Nhôm 5454: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

5454 là một thành viên của dãy hợp kim nhôm gia công 5xxx (Al-Mg), đặc trưng với magiê là nguyên tố hợp kim chính. Nó thường được ký hiệu là AlMg3 trong nomenclature châu Âu và thuộc nhóm hợp kim có độ bền trung bình trong các hợp kim magiê, cân bằng giữa hiệu suất cơ học và khả năng chống ăn mòn xuất sắc.

Nguyên tố hợp kim chính là magiê và các lượng mangan được kiểm soát nhằm cải thiện độ bền và cấu trúc tinh thể. 5454 là hợp kim không thể xử lý nhiệt để tăng cường; việc tăng cường chủ yếu dựa vào sự tăng cường dung dịch rắn từ magiê và quá trình làm cứng do biến dạng trong gia công nguội thay vì qua xử lý nhiệt kết tủa.

Các đặc tính chính của 5454 bao gồm độ bền kéo tốt cho một hợp kim không xử lý nhiệt, khả năng chống ăn mòn biển và khí quyển mạnh, tính hàn tốt bằng các phương pháp hàn phổ biến, và khả năng tạo hình tốt khi ở trạng thái ủ hoặc gia công nhẹ. Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 5454 gồm hàng hải, vận tải, bình áp suất, và các kết cấu chung đòi hỏi khả năng chống ăn mòn và độ bền vừa phải.

Kỹ sư chọn 5454 thay cho các hợp kim khác khi cần sự kết hợp giữa độ bền tốt hơn nhôm thương mại tinh khiết và khả năng chống ăn mòn vượt trội hơn một số hợp kim có độ bền cao hơn. Nó thường được chọn khi tính hàn, hiệu suất sau hàn và độ bền làm việc trong môi trường chứa chloride quan trọng hơn việc đạt mức độ bền riêng cao nhất so với các hợp kim có thể xử lý nhiệt.

Các Biến Thể Temper

Temper	Cấp Độ Bền	Độ Dãn	Khả Năng Tạo Hình	Tính Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao (20–35%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái ủ hoàn toàn để đạt độ dẻo tối đa
H111 / H112	Thấp–Trung Bình	Cao–Trung Bình	Rất Tốt	Xuất sắc	Gia công biến dạng nhẹ hoặc làm việc nhẹ; thường được cung cấp để dễ dàng tạo hình
H14	Trung Bình	Trung Bình (8–15%)	Tốt	Xuất sắc	Bán cứng (quarter-hard), phổ biến cho ứng dụng tấm với độ bền cải thiện
H16	Trung Bình–Cao	Giảm	Khá–Tốt	Xuất sắc	Bán cứng (half-hard), đánh đổi độ bền cao hơn với giảm độ dẻo
H18	Cao	Thấp	Hạn Chế	Xuất sắc	Cứng hoàn toàn, dùng khi cần độ bền và độ cứng cao hơn
H24	Trung Bình	Trung Bình	Tốt	Xuất sắc	Gia công biến dạng và ủ một phần; cân bằng giữa khả năng tạo hình và độ bền
T5 / T6 / T651	Không phổ biến	Không phổ biến	Không phổ biến	Không phổ biến	Các ký hiệu temper dành cho hợp kim xử lý nhiệt; thường không áp dụng cho 5454

Temper có ảnh hưởng trực tiếp và có thể dự đoán đến tính chất của 5454 vì nó không thể xử lý nhiệt để tăng cường. Các temper ủ (O) tối đa hóa độ dẻo và khả năng chống ăn mòn, là lựa chọn tốt nhất cho các công đoạn dập sâu và tạo hình nguội nghiêm trọng.

Khi quá trình làm cứng biến dạng tăng (từ H14 đến H18), giới hạn chảy và giới hạn bền kéo tăng lên trong khi độ dãn dài và khả năng uốn giảm dần. Vì 5454 không phản ứng với chu trình hòa tan + lão hóa, kiểm soát temper được thực hiện bằng cách gia công cơ học và ủ nhiệt có kiểm soát thay vì xử lý kết tủa.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	≤ 0.30	Tạp chất; hạn chế thấp để giữ khả năng chống ăn mòn và độ dẻo
Fe	≤ 0.40	Tạo hợp chất intermetallic; kiểm soát để giới hạn suy giảm độ dai
Mn	0.40–1.20	Cải thiện độ bền và cấu trúc hạt; hỗ trợ kiểm soát tái tinh thể hóa
Mg	2.6–3.6	Nguyên tố tăng cường chính; cung cấp tăng cường dung dịch rắn và khả năng chống ăn mòn
Cu	≤ 0.10	Giữ thấp để tránh giảm khả năng chống ăn mòn và hiện tượng ăn mòn điện hóa
Zn	≤ 0.20	Nhỏ; quá nhiều Zn có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn
Cr	≤ 0.25	Thêm hàm lượng nhỏ trong một số biến thể để kiểm soát cấu trúc hạt và tái tinh thể hóa
Ti	≤ 0.15	Chất tinh luyện hạt trong các biến thể đúc; ảnh hưởng nhỏ trong sản phẩm cán
Khác	≤ 0.15 mỗi nguyên tố, ≤ 0.35 tổng cộng	Các thành phần tạp và thêm vết; kiểm soát để duy trì tính chất hợp kim

Hàm lượng magiê tương đối cao (khoảng 3 wt%) là yếu tố chi phối tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của 5454. Các bổ sung mangan ở mức vừa phải và có mục đích; giúp bù đắp sự yếu đi ở ranh giới hạt và góp phần tăng cường mà không ảnh hưởng xấu đến khả năng chống ăn mòn. Hàm lượng đồng và silic thấp đảm bảo màng oxide tự nhiên hình thành vẫn giữ được tính bảo vệ trong môi trường biển và công nghiệp.

Tính Chất Cơ Học

5454 thể hiện đặc tính giới hạn chảy/giới hạn bền kéo điển hình của các hợp kim 5xxx cường độ trung bình, với độ dẻo đáng kể ở temper ủ và sự tăng dần về độ bền cùng với sự làm cứng biến dạng. Giới hạn chảy tăng đáng kể từ temper O đến các temper nửa cứng và cứng hoàn toàn trong khi độ bền kéo cũng tăng nhưng thường đi kèm với sự giảm mạnh về độ dãn. Hợp kim cho thấy độ dai tốt và khả năng hấp thụ năng lượng so với nhiều hợp kim nhôm xử lý nhiệt có độ bền cao hơn.

Hiệu suất chịu mỏi ở môi trường không có chloride là hợp lý nhưng nhạy cảm với điều kiện bề mặt, vết hàn và các vùng tập trung ứng suất. Các mối hàn thường có vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị mềm hơn so với kim loại nền đã làm cứng do biến dạng; thiết kế nên tính toán đến sự giảm cục bộ về giới hạn chảy và giới hạn chịu mỏi. Độ dày và dạng sản phẩm ảnh hưởng đến các giá trị cơ học — tấm dày thường có giới hạn chảy đo được thấp hơn do sự không đồng nhất cấu trúc vi mô và khả năng tồn tại ứng suất dư.

Độ cứng tăng cùng mức độ làm cứng biến dạng; hợp kim ở trạng thái ủ có giá trị Brinell/Vickers thấp trong khi các temper H16–H18 đạt độ cứng cao hơn đáng kể. Mối tương quan giữa độ cứng và độ bền kéo đủ mạnh để kiểm tra nhanh trên sàn sản xuất, tuy nhiên nên thực hiện kiểm tra kéo đầy đủ đối với các chi tiết quan trọng và mối hàn.

Tính Chất	O / Ủ	Temper Chính (ví dụ H16/H18)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo (UTS)	~95–150 MPa	~200–310 MPa	Phạm vi rộng tùy temper và dạng sản phẩm; tấm và thanh có sự khác biệt
Giới Hạn Chảy (0.2% offset)	~30–70 MPa	~120–240 MPa	Hiện tượng mềm vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn làm giảm giới hạn chảy cục bộ
Độ Dãn	~20–35%	~4–15%	Temper ủ cung cấp độ dẻo cao nhất; temper cứng hoàn toàn có độ dãn hạn chế
Độ Cứng (HB)	~25–45 HB	~60–110 HB	Độ cứng tương quan với mức độ gia công nguội, hữu ích để kiểm soát quá trình

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.66–2.70 g/cm³	Điển hình cho các hợp kim Al-Mg gia công, dùng trong tính toán khối lượng và độ cứng
Khoảng Nhiệt Độ Nóng Chảy	~590–645 °C	Nhiệt độ rắn và lỏng thay đổi tùy vào thành phần chính xác và tạp chất
Độ Dẫn Nhiệt	~120–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn cao; quan trọng trong thiết kế tản nhiệt và kết cấu nhiệt
Độ Dẫn Điện	~32–38 %IACS	Giảm so với nhôm nguyên chất do thêm các nguyên tố hợp kim
Nhiệt Dung	~880–910 J/kg·K	Hữu ích cho tính toán truyền nhiệt và dung lượng nhiệt
Hệ Số Giãn Nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Giá trị giãn nở nhiệt điển hình của các hợp kim nhôm

Mật độ và đặc tính nhiệt khiến 5454 trở nên hấp dẫn cho các cấu trúc yêu cầu khối lượng nhẹ và khả năng tản nhiệt tốt, như thân tàu biển và đầu trao đổi nhiệt. Độ dẫn nhiệt vẫn đủ cao để đáp ứng nhiều nhiệm vụ quản lý nhiệt, mặc dù không bằng nhôm tinh khiết hoặc một số hợp kim 6xxx có cấu trúc vi mô khác.

Độ dẫn điện ở mức trung bình; 5454 không được chọn cho các ứng dụng dẫn điện yêu cầu độ dẫn cao IACS nhưng có thể dùng khi cần sự kết hợp giữa hiệu suất cơ học/khả năng chống ăn mòn và độ dẫn điện vừa đủ. Các yếu tố giãn nở nhiệt được tính toán theo chuẩn cho thiết kế nhôm và phải được chú ý khi sử dụng cấu trúc kết hợp nhiều vật liệu.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi cơ học	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–6 mm	Đồng đều; nhạy với hướng cán	O, H111, H14, H16	Được sử dụng rộng rãi cho panel, vỏ bọc và lớp phủ tàu thủy
Đĩa/ Tấm dày	6–150 mm	Giới hạn chảy đo được thấp hơn một chút ở tiết diện dày	O, H111	Dùng cho thành phần kết cấu và chi tiết chịu áp lực
Ép đùn	Hình dạng biên dạng đến tiết diện lớn	Độ bền biến đổi theo tiết diện và làm nguội	O, H111, H14	Phù hợp cho khung kết cấu và ray; cần kiểm soát quy trình để phân bố Mg đồng đều
Ống	Đường kính lên đến vài trăm mm	Độ bền trục và vòng tốt khi được làm nguội lạnh	O, H16, H18	Phổ biến cho ống dẫn trong ngành biển và vận tải, cũng như ống kết cấu
Thanh/ Dây	Đường kính đa dạng	Đồng đều cao trong tiết diện ngang	H14–H18	Dùng cho phụ kiện gia công, bu lông đai ốc và chi tiết chế tạo

Quy trình gia công và dạng sản phẩm ảnh hưởng đến đặc tính cơ học và độ cứng đạt được. Tấm cán mỏng đến trung bình phản ứng dự đoán được với quá trình làm cứng biến dạng và tôi annealing, trong khi các tấm dày hơn cần cán mạnh hơn và kiểm soát làm nguội để đạt được tính chất đồng nhất.

Ép đùn và ống đòi hỏi chú ý đến khử đồng nhất và kiểm soát rỗ tổ chức bên trong vì hợp kim giàu Mg có thể bị phân tách thành phần trong tiết diện dày. Việc chọn độ cứng tại giai đoạn sản phẩm là cơ bản để phù hợp với các công đoạn tạo hình và yêu cầu sử dụng cuối cùng.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	5454	USA	Chỉ định của Aluminum Association thường dùng trong các tiêu chuẩn Bắc Mỹ
EN AW	5454	Châu Âu	Chỉ định phổ biến châu Âu (AlMg3); được chuẩn hóa trong EN 573/754 cho sản phẩm rèn dập
JIS	A5454	Nhật Bản	Biến thể theo Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật với hàm lượng Mg và yêu cầu cơ học tương tự
GB/T	5454	Trung Quốc	Mác tiêu chuẩn Trung Quốc phù hợp với dải hóa học và tính chất cơ học quốc tế

Việc tương đương giữa các tiêu chuẩn nhìn chung gần nhưng không hoàn toàn giống nhau; giới hạn tạp chất cho phép và phương pháp thí nghiệm cơ tính quy định có thể khác nhau. Kỹ sư nên kiểm tra chéo chứng chỉ nhà máy và tiêu chuẩn quốc gia về giới hạn tính chất theo độ dày, độ cứng và quy trình gia công cho phép trước khi chốt tiêu chí chấp nhận vật liệu.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

5454 có khả năng chống ăn mòn khí quyển rất tốt và đặc biệt phù hợp với môi trường biển vì ma trận giàu magiê tạo thành lớp oxit/hiđroxit bền vững và tự phục hồi. Trong điều kiện nước tĩnh giàu chloride, có thể xảy ra ăn mòn dạng điểm nếu màng bảo vệ bị hư hại hoặc tồn tại cặp điện hóa galvanic mạnh, nhưng 5454 cho hiệu suất tốt hơn nhiều so với các hợp kim có chứa đồng trong môi trường này.

Độ nhạy ăn mòn ứng suất (SCC) của 5454 thấp so với các hợp kim nhôm có cường độ cao hơn, nhưng nguy cơ SCC tăng lên khi chịu ứng suất kéo trong môi trường chloride ấm kết hợp với ứng suất dư do hàn. Quy trình thiết kế khuyến cáo tránh quá ứng suất kéo, kiểm soát ứng suất dư hàn và sử dụng xử lý sau hàn hoặc bảo vệ catốt trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.

Tương tác galvanic cần được quản lý khi 5454 ghép với kim loại quý hơn nhôm (ví dụ thép không gỉ, đồng), đặc biệt trong môi trường biển. Sử dụng bu lông tương thích, lớp cách điện hoặc anot hy sinh giúp giảm ăn mòn galvanic và kéo dài tuổi thọ so với cặp vật liệu không kiểm soát.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

5454 dễ dàng hàn với các phương pháp hàn nóng chảy phổ biến như MIG (GMAW) và TIG (GTAW). Chất hàn được khuyến nghị thường là ER5356 hoặc ER5183 để đạt độ bền cao hơn hoặc chống ăn mòn tốt hơn, lựa chọn phù hợp với hóa học hợp kim cơ sở và kiểm soát rỗ tổ chức, độ dẻo. Nguy cơ nứt nóng thấp hơn so với một số hợp kim dòng 2xxx và 7xxx, nhưng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) thường bị làm mềm và mất độ cứng biến dạng; kết cấu hàn cần được thiết kế để chịu được giảm giới hạn chảy tại vùng HAZ.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 5454 ở mức trung bình đến khá so với hợp kim dễ gia công hoặc hợp kim nhôm silic đúc; hợp kim này gia công tốt hơn nhiều loại hợp kim rèn dập cường độ cao nhưng kém hơn nhôm tinh khiết. Nên sử dụng dao cụ carbide hoặc thép gió sắc bén, ăn dao trung bình đến cao, tốc độ cắt thấp với làm mát/làm trơn tốt nhằm kiểm soát phoi dài và tránh bám dao. Bề mặt và độ chính xác kích thước thường tốt nếu tối ưu được công cụ và tốc độ cho hợp kim nhôm.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình rất tốt ở trạng thái tôi annealed và giữ được độ dẻo tốt ở các độ cứng làm việc nhẹ; các quá trình kéo sâu và dập phức tạp ưu tiên trạng thái O hoặc H111. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào độ cứng và độ dày; thông thường trong xưởng áp dụng bán kính trong từ 2–3 lần độ dày cho H14/H16 và giảm xuống còn 1–2 lần độ dày với tấm tôi annealed hoàn toàn. Gia công nguội làm tăng giới hạn chảy và bền kéo nhưng giảm độ giãn dài và có thể gây hồi lực, cần tính đến trong thiết kế khuôn.

Hành Vi Ứng Xử Nhiệt

5454 là hợp kim không thể xử lý nhiệt và không đáp ứng với chu trình xử lý nhiệt hòa tan + lão hóa như các hợp kim dòng 6xxx hoặc 7xxx. Thử xử lý nhiệt hòa tan và lão hóa sẽ không tạo ra cơ chế làm cứng kết tủa hiệu quả đặc trưng của các dòng hợp kim có thể xử lý nhiệt.

Tính chất cơ học được kiểm soát bằng làm cứng biến dạng và các quá trình nhiệt như tôi annealing. Nhiệt độ tôi hoàn toàn cho hợp kim rèn 5xxx thường nằm trong khoảng 300–415 °C tùy dạng sản phẩm và độ dày; tôi trong lò có kiểm soát và làm nguội nhanh hoặc làm nguội chậm được dùng để phục hồi độ dẻo và làm mềm vật liệu.

Tôi trung gian hoặc tôi bán phần (ví dụ để tạo các độ cứng như H24 hoặc độ cứng ổn định) được sử dụng để đạt cân bằng đặc tính cường độ và khả năng tạo hình. Chu trình ổn định hoặc giải ứng suất nhiệt độ thấp có thể giảm ứng suất dư mà không làm thay đổi đáng kể độ bền của hợp kim.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Độ bền của 5454 giảm theo nhiệt độ tăng và bị giảm vừa phải ngay ở nhiệt độ sử dụng trung bình (~trên 100 °C). Tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ khoảng 150–200 °C sẽ làm suy giảm thêm tính chất cơ học do quá trình phục hồi và biến đổi cấu trúc vi mô, nên nhiệt độ làm việc liên tục thường được giới hạn xa thấp hơn mức này.

Ăn mòn oxi hóa ở nhiệt độ cao không phải là vấn đề nghiêm trọng với hợp kim nhôm nhờ lớp oxit bảo vệ, nhưng nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ tạo thành oxit và có thể ảnh hưởng đến bề mặt hoàn thiện và lớp phủ. Vùng hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt chịu làm mềm mạnh hơn khi chịu nhiệt độ cao; thiết kế cần tính đến khả năng creep và giãn nghỉ ứng suất nếu có tải và nhiệt độ duy trì.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi tiết	Lý do dùng 5454
Ô tô	Ống nhiên liệu, tấm thân không chịu lực	Khả năng tạo hình, hàn và chống ăn mòn tốt
Hàng hải	Tấm vỏ tàu, panel giàn trên	Khả năng chống ăn mòn biển xuất sắc và tỷ số bền trên trọng lượng cao
Hàng không	Kết cấu phụ, cửa kiểm tra	Chống ăn mòn và độ bền vừa phải cho kết cấu không chính
Điện tử	Vỏ bọc, tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt đủ dùng và độ bền ăn mòn cao
Bình áp lực / Bồn chứa	Bồn chứa, đường ống	Khả năng hàn tốt và chống nước biển cũng như môi trường công nghiệp

Sự kết hợp giữa khả năng hàn, chống ăn mòn và độ bền trung bình khiến 5454 là lựa chọn đa năng trong nhiều ngành. Hợp kim này đặc biệt được ưa chuộng cho các chi tiết chịu môi trường ăn mòn nơi ưu tiên tiết kiệm chi phí và trọng lượng của nhôm mà vẫn đảm bảo độ bền khi sử dụng.

Gợi Ý Lựa Chọn

Chọn 5454 khi cần hợp kim cân bằng giữa chống ăn mòn, khả năng hàn và độ bền vừa phải mà không phụ thuộc xử lý nhiệt. Hợp kim này đặc biệt phù hợp với ngành biển, vận tải và kết cấu nói chung nơi hiệu suất sau hàn và khả năng chống chloride được ưu tiên.

So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ 1100), 5454 đạt độ bền kéo và chảy cao hơn đáng kể với đánh đổi một chút về dẫn điện và nhiệt. So với các hợp kim làm cứng biến dạng phổ biến như 3003 hoặc 5052, 5454 thường có độ bền cao hơn và chống ăn mòn biển tương đương hoặc tốt hơn, do đó phù hợp hơn cho sử dụng làm tấm vỏ và kết cấu.

So với các hợp kim xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 5454 không đạt được độ bền tối đa nhưng thường được chọn khi yêu cầu chống ăn mòn vượt trội, gia công đơn giản (hàn không cần xử lý nhiệt sau hàn) và độ dẻo cao hơn ở một số độ cứng quan trọng hơn độ bền cực đại.

Tổng Kết

Hợp kim 5454 vẫn là lựa chọn phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhờ mang lại sự kết hợp vững chắc giữa khả năng chống ăn mòn, tính hàn tốt và hiệu suất cơ học ở mức trung bình mà không cần xử lý nhiệt phức tạp. Tính thích hợp của nó trong môi trường biển và ăn mòn, cùng với khả năng gia công dự đoán được trên các dạng tấm, phiến và nhôm đùn, giúp nó trở thành lựa chọn thực tiễn cho các kỹ sư thiết kế và nhà gia công khi cần giải pháp nhôm bền, tiết kiệm chi phí.