Nhôm 518: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

Hợp kim 518 thuộc dòng 5xxx (Al-Mg) của hợp kim nhôm, đặc trưng bởi magiê là nguyên tố chính trong hợp kim. Đây là loại hợp kim không sử dụng xử lý nhiệt để tăng cường cơ tính, mà sức bền chủ yếu phát triển thông qua tăng cường dung dịch rắn và làm cứng biến dạng (gia công nguội) thay vì xử lý nhiệt kết tủa.

Lượng hợp kim chính trong 518 bao gồm magiê ở ngưỡng vài phần trăm, cùng với lượng kiểm soát mangan và các nguyên tố vi lượng như crôm và titan để ổn định cấu trúc hạt và kiểm soát tái kết tinh. Các nguyên tố này phối hợp tạo nên sự cân bằng giữa độ bền từ trung bình đến cao, tính dẻo tốt ở trạng thái ủ mềm, và hiệu suất cải thiện trong môi trường biển và khí quyển so với nhiều hợp kim Al-Si hoặc Al-Mn.

Đặc điểm nổi bật của 518 là tỉ lệ độ bền trên trọng lượng thuận lợi, khả năng chống ăn mòn tổng thể và chống pitting tốt trong môi trường nước biển, cùng với tính tạo hình nguội xuất sắc khi ở trạng thái ủ mềm. Khả năng hàn nhìn chung tốt khi sử dụng các quy trình hàn chảy truyền thống, dù cần lưu ý hiện tượng làm mềm cục bộ trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và một số mức độ nhạy cảm với nứt ăn mòn ứng suất (SCC) trong điều kiện đặc thù khi thiết kế.

Các ngành công nghiệp thường sử dụng hợp kim như 518 gồm: ô tô, rơ-moóc xe tải, kết cấu và tấm vách biển, ốp kiến trúc, và một số chi tiết kết cấu trong lĩnh vực giao thông vận tải và năng lượng. Kỹ sư lựa chọn 518 khi cần kết hợp giữa khả năng tạo hình, chống ăn mòn, và độ bền trung bình, đồng thời khi hợp kim có thể xử lý nhiệt không cần thiết hoặc gây bất lợi cho các công đoạn tạo hình và ghép nối.

Các Biến Thể Độ Cứng (Temper)

Temper	Mức Độ Bền	Độ Dài Ra	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Ủ hoàn toàn, tốt nhất cho tạo hình phức tạp
H12	Thấp-Trung Bình	Trung Bình	Rất tốt	Xuất sắc	Tôi cứng cấp một phần tư; tăng độ bền vừa phải
H14	Trung Bình	Thấp-Trung Bình	Tốt	Xuất sắc	Tôi cứng nửa; phổ biến cho tấm cần độ cứng nhất định
H16	Trung Bình-Cao	Thấp	Khá	Xuất sắc	Tôi cứng ba phần tư; dùng khi cần độ bền cao hơn mà không xử lý nhiệt
H18	Cao	Thấp	Hạn Chế	Xuất sắc	Tôi cứng toàn phần; tạo hình hạn chế nhưng độ bền làm cứng lạnh cao nhất
H111	Thấp-Trung Bình	Trung Bình-Cao	Rất tốt	Xuất sắc	Gia công nhẹ sau ủ, mức độ làm cứng biến dạng không xác định cụ thể
H32	Trung Bình	Thấp-Trung Bình	Tốt	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng và ổn định để giữ khả năng tạo hình sau khi ủ giới hạn

Độ cứng (temper) ảnh hưởng trực tiếp đến sự cân bằng cơ tính và hành vi gia công của hợp kim 518. Trạng thái ủ mềm (O) mang lại độ dẻo tối đa cho các công đoạn dập sâu và gia công dập phức tạp, trong khi các biến thể H tăng cường độ bền nhưng giảm độ dài giãn và giảm bán kính uốn.

Vì 518 không được tăng cường bằng xử lý nhiệt kết tủa thông thường, nên việc điều chỉnh các tính chất cơ bằng làm cứng lạnh có kiểm soát và xử lý ổn định được sử dụng để tùy biến tính chất phù hợp với ứng dụng cuối. Kỹ sư thiết kế cần tính đến hiện tượng làm mềm vùng HAZ sau hàn và chọn biến thể độ cứng phù hợp với chu trình tạo hình và yêu cầu sau gia công.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	0,10 tối đa	Tạp chất; giữ ở mức thấp để bảo vệ độ dẻo và khả năng chống ăn mòn
Fe	0,40 tối đa	Tạp chất điển hình; ảnh hưởng đến độ bền và hình thành các pha intermetallic
Mn	0,20–0,80	Kiểm soát cấu trúc hạt và hạn chế tái kết tinh
Mg	3,5–5,0	Nguyên tố tăng cường chính; nâng cao khả năng chống ăn mòn và độ bền
Cu	0,10 tối đa	Giữ tối thiểu để giữ khả năng chống ăn mòn; Cu cao giảm sức chống SCC
Zn	0,25 tối đa	Giữ thấp để duy trì tính anod so với kim loại khác
Cr	0,05–0,25	Tinh chỉnh hạt và tăng khả năng chống tái kết tinh cùng ăn mòn hạt
Ti	0,05–0,15	Chất làm tinh hạt trong công đoạn đúc và cán
Khác (Cân bằng Al)	Cân bằng	Nhôm tạo thành ma trận; các nguyên tố vi lượng khác được kiểm soát theo tiêu chuẩn

Hàm lượng magiê là yếu tố quyết định chính đến độ bền và khả năng chống ăn mòn của 518, với việc tăng hàm lượng có xu hướng tăng cơ tính kéo nhưng cũng ảnh hưởng đến độ nhạy nứt ăn mòn ứng suất ở nồng độ phục vụ cao. Mangan và crôm đóng vai trò là nguyên tố vi hợp kim kiểm soát kích thước hạt và giảm mức làm mềm khi chịu tác động nhiệt và khi hàn. Các nguyên tố tạp như sắt và silic được giới hạn nhằm tránh tạo pha intermetallic thô có thể làm giảm độ dai và khả năng tạo hình.

Tính Chất Cơ Lý

Trong thử kéo, hợp kim 518 thể hiện phạm vi hành vi rộng phụ thuộc vào độ cứng và độ dày. Vật liệu ủ mềm (O) có giới hạn chảy thấp với độ giãn dài cao phù hợp cho dập sâu và tạo hình kéo căng, trong khi các biến thể H có sự gia tăng dần giãn lẫn giới hạn chảy kèm theo sự giảm dẻo và khả năng uốn. Giới hạn chảy và bền kéo phụ thuộc vào độ dày tấm và lịch sử gia công; tấm mỏng và biến thể làm cứng lạnh cao cho độ bền ở nhiệt độ phòng lớn hơn đáng kể.

Xu hướng độ cứng tương ứng với tính năng kéo và được dùng như chỉ số nhanh tại xưởng để kiểm tra biến thể độ cứng. Hiệu suất mỏi liên quan chặt chẽ đến trạng thái bề mặt, ứng suất còn lại và cấu trúc vi mô; bề mặt được đánh bóng và làm cứng lạnh có xu hướng tăng tuổi thọ mỏi, trong khi các rãnh, ngón hàn, và pha intermetallic thô làm giảm nó. Thiết kế cần tính đến hiện tượng làm mềm vùng HAZ gần mối hàn khi chi tiết có tính chất mỏi quan trọng.

Tính Chất	O/Ủ Mềm	Biến Thể Chính (ví dụ: H14 / H32)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	130–200 MPa	220–320 MPa	Phạm vi giao nhau rộng; độ bền kéo phụ thuộc mức gia công nguội và độ dày
Giới Hạn Chảy	60–140 MPa	150–260 MPa	Giới hạn chảy tăng rõ rệt với biến thể H và làm cứng biến dạng
Độ Dài Ra	20–35%	6–15%	Độ dẻo lớn nhất ở trạng thái ủ mềm và giảm khi làm cứng biến dạng
Độ Cứng	30–55 HB	60–95 HB	Giá trị Brinell phản ánh tương đối mức độ cứng của biến thể

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2,66 g/cm³	Đặc trưng hợp kim nhôm Al-Mg dạng cán; cho tỉ số độ bền trên trọng lượng cao
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~555–650 °C	Khoảng nhiệt độ nóng chảy đặc trưng tùy hàm lượng hợp kim và tạp chất vi lượng
Độ Dẫn Nhiệt	~130–160 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim; vẫn tốt cho tản nhiệt
Độ Dẫn Điện	~30–45% IACS	Khả năng dẫn điện ở mức trung bình so với các hợp kim nhôm kết cấu khác
Nhiệt Dung Riêng	~0,9 J/g·K	Hữu ích cho các phép tính nhiệt thoáng qua
Hệ Số Chân Rời Nhiệt	~23–24 µm/m·K	Giá trị điển hình cho hợp kim nhôm; quan trọng trong thiết kế mối ghép

Các tính chất vật lý đưa hợp kim 518 trở thành vật liệu hấp dẫn cho những ứng dụng vừa yêu cầu giảm trọng lượng vừa cần tản nhiệt, như vỏ xe và một số bộ phận tản nhiệt. Độ dẫn nhiệt và điện ở mức đủ dùng cho nhiều nhiệm vụ quản lý nhiệt, mặc dù kém hơn so với nhôm tinh khiết và một số hợp kim xử lý nhiệt; kỹ sư thiết kế cần cân nhắc điều này khi xác định độ dày cho các đường dẫn nhiệt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi cơ tính	Độ tôi phổ biến	Ghi chú
Tấm	0,3–6,0 mm	Phụ thuộc độ dày; làm lạnh tăng cường độ bền	O, H12, H14, H32	Sử dụng rộng rãi cho các panen thân xe, vỏ bọc và tấm nội thất
Đĩa	6–50 mm	Khả năng làm lạnh thấp hơn; tính chất được kiểm soát bằng phương pháp lăn	O, H111	Dùng khi yêu cầu tiết diện dày hơn với cường độ bền và khả năng chống ăn mòn cao
Thanh đùn	Độ dày thành ống 1–25 mm	Cường độ chịu ảnh hưởng bởi kéo nguội và quá trình kết lão của phôi	O, H11, H22	Thanh đùn kết cấu cho khung và thanh gia cường
Ống	Ø 6–200 mm	Lăn và kéo ảnh hưởng đến tính dị hướng cơ học	O, H14, H16	Dùng trong HVAC, ống kết cấu và ống chuyên dụng cho môi trường biển
Thanh tròn/Thỏi	Ø 3–80 mm	Làm lạnh tăng độ cứng và giới hạn chảy	O, H12, H14	Linh kiện gia công và bu lông mà cường độ trung bình được chấp nhận

Yếu tố hình dạng ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền đạt được và cấu trúc vi mô do sự khác biệt trong các quá trình lăn, kéo và làm nguội. Tấm mỏng có thể gia công lạnh mạnh để đạt độ tôi H cao với chi phí thấp trong khi đĩa và thanh đùn dày phụ thuộc nhiều hơn vào quy trình lăn kiểm soát và gia công nhiệt cơ để đạt được các đặc tính mong muốn.

Những khác biệt trong gia công dẫn đến lựa chọn ứng dụng: tấm tối ưu cho tạo hình và hoàn thiện bề mặt, đĩa dùng cho chi tiết kết cấu chịu tải, thanh đùn dùng cho các biên dạng phức tạp, còn thanh tròn/ống dùng cho các chi tiết gia công và lắp ráp.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	518	USA	Hợp kim Al-Mg rèn; thường tham chiếu trong catalog nhà cung cấp
EN AW	5182 (gần nhất)	Châu Âu	5182 được sử dụng phổ biến tại châu Âu và có thành phần tương tự các biến thể AA 518
JIS	A5182 (gần nhất)	Nhật Bản	Thực tiễn Nhật thường tham khảo 5182 cho các hợp kim Al-Mg tương tự
GB/T	5182 (gần nhất)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc có hợp kim tương đương trong nhóm 5xxx; nhưng số hiệu không nhất quán hoàn toàn

Việc tìm mác tương đương một đổi một có thể khó khăn do các hệ thống đánh số hợp kim bao gồm biến thể cấp gia đình và riêng nhà cung cấp; 518 thường tương ứng với hóa học kiểu 5182 trong tiêu chuẩn quốc tế. Sai lệch nhỏ về dung sai, giới hạn tạp chất và độ tôi bắt buộc có thể khác nhau giữa các tiêu chuẩn, vì thế người mua cần kiểm tra chứng chỉ lô hàng và yêu cầu thử cơ khi thay thế mác từ khu vực khác.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Hợp kim 518 cung cấp khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt và thường được chỉ định cho các ứng dụng biển và ven biển nơi tiếp xúc với chloride là vấn đề. Hàm lượng magiê giúp hợp kim có hành vi galvanic thuận lợi so với các hợp kim nhôm có tính catốt hơn, nhưng bảo vệ bề mặt và các phương pháp anode hóa thường được áp dụng để tăng cường hiệu suất lâu dài.

Trong môi trường biển, 518 thể hiện khả năng chống ăn mòn lỗ rỗ và khe kẽ tốt nếu chloride được kiểm soát và có lớp phủ bảo vệ hoặc anode hi sinh trong thiết kế. Ăn mòn cục bộ thường bị thúc đẩy bởi tạp chất, bề mặt thô ráp hoặc lớp phủ bị bong tróc, vì vậy việc kiểm soát hoàn thiện bề mặt và kín khít mối nối là các biện pháp thiết kế quan trọng.

Nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất (SCC) tăng với hàm lượng magiê và ứng suất kéo tại nhiệt độ cao hoặc trong môi trường chloride ăn mòn mạnh; các hợp kim có Mg trên khoảng 5% có nguy cơ cao hơn đáng kể. Với hợp kim kiểu 518 có hàm lượng Mg tầm trung, SCC có thể kiểm soát được thông qua lựa chọn vật liệu, thiết kế giảm ứng suất kéo dư và xử lý sau hàn như làm giảm ứng suất cơ học hoặc mạ lớp phủ phù hợp khi yêu cầu dịch vụ quan trọng.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

518 dễ dàng hàn bằng các phương pháp MIG (GMAW), TIG (GTAW) và hàn điện trở với các loại kim loại phụ tiêu chuẩn tương thích với hệ Al-Mg. Kim loại phụ 5xxx được chọn điển hình có thành phần magiê tương đương hoặc cao hơn một chút so với kim loại gốc nhằm giảm khả năng ăn mòn và làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Làm mềm vùng HAZ vốn là đặc tính cố hữu của hợp kim Al-Mg sau hàn, vì vậy nhà thiết kế thường quy định hệ số an toàn thiết kế sau hàn hoặc kết hợp độ tôi/kim loại phụ để giảm thiểu mất cường độ cục bộ.

Khả năng gia công cơ khí

Khả năng gia công của 518 ở mức trung bình và thường tốt hơn so với các hợp kim Al cường độ cao; gia công sạch hơn so với nhiều hợp kim Al-Mn nhưng mềm hơn các hợp kim xử lý nhiệt như 6061. Khuyến nghị dùng dao cacbit có góc chịu lực dương, giữ cố định chi tiết chắc chắn và kiểm soát thoát phoi để tránh hiện tượng cạnh tích tụ và mài mòn bề mặt. Tốc độ cắt nên đặt theo vật liệu nhôm (vận tốc cắt cao) kết hợp bước tiến hợp lý để tránh bị rung và tạo phoi đều.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình của 518 ở trạng thái tôi mềm O rất tốt cho các phương pháp dập sâu, kéo giãn và gấp mép; bán kính uốn tối thiểu điển hình phụ thuộc độ tôi và độ dày nhưng thường đạt khoảng 1–1,5 lần độ dày trong điều kiện ủ. Gia công lạnh làm tăng cường độ và giảm bán kính uốn cho phép; phản ứng đàn hồi cần tính toán trong thiết kế khuôn khi làm việc ở trạng thái tôi cứng H. Gia công ấm có thể mở rộng giới hạn tạo hình nhẹ nhưng hiếm khi cần trừ khi yêu cầu hình dạng cực đoan hoặc cần bù nhiều phản ứng đàn hồi.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

518 được phân loại là hợp kim nhôm rèn không thể xử lý nhiệt cứng; cải thiện cường độ chủ yếu đạt được qua hiệu ứng dung dịch rắn (từ Mg) và làm cứng biến dạng luyện thép chứ không phải là quá trình kết tủa. Không có quá trình kết lão kiểu T6 giúp tăng cường độ bền duy trì lâu dài, và cố gắng áp dụng xử lý nhiệt phổ biến thường dẫn đến làm mềm thay vì tăng cường độ.

Quy trình nhiệt điển hình tập trung vào ủ để phục hồi độ dẻo (ví dụ ủ ở nhiệt độ khoảng 345–415 °C tùy theo dạng sản phẩm) và các xử lý ổn định nhằm giảm ứng suất dư và kiểm soát ổn định kích thước. Khi cần độ bền cao hơn, chu trình làm cứng biến dạng (lăn, kéo) kết hợp với quy định độ tôi kiểm soát (độ tôi H) là con đường công nghiệp để đạt được các đặc tính mục tiêu.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Ở nhiệt độ cao, 518 bị mất dần cường độ do các hiện tượng phục hồi và tái kết tinh, với tính chất cơ học sử dụng được thường giới hạn trong dịch vụ dưới khoảng 100–150 °C đối với các ứng dụng chịu tải. Quá trình oxi hóa ít xảy ra trong đa số môi trường khí quyển, nhưng tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao hoặc trong môi trường oxi hóa chứa chloride có thể làm tăng tốc biến đổi cấu trúc vi mô và làm giảm khả năng chống ăn mòn.

Cần chú ý đặc biệt với các chi tiết hàn vì vùng HAZ có thể bị làm mềm thêm dưới chu trình nhiệt, và hiệu suất chống creep ở nhiệt độ cao bị hạn chế; khuyến cáo có dự phòng thiết kế và kiểm tra đối với chi tiết chịu tải ổn định ở nhiệt độ trung bình.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 518
Ô tô	Tấm thân xe, lớp lót trong	Khả năng tạo hình tuyệt vời ở trạng thái O; khả năng chống ăn mòn và chống móp tốt khi làm cứng biến dạng
Hàng hải	Chi tiết cabin, tấm kết cấu	Chống ăn mòn nước biển tốt và khả năng hàn cho các chi tiết hàn lắp
Hàng không vũ trụ	Kết cấu phụ, lớp bọc	Cường độ trên trọng lượng tốt và khả năng tạo hình cho các chi tiết không phải cấu trúc chính
Kiến trúc	Tấm vỏ bọc và mái	Khả năng chịu thời tiết và dễ gia công cho bề mặt hoàn thiện thẩm mỹ
Điện tử	Tấm tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt đủ dùng với khối lượng nhẹ cho vỏ hộp yêu cầu trọng lượng thấp

518 được dùng khi cần sự cân bằng giữa tính tạo hình, khả năng chống ăn mòn và độ bền trung bình, đồng thời yêu cầu hàn tốt và hoàn thiện bề mặt. Tính thích nghi với nhiều dạng sản phẩm và độ tôi làm cho nó là lựa chọn thiết thực cho chi tiết kết cấu và vỏ hộp kích thước trung bình trong nhiều ngành công nghiệp.

Gợi Ý Lựa Chọn

Đối với nhà thiết kế so sánh 518 với nhôm tinh khiết thương mại như 1100, 518 đánh đổi một phần dẫn điện và dẫn nhiệt để đổi lại cường độ bền cao hơn đáng kể và khả năng chịu tải tốt hơn. Nếu yêu cầu chính là dẫn điện, 1100 hoặc các hợp kim tinh khiết cao vẫn ưu tiên; chọn 518 khi hiệu suất kết cấu và chống ăn mòn ưu tiên hàng đầu.

So với các hợp kim làm cứng lạnh như 3003 hoặc 5052, 518 thường có cường độ cao hơn nhờ hàm lượng Mg cao hơn đồng thời giữ khả năng chống ăn mòn cạnh tranh; tuy nhiên 5052 có thể có khả năng tạo hình sâu tốt hơn trong một số ứng dụng dập sâu. Khi lựa chọn giữa 518 và các hợp kim xử lý nhiệt phổ biến như 6061/6063, chọn 518 nếu cần gia công lạnh nhiều hoặc khả năng chống ăn mòn biển vượt trội mặc dù độ bền tối đa thấp hơn; 6061 ưu tiên nếu cần độ bền xử lý nhiệt cao hơn và khả năng gia công tốt hơn.

Các yếu tố cần xem xét khi thu mua bao gồm việc nhà cung cấp nội địa có sẵn các trạng thái nhiệt luyện và độ dày mong muốn hay không, khả năng tương thích của vật liệu hàn bổ sung, cũng như khả năng cần thiết phải xử lý sau khi hàn hoặc sau khi tạo hình để đảm bảo chi tiết cuối cùng đáp ứng yêu cầu về độ bền mỏi và ổn định kích thước.

Tóm tắt cuối

Hợp kim 518 vẫn giữ được tính ứng dụng vì nó kết hợp các ưu điểm vốn có của hệ Al-Mg — khả năng chống ăn mòn tốt, tính hàn cao và độ dẻo gia công lớn ở trạng thái ủ — với khả năng đạt được cường độ hữu ích thông qua gia công nguội kinh tế. Bộ tính chất cân bằng này khiến nó trở thành lựa chọn đa dụng cho các ứng dụng trong ngành giao thông vận tải, hàng hải và kiến trúc, nơi yêu cầu hiệu suất tin cậy, khả năng gia công và hiệu quả chi phí.