Nhôm 5152: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ và Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

Hợp kim 5152 thuộc nhóm hợp kim nhôm 5xxx, với magiê là nguyên tố hợp kim chính. Đây là loại hợp kim không thể xử lý nhiệt gia cường, được làm cứng bằng biến dạng cơ học; cơ chế làm cứng chủ yếu là làm cứng dung dịch rắn kết hợp với làm cứng biến dạng; không phản ứng với phương pháp xử lý nhiệt hòa tan/làm lắng truyền thống.

5152 cân bằng giữa độ bền trung bình đến cao, khả năng chống ăn mòn xuất sắc trong nhiều môi trường (đặc biệt là môi trường biển), khả năng hàn tốt và tính tạo hình hợp lý trong trạng thái ủ mềm và làm cứng nhẹ. Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng 5152 bao gồm xây dựng hàng hải, vận tải (bao gồm ô tô và đường sắt), thiết bị chịu áp lực và ứng dụng kiến trúc đòi hỏi hiệu suất chống ăn mòn và tính tạo hình.

Kỹ sư lựa chọn 5152 khi cần kết hợp khả năng chống nước biển hoặc muối rã đông, hiệu suất mỏi tốt và khả năng gia công thành dạng và hàn với chi phí hợp lý, thường ưu tiên hơn các hợp kim thương mại tinh khiết mềm hơn để tăng độ bền, và hơn các hợp kim có thể xử lý nhiệt khi quy trình chế tạo liên quan đến làm lạnh cơ học nhiều. 5152 cũng được chọn lựa khi yêu cầu tính ổn định kích thước sau khi làm cứng biến dạng vừa phải và khả năng chống nứt ăn mòn do ứng suất.

Các Biến Thể Nhiệt Độ (Temper)

Temper	Cấp Độ Bền	Độ Dãn Dài	Độ Dễ Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao (20–30%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn ủ mềm, tốt nhất cho dập sâu và tạo hình phức tạp
H14	Trung bình	Trung bình (12–18%)	Tốt	Xuất sắc	Làm cứng ¼, tăng cường độ bền với độ dẻo được giữ lại
H16	Trung bình - Cao	Trung bình (8–15%)	Tốt	Xuất sắc	Làm cứng ½, phổ biến cho các chi tiết tấm được tạo hình
H18	Cao	Thấp hơn (5–12%)	Khá	Xuất sắc	Làm cứng ¾, sử dụng cho độ cứng kết cấu
H22	Trung bình	Trung bình (10–18%)	Tốt	Xuất sắc	Giảm ứng suất sau khi ủ một phần
H32	Cao (ổn định)	Thấp (6–12%)	Khá - Tốt	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng và ổn định để kiểm soát tính chất

Temper ảnh hưởng lớn đến sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo dai của 5152, trong đó trạng thái ủ mềm O cung cấp độ tạo hình tốt nhất cho dập sâu và uốn cong phức tạp. Làm cứng biến dạng (nhóm H) làm tăng giới hạn chảy và giới hạn bền kéo đổi lấy giảm độ dãn dài, cải thiện độ cứng và khả năng chống móp méo cho các chi tiết gia công.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	≤ 0.25	Tạp chất từ quá trình nấu chảy; Si thấp bảo toàn tính tạo hình
Fe	≤ 0.40	Tạp chất điển hình; Fe cao có thể giảm độ dẻo dai
Mn	≤ 0.15	Nhỏ; hỗ trợ kiểm soát cấu trúc hạt
Mg	2.2–2.8	Nguyên tố hợp kim chính cung cấp độ bền và khả năng chống ăn mòn
Cu	≤ 0.10	Thấp để kiểm soát khả năng bị nứt ăn mòn ứng suất (SCC) và duy trì chống ăn mòn
Zn	≤ 0.10	Giữ thấp để tránh nứt nóng và các vấn đề điện hóa
Cr	≤ 0.15	Có thể cải thiện nhẹ cấu trúc hạt và khả năng chống ăn mòn
Ti	≤ 0.15	Chất tinh chế hạt trong đúc và thỏi; hàm lượng thấp trong vật liệu cán
Khác	≤ 0.05 mỗi nguyên tố, tổng ≤ 0.15	Nguyên tố vết và tạp chất; phần còn lại là Al

Magiê là nguyên tố chính ảnh hưởng đến cơ sở tính chất cơ học và đáp ứng chống ăn mòn của hợp kim; hàm lượng Mg cao hơn tăng độ bền qua làm cứng dung dịch rắn nhưng có thể ảnh hưởng đến tính tạo hình và khả năng liên kết. Các nguyên tố vết như Fe, Si và Cu được kiểm soát để hạn chế sự hình thành các hợp chất giòn và bảo đảm khả năng hàn cùng khả năng chống ăn mòn cục bộ.

Tính Chất Cơ Lý

Đặc tính kéo của 5152 phụ thuộc mạnh vào trạng thái nhiệt độ: vật liệu ủ mềm cho giới hạn chảy thấp và giới hạn bền kéo trung bình với độ dãn dài đồng nhất cao, trong khi vật liệu làm cứng theo dòng H có giới hạn chảy và bền kéo cao hơn đáng kể nhưng độ dãn dài giảm. Hợp kim thường biểu hiện đáp ứng căng kéo mượt mà với khả năng làm cứng biến dạng rõ ràng, mang lại khả năng hấp thụ năng lượng tốt và độ đàn hồi hồi phục dự đoán được khi tạo hình các chi tiết kết cấu.

Hiệu suất mỏi được cải thiện nhờ khả năng chống ăn mòn mỏi tốt của hợp kim và không có các pha kết tủa thô; tuổi thọ mỏi tăng khi bề mặt gia công tốt và tránh các điểm tập trung ứng suất sắc nhọn. Độ dày ảnh hưởng đáng kể đến các chỉ số cơ học và tính tạo hình — vật liệu mỏng dễ gia công nguội với bán kính uốn cho phép lớn hơn so với tấm dày, nơi gradient biến dạng do uốn có thể tập trung ứng suất cục bộ.

Tính Chất	O/Ủ Mềm	Temper Chính (ví dụ H32/H16)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	170–240 MPa	240–330 MPa	Giá trị thay đổi theo temper và độ dày; temper H tăng cường đáng kể
Giới Hạn Chảy	60–120 MPa	150–275 MPa	Giới hạn chảy tăng nhanh nhờ làm cứng biến dạng; thiết kế theo temper thấp nhất dự kiến
Độ Dãn Dài	20–30%	6–15%	Độ dẻo giảm khi tăng temper; độ dày ảnh hưởng giá trị độ dãn
Độ Cứng	30–45 HB	60–95 HB	Tỉ lệ thuận với cấp độ temper; độ cứng tương quan với giới hạn chảy và bền kéo

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.68 g/cm³	Tiêu chuẩn cho hợp kim nhôm cán; hữu ích cho tính toán khối lượng
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	570–650 °C	Nhiệt độ rắn hóa/lỏng thay đổi theo tạp chất; không thể xử lý nhiệt để tăng cường
Độ Dẫn Nhiệt	~130–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn cao, phù hợp cho tản nhiệt
Độ Dẫn Điện	~30–40 % IACS	Hợp kim làm giảm độ dẫn điện so với nhôm tinh khiết
Nhiệt Dung Riêng	~900 J/kg·K	Giá trị phổ biến ở nhiệt độ phòng dùng trong mô phỏng nhiệt
Hệ Số Nở Nhiệt	23–24 µm/m·K	Tương tự các hợp kim Al-Mg khác; quan trọng khi ghép nối kim loại khác loại

Tính chất nhiệt và điện của 5152 phù hợp cho các chi tiết cần tản nhiệt tốt và dẫn điện vừa phải đồng thời duy trì khả năng chống ăn mòn. Sự kết hợp giữa mật độ thấp và dẫn nhiệt tốt có lợi trong ứng dụng hàng hải và vận tải, nơi cân nhắc về trọng lượng và quản lý nhiệt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Thông Thường	Hành Vi Độ Bền	Temper Phổ Biến	Ghi Chú
Tấm cán	0.2–6.0 mm	Đồng đều theo chiều rộng; phụ thuộc temper	O, H14, H16, H18, H32	Sản xuất phổ biến; dùng làm panel và bồn chứa tạo hình
Thép tấm dày (Plate)	6–25 mm	Giảm tính tạo hình, tăng độ cứng	H18, H32	Dùng cho panel kết cấu và chi tiết bình chịu áp lực
Hình dạng đùn (Extrusion)	Biên dạng lớn	Độ bền thay đổi với temper và kích thước tiết diện	H22, H32	Ít sử dụng hơn so với các hình dạng đùn thuộc nhóm 5xxx được tối ưu hóa
Ống	Độ dày thành 0.5–10 mm	Hành vi tương tự tấm; quan trọng về hàn và kéo	O, H16, H32	Dùng cho hệ thống dẫn chất lỏng và kết cấu
Thanh/Roòng	Đường kính lên đến 100 mm	Thường sản xuất ở trạng thái làm cứng biến dạng	H14–H32	Dùng trong linh kiện gia công cần chống ăn mòn và độ bền vừa phải

Tấm và cuộn là dạng thương mại phổ biến nhất của 5152, được sản xuất với kiểm soát bề mặt kỹ để phục vụ ứng dụng trang trí và phơi bày. Tấm dày và đùn yêu cầu điều chỉnh thông số gia công và thường thay đổi temper để cân bằng hiệu suất cơ học với khả năng gia công cho tiết diện dày hoặc phức tạp hơn.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	5152	USA	Thiết kế chính trong tiêu chuẩn của Aluminum Association
EN AW	5152	Châu Âu	Thông thường tương đương nhưng tiêu chuẩn EN có thể có hậu tố riêng cho temper và giới hạn tạp chất
JIS	A5152 (ký hiệu)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn địa phương có thể khác biệt nhỏ về thành phần hoặc dung sai cơ học
GB/T	5152	Trung Quốc	Thường tương đương trực tiếp với AA 5152 nhưng có thể khác biệt nhỏ về yêu cầu kỹ thuật

Định danh tương đương hầu hết đều tương thích giữa các tiêu chuẩn lớn do hợp kim nhóm 5xxx được chuẩn hóa toàn cầu, nhưng các khác biệt nhỏ về giới hạn tạp chất, ký hiệu temper và chứng nhận có thể ảnh hưởng khả năng thay thế. Luôn kiểm tra tiêu chuẩn cụ thể và giấy chứng nhận kiểm tra lò luyện cho các ứng dụng yêu cầu sự chính xác tuyệt đối về thành phần hoặc tính chất cơ học.

Khả năng chống ăn mòn

Hợp kim 5152 có khả năng chống ăn mòn khí quyển vượt trội, đặc biệt trong môi trường biển và khi tiếp xúc với nước muối biển hoặc muối rã băng. Hàm lượng magiê giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn chung và ăn mòn điểm so với nhiều hợp kim thuộc dòng 3xxx, và hợp kim này tạo thành một lớp oxit bảo vệ ổn định trong môi trường kiềm và nhiều môi trường trung tính gần trung tính.

Độ nhạy bị nứt ăn mòn do ứng suất (SCC) thấp hơn so với các hợp kim chứa đồng cao hơn, nhưng có thể xảy ra ăn mòn cục bộ tại các khe hở hoặc khi tiếp xúc điện hóa với kim loại quý hơn mà không có lớp cách điện. Trong các cặp điện hóa, 5152 là anot so với thép không gỉ và hợp kim đồng, do đó các nhà thiết kế nên sử dụng rào cản cách điện hoặc chiến lược bảo vệ catốt hy sinh để bảo vệ trong các kết cấu kim loại hỗn hợp.

So với các hợp kim dòng 1xxx và 3xxx, 5152 cung cấp khả năng chống ăn mòn vượt trội và độ bền cao hơn; so với các hợp kim dòng 6xxx, nó thường có khả năng chống ăn mòn biển tốt hơn nhưng không đạt được độ bền tối đa của các vật liệu có thể xử lý nhiệt.

Tính chất gia công

Khả năng hàn

5152 dễ dàng hàn bằng các phương pháp nhiệt phổ biến bao gồm MIG (GMAW) và TIG (GTAW); hàm lượng đồng thấp và magiê được kiểm soát giúp giảm xu hướng nứt nóng khi tuân thủ kỹ thuật đúng. Các hợp kim dây hàn được khuyên dùng bao gồm 5356 (Al-Mg) để duy trì độ bền và khả năng chống ăn mòn, trong khi 4043 được sử dụng để cải thiện dòng chảy và giảm đổi màu trên bề mặt trang trí. Khu vực bị ảnh hưởng nhiệt có độ mềm nhẹ do hợp kim không thể xử lý nhiệt, nhưng việc kiểm soát cong vênh và thủng cháy rất quan trọng khi hàn các tấm mỏng.

Khả năng gia công cơ khí

Khả năng gia công của 5152 ở mức trung bình đến khá; nó gia công dễ dàng hơn một số hợp kim Al-Mg có độ bền cao hơn nhưng không mượt bằng một số hợp kim Al-Si. Dụng cụ cacbua, góc phay dương và tốc độ ăn dao cao kết hợp với làm mát đầy đủ sẽ cho bề mặt hoàn thiện tốt nhất và tuổi thọ dụng cụ tối ưu; hiện tượng cạnh buil-up có thể xảy ra khi cắt gián đoạn hoặc khi hợp kim dính. Tránh tốc độ cắt quá cao gây hiện tượng làm cứng bề mặt, đồng thời đảm bảo kiểm soát mảnh phoi khi gia công các断 tường mỏng.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình ở trạng thái tôi mềm O rất tốt, cho phép dập sâu, quay tròn và uốn cong phức tạp với độ đàn hồi lực thấp. Với trạng thái H, bán kính uốn phải tăng lên và các bước tạo hình phải được thực hiện từng bước để tránh nứt; có thể sử dụng ủ trung gian hoặc kéo giãn để đạt bán kính nhỏ hơn. Các nhà thiết kế nên tham khảo bán kính uốn tối thiểu được biểu thị bằng bội số đường kính hoặc độ dày, đồng thời tính đến sự làm cứng trong dự đoán độ đàn hồi cuối cùng.

Hành vi xử lý nhiệt

Những hợp kim này không thể xử lý nhiệt để tăng cường cơ học; việc tăng cường cơ học đạt được qua làm lạnh lạnh (làm cứng biến dạng) và xử lý nhiệt ổn định thay vì các bước hòa tan và lão hóa. Quy trình tiêu chuẩn gồm có ủ để phục hồi độ dẻo dai rồi làm lạnh lạnh có kiểm soát để đạt mức độ bền yêu cầu, đôi khi kèm một bước ổn định (nướng ở nhiệt độ thấp) để giảm sự thay đổi tính chất trong tương lai.

Ủ tiêu chuẩn cho hợp kim 5xxx được thực hiện ở nhiệt độ phục hồi cấu trúc tái kết tinh mà không tạo ra các hợp chất liên kim không mong muốn; trạng thái O đạt được bằng cách ủ hoàn toàn và làm nguội có kiểm soát. Việc thử áp dụng chu trình T gồm hòa tan/lão hóa không tạo ra sự làm cứng tuổi đáng kể trong 5152 nên không được dùng để tăng cường độ bền.

Hiệu suất ở nhiệt độ cao

5152 mất dần độ bền khi nhiệt độ tăng; độ bền kết cấu có thể sử dụng giảm dần trên khoảng 100–150 °C và việc tiếp xúc nhiệt trên khoảng 200 °C đẩy nhanh quá trình ủ và giảm tính ổn định cơ học. Sự oxy hóa của nhôm nguyên chất gần như không đáng kể trong điều kiện sử dụng trừ khi nhiệt độ rất cao và môi trường ăn mòn mạnh, nhưng nhiệt độ cao có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô và giảm tuổi thọ mỏi.

Khu vực bị ảnh hưởng nhiệt do hàn có thể bị làm mềm cục bộ khi tiếp xúc nhiệt độ dịch vụ cao kết hợp ứng suất cơ học, vì vậy nên thiết kế để giảm thiểu tiếp xúc nhiệt trong những mối hàn quan trọng. Đối với vận hành nhiệt độ cao liên tục, nên xem xét sử dụng các dòng hợp kim khác (ví dụ như một số hợp kim Al-Si hoặc Al-Zn-Mg).

Ứng dụng

Ngành công nghiệp	Ví dụ chi tiết	Lý do chọn 5152
Ô tô	Bình chứa nhiên liệu và các tấm thân xe	Khả năng chống ăn mòn và tạo hình cho các hình dạng phức tạp
Hàng hải	Tấm vỏ thân tàu, chi tiết boong	Khả năng chống ăn mòn nước biển và muối rã băng tuyệt vời
Hàng không vũ trụ	Trang bị nội thất và ốp bọc	Tỷ lệ bền trên trọng lượng tốt và dễ gia công
Điện tử	Khung và tấm che	Khả năng dẫn nhiệt và chống ăn mòn
Bình chịu áp lực	Bình lưu trữ LPG và các xi lanh	Độ dẻo, khả năng hàn và chống mỏi tốt

5152 thường được lựa chọn khi cần kết hợp khả năng chống ăn mòn nước biển cùng khả năng tạo hình và hàn thuận tiện trong nhà máy hoặc tại công trường, ưu tiên hơn độ bền tối đa có thể đạt được. Sự cân bằng tính chất của hợp kim này hỗ trợ nhiều giải pháp thiết kế đa dạng trong vận tải, hàng hải và các thiết bị công nghiệp.

Thông tin lựa chọn

Khi chọn 5152, ưu tiên ứng dụng cần khả năng chống ăn mòn môi trường biển, độ bền kết cấu vừa phải và khả năng tạo hình tốt. Nên ưu tiên dùng 5152 thay cho các hợp kim tinh khiết thương mại mềm hơn khi cần tăng giới hạn chảy và giới hạn bền kéo mà không làm giảm khả năng chống ăn mòn.

So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ 1100), 5152 đánh đổi một phần khả năng dẫn điện và độ dễ tạo hình tối ưu để đổi lấy độ bền cao hơn đáng kể và khả năng chống ăn mòn cải thiện. So với các hợp kim làm cứng biến dạng phổ biến như 3003 hoặc 5052, 5152 thường có độ bền bằng hoặc nhỉnh hơn và khả năng chống ăn mòn vượt trội trong môi trường chứa chloride. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061/6063, 5152 không đạt được độ bền tối đa tương tự nhưng thường được chọn khi tiêu chí hàn, tạo hình và chống ăn mòn biển quan trọng hơn độ bền cực đại.

Tóm tắt cuối cùng

Nhôm 5152 vẫn là một hợp kim thực tế và toàn diện cho kỹ thuật hiện đại khi cần kết hợp khả năng chống ăn mòn, dễ hàn và khả năng tạo hình kinh tế. Phản ứng làm cứng biến dạng và hiệu suất ổn định trong môi trường biển và khí quyển giúp nó giữ vị trí quan trọng trong các ứng dụng vận tải, hàng hải và kết cấu đòi hỏi độ bền lâu dài và khả năng bảo trì.