Nhôm 5154: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn Độ cứng & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

5154 là một thành viên của dòng hợp kim nhôm – magiê 5xxx, đặc trưng bởi magiê là nguyên tố hợp kim chính và tính năng gia cường không thể xử lý nhiệt. Nó thuộc họ Al–Mg, cân bằng giữa độ bền vừa đến cao với khả năng chống ăn mòn xuất sắc và tính hàn tốt, thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sự kết hợp giữa khả năng tạo hình, độ bền và độ bền trong môi trường biển.

Các thành phần hợp kim chính điển hình là magiê (chính yếu), với lượng kiểm soát mangan và vết crôm, sắt, silic cùng các nguyên tố khác nhằm kiểm soát cấu trúc hạt và đáp ứng của vật liệu đối với quá trình làm cứng biến dạng. Độ bền chủ yếu phát triển thông qua cơ chế làm cứng dung dịch rắn từ magiê và làm cứng biến dạng (gia công nguội); hợp kim không đáp ứng với xử lý nhiệt hóa già theo kiểu dòng 6xxx hoặc 7xxx.

Các đặc tính nổi bật của 5154 gồm độ bền cao hơn so với nhôm tinh khiết thương mại và nhiều hợp kim dòng 3xxx, khả năng chống ăn mòn nước biển và khí quyển rất tốt, khả năng hàn tuyệt vời khi dùng các kim loại phụ thích hợp, và tính dễ tạo hình tốt ở trạng thái ủ mềm. Các ngành công nghiệp tiêu biểu bao gồm thân và kết cấu ô tô, đóng tàu và hàng hải, thiết bị chịu áp lực và ống dẫn, chế tạo kim loại tấm và một số kết cấu phụ trong hàng không.

Kỹ sư lựa chọn 5154 thay cho các vật liệu khác khi yêu cầu một hợp kim có khả năng chống ăn mòn, dễ tạo hình, giữ được độ bền thực tế sau hàn và gia công nguội vừa phải. Vật liệu này được chọn khi cần hợp kim không xử lý nhiệt, tránh các chu trình già sau hàn, đồng thời đảm bảo chất lượng tấm/phiến đồng nhất.

Các biến thể trạng thái gia công (Temper)

Temper	Cấp độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Trạng thái ủ mềm hoàn toàn để đạt khả năng tạo hình tối đa
H111	Trung bình	Vừa phải	Tốt	Tuyệt vời	Gia công biến dạng nhẹ, kiểm soát tính chất chỉ trong 1 bước
H14	Trung bình – Cao	Thấp – Vừa phải	Khá	Tuyệt vời	Trạng thái cứng ¼ do gia công nguội
H16	Cao	Thấp	Kém – Vừa phải	Tuyệt vời	Trạng thái cứng ½ do làm cứng biến dạng
H32	Trung bình – Cao	Vừa phải	Tốt	Tuyệt vời	Gia công làm cứng biến dạng và ổn định bằng xử lý nhiệt nhẹ
H34 / H36	Cao	Thấp	Giới hạn	Tuyệt vời	Các mức gia công nguội nặng hơn, dùng khi cần độ bền cao hơn

Trạng thái gia công của 5154 được tạo ra bằng gia công nguội (các temper H) hoặc bằng ủ mềm (O) thay vì sử dụng cơ chế làm cứng kết tủa. Sự lựa chọn temper quyết định sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng tạo hình; trạng thái ủ O cung cấp độ giãn dài tối đa cho việc tạo hình trong khi các cấp temper H cung cấp độ bền cao hơn với chi phí giảm khả năng uốn cong.

Chuyển đổi temper thường được kiểm soát bằng cán nguội và làm nguội có kiểm soát hoặc ổn định nhiệt nhẹ để ngăn ngừa hiện tượng già tự nhiên; nhiệt lượng vùng ảnh hưởng hàn (HAZ) có thể làm mềm cục bộ các temper H về trạng thái O, do đó việc lựa chọn temper phải cân nhắc đến các bước hàn và gia công tiếp theo.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.40	Chất khử oxi và tạp; giữ ở mức thấp để bảo toàn độ dẻo
Fe	≤ 0.40	Nguyên tố tạp; tạo các pha intermetallic ảnh hưởng cấu trúc hạt
Mn	0.20–0.80	Kiểm soát cấu trúc hạt, cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn
Mg	3.1–4.3	Nguyên tố gia cường chủ yếu; tạo cơ chế làm cứng dung dịch rắn
Cu	≤ 0.10	Lượng thấp để hạn chế mất khả năng chống ăn mòn
Zn	≤ 0.25	Yếu tố thứ cấp; kiểm soát để hạn chế mất độ bền do tạo intermetallic
Cr	≤ 0.30	Thêm với lượng nhỏ để kiểm soát tăng trưởng hạt và tái tinh thể
Ti	≤ 0.15	Chất tinh hạt; tồn tại với hàm lượng vết
Khác (mỗi loại)	≤ 0.05–0.15	Nguyên tố tạp và dư lượng; tổng hàm lượng các nguyên tố khác có giới hạn

Magiê là yếu tố chủ đạo ảnh hưởng hiệu năng của 5154: tăng Mg làm tăng giới hạn chảy và giới hạn bền kéo thông qua làm cứng dung dịch rắn nhưng đồng thời cũng làm tăng nguy cơ nhạy cảm dưới tác động nhiệt hoặc hàn không đúng cách. Mangan và crôm được sử dụng để ổn định cấu trúc vi mô chống lại tái tinh thể và làm nhỏ kích thước hạt; sắt và silic là các tạp chất được kiểm soát ảnh hưởng đến sự phân bố các hạt intermetallic và pha thứ cấp, từ đó ảnh hưởng độ dai va đập và khả năng chịu mỏi.

Tính chất cơ học

5154 thể hiện phổ rộng các đặc tính kéo tùy thuộc temper và độ dày, với trạng thái ủ cho độ dẻo cao còn các temper gia công nguội cho giới hạn chảy và bền kéo cao hơn nhiều. Giới hạn chảy ở trạng thái ủ tương đối thấp, cho phép thực hiện nhiều công đoạn tạo hình lớn, trong khi temper H tăng giới hạn chảy lên vài chục MPa nhờ tích tụ vết trượt. Độ giãn dài ở trạng thái O thường trên 20–30% cho tấm mỏng, trong khi trạng thái gia công nguội nặng làm giảm độ giãn dài xuống chỉ còn vài phần trăm.

Độ cứng có tương quan với temper và mức độ gia công nguội; giá trị độ cứng Vickers hoặc Brinell tăng theo temper H và mức giảm độ dày cán nguội. Hiệu suất chịu mỏi bị ảnh hưởng bởi hoàn thiện bề mặt, độ dày và ứng suất dư do tạo hình hoặc hàn; tương tự các hợp kim Al–Mg khác, bề mặt xử lý đúng cách và thiết kế sau hàn giúp giảm thiểu tập trung ứng suất. Ảnh hưởng độ dày cũng đáng kể: vật liệu mỏng hơn thường cho độ bền kéo đo được cao hơn cùng temper do mức độ biến dạng cán nguội và kéo dài khi gia công lớn hơn.

Tính chất	O/Trạng thái ủ	Temper chủ yếu (H14 / H111)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo (MPa)	190–240 MPa	250–330 MPa	Giá trị thay đổi theo độ dày và quy trình; temper H tăng UTS
Giới hạn chảy (offset 0.2%, MPa)	70–140 MPa	150–260 MPa	Cấp temper H thường tăng gấp đôi hoặc hơn giới hạn chảy so với trạng thái ủ
Độ giãn dài (%)	20–35%	6–18%	Độ giãn giảm khi độ cứng và độ bền tăng
Độ cứng (HV)	40–60 HV	70–110 HV	Độ cứng tăng theo gia công nguội; giá trị độ cứng tỷ lệ với giới hạn chảy

Nhà thiết kế nên sử dụng giấy chứng nhận của nhà cung cấp và mẫu thử cho thông số độ bền và độ giãn dài chính xác của temper và độ dày cụ thể, do lịch cán, mức độ chịu nhiệt và các bước xử lý tiếp theo có thể làm thay đổi đáng kể dữ liệu cơ học.

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	~2.66 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al–Mg; dùng để tính khối lượng và độ cứng
Điểm nóng chảy	~570–650 °C	Nhiệt độ lỏng/rắn của hợp kim thấp hơn nhôm tinh khiết (660 °C)
Độ dẫn nhiệt	~120–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết; đủ dùng cho nhiều ứng dụng truyền nhiệt
Độ dẫn điện	~30–45 %IACS	Giảm do hợp kim; thấp hơn nhôm tinh khiết hoặc các dòng hợp kim thấp
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Điển hình cho hợp kim nhôm; hữu ích trong phân tích nhiệt độ biến đổi
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K	Gần bằng các hợp kim nhôm khác; quan trọng trong ứng suất nhiệt

Các tính chất vật lý của 5154 đặc trưng cho các hợp kim nhôm có độ bền trung bình: khả năng dẫn nhiệt tốt và mật độ thấp làm cho vật liệu hấp dẫn trong các ứng dụng đòi hỏi giảm trọng lượng và hiệu suất nhiệt. Độ dẫn nhiệt và điện giảm so với nhôm tinh khiết do magiê và các yếu tố hợp kim khác nhưng vẫn phù hợp nhiều ứng dụng kết cấu và tản nhiệt đòi hỏi khả năng dẫn tốt đi kèm với độ bền cơ học.

Nhà thiết kế cần lưu ý hệ số giãn nở nhiệt của hợp kim khi liên kết với các vật liệu khác loại; sự khác biệt trong giãn nở và hiệu điện thế kết điện hóa có thể quyết định lựa chọn bulong và yêu cầu cách điện trong môi trường làm việc.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Thông Thường	Hành Vi Cơ Trị	Tình Trạng Nhiệt Thông Dụng	Ghi Chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Độ bền thay đổi theo tình trạng nhiệt và quá trình cán	O, H111, H14	Dạng phổ biến nhất cho tấm thân xe, bình áp lực và chế tạo chung
Thép bản dày	6–150 mm	Độ dẻo thấp hơn ở các tiết diện dày; quá trình làm cứng giới hạn bằng cán	O, H32, H34	Dùng cho kết cấu chịu lực và các chi tiết chế tạo dày hơn
Đùn	Độ dày thành ống 1–25 mm, biên dạng đa dạng	Độ bền bị ảnh hưởng bởi ổn định T4 và gia công nguội	H112, H32	Các tiết diện phức tạp cho khung kết cấu và linh kiện hàng hải
Ống	Đường kính ngoài 6–200 mm	Hành vi phụ thuộc vào quá trình kéo và tôi mềm	O, H32	Ống hàn và liền mạch cho hệ thống dẫn lưu và kết cấu
Thanh/Cây	Ø 3–100 mm	Thông thường có độ bền cao sau gia công	H14, H16	Dùng cho các chi tiết gia công cơ khí và phụ kiện

Tấm và vật liệu mỏng là dạng được sử dụng rộng rãi nhất và được sản xuất theo chu trình cán kiểm soát để đạt được các tình trạng nhiệt yêu cầu. Thép bản dày và đùn cần các xử lý nhiệt khác nhau và có thể khó gia công nguội hơn; các tiết diện nặng thường yêu cầu tôi hoặc kiểm soát tái tinh thể trong quá trình chế tạo.

Việc lựa chọn dạng sản phẩm cần xem xét các bước sản xuất như kéo, dập, uốn hoặc hàn vì mỗi dạng tạo cấu trúc hạt ban đầu và ứng suất dư khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu năng chi tiết cuối cùng và các bước xử lý hậu gia công cần thiết.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	5154	USA	Định danh theo Hiệp hội Nhôm Mỹ
EN AW	5154	Châu Âu	Thường được ký hiệu EN AW-5154 theo tiêu chuẩn châu Âu
JIS	A5154	Nhật Bản	JIS chủ yếu theo thành phần và ứng dụng tương tự
GB/T	5154	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc tương đồng với chuỗi quốc tế

Trong các tiêu chuẩn, ký hiệu 5154 được giữ nguyên, với các khác biệt nhỏ về giới hạn tạp chất và yêu cầu chứng nhận. Tiêu chuẩn châu Âu và châu Á có thể đưa ra giới hạn phần tử vết khác nhau hoặc qui định thuật ngữ tình trạng nhiệt và quy trình kiểm tra khác nhau, vì thế việc ghi rõ tiêu chuẩn và tình trạng nhiệt trên tài liệu mua hàng giúp tránh nhầm lẫn.

Các khác biệt nhỏ theo vùng có thể ảnh hưởng đến những ứng dụng nhạy cảm với ăn mòn giữa các hạt hoặc yêu cầu tính chất cơ học cụ thể; bộ phận thu mua nên yêu cầu chứng chỉ nhà máy và làm rõ tiêu chuẩn áp dụng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

5154 có khả năng chống ăn mòn khí quyển tổng quát rất tốt và được sử dụng rộng rãi trong môi trường biển và ven biển nhờ hàm lượng magiê cao kết hợp với các nguyên tố vi lượng được kiểm soát. Hợp kim này chống ăn mòn đồng đều trong nước biển và môi trường lợ tốt hơn các hợp kim nhiệt luyện nhiều và nhiều hợp kim chứa đồng, với điều kiện vùng hàn và các mối ghép đều được thiết kế và bảo vệ đúng cách.

Trong các môi trường chứa chloride, có thể xảy ra ăn mòn theo kiểu pitting tại các vị trí cục bộ như mép, vết xước hoặc cặp điện thế; việc chuẩn bị bề mặt tốt, sơn phủ và bảo vệ điện hóa có thể giảm thiểu hiện tượng này. Hiện tượng nhạy cảm hóa (kết tủa pha β tại ranh giới hạt) là mối lo ngại cho hợp kim Al–Mg có hàm lượng Mg cao nếu tiếp xúc lâu ở khoảng nhiệt độ từ 65–180 °C; hiện tượng này làm tăng nguy cơ ăn mòn theo ranh giới hạt, đặc biệt gần vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của mối hàn.

5154 có khả năng chống ăn mòn do ứng suất (stress-corrosion cracking - SCC) tốt hơn nhiều so với các hợp kim dòng 2xxx và 7xxx, nhưng không kháng hoàn toàn: dưới ứng suất kéo kéo dài trong môi trường chloride ăn mòn, nguy cơ SCC vẫn tồn tại nhưng thấp hơn so với các hợp kim nhiệt luyện cường độ cao. Khi ghép với vật liệu có điện thế điện cực cao hơn, ăn mòn điện hóa là vấn đề thiết kế cần chú ý; các lớp cách điện và lựa chọn bulong ốc vít phù hợp sẽ giảm nguy cơ ăn mòn tăng tốc.

Đặc Tính Gia Công

Khả năng hàn

5154 dễ dàng hàn bằng các phương pháp hồ quang phổ biến như GTAW (TIG) và GMAW (MIG), tạo mối hàn có chất lượng tốt khi sử dụng kim loại điền đầy và quy trình tiền hậu xử lý đúng cách. Kim loại điền khuyến cáo là hợp kim Al–Mg như 5356 hoặc 5183 nhằm phù hợp độ bền và khả năng chống ăn mòn, đồng thời hạn chế nứt nóng; lựa chọn kim loại điền cần xét đến yêu cầu vận hành và phương pháp hàn xung hay hàn thường. Nguy cơ nứt nóng thấp hơn nhiều so với một số hợp kim cao cường, nhưng hiện tượng làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt và nguy cơ nhạy cảm hóa khi Mg cao đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ đầu vào và bảo vệ sau hàn.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 5154 ở mức trung bình và thường kém hơn các hợp kim dòng 6xxx vốn được xử lý tình trạng nhiệt pistol để dễ cắt hơn. Dụng cụ bằng cacbua hoặc cacbua phủ lớp với góc nghiêng dương và cạnh sắc nét được ưu tiên, sử dụng dung dịch làm mát giúp tản vụn và cải thiện bề mặt gia công. Tốc độ cắt thường được giữ ở mức thận trọng hơn so với các hợp kim dễ gia công; lượng chạy dao và chiều sâu cắt cần tối ưu để tránh tích tụ phoi và kiểm soát sự hình thành bavia.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình rất tốt ở tình trạng nhiệt tôi mềm O và vẫn thực tế ở các tình trạng nhiệt H nhẹ; bán kính uốn trong tình trạng O có thể nhỏ đến 1–2 lần độ dày vật liệu tùy theo biên dạng và dụng cụ. Gia công nguội làm tăng giới hạn chảy và giảm khả năng tạo hình, nên các quá trình dập phức tạp và kéo sâu ưu tiên dùng tình trạng O hoặc gia công nguội nhẹ. Hiện tượng đàn hồi hồi phục (springback) điển hình ở hợp kim nhôm và cần được tính toán trong thiết kế dụng cụ, đặc biệt ở các tình trạng H có giới hạn chảy cao tăng độ đàn hồi hồi phục.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim dòng 5xxx, 5154 không thể xử lý nhiệt nhằm tăng cường độ; độ bền đạt được chủ yếu nhờ làm cứng dung dịch rắn và gia công nguội. Hợp kim này không có chu trình tăng cường kết tủa tương tự các hợp kim dòng 6xxx. Do đó, các quá trình nhiệt tập trung vào tôi mềm và ổn định nhiệt thay vì chu trình tôi nguội/tôi già hóa.

Quá trình tôi mềm hoàn toàn (O) phục hồi độ dẻo bằng cách cho phép tái tinh thể và thường thực hiện ở nhiệt độ phù hợp với hợp kim Al–Mg (thường 350–420 °C trong thời gian thích hợp), sau đó làm nguội có kiểm soát. Gia công nguội được sử dụng để tạo các tình trạng nhiệt H; xử lý ổn định (gia nhiệt nhẹ) được dùng để giảm thiểu ảnh hưởng của lão hóa tự nhiên và định hình tình trạng nhiệt mong muốn. Kết cấu hàn có thể chỉ được xử lý nhiệt nhằm mục đích tôi hoặc giảm ứng suất; các thao tác này sẽ làm giảm độ bền đạt được từ gia công nguội trước đó.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

5154 duy trì tính chất cơ học sử dụng được ở nhiệt độ trung bình, tuy nhiên độ bền giảm khi nhiệt độ tăng do làm cứng dung dịch rắn kém hiệu quả và chuyển động lệch tán tăng. Nhiệt độ làm việc liên tục khuyến nghị dưới khoảng 100–150 °C để tránh mất độ bền rõ rệt và ngăn ngừa hiện tượng nhạy cảm hóa nếu tiếp xúc lâu với dải nhiệt độ/thời gian nhất định.

Oxy hóa rất thấp nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ, và không xảy ra hiện tượng đóng vảy nhanh như ở các hợp kim ferrous. Tuy nhiên, các chu trình nhiệt và hàn có thể tạo ra vùng HAZ cục bộ với tính chất cơ học giảm và hiệu quả ăn mòn thay đổi. Với các ứng dụng chịu tải ở nhiệt độ cao, các nhà thiết kế thường chọn hợp kim chịu nhiệt hoặc giảm giới hạn ứng suất cho 5154.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Chọn 5154
Ô tô	Tấm thân xe, thành phần kết cấu bên trong	Khả năng tạo hình tốt, chống ăn mòn, độ bền chấp nhận cho các chi tiết không chịu lực chính
Hàng hải	Tấm thân tàu, kết cấu siêu cấu trúc, đường ống	Khả năng chống ăn mòn nước biển xuất sắc và tính hàn tốt cho chế tạo tàu biển
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện thứ cấp, vỏ bọc	Tỷ lệ bền trên khối lượng cao cho các cấu trúc phụ và đặc tính gia công tốt
Điện tử	Vỏ hộp, tản nhiệt	Mật độ thấp và độ dẫn nhiệt tốt cho vỏ nhẹ
Bình áp lực / Bồn chứa	Bồn chứa, linh kiện LPG	Khả năng chống ăn mòn và hàn tốt kết hợp độ bền đủ dùng ở các hình dạng tạo hình

5154 được lựa chọn trong các ứng dụng này nơi mà bộ tính chất cơ học cân bằng, khả năng chống ăn mòn và tính linh hoạt gia công giảm chi phí vòng đời và đơn giản hóa sản xuất. Bản chất không xử lý nhiệt của nó làm đơn giản quy trình trong khi vẫn cung cấp độ bền cao hơn nhiều so với các lựa chọn hợp kim thấp khác.

Gợi Ý Lựa Chọn

5154 là lựa chọn thực tế khi cần một hợp kim nhôm chống ăn mòn có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất thương mại trong khi vẫn giữ khả năng tạo hình và hàn tốt. So với 1100 (nhôm nguyên chất), 5154 đánh đổi một phần dẫn điện và dẫn nhiệt cũng như khả năng tạo hình tối ưu để đổi lấy giới hạn chảy và độ bền kéo cao hơn đáng kể, làm nó phù hợp hơn cho tấm kết cấu và chi tiết hàng hải.

So với các hợp kim làm cứng bề mặt phổ biến như 3003 hoặc 5052, 5154 thường cung cấp độ bền cao hơn trong khi duy trì khả năng chống ăn mòn tương đương hoặc cải thiện nhẹ; lựa chọn 5154 khi thiết kế yêu cầu độ bền bổ sung trong khi vẫn nằm trong họ Al–Mg. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 5154 có khả năng chống ăn mòn sau hàn tốt hơn và tránh được sự phức tạp của quá trình xử lý nhiệt; chọn 5154 khi mối hàn và khả năng chống ăn mòn ổn định quan trọng hơn độ bền cực đại cao hơn của các hợp kim có thể xử lý nhiệt.

Trong thu mua, cân đối chi phí và tính sẵn có với yêu cầu về trạng thái nhiệt luyện và độ dày, đồng thời kiểm tra chứng nhận lò luyện về hàm lượng Mg và thử nghiệm tính chất cơ học khi thiết kế phụ thuộc vào mỏi, hàn hoặc môi trường biển.

Tóm tắt cuối

5154 vẫn là hợp kim Al–Mg được sử dụng rộng rãi vì nó kết hợp độc đáo hiệu suất cơ học được tăng cường bằng dung dịch rắn với khả năng chống ăn mòn xuất sắc và tính đa dạng trong gia công; khả năng hàn dễ dàng, dễ tạo hình ở trạng thái ủ mềm và tính ổn định trên nhiều dạng sản phẩm giúp nó giữ vị trí quan trọng cho các ứng dụng ô tô, hàng hải và kết cấu chung.