Nhôm 5251: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

5251 thuộc nhóm hợp kim nhôm 5xxx, dựa trên magie, là loại hợp kim không thể xử lý nhiệt, mang lại sự cân bằng giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn. Thành phần hóa học của nó thuộc nhóm hợp kim Al-Mg(-Mn) trong đó magie là nguyên tố làm tăng cường chính và mangan kiểm soát cấu trúc tinh thể thứ cấp.

Độ bền của 5251 chủ yếu đến từ cơ chế làm cứng rắn hòa tan và làm cứng biến dạng; hợp kim này không thể được tăng cường đáng kể bằng xử lý nhiệt kết tủa. Các đặc tính chính gồm độ bền trung bình đến cao cho hợp kim không xử lý nhiệt, khả năng chống ăn mòn khí quyển và biển tốt, tính dễ dập khuôn xuất sắc ở trạng thái ủ và khả năng hàn tốt với các quy trình hàn hợp kim nhôm điển hình.

Các ngành công nghiệp thường sử dụng 5251 bao gồm tấm nội ngoại thất ô tô, cấu kiện kết cấu hàng hải, hệ thống kiến trúc và xây dựng, cùng một số ứng dụng trong vận tải và kỹ thuật tổng hợp. Kỹ sư lựa chọn 5251 khi thiết kế cần một hợp kim chống ăn mòn, có độ bền tốt hơn nhôm tinh khiết thương mại và độ dẻo dai vượt trội so với nhiều hợp kim có xử lý nhiệt.

5251 được ưu tiên hơn các hợp kim khác khi cần kết hợp khả năng tạo hình nguội, độ bền trung bình và hiệu suất bề mặt bền lâu trong khi giữ chi phí chế tạo thấp và tránh các chu trình làm già cứng. Hồ sơ sử dụng của nó thường khiến nó được chọn thay vì các hợp kim hy sinh khả năng chống ăn mòn để đạt độ bền đỉnh cao hơn.

Biến thể trạng thái nhiệt luyện

Trạng thái	Độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (18–30%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Ủ hoàn toàn; thích hợp cho dập sâu và tạo hình phức tạp
H12	Thấp–Trung bình	Trung bình (12–20%)	Rất tốt	Rất tốt	Gia công nguội nhẹ để tăng cường nhẹ
H14	Trung bình	Trung bình (10–18%)	Tốt	Rất tốt	Cứng một phần; phổ biến cho ứng dụng tấm
H22	Trung bình	Trung bình (10–18%)	Tốt	Rất tốt	Ổn định nhiệt sau ủ một phần
H24	Trung bình–Cao	Thấp hơn (8–14%)	Khá	Tốt	Đã làm cứng biến dạng và ủ một phần
H32	Cao	Thấp (6–12%)	Hạn chế	Tốt	Đã làm cứng biến dạng và ổn định; trạng thái nhiệt luyện kết cấu phổ biến
Trạng thái T (T5 / T6 / T651)	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	5251 là hợp kim không thể xử lý nhiệt; trạng thái T không phù hợp

Trạng thái nhiệt luyện ảnh hưởng quyết định đến phạm vi cơ học của 5251: trạng thái O cung cấp độ dẻo tối đa cho tạo hình trong khi các trạng thái H tăng dần giới hạn chảy và bền kéo với sự giảm dãn dài. Khả năng hàn duy trì tốt ở các trạng thái vì 5251 không dựa vào làm già cứng, nhưng vùng chịu ảnh hưởng nhiệt có thể làm mềm cục bộ trạng thái làm cứng biến dạng và giảm cường độ cục bộ.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.25	Tạp chất; hàm lượng thấp để giữ khả năng chống ăn mòn
Fe	≤ 0.40	Phổ biến làm tạp chất có thể hình thành các hợp chất liên kim ảnh hưởng độ dẻo
Mn	0.20–0.80	Kiểm soát cấu trúc tinh thể và phục hồi; giảm tái tinh thể hóa
Mg	2.0–3.0	Nguyên tố chính tăng cường qua dung dịch rắn; cải thiện khả năng chống ăn mòn
Cu	≤ 0.10–0.15	Giữ ở mức thấp để tránh giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	≤ 0.20	Nhỏ; lượng nhỏ chấp nhận được mà không làm thay đổi tính chất lớn
Cr	≤ 0.25	Có thể có để kiểm soát tăng trưởng tinh thể và cải thiện khả năng chống tái tinh thể hóa
Ti	≤ 0.15	Chất tinh luyện hạt khi được thêm có chủ ý; thường là phần còn lại
Khác	≤ 0.05 mỗi nguyên tố / ≤ 0.15 tổng	Các nguyên tố vết và phần còn lại giới hạn theo tiêu chuẩn

Thành phần 5251 được thiết kế tận dụng cơ chế làm cứng dung dịch rắn do magie mang lại trong khi giảm thiểu các nguyên tố thúc đẩy hình thành liên kim hoặc ăn mòn cục bộ. Mn và Cr đóng vai trò ổn định vi cấu trúc và giúp hợp kim giữ độ bền sau gia công nhiệt vừa, trong khi Cu thấp cùng Fe và Si kiểm soát giúp duy trì khả năng chống ăn mòn cao và độ dẻo tốt.

Tính chất cơ học

5251 thể hiện đặc trưng ứng suất kéo của dòng hợp kim 5xxx gia công nguội: dẻo dai và dai va đập ở trạng thái ủ với sự tăng rõ rệt giới hạn chảy và bền kéo khi làm cứng biến dạng. Giới hạn chảy tăng đáng kể với các trạng thái H trong khi tỷ số bền kéo trên giới hạn chảy vẫn ở mức vừa phải, tạo ra đặc tính biến dạng dẻo dự đoán được, rất hữu ích cho các hoạt động tạo hình. Độ dãn dài giảm khi độ bền tăng, do đó các công đoạn tạo hình và hoàn thiện cần được thực hiện trước hoặc kiểm soát trong quá trình làm cứng biến dạng.

Độ cứng tỷ lệ thuận với trạng thái nhiệt luyện; hợp kim ủ có độ cứng Brinell/Vickers thấp trong khi trạng thái H nâng độ cứng vào phạm vi phù hợp cho ứng dụng kết cấu. Hiệu suất mỏi nói chung tốt cho môi trường biển và khí quyển nhờ cơ chế phá hủy dẻo và khả năng chống ăn mòn cục bộ; tuy nhiên giới hạn mỏi giảm khi độ dày tăng và điều kiện bề mặt kém đi. Độ dày ảnh hưởng cả giới hạn chảy và khả năng tạo hình: tấm mỏng dễ tạo hình hơn, trong khi các đoạn dày giữ được độ bền xuyên qua chiều dày và ít bị nứt xuyên chiều dày khi uốn.

Tính chất	Trạng thái O / Ủ	Trạng thái chính (H32)	Ghi chú
Độ bền kéo	95–155 MPa	240–310 MPa	Phạm vi tùy thuộc gia công nguội và độ dày; H32 cung cấp độ bền kết cấu phổ biến
Giới hạn chảy	30–80 MPa	170–220 MPa	Tăng đáng kể từ trạng thái O đến H32 do làm cứng biến dạng
Độ dãn dài	18–30%	6–12%	Độ dãn giảm khi độ cứng trạng thái tăng
Độ cứng	20–45 HB	70–95 HB	Độ cứng Brinell ước lượng; thay đổi theo trạng thái và quy trình xử lý

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.68 g/cm³	Tiêu chuẩn cho hợp kim Al-Mg; tỷ lệ độ bền trên khối lượng tốt
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	≈ 600–655 °C	Phạm vi nhiệt độ bắt đầu đến kết thúc nóng chảy điển hình của hợp kim nhôm rèn
Độ dẫn nhiệt	≈ 120–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn cao; hữu ích cho quản lý nhiệt
Độ dẫn điện	≈ 28–38 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do hợp kim; đủ dùng cho một số ứng dụng dẫn điện
Nhiệt dung riêng	≈ 0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	Tiêu chuẩn cho hợp kim nhôm; hữu ích trong tính toán khối nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt	≈ 23–24 µm/m·K	Tương đương các hợp kim Al khác; quan trọng khi lắp ghép đa vật liệu

5251 giữ được các tính chất dẫn nhiệt và điện thuận lợi so với nhiều hợp kim kết cấu, làm cho nó hữu dụng trong các ứng dụng đòi hỏi cả dễ tạo hình và dẫn nhiệt. Mật độ và đặc tính giãn nở nhiệt hỗ trợ thiết kế nhẹ và ổn định nhiệt, tuy nhiên nhà thiết kế nên tính đến sự giảm nhẹ độ dẫn so với nhôm nguyên chất khi yêu cầu chính xác về hiệu suất nhiệt hoặc điện.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/kích thước phổ biến	Đặc tính độ bền	Trạng thái nhiệt luyện phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–4.0 mm	Phù hợp với trạng thái nhiệt luyện; tấm mỏng dễ tạo hình hơn	O, H14, H24, H32	Dạng phổ biến nhất cho tấm ô tô và bảng kiến trúc
Đĩa	4–25 mm	Độ bền xuyên chiều dày cao hơn; khó tạo hình hơn	H22, H24, H32	Dùng cho các chi tiết kết cấu cần độ cứng
Đùn	Tiết diện đa dạng	Độ bền phụ thuộc gia công nguội sau đùn	O, H14	Hình biên dạng đùn thường được gia công thêm để tăng cường độ bền
Ống	Độ dày thành 0.5–6.0 mm	Độ bền và khả năng chịu mỏi phụ thuộc gia công và độ dày thành	O, H14, H32	Dùng trong hệ thống kết cấu nhẹ và ống hàng hải
Thanh / Que	6–100 mm	Khối lượng lớn đảm bảo khả năng gia công tốt	O, H12, H14	Dùng cho chi tiết gia công cơ khí, phụ kiện và liên kết

Sự khác biệt trong dạng sản phẩm kiểm soát các trạng thái nhiệt luyện và tính chất cơ học cuối cùng; tấm mỏng được sản xuất và xử lý để tối đa hóa tính tạo hình trong khi đĩa và đùn dày chủ yếu dùng cho các thành phần chịu lực. Các quy trình như cán nguội, ủ và ổn định được sử dụng để điều chỉnh độ dẻo hoặc độ bền trước khi chế tạo và hoàn thiện cuối cùng.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	5251	Hoa Kỳ	Tên gọi hợp kim Mỹ tiêu chuẩn cho 5251 cán
EN AW	5251	Châu Âu	Phiên bản EN tương đồng gần với thành phần và các loại tôi luyện theo AA
JIS	A5251 (xấp xỉ)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật tham chiếu các mác Al-Mg tương tự; kiểm tra đặc tính địa phương
GB/T	5251 (xấp xỉ)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc sử dụng mã số tương tự; xác nhận dung sai địa phương

Bảng mác tương đương mang tính xấp xỉ do các yêu cầu kỹ thuật khu vực có thể khác nhau về giới hạn tạp chất, quy trình sản xuất và định nghĩa loại tôi luyện. Khi thay thế hợp kim giữa các tiêu chuẩn, kỹ sư nên kiểm tra thành phần hóa học, tính chất cơ học và yêu cầu chứng nhận thay vì chỉ dựa vào số hiệu tương ứng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

5251 cung cấp khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt đặc trưng của hợp kim Al-Mg; màng oxit nhôm tự nhiên kết hợp với hàm lượng magiê giúp nâng cao hiệu suất trong môi trường ngoài trời và môi trường có tính ăn mòn nhẹ. Hợp kim này có khả năng chịu được môi trường biển và vùng ven biển tổng quát, tuy nhiên khả năng chống rỗ phụ thuộc vào hoàn thiện bề mặt và hàm lượng Mg so với các hợp kim Al-Mg có hàm lượng Mg cao hơn.

Độ nhạy ứng suất ăn mòn nứt của 5251 thấp hơn so với một số hợp kim Al-Mg cao cường hơn; do không dùng tôi luyện kết tủa, hợp kim tránh được cơ chế nứt ăn mòn ứng suất do kết tủa phụ trợ thường gặp ở các hợp kim có thể xử lý nhiệt. Tiếp xúc với kim loại quý hơn hoặc vật liệu cathod có thể tạo cặp điện galvanic; nhà thiết kế nên tránh nối trực tiếp với thép không gỉ hoặc đồng nếu dự kiến tiếp xúc nước liên tục mà không có vật liệu cách điện ngăn cách.

So với hợp kim series 6xxx, 5251 có khả năng chống ăn mòn tổng quát tốt hơn nhưng cường độ tối đa thấp hơn. So với hợp kim series 3xxx và 1xxx, 5251 đánh đổi sự giảm nhẹ về khả năng tạo hình và dẫn điện để lấy khả năng kết cấu cao hơn và hành vi chống ăn mòn tốt hơn trong môi trường chứa chloride.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

5251 dễ hàn bằng các phương pháp MIG (GMAW) và TIG (GTAW) sử dụng dây hàn bổ sung hợp kim nhôm series 4xxx và 5xxx. Các loại dây hàn khuyến nghị bao gồm ER4043 (silicon) để giảm nguy cơ nứt và ER5356 hoặc ER5183 (dây hàn Al-Mg) khi cần đáp ứng tương đương về cường độ và khả năng chống ăn mòn; giảm thiểu độ xốp thông qua khớp nối khít và làm sạch bề mặt tốt. Nguy cơ nứt nóng thấp hơn so với các hợp kim có thể xử lý nhiệt, nhưng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong các loại tôi luyện gia công biến dạng sẽ bị mềm đi và giảm cường độ cục bộ.

Khả năng gia công cơ khí

Khả năng gia công cơ khí của 5251 ở mức trung bình tốt và thường tốt hơn hợp kim 5xxx có cường độ cao hơn do cân bằng giữa dẻo dai và cường độ; hợp kim này không phải là nhôm dễ gia công. Dụng cụ cacbua với góc nghiêng dương và chiến lược tốc độ thức ăn cao, tốc độ cắt thấp sẽ cho bề mặt và tuổi thọ dụng cụ tốt nhất. Kiểm soát phoi thường đạt được với dụng cụ sắc và làm mát thích hợp; tránh làm cứng quá mức vùng cắt ngay lập tức.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình ở loại tôi luyện O rất tốt cho các phép dập sâu, uốn và dập phức tạp, với độ nhớt thấp hơn so với các loại hợp kim có độ cứng cao hơn. Bán kính uốn khuyến nghị phụ thuộc vào độ dày và loại tôi luyện nhưng thường theo các quy tắc thông thường cho nhôm (ví dụ, bán kính trong ≥ 1–2× độ dày cho loại tôi luyện H và ≥ 0,5–1× độ dày cho loại tôi luyện O). Tôi luyện lạnh là phương pháp gia cường chính, vì vậy các bước tạo hình liên tiếp và ủ hồi phục có kiểm soát là thực hành điển hình để đạt hình dạng phức tạp mà không bị nứt.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

5251 được phân loại là hợp kim không thể xử lý nhiệt; nó không đạt được sự gia cường kết tủa đáng kể thông qua quá trình xử lý dung dịch và tôi luyện tuổi già. Việc áp dụng các quá trình tôi luyện T-type sẽ không tạo ra tăng cường độ như các hợp kim 6xxx và 7xxx và có thể gây ra các tác động vi cấu trúc không mong muốn.

Tôi luyện lạnh thông qua biến dạng lạnh là cơ chế chính để nâng cao giới hạn chảy và giới hạn bền kéo. Việc tôi anneal tiêu chuẩn (ví dụ, tôi anneal hoàn toàn thành O) sẽ phục hồi độ dẻo dai qua quá trình hồi phục và tái tinh thể hóa, và các kiểu xử lý ổn định (ký hiệu H3x/H4x) được sử dụng để giảm thiểu sự thay đổi sau đó về tính chất cơ học trong quá trình gia công hoặc sử dụng.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Nhiệt độ cao làm giảm cường độ của 5251 dần dần, với sự mềm hóa đáng kể thường xảy ra trên 100–150 °C tùy thuộc vào loại tôi luyện và mức ứng suất. Tiếp xúc liên tục với nhiệt độ gần điểm nóng chảy của hợp kim không phù hợp; đối với sử dụng nhiệt độ cao gián đoạn, nhà thiết kế phải tính toán giảm khả năng chịu tải và tăng tốc cơ chế creep.

Quá trình oxy hóa ở nhiệt độ dịch vụ giới hạn ở việc hình thành lớp màng oxit nhôm ổn định có tính bảo vệ; không có sự tạo lớp vảy hoặc giòn hóa đáng kể như một số thép. Ổn định nhiệt của các loại tôi luyện lạnh là vừa phải, vì vậy tiếp xúc kéo dài ở nhiệt độ cao vừa phải có thể làm giảm ứng suất dư và giảm giới hạn chảy trong các loại tôi luyện H, đặc biệt vùng gần mối hàn và khu vực chịu biến dạng cao.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng 5251
Ô tô	Tấm body nội và ngoại thất	Khả năng tạo hình tốt và cường độ trung bình; chống ăn mòn
Hàng hải	Tấm kết cấu và phụ kiện không quan trọng	Khả năng chống môi trường nước muối và hiệu suất chịu mỏi tốt
Hàng không	Phụ kiện thứ cấp và tấm che	Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng thuận lợi và chống ăn mòn cho các chi tiết không quan trọng
Điện tử	Khung và tản nhiệt	Khả năng dẫn nhiệt và ổn định chống ăn mòn
Kiến trúc	Tấm vách kính và vật liệu ốp	Khả năng tạo hình cho các hình dáng phức tạp và độ bền ngoài trời lâu dài

5251 chiếm vị trí thực tế khi yêu cầu khả năng tạo hình, chống ăn mòn và cường độ kết cấu hợp lý đồng thời trong khi quá trình xử lý nhiệt sẽ làm tăng chi phí hoặc độ phức tạp. Hợp kim được sử dụng rộng rãi dưới dạng tấm và thanh ép định hình trải qua các bước tạo hình đáng kể trước khi đưa vào ứng dụng cuối cùng.

Gợi Ý Lựa Chọn

5251 là lựa chọn hợp lý khi kỹ sư cần cường độ cao hơn nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ 1100) nhưng vẫn cần khả năng tạo hình và chống ăn mòn tốt. So với 1100, 5251 đổi lấy cường độ cao hơn và dẫn điện/nhiệt thấp hơn một chút để lấy khả năng kết cấu và hành vi chống ăn mòn tốt hơn trong môi trường chloride.

So với các hợp kim gia cường lạnh khác như 3003 và 5052, 5251 thường gần 5052 về cường độ và khả năng chống ăn mòn, cung cấp hiệu suất hàng hải tương đương nhưng thường có khả năng tạo hình tốt hơn các biến thể tôi luyện biến dạng mạnh. Khi nhà thiết kế cần hợp kim có thể xử lý nhiệt mạnh hơn như 6061, 5251 được chọn khi ưu tiên về khả năng chống ăn mòn, hàn hoặc tạo hình ở loại tôi luyện O hơn là đạt cường độ tối đa.

Chọn 5251 khi chu trình gia công gồm nhiều bước tạo hình lạnh hoặc hàn và khi dự kiến tiếp xúc lâu dài với môi trường khí quyển hoặc biển; cân bằng chi phí và khả năng cung cấp với cường độ đỉnh thấp hơn một chút so với các hợp kim có thể xử lý nhiệt.

Tóm Tắt Cuối

5251 vẫn là hợp kim Al-Mg thực tế và phù hợp cho kỹ thuật hiện đại vì tích hợp khả năng tạo hình, hàn và chống ăn mòn với dải cường độ làm việc đạt được nhờ biến dạng lạnh. Hành vi dự đoán được theo các loại tôi luyện, đa dạng dạng sản phẩm và hiệu suất đã được chứng minh trong ngành ô tô, hàng hải và kiến trúc làm cho nó trở thành lựa chọn tin cậy khi cần một nhôm bền bỉ và dễ tạo hình.