Nhôm 5050: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

5050 là một thành viên của hợp kim nhôm dòng 5xxx, chứa magiê và là hợp kim gia công cơ không sử dụng xử lý nhiệt để tăng cường cơ tính. Hợp kim được cấu thành chủ yếu từ nhôm với magiê là nguyên tố hợp kim chính, bổ sung thêm lượng kiểm soát mangan, crôm và các nguyên tố vi lượng để điều chỉnh độ bền và khả năng chống ăn mòn. 5050 chủ yếu tăng cường cơ tính nhờ cơ chế làm cứng dung dịch rắn và làm cứng biến dạng thay vì xử lý nhiệt kết tủa, do đó lịch sử chế biến độ cứng và gia công nguội là phương pháp kiểm soát tính chất chủ đạo. Đặc điểm tiêu biểu bao gồm độ bền từ trung bình đến tốt cho loại hợp kim không xử lý nhiệt, khả năng chống ăn mòn khí quyển rất tốt, tính hàn tốt và độ dễ tạo hình hợp lý tùy theo trạng thái tôi luyện và độ dày.

Các ngành công nghiệp thường sử dụng hợp kim dòng 5xxx như 5050 bao gồm hàng hải và đóng tàu, các bộ phận giao thông vận tải và ô tô, bình áp suất và hệ thống ống dẫn, tấm kiến trúc, cùng các ứng dụng chế tạo chung đòi hỏi khả năng chống ăn mòn và độ bền trung bình. Các nhà thiết kế lựa chọn 5050 khi cần cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, dễ tạo hình và khả năng hàn mà không phức tạp như hợp kim có thể xử lý nhiệt. Nó được chọn thay cho các hợp kim dẫn điện cao nhưng có độ bền thấp hơn khi cần hiệu suất cơ học cải thiện, và thay cho hợp kim xử lý nhiệt khi ưu tiên giảm biến dạng, tính hàn tốt hơn và khả năng chống ăn mòn trong sử dụng hơn là sức bền tối đa.

Các Biến Thể Độ Cứng (Temper)

Temper	Mức Độ Bền	Độ Dãn	Độ Dễ Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái tôi luyện hoàn toàn, dễ tạo hình nhất
H111	Thấp – Trung Bình	Cao	Rất Tốt	Xuất sắc	Gia công biến dạng nhẹ, tăng cơ tính tối thiểu
H14	Trung Bình	Trung Bình	Tốt	Xuất sắc	Gia công biến dạng một bước, thường dùng cho chi tiết tạo hình
H24	Trung Bình – Cao	Trung Bình	Trung Bình	Xuất sắc	Gia công biến dạng và ổn định; tăng cường độ, giảm độ dẻo
H32	Cao	Thấp hơn	Hạn chế	Tốt	Gia công biến dạng và tôi luyện một phần để đạt tính chất cân bằng
H34	Cao	Thấp hơn	Hạn chế	Tốt	Cấp độ làm cứng cao hơn để đạt độ bền tối đa cho chi tiết gia công nguội
T5 / T6 / T651	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Các trạng thái xử lý nhiệt không hiệu quả với hợp kim dòng 5xxx

Độ cứng (temper) ảnh hưởng chủ yếu đến giới hạn chảy và giới hạn bền kéo thông qua sự tích lũy biến dạng nhựa và mật độ lệch mạng liên quan. Các trạng thái tôi luyện (O) tối đa hóa độ dẻo và khả năng tạo hình, trong khi các trạng thái H và Hx tăng dần độ bền nhưng sẽ giảm độ dãn và khả năng uốn cong.

Lựa chọn trạng thái độ cứng nên phù hợp với qui trình tạo hình; kéo sâu và uốn cong mạnh đòi hỏi trạng thái tôi luyện hoặc H111, còn các tấm và kết cấu cần độ bền khá cao ngay sau chế tạo thường dùng trạng thái H32/H34.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	≤ 0.25	Tạp chất; kiểm soát để hạn chế các pha intermetallic giòn
Fe	≤ 0.40	Tạp chất phổ biến; vượt mức làm giảm độ dẻo và khả năng chống ăn mòn
Mn	0.10–0.50	Tăng cường độ bền và kiểm soát cấu trúc hạt qua tạo dispersoid
Mg	1.5–3.5	Nguyên tố chính tăng cường cơ tính; cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ cứng biến dạng
Cu	≤ 0.10	Mức thấp để bảo toàn khả năng chống ăn mòn; lượng Cu cao làm giảm khả năng chống ăn mòn ứng suất (SCC)
Zn	≤ 0.10	Nhỏ; giữ thấp để tránh nứt nóng và vấn đề điện hóa
Cr	0.05–0.25	Kiểm soát cấu trúc hạt, tăng khả năng chống ăn mòn và hạn chế tăng trưởng hạt
Ti	≤ 0.15	Chất tinh chỉnh hạt trong sản phẩm đúc và thỏi
Khác	Cân bằng Al	Các nguyên tố vi lượng (V, Zr) có thể có với lượng nhỏ cho các biến thể đặc biệt

Magiê là nguyên tố hợp kim đặc trưng cho 5050 và làm tăng cả độ bền và khả năng chống ăn mòn nước biển thông qua cơ chế tăng cường dung dịch rắn. Mangan và crôm là các nguyên tố vi hợp kim được chọn để tinh chỉnh kích thước hạt và tạo dispersoid, nâng cao độ bền và khả năng chống tái kết tinh đồng thời giữ cho hợp kim không thể xử lý nhiệt. Sắt và silic là các nguyên tố tồn dư cần được kiểm soát nhằm duy trì độ dẻo và ngăn hình thành pha intermetallic giòn trong quá trình đúc và gia công cơ nhiệt.

Tính Chất Cơ Học

Về cơ tính kéo, 5050 cho thấy đặc điểm điển hình của hợp kim không xử lý nhiệt: độ bền ban đầu thấp ở trạng thái tôi luyện với sự gia tăng đáng kể qua gia công nguội. Giới hạn chảy và giới hạn bền kéo phụ thuộc mạnh vào trạng thái độ cứng; trạng thái O cho giá trị vừa phải phù hợp với tạo hình, trong khi trạng thái H có thể tăng gấp hai đến ba lần giới hạn chảy thông qua làm cứng biến dạng. Độ dãn giảm dần khi trạng thái độ cứng chuyển từ O sang H32/H34 do mật độ lệch mạng tăng và có thể do hiệu ứng cấu trúc bề mặt cán.

Độ cứng có xu hướng tương ứng với sức bền kéo và được dùng làm chỉ số thực tiễn đánh giá độ dễ tạo hình và khả năng uốn khi chế tạo. Hiệu suất chịu mỏi phù hợp cho nhiều ứng dụng kết cấu, nhưng phụ thuộc vào độ hoàn thiện bề mặt, độ dày và môi trường; khả năng chống mỏi do ăn mòn trong môi trường chloride tốt hơn các hợp kim chứa đồng nhưng kém hơn một số hợp kim nhôm dòng 6xxx dùng trong hàng không. Độ dày ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng tạo hình và giữ độ bền; các tiết diện dày khó gia công nguội hơn và có độ bền sau chế tạo cao hơn do mức độ làm việc nguội không đồng đều xuyên suốt mặt cắt.

Tính Chất	O/Tôi luyện	Temper Chính (H32)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	95–140 MPa (14–20 ksi)	240–320 MPa (35–46 ksi)	Độ bền kéo tăng mạnh qua gia công biến dạng; giá trị tùy thuộc dạng sản phẩm và độ dày
Giới Hạn Chảy	35–70 MPa (5–10 ksi)	150–260 MPa (22–38 ksi)	Giới hạn chảy thay đổi rộng theo trạng thái độ cứng và lịch sử làm việc
Độ Dãn	20–30%	6–15%	Độ dãn giảm khi độ cứng và độ bền tăng; độ dày ảnh hưởng đến độ dẻo
Độ Cứng (HV)	25–45	60–95	Độ cứng tỉ lệ thuận với độ bền; dùng để kiểm soát chất lượng trong sản xuất

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.68 g/cm³	Đặc trưng hợp kim nhôm; quan trọng trong tính toán tỷ lệ độ bền/kể năng
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~600–650 °C	Hợp kim nhôm có khoảng rắn-lỏng rộng; phạm vi chính xác tùy thành phần
Độ Dẫn Nhiệt	~130–160 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng đủ cao cho nhiều ứng dụng truyền nhiệt
Độ Dẫn Điện	~35–45% IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do hợp kim; chấp nhận được cho một số ứng dụng dẫn điện hoặc busbar
Nhiệt Dung Riêng	~900 J/kg·K	Giá trị điển hình trong các tính toán truyền nhiệt động
Hệ Số Giãn Nhiệt	~23.5 µm/m·K	Mức giãn nhiệt cao so với thép; quan trọng trong thiết kế mối nối nhiệt

Các hằng số vật lý cho thấy 5050 là vật liệu nhẹ với độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng thuận lợi so với thép, phù hợp cho vai trò vận chuyển và tản nhiệt. Sự kết hợp giữa mật độ thấp và khả năng dẫn nhiệt/điện trung bình hỗ trợ sử dụng trong kết cấu nơi quản lý nhiệt và tiết kiệm trọng lượng là ưu tiên, nhưng nhà thiết kế cần lưu ý khả năng giãn nhiệt lớn và độ cứng thấp hơn so với vật liệu ferrous.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Điển Hình	Hành Vi Cơ Lực	Độ Cứng Thông Thường	Ghi Chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Hoàn thiện bề mặt tốt; độ bền thay đổi tùy theo độ cứng	O, H111, H14, H32	Được sử dụng rộng rãi cho panen, vỏ bọc và các chi tiết dập tạo hình
Phiến	6–150+ mm	Độ bền phụ thuộc vào độ dày; khả năng dập sâu hạn chế	O, H111, H32	Dùng cho các chi tiết kết cấu, ốp thân tàu và các bộ phận chế tạo dày hơn
Đùn	Biên dạng dài đến vài mét	Độ bền phụ thuộc vào tỷ lệ đùn và quá trình gia công nguội tiếp theo	O, H112, H34	Biên dạng đùn cho phép tạo hình phức tạp cho các chi tiết kết cấu và kiến trúc
Ống	Ống liền mạch/hàn, đường kính biến đổi	Độ bền kiểm soát bằng độ dày thành ống và độ cứng	O, H32	Dùng trong hệ thống dẫn chất lỏng, khung nhẹ và ống kết cấu
Thanh	Đường kính đến 150 mm	Kéo nguội để tăng độ bền	H112, H14, H32	Cung cấp cho các chi tiết gia công, bu lông, trục, nơi cần khả năng chống ăn mòn

Tấm và phiến là dạng phổ biến nhất của 5050, được sản xuất bằng các công đoạn cán định hình cấu trúc hạt và ứng suất dư trước khi xử lý nhiệt hoặc gia công nguội. Đùn cho phép tạo các tiết diện tùy chỉnh và thường cần các chiến lược đồng nhất hóa và làm nguội tấm bán thành phẩm nhằm cung cấp tính chất đồng nhất. Rèn và kéo nguội cho thanh và que làm tăng độ bền thông qua quá trình làm cứng biến dạng, trong khi các chi tiết ống hàn có thể được cung cấp với độ cứng cân bằng giữa khả năng tạo hình và giữ vững độ bền sau hàn.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Vùng Miền	Ghi Chú
AA	5050	Hoa Kỳ	Định danh Allied/Alcoa/AA thường dùng trong thu mua
EN AW	5050	Châu Âu	Cách gọi EN AW-5050 phù hợp với thành phần hóa học và độ cứng của dòng AA
JIS	A5050	Nhật Bản	Bảng mác của JIS thường theo thành phần AA với dung sai khu vực
GB/T	5050	Trung Quốc	Tiêu chuẩn GB/T Trung Quốc có thành phần tương tự nhưng có thể khác biệt tiêu chí cơ lý

Sự tương đương giữa các tiêu chuẩn nhìn chung khá rõ ràng vì 5050 là hợp kim magiê rèn được định nghĩa rõ ràng, nhưng cần lưu ý: tiêu chuẩn khu vực có thể khác nhau về giới hạn nguyên tố vết, quy trình thử nghiệm và ký hiệu độ cứng. Người mua nên chỉ định tiêu chuẩn gốc và yêu cầu về cơ tính/khả năng chống ăn mòn thay vì dựa hoàn toàn vào tên mác để đảm bảo tính chất đồng nhất.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

5050 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển mạnh mẽ đặc trưng của các hợp kim magiê dòng 5xxx, tạo màng oxit bảo vệ giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng trong môi trường đô thị và công nghiệp nhẹ. Khả năng chống ăn mòn điểm và ăn mòn đều trong môi trường có clo (như nước biển) tốt hơn so với các hợp kim chứa đồng và nhiều hợp kim xử lý nhiệt, nhưng có thể xảy ra sự ăn mòn cục bộ anod ở nồng độ clo cao hoặc trong điều kiện nước biển tù đọng. Độ tinh khiết hợp kim, độ cứng, hoàn thiện bề mặt và ứng suất dư (kể cả do hàn) ảnh hưởng mạnh đến tuổi thọ trong môi trường ăn mòn khắc nghiệt.

Độ nhạy nứt ăn mòn ứng suất (SCC) của các hợp kim 5xxx tăng theo hàm lượng magiê cao và một số độ cứng; hợp kim có Mg > 3.5% có nguy cơ SCC cao hơn khi chịu ứng suất kéo trong nước mặn. 5050 với hàm lượng Mg vừa phải và kiểm soát tạp chất thường có rủi ro SCC thấp đến vừa phải khi được chỉ định và chế biến đúng, nhưng kỹ sư thiết kế nên tránh quá tải kéo và cân nhắc bảo vệ điện cực âm trong cấu kiện hàng hải. Tương tác điện hóa galvanic phải được lưu ý khi ghép 5050 với kim loại quý hơn như thép không gỉ hoặc đồng; biện pháp cách ly, lựa chọn bu lông và phủ lớp bảo vệ sẽ giảm rủi ro ăn mòn tăng tốc tại mối nối.

So với hợp kim dòng 6xxx (Mg + Si), 5050 có khả năng chống ăn mòn biển và hàn tốt hơn nhưng độ bền tối đa qua xử lý nhiệt thấp hơn. So với dòng 3xxx (Mn), 5050 cung cấp độ bền cao hơn và thường chịu ăn mòn nước biển tốt hơn nhờ hàm lượng magiê.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

5050 dễ dàng hàn bằng các phương pháp hồ quang thông thường như MIG (GMAW) và TIG (GTAW) với nguy cơ nứt nóng thấp hơn các hợp kim chứa đồng cao. Kim loại phụ khuyến nghị là các dây hàn thuộc dòng 5xxx hoặc 4xxx tương ứng để giữ khả năng chống ăn mòn; trong ứng dụng hàng hải hàn, dây hàn ít đồng (ví dụ 5183, 5554 phù hợp) thường được dùng. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) giảm cứng hạn chế vì hợp kim không có hiện tượng rèn lắng kết tủa, đồng thời không có quá trình quá già hóa tại vùng này; ứng suất dư và biến dạng cần được kiểm soát bằng dụng cụ định vị và xử lý nhiệt sau hàn nếu cần.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 5050 ở mức vừa phải, tương tự các hợp kim 5xxx khác; gia công sạch hơn một số hợp kim cứng cao nhưng không đạt được độ dễ tương tự nhôm tinh khiết. Dụng cụ cacbua có góc dao dương và thoát phoi tốt được khuyến khích; tốc độ và bước dao nên điều chỉnh để tránh hiện tượng dính phoi và kiểm soát quá trình làm cứng biến dạng ở bề mặt. Hành vi gia công tạo phoi ngắn đến trung bình tùy theo hình học dao và độ cứng; dầu mỡ và làm nguội giúp đảm bảo độ chính xác kích thước và bề mặt.

Khả năng tạo hình

Đặc tính tạo hình rất tốt ở các độ cứng O và H111, hợp kim thể hiện độ kéo dài cao và khả năng dập sâu; bán kính uốn tối thiểu trong ứng dụng tấm có thể rất nhỏ tùy độ dày và dụng cụ. Ở các độ cứng H32/H34, khả năng tạo hình giảm do làm cứng biến dạng tăng giới hạn chảy; cần tính đến độ đàn hồi hồi lại và có thể phải tôi ủ trước khi uốn biến dạng lớn. Kết quả tốt nhất cho hình dạng phức tạp đạt được khi chỉ định độ cứng annealed hoặc gia công nhẹ, đồng thời kiểm soát bán kính dụng cụ, chất bôi trơn và phân bố biến dạng.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Được phân loại là hợp kim không xử lý nhiệt tăng cứng, 5050 không đáp ứng với các quá trình tôi dung dịch - lão hóa rèn như các họ 6xxx và 7xxx để tăng mạnh độ bền. Quá trình nhiệt chủ yếu tập trung vào tôi ủ làm mềm vật liệu và ổn định (giảm ứng suất dư) sau khi tạo hình hoặc hàn. Chu kỳ tôi ủ tiêu chuẩn thực hiện ở nhiệt độ đủ để tái tạo cấu trúc hạt và phục hồi độ dẻo dai; quá trình làm nguội cẩn thận tránh biến dạng quá mức.

Tăng cường độ bền chủ yếu đạt được qua gia công nguội (làm cứng biến dạng) như cán, kéo hoặc uốn điều khiển. Các ký hiệu độ cứng trong chuỗi H biểu thị mức độ và loại gia công nguội cùng các bước ổn định; tôi bán phần (như H32) dùng để cân bằng dẻo dai và độ bền theo yêu cầu tạo hình hoặc kết cấu. Trong sửa chữa và gia công lại, tôi khu vực hoặc làm mới cơ học cục bộ có thể sử dụng để phục hồi khả năng tạo hình ở vùng nhỏ.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

5050 duy trì tính chất cơ học sử dụng được ở nhiệt độ trung bình nhưng mất dần độ bền khi nhiệt độ làm việc tiến gần một phần đáng kể trong dải nóng chảy của nhôm. Nhiệt độ làm việc liên tục thực tế thường giới hạn dưới khoảng 150–200 °C cho các ứng dụng kết cấu chịu lực cần giữ vững độ bền. Oxy hóa không phải là vấn đề lớn ở nhiệt độ này, nhưng khả năng chống lún creep hạn chế so với các hợp kim chuyên dụng chịu nhiệt cao.

Tiếp xúc với nhiệt độ cao trong quá trình hàn hoặc xử lý nhiệt sau hàn không tạo ra các pha tăng cứng nhưng có thể làm giảm làm cứng biến dạng và giảm độ bền giới hạn chảy cục bộ trong HAZ. Kỹ sư thiết kế nên tính đến hiện tượng mềm do nhiệt ở mối hàn và cân nhắc thiết kế cơ khí hoặc gia công nguội sau quá trình để phục hồi độ bền nếu nhiệt độ cao thuộc chu kỳ phục vụ hoặc gia công.

Ứng Dụng

Ngành	Thành Phần Điển Hình	Lý Do Sử Dụng 5050
Ô tô	Panen thân xe, trang trí ngoại thất	Khả năng tạo hình tốt và chống ăn mòn với độ bền vừa phải
Hàng hải	Ốp thân tàu, phụ kiện boong	Khả năng chống ăn mòn nước biển vượt trội và dễ hàn
Hàng không	Cấu kiện phụ, vỏ bọc	Tỷ số độ bền trên trọng lượng cao cho kết cấu không chính và độ bền chống ăn mòn
Vận tải	Bồn chứa, rơ moóc	Các bộ phận kết cấu nhẹ với khả năng chống mỏi và chống clo tốt
Kiến trúc	Panen mặt dựng, mái	Chống chịu thời tiết và dễ gia công
Điện tử	Vỏ bọc, tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt và tiếp đất điện tốt với khối lượng riêng thấp

5050 được sử dụng trong những ứng dụng cần cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, độ bền vừa phải và tính dễ gia công xuất sắc. Hợp kim này đặc biệt phổ biến trong các quy trình sản xuất tích hợp hàn và tạo hình, cũng như môi trường làm việc có độ ẩm cao hoặc có chứa clo.

Những Nhận Xét Về Lựa Chọn

5050 là lựa chọn thực dụng khi ưu tiên kỹ thuật là khả năng chống ăn mòn, tính dễ hàn và độ dẻo tốt mà không cần xử lý lão hóa ở nhiệt độ cao. Hợp kim này đánh đổi sức mạnh tối đa có thể đạt được qua xử lý nhiệt để đổi lấy khả năng hàn tốt hơn và giảm thiểu biến dạng cũng như ứng suất dư so với các hợp kim dòng 6xxx.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 5050 cung cấp độ bền cơ học cao hơn đáng kể trong khi vẫn giữ được độ dẫn điện và dẫn nhiệt tương đối; dự kiến sẽ giảm độ dẫn so với 1100 nhưng bù lại là cải thiện hiệu suất cơ học hữu ích. So với các hợp kim đã làm cứng như 3003 hoặc 5052, 5050 có độ bền nhỉnh hơn một chút và thường có khả năng chống ăn mòn biển vượt trội hơn, mặc dù tính dẻo có thể tương đương tùy theo trạng thái tôi. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt phổ biến như 6061 hay 6063, 5050 được ưu tiên khi hiệu suất chống ăn mòn trong điều kiện làm việc và kiểm soát biến dạng khi hàn là ưu tiên, mặc dù sức bền cực đại đạt được thấp hơn.

Chọn 5050 khi chi tiết sẽ được hàn nhiều, chịu tác động của môi trường biển hoặc điều kiện khắc nghiệt, hoặc yêu cầu tạo hình đáng kể trong trạng thái tôi mềm. Nếu cần độ cứng tối đa hoặc tỉ lệ bền trên khối lượng cao nhất có thể, nên xem xét các lựa chọn hợp kim có thể xử lý nhiệt hoặc hợp kim 5xxx/6xxx có độ bền cao hơn kết hợp với phương pháp ghép nối thích hợp.

Tóm Tắt Cuối Cùng

5050 vẫn là hợp kim nhôm phù hợp cho kỹ thuật hiện đại khi cần kết hợp chắc chắn giữa khả năng chống ăn mòn nước biển, tính dễ hàn và dẻo dai mà không phụ thuộc vào xử lý nhiệt kết tủa. Vị trí của nó trong nhóm 5xxx giúp nó trở thành lựa chọn đáng tin cậy cho các ứng dụng kết cấu và hàng hải, nơi sức bền làm cứng gia công dự đoán được và độ bền lâu dài quan trọng hơn việc đạt sức bền kéo tối đa tuyệt đối.