Nhôm 5086: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ gia công và Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

5086 thuộc series 5xxx của hợp kim nhôm–magie cán nguội, trong đó magie là nguyên tố hợp kim chính. Series này không thể xử lý nhiệt để tăng cường tính chất mà chủ yếu gia tăng độ bền nhờ cơ chế gia cường dung dịch rắn và làm cứng biến dạng thay vì cơ chế gia cường kết tủa.

Thành phần hợp kim chính của 5086 bao gồm magie chiếm vài phần trăm trọng lượng cùng với các lượng nhỏ crom và các nguyên tố vi lượng giúp kiểm soát cấu trúc hạt và tính chống ăn mòn. Hợp kim được tăng cường độ bền thông qua gia công nguội (làm cứng biến dạng) và thành phần hóa học được kiểm soát chặt chẽ nhằm cân bằng độ bền với khả năng chống ăn mòn trong môi trường chứa chloride.

Đặc tính nổi bật của 5086 là độ bền tương đối cao trong số các hợp kim tấm nhôm, khả năng chống ăn mòn nước biển xuất sắc, tính hàn tốt và khả năng tạo hình hợp lý ở các trạng thái nhiệt độ mềm hơn. Những đặc tính này làm cho 5086 trở thành lựa chọn phổ biến cho thân tàu, bình áp lực, bồn chứa lạnh và các chi tiết kết cấu đòi hỏi sự kết hợp giữa độ dai, chống ăn mòn và khả năng hàn tốt.

Kỹ sư thường chọn 5086 thay cho các hợp kim khác khi môi trường biển hoặc chứa chloride yêu cầu khả năng chống pitting và nứt ăn mòn ứng suất vượt trội đồng thời giữ được tỷ lệ độ bền trên trọng lượng thuận lợi. Hợp kim này cũng được ưu tiên hơn các hợp kim xử lý nhiệt khi tính chất sau hàn và chống ăn mòn cục bộ được đặt lên hàng đầu hơn là độ bền tối đa tuyệt đối.

Các Biến Thể Nhiệt Độ

Trạng Thái Nhiệt	Cấp Độ Bền	Độ Dãn	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Đã tôi hoàn toàn; dẻo dai tối đa cho gia công tạo hình
H111	Thấp–Trung bình	Cao	Rất tốt	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng nhẹ; trạng thái nhiệt sử dụng chung
H32	Trung bình	Tốt	Tốt	Rất tốt	Làm cứng biến dạng và ổn định hóa; cân bằng giữa độ bền và khả năng tạo hình
H34	Trung bình–Cao	Trung bình	Khá–Tốt	Rất tốt	Mức làm cứng biến dạng cao hơn H32 để tăng độ bền
H116	Trung bình–Cao	Trung bình	Khá	Rất tốt	Ổn định hóa cho hiệu suất biển vượt trội, thường được cung cấp cho kết cấu hàn trong môi trường biển

Trạng thái nhiệt cho 5086 được đạt bằng cách kiểm soát gia công nguội và ổn định hóa thay vì xử lý nhiệt tôi và kết tủa. Việc chuyển từ trạng thái O sang các trạng thái H tăng dần làm gia tăng độ bền đồng thời giảm độ dẻo dai; điều này ảnh hưởng đến chiến lược gia công và giới hạn bán kính uốn tối thiểu.

Các trạng thái nhiệt chọn lọc như H116 được thiết kế để hạn chế hiện tượng lão hóa biến dạng và duy trì khả năng chống ăn mòn sau khi hàn cũng như khi tiếp xúc trong môi trường biển. Thiết kế và chế tạo cần tính đến giảm khả năng tạo hình ở trạng thái H và khả năng đàn hồi trở lại cũng như tính dị hướng có thể phát sinh trong vật liệu gia công nhiều.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	≤ 0.40	Tạp chất; kiểm soát để tránh hình thành các hợp chất intermetallic làm giảm độ dai
Fe	≤ 0.50	Tạp chất; Fe dư thừa có thể tạo intermetallic giòn
Mn	0.05–0.50	Thêm một lượng nhỏ giúp tăng độ bền và kiểm soát cấu trúc hạt
Mg	3.5–4.9	Nguyên tố chính gia cường; cải thiện khả năng chống ăn mòn
Cu	≤ 0.10	Giảm thiểu để giữ khả năng chống ăn mòn
Zn	≤ 0.25	Giữ ở mức thấp để tránh giòn và dễ ăn mòn
Cr	0.05–0.25	Kiểm soát cấu trúc hạt, cải thiện khả năng chống tái kết tinh
Ti	≤ 0.15	Chất tinh chế hạt trong một số phương pháp đúc/đúc thỏi
Khác (mỗi loại)	≤ 0.05	Vi lượng và dư lượng; phần còn lại là Al

Hàm lượng Mg trong 5086 là yếu tố chủ đạo kiểm soát độ bền và khả năng chống ăn mòn: lượng Mg cao hơn làm tăng độ bền và khả năng chống pitting nhưng có thể làm tăng nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất nếu không cân bằng. Crom có mặt ở nồng độ thấp nhằm hạn chế tăng trưởng hạt, đặc biệt trong quá trình nhiệt như hàn, giúp cải thiện độ dai và giảm hiện tượng bong tróc lớp oxit. Mức đồng và kẽm thấp giúp duy trì khả năng chống ăn mòn cục bộ trong nước biển.

Tính Chất Cơ Học

5086 biểu hiện đặc tính kéo điển hình của hợp kim Al–Mg không xử lý nhiệt: gãy kéo dẻo với độ dãn đáng kể ở trạng thái tôi và tăng độ bền giới hạn chảy theo mức làm cứng biến dạng. Hợp kim có độ dai đinh vị tốt và giữ khả năng hấp thụ năng lượng va đập ở nhiệt độ thấp, do đó thường được sử dụng trong các bồn chứa lạnh (cryogenic).

Độ bền giới hạn chảy và bền kéo phụ thuộc mạnh vào trạng thái nhiệt và mức gia công nguội; các phần dày hơn và vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn (HAZ) có thể bị làm mềm do chịu nhiệt. Hiệu suất chống mỏi nhìn chung tốt trên mẫu có bề mặt hoàn thiện và bảo vệ chống ăn mòn, tuy nhiên các vết ăn mòn pitting và khiếm khuyết hàn làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi.

Độ cứng tỉ lệ thuận với độ bền; độ cứng Brinell hoặc Vickers điển hình tăng theo trạng thái nhiệt H. Người thiết kế phải tính đến ảnh hưởng của độ dày: tấm mỏng dễ làm cứng biến dạng lên mức trạng thái H hơn trong khi bản dày bị giới hạn nhiều hơn do nguy cơ nứt.

Tính Chất	Trạng Thái O/Tôi	Trạng Thái Nhiệt Chính (ví dụ H116/H32)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	200–260 MPa (29–38 ksi)	300–370 MPa (44–54 ksi)	Giá trị thay đổi tùy theo độ dày, nhà cung cấp và trạng thái nhiệt chính xác; trạng thái H có độ bền kéo cao hơn đáng kể
Giới Hạn Chảy	85–150 MPa (12–22 ksi)	210–260 MPa (30–38 ksi)	Giới hạn chảy tăng rõ rệt theo mức gia công nguội và ổn định hóa
Độ Dãn	12–25%	6–16%	Trạng thái tôi có độ dẻo cao; trạng thái H đổi độ dẻo lấy độ bền
Độ Cứng	~35–65 HB	~80–95 HB	Độ cứng tăng theo làm cứng biến dạng và tương quan với độ bền kéo/giới hạn chảy

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.66 g/cm³	Mật độ điển hình cho hợp kim nhôm–magie cán nguội; tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt
Ngưỡng Nung Chảy	Solidus ~565–600 °C, Liquidus ~635–650 °C	Ngưỡng nung chảy phụ thuộc vào thành phần phụ và phân tách pha
Độ Dẫn Nhiệt	~120–140 W/m·K	Thấp hơn nhôm nguyên chất nhưng vẫn cao; hữu ích cho quản lý nhiệt
Độ Dẫn Điện	~28–36 %IACS	Giảm so với nhôm nguyên chất do hợp kim; vẫn đủ dẫn điện cho nhiều ứng dụng
Nhiệt Dung Riêng	~0.90 J/g·K	Tương tự các hợp kim nhôm khác; hữu ích cho tính toán khối lượng nhiệt
Hệ Số Nở Nhiệt	~23–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C)	Hệ số nở nhiệt điển hình của nhôm; quan trọng khi liên kết nhiều vật liệu khác nhau

Mật độ và tính chất nhiệt của hợp kim góp phần làm cho 5086 trở thành lựa chọn phổ biến trong các cấu trúc nhẹ cần độ dẫn nhiệt và tản nhiệt tốt như boong tàu, bộ trao đổi nhiệt và bồn chứa lạnh. Hệ số nở nhiệt đòi hỏi phải được quan tâm thiết kế khi ghép 5086 với vật liệu khác như thép hoặc composite để tránh ứng suất nhiệt chênh lệch.

Độ dẫn điện và nhiệt được kiểm soát bởi lượng Mg và nguyên tố vi lượng nhưng vẫn đủ cao để phục vụ nhiều ứng dụng dẫn điện. Ngưỡng nung chảy và đặc tính solidus/liquidus quan trọng trong việc xác định thông số hàn và chu trình nhiệt tránh sự già hóa quá mức hoặc làm mềm vật liệu ở trạng thái H.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Chuẩn	Đặc Tính Độ Bền	Trạng Thái Nhiệt Phổ Biến	Ghi Chú
Tấm	0.5–6.0 mm	Đặc tính đồng nhất ở lớp mỏng; dễ gia công nguội để tăng cường độ	O, H111, H32	Sử dụng rộng rãi cho lớp vỏ tàu, panel
Bản dày (Plate)	6–150+ mm	Phần dày có khả năng gia công nguội kém hơn; cần gia công trước và sau phức tạp hơn	O, H116, H34	Chi tiết kết cấu, tấm chịu áp lực
Hợp kim đùn (Extrusion)	Hồ sơ đến tiết diện lớn	Đặc tính cơ học chịu ảnh hưởng của quá trình đùn và gia công nguội kế tiếp	O, H32	Hồ sơ phức tạp cho khung và ray kết cấu
Ống	Đường kính thành mỏng đến dày	Hiệu suất phụ thuộc phương pháp tạo hình và hàn	O, H32	Ống dẫn và ống kết cấu trong môi trường biển
Thanh/Que	Đường kính đến tiết diện lớn	Thanh có tính gia công và ổn định cơ học tốt	O, H32	Phụ kiện, chi tiết gia công cơ khí

Sự khác nhau trong quá trình xử lý ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng: tấm và bản mỏng dễ gia công nguội lên các trạng thái nhiệt H cao, trong khi bản dày bị giới hạn và có thể được cung cấp ở trạng thái mềm hơn hoặc cần phương pháp tạo hình cơ học. Hợp kim đùn và ống đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ quá trình làm nguội và ổn định hóa để duy trì tính cơ học và khả năng chống ăn mòn như mong muốn.

Ứng dụng khác nhau theo dạng sản phẩm: tấm và phiếu chiếm ưu thế trong xây dựng thân tàu biển, thanh đùn cho phép tạo hình cấu trúc phức tạp và ray, trong khi dạng ống và thanh thường được sử dụng cho phụ kiện và các cụm hàn. Nhà cung cấp thường cung cấp các trạng thái nhiệt ổn định trước cho kết cấu hàn nhằm cải thiện hiệu suất vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	5086	Mỹ (USA)	Chỉ định của Aluminum Association; tham chiếu thương mại phổ biến
EN AW	5086	Châu Âu	EN AW-5086 tương đương thành phần và trạng thái nhiệt AA với dung sai sản xuất theo khu vực
JIS	A5086	Nhật Bản	Hóa học tương tự; JIS bao phủ các trạng thái nhiệt và quy trình chế tạo thông thường
GB/T	AlMg4.5Mn (hoặc 5086)	Trung Quốc	Chỉ định địa phương có thể tham chiếu hàm lượng magiê (ví dụ AlMg4.5) với các tùy chọn trạng thái nhiệt tương tự

Các tiêu chuẩn ở các khu vực khác nhau tương đồng về thành phần cơ bản và hiệu suất dự kiến nhưng có thể khác nhau về giới hạn tạp chất cho phép, yêu cầu thử nghiệm cơ học và định nghĩa trạng thái nhiệt. Người mua nên kiểm tra chứng chỉ tấm/phiếu và mã trạng thái nhiệt khi mua hàng quốc tế để đảm bảo phù hợp các yêu cầu về vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), ăn mòn và tính chất cơ học.

Khả năng truy xuất theo tiêu chuẩn được công nhận (AA, EN, JIS, GB/T) đặc biệt quan trọng cho các ứng dụng an toàn như tấm kết cấu tàu biển và bình áp lực, nơi những khác biệt nhỏ về thành phần hoặc trạng thái nhiệt có thể ảnh hưởng đến hành vi ăn mòn dài hạn hoặc gãy nứt.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

5086 cho thấy khả năng chống ăn mòn khí quyển xuất sắc và là một trong những hợp kim dạng rèn ưu tiên cho tiếp xúc với nước biển nhờ hàm lượng magiê cao và hàm lượng đồng/kẽm thấp. Trong môi trường biển, hợp kim này chống ăn mòn tổng thể tốt và có khả năng chống rỗ tốt so với nhiều hợp kim nhôm khác.

Trong ngâm lâu dài và vùng tiếp xúc bắn nước, 5086 hoạt động tốt miễn thiết kế tránh các khe hở đọng nước, mối nối kém thoát nước và tiếp xúc kim loại khác có thể tạo thành tế bào tĩnh điện. Hợp kim ít bị bong tróc lớp ngoài hơn so với một số hợp kim dòng 7xxx có độ bền cao, nhưng cần chi tiết kỹ lưỡng và phủ bảo vệ để kéo dài tuổi thọ.

Độ nhạy nứt ăn mòn ứng suất (SCC) thấp hơn so với các hợp kim có hàm lượng Mg cao hơn hoặc một số hợp kim có thể xử lý nhiệt, nhưng SCC vẫn có thể xảy ra dưới ứng suất kéo, nhiệt độ cao hoặc trong môi trường chứa nhiều clo nếu điều kiện vi cấu trúc không thuận lợi. Tương tác điện hóa với các vật liệu làm catốt (ví dụ đồng, thép không gỉ) có thể làm tăng tốc độ ăn mòn cục bộ; khuyến nghị sử dụng cách điện hoặc thiết kế anot hi sinh.

So với hợp kim dòng 3xxx và 1xxx, 5086 có cường độ cao hơn và khả năng chống ăn mòn trong nước biển tương đương hoặc tốt hơn. So với các dòng 6xxx và 7xxx, 5086 hy sinh một phần cường độ tối đa nhưng tăng đáng kể hiệu suất chống ăn mòn biển và tính chất hàn.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

5086 dễ hàn với các phương pháp phổ biến (GMAW/MIG, GTAW/TIG và hàn điện trở) và cho bead hàn đẹp, mối hàn kết dính tốt khi điều chỉnh vừa khít mối nối và thông số phù hợp. Khuyến nghị sử dụng kim loại phụ cùng loại hoặc có độ bền hơi cao hơn (ví dụ 5183, 5356); việc lựa chọn kim loại phụ cân bằng giữa cường độ hàn, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn.

Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể bị làm mềm nếu kim loại gốc ở trạng thái nhiệt cao H; các trạng thái ổn định như H116 được chỉ định để hạn chế độ nhạy sau hàn. Rủi ro nứt nóng thấp hơn so với một số hợp kim nhôm độ bền cao, nhưng cần kiểm soát tạp chất và bề mặt sạch để hàn tin cậy.

Khả năng gia công cơ khí

5086 có độ gia công trung bình so với các hợp kim rèn khác; gia công tốt hơn nhiều hợp kim đúc magiê cao nhưng kém hơn dòng 6xxx chứa silicon hỗ trợ kiểm soát phoi. Sử dụng dụng cụ carbides sắc bén, thiết lập chắc chắn và tốc độ ăn dao trung bình đến cao để tránh ma sát sinh nhiệt và làm cứng kim loại gia công.

Tốc độ cắt và bước chạy dao cần điều chỉnh phù hợp với độ dày và trạng thái nhiệt; các trạng thái nhiệt H tăng xu hướng làm cứng khi gia công và có thể tạo phoi dài liên tục hơn. Nên dùng dung dịch làm mát để làm sạch phoi và giảm nhiệt; bề mặt gia công cải thiện khi thực hiện nhiều lần chạy dao mịn và điều khiển hình dạng dụng cụ tốt.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình rất tốt ở trạng thái O và H111, giảm dần khi hợp kim bị làm cứng biến dạng đến trạng thái H32/H34/H116. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào trạng thái nhiệt và độ dày; tấm ủ mềm có thể uốn bán kính nhỏ (~1–2× độ dày) trong khi trạng thái H thường yêu cầu bán kính lớn hơn và quy trình tạo hình nhiều bước.

Gia công nguội và uốn gia đoạn phổ biến; đối với hình dạng phức tạp nên cân nhắc gia công ấm hoặc quá trình ủ trước để giảm độ hồi xuất và hạn chế nứt. Hợp kim phản ứng dự đoán được với tạo hình kéo kiểm soát nhưng có thể xảy ra mỏng cục bộ ở giai đoạn kéo sâu nếu lực giữ phôi và bôi trơn không tối ưu.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim dòng 5xxx, 5086 không thể xử lý nhiệt theo kiểu làm cứng kết tủa; quá trình nhiệt luyện dung dịch và già hóa nhân tạo không làm tăng đáng kể cường độ. Việc cố gắng làm già nhiệt hợp kim chủ yếu ảnh hưởng đến phục hồi và tái tinh thể hóa hơn là tạo ra các pha kết tủa làm tăng cường độ.

Cách chính để tăng cường độ là làm cứng biến dạng bằng biến dạng nguội, sau đó xử lý ổn định (ví dụ H116) để giảm thiểu hiện tượng già hóa biến dạng và biến đổi vi cấu trúc trong quá trình sử dụng. Ủ mềm (O) làm vật liệu trở về trạng thái cường độ thấp, độ dẻo cao và được dùng để phục hồi khả năng tạo hình sau khi gia công mạnh.

Nhiệt độ tác động từ hàn có thể làm ủ lại cục bộ vùng làm cứng nguội và giảm giới hạn chảy cùng độ cứng ở trạng thái nhiệt H; gia công cơ khí sau hàn hoặc lựa chọn trạng thái nhiệt ổn định là phương pháp khắc phục thường dùng. Quá trình nung kiểm soát đôi khi được áp dụng để giải phóng ứng suất dư nhưng không tạo ra độ cứng kết tủa đỉnh như hợp kim dòng 6xxx/7xxx.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

5086 giảm dần cường độ khi nhiệt độ tăng; cường độ thiết kế hữu ích thường được chỉ định cho nhiệt độ môi trường đến mức cao vừa phải (đến ~100 °C). Đối với hoạt động liên tục trên ~100–150 °C, cường độ và khả năng chống creep giảm đi, người thiết kế nên tham khảo dữ liệu đặc thù về nhiệt độ cao cho ứng dụng.

Sự oxy hóa chỉ giới hạn trong lớp oxit nhôm ổn định, do đó sự suy giảm bề mặt ở nhiệt độ cao trong không khí ít hơn nhiều so với hợp kim sắt. Tuy nhiên, nhiệt độ cao có thể làm thay đổi vi cấu trúc trạng thái nhiệt H, giảm biến dạng nguội còn lại và tăng độ nhạy ăn mòn cục bộ trong môi trường ăn mòn mạnh.

Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) khi hàn chịu chu kỳ nhiệt lặp lại có thể trải qua sự phát triển vi cấu trúc và làm mềm; các ứng dụng kết cấu chịu tải nhiệt lớn hoặc lặp lại cần kiểm tra năng lực kỹ càng và đôi khi chọn hợp kim khác.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ bộ phận	Lý do sử dụng 5086
Hàng hải	Tấm thân tàu, kết cấu trên thân tàu	Khả năng chống ăn mòn nước biển xuất sắc và dễ hàn
Ô tô	Tấm vách ngăn, bình nhiên liệu	Cường độ trên trọng lượng tốt và khả năng chống móp va đập
Hàng không	Phụ kiện không quan trọng, tấm che	Độ dai cao và chống ăn mòn, thích hợp khi không cần cường độ cực đại
Năng lượng / Hóa lỏng lạnh	Bình chứa LNG, bình chứa lạnh	Độ dai ở nhiệt độ thấp và tính hàn
Công nghiệp / Bình áp lực	Bình chứa hóa chất, bồn chứa	Chống ăn mòn nhiều hóa chất và dễ tạo hình

5086 là hợp kim đa năng khi người thiết kế cần sự cân bằng giữa khả năng hàn, chống ăn mòn và cường độ vừa đến cao mà không phụ thuộc vào làm cứng kết tủa. Hợp kim đặc biệt có giá trị khi các mối hàn chịu ảnh hưởng biển hoặc khi tính chất cơ học sau hàn quan trọng.

Thông Tin Lựa Chọn

Chọn 5086 khi ưu tiên khả năng chống ăn mòn biển và tính hàn vượt trội hơn cường độ tối đa tuyệt đối; đây là lựa chọn thực tế cho thân tàu, bồn chứa và kết cấu hàn. Trạng thái nhiệt ổn định H116 thường được chỉ định để đảm bảo khả năng chống ăn mòn và ổn định kích thước sau hàn.

So với nhôm thuần thương mại (1100), 5086 đổi lấy cường độ cao hơn và khả năng chống nước biển tốt hơn với độ dẫn điện giảm nhẹ và khả năng tạo hình hơi thấp hơn. So với các hợp kim làm cứng biến dạng phổ biến như 3003 hoặc 5052, 5086 cung cấp cường độ cao hơn và khả năng chống ăn mòn trong môi trường chứa chloride tương đương hoặc tốt hơn, khiến nó ưu tiên cho môi trường hàng hải khắc nghiệt.

So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 5086 có khả năng chống ăn mòn và tính hàn vượt trội nhưng cường độ tối đa đạt được thấp hơn; chọn 5086 khi ưu tiên chống ăn mòn và hiệu suất sau hàn hơn là tối đa hóa giới hạn chảy hoặc bền kéo. Đối với các thiết kế yêu cầu cường độ cao hơn, hãy cân nhắc các lựa chọn kết cấu