Nhôm 535: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn trạng thái nhiệt & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim nhôm 535 thuộc nhóm 5xxx là hợp kim nhôm-magie cán nguội, đặc trưng bởi magiê là nguyên tố hợp kim chính. Nhóm 5xx không thể xử lý nhiệt và chủ yếu dựa vào sự làm cứng dung dịch rắn và làm cứng biến dạng để đạt được tính chất cơ học cao, với một số nguyên tố phụ như mangan và crôm được thêm vào để kiểm soát cấu trúc hạt và cải thiện khả năng chống ăn mòn.

Nguyên tố hợp kim chính trong 535 là magiê với hàm lượng khoảng vài phần trăm, được hỗ trợ bởi lượng nhỏ mangan và các nguyên tố vi lượng giúp làm tinh thể vi cấu trúc và ảnh hưởng đến khả năng làm cứng khi gia công. Các đặc tính nổi bật bao gồm độ bền trung bình đến cao đối với hợp kim không xử lý nhiệt, khả năng chống ăn mòn nói chung và trong môi trường biển tốt, tính hàn thuận lợi với một số loại que hàn, cùng khả năng tạo hình nguội tốt khi ở trạng thái đã ủ mềm.

Các ngành công nghiệp thường sử dụng 535 gồm đóng tàu biển và hàng hải, cấu trúc vận tải và ô tô nơi tiết kiệm trọng lượng và chống ăn mòn là yếu tố quan trọng, cũng như sản xuất chung cho bình áp suất và tấm kiến trúc. Hợp kim này được chọn khi thiết kế cần tổ hợp giữa độ bền cao hơn nhôm nguyên chất và độ bền môi trường vượt trội mà không phải chịu phức tạp hoặc chi phí của các quy trình xử lý nhiệt.

So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt, 535 tránh được chu trình hoà tan và lão hóa, duy trì tính chất ổn định sau khi hàn và sử dụng lâu dài trong môi trường có chứa chloride. Lựa chọn hợp kim này thường dựa trên sự cân bằng giữa độ bền, tính hàn và chi phí, nơi yêu cầu độ bền tĩnh trung bình đến cao và khả năng chịu mỏi tốt trong điều kiện ăn mòn.

Các biến thể trạng thái (temper)

Temper	Cấp độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (18–25%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái đã ủ mềm hoàn toàn để tạo hình và dập sâu
H111 / H112	Trung bình-Thấp	Trung bình-Cao (12–18%)	Rất tốt	Rất tốt	Gia công cứng nhẹ, temper đa dụng
H14 / H18	Trung bình	Trung bình (8–14%)	Tốt	Tốt	Được làm cứng thương mại đến độ bền trung bình
H22 / H24	Trung bình-Cao	Trung bình (8–12%)	Chấp nhận được	Tốt	Tăng cường làm cứng biến dạng cho các bộ phận chịu lực
H32 / H116	Cao	Thấp hơn (6–12%)	Hạn chế	Tốt	Được ổn định hoặc giải ứng lực cho các ứng dụng hàn/biển
T5 / T6 / T651	Không áp dụng / Không phổ biến	Thay đổi	Thay đổi	Thay đổi	Chỉ tiêu xử lý nhiệt không áp dụng cho hợp kim nhóm 5xxx; liệt kê để tham khảo

Temper lựa chọn cho 535 trực tiếp điều khiển sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai: temper ủ mềm (O) tối đa hóa khả năng tạo hình trong khi các cấp H tăng dần giới hạn chảy và bền kéo đổi lấy độ giãn dài giảm. Các trạng thái ổn định cấp biển như H116 hay H321 được sử dụng để giảm hiện tượng làm mềm sau hàn và đảm bảo tính nhất quán khi sử dụng trong kết cấu hàn.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.25	Giữ thấp để tránh tạo pha kết tủa gây hại, cải thiện tương thích đúc
Fe	≤ 0.50	Nguyên tố tạp chất; Fe quá nhiều tạo pha giòn ảnh hưởng xấu đến độ dẻo
Mn	0.3–1.0	Tinh hạt; cải thiện độ bền và giảm ăn mòn cục bộ
Mg	3.0–4.5	Nguyên tố chủ đạo cho độ bền; tăng khả năng chống ăn mòn
Cu	≤ 0.10	Giữ tối thiểu để bảo toàn khả năng chống ăn mòn và giảm nguy cơ chịu ăn mòn ứng suất (SCC)
Zn	≤ 0.25	Lượng thấp được chấp nhận; Zn cao có thể giảm khả năng chống ăn mòn
Cr	0.05–0.25	Kiểm soát cấu trúc hạt và duy trì ổn định độ bền khi chịu nhiệt
Ti	≤ 0.10	Thêm vi lượng để tinh hạt trong sản phẩm đúc hoặc cỡ lớn
Khác	Cân bằng Al	Nhôm chiếm phần còn lại, bao gồm các nguyên tố cho phép theo quy định

Hàm lượng magiê vừa phải là nhân tố chính tăng cường độ bền dung dịch rắn và nâng cao khả năng chống ăn mòn anodic, đặc biệt trong môi trường clorua. Mangan và crôm đóng vai trò ổn định vi cấu trúc, ngăn ngừa sự phát triển hạt quá mức trong quá trình gia công và hàn, giúp duy trì độ dai va đập và giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt.

Tính chất cơ học

Hành vi kéo của hợp kim 535 phụ thuộc chặt chẽ vào trạng thái temper và lịch sử gia công. Ở trạng thái đã ủ mềm (O), hợp kim thể hiện độ dẻo cao và độ bền kéo trung bình, phù hợp với các thao tác dập sâu và tạo hình phức tạp. Làm cứng biến dạng lên các cấp temper H giúp tăng đáng kể giới hạn chảy nhưng giảm độ giãn dài, điều quan trọng trong các ứng dụng kết cấu yêu cầu độ cứng cao và khả năng chống biến dạng vĩnh viễn.

Giới hạn chảy và độ bền kéo cũng bị ảnh hưởng bởi chiều dày; sản phẩm mỏng thường có khả năng làm cứng biến dạng cao hơn và độ bền tăng nhẹ so với tấm dày do khác biệt trong quá trình xử lý. Độ cứng tỉ lệ với temper và được sử dụng như chỉ số thực tế để đánh giá mức độ làm cứng biến dạng cũng như khả năng làm mềm sau nhiệt. Khả năng chịu mỏi khá tốt đối với hợp kim nhôm không xử lý nhiệt, nhất là khi được gia công tránh tạo các vùng tập trung ứng suất và giữ nguyên khả năng chống ăn mòn.

Tính chất	Trạng thái O/Đã ủ	Các temper chính (ví dụ H32 / H116)	Ghi chú
Độ bền kéo (UTS)	200–260 MPa	320–360 MPa	UTS tăng đáng kể với làm cứng biến dạng; giá trị cụ thể phụ thuộc độ dày
Giới hạn chảy (0.2% offset)	80–120 MPa	210–260 MPa	Giới hạn chảy nhạy cảm nhất với temper và lịch sử gia công nguội
Độ giãn dài	18–25%	6–14%	Độ dẻo giảm khi temper H cao; chế độ gãy vẫn dẻo
Độ cứng (HB)	40–55 HB	75–95 HB	Độ cứng tăng theo làm cứng biến dạng, dùng cho kiểm tra chất lượng

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	~2.66–2.70 g/cm³	Thấp hơn một chút so với nhiều loại thép, giúp tiết kiệm trọng lượng
Nhiệt độ nóng chảy	~570–645 °C	Phạm vi từ nhiệt độ rắn đến lỏng điển hình cho hợp kim nhôm-magie cán nguội
Độ dẫn nhiệt	~120–150 W/m·K	Khả năng dẫn nhiệt tốt; phụ thuộc hàm lượng hợp kim và trạng thái temper
Độ dẫn điện	~28–42 % IACS	Giảm so với nhôm nguyên chất do hợp kim; vẫn phù hợp cho các chi tiết dẫn điện
Nhiệt dung riêng	~0.90 J/g·K	Tương đương các hợp kim nhôm khác; quan trọng cho các tính toán liên quan nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Giãn nở nhiệt vừa phải; cần tính toán bù trừ khi thiết kế bộ phận ghép nối

Độ dẫn nhiệt cao tương đối và độ dẫn điện vừa phải khiến 535 là lựa chọn hợp lý cho các chi tiết quản lý nhiệt đồng thời yêu cầu khả năng chống ăn mòn. Mật độ kết hợp với độ bền riêng cao cho phép tỷ lệ bền trên trọng lượng thuận lợi cho các bộ phận kết cấu. Cần lưu ý đến sự giãn nở nhiệt trong các cụm chi tiết ghép từ nhiều vật liệu khác nhau nhằm tránh biến dạng hoặc vấn đề về độ kín khi nhiệt độ dao động trong hoạt động.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước Tiêu biểu	Hành vi độ bền	Temper Thường dùng	Ghi chú
Tấm (sheet)	0.3–6.0 mm	Độ bền cao hơn ở các độ dày cán nguội	O, H111, H32	Sử dụng rộng rãi cho các chi tiết tạo hình và tấm vỏ
Tấm dày (plate)	6–150 mm	Độ dẻo thấp hơn ở tiết diện dày; năng suất nhiệt trong gia công quan trọng	O, H116	Phổ biến trong thành tàu và kết cấu chịu lực
Thanh đùn (extrusion)	Độ dày thành >1 mm	Độ bền thay đổi theo tiết diện và quá trình làm nguội	O, H111	Dùng cho biên dạng kết cấu và khung
Ống (tube)	Độ dày thành 0.5–10 mm	Gia công thẳng và uốn ảnh hưởng tính chất cuối cùng	O, H32	Ống chịu áp suất và ống kết cấu dùng trong môi trường biển
Thanh tròn (bar/rod)	Đường kính Ø 6–100 mm	Làm cứng biến dạng hạn chế ở tiết diện lớn	O, H112	Dùng cho chi tiết gia công và bu lông ốc vít

Các sản phẩm dạng tấm mỏng và cán nguội thường được làm ổn định hoặc ủ mềm nhằm nâng cao khả năng kháng ăn mòn ứng suất, trong khi sản xuất tấm dày tập trung kiểm soát quá trình cán và lịch sử hoà tan để duy trì độ dai va đập. Công đoạn đùn đòi hỏi thiết kế khuôn chính xác để kiểm soát ứng suất dư và giảm biến dạng trong quá trình thẳng, còn hàn tấm hay cấu trúc đùn thường yêu cầu sử dụng que hàn phù hợp với hàm lượng magiê của hợp kim.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	535	Hoa Kỳ	Định danh dùng trong một số catalog nhà cung cấp; thuộc nhóm hợp kim Al-Mg
EN AW	~5xxx	Châu Âu	Liên quan chặt chẽ đến hợp kim dòng EN AW 5xxx; độ tương đồng phụ thuộc hàm lượng Mg
JIS	Dòng A5xxx	Nhật Bản	Có các mác tương đương trong nhóm hợp kim rèn Al-Mg của Nhật
GB/T	Dòng Al-Mg	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc tương tự thành phần hợp kim dòng 5xxx

Các định danh số tương đương giữa các tiêu chuẩn chỉ mang tính xấp xỉ do giới hạn phần tử và kiểm soát tạp chất khác nhau tùy từng tiêu chuẩn. Khi thay thế vật liệu giữa các tiêu chuẩn, kỹ sư cần kiểm tra giới hạn Mg, Mn và các nguyên tố vi lượng cũng như điều kiện nhiệt luyện để đảm bảo tính tương đương về cơ học và khả năng chống ăn mòn.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Hợp kim nhôm 535 có khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt trong môi trường khí quyển và công nghiệp nhờ vào lớp oxit nhôm bảo vệ, được tăng cường bởi tác dụng ổn định mà magie mang lại cho lớp màng thụ động. Trong môi trường biển và chứa chloride, 535 hoạt động tốt so với nhiều hợp kim có thể xử lý nhiệt, mặc dù hiện tượng pitting cục bộ có thể xảy ra khi lớp phủ bảo vệ bị tổn hại hoặc tại các khe hở.

Mức độ nhạy cảm với nứt ăn mòn ứng suất (SCC) của 535 thấp hơn so với các hợp kim dòng 2xxx có hàm lượng đồng cao và được kiểm soát bằng hàm lượng đồng thấp cùng lựa chọn trạng thái nhiệt luyện phù hợp; tuy nhiên, các trạng thái nhiệt luyện gia công lạnh nặng có thể tăng nguy cơ dưới ứng suất kéo trong môi trường ăn mòn mạnh. Tương tác galvanic với các vật liệu quý hơn như thép không gỉ có thể tăng tốc ăn mòn cục bộ trên 535 nếu không có cách điện hoặc bảo vệ hy sinh.

So với các dòng 6xxx và 7xxx, 535 có khả năng chống chloride vượt trội nhưng độ bền đạt được thấp hơn so với hợp kim 6xxx/7xxx được xử lý lão hóa ở đỉnh. Nhà thiết kế thường ưu tiên 535 cho các chi tiết kết cấu biển nhờ sự cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và tính hàn tốt, cũng như không chịu sự làm mềm sau hàn phụ thuộc trạng thái nhiệt như nhiều hợp kim xử lý nhiệt khác.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

535 dễ dàng hàn bằng các phương pháp hàn hồ quang phổ biến như TIG và MIG với nguy cơ ứng suất nứt nóng thấp khi sử dụng kim loại phụ và thiết kế mối nối phù hợp. Kim loại phụ tương thích với thành phần Al-Mg (ví dụ, các dòng ER5356/5183) được khuyến nghị để giữ khả năng chống ăn mòn và giảm thiểu pha liên kết hạt. Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt có thể bị làm mềm trong trạng thái nhiệt luyện làm việc sâu, vì vậy xử lý giảm ứng suất sau hàn hoặc chọn trạng thái làm ổn định thường được áp dụng cho các ứng dụng kết cấu.

Khả năng gia công cơ khí

Với đặc tính hợp kim Al-Mg không xử lý nhiệt, 535 có tính gia công ở mức trung bình, nói chung dễ gia công hơn nhiều hợp kim cường độ cao nhưng không nhẹ cắt như một số hợp kim đúc Al-Si. Dụng cụ cacbua và tốc độ cắt vừa phải kèm lượng dung dịch làm mát đầy đủ sẽ đạt sự cân bằng tốt nhất giữa tuổi thọ dao và bề mặt thành phẩm. Mảnh vụn phôi thường liên tục và dẻo; kiểm soát và thoát phoi là yêu cầu quan trọng cho các vận tốc ăn dao cao.

Khả năng tạo hình

Ở trạng thái anneal (O), 535 thể hiện khả năng tạo hình rất tốt, có thể thực hiện kéo sâu, uốn và dập phức tạp với bán kính uốn nhỏ so với chiều dày. Gia công lạnh sang trạng thái H sẽ tăng cường độ bền nhưng giảm khả năng tạo hình; nhà thiết kế nên chọn O hoặc H111 cho chi tiết cần tạo hình nhiều và dự kiến bù co lại khi dùng các trạng thái H32/H116. Tạo hình nóng ít khi cần nhưng có thể áp dụng để cải thiện khả năng kéo cho tiết diện dày.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Thuộc nhóm 5xxx, 535 không phản ứng với các quy trình xử lý nhiệt giải lão cổ điển và không có cơ chế tăng cứng lão hóa kiểu T6 rõ rệt. Việc điều chỉnh độ bền chủ yếu đạt được thông qua gia công lạnh có kiểm soát và lựa chọn trạng thái nhiệt luyện H phù hợp, đôi khi kết hợp với ổn định nhiệt độ thấp để giảm nguy cơ nhạy cảm hóa.

Gia nhiệt hoàn toàn về trạng thái anneal (O) được thực hiện bằng cách gia nhiệt trong phạm vi riêng biệt của hợp kim, thường từ 300–415 °C, rồi làm nguội có kiểm soát nhằm phục hồi độ dẻo và làm mềm vật liệu. Nhà thiết kế thường áp dụng chu trình ổn định hóa giảm ứng suất hoặc chỉ gia nhiệt nhẹ để giải phóng ứng suất dư mà vẫn giữ được khả năng chống ăn mòn, thay vì tăng cường độ bền cực đại.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Độ bền của 535 suy giảm khi nhiệt độ tăng; mất mát đáng kể về giới hạn chảy và độ bền kéo xảy ra trên khoảng 100–150 °C dưới tải trọng kéo liên tục. Với các lần chịu nhiệt gián đoạn lên đến ~200 °C trong thời gian ngắn có thể chấp nhận được, nhưng làm việc kéo dài ở nhiệt độ cao sẽ làm hồi phục cấu trúc gia công lạnh và giảm các tính chất cơ học.

Sự oxy hóa ở nhiệt độ cao bị hạn chế bởi lớp alumina bảo vệ, nhưng tiếp xúc lâu dài có thể dẫn đến hiện tượng bong tróc và làm thô cấu trúc vi mô, gây suy giảm khả năng chịu mỏi. Vùng hàn đặc biệt nhạy cảm với chu trình nhiệt nên việc quản lý nhiệt và ổn định sau xử lý nhiệt cần được xem xét cho các cụm chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao.

Ứng Dụng

Ngành nghề	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng 535
Ô tô	Tấm kết cấu và gia cố	Độ bền trên trọng lượng tốt và khả năng tạo hình thuận lợi cho các chi tiết dập
Hàng hải	Tấm vỏ, thành phần siêu cấu trúc	Khả năng chống ăn mòn nước biển xuất sắc và tính hàn tốt
Hàng không	Phụ kiện thứ cấp và giá đỡ	Chống ăn mòn cao với độ bền cạnh tranh cho các chi tiết không đòi hỏi cao về cơ tính
Điện tử	Vỏ hộp và tấm tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt hợp lý và khả năng chống ăn mòn tốt

535 thường được chọn cho các ứng dụng cần hiệu suất chống ăn mòn bền vững kết hợp với khả năng chế tạo tốt. Khả năng hàn, tạo hình và hoàn thiện mà không cần chu trình nhiệt phức tạp khiến nó trở nên hấp dẫn cho cả ứng dụng hàng hải và kết cấu nói chung, nơi độ bền bỉ và chi phí vòng đời quan trọng.

Gợi Ý Lựa Chọn

Chọn 535 khi bạn cần hợp kim nhôm có độ bền trung bình, khả năng chống ăn mòn tốt và dễ dàng hàn, tạo hình mà không cần chu trình nhiệt luyện. Đây là lựa chọn thực tế cho kết cấu hàng hải và giao thông nơi khả năng chống ăn mòn chloride và độ nguyên vẹn mối hàn là ưu tiên.

So với nhôm tinh khiết thương mại như 1100, 535 đánh đổi khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cũng như khả năng tạo hình hơi giảm để đổi lấy độ bền cao hơn đáng kể và hiệu quả cấu trúc tốt hơn. So với các hợp kim cường độ làm việc như 3003 hoặc 5052, 535 thường có độ bền cao hơn cùng khả năng chống ăn mòn tương đương hoặc tốt hơn, nhưng có thể kém linh hoạt hơn 3003 ở một số trạng thái nhiệt luyện. So với hợp kim xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 535 thường được ưu tiên khi tính chất sau hàn và chống ăn mòn biển quan trọng hơn việc đạt độ bền cực đại.

Khi quyết định, ưu tiên yêu cầu hàn và chống ăn mòn trong vận hành khi chọn 535, đồng thời xem xét lựa chọn trạng thái H để cân bằng giữa tạo hình và độ bền cuối cùng. Chi phí và khả năng cung cấp thường thuận lợi cho 535, nhưng cần xác nhận trạng thái nhiệt luyện và kích thước tấm/phiến từ nhà cung cấp địa phương để phù hợp quy trình gia công.

Tóm Tắt Chung

Hợp kim nhôm 535 vẫn là vật liệu kỹ thuật có giá trị nhờ kết hợp sự tăng cứng dung dịch rắn magie, khả năng chống ăn mòn cao và tính hàn tuyệt vời, cung cấp một lựa chọn thực dụng thay thế cho cả các hợp kim thương mại cường độ thấp và các mác cường độ cao có thể xử lý nhiệt. Phản ứng gia công lạnh dự đoán được và đa dạng trạng thái nhiệt luyện sẵn có làm cho nó trở thành lựa chọn linh hoạt cho các ứng dụng hàng hải, giao thông và gia công tổng hợp nơi độ bền bỉ và khả năng chế tạo là yếu tố then chốt.