Nhôm 6060: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn Độ cứng & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 6060 thuộc nhóm nhôm-magie-khí silicon 6xxx, có thành phần hóa học và ứng dụng gần với 6063 và 6061. Đây chủ yếu là hợp kim Al-Mg-Si, trong đó silic và magie kết hợp tạo thành các pha kết tủa Mg2Si, rất quan trọng cho quá trình tôi luyện tạo độ cứng theo tuổi trong xử lý nhiệt.

Cơ chế làm cứng của 6060 là nhờ kết tủa (có thể xử lý nhiệt) chứ không phải là làm cứng biến dạng đơn thuần, mặc dù một số tính chất cơ học có thể được điều chỉnh qua làm cứng biến dạng trong điều kiện nhiệt độ H. Các đặc tính chính gồm cường độ trung bình đến tốt, khả năng chống ăn mòn rất tốt trong môi trường khí quyển, dễ ép đùn và hàn tốt, cùng khả năng tạo hình thuận lợi khi ở trạng thái ủ mềm.

Các ngành công nghiệp phổ biến sử dụng 6060 bao gồm hệ thống kiến trúc và xây dựng, các chi tiết ép đùn đa dụng, phụ tùng trang trí ô tô và kết cấu chịu tải thấp, cùng một số vỏ thiết bị điện tử và chi tiết tản nhiệt. Hợp kim này thường được lựa chọn thay cho các hợp kim tương tự khi cần cân bằng giữa khả năng ép đùn, bề mặt thành phẩm, độ bền ăn mòn và chi phí hợp lý thay vì sức bền cực đại.

Nhà thiết kế thường chọn 6060 khi chất lượng biên dạng ép đùn, bề mặt anode hóa hay kiểm soát kích thước chặt chẽ là ưu tiên, hoặc khi ứng dụng hưởng lợi từ hàm lượng hợp kim thấp giúp đơn giản hóa quá trình hàn và hoàn thiện bề mặt. Sự kết hợp giữa dễ uốn và khả năng tôi luyện theo tuổi kiểm soát làm cho 6060 là lựa chọn thực tế cho các biên dạng kết cấu trung bình và chi tiết kiến trúc.

Các biến thể nhiệt độ

Nhóm nhiệt độ	Cấp độ cường độ	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Trạng thái ủ mềm hoàn toàn, tốt nhất cho tạo hình và uốn
H14	Trung bình-thấp	Trung bình	Tốt	Tuyệt vời	Làm cứng biến dạng đến trạng thái nửa cứng, có giới hạn tạo hình
T5	Trung bình	Trung bình	Khá	Tốt	Được làm nguội từ ép đùn và già hóa nhân tạo, thường dùng cho ép đùn
T6	Trung bình-cao	Trung bình-thấp	Giới hạn	Tốt	Đã xử lý nhiệt dung dịch và già hóa nhân tạo để đạt sức bền tối ưu
T651	Trung bình-cao	Trung bình-thấp	Giới hạn	Tốt	Tương tự T6 có thêm giãn nở giảm ứng suất bằng kéo căng; cải thiện độ ổn định kích thước

Nhóm nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến tính chất cơ học và khả năng tạo hình vì 6060 là hợp kim có thể tôi luyện theo tuổi, đáp ứng cả xử lý nhiệt dung dịch cùng già hóa nhân tạo và làm việc lạnh. Vật liệu ở trạng thái ủ mềm (O) có độ dẻo tốt nhất và giới hạn chảy thấp nhất, nên là trạng thái bắt đầu ưu tiên cho các quá trình tạo hình sâu.

Các điều kiện nhiệt độ như T5 và T6 tăng cường giới hạn chảy và bền kéo thông qua sự kết tủa kiểm soát Mg2Si, trong khi các biến thể nhiệt độ H cung cấp tính chất trung gian nhờ làm cứng biến dạng; nên lựa chọn nhóm nhiệt độ dựa theo yêu cầu chính là tạo hình, hàn, hay ổn định kích thước.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0,30–0,60	Silic kết hợp với Mg tạo pha kết tủa Mg2Si giúp tôi cứng theo tuổi.
Fe	≤0,35	Sắt là tạp chất tạo các hợp chất intermetallic; hàm lượng Fe cao giảm chất lượng bề mặt ép đùn.
Mn	≤0,10	Ảnh hưởng nhỏ; có thể thay đổi cấu trúc hạt và sức bền phần nào.
Mg	0,35–0,60	Magie kết hợp với Si để tạo pha kết tủa làm tăng cường độ.
Cu	≤0,10	Lượng nhỏ có thể làm tăng cường độ nhưng giảm khả năng chống ăn mòn.
Zn	≤0,20	Hàm lượng thấp; sử dụng cao không phổ biến vì ảnh hưởng đến quá trình kết tủa.
Cr	≤0,05	Lượng rất nhỏ giúp điều chỉnh cấu trúc hạt và quá trình tái kết tinh.
Ti	≤0,10	Thường dùng làm tinh chỉnh kích thước hạt trong quá trình đúc billet.
Khác	≤0,15 mỗi nguyên tố; tổng ≤0,35	Bao gồm Ni, Pb, Sn, Bi và các tạp chất khác có ảnh hưởng giới hạn với hàm lượng thấp.

Silic và magie là cặp nguyên tố chức năng cho tôi luyện theo tuổi; tỷ lệ giữa chúng kiểm soát lượng và phân bố pha kết tủa Mg2Si. Sắt và các tạp chất khác ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt ép đùn và có thể tạo ra các hợp chất thô cứng làm giảm độ dai và mỹ quan một chút.

Các nguyên tố vi lượng như Cr và Ti chủ yếu được dùng để điều chỉnh kích thước hạt và quá trình tái kết tinh trong sản xuất billet và gia công nhiệt-cơ học, ảnh hưởng đến lớp hoàn thiện bề mặt và tính đồng nhất cơ học cuối cùng.

Tính chất cơ học

6060 thể hiện phổ tính chất cơ học rộng phụ thuộc vào nhóm nhiệt độ và độ dày, điển hình cho các hợp kim Al-Mg-Si có thể xử lý nhiệt. Ở trạng thái ủ mềm, hợp kim có độ dẻo tuyệt vời với giới hạn chảy thấp, cho phép sâu đột và uốn cong phức tạp. Qua xử lý nhiệt dung dịch và già hóa nhân tạo thích hợp (T6), sức bền kéo và giới hạn chảy tăng đáng kể, đồng thời độ dãn dài và khả năng tạo hình giảm tương ứng.

Độ cứng tỷ lệ thuận với trạng thái kết tủa và thường tăng khi vật liệu chuyển từ O sang T6, cùng với sự cải thiện giới hạn chảy và bền kéo cuối cùng. Khả năng chịu mỏi ở mức trung bình, phụ thuộc lớn vào bề mặt hoàn thiện, trạng thái ứng suất dư và sự xuất hiện của các điểm tập trung ứng suất hoặc các hạt hợp kim thô cứng. Độ dày ảnh hưởng rõ rệt: các biên dạng ép đùn và tấm mỏng có thể già hóa đồng đều và đạt tính chất nhất quán, trong khi tấm dày có thể có cấu trúc vi mô phân lớp và cần điều chỉnh chế độ xử lý nhiệt.

Nhà thiết kế phải chú ý đến sự mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) khi hàn các hợp kim đã tôi luyện và tránh quá già hóa khi chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao hoặc qua các quá trình gia công nhiệt sau.

Tính chất	O/Ủ mềm	Nhóm nhiệt chính (T6)	Ghi chú
Độ bền kéo	~100–130 MPa	~170–230 MPa	Phạm vi tùy thuộc độ dày mặt cắt và chu trình nhiệt luyện chính xác.
Giới hạn chảy	~30–70 MPa	~120–170 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh ở T5/T6; nhóm H ở mức trung gian.
Độ dãn dài	~20–30%	~6–12%	Độ dai giảm khi cường độ tăng và kích thước pha kết tủa giảm.
Độ cứng (HB)	~25–40 HB	~55–75 HB	Độ cứng Brinell tương ứng với quá trình kết tủa; giá trị thay đổi theo nhiệt độ và phương pháp cán.

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2,70 g/cm³	Điển hình cho hợp kim nhôm, dùng tính toán khối lượng và trọng lượng.
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~610–650 °C	Hợp kim nhôm có khoảng nhiệt độ nóng chảy thấp hơn điểm nóng chảy của nhôm tinh khiết.
Độ dẫn nhiệt	~160–180 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn cao; thích hợp cho chi tiết tản nhiệt.
Độ dẫn điện	~30–35 %IACS	Thấp hơn nhôm tinh khiết do sự có mặt của các nguyên tố hợp kim.
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Phụ thuộc nhiệt độ nhưng hữu ích cho việc tính toán quản lý nhiệt.
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K	Hệ số trung bình; cần lưu ý khi lắp ghép với kim loại khác.

6060 cung cấp khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tốt trong số các hợp kim nhôm kết cấu, hỗ trợ hiệu quả cho các ứng dụng tản nhiệt và vỏ bọc điện nơi cần độ bền vừa phải và truyền nhiệt. Độ dẫn nhiệt khá cao kết hợp với độ cứng tương đối cung cấp khả năng chịu chu trình nhiệt tốt cho nhiều ứng dụng nhiệt độ cao không quá khắt khe.

Nhà thiết kế cần xem xét hệ số giãn nở nhiệt trong các cụm nhiều vật liệu và nhớ rằng độ dẫn và nhiệt dung riêng thay đổi theo nhóm nhiệt độ và hàm lượng tạp chất.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Chuẩn	Đặc Tính Cơ Lực	Độ Ổn Định Nhiệt Thường Gặp	Ghi Chú
Tấm	0.3–6 mm	Đồng đều ở độ dày mỏng; dễ gia công nguội	O, H14, T4	Sử dụng cho panen, mặt dựng, chi tiết kết cấu mỏng
Đĩa (Plate)	>6 mm đến 50 mm	Có thể xuất hiện gradient nhiệt luyện sau xử lý nhiệt	O, T6	Ít phổ biến; dùng khi cần các biên dạng đùn dày hơn
Thanh đùn (Extrusion)	Tiết diện biên dạng đa dạng	Đồng nhất tuyệt vời trong thanh đùn	T5, T6, T651	Phổ biến cho cấu kiện kiến trúc và kết cấu
Ống	Ø nhỏ đến >200 mm	Độ ổn định tốt; hàn hoặc liền mạch	O, T6	Dùng cho khung, băng tải, cấu trúc dẫn chất lỏng
Thanh / Que	Ø vài mm đến 100 mm	Đặc tính thanh thép tiêu biểu; gia công được	O, T6	Dùng cho phụ kiện gia công và chi tiết kết cấu nhỏ

Các công đoạn tạo hình và gia công tiếp theo khác nhau giữa các dạng sản phẩm do tốc độ làm nguội, độ dày tiết diện và ứng suất dư được tạo ra trong quá trình đùn và cán. Thanh đùn thường có bề mặt hoàn thiện và độ chính xác kích thước vượt trội, nên được ưa chuộng cho các ứng dụng kiến trúc đòi hỏi anode hóa và dung sai nghiêm ngặt.

Tấm được ưu tiên trong tạo hình nguội và làm panen nhờ khả năng uốn cong tốt hơn, trong khi đĩa và thanh dày hơn cần xử lý nhiệt mạnh hơn và có thể khó đạt được độ cứng đồng đều do giới hạn làm nguội.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Vùng	Ghi chú
AA	6060	Hoa Kỳ	Chỉ định của Hiệp hội Nhôm Hoa Kỳ cho hợp kim rèn.
EN AW	AlMgSi0.5	Châu Âu	Chỉ định phổ biến tại châu Âu; thành phần tương tự nhóm 6060/6063.
JIS	A6060	Nhật Bản	Chỉ định rèn Nhật Bản với thành phần và ứng dụng tương tự.
GB/T	6060	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc thường tương thích với giới hạn hóa học và cơ lý quốc tế của 6060.

Các mác tương đương phản ánh thành phần và quy trình xử lý gần giống nhau nhưng độ sai khác nhỏ về giới hạn tạp chất, cơ tính yêu cầu và phạm vi phần tử cho phép có thể ảnh hưởng đến hoàn thiện bề mặt đùn và phản ứng già hóa. Chỉ định EN AW tại châu Âu thường tham chiếu thành phần Mg và Si theo phần khối lượng và có thể nhóm 6060 cùng với các hợp kim như 6063 cho mục đích thương mại.

Khi thay thế vật liệu qua vùng hoặc tiêu chuẩn khác nhau, cần kiểm tra chứng chỉ lò luyện chi tiết cho các dung sai quan trọng như hàm lượng Fe, tạp chất còn lại và cơ tính ở trạng thái nhiệt luyện dự kiến.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

6060 có khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt nhờ sự hình thành màng oxit nhôm ổn định và hàm lượng hợp kim vừa phải giúp giảm hoạt động điện hóa galvanic so với các hệ hợp kim cao hơn. Trong môi trường nông thôn và đô thị, hợp kim này hoạt động tốt, đặc biệt khi được anod hóa hoặc sơn phủ, điển hình chống ăn mòn chung mà không cần bảo dưỡng nhiều.

Trong môi trường biển hoặc chứa chloride, 6060 vẫn phục vụ tốt cho nhiều ứng dụng kết cấu nhưng kém chịu lõm ăn mòn hơn các hợp kim nhóm 5xxx giàu magie; các xử lý bề mặt như anod hóa, phủ và bịt kín làm tăng đáng kể hiệu suất. Nứt ăn mòn ứng suất ít xảy ra ở 6060 trong giới hạn chịu lực thông thường, tuy nhiên ăn mòn cục bộ có thể tăng cường tại các mối ghép sơn hoặc bịt kín nơi khe hở giữ chloride.

Phải xem xét tương tác galvanic khi ghép nối 6060 với vật liệu quý hơn như thép không gỉ hoặc hợp kim đồng; lớp cách điện hoặc anode hy sinh thường được dùng để giảm thiểu ăn mòn galvanic. So với các hợp kim nhóm 7xxx có cường độ cao, 6060 thường có khả năng chống ăn mòn tốt hơn nhưng cường độ đỉnh và khả năng chịu mỏi kém hơn.

Đặc Tính Gia Công

Khả năng hàn
6060 dễ hàn bằng các phương pháp hàn nóng chảy phổ biến như TIG và MIG, ít bị nứt nóng so với một số hệ hợp kim cao. Các hợp kim dây hàn được khuyến nghị gồm ER4043 (Al‑Si) và ER5356 (Al‑Mg) tùy nhu cầu chống ăn mòn hoặc cường độ hàn cao hơn. Vùng ảnh hưởng nhiệt trong trạng thái nhiệt luyện trước đó sẽ mềm hơn do kết tủa thô, nên cần cân nhắc thiết kế mối hàn và xử lý nhiệt hoặc khôi phục cơ học sau hàn cho các mối ghép chịu tải.

Khả năng gia công
6060 có độ gia công trung bình; không phải hợp kim dễ gia công nhưng đáp ứng tốt với dụng cụ cacbua, biên dạng sắc và thiết lập cứng. Tốc độ cắt và bước tiến khi tiện và phay ở mức trung bình so với nhôm tinh khiết và các hợp kim nhôm cứng hơn, dùng dung dịch làm mát gốc dầu giúp giảm hiện tượng mũi cắt tích tụ và cải thiện bề mặt. Mảnh phoi thường liên tục và dẻo; giải pháp kiểm soát mảnh như dụng cụ phân đoạn hay chipbreaker hữu ích trong sản xuất hàng loạt.

Khả năng tạo hình
Khả năng tạo hình tuyệt vời ở trạng thái ủ mềm (O), cho phép uốn cong nhỏ, kéo sâu và các biên dạng đùn phức tạp với nguy cơ nứt thấp. Ở trạng thái T5/T6, khả năng tạo hình giảm đáng kể và cần tính đến độ đàn hồi phục hồi trong thiết kế khuôn; bán kính uốn nhỏ khả thi ở O nhưng đòi hỏi bán kính lớn hơn hoặc ủ trung gian với trạng thái T. Khi gia công nguội sang các trạng thái H, nên tạo hình từng bước để tránh khuyết tật bề mặt và kiểm soát dung sai kích thước cuối.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

6060 là hợp kim Al-Mg-Si có thể xử lý nhiệt và theo quy trình tôi giải và già hóa chung của nhóm. Quá trình tôi giải thường thực hiện ở khoảng 520–560 °C để hòa tan Mg2Si vào dung dịch rắn quá bão hòa, sau đó làm nguội nhanh (thường là làm nguội bằng nước) để giữ nguyên các nguyên tử hòa tan. Chu trình già hóa nhân tạo khác nhau nhưng thường diễn ra trong khoảng 160–220 °C trong vài giờ để tạo kết tủa Mg2Si phân tán mịn giúp tăng cường độ; T5 là làm nguội sau gia công rồi già hóa nhân tạo, còn T6 là tôi giải đầy đủ kèm già hóa.

T651 là T6 kèm quá trình căng kéo hay giảm ứng suất để giảm thiểu biến dạng và ứng suất dư. Già hóa tự nhiên (ở nhiệt độ phòng) cũng diễn ra sau làm nguội và có thể thay đổi cơ tính theo thời gian vài ngày đến vài tuần; trong sản xuất, điều này được kiểm soát bằng chọn lựa trạng thái nhiệt và lịch trình già hóa phù hợp. Quá già hóa ở nhiệt độ cao sẽ làm kết tủa thô hơn, giảm giới hạn chảy và tăng độ dẻo.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Cường độ 6060 giảm khi nhiệt độ tăng do kết tủa to ra và sự khuếch tán nguyên tử tăng; nhiệt độ làm việc bền vững về cơ học thường giới hạn trong khoảng 100–150 °C. Trên ngưỡng này, giới hạn chảy và bền kéo giảm đáng kể, và sự ổn định kích thước có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng hồi phục và quá già hóa. Sự oxi hóa nhôm rất ít so với hợp kim sắt do màng Al2O3 bảo vệ, nhưng tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao có thể ảnh hưởng đến bề mặt và đặc tính anod hóa.

Khu vực hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt đặc biệt nhạy cảm với mất cường độ khi chịu nhiệt do hòa tan hoặc kết tủa to ra, nên khi thiết kế cho nhiệt độ cao cần xem xét độ dày lớn hơn, chọn hợp kim khác hoặc xử lý nhiệt sau hàn để phục hồi cơ tính.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 6060
Kiến trúc / Xây dựng	Khung cửa sổ, cửa chính, thanh mặt dựng	Dễ đùn, bề mặt anod đẹp và kiểm soát kích thước tốt
Ô tô	Bịch trang trí, thanh ray, cấu kiện kết cấu tải nhẹ	Cân bằng giữa khả năng gia công và cường độ vừa phải
Hàng hải	Chi tiết kết cấu không yêu cầu độ bền cao, lan can	Khả năng chống ăn mòn hợp lý và lựa chọn hoàn thiện bề mặt
Điện tử	Vỏ hộp và tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt và khả năng đùn cho các biên dạng phức tạp
Gia công chung	Ống, tay vịn, khung nội thất	Khả năng tạo hình và chất lượng hoàn thiện phù hợp dùng tiêu dùng

6060 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi hình thức biên dạng, đặc tính anod hóa và sản xuất kinh tế các thanh đùn phức tạp. Sức bền vừa phải kết hợp với bề mặt hoàn thiện xuất sắc và khả năng chống ăn mòn làm nó đa dụng cho các chi tiết kết cấu không yêu cầu cường độ cao và các phần tử trang trí tòa nhà.

Gợi Ý Lựa Chọn

Khi chọn 6060, ưu tiên các ứng dụng đòi hỏi dễ đùn, chất lượng anod hóa đồng đều và cường độ vừa phải thay vì hiệu suất cơ học đỉnh. Chọn trạng thái ủ mềm O cho các chi tiết tạo hình nhiều và T5/T6 khi cần ổn định kích thước sau gia công và độ bền cao hơn.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 6060 đánh đổi một phần dẫn điện và dẫn nhiệt cùng khả năng tạo hình giảm nhẹ để đạt được độ bền cao hơn đáng kể và sự ổn định cơ học cải thiện. So với các hợp kim làm cứng nguội như 3003 hoặc 5052, 6060 cung cấp tiềm năng độ bền cao hơn thông qua phương pháp tôi kết tủa trong khi vẫn duy trì khả năng chống ăn mòn cạnh tranh, mặc dù các hợp kim nhóm 5xxx giữ được khả năng chống ăn mòn biển tốt hơn trong môi trường chứa nhiều chloride. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt liên quan gần như 6061 hoặc 6063, 6060 thường được ưu tiên cho hoàn thiện bề mặt đùn và kiểm soát kích thước mặc dù độ bền tối đa đạt được thấp hơn 6061; lựa chọn 6060 khi khả năng đùn và thẩm mỹ anode hóa quan trọng hơn yêu cầu độ bền tối đa.

Tóm tắt cuối

Hợp kim 6060 vẫn là lựa chọn nhôm phù hợp và thực tế cho các biên dạng đùn và ứng dụng chịu tải vừa phải nhờ sự kết hợp giữa khả năng đùn tốt, hoàn thiện bề mặt, khả năng chống ăn mòn và phản ứng tôi già dự đoán được. Bộ tính chất cân bằng của nó làm cho đây là giải pháp tiết kiệm chi phí cho các công việc kiến trúc, trang trí ô tô và gia công tổng hợp nơi khả năng tạo hình và hoàn thiện được đánh giá quan trọng không kém hiệu suất cơ học.