Nhôm 5051: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt xử lý & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

5051 là một thành viên của series hợp kim nhôm 5xxx, thuộc nhóm hợp kim nhôm cường lực bằng magiê, không thể xử lý nhiệt để tăng cường độ. Nguyên tố hợp kim chính là magiê, thường chiếm tỷ lệ từ thấp đến trung bình, với một lượng rất nhỏ mangan và crôm nhằm hoàn thiện cấu trúc hạt và cải thiện khả năng chống ăn mòn. Việc tăng cường độ được thực hiện chủ yếu thông qua phương pháp làm cứng dung dịch rắn và làm cứng biến dạng thay vì xử lý nhiệt kết tủa, do đó 5051 nằm trong cùng nhóm gia công với các hợp kim 5xxx khác.

Những đặc điểm chính của 5051 bao gồm sự cân bằng tốt giữa độ bền vừa phải, khả năng chống ăn mòn tốt (đặc biệt trong môi trường biển và chứa chloride) và tính dễ hàn xuất sắc. Khả năng tạo hình ở các trạng thái nhiệt độ mềm tốt đến rất tốt, và hợp kim phản ứng dự đoán được với việc làm lạnh lạnh để gia tăng dần độ bền. Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 5051 gồm xây dựng hàng hải, vận tải (thân xe moóc và xe tải van), thiết bị chịu áp lực và một số ứng dụng kiến trúc nơi mà khả năng chống ăn mòn và độ bền vừa phải được ưu tiên.

Kỹ sư chọn 5051 thay vì các hợp kim khác khi cần độ bền cải thiện so với nhôm tinh khiết thương mại trong khi vẫn duy trì khả năng chống ăn mòn môi trường biển tốt hơn nhiều hợp kim 3xxx đã làm cứng bằng biến dạng. Hợp kim này được lựa chọn khi khả năng hàn và hiệu suất sau hàn rất quan trọng, đồng thời xử lý nhiệt là không thực tế hoặc không cần thiết. Chi phí và nguồn cung cũng là những yếu tố thúc đẩy; 5051 thường mang lại vị trí chi phí-hiệu suất hấp dẫn cho các tấm kết cấu, thanh ép khuôn và các cụm hàn.

Biến thể nhiệt độ (Temper)

Temper	Cấp độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–35%)	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Trạng thái tôi mềm hoàn toàn, đạt độ dẻo và khả năng tạo hình tối đa
H12	Trung bình	Trung bình (12–20%)	Tốt	Tuyệt vời	Làm cứng một phần, khả năng tạo hình hạn chế sau gia công lạnh
H14	Trung bình-cao	Trung bình (8–15%)	Tốt	Tuyệt vời	Làm cứng 1/4, thường dùng cho tạo hình tấm và độ bền vừa phải
H18	Cao	Thấp (6–12%)	Hạn chế	Tuyệt vời	Làm cứng hoàn toàn, dùng khi yêu cầu giới hạn chảy cao mà không cần tôi
H22	Trung bình (ổn định)	Trung bình	Tốt	Tuyệt vời	Làm dịu biến dạng sau khi làm cứng một phần để ổn định trong gia công
H32	Trung bình-cao	Trung bình	Tốt	Tuyệt vời	Làm cứng biến dạng và ổn định, thường dùng cho cấu trúc hàn
H111	Trung bình	Trung bình	Tốt	Tuyệt vời	Trạng thái làm cứng biến dạng tạm thời để gia công tạo hình hạn chế

Việc chọn nhiệt độ (temper) cho 5051 nhằm kiểm soát sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo; các trạng thái nhiệt lạnh hơn mang lại độ bền giới hạn chảy và bền kéo cao hơn với chi phí giảm độ giãn dài và khả năng tạo hình. Bởi vì 5051 không thể xử lý nhiệt, nên chuỗi nhiệt độ H (làm cứng lạnh và làm dịu biến dạng) là cơ chế mà nhà sản xuất và chế tạo sử dụng để điều chỉnh hiệu suất cơ học phù hợp với từng chi tiết và phương pháp sản xuất cụ thể.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.25	Kiểm soát mức silic thấp để tránh giòn và duy trì khả năng hàn
Fe	≤ 0.40	Nguyên tố tạp chất phổ biến; Fe dư nhiều giảm khả năng tạo hình
Mn	≤ 0.20	Bổ sung nhỏ cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn ranh giới hạt
Mg	2.2–2.8	Nguyên tố chính làm tăng cường độ; kiểm soát khả năng chống ăn mòn và phản ứng làm cứng biến dạng
Cu	≤ 0.10	Giữ mức thấp để duy trì khả năng chống ăn mòn và dễ hàn
Zn	≤ 0.25	Nhỏ; Zn cao tăng độ bền nhưng có thể gây ăn mòn điện hóa
Cr	0.05–0.25	Vi hợp kim để kiểm soát cấu trúc hạt và cải thiện khả năng chống lão hóa biến dạng
Ti	≤ 0.15	Chất tinh chế hạt dùng trong một số sản phẩm đúc hoặc gia công
Khác	≤ 0.15 tổng	Bao gồm V, Zr, v.v., giữ thấp để duy trì tính nhất quán

Thành phần hóa học tập trung vào magiê nhằm tăng cường độ qua dung dịch rắn trong khi giữ đồng và kẽm ở mức thấp nhằm bảo vệ khả năng chống ăn mòn và tính chất hàn. Các lượng nhỏ crôm và mangan giúp kiểm soát quá trình kết tinh lại và tăng trưởng hạt trong quá trình gia công, qua đó cải thiện độ dai va đập và khả năng chống ăn mòn theo ranh giới hạt cho các chi tiết đã chế tạo.

Tính chất cơ học

Đặc tính kéo của 5051 là điển hình cho một hợp kim 5xxx có độ bền trung bình: trạng thái tôi mềm (O) có giới hạn bền kéo và giới hạn chảy vừa phải kèm độ giãn dài khá cao, trong khi các trạng thái H-temper do làm lạnh và làm cứng biến dạng gia tăng đáng kể giới hạn chảy và bền kéo với giá phải trả là giảm độ dẻo. Giới hạn chảy tăng dần theo mức độ làm lạnh và cấp độ temper; H12/H14 tạo ra sự cải thiện rõ rệt, còn H18 hoặc H32 đạt được độ bền cao nhất mà có thể gia công mà không cần xử lý nhiệt. Độ cứng theo xu hướng tương ứng với giới hạn chảy và thường được đo để kiểm soát chất lượng trong các quy trình dập và tạo hình.

Hiệu suất chịu mỏi nhạy cảm với điều kiện bề mặt, quy trình chế tạo và môi trường làm việc; nhôm 5051 được đánh bóng và hàn tốt có tuổi thọ mỏi chu kỳ cao hợp lý cho các ứng dụng kết cấu, nhưng các vết nứt mỏi thường bắt đầu tại các mối hàn và điểm tập trung ứng suất. Hiệu ứng độ dày đáng kể: vật liệu mỏng dễ làm cứng biến dạng hơn để đạt độ bền cao, trong khi tấm dày và thanh đùn dày giữ lại nhiều độ dẻo dư trong các trạng thái temper mềm hơn và việc đạt độ bền đồng nhất theo chiều dày có thể gặp khó khăn nếu không xử lý ép và làm dịu phù hợp.

Tính chất	Trạng thái O/Tôi mềm	Temper chính (ví dụ H14/H32)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	110–145 MPa	210–275 MPa	Giá trị phụ thuộc vào độ dày và mức độ làm lạnh
Giới hạn chảy	40–75 MPa	150–240 MPa	Temper H tăng giới hạn chảy đáng kể qua làm cứng biến dạng
Độ giãn dài	20–35%	6–15%	Độ dẻo giảm khi tăng cấp temper/độ cứng
Độ cứng	25–35 HB	55–85 HB	Độ cứng tỷ lệ với làm cứng lạnh và dùng để kiểm soát chất lượng chi tiết đã gia công

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.68 g/cm³	Đặc trưng cho hợp kim nhôm gia công; tỷ lệ độ bền/trọng lượng tốt
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~605–655 °C	Hợp kim làm rộng phạm vi nóng chảy, thấp hơn điểm nóng chảy nhôm tinh khiết (660 °C)
Độ dẫn nhiệt	~130 W/m·K	Độ dẫn nhiệt tốt, thấp hơn một chút so với nhôm tinh khiết
Độ dẫn điện	~34–44 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do magiê trong dung dịch rắn
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Giá trị đặc trưng cho hợp kim nhôm ở nhiệt độ môi trường
Hệ số giãn nở nhiệt	23.0–24.5 µm/m·K	Hệ số vừa phải; quan trọng khi kết hợp với các kim loại khác

5051 giữ lại nhiều tính chất vật lý hấp dẫn của nhôm: trọng lượng nhẹ và độ dẫn nhiệt cao so với thép, làm cho nó hữu ích cho quản lý nhiệt và cấu trúc nhẹ. Sự kết hợp mật độ và tính chất cơ học mang lại độ bền riêng tốt, nhưng nhà thiết kế cần lưu ý hệ số giãn nở nhiệt khi ghép nối 5051 với kim loại khác hoặc sử dụng trong các môi trường có chu kỳ nhiệt độ thay đổi.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/kích thước điển hình	Hành vi cường độ	Temper phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.4–6 mm	Dễ gia công lạnh; lớp mỏng đạt độ bền cao ở các temper H	O, H14, H18, H32	Sử dụng rộng rãi cho bảng điều khiển, bao che và vỏ bọc
Đĩa tấm (Plate)	6–50 mm	Khả năng gia công lạnh giảm; thường cung cấp các temper mềm hơn để dễ gia công	O, H112, H32	Tấm kết cấu và chi tiết chế tạo dày hơn
Thanh ép khuôn (Extrusion)	Hình dạng phức tạp	Độ bền phụ thuộc vào làm lạnh sau ép; có thể ổn định tuổi	O, H32	Phổ biến cho khung, ray và các tiết diện dùng trong hàng hải
Ống	Độ dày thành 1–12 mm	Tương tự tấm; tùy chọn hàn hoặc liền mạch ảnh hưởng tính chất	H14, H32	Sử dụng trong ống kết cấu và đường ống chịu ảnh hưởng ăn mòn
Thanh tròn/que	Đường kính Ø3–100 mm	Thanh kéo lạnh tăng độ bền; phôi gia công thường mềm hơn	O, H18, H22	Phụ kiện, chốt và các chi tiết tiện

Quy trình gia công (cán, ép khuôn, kéo) ảnh hưởng đến sự kết tinh lại và tính dị hướng của tính chất cơ học; tấm và vật liệu mỏng là dạng kinh tế nhất và dễ làm lạnh để đạt temper H có độ bền cao hơn. Thanh ép và tấm được sử dụng khi cần các đặc tính mặt cắt hoặc tiết diện dày hơn, nhưng có thể cần xử lý làm dịu ứng suất hoặc kiểm soát làm nguội để tránh biến dạng trong các cụm hàn.

Các mác tương đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	5051	Mỹ	Chỉ định của Aluminum Association cho hợp kim nhôm Mg dòng 5xxx có thể gia công nguội
EN AW	5051	Châu Âu	EN AW-5051 thường dùng; giới hạn hóa học và cơ học tương tự AA
JIS	A5051	Nhật Bản	Các biến thể JIS tương đồng về thành phần nhưng có thể quy định điều kiện thử cơ học khác nhau
GB/T	5051	Trung Quốc	Mác tiêu chuẩn Trung Quốc với thành phần tương đương; dung sai gia công có thể khác

Chênh lệch giữa các tiêu chuẩn chủ yếu nằm ở mức dung sai quy định, phương pháp thử cơ học yêu cầu và giới hạn tạp chất cho phép hơn là khác biệt về thành phần hóa học cơ bản. Kỹ sư nên kiểm tra chứng chỉ nhà máy đối với các ứng dụng quan trọng để đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn địa phương về tính chất, chiều cứng và quy trình gia công.

Khả năng chống ăn mòn

5051 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển rất tốt đặc trưng của dòng hợp kim 5xxx do hàm lượng magie và mức đồng thấp. Hợp kim tạo thành lớp oxit bảo vệ giúp chống ăn mòn dạng rỗ trong nhiều môi trường ngoài trời và hơi ăn mòn nhẹ. Ở môi trường biển và khí quyển giàu chloride, 5051 có hiệu suất tốt so với nhiều hợp kim 3xxx và 6xxx, mặc dù ngâm lâu dài và nước muối đọng có thể gây ăn mòn cục bộ nếu lớp phủ bề mặt bị hư hỏng.

Độ nhạy với nứt do ứng lực ăn mòn (SCC) của 5051 thấp hơn các hợp kim 5xxx có hàm lượng Mg cao hơn (trên 3,5% Mg), nhưng không thể loại trừ hoàn toàn SCC đối với các chi tiết chịu ứng suất cao trong môi trường ăn mòn mạnh. Ứng suất kéo còn lại do tạo hình hoặc hàn làm tăng nguy cơ SCC, do đó cần thiết kế chi tiết hợp lý, xử lý giảm ứng suất sau hàn và lựa chọn vật liệu kỹ càng đối với các cấu kiện kết cấu quan trọng. Tương tác điện hóa phải được kiểm soát khi 5051 tiếp xúc với các kim loại quý như thép không gỉ hoặc đồng; các biện pháp thường dùng gồm cách ly phù hợp hoặc sử dụng anot hy sinh trong kết cấu biển và kiến trúc.

So với các dòng hợp kim khác, 5051 có khả năng chống ăn mòn biển vượt trội hơn nhiều hợp kim nhiệt luyện như 6xxx có chứa đồng hoặc kẽm cao hơn, trong khi đạt độ bền tối đa thấp hơn chút so với hợp kim 6xxx đã già hóa. Nhà thiết kế thường chọn 5051 khi ưu tiên độ bền bọc trong môi trường chloride và tính hàn trên mức độ bền cực đại.

Tính chất gia công

Khả năng hàn

5051 dễ hàn bằng các phương pháp nhiệt phổ biến như TIG (GTAW) và MIG (GMAW). Mối hàn 5051 thường có độ lỏng tốt và ít bị nứt nóng do thành phần không chứa đồng đáng kể và hàm lượng magie vừa phải. Kim loại bù phổ biến là 5356 (Al-Mg) để đạt độ bền cao hơn và chống ăn mòn tốt, hoặc 4043 (Al-Si) để cải thiện khả năng hàn trong một số trường hợp; lựa chọn phụ thuộc vào độ bền sau hàn và yêu cầu anod hóa. Cần lưu ý hiện tượng mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nếu kim loại cơ bản đã làm cứng bằng biến dạng, đồng thời thực hiện ổn định hoặc xử lý nhiệt cục bộ sau hàn khi cần thiết.

Khả năng gia công cơ khí

5051 có độ gia công trung bình; dễ gia công hơn các hợp kim có cường độ cao nhưng kém hơn nhôm tinh khiết thương mại. Nên dùng công cụ có mũi carbide và góc trước tích cực để kiểm soát sự hình thành phoi và tránh góc tích phoi; sử dụng dung dịch làm mát hoặc bôi trơn giúp cải thiện độ bóng bề mặt và tuổi thọ dao. Tốc độ cắt ở mức trung bình và điều chỉnh lượng ăn dao phù hợp để tránh làm cứng bề mặt cắt ảnh hưởng tới các bước hoàn thiện. Đối với công đoạn tiện hoặc phay khối lượng lớn, lớp phủ dao và cố định chi tiết cứng vững giúp giảm dao động và kéo dài tuổi dao.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình rất tốt ở trạng thái anneal (O) và duy trì rất tốt ở các chiều cứng nhẹ như H12 và H14, khiến 5051 phù hợp cho các kỹ thuật dập sâu, uốn và kéo giãn. Bán kính uốn tối thiểu nên tham khảo theo chiều cứng và độ dày, thường là 1–3 lần chiều dày vật liệu đối với các chiều cứng mềm; bán kính nhỏ hơn cần xử lý anneal trước khi tạo hình hoặc sử dụng chiều cứng mềm hơn. Làm cứng nguội làm tăng độ bền nhưng giảm độ dẻo, vì vậy nên thiết kế quy trình tạo hình theo từng giai đoạn để tránh nứt và có thể cần anneal trung gian đối với các hình dạng phức tạp.

Hành vi xử lý nhiệt

5051 là hợp kim không thể nhiệt luyện nên không đáp ứng xử lý tôi và già hóa nhân tạo để tăng cường độ; thay đổi tính chất cơ học chủ yếu đạt được bằng làm cứng nguội có kiểm soát và quy định chiều cứng. Các chu trình nhiệt chuẩn dùng cho hợp kim nhiệt luyện (hoà tan và làm nguội nhanh rồi già hóa) không hiệu quả để tạo trạng thái tôi kết tủa cho 5051, nên không nên dựa vào lợi ích của chiều cứng T cho mác này.

Quá trình anneal dùng để phục hồi độ dẻo sau khi gia công nguội nhiều; anneal toàn phần cho 5051 thường được thực hiện ở khoảng 350–415 °C với làm nguội kiểm soát để đạt chiều cứng O. Xử lý ổn định (ví dụ H22 hay H32) liên quan tới nhiệt độ thấp hoặc giảm ứng suất để giảm hiện tượng lão hóa biến dạng và đảm bảo ổn định kích thước trong gia công và hàn. Lịch trình làm cứng nguội và kiểm soát chiều cứng là phần của quy trình cán cuộn để cung cấp vật liệu đạt giới hạn chảy và bền kéo mục tiêu cho tạo hình hoặc cấu kiện kết cấu.

Hiệu suất ở nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ cao, 5051 mất dần độ bền do hiệu ứng làm cứng rắn dung dịch giảm và quá trình hồi phục tăng tốc; nhiệt độ sử dụng liên tục cho tính toàn vẹn kết cấu thường giới hạn dưới khoảng 100 °C đối với các ứng dụng yêu cầu giữ độ bền. Khả năng chống creep ở nhiệt độ vừa phải có hạn so với hợp kim chuyên dụng cho nhiệt độ cao, và tải trọng kéo dài trong môi trường nóng sẽ gây biến dạng đo được theo thời gian. Hiện tượng oxy hóa không đáng kể do nhôm tạo thành lớp oxit ổn định, nhưng tiếp xúc nhiệt cao có thể làm thay đổi bề ngoài và ảnh hưởng đến các lớp phủ hoặc xử lý bề mặt sau đó.

Mối hàn có thể bị mềm cục bộ vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) do nhiệt độ cao; nhà thiết kế phải cân nhắc vấn đề này đối với nhiệt độ làm việc cao vì HAZ có thể là vị trí giới hạn khả năng giữ độ bền. Đối với các ứng dụng đòi hỏi chịu nhiệt cao hơn, nên xem xét sử dụng hợp kim khác hoặc cho phép thiết kế dự phòng.

Ứng dụng

Ngành công nghiệp	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng 5051
Ô tô	Tấm thân xe, bình nhiên liệu	Khả năng tạo hình, hàn và chống ăn mòn tốt
Hàng hải	Tấm vỏ thân tàu, cấu trúc mặt boong	Khả năng chống ăn mòn rỗ chloride vượt trội và dễ hàn
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, tấm vỏ che (không quan trọng)	Chỉ số bền trên trọng lượng và khả năng chống ăn mòn thuận lợi
Điện/Quản lý nhiệt	Nhôm tản nhiệt, vỏ thiết bị	Độ dẫn nhiệt tốt và dễ gia công
Kiến trúc	Lớp bọc ngoài, mặt dựng	Chống chịu thời tiết và khả năng anod hóa đẹp

5051 được sử dụng rộng rãi nơi yêu cầu sự kết hợp của khả năng chống ăn mòn, tính hàn và độ bền vừa phải mà không cần xử lý nhiệt. Sự cân bằng các tính chất hỗ trợ đa dạng ứng dụng từ cấu kiện biển cho đến các cụm gia công nhẹ, nơi môi trường làm việc và phương pháp chế tạo quyết định lựa chọn hợp kim.

Gợi ý lựa chọn

Chọn 5051 khi cần hợp kim không nhiệt luyện có độ bền cao hơn nhôm tinh khiết thương mại và khả năng chống ăn mòn ưu việt trong môi trường chứa chloride. Hợp kim này đặc biệt thích hợp khi cần hàn và tạo hình, và nhà thiết kế ưu tiên tính dự đoán từ làm cứng biến dạng thay vì già hóa tuổi.

So với 1100 (nhôm tinh khiết thương mại), 5051 đánh đổi một phần độ dẫn điện và khả năng tạo hình vượt trội để đạt được độ bền cao hơn đáng kể và khả năng chống ăn mòn biển tốt hơn. So với dòng 3xxx (ví dụ 3003 hoặc 5052), 5051 có độ bền tương đương hoặc cao hơn một chút với cùng khả năng chống ăn mòn, là lựa chọn trung gian giữa độ bền và độ dẻo. So với hợp kim nhiệt luyện như 6061/6063, 5051 cho khả năng hàn dễ dàng hơn và chống ăn mòn chloride tốt hơn mặc dù không đạt độ bền đỉnh của các hợp kim 6xxx đã già hóa; chọn 5051 khi ưu tiên khả năng chống ăn mòn và độ bền mối hàn hơn là sức bền tối đa.

• Ưu tiên 5051 cho kết cấu hàn trong môi trường biển và chi tiết gia công chịu ăn mòn.
• Ưu tiên 6061 nếu cần độ bền cấu trúc cực đại và khả năng gia công cơ khí cao, đồng thời kiểm soát tốt ăn mòn.
• Ưu tiên 1100/3003 để đạt khả năng tạo hình hoặc dẫn điện tối ưu khi không cần độ bền lớn.

Tóm tắt kết luận

5051 là hợp kim nhôm thiết thực và toàn diện cho các ứng dụng cần sự cân bằng vững chắc giữa khả năng chống ăn mòn, tính hàn và độ bền trung bình mà không phụ thuộc vào xử lý nhiệt. Hành vi dự đoán được dưới quá trình làm cứng nguội và sự có mặt rộng rãi dưới dạng sản phẩm phổ biến làm nó trở thành lựa chọn kinh tế cho cấu kiện biển, vận tải và gia công kết cấu nơi yêu cầu độ bền lâu dài trong môi trường khắc nghiệt.