443: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt xử lý & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 443 thuộc dòng hợp kim nhôm 4xxx, một nhóm đặc trưng bởi silicon là nguyên tố hợp kim chính. Dòng 4xxx thường có hàm lượng silicon vừa phải giúp hạ thấp nhiệt độ nóng chảy và cải thiện khả năng chống mài mòn cũng như khả năng hàn thiếc; 443 tuân theo đặc điểm này đồng thời bổ sung thêm các thành phần sắt, mangan và nguyên tố vi lượng được kiểm soát nhằm điều chỉnh độ bền và khả năng gia công.

Thành phần hợp kim chính trong 443 là silicon (Si), sắt (Fe) và lượng nhỏ mangan (Mn), cùng với các bổ sung nhỏ đồng (Cu), magie (Mg), crom (Cr) và titan (Ti) nhằm tinh chỉnh cấu trúc tinh thể và kiểm soát độ bền. Hợp kim chủ yếu không thể xử lý nhiệt và lấy độ bền sử dụng từ hiệu ứng dung dịch rắn và sự làm cứng biến dạng do gia công nguội. Các nguyên tố vi lượng nhỏ và pha giàu silicon mang lại độ cứng và sự ổn định kích thước cao hơn so với nhôm gần tinh khiết.

Đặc tính chính của 443 bao gồm độ bền trung bình đến tốt đối với hợp kim nhôm (cao hơn các loại nhôm tinh khiết thương mại), dẫn nhiệt tốt, khả năng gia công thuận lợi và khả năng chống ăn mòn hợp lý trong môi trường khí quyển thông thường. Khả năng hàn nhìn chung tốt với các quy trình fusion phổ biến nhưng cần chọn vật liệu phụ (filler) cẩn thận để tránh các hiệu ứng điện hóa cục bộ và hiện tượng xốp khí. Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 443 gồm thân xe ô tô và kết cấu, thiết bị hàng hải, vỏ và linh kiện điện tử tiêu dùng, nơi yêu cầu sự cân bằng giữa khả năng tạo hình, khả năng hàn và độ bền cao hơn so với nhôm nguyên chất.

Kỹ sư lựa chọn 443 khi cần một loại nhôm chứa silicon chi phí hiệu quả, mang lại độ bền và tính nhiệt học cải thiện hơn so với các dòng 1xxx và 3xxx, đồng thời dễ gia công và kinh tế hơn các hợp kim cường độ cao có xử lý nhiệt. Khoảng nhiệt độ nóng chảy thấp hơn và hàm lượng silicon cũng làm hợp kim này phù hợp với các quy trình hàn thiếc hoặc nóng chảy cục bộ, đồng thời yêu cầu dẫn nhiệt tốt và sự ổn định kích thước trong các chu trình làm nóng.

Biến thể trạng thái vật liệu (Temper)

Trạng thái	Cấp độ độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–35%)	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Trạng thái ủ mềm hoàn toàn, khả năng tạo hình tốt nhất
H12	Thấp - Trung bình	Trung bình (10–18%)	Rất tốt	Rất tốt	Làm cứng biến dạng nhẹ, giữ được tính dẻo hợp lý
H14	Trung bình	Thấp hơn (6–12%)	Tốt	Rất tốt	Làm cứng biến dạng vừa phải, thích hợp ứng dụng làm tấm
H16	Trung bình - Cao	Thấp (4–10%)	Khá	Tốt	Gia công nguội mạnh hơn cho giới hạn chảy cao hơn
H18	Cao	Thấp (2–6%)	Kém	Tốt	Làm cứng biến dạng mạnh để đạt độ bền tối đa ở trạng thái gia công
T4 (nếu được ổn định)	Thấp - Trung bình	Trung bình - Cao	Rất tốt	Tốt	Giảm ứng suất / ổn định tự nhiên sau khi tạo hình

Trạng thái vật liệu ảnh hưởng chính đến cân bằng giữa độ bền và độ dẻo của 443; trạng thái O mang lại độ dãn dài tối đa và dễ tạo hình, trong khi các trạng thái H đổi lấy độ dẻo để tăng giới hạn chảy và độ bền kéo thông qua gia công nguội có kiểm soát. Khi gia công, lựa chọn trạng thái tùy thuộc vào hình dạng chi tiết cuối cùng và quy trình sản xuất: tạo hình ở trạng thái O hoặc H12, sau đó có thể chuyển sang trạng thái H cao hơn bằng cách gia công nguội phù hợp.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0.8 – 2.0	Nguyên tố hợp kim chính; hạ điểm nóng chảy và tạo pha giàu silicon
Fe	0.4 – 1.2	Tạo hợp chất nội pha ổn định; ảnh hưởng đến độ bền và độ dai
Mn	0.05 – 0.6	Kiểm soát cấu trúc hạt; cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn
Mg	0.02 – 0.20	Nhỏ; tăng nhẹ độ bền thông qua dung dịch rắn
Cu	0.01 – 0.20	Bổ sung nhỏ để tăng độ bền nhưng giảm khả năng chống ăn mòn nếu quá cao
Zn	0.02 – 0.25	Vi lượng; tăng cường độ bền dung dịch rắn giới hạn
Cr	0.01 – 0.15	Kiểm soát quá trình tái kết tinh và sự phát triển hạt khi gia công
Ti	0.01 – 0.10	Chất tinh chế hạt cho sản phẩm đúc hoặc rèn
Khác (bao gồm phần Al còn lại)	Cân bằng	Bao gồm tạp chất thấp (Ni, V, Zr) tùy theo quy trình luyện cán

Thành phần của 443 được điều chỉnh giữ silicon là nguyên tố hợp kim chủ đạo trong khi kiểm soát sắt và mangan để cân bằng độ dai, khả năng gia công đùn và quá trình kết tủa. Silicon cung cấp khả năng chống mài mòn và tính năng nhiệt tốt, trong khi sắt và mangan tạo thành pha nội hợp kim làm tăng cường độ nhưng có thể giảm độ dẻo nếu vượt mức. Các nguyên tố vi lượng như crom và titan được giữ ở mức thấp nhằm tinh chỉnh kích thước hạt và ổn định tính chất khi tạo hình và hàn.

Tính chất cơ học

443 thể hiện đặc tính kéo điển hình của các hợp kim nhôm chứa silicon không xử lý nhiệt: vùng đàn hồi tương đối tuyến tính theo sau là sự biến dạng dẻo vừa phải và khả năng hấp thụ năng lượng tốt ở trạng thái ủ. Giới hạn chảy và giới hạn bền kéo tăng đáng kể khi gia công nguội; tuy nhiên độ dẻo và độ dai gãy giảm tương ứng. Hợp kim phản ứng dự đoán được với các biến dạng tạo hình phụ thuộc độ dày, với các tấm mỏng có cường độ tăng cao hơn do tập trung biến dạng.

Độ cứng thay đổi trực tiếp theo trạng thái vật liệu và mức gia công nguội. Ở trạng thái ủ mềm, độ cứng thấp giúp dễ gia công và tạo hình, trong khi các trạng thái như H18 mang lại độ cứng tăng mạnh hữu ích cho các bộ phận yêu cầu độ cứng cao. Hiệu suất mỏi của 443 phù hợp với các ứng dụng chạy bền vừa phải; khả năng chống mỏi có thể cải thiện với hoàn thiện bề mặt phù hợp và tránh các rãnh hoặc khuyết tật do hàn. Ảnh hưởng độ dày đáng kể: các chi tiết dày hơn thường có độ bền uốn nhìn nhận thấp hơn do tính không đồng nhất cấu trúc vi mô còn sót lại, tốc độ làm nguội khi gia công ảnh hưởng đến phân bố pha kết tủa tại chỗ.

Tính chất	Trạng thái O/Ủ mềm	Trạng thái chính (H14/H18)	Ghi chú
Độ bền kéo	80 – 130 MPa	180 – 260 MPa	Độ bền tăng theo gia công nguội; giá trị phụ thuộc hàm lượng Si và mức gia công
Giới hạn chảy	30 – 70 MPa	110 – 170 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh theo làm cứng biến dạng; thường là giá trị hạn chế thiết kế
Độ dãn dài	20 – 35%	2 – 12%	Độ dẻo giảm khi độ bền tăng; trạng thái ủ mềm tốt nhất cho tạo hình
Độ cứng (HB)	30 – 50	60 – 95	Giá trị Brinell gần đúng; độ cứng tương quan với trạng thái vật liệu

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.70 g/cm³	Mật độ điển hình hợp kim nhôm; tỉ số độ bền trên khối lượng tuyệt vời
Khoảng nhiệt độ nóng chảy	~570 – 640 °C	Silicon hạ nhiệt độ nóng chảy so với nhôm nguyên chất; phạm vi phụ thuộc hàm lượng Si
Độ dẫn nhiệt	120 – 160 W/m·K	Dẫn nhiệt tốt phù hợp làm tản nhiệt và quản lý nhiệt
Độ dẫn điện	30 – 45 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do hợp kim; vẫn đủ dùng cho các ứng dụng truyền dẫn không quá khắt khe
Nhiệt dung riêng	~0.90 J/g·K	Gần bằng nhôm nguyên chất; hữu ích cho tính toán nhiệt lượng
Hệ số giãn nở nhiệt	22 – 24 µm/m·K	Hệ số giãn nở nhiệt điển hình cho hầu hết hợp kim nhôm

443 kết hợp mật độ thấp với khả năng dẫn nhiệt tốt, làm cho nó hấp dẫn trong các ứng dụng yêu cầu tản nhiệt và kiểm soát trọng lượng. Phạm vi nhiệt độ nóng chảy thấp giúp cho các quy trình nối và hàn thiếc cục bộ nhưng đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt để tránh chảy hoặc phân lớp pha giàu silicon. Độ dẫn điện kém hơn so với nhôm tinh khiết cao nhưng vẫn hữu dụng cho nhiều ứng dụng dẫn điện không quan trọng đến hiệu suất cao.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Chuẩn	Đặc Tính Cơ Lực	Độ Cứng Thường Gặp	Ghi Chú
Tấm	0.3 – 6.0 mm	Nhạy cảm với gia công nguội; các tấm mỏng tăng độ bền nhanh	O, H12, H14	Phổ biến cho thân xe và tản nhiệt; độ dẻo tuyệt vời ở trạng thái O
Tấm Dày	6 – 25 mm	Ít gia công nguội; giữ các tính chất đã ủ trừ khi gia công tiếp	O, H16	Dùng cho chi tiết kết cấu nơi độ dày giúp tăng độ cứng
Đùn	Hình dạng đến 200 mm	Có thể đùn rồi kéo nguội để tăng cường độ	O, H14, H16	Ổn định kích thước tốt cho thanh ray và khung
Ống	Ø 6 – 150 mm	Độ dày thành ống ảnh hưởng đến độ bền chịu ép và uốn	O, H12, H14	Phổ biến trong ống kết cấu nhẹ và lõi bình trao đổi nhiệt
Thanh Tròn	Ø 3 – 50 mm	Có thể gia công nguội để đạt độ bền cao hơn	O, H14, H18	Dùng cho bulong, trục, và các chi tiết gia công

Hình dạng và độ dày tiết diện ảnh hưởng đáng kể đến lộ trình gia công và tính chất cuối cùng của 443. Tấm và các sản phẩm đùn mỏng thường được cung cấp ở trạng thái ủ để tiện tạo hình rồi gia công nguội nhằm đạt độ bền mục tiêu, trong khi các tấm dày thường được chỉ định ở các trạng thái mềm hơn để tránh nứt trong quá trình tạo hình. Quy trình đùn yêu cầu kiểm soát chặt chẽ thành phần hóa học và hồ sơ nhiệt để ngăn hiện tượng phân tách silic và đảm bảo dung sai kích thước đồng đều.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	443	USA	Chỉ số số nguyên dùng phổ biến thương mại tại Bắc Mỹ
EN AW	Không có mác tương đương trực tiếp	Châu Âu	Không có số EN AW nào khớp trực tiếp; gần nhất là hợp kim dải AlSi-Mn
JIS	Không có tương đương trực tiếp	Nhật Bản	Các biến thể khu vực có tỷ lệ Si/Fe/Mn tương tự
GB/T	Không có tương đương trực tiếp	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc có thể liệt kê các mác dập nguội Al-Si liên quan gần

Không có một mác duy nhất nào tương đương hoàn toàn với AA 443 trên mọi tiêu chuẩn quốc tế; kỹ sư nên so sánh kỹ bảng thành phần hóa học và tính chất cơ học khi thay thế mác. Một số nhà máy khu vực sản xuất biến thể 443 độc quyền với giới hạn tạp chất hoặc lịch sử gia công khác nhau nên việc chỉ định dung sai thành phần, trạng thái và quy trình rất quan trọng khi mua vật liệu quốc tế.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Trong môi trường khí quyển, 443 có khả năng chống ăn mòn trung bình đặc trưng của các hợp kim nhôm chứa silic, tạo lớp oxit nhôm bảo vệ hạn chế ăn mòn đều. Có silic và mức sắt vừa phải giúp giảm khả năng ăn mòn tổng quát so với hợp kim nhôm chứa đồng dòng 2xxx, nhưng hiệu năng có thể thấp hơn so với hợp kim magiê cao dòng 5xxx trong một vài môi trường.

Trong môi trường biển, 443 phù hợp cho các chi tiết không chịu lực lớn, nhưng cần thiết kế cẩn trọng ở những nơi có nguy cơ ăn mòn do clorua và ăn mòn khe nứt. Khả năng chống ăn mòn điểm kém hơn các hợp kim 5xxx hoặc hợp kim 6xxx được phủ lớp bảo vệ chuyên dụng cho biển; các biện pháp bảo vệ hy sinh, lớp phủ cách ly hoặc thiết kế điện hóa cathodic thường được áp dụng để đảm bảo tuổi thọ lâu dài.

Nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất (SCC) thấp hơn các hợp kim tôi cứng cường độ cao, nhưng vùng hàn hoặc khu vực gia công nguội nhiều có thể gặp suy giảm cục bộ dưới tải kéo trong môi trường ăn mòn mạnh. Tương tác điện hóa với kim loại âm cực (như thép không gỉ hoặc đồng) cần được kiểm soát bằng cách tránh tiếp xúc trực tiếp hoặc cách ly bằng lớp phủ và chất trám, vì 443 có tính anode so với nhiều kim loại kỹ thuật. Nhìn chung, 443 cung cấp sự cân bằng tốt giữa khả năng chống ăn mòn, độ dẻo và chi phí, nhưng không được chọn cho cấu trúc biển nước mặn mạnh không có biện pháp bảo vệ.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

443 hàn tốt bằng các phương pháp phổ biến như TIG và MIG khi chọn đúng lõi hàn phù hợp; các loại lõi chứa silic tương thích với thành phần gốc giúp giảm nứt nóng và tạo mối hàn đẹp. Cần kiểm soát nhiệt đầu mối hàn và nhiệt độ qua lại để tránh nóng chảy cục bộ pha giàu silic và làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), gây giảm cường độ tại chỗ. Hiếm khi cần xử lý trước hoặc sau hàn để phục hồi độ bền, nhưng xử lý giảm ứng suất và thiết kế mối hàn hợp lý giúp tránh biến dạng và rỗ khí.

Khả năng gia công cơ khí

Khả năng gia công của 443 nói chung tốt hơn các hợp kim nhôm cường độ cao vì độ bền vừa phải và hàm lượng silic giúp tạo phoi có tính dự đoán. Dụng cụ cacbua sử dụng với tốc độ vừa phải và gá kẹp chắc chắn cho bề mặt gia công tốt; nên điều chỉnh tốc độ và bước tiến theo đường kính và độ sâu cắt để tránh hiện tượng bám dao. Sử dụng chất làm mát tăng tuổi thọ dao và kiểm soát nhiệt độ phôi; thiết bị phá phoi rất hữu ích cho các công đoạn tiện dài do phoi dẻo ở trạng thái mềm.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình tuyệt vời ở trạng thái ủ (O), có thể uốn bán kính nhỏ tùy thuộc độ dày và dụng cụ; bán kính uốn trong tối thiểu thường từ 1–2 lần độ dày vật liệu cho các trạng thái có cường độ vừa phải. Hợp kim phản ứng tốt với các công đoạn uốn lạnh phổ biến như dập sâu và cán định hình khi ở trạng thái O hoặc H12, với độ co dãn lò xo hạn chế nhờ silic. Đối với tạo hình nghiêm ngặt hơn, ủ tạm thời hoặc tạo hình ở nhiệt độ ấm giúp giảm rủi ro nứt và cải thiện bề mặt.

Đặc Tính Xử Lý Nhiệt

443 gần như không thuộc loại luyện kim tôi cứng theo kiểu kết tủa; tăng cường độ bằng phương pháp tôi luyện T6 không hiệu quả vì các pha chi phối silic không tạo ra phổ kết tủa giống các hợp kim Al-Mg-Si. Các chu trình tôi luyện và già hóa chủ yếu gây thô kết cấu vi mô hơn là tăng cường độ đáng kể.

Gia công nguội và tôi ủ kiểm soát là các phương pháp chính để điều chỉnh tính chất của 443. Tôi ủ hoàn toàn (O) tái tạo kết cấu và trả lại độ dẻo tối đa, trong khi các mức tôi ủ một phần và gia công nguội kiểm soát giúp tăng giới hạn chảy và bền kéo có thể dự báo. Một số quy trình ổn định như bake nhiệt độ thấp hoặc già hóa tự nhiên (ổn định kiểu T4) đôi khi được áp dụng để giảm thay đổi kích thước sau tạo hình nhưng không tăng độ bền nhiều.

Tiếp xúc nhiệt có thể làm mềm cục bộ thông qua quá trình phục hồi và tăng trưởng hạt, do đó các chi tiết trải qua chu trình nhiệt tiếp theo (như hàn hoặc hàn hạt cục bộ) cần được đánh giá khả năng biến đổi tính chất tại vùng ảnh hưởng. Khi cần phục hồi cường độ sau chu trình nhiệt, gia công nguội cơ học hoặc đánh bóng bắn bi được ưu tiên hơn tôi cứng kết tủa truyền thống.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Như hầu hết hợp kim nhôm, 443 giảm mạnh độ bền khi nhiệt độ tăng trên nhiệt độ môi trường; giảm giới hạn chảy có thể đo được từ 100–150 °C và làm mềm đáng kể ở 200–300 °C. Tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao gây hiện tượng creep và giãn ứng suất, giới hạn khả năng sử dụng hợp kim trong các chi tiết chịu tải lâu dài ở nhiệt độ cao. Nhà thiết kế nên sử dụng hệ số giảm độ bền bảo thủ tại nhiệt độ nếu không tiến hành thử nghiệm chi tiết trong điều kiện làm việc thực tế.

Oxít hóa hợp kim nhôm ở nhiệt độ cao thường chỉ phát triển lớp oxit bề mặt; 443 duy trì lớp oxit bảo vệ nhưng tiếp xúc lâu trong môi trường oxy hóa kết hợp tải cơ học có thể làm tăng tốc độ suy giảm. Cần tính đến độ giãn nở nhiệt khi lắp ráp để tránh ứng suất nhiệt gây mỏi hoặc nứt tại các mối nối, nhất là ở các cụm ghép kim loại khác loại có hệ số giãn nở chênh lệch lớn.

Khu vực hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt rất dễ bị thay đổi tính chất cục bộ khi tiếp xúc nhiệt độ cao; sự thô hạt và hòa tan các pha kết tủa tại khu vực này làm giảm độ bền mỏi và giới hạn chảy. Đối với các ứng dụng nhiệt độ cao không liên tục, nên có dự phòng thiết kế và kiểm tra định kỳ.

Ứng dụng

Ngành công nghiệp	Ví dụ thành phần	Lý do sử dụng 443
Ô tô	Panels thân xe, các thành phần kết cấu bên trong	Dễ tạo hình ở tình trạng O, tăng cường độ bền sau gia công nguội, chi phí hiệu quả
Hàng hải	Giá đỡ, các bộ phận kết cấu không quan trọng	Khả năng chống ăn mòn hợp lý và hàn tốt để lắp ráp
Hàng không vũ trụ (phụ trợ)	Phụ kiện nội thất, vỏ bọc	Tỉ số cường độ/trọng lượng và ổn định nhiệt thuận lợi cho cấu trúc phụ
Điện tử	Chân tản nhiệt, khung máy	Độ dẫn nhiệt kết hợp với khả năng gia công tốt
Hàng tiêu dùng	Panels thiết bị, viền trang trí	Cân bằng giữa khả năng hoàn thiện, tạo hình và chi phí

Hợp kim 443 được ứng dụng cho các bộ phận đòi hỏi sự cân bằng giữa khả năng tạo hình, hiệu suất nhiệt và độ bền cao hơn nhôm tinh khiết thương mại. Độ dễ gia công và khả năng dẫn nhiệt giúp nó thường được chọn cho vỏ hộp, các chi tiết tản nhiệt và tấm kết cấu tạo hình khi yêu cầu cường độ cao nhất không phải là yếu tố chính.

Thông tin lựa chọn

Chọn 443 khi bạn cần độ bền và hiệu suất nhiệt tốt hơn các hợp kim seri 1xxx trong khi vẫn giữ chi phí và độ phức tạp gia công ở mức thấp. Hợp kim đánh đổi một phần độ dẫn điện và độ dẻo cuối cùng so với nhôm tinh khiết để đạt độ cứng, khả năng gia công và chống biến dạng nhiệt cải thiện.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 443 cho độ bền và độ cứng cao hơn nhưng giảm nhẹ dẫn điện và khả năng kéo dài tạo hình. So với các hợp kim làm cứng bằng biến dạng như 3003 hoặc 5052, 443 thường cho độ bền tương đương hoặc cao hơn một chút với khả năng tạo hình tương tự nhưng có khác biệt nhẹ về tính chống ăn mòn: 5052 vượt trội hơn 443 trong môi trường biển khắc nghiệt, trong khi 443 có thể dễ gia công và hàn brazing hơn. So với các hợp kim xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 443 không đạt được độ bền cực đại tương đương sau xử lý T6 nhưng có thể được ưu tiên khi tính hàn, brazing, ổn định kích thước khi nhiệt và chi phí được xem trọng hơn độ bền kéo tối đa.

Sử dụng 443 khi quy trình sản xuất yêu cầu tạo hình nhiều kèm theo tăng cứng cục bộ bằng gia công nguội hoặc khi cần quy trình nhiệt như brazing. Cần quy định chặt chẽ về thành phần hóa học và trạng thái nhiệt khi thay thế các hợp kim khác để đảm bảo hiệu suất đồng đều giữa các nhà cung cấp.

Tóm tắt kết luận

Hợp kim nhôm 443 vẫn là lựa chọn thực dụng, phù hợp cho các chi tiết kỹ thuật đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa khả năng tạo hình, độ bền vừa phải, dẫn nhiệt tốt và chi phí gia công kinh tế. Thành phần chứa silic chiếm ưu thế và khả năng làm cứng bằng biến dạng giúp nó đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng ô tô, hàng hải và quản lý nhiệt, nơi khả năng gia công và ổn định kích thước được ưu tiên hơn sức bền tối đa tuyệt đối.