Nhôm 5080: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

Hợp kim 5080 thuộc dòng nhôm-magie 5xxx, được phân loại là hợp kim không thể xử lý nhiệt (gia công cứng). Cơ chế tăng cường chính là sự làm cứng dung dịch rắn do magie kết hợp với làm cứng biến dạng qua gia công nguội.

Thành phần hợp kim chính bao gồm magie với hàm lượng vài phần trăm khối lượng, cùng lượng nhỏ mangan và crom nhằm kiểm soát cấu trúc hạt và quá trình tái kết tinh. Thành phần hóa học này giúp 5080 có sự cân bằng giữa độ bền trung bình đến cao, độ dẻo tốt ở trạng thái ủ, khả năng chống ăn mòn nước biển xuất sắc, và tính hàn thuận lợi.

Đặc tính nổi bật của hợp kim là tỷ lệ bền trên trọng lượng tốt so với các loại nhôm nguyên chất phổ biến, khả năng kháng ăn mòn cục bộ như ăn mòn chấm và khe hở trong môi trường biển, cùng tính dễ tạo hình hợp lý ở các trạng thái mềm. Các ngành công nghiệp thường sử dụng hợp kim 5xxx như 5080 bao gồm đóng tàu và kết cấu biển, thiết bị áp lực, chi tiết cấu trúc, và các thiết bị chế tạo yêu cầu khả năng chống ăn mòn và độ bền vừa phải.

Kỹ sư thường chọn 5080 khi cần sự kết hợp giữa độ bền đầu vào cao hơn các hợp kim 1xxx, khả năng chống ăn mòn biển vượt trội so với nhiều hợp kim có thể xử lý nhiệt, cùng tính hàn tốt. Loại hợp kim này thường được ưu tiên thay cho hợp kim 1xxx hoặc 3xxx có độ bền thấp hơn khi cần độ cứng và giới hạn chảy, hoặc thay cho hợp kim 6xxx/7xxx khi ưu tiên khả năng chống ăn mòn và khả năng sửa chữa hàn.

Biến Thể Ứng Xử Lý Cứng

Ứng Xử Lý	Cấp Độ Bền	Độ Dài Ra	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất Sắc	Xuất Sắc	Trạng thái ủ hoàn toàn; dễ tạo hình nhất và chống ăn mòn tốt nhất
H111 / H112	Thấp-Trung Bình	Trung Bình-Cao	Tốt	Xuất Sắc	Gia công cứng nhẹ do tạo hình hoặc xử lý
H14	Trung Bình	Trung Bình	Khá	Xuất Sắc	Gia công cứng 1/4; dùng cho tạo hình vừa phải với độ bền cao hơn
H18	Cao	Thấp	Kém	Xuất Sắc	Gia công cứng hoàn toàn; dùng cho các chi tiết cứng và ít biến dạng
H116 / H321	Trung Bình-Cao	Trung Bình	Khá	Tốt	Trạng thái thương mại có kiểm soát ứng suất cho cấu trúc hàn
T5 (nếu được nhiệt luyện nhân tạo)	Trung Bình-Cao	Trung Bình	Khá	Tốt	Một số ứng dụng sử dụng xử lý kiểu T5 để ổn định kích thước
T6 / T651 (hiếm)	Trung Bình-Cao	Trung Bình	Khá	Tốt	Ít phổ biến và ít lợi ích do hợp kim không phải chủ yếu xử lý nhiệt

Gia công cứng cho 5080 chủ yếu dựa trên làm cứng biến dạng lạnh (ứng xử H) và giải ứng suất thay vì nhiệt luyện dung dịch và lão hóa cổ điển. Vật liệu ở trạng thái ủ (O) cho khả năng kéo dài tốt nhất và dễ tạo hình nhất, trong khi tăng số hiệu H sẽ đánh đổi độ dẻo lấy giới hạn chảy và độ bền.

Các cấu trúc hàn thường được cung cấp ở biến thể H116/H321 khi cần kiểm soát giảm ứng suất; trạng thái H vẫn giữ được tính hàn tốt nhưng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) gần mối hàn sẽ bị làm mềm cần xem xét trong thiết kế.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	Tối đa 0.40	Tạp chất; giảm để duy trì độ dẻo và khả năng chống ăn mòn
Fe	Tối đa 0.40	Hợp chất liên kim; kiểm soát để hạn chế điểm bắt nguồn nứt
Mn	0.30–1.0	Tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện bề mặt và độ dai
Mg	3.8–4.9	Nguyên tố gia cường chính; quan trọng với khả năng chống ăn mòn
Cu	Tối đa 0.10	Giữ ở mức thấp để bảo vệ khả năng chống ăn mòn và tính hàn
Zn	Tối đa 0.25	Giữ thấp để không làm giảm khả năng chống ăn mòn
Cr	0.05–0.25	Kiểm soát cấu trúc hạt, giảm tái kết tinh và nhạy cảm hóa
Ti	Tối đa 0.05	Chất tinh chỉnh hạt trong đúc và gia công
Khác (bao gồm Zr)	Phần còn lại/dấu vết	Các nguyên tố vi lượng dùng để kiểm soát cấu trúc vi mô; tổng cộng thường dưới 0.15%

Hiệu suất của hợp kim chủ yếu do magie đảm nhiệm, cung cấp phần lớn khả năng làm cứng dung dịch rắn và góp phần vào khả năng chống ăn mòn biển. Mangan và crom là các nguyên tố vi hợp kim dùng để kiểm soát kích thước hạt, giới hạn tái kết tinh và giảm nhạy cảm ăn mòn liên hạt trong các chu trình nhiệt. Đồng và kẽm được giữ ở mức thấp nhằm tránh ảnh hưởng xấu đến khả năng chống ăn mòn và hàn, trong khi silic và sắt giữ ở mức thấp như tạp chất không tránh khỏi.

Đặc Tính Cơ Học

5080 thể hiện đặc trưng kéo giãn làm cứng biến dạng cổ điển: tấm ở trạng thái ủ có độ dài ra cao với giới hạn chảy tương đối thấp, quá trình gia công nguội sẽ tăng giới hạn chảy và độ bền kéo tối đa đồng thời giảm độ dẻo. Giới hạn chảy và độ bền kéo phụ thuộc mạnh vào trạng thái ứng xử và độ dày, sản phẩm trạng thái H cung cấp sự gia tăng đáng kể giới hạn chảy 0.2% đánh đổi bằng độ dẻo. Độ cứng cũng theo xu hướng tương tự và liên quan đến cả hàm lượng magie và mức độ làm cứng biến dạng hơn là lão hóa.

Hiệu suất mỏi ở mức trung bình trong họ hợp kim 5xxx; tình trạng bề mặt, mối hàn và ứng suất dư đóng vai trò chính với tuổi thọ mỏi. Các tiết diện dày hơn của 5080 có xu hướng có độ bền đo được thấp hơn một chút do nhiệt ủ lô, thay đổi kích thước hạt và ứng suất dư; thiết kế nên áp dụng các đặc tính phụ thuộc độ dày từ chứng nhận của nhà cung cấp cho các chi tiết quan trọng. Độ dai va đập ở nhiệt độ môi trường thường tốt, nhưng suy giảm khi hợp kim bị gia công nguội quá mức hoặc hàn nhiều mà không có xử lý giảm ứng suất sau hàn.

Trong môi trường ăn mòn hoặc cấu trúc hàn, thiết kế cần tính đến độ mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) làm giảm cục bộ giới hạn chảy và độ bền kéo; thiết kế cơ khí nên xem các vị trí hàn như vùng yếu chịu lực và đưa vào hệ số an toàn thích hợp hoặc gia cố. Với các ứng dụng áp lực hoặc kết cấu, thực hành kỹ thuật tiêu chuẩn yêu cầu dùng dữ liệu cơ tính được chứng nhận phù hợp với độ dày và trạng thái xử lý.

Tính Chất	O/Ủ	Ứng Xử Lý Chính (ví dụ H116/H18)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	220–300 MPa (phạm vi điển hình)	260–350 MPa (tùy mức làm cứng biến dạng)	Độ bền kéo tối đa thay đổi theo trạng thái và độ dày
Giới Hạn Chảy (offset 0.2%)	90–180 MPa	200–320 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh với làm cứng biến dạng; H18 đạt mức cao nhất
Độ Dài Ra	20–30%	6–18%	Trạng thái ủ cho độ dài ra cao nhất
Độ Cứng (HB)	40–60 HB	60–95 HB	Độ cứng Brinell tương quan với trạng thái và hàm lượng Mg

Đặc Tính Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.66 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al-Mg; dùng trong tính toán khối lượng
Khoảng Nhiệt Độ Nóng Chảy	570–645 °C	Khoảng nhiệt độ từ thể rắn đến thể lỏng thay đổi nhẹ theo thành phần hợp kim
Độ Dẫn Nhiệt	≈130 W/m·K	Giảm so với nhôm nguyên chất do có hợp kim; vẫn tốt để tản nhiệt
Độ Dẫn Điện	~30–40 % IACS	Thấp hơn nhôm nguyên chất; giảm khi tăng Mg và làm cứng biến dạng
Nhiệt Dung Riêng	≈0.90 kJ/kg·K	Điển hình cho hợp kim nhôm ở nhiệt độ phòng
Hệ Số Nở Nhiệt	≈23.5 µm/m·K	Mở rộng tuyến tính tương tự các hợp kim nhôm khác; thiết kế cần tính đến

Bộ đặc tính vật lý này đặt 5080 vào nhóm hợp kim nhôm dẫn nhiệt trung bình; độ dẫn nhiệt phù hợp cho các ứng dụng tản nhiệt hoặc thoát nhiệt nhưng thấp hơn nhôm nguyên chất và một số hợp kim dòng 1xxx. Mật độ và hệ số nở nhiệt hỗ trợ thiết kế kết cấu nhẹ nhưng cần lưu ý khi ghép nối với vật liệu khác có hệ số nở khác nhau.

Độ dẫn điện giảm so với nhôm nguyên chất và tiếp tục giảm khi gia công nguội và gia tăng hàm lượng hợp kim. Khi điện dẫn là yếu tố quan trọng, 5080 kém ưu tiên so với các hợp kim nhôm tinh khiết hoặc ít hợp kim hơn.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Đặc tính cơ học	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.5–6.0 mm	Độ bền đồng đều, phụ thuộc độ dày	O, H111, H116, H18	Phổ biến dùng trong tấm vỏ tàu, panel và cụm lắp ráp
Tấm dày	6–150 mm	Độ bền giảm nhẹ khi độ dày lớn	O, H116, H321	Dùng cho kết cấu chịu lực và bộ phận chịu áp lực
Đùn	Biên dạng đến 300 mm	Độ bền phụ thuộc vào mặt cắt và quá trình làm nguội lạnh	O, H111, H14	Ống, biên dạng dùng trong các cụm hàn
Ống	Độ dày thành 1.0–25 mm	Tương tự tấm/tấm dày; hàn và làm nguội lạnh ảnh hưởng tính chất	O, H112, H321	Ứng dụng chịu áp suất và dẫn chất lỏng đòi hỏi chống ăn mòn
Thanh	Đường kính đến 200 mm	Thường cung cấp dạng ủ hoặc cứng tôm/cứng	O, H14, H18	Bộ phận gia công cơ khí và phôi rèn

Quy trình xử lý khác nhau theo dạng sản phẩm: tấm và tấm dày phổ biến được cán và ủ với hoàn thiện nhà máy kiểm soát, trong khi các dạng đùn cần kiểm soát thành phần phôi và làm nguội để duy trì cấu trúc vi mô đồng nhất. Tấm dày và các biên dạng lớn thường được giao với độ cứng giảm ứng suất để hạn chế biến dạng trong hàn và gia công.

Nhà thiết kế cần lưu ý việc tạo hình và gia công làm thay đổi độ cứng cục bộ và ứng suất dư; tái ủ hoặc tiền biến dạng có kiểm soát có thể cần cho các cụm phức tạp để đạt hiệu suất cơ học mong muốn.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Vùng	Ghi chú
AA	5080	USA	Chỉ định chính trong danh mục của Aluminum Association
EN AW	5080	Châu Âu	Theo tiêu chuẩn EN; giới hạn hóa học tương tự AA
JIS	A5080 (nếu áp dụng)	Nhật Bản	Biến thể JIS có thể có giới hạn tạp chất khác nhẹ
GB/T	5080 (hoặc tương đương theo EN)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc thường tương thích giới hạn hóa học AA/EN

Mặc dù các chỉ định AA, EN, JIS và GB/T cho 5080 tương đương tên gọi, vẫn tồn tại khác biệt nhẹ về giới hạn tạp chất cho phép, yêu cầu kiểm tra (UL/UT/NDT) và phạm vi tính chất cơ học được phép cho các dạng sản phẩm và độ cứng cụ thể. Việc mua hàng xuyên vùng cần so sánh kỹ các chứng nhận nhà máy để xác nhận thành phần chính xác, chỉ định độ cứng và tiêu chuẩn nghiệm thu cho ứng dụng quan trọng. Tiêu chuẩn vật liệu cũng có thể quy định lịch sử cán hoặc xử lý nhiệt khác ảnh hưởng cấu trúc và hiệu suất cuối cùng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

5080 mang lại khả năng chống ăn mòn khí quyển và môi trường biển tốt nhờ hàm lượng magie cao và đồng thấp. Hợp kim tạo màng oxit bảo vệ ổn định, chống ăn mòn điểm và khe trong nước biển hiệu quả hơn nhiều hợp kim nhiệt luyện; do đó rất phù hợp cho vỏ tàu, sàn và thiết bị ngoài khơi.

Tuy nhiên, các hợp kim nhóm 5xxx với hàm lượng magie trên khoảng 3% có thể bị nhạy cảm và ăn mòn liên hạt khi tiếp xúc nhiệt độ cao (thường gặp khi hàn) nếu không có crom hoặc các chất ổn định đủ hiệu lực. Việc chọn vật liệu phụ gia, quy trình hàn và xử lý hậu hàn là rất quan trọng để hạn chế sự xuống cấp lâu dài.

Tương tác điện hóa xảy ra khi 5080 tiếp xúc với kim loại quý hơn (thép không gỉ, hợp kim đồng); vật liệu cách điện hoặc lớp phủ bảo vệ nên được sử dụng để ngăn chặn ăn mòn cục bộ gia tốc. So với hợp kim nhóm 6xxx và 7xxx, 5080 vượt trội về chống ăn mòn nước biển tự nhiên nhưng độ bền tối đa thấp hơn một số hợp kim nhiệt luyện có thể cần bảo vệ chống ăn mòn bổ sung.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

5080 hàn tốt bằng các công nghệ TIG (GTAW) và MIG (GMAW); vật liệu phụ thường được khuyến nghị là 5183 (Al-Mg) và 5356 để phù hợp hàm lượng magie và duy trì khả năng chống ăn mòn. Nguy cơ nứt nóng thấp hơn so với hợp kim đồng cao, nhưng cần chú ý làm mềm vùng nhiệt ảnh hưởng (HAZ) và khả năng nhạy cảm trong các vùng có Mg cao. Làm sạch trước hàn loại bỏ tạp chất và kiểm soát nhiệt lượng hàn giúp giảm thời gian ở nhiệt độ nhạy cảm là thực hành tốt nhất.

Khả năng gia công cơ khí

Gia công 5080 ở mức độ trung bình; không dễ gia công như một số hợp kim nhóm 6xxx và 2xxx. Nên dùng dụng cụ cắt carbide với tốc độ cắt vừa phải và tốc độ ăn dao cao hơn để tránh hiện tượng dính phoi. Bề mặt hoàn thiện và kiểm soát phoi phụ thuộc độ cứng và cấu trúc vi mô; các trạng thái cứng lạnh nặng làm tăng lực cắt và giảm khả năng gia công. Sử dụng làm mát và phương pháp phá phoi phù hợp rất quan trọng để duy trì tuổi thọ dụng cụ.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình rất tốt ở trạng thái O, cho phép dập sâu, kéo giãn và uốn phức tạp với bán kính uốn nhỏ. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc độ cứng và độ dày, thường nằm trong khoảng 1.0–2.5 lần độ dày vật liệu cho nhiều ứng dụng tấm; các trạng thái H đòi hỏi bán kính lớn hơn. Do quá trình tạo hình làm tăng giới hạn chảy qua làm cứng dẻo, các quy trình tạo hình tiến tiến và ủ xen kẽ thường được áp dụng để tránh nứt gãy khi biến dạng mạnh.

Đặc Tính Xử Lý Nhiệt

5080 là hợp kim không nhiệt luyện, không phản ứng với xử lý hòa tan và lão hóa giống như các hợp kim nhóm 6xxx hay 7xxx. Thay vào đó, tính chất cơ học được kiểm soát chủ yếu bằng quá trình làm nguội lạnh (cán, kéo, uốn) và các phương pháp ổn định nhiệt như ủ giảm ứng suất.

Ủ toàn phần (độ cứng O) được thực hiện ở nhiệt độ cao để phục hồi độ dẻo và giảm ứng suất dư; quá trình làm nguội lạnh sau đó làm tăng giới hạn chảy và độ bền kéo. Thử nghiệm lão hóa nhân tạo hoặc xử lý hòa tan không tạo ra sự tăng cường rắn kết kiểu kết tủa như hợp kim nhiệt luyện, do đó các chu trình nhiệt chủ yếu dùng để kiểm soát tái tinh thể hóa và giảm nhạy cảm ăn mòn hơn là tạo cấu trúc vi mô có độ bền cực đại.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Độ bền làm việc của 5080 giảm khi nhiệt độ tăng; thường chỉ hiệu quả cho ứng dụng chịu tải dưới khoảng 100–150 °C. Trên ngưỡng này, vật liệu mềm đáng kể và thời gian chịu nhiệt thúc đẩy thay đổi cấu trúc vi mô giảm khả năng chịu tải.

Hiện tượng oxy hóa ở nhiệt độ cao không nghiêm trọng như kim loại sắt, nhưng tiếp xúc lâu có thể gây tróc vảy bề mặt và thay đổi tính chống ăn mòn. Trong vùng hàn, nhiệt độ cao làm tăng độ mềm HAZ và nhạy cảm, do đó thiết kế cần tránh chu trình nhiệt vượt quá giới hạn hoặc áp dụng xử lý nhiệt hậu hàn khi cần thiết.

Ứng Dụng

Công nghiệp	Ví dụ bộ phận	Lý do sử dụng 5080
Hàng hải	Tấm vỏ tàu, kết cấu thượng tầng	Khả năng chống ăn mòn nước biển xuất sắc và độ bền hợp lý
Ô tô	Sàn mooc, panel chứa hàng	Độ bền trên trọng lượng tốt và khả năng tạo hình cho chi tiết dập
Hàng không	Phụ kiện không quan trọng, vỏ che	Khả năng chống ăn mòn, mật độ phù hợp cho kết cấu phụ
Bình chịu áp lực / Lưu trữ	Bình chứa và bộ phận chịu áp lực	Khả năng hàn tốt và kháng nhiều môi trường nước
Điện tử / Tản nhiệt	Khung và tản nhiệt trung bình	Cân bằng giữa dẫn nhiệt và tính kết cấu

5080 thường được chỉ định khi yêu cầu kháng ăn mòn và khả năng hàn là ưu tiên, đồng thời cần sức bền vừa phải và khả năng tạo hình tốt. Sự kết hợp tính năng này làm 5080 là lựa chọn kinh tế cho kết cấu, hàng hải và gia công tổng hợp, nơi độ bền tối đa do lão hóa không phải là yêu cầu chính.

Gợi Ý Lựa Chọn

Chọn 5080 khi cần hợp kim nhóm 5xxx với độ bền từ trung bình đến cao, chống ăn mòn biển tuyệt vời và khả năng hàn tốt. Nó đặc biệt phù hợp cho cấu trúc và chi tiết hàn tiếp xúc môi trường biển hoặc công nghiệp mà cần hạn chế bảo vệ sau gia công.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 5080 đánh đổi một phần dẫn điện và dẫn nhiệt cùng khả năng tạo hình nhẹ để đổi lấy giới hạn chảy và độ bền kéo cao hơn đáng kể. So với các hợp kim làm cứng lạnh như 3003 hoặc 5052, 5080 có độ bền cao hơn và thường kháng nước biển tốt hơn nhưng có thể khó tạo hình hơn ở trạng thái cứng hơn. So với hợp kim nhiệt luyện như 6061/6063, 5080 có khả năng chống ăn mòn tự nhiên và hàn tốt hơn nhưng độ bền tối đa thấp hơn; lựa chọn 5080 khi độ bền chống ăn mòn và sửa chữa hàn quan trọng hơn độ bền tĩnh tối đa.

Tóm tắt cuối cùng

Hợp kim 5080 vẫn là một hợp kim kỹ thuật thực tiễn cho các ứng dụng yêu cầu sự kết hợp giữa khả năng chống ăn mòn, tính hàn tốt và độ bền kết cấu ở mức vừa phải. Tính làm cứng khi gia công, thành phần hóa học được kiểm soát chặt chẽ và sự đa dạng về dạng sản phẩm giúp vật liệu này trở thành lựa chọn linh hoạt cho các ứng dụng hàng hải, kết cấu và gia công tổng hợp, nơi độ bền trong môi trường khắc nghiệt được đặt lên hàng đầu.