Nhôm 5450: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

5450 là một trong các hợp kim nhôm thuộc series 5xxx, nhóm hợp kim đặc trưng bởi magiê là nguyên tố hợp kim chính. Series 5xxx là các hợp kim không thể xử lý nhiệt, trong đó độ bền nâng cao chủ yếu nhờ tăng cường hòa tan rắn bởi Mg và từ quá trình làm cứng cơ học (strain hardening) khi áp dụng.

Nguyên tố hợp kim chính trong 5450 là magiê (định lượng khoảng giữa đến cao trong đơn vị phần trăm khối lượng), kết hợp với kiểm soát mangan, sắt và lượng vết của Cu, Si, Zn và Cr để điều chỉnh độ bền, cấu trúc hạt và tính chống ăn mòn. Cơ chế tăng cường là không thể xử lý nhiệt: độ bền thu được từ Mg hòa tan rắn và quá trình làm lạnh cơ học; không dùng lão hóa nhân tạo để tăng cường độ bền cực đại.

Những đặc điểm nổi bật của 5450 bao gồm sự kết hợp của độ bền tương đối cao đối với hợp kim không thể xử lý nhiệt, khả năng chống ăn mòn tổng quát tốt (đặc biệt trong môi trường khí quyển và nước biển nhẹ), khả năng hàn rất tốt với kim loại điền đầy nhôm thông thường, và độ dẻo gia công tốt trong điều kiện tôi mềm. Những đặc tính này làm cho 5450 trở nên hấp dẫn cho các ứng dụng kết cấu yêu cầu cân bằng giữa tỷ lệ bền trên trọng lượng, khả năng chống ăn mòn và tính hàn tốt.

Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng hợp kim nhóm này bao gồm đóng tàu và kết cấu hàng hải, linh kiện ô tô và vận tải, bình áp lực, và một số cấu trúc phụ trong hàng không vũ trụ. Kỹ sư chọn 5450 thay vì các hợp kim khác khi cần độ bền cao hơn ở trạng thái gia công và hiệu suất hàn/sơn vượt trội mà không phải chịu chi phí và biến dạng từ các hợp kim đã xử lý nhiệt.

Biến thể nhiệt luyện

Biến thể nhiệt luyện	Cấp độ độ bền	Độ kéo dài	Khả năng gia công	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn tôi mềm, tốt nhất cho tạo hình và dập sâu
H111	Thấp–Trung bình	Cao	Rất tốt	Rất tốt	Làm cứng cơ học nhẹ, không xác định rõ; vẫn giữ khả năng tạo hình tốt
H14	Trung bình	Trung bình	Khá	Rất tốt	Bán cứng; phổ biến cho tấm yêu cầu độ bền vừa phải
H22	Trung bình	Trung bình	Khá	Rất tốt	Làm cứng cơ học và được ổn định bằng xử lý nhiệt để tăng ổn định
H32	Trung bình–Cao	Trung bình	Trung bình	Rất tốt	Làm cứng cơ học và ổn định; dùng rộng rãi cho tấm kết cấu
H34	Cao	Thấp hơn	Trung bình–Kém	Rất tốt	Điều kiện cứng tối đa dùng khi cần độ cứng cao và chấp nhận độ dẻo thấp

Biến thể nhiệt luyện được chọn cho 5450 ảnh hưởng mạnh đến tính cơ học và khả năng gia công; biến thể O tôi mềm cho độ dẻo tối đa và cho phép tạo hình phức tạp, trong khi các biến thể H đánh đổi độ dẻo lấy giá trị giới hạn chảy và bền kéo cao hơn. Độ ổn định trong quá trình gia công, bao gồm khả năng chống giãn ứng suất và biến đổi biến thể ở vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn, được kiểm soát bởi biến thể H cụ thể và các xử lý ổn định đi kèm.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Khoảng %	Ghi chú
Si	≤ 0.40	Chất khử oxy và điều chỉnh độ bền; giữ thấp để bảo vệ chống ăn mòn
Fe	≤ 0.50	Nguyên tố tạp; Fe cao có thể tạo hợp chất liên kim ảnh hưởng đến khả năng gia công
Mn	0.2–1.0	Duỗi hạt, cải thiện độ bền và khả năng chống tái kết tinh
Mg	3.5–5.5	Nguyên tố tăng cường chính; kiểm soát tăng cường hòa tan rắn và hành vi ăn mòn
Cu	≤ 0.25	Thêm ít để tăng độ bền nhưng ở mức cao có thể giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	≤ 0.25	Giữ thấp để giảm nguy cơ ăn mòn điện hóa và ăn mòn cục bộ
Cr	0.05–0.25	Kiểm soát cấu trúc hạt và cải thiện chống ăn mòn tại biên hạt
Ti	≤ 0.15	Duỗi hạt cho vật liệu đúc hoặc phôi đùn; thường còn sót lại trong hợp kim kéo nguội
Khác	Cân bằng Al, tạp chất vết	Các thành phần phụ và tạp chất được kiểm soát để đạt yêu cầu cơ học và chống ăn mòn

Thành phần hóa học được điều chỉnh để Mg cung cấp cơ chế tăng cường chính, trong khi Mn và Cr với lượng nhỏ kiểm soát kích thước hạt, hành vi tái kết tinh và độ dai va đập. Hàm lượng thấp của Si, Fe và Cu được duy trì nhằm tránh sự xuất hiện các hạt hợp chất liên kim giòn, đồng thời giữ khả năng tạo hình và chống ăn mòn. Cửa sổ thành phần chính xác sẽ khác nhau giữa các nhà cung cấp và tiêu chuẩn nhưng ảnh hưởng của Mg và Mn là trọng tâm trong hiệu suất của 5450.

Tính chất cơ học

Cơ tính kéo của 5450 phụ thuộc mạnh vào biến thể nhiệt luyện. Ở trạng thái tôi mềm, hợp kim thể hiện giới hạn chảy và bền kéo tương đối thấp nhưng độ dãn đều cao, phù hợp cho các thao tác tạo hình phức tạp. Ở các biến thể làm cứng cơ học, giới hạn chảy tăng đáng kể trong khi độ dãn giảm, tạo ra độ cứng cần thiết cho các chi tiết kết cấu.

Giới hạn chảy và bền kéo phụ thuộc vào hàm lượng Mg và mức độ làm cứng cơ học; các biến thể H dùng cho tấm kết cấu cho giá trị giới hạn chảy cao hơn nhiều so với trạng thái tôi mềm nhưng sẽ có điểm giới hạn chảy đặc trưng và khả năng làm cứng khi gia công tiếp theo giới hạn. Độ cứng cũng theo xu hướng tương tự, tăng với mức độ làm cứng cơ học và ổn định với các xử lý nhiệt ổn định.

Hiệu suất chịu mỏi của 5450 được cải thiện nhờ cấu trúc vi mô sạch và kiểm soát tốt bề mặt; độ bền chịu mỏi cao hơn ở các biến thể làm cứng cơ học nhưng nhạy cảm với mối hàn và các khuyết tật gây tập trung ứng suất cục bộ. Ảnh hưởng độ dày rất quan trọng: tấm mỏng dễ làm cứng khi gia công hơn, có độ bền cao hơn nhưng độ dẻo xuyên tâm thấp hơn và các kiểu ứng suất dư khác nhau sau hàn.

Tính chất	O/Tôi mềm	Biến thể chính (ví dụ H32/H34)	Ghi chú
Độ bền kéo	~180–260 MPa (phạm vi điển hình cho nhóm hợp kim)	~260–360 MPa (phụ thuộc mức độ làm cứng cơ học)	Giá trị thay đổi theo độ dày, biến thể và nhà sản xuất; thể hiện phạm vi kỹ thuật điển hình
Giới hạn chảy	~60–150 MPa	~150–320 MPa	Giới hạn chảy tăng nhiều với làm cứng cơ học; ký hiệu biến thể H kiểm soát độ ổn định
Độ kéo dài	~20–35%	~8–18%	Trạng thái tôi mềm cho độ dãn cao nhất; biến thể H giảm độ dẻo
Độ cứng	HB 30–55	HB 60–120	Độ cứng tăng theo lượng làm cứng và phản ánh lịch sử làm cứng 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; hơi cao hơn nhôm tinh khiết do hợp kim hóa
Nhiệt độ nóng chảy	~570–650 °C	Phạm vi từ điểm rắn đến lỏng tùy theo thành phần và các nguyên tố phụ
Độ dẫn nhiệt	~120–160 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn tốt cho tản nhiệt các chi tiết kết cấu
Độ dẫn điện	~30–40 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do Mg và các nguyên tố hợp kim; ảnh hưởng đến EMI và ứng dụng dẫn điện
Nhiệt dung riêng	~880–910 J/kg·K	Gần giống nhôm tinh khiết; hữu ích trong tính toán khối nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Tương tự phần lớn hợp kim nhôm thương mại; quan trọng khi ghép nối với vật liệu khác biệt

Bộ tính chất vật lý này xếp 5450 vào nhóm hợp kim nhôm có tỷ lệ bền trên trọng lượng thuận lợi đồng thời giữ được khả năng dẫn nhiệt và điện đáng kể. Kỹ sư thiết kế cần lưu ý hệ số giãn nở nhiệt khá cao khi liên kết với vật liệu khác và lưu ý giảm dẫn nhiệt so với nhôm tinh khiết trong các ứng dụng tản nhiệt hoặc quản lý nhiệt. Mật độ và nhiệt dung riêng cũng có lợi cho các kết cấu nhẹ, cần quán tính nhiệt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Đặc tính cơ học	Độ cứng thông dụng	Ghi chú
Tấm	0.3–6 mm	Đạt độ bền tốt ở các trạng thái H; được tôi mềm cho gia công sâu	O, H14, H32, H34	Dạng phổ biến nhất; dùng cho các tấm vách và chi tiết tạo hình
Thép tấm dày (plate)	6–150 mm	Độ bền giảm khi độ dày tăng ở cùng trạng thái nhiệt luyện	O, H111, H32 (giới hạn)	Phần dày đòi hỏi kiểm soát vật liệu phôi cán/đúc và lịch sử xử lý nhiệt kỹ lưỡng
Đùn (Extrusion)	Biên dạng đến tiết diện lớn	Độ bền phụ thuộc vào làm nguội và gia công nguội sau đó	O (để tạo hình), H112 (ổn định một phần)	Dùng cho cấu kiện kết cấu và khung; hợp kim phải điều chỉnh phù hợp với vật liệu đùn
Ống	Đường kính và độ dày thành ống tùy ứng dụng	Hàn hoặc liền mối; tính chất cơ học chịu ảnh hưởng bởi phương pháp gia công	O, H32	Phổ biến trong cơ khí và hệ thống dẫn chất lỏng; mối hàn làm thay đổi tính chất tại vùng lân cận
Thanh tròn/Thép cây	Đường kính đến 200 mm	Gia công nguội làm cứng tăng cường độ bền cho thanh kéo	O, H14, H34	Dùng cho chi tiết gia công CNC, bu lông và chi tiết cần độ cứng cao

Việc lựa chọn dạng sản phẩm ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô, độ đồng đều độ bền và các bước gia công. Tấm và thép tấm được cán và có thể trải qua quá trình tôi mềm hoặc ổn định sau cán để điều chỉnh tính chất, trong khi phôi đùn và các chi tiết rèn cần kiểm soát chặt chẽ thành phần phôi và lịch sử nhiệt để tránh oxy hóa bề mặt và đảm bảo ổn định kích thước. Tính hàn và tính chất sau hàn phụ thuộc vào dạng sản phẩm — thép tấm dày thường có xu hướng bị làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhiều hơn và có thể cần ổn định cơ học hoặc nhiệt sau hàn.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	5450	USA	Chỉ định hợp kim gia công trong hệ Mỹ
EN AW	5450	Châu Âu	Chỉ định phổ biến châu Âu; yêu cầu hóa học và cơ học có thể thay đổi tùy theo tiêu chuẩn chi tiết
JIS	A5450 (xấp xỉ)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn địa phương có thể tham khảo các họ hợp kim Al-Mg tương tự với dung sai vùng miền
GB/T	5450 (xấp xỉ)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc đưa ra thành phần tương đương nhưng cần kiểm tra bảng thông số địa phương để biết chính xác

Việc so sánh trực tiếp một-một giữa các tiêu chuẩn có thể chỉ mang tính tương đối vì các tiêu chuẩn khu vực thường cho phép dung sai khác nhau về hàm lượng tạp chất, thử nghiệm tính chất cơ học và dạng sản phẩm. Kỹ sư cần đối chiếu đầy đủ bảng thành phần hóa học và cơ học trong các tiêu chuẩn liên quan và xác minh chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp đối với tấm hoặc tấm thép để đảm bảo khả năng thay thế trong các ứng dụng quan trọng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

5450 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển tổng quát tốt nhờ lớp màng oxide nhôm bảo vệ và sự cân bằng các nguyên tố hợp kim giúp chống lại sự ăn mòn điểm. Trong môi trường biển và chứa chloride, hợp kim thường bền vững, đặc biệt khi được bảo vệ bằng lớp phủ hoặc anod hóa, tuy vậy vùng mối hàn, chỗ bắt bu lông và vết xước có thể bị ăn mòn cục bộ nếu bề mặt không được xử lý đúng cách.

Khả năng bị nứt ăn mòn do ứng suất (SCC) phụ thuộc vào hàm lượng Mg và trạng thái nhiệt luyện; các hợp kim thuộc họ 5xxx với Mg trên khoảng 3.5% có thể bị SCC khi ở trạng thái có độ bền kéo cao hoặc đã nhạy cảm dưới ứng suất kéo liên tục trong môi trường ăn mòn. Hàn tạo ra vùng làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong nhiều trạng thái đã gia công nguội, điều này có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ và hiệu suất cơ học nếu không được tính đến.

Tác động điện hóa galvani tuân theo đặc tính thông thường của nhôm: 5450 là anot so với thép không gỉ và hợp kim đồng, do đó thiết kế nên tránh tiếp xúc trực tiếp mà không dùng vật liệu cách điện hoặc bảo vệ hy sinh. So với các hợp kim dòng 6xxx và 7xxx, 5450 thường có khả năng chống ăn mòn tổng thể và tính hàn tốt hơn nhưng độ bền tối đa thấp hơn các hợp kim 6xxx hoặc 7xxx được tăng tuổi đỉnh; so với dòng 3xxx, 5450 cung cấp độ bền cao hơn đáng kể với tính tạo hình tương đương hoặc hơi giảm.

Tính Chất Gia Công

Tính hàn

5450 rất thích hợp với các phương pháp hàn fusion phổ biến như MIG (GMAW) và TIG (GTAW), thể hiện vùng hồ quang ổn định và khả năng chống nứt nóng thấp khi chọn đúng vật liệu phụ và thông số hàn. Vật liệu phụ điển hình cho các hợp kim họ 5xxx như ER5183 và ER5356, được lựa chọn để phù hợp về độ bền, tính chống ăn mòn và kiểm soát sự hấp thụ hydro; ER5356 thường được ưu tiên cho mối hàn cần thẩm mỹ và bề mặt anod hóa. Làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt là một vấn đề thực tiễn ở các trạng thái đã gia công nguội, do đó nhà thiết kế nên cân nhắc thiết kế mối hàn, ổn định cơ học trước/sau hàn và chiến lược tăng cường sau hàn nếu cần.

Tính gia công cơ khí

Tính gia công của 5450 ở mức trung bình đến khá; tương tự nhiều hợp kim Al-Mg khác, có thể gây dính dao và sinh phoi dài nếu không sử dụng bộ phá phoi hoặc phương pháp gia công gián đoạn. Nên dùng dụng cụ carbide với góc cắt dương và hình dạng sắc nét cùng tốc độ cắt vừa phải và làm mát bằng chất lỏng dồi dào để tránh tích dính dao và kiểm soát nhiệt. Bề mặt hoàn thiện và độ chính xác kích thước thường tốt nếu chọn đúng chế độ chạy dao và vật liệu dụng cụ phù hợp với tính dẻo của hợp kim.

Tính tạo hình

Gia công tạo hình tốt nhất khi ở trạng thái tôi mềm (O) cho phép bán kính uốn nhỏ nhất và tạo hình sâu dễ dàng. Ở các trạng thái H, bán kính uốn cần tăng và khi tạo hình phải tính đến độ giãn giảm cũng như độ hồi đàn hồi; bán kính uốn trong của tối thiểu cho các trạng thái H14–H32 thường khoảng 1–2 lần độ dày vật liệu tùy thuộc dụng cụ và hình dạng chi tiết. Nếu cần tạo hình nhiều sau hàn hoặc gia công nguội, có thể cần tôi mềm trung gian để phục hồi độ dẻo, song phải được đưa vào quy trình sản xuất.

Hành Vi Khi Xử Lý Nhiệt

5450 là hợp kim không thể xử lý nhiệt để tăng cường; tính chất cơ học không được cải thiện đáng kể bởi quá trình tôi dung dịch và tăng tuổi nhân tạo truyền thống. Tăng cường độ bền đạt được bằng cách hòa tan Mg vào dung dịch rắn và gia công nguội khi có thể. Tôi mềm (tôi hoàn toàn đến trạng thái O) thực hiện bằng cách nung đến nhiệt độ thích hợp nhằm giảm ứng suất dư và phục hồi độ dẻo; chu trình tôi mềm cụ thể phụ thuộc vào độ dày và dạng sản phẩm.

Ổn định nhiệt (ví dụ như qua quá trình nhiệt già hóa quá mức kiểm soát ở nhiệt độ thấp hoặc xử lý nhiệt nhẹ) có thể áp dụng để ổn định trạng thái H chống lại lão hóa ứng suất và giảm mức độ làm mềm trong vận hành hoặc khi hàn. Các cố gắng áp dụng quá trình xử lý nhiệt kiểu T (dành cho hợp kim cường độ nhờ kết tủa) sẽ không tạo ra độ bền tối đa như các hợp kim 6xxx hoặc 7xxx đối với 5450 và do đó không được dùng để tăng cường.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Giống như hầu hết hợp kim nhôm, 5450 giảm dần độ bền khi nhiệt độ tăng; nhiệt độ làm việc liên tục thường giới hạn dưới 200 °C để tránh giảm đáng kể giới hạn chảy và khả năng chống creep. Đối với nhiều ứng dụng kết cấu, nhiệt độ làm việc tối đa thường chọn trong khoảng 100–150 °C để duy trì biên độ cơ học an toàn.

Oxy hóa ở nhiệt độ cao được hạn chế bởi lớp oxit nhôm bảo vệ, nhưng tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô gần các ranh giới hạt và thúc đẩy các hiện tượng ăn mòn cục bộ trong môi trường ăn mòn mạnh. Vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn và vùng đã gia công nguội trước đó đặc biệt nhạy cảm với các đợt nhiệt và nên được đánh giá kỹ về suy giảm tính chất theo chu trình nhiệt hoạt động dự kiến.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi Tiết	Lý do sử dụng 5450
Ô tô & Vận tải	Gia cường cấu trúc, chi tiết quản lý va chạm	Kết hợp độ bền cao ban đầu và tính hàn tốt cho kết cấu hàn
Hàng hải	Tấm thân tàu, kết cấu boong, gá đỡ	Khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường nước biển và tương thích cao với đinh tán/mối hàn
Hàng không (phụ trợ)	Phụ kiện, cửa truy cập, các phần hệ thống sàn	Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng tốt và tính chất gia công phù hợp cho cấu trúc phụ
Bình áp & Bồn chứa	Vỏ bình, phụ kiện	Cân bằng độ bền và dẻo dai với tính hàn tốt cho chi tiết áp lực hàn
Điện tử & Quản lý nhiệt	Gá cố định, vỏ có yêu cầu tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt đủ dùng và độ bền cơ học cao hơn nhôm tinh khiết

5450 được lựa chọn cho những chi tiết yêu cầu độ bền cao hơn các hợp kim gia công nguội thông thường mà không gây ảnh hưởng lớn về tiến độ và rủi ro biến dạng do các quá trình xử lý nhiệt tăng cường kết tủa. Bộ tính chất cân bằng này cho phép sản xuất các chi tiết hàn, tạo hình và gia công phay trên nhiều ứng dụng vận tải và hàng hải.

Gợi Ý Lựa Chọn

Đối với kỹ sư lựa chọn vật liệu, 5450 là lựa chọn hợp lý khi cần độ bền từ trung bình đến cao, tính hàn xuất sắc và khả năng chống ăn mòn tốt, ưu tiên hơn tối đa hóa độ dẫn điện hoặc các độ bền tối đa của hợp kim xử lý nhiệt. So với nhôm tinh khiết thương mại như 1100, 5450 đánh đổi độ dẫn điện/nhiệt và khả năng tạo hình để đổi lấy giới hạn chảy và độ bền kéo cao hơn nhiều.

So với các hợp kim đã gia công làm cứng như 3003 hoặc 5052, 5450 thường cung cấp giới hạn bền tĩnh cao hơn đáng kể trong khi vẫn giữ khả năng chống ăn mòn tương đương; điểm đánh đổi là khả năng tạo hình thấp hơn ở các trạng thái làm nguội lạnh và chi phí vật liệu có thể cao hơn. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 5450 sẽ không đạt được cường độ chịu kéo tối đa sau quá trình lão hóa nhưng thường được ưu tiên khi tính hàn vượt trội, nguy cơ biến dạng thấp hơn và hiệu suất chống ăn mòn trong môi trường biển quan trọng hơn độ bền kéo tối đa có thể đạt được.

Sử dụng 5450 khi các ưu tiên thiết kế chú trọng đến gia công hàn, độ bền chống ăn mòn trong môi trường khí quyển/biển và cường độ nền cao hơn có thể được điều chỉnh thông qua trạng thái gia công lạnh hoặc temper thay vì xử lý nhiệt.

Tóm tắt cuối

5450 vẫn giữ vị trí là một hợp kim nhôm dòng 5xxx bền bỉ, cung cấp sự cân bằng hấp dẫn giữa độ bền, khả năng chống ăn mòn và tính thân thiện với gia công cho các ứng dụng kết cấu có hàn và tạo hình. Tính không thể xử lý nhiệt của nó làm đơn giản hóa quy trình sản xuất và kiểm tra, khiến nó trở thành lựa chọn hiệu quả khi yêu cầu hiệu suất cơ học sau gia công ổn định và độ bền dịch vụ lâu dài.