Nhôm 5183: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

5183 là một hợp kim nhôm thuộc dòng 5xxx, được tăng cường bằng magiê (Mg) và được xếp loại là không xử lý nhiệt. Hợp kim này được pha chế nhằm cung cấp độ bền cao hơn so với các loại nhôm thương mại có hàm lượng Mg thấp hơn trong khi vẫn giữ được khả năng chống ăn mòn đặc trưng của dòng nhôm có chứa Mg. Nguyên tố hợp kim chính là magiê, thường chiếm tỷ lệ phần trăm đơn số trung bình, với lượng nhỏ crom và các nguyên tố vi lượng nhằm kiểm soát cấu trúc hạt và kháng tác động ăn mòn giữa các hạt. Cơ chế tăng cường chủ yếu là tăng cường dung dịch rắn từ Mg và làm cứng biến dạng cho các trạng thái gia công nguội; hợp kim không có cơ chế kết tủa để đạt độ bền cao.

Điểm nổi bật của 5183 bao gồm độ bền kéo cao hơn mức trung bình cho hợp kim dòng 5xxx, khả năng chống ăn mòn môi trường biển xuất sắc, tính hàn tốt với các kim loại phụ gia phổ biến, và độ dẻo tốt trong các trạng thái tôi mềm và tôi cứng nhẹ. Hợp kim được sử dụng rộng rãi trong các cấu trúc hàng hải, chi tiết xe cộ, bình chứa áp suất và các ứng dụng yêu cầu sự cân bằng giữa độ bền, độ dai va đập và khả năng chống ăn mòn nước biển. Kỹ sư thường chọn 5183 khi yêu cầu khả năng chống ăn mòn và độ dẻo của dòng 5xxx với độ bền cao hơn so với dòng 1100 hoặc 3000, đồng thời thiết kế ưa sử dụng cơ chế làm cứng biến dạng thay vì xử lý nhiệt để điều chỉnh tính chất vật liệu.

5183 thường được ưu tiên hơn một số hợp kim dòng 6xxx và 7xxx khi khả năng hàn tốt và khả năng kháng môi trường nước mặn quan trọng hơn việc đạt độ bền tối đa tuyệt đối. Hợp kim này thường được quy định trong đóng tàu, kết cấu giàn khoan ngoài khơi, bồn chứa lạnh và các bộ phận vận tải chịu tải chu kỳ và tiếp xúc với môi trường chứa chloride. Sự kết hợp giữa hiệu suất cơ học, tính hàn dự đoán được, và sự sẵn có dưới dạng tấm, bản, thanh đùn, làm cho nó là lựa chọn kỹ thuật thực tế cho các chi tiết cấu trúc nhôm có độ bền trung bình đến cao.

Các Loại Biến Ứng Nhiệt

Trạng Thái	Cấp Độ Độ Bền	Độ Dài Ra	Khả Năng Dập Nổi	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn tôi mềm; khả năng dập nổi và dẻo dai tốt nhất
H111	Thấp - Trung bình	Cao	Rất tốt	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng nhẹ; độ dập nổi thương mại chung
H14	Trung bình	Trung bình	Tốt	Xuất sắc	Làm cứng khoảng 25%; thường dùng cho kéo dập và dập vừa phải
H24	Trung bình - Cao	Trung bình - Thấp	Khá	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng ổn định để tăng độ bền
H116 / H1160	Trung bình - Cao	Trung bình	Khá	Xuất sắc	Biến ứng nhiệt có khả năng chống ăn mòn nước biển, thường dùng trong ứng dụng hàng hải
H32	Trung bình - Cao	Trung bình	Tốt	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng và ổn định bằng quá trình tôi mềm một phần
(Trạng thái T)	Không áp dụng	—	—	—	5183 không thuộc loại xử lý nhiệt; các ký hiệu T không phổ biến cho hợp kim này

Lựa chọn biến ứng nhiệt ảnh hưởng mạnh đến sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo của 5183. Sản phẩm tôi mềm (O) cung cấp độ dài ra tối đa và khả năng dập nổi tốt nhất cho các thao tác kéo dập sâu hoặc tạo hình phức tạp, trong khi các biến ứng nhiệt H tăng dần độ bền thông qua làm cứng biến dạng đổi lại khả năng kéo dãn và tạo hình kéo giảm.

Trong thực tế, các chi tiết kết cấu hàng hải thường sử dụng biến ứng nhiệt H116 hoặc H32 để kết hợp tăng cường độ bền giới hạn chảy với hiệu suất chống nước biển đã được chứng minh và giảm nhạy cảm với ăn mòn ứng suất trong điều kiện sử dụng điển hình. Nhân công gia công cần phối hợp lựa chọn biến ứng nhiệt với các quy trình tạo hình và nhiệt độ làm việc cuối cùng vì biến ứng nhiệt có thể thay đổi trong quá trình hàn hoặc tạo hình nóng.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	0.40 tối đa	Giới hạn silic để giảm các intermetallic cứng, giòn và duy trì độ dẻo
Fe	0.40 tối đa	Kiểm soát sắt để hạn chế các hạt intermetallic thô gây giảm khả năng dập nổi
Mn	0.10 tối đa	Mangan thấp; lượng nhỏ giúp tinh luyện hạt và cải thiện độ dai va đập
Mg	4.5–5.5	Nguyên tố chính tăng cường; mang lại độ bền dung dịch rắn và khả năng chống ăn mòn
Cu	0.10 tối đa	Giảm đồng để tránh mất khả năng chống ăn mòn và tăng hoạt tính galvanic
Zn	0.25 tối đa	Kẽm giữ ở mức thấp để tránh nhạy cảm với ăn mòn ứng suất
Cr	0.05–0.25	Crom dùng để kiểm soát cấu trúc hạt và giảm nhạy cảm ăn mòn cũng như kết tinh lại
Ti	0.15 tối đa	Titan là chất tinh luyện hạt khi có mặt, thường tồn dư từ quá trình gia công
Khác (mỗi nguyên tố)	0.05 tối đa	Nguyên tố vi lượng và tạp chất giới hạn; phần còn lại là Al

Magiê là nguyên tố hợp kim chủ đạo quyết định đặc tính cơ học và chống ăn mòn của 5183; hàm lượng Mg cao hơn cung cấp sức mạnh dung dịch rắn lớn hơn và cải thiện khả năng chống ăn mòn trong môi trường chloride. Crom đóng vai trò là nguyên tố vi hợp kim kiểm soát tăng trưởng hạt trong quá trình gia công nhiệt cơ học và hạn chế ăn mòn bong tróc cùng ăn mòn giữa các hạt. Hàm lượng đồng và kẽm thấp là có chủ ý nhằm giữ khả năng chống ăn mòn biển của hợp kim và giảm thiểu ăn mòn điện hóa khi tiếp xúc với thép và các kim loại khác.

Tính Chất Cơ Học

Về tính chất kéo, 5183 thể hiện sự kết hợp giữa độ bền kéo từ trung bình đến cao và độ dãn dài tốt tùy thuộc vào trạng thái biến ứng nhiệt và độ dày. Vật liệu tôi mềm (O) có giới hạn chảy thấp hơn nhưng độ dãn dài đều và tổng cao thích hợp cho các thao tác tạo hình, trong khi các trạng thái nhiệt làm cứng (H) cho độ bền giới hạn chảy và kéo cao hơn nhờ làm cứng biến dạng. Độ cứng tỷ lệ thuận với biến điều kiện: sản phẩm tôi cứng hoặc gia công nguội có giá trị Vickers/Brinell cao hơn so với tôi mềm, và độ cứng tăng theo tỷ lệ làm nguội biến dạng.

Đặc tính mỏi của 5183 nói chung tích cực trong dòng 5xxx khi bề mặt, ứng suất dư và lỗ ăn mòn được kiểm soát; tuy nhiên tuổi thọ mỏi nhạy cảm với các điểm tập trung ứng suất và lỗ ăn mòn do môi trường biển. Độ dày ảnh hưởng đến cả độ bền và độ dẻo: các tiết diện mỏng dễ làm cứng nguội hơn để đạt độ bền cao và thường có khả năng chống mỏi tốt hơn sau xử lý bề mặt, trong khi tấm dày có thể có độ dập nổi thấp hơn và tính dị hướng cơ học khác biệt do lịch sử cán.

Tính Chất	O/Tôi Mềm	Biến Ứng Chính (ví dụ H116/H32)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	~180–260 MPa (tùy độ dày)	~260–340 MPa	Phạm vi rộng do độ dày và mức độ làm nguội; nên tham khảo dữ liệu nhà cung cấp
Giới Hạn Chảy	~60–140 MPa	~170–300 MPa	Giới hạn chảy tăng đáng kể với biến ứng H và gia công nguội
Độ Dài Ra	~20–35%	~6–18%	Tôi mềm thể hiện độ dẻo cao; biến ứng H đánh đổi dẻo lấy bền
Độ Cứng (HB)	~30–70 HB	~60–100 HB	Độ cứng tỷ lệ thuận với mức độ làm cứng và biến ứng nhiệt

Giá trị cơ học cụ thể thay đổi theo quy trình gia công, chế độ nhiệt trước đó và dạng sản phẩm; do đó thiết kế cần sử dụng dữ liệu kiểm tra tiêu chuẩn của lô hàng cung cấp. Khi yêu cầu các chi tiết chịu tải mỏi quan trọng, nên quy định các xử lý sau gia công như làm bóng bằng bắn bi, hoàn thiện bề mặt hoặc anode hóa để giảm thiểu khởi đầu từ khuyết tật bề mặt và tăng tuổi thọ.

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2.66 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al-Mg; thấp hơn một chút so với một số loại Al-Zn hoặc Al-Cu
Phạm Vi Nhiệt Độ Nấu Chảy	~590–640 °C	Phạm vi solidus–liquidus phụ thuộc thành phần và tạp chất
Độ Dẫn Nhiệt	~120–140 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn cao cho các cấu trúc tản nhiệt
Độ Dẫn Điện	~30–36 %IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do có Mg và các hợp chất hòa tan khác
Nhiệt Dung Riêng	~0.90 J/g·K	Gần bằng các giá trị phổ biến của hợp kim nhôm
Hệ Số Nở Nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Hệ số nở nhiệt điển hình cho các hợp kim nhôm

Độ dẫn nhiệt và điện của 5183 làm cho hợp kim này phù hợp cho các ứng dụng tản nhiệt và một số ứng dụng điện nơi cần độ bền cơ học cao hơn nhôm tinh khiết. Sự kết hợp giữa độ dẫn nhiệt tương đối cao và khả năng dập nổi tốt cho phép lựa chọn cho các tấm trao đổi nhiệt và vỏ bọc thường tiếp xúc môi trường biển hoặc ăn mòn.

Nhà thiết kế cần lưu ý hệ số nở nhiệt tương đối cao khi liên kết 5183 với các vật liệu khác loại để tránh ứng suất nhiệt phát sinh trong quá trình thay đổi nhiệt độ làm việc. Hướng dẫn về phạm vi nhiệt độ nóng chảy rất quan trọng cho hàn và chu trình nhiệt vì quá trình nóng chảy và kết tinh lại trong hàn làm thay đổi cục bộ cấu trúc vi mô và tính chất cơ học.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Đặc tính cơ học	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–6 mm	Đặc tính cơ học đồng đều theo chiều dày; thích hợp cho dập	O, H111, H14, H116	Phổ biến rộng rãi; dùng làm vỏ thân tàu và mặt ngoài tàu biển
Thép dày (Plate)	6–200+ mm	Khả năng gia công thấp hơn; phù hợp cho kết cấu dày	O, H112, H116	Tấm dày dùng cho thân tàu, sàn tàu và thiết bị áp lực
Đùn	Tiết diện 2–200 mm	Độ bền phụ thuộc vào biên dạng và biến dạng sau đùn	O, H32, H116	Hướng dọc được gia công bằng đùn; có thể tạo ra biên dạng phức tạp
Ống	Kích thước OD tiêu chuẩn 6–300 mm	Độ bền tương đương tấm trong ống mỏng	O, H111	Dùng trong đường ống, ống kết cấu và bộ trao đổi nhiệt
Thanh/Rod	Đường kính 5–200 mm	Phần đặc tăng cường độ bền qua làm lạnh biến dạng	O, H14, H24	Dùng trong liên kết bulông, phụ kiện và linh kiện gia công

Quy trình sản xuất ảnh hưởng đến tính dị hướng cơ học và ứng suất dư; tấm và thép dày phát triển đặc tính dựa trên lịch sử cán, trong khi đùn kết hợp thành phần hợp kim với thiết kế khuôn và tốc độ làm nguội. Tấm dày thường được cung cấp với cấu trúc hạt được kiểm soát và độ cứng thích hợp để tránh hiện tượng bong tróc và đảm bảo độ dai va đập đủ cho ứng dụng biển và nhiệt lạnh sâu.

Việc lựa chọn giữa tấm, thép dày và đùn cần cân nhắc đến quy trình gia công sau (tạo hình, uốn, hàn) và tải trọng làm việc; ví dụ, các biên dạng đùn phức tạp giảm nhu cầu hàn nhưng có thể có chi phí cao hơn trên mỗi đơn vị so với sản phẩm cán phẳng. Hoàn thiện bề mặt và các bước xử lý trước như anode hóa hoặc phủ lớp biến đổi nên được chỉ định để tối ưu tuổi thọ chống ăn mòn và độ bám dính sơn.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	5183	Mỹ	Định danh của Aluminum Association; sử dụng rộng rãi tại Bắc Mỹ
EN AW	5183	Châu Âu	EN AW-5183 thường dùng thay thế, nhưng thành phần hóa học và dung sai EN có thể khác biệt nhẹ
JIS	A5183	Nhật Bản	Biến thể JIS điều chỉnh thành phần phù hợp với qui trình sản xuất nội địa
GB/T	5183	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc tương đương với hàm lượng Mg gần tương tự nhưng giới hạn tạp chất có thể khác biệt

Nhãn hiệu mác tương đương về cơ bản có thể thay thế lẫn nhau, nhưng khác biệt nhỏ về giới hạn tạp chất, cấu trúc vi mô chấp nhận được và ký hiệu độ cứng có thể tồn tại giữa các tiêu chuẩn. Người mua nên đối chiếu chứng chỉ lò luyện và các thông số đặt hàng thay vì chỉ dựa vào tên mác, đặc biệt cho các ứng dụng quan trọng như chế tạo thân tàu biển hoặc bình áp lực.

Thực tế khu vực có thể ưu tiên các độ cứng hoặc yêu cầu bổ sung (ví dụ, H116 cho dịch vụ biển), vì vậy cần xác minh cả tiêu chí chấp nhận hóa học và cơ học, đồng thời yêu cầu báo cáo thử nghiệm để đảm bảo phù hợp với tiêu chuẩn áp dụng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

5183 có khả năng chống ăn mòn tổng quát và cục bộ tốt trong môi trường khí quyển và nước biển, là lý do chính cho việc lựa chọn hợp kim này trong các ứng dụng hàng hải. Hàm lượng Mg tương đối cao tạo lớp oxit bảo vệ bám dính tốt và cải thiện khả năng chống rỗ hơn so với các hợp kim Mg thấp, trong khi sự bổ sung Cr giúp kiểm soát tính nhạy cảm với ăn mòn hạt và bong tróc. Trong môi trường giàu clorua, tạp chất được kiểm soát chặt chẽ và độ cứng thích hợp (như H116) giảm nguy cơ ăn mòn hoạt động, tuy nhiên hư hại bề mặt và bảo dưỡng kém vẫn có thể gây rỗ.

Về nứt ăn mòn do ứng suất (SCC), hợp kim nhóm 5xxx với Mg trên ~3% có thể nhạy cảm dưới ứng suất kéo kéo dài và nhiệt độ cao; tuy nhiên 5183 đã được tối ưu với các nguyên tố ổn định và kiểm soát độ cứng để giảm thiểu SCC trong điều kiện biển thông thường. Dù vậy, thiết kế nên tránh ứng suất kéo kéo dài cao trong môi trường clorua ấm và cân nhắc bảo vệ cathodic hoặc lớp phủ bảo vệ khi thích hợp. Ăn mòn bong tróc nói chung ở 5183 thấp hơn so với các hợp kim Zn cao hoặc 7xxx đã làm lạnh biến dạng.

Tương tác điện hóa (galvanic) cần xem xét khi ghép 5183 với kim loại khác như thép không gỉ hoặc hợp kim đồng. Khi nối điện trong môi trường clorua, nhôm sẽ trở thành anode và bị ăn mòn ưu tiên nếu không được cách điện hoặc bảo vệ hi sinh. So với hợp kim nhóm 6xxx (Al-Mg-Si), 5183 có khả năng chống nước biển cao hơn nhưng thường có độ bền kéo tối đa thấp hơn; so với nhôm tinh khiết (1100), 5183 đánh đổi một phần dẫn điện và dẫn nhiệt để lấy độ bền cơ học cao hơn đáng kể và độ bền chịu mài mòn biển tốt hơn.

Đặc Tính Gia Công

Khả năng hàn

5183 dễ dàng hàn bằng các phương pháp hồ quang phổ biến bao gồm TIG (GTAW), MIG (GMAW) và hàn hồ quang chìm, đồng thời phản ứng tốt với khí bảo vệ. Các kim loại phụ thông dụng gồm 5356 và 5183; 5356 (Al-Mg) thường dùng để cung cấp độ bền và độ dẻo tốt tại vùng mối hàn và kiểm soát rỗ khí. Nguy cơ nứt nóng trong 5183 tương đối thấp so với một số hợp kim nhôm cường độ cao, nhưng thiết kế mối hàn, vệ sinh và kiểm soát nhiệt vào là rất quan trọng để tránh rỗ khí và quản lý làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Khả năng gia công cơ khí

Gia công 5183 ở mức trung bình so với hợp kim rèn dễ gia công; nó gia công tốt hơn một số hợp kim Al-Cu hay Al-Zn cường độ cao nhưng kém hơn nhóm 6xxx trong một vài điều kiện cắt. Nên sử dụng thiết bị cứng vững, dao carbide góc cắt dương, và chu trình khoan kiểu nhát cắn (pecking) để tránh tạo lưỡi dao bám dính và hoàn thiện bề mặt kém. Tốc độ và lượng chạy dao khuyến nghị nên thận trọng hơn so với alloys 6xxx, và dùng chất làm nguội/lubricant giúp tản phoi và tăng tuổi thọ dụng cụ.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình rất tốt khi ở độ cứng O và duy trì tốt ở các độ cứng làm cứng nhẹ như H111 và H14, cho phép các quá trình kéo sâu, uốn cong và quay như thường gặp trong chế tạo tấm biển và thân máy vận tải. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào độ cứng và độ dày; với tấm ở độ cứng O có thể uốn gấp với bán kính/r độ dày < 1–2, trong khi các độ cứng H cần bán kính lớn hơn và có thể cần ủ giữa giai đoạn. Với các công đoạn tạo hình nghiêm ngặt, nên chỉ định vật liệu đã được ủ và kiểm soát hiện tượng đàn hồi trở lại (springback) qua thiết kế khuôn và thông số quy trình.

Đặc Tính Xử Lý Nhiệt

5183 là hợp kim không thể xử lý nhiệt để tăng cường đặc tính cơ học mà chủ yếu phát triển độ bền qua làm lạnh biến dạng (cold work) và có thể thay đổi bằng quá trình ủ hoặc tiếp xúc nhiệt có kiểm soát. Quá trình xử lý hòa tan và lão hóa kết tủa áp dụng cho các hợp kim có xử lý nhiệt không tạo ra hiệu quả tương tự ở 5183 nên thiết kế không nên mong đợi đặc tính dạng T6. Thay vào đó, ủ (điều kiện O) làm vật liệu mềm nhất với độ dẻo tối đa; làm lạnh biến dạng có kiểm soát tạo ra các độ cứng H với giới hạn chảy và bền kéo cao hơn.

Chu trình nhiệt trong quá trình hàn hoặc tạo hình nóng có thể làm mềm một phần các độ cứng đã bị làm lạnh biến dạng và gây ra giảm cứng cục bộ vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Do không có cơ chế lão hóa kết tủa để hồi phục, độ bền mất đi do quá ủ hoặc ủ không thể phục hồi ngoại trừ làm lạnh biến dạng lại. Các độ cứng ổn định (như H116) được sử dụng để giới hạn sự thay đổi đặc tính trong quá trình vận hành và hàn bằng cách kết hợp làm lạnh biến dạng có kiểm soát với ổn định nhiệt nhằm giảm thiểu nhạy cảm với ăn mòn ứng suất và biến đổi tính chất.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Khi nhiệt độ tăng, 5183 giảm giới hạn chảy và độ bền kéo do sự suy giảm tăng cứng hòa tan Mg và gia tốc quá trình hồi phục. Nhiệt độ làm việc liên tục thực tế thường giới hạn khoảng 100–150 °C cho các ứng dụng chịu lực; tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao hơn có thể làm giảm đáng kể năng lực cơ học và tăng tốc độ creep. Quá trình oxy hóa nhôm ít hơn thép, nhưng có thể xuất hiện vảy bề mặt và mất liên kết cơ học do suy yếu ranh giới hạt khi tiếp xúc nhiệt cao kéo dài.

Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) tạo ra bởi hàn rất nhạy vì nhiệt độ cục bộ gần điểm nóng chảy và gây biến đổi vi cấu trúc; thiết kế nên tránh các điều kiện kết hợp nhiệt độ cao và ứng suất kéo ổn định trong môi trường clorua nhằm hạn chế rủi ro nứt ăn mòn ứng suất (SCC). Với các trường hợp tiếp xúc nhiệt độ cao ngắn hạn, nên xem xét tăng tiết diện, thiết kế giảm ứng suất, và lớp phủ bảo vệ để duy trì hiệu suất dài hạn.

Ứng dụng

Ngành công nghiệp	Ví dụ về chi tiết	Lý do sử dụng 5183
Hàng hải	Vỏ tàu, sàn boong, vách ngăn	Khả năng chống ăn mòn trong nước biển xuất sắc và tỷ lệ bền trên trọng lượng tốt
Ô tô & Giao thông	sàn rơ moóc, tấm kết cấu	Khả năng tạo hình tốt và chống ăn mòn do muối rã đông đường
Hàng không Vũ trụ & Quốc phòng	Cấu trúc phụ, tấm, phụ kiện	Độ bền, độ dai va đập và khả năng hàn thuận lợi cho các kết cấu lớn được gia công
Bình áp / Nhiệt độ cực thấp	Bình chứa khí hóa lỏng, thiết bị nhiệt độ cực thấp	Độ dai va đập tốt ở nhiệt độ thấp và khả năng hàn
Điện tử / Quản lý nhiệt	Vỏ bọc, khung máy	Độ dẫn nhiệt cao kết hợp với khả năng chống ăn mòn

Sự kết hợp giữa độ bền trung bình đến cao, khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn đạt chuẩn hàng hải giúp 5183 được sử dụng rộng rãi cho các kết cấu và chi tiết vận hành trong môi trường khắc nghiệt. Sự phù hợp đặc biệt của nó cho các kết cấu hàn, gia công lắp ráp và các bộ phận yêu cầu cả tính dẻo dai