Nhôm 6061: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn Độ cứng & Ứng dụng
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Tổng Quan Toàn Diện
6061 là một thành viên của dòng hợp kim nhôm 6xxx, nhóm hợp kim có magiê và silic là các nguyên tố chính tạo thành pha Mg2Si. Dòng hợp kim này thuộc nhóm có thể xử lý nhiệt; tính chất cơ học được cải thiện chủ yếu bằng quá trình xử lý nhiệt giải (solution heat treatment), tôi lạnh (quenching) và lão hóa nhân tạo sau đó, thay vì chỉ dùng tăng cứng do biến dạng (work-hardening).
Nguyên tố hợp kim chính trong 6061 là magiê (khoảng 0.8–1.2%) và silic (khoảng 0.4–0.8%), cùng với một lượng nhỏ crôm, đồng, sắt và các tạp chất khác nhằm điều chỉnh độ bền, độ dai va đập và cấu trúc hạt. Đặc tính tiêu biểu bao gồm tỷ lệ bền trên trọng lượng tốt trong trạng thái tôi T6, khả năng chống ăn mòn cao trong nhiều môi trường, dễ gia công tạo hình ở trạng thái ủ mềm hoặc T4, và khả năng hàn xuất sắc với quy trình hàn nhôm tiêu chuẩn.
Ngành công nghiệp thường sử dụng 6061 bao gồm linh kiện kết cấu ô tô, phụ kiện hàng hải, linh kiện hàng không vũ trụ đa dụng, thiết bị trao đổi nhiệt, và các sản phẩm giải trí tiêu dùng. Kỹ sư chọn 6061 khi cần sự cân bằng giữa độ bền, khả năng chống ăn mòn và tính gia công, đồng thời dự kiến sẽ hàn hoặc anod hóa sau khi gia công; nó thường cạnh tranh với 6063 cho các sản phẩm đùn và với hợp kim nhóm 5xxx cho các ứng dụng hàng hải đòi hỏi khả năng chống ăn mòn cao.
Các Trạng Thái Nhiệt Giản
| Trạng thái nhiệt | Cấp độ bền | Độ giãn dài | Khả năng tạo hình | Khả năng hàn | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Thấp | Cao | Xuất sắc | Xuất sắc | Trạng thái ủ mềm hoàn toàn để đạt độ dẻo tối đa |
| T4 | Trung bình | Cao | Rất tốt | Rất tốt | Xử lý nhiệt giải và lão hóa tự nhiên; phù hợp để tạo hình trước khi lão hóa cuối cùng |
| T5 | Trung bình - Cao | Trung bình | Tốt | Rất tốt | Làm nguội từ nhiệt độ tạo hình cao và lão hóa nhân tạo |
| T6 | Cao | Trung bình | Trung bình | Tốt | Xử lý nhiệt giải và lão hóa nhân tạo; trạng thái phổ biến cho kết cấu |
| T651 | Cao | Trung bình | Trung bình | Tốt | T6 có giảm ứng suất bằng căng cơ học; dùng cho tấm/đùn |
| H14 | Trung bình | Trung bình | Trung bình | Rất tốt | Tăng cứng biến dạng và ủ một phần; dùng cho chi tiết gia công tạo hình |
| H18 | Cao | Thấp | Kém | Rất tốt | Hoàn toàn cứng do biến dạng; khả năng tạo hình hạn chế |
Trạng thái nhiệt được chọn cho 6061 có liên quan trực tiếp đến cấu trúc vi mô và trạng thái pha kết tủa, quyết định giới hạn chảy, giới hạn bền kéo cũng như độ dẻo dai. Xử lý nhiệt giải và lão hóa (T6) tạo ra các pha Mg2Si fin nhỏ làm tăng độ bền nhưng giảm khả năng tạo hình và tăng nguy cơ mất độ cứng vùng nhiệt ảnh hưởng (HAZ) sau hàn; trạng thái ủ mềm hoặc T4 phục hồi khả năng tạo hình nhưng đánh đổi bằng độ bền đỉnh.
Thành Phần Hóa Học
| Nguyên tố | Phạm vi % | Ghi chú |
|---|---|---|
| Si | 0.4–0.8 | Silic kết hợp với Mg tạo pha kết tủa Mg2Si tăng cường độ bền |
| Fe | ≤0.7 | Sắt là tạp chất, có thể tạo hợp kim xơ gây ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn và gia công |
| Mn | ≤0.15 | Hiện diện với lượng nhỏ; có thể tinh chỉnh cấu trúc hạt nhẹ |
| Mg | 0.8–1.2 | Nguyên tố chính tăng cường qua Mg2Si; điều khiển phản ứng tăng cứng tuổi |
| Cu | 0.15–0.4 | Cải thiện độ bền và khả năng gia công nhưng làm giảm khả năng chống ăn mòn |
| Zn | ≤0.25 | Lượng nhỏ; hạn chế để tránh nứt nóng và thay đổi tính chất |
| Cr | 0.04–0.35 | Giúp kiểm soát cấu trúc hạt và hạn chế tái kết tinh trong quá trình gia công |
| Ti | ≤0.15 | Chất tinh chỉnh kích thước hạt trong đúc và một số sản phẩm cán |
| Khác | ≤0.15 (mỗi loại) | Tạp chất và lượng vết; cân bằng còn lại là Al |
Hiệu năng của hợp kim phụ thuộc vào sự cân bằng giữa magiê và silic, cùng tạo pha kết tủa Mg2Si trong quá trình lão hóa và cung cấp nguồn độ bền chính. Những bổ sung nhỏ như crôm và các nguyên tố vết tinh chỉnh cấu trúc hạt, giảm khả năng ăn mòn cục bộ và lỗi gia công nóng, trong khi đồng trao đổi một chút khả năng chống ăn mòn để đổi lấy độ bền và tính gia công cao hơn.
Tính Chất Cơ Học
Hành vi kéo giãn của 6061 thay đổi mạnh với trạng thái nhiệt. Ở trạng thái T6, phân bố nhỏ đồng đều các pha Mg2Si tạo ra giới hạn chảy và bền kéo khá cao với độ dẻo trung bình; độ giãn dài thường giảm so với trạng thái ủ mềm.
Độ bền mỏi của 6061 đủ tốt cho các cấu kiện chịu tải nhẹ nhưng chịu ảnh hưởng lớn bởi hoàn thiện bề mặt, xử lý nhiệt và sự có mặt của mối hàn; các vết nứt mỏi có thể bắt đầu tại chỗ khuyết tật và vùng nhiệt ảnh hưởng của mối hàn bị mềm hóa. Độ dày và dạng sản phẩm cũng thay đổi phản ứng cơ học: vật liệu mỏng hơn thường cho giới hạn chảy và độ giãn dài cao hơn nhờ làm nguội xuyên chiều dày và khác biệt ứng suất dư, trong khi tấm dày có thể thể hiện độ dẻo thấp hơn và đòi hỏi giảm ứng suất kiểu T651.
| Tính chất | O/Trạng thái ủ mềm | Trạng thái chính (T6 / T651) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Giới hạn bền kéo | ~70–150 MPa (10–22 ksi) | ~260–320 MPa (38–46 ksi) | Giá trị T6 thường ~290 MPa; phạm vi phụ thuộc hình dạng và tiêu chuẩn thử |
| Giới hạn chảy | ~35–90 MPa (5–13 ksi) | ~240–275 MPa (35–40 ksi) | Giới hạn chảy T6 phổ biến ~240 MPa; trạng thái O thấp hơn nhiều cho tạo hình |
| Độ giãn dài | 15–25% | 8–12% | Độ giãn dài giảm khi tăng cường độ bền trạng thái nhiệt |
| Độ cứng | ~30–60 HB | ~80–110 HB | Độ cứng liên quan đến độ tăng cứng tuổi; T6 cứng hơn nhiều so với O |
Tính Chất Vật Lý
| Tính chất | Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| Mật độ | 2.70 g/cm³ (0.0975 lb/in³) | Giá trị phổ biến cho hợp kim nhôm cán; ưu tiên cho kết cấu nhẹ |
| Phạm vi nhiệt độ nóng chảy | ~582–652 °C | Phạm vi solidus-liquidus thay đổi theo thành phần phụ; Al cơ bản ~660 °C |
| Độ dẫn nhiệt | ~150 W/m·K | Dẫn nhiệt tốt so với thép; hữu ích cho tản nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt |
| Độ dẫn điện | ~30–40 % IACS | Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim; chấp nhận được cho một số ứng dụng điện |
| Nhiệt dung riêng | ~0.90 kJ/kg·K | Nhiệt dung riêng cao so với nhiều kim loại; ảnh hưởng tới khối lượng nhiệt |
| Hệ số giãn nở nhiệt | ~23–24 µm/m·K (20–100 °C) | Hệ số trung bình; quan trọng khi kết hợp với vật liệu khác để tránh méo mó |
Độ dẫn nhiệt cao và mật độ thấp khiến 6061 trở nên hấp dẫn trong các ứng dụng cần tản nhiệt và thiết kế nhẹ như tản nhiệt và linh kiện xe cộ. Phạm vi nhiệt độ nóng chảy và hệ số giãn nở nhiệt ảnh hưởng đến lựa chọn công nghệ hàn, hàn chèn và thiết kế khi dùng vật liệu khác loại; hệ số giãn nở cần được phép trong thiết kế mối ghép để tránh méo mó.
Dạng Sản Phẩm
| Dạng | Độ dày/Kích thước điển hình | Hành vi độ bền | Trạng thái nhiệt phổ biến | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| Tấm | 0.2–6.0 mm (0.008–0.25 in) | Độ đồng nhất tốt | O, H14, T4, T6 | Dùng nhiều cho các tấm panel và chi tiết tạo hình |
| Đĩa/Tấm dày | 6–200 mm (0.25–8 in) | Độ dẻo xuyên chiều dày thấp hơn ở các phần dày | T651, T6 | Tấm dày thường cấp trạng thái giảm ứng suất (T651) |
| Đùn | Hình biên dạng dài đến vài mét | Độ bền thay đổi theo tiết diện và làm nguội | T5, T6 | 6061 dễ đùn; dùng phổ biến làm profile kết cấu và khung |
| Ống | Đường kính nhỏ đến lớn; hàn hoặc liền mạch | Tương tự tấm/đĩa về hành vi trạng thái nhiệt | O, T4, T6 | Dùng cho khung xe, ray, và bộ phận thủy lực |
| Thanh/Cây tròn | Đường kính đến vài inch | Cấu trúc vi mô đồng nhất trong thanh kéo | O, T6 | Phổ biến cho chi tiết gia công và phụ kiện |
Sự khác biệt về quy trình quyết định dạng và trạng thái nhiệt được chọn: Các sản phẩm đùn thường ở trạng thái T5 hoặc T6 do được lão hóa nhân tạo sau khi tạo hình, còn tấm dày thường cấp T651 để ổn định kích thước. Tấm mỏng và ống được chọn dựa trên nhu cầu tạo hình; trạng thái ủ mềm (O) hoặc T4 cho phép kéo sâu và uốn cong tốt hơn, trong khi T6 mang lại độ bền gia công tốt hơn nhưng hạn chế khả năng tạo hình nguội.
Các Mác Tương Đương
| Tiêu Chuẩn | Mác | Khu Vực | Ghi Chú |
|---|---|---|---|
| AA | 6061 | USA | Danh định của Aluminum Association cho hợp kim thương phẩm dòng 6xxx |
| EN AW | 6061 | Châu Âu | EN AW-6061 là ký hiệu phổ biến ở châu Âu (hợp kim cán nguội) |
| JIS | A6061 | Nhật Bản | Mác JIS A6061 tương đương về thành phần hóa học và độ tôi luyện |
| GB/T | 6061 | Trung Quốc | GB/T 6061 là tiêu chuẩn phổ biến của Trung Quốc cho hợp kim này |
Các tiêu chuẩn ở các khu vực đều được chuẩn hóa về thành phần hóa học và định nghĩa nhiệt luyện nhưng khác nhau về giới hạn tạp chất cho phép, phương pháp thử cơ học và ký hiệu hậu tố nhiệt luyện. Người mua nên kiểm tra kỹ tờ thông số kỹ thuật của tiêu chuẩn áp dụng để đảm bảo các tính chất tối thiểu, lịch sử xử lý nhiệt và dung sai cho phép, vì ký hiệu “6061” chỉ mang tính nominal và có thể khác nhau đôi chút giữa các nhà cung cấp và tiêu chuẩn quốc gia.
Khả Năng Chống Ăn Mòn
6061 có khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ bề mặt và hàm lượng đồng tương đối thấp so với một số hợp kim dòng 2xxx. Trong môi trường nông thôn và công nghiệp, nó hoạt động ổn định, và quá trình anode hóa (anodizing) càng tăng cường khả năng bảo vệ bề mặt cũng như cải thiện thẩm mỹ.
Trong môi trường biển, 6061 vẫn đáp ứng được các yêu cầu cho nhiều ứng dụng kết cấu và không quá quan trọng, nhưng nó kém bền hơn so với các hợp kim dòng 5xxx (dựa trên Mg) khi tiếp xúc liên tục với nước biển có hàm lượng clo cao. Hiện tượng ăn mòn điểm (pitting) có thể xảy ra tại những vùng nước đọng và có độ mặn cao; trong thiết kế cần chú ý đến khả năng thoát nước, lớp phủ bảo vệ và anode hóa để đảm bảo tuổi thọ lâu dài.
Hiện tượng nứt ăn mòn gây do ứng suất (SCC) không phải là mối nguy cơ lớn đối với 6061 trong nhiều điều kiện sử dụng, nhưng độ nhạy cảm có thể tăng lên ở nhiệt luyện cường độ cao và khi chịu ứng suất lớn trong môi trường chứa clo. Tương tác điện hóa với kim loại quý hơn (ví dụ thép không gỉ, đồng) có thể làm tăng tốc ăn mòn cục bộ, do đó cần xem xét cách ly điện hoặc dùng anode hy sinh trong các cụm linh kiện kim loại hỗn hợp.
Tính Chất Gia Công
Khả năng hàn
6061 hàn rất tốt bằng các phương pháp fusion phổ biến như TIG (GTAW) và MIG (GMAW); khả năng hàn là một trong những lợi thế kỹ thuật chính so với các hợp kim nhiệt luyện cường độ cao hơn. Các hợp kim điền đầy thường dùng là 4043 (Al-Si) để cải thiện tính lưu động và giảm nguy cơ nứt, và 5356 (Al-Mg) khi cần mối hàn có cường độ cao hơn và màu sắc tương đồng; lựa chọn vật liệu điền ảnh hưởng đến độ bền và khả năng chống ăn mòn của mối hàn.
Khu vực bị ảnh hưởng nhiệt sau hàn (HAZ) thường mềm hơn so với thép gốc ở trạng thái T6 do sự hòa tan hoặc phát triển các pha kết tủa, vì vậy với chi tiết kết cấu quan trọng nên tiến hành xử lý nhiệt sau khi hàn hoặc thiết kế sử dụng dạng T651 hoặc nguyên tấm. Rủi ro nứt nóng thấp hơn so với một số hợp kim Al-Cu, nhưng thiết kế mối nối, cố định và vệ sinh là yêu cầu cần thiết để tránh sự rỗ khí và hàn không liền mạch.
Khả năng gia công
6061 được đánh giá có khả năng gia công tốt trong số các hợp kim nhôm; nó gia công sạch và nhanh hơn nhiều hợp kim cường độ cao trong khi cho bề mặt hoàn thiện chất lượng. Dụng cụ gắn carbide được dùng phổ biến với tốc độ cắt vừa phải, và việc sử dụng dầu bôi trơn/làm nguội giúp giảm hiện tượng bám mép dao và cải thiện việc thoát vụn; vụn gia công thường ngắn và dễ kiểm soát nếu các thông số được điều chỉnh phù hợp.
Lựa chọn tốc độ tiến dao và tốc độ cắt nên xem xét chiều dày và trạng thái nhiệt luyện; độ bền cao hơn (T6) làm tăng lực cắt và mài mòn dao so với vật liệu ủ mềm. Với các chi tiết chính xác, cần kiểm soát tốt độ bavia và thực hiện công đoạn gọt bỏ bavia phụ trợ.
Khả năng tạo hình
Khả năng tạo hình phụ thuộc nhiều vào trạng thái nhiệt luyện: vật liệu ủ mềm (O) và T4 dễ tạo hình, có thể chịu được uốn cong chặt và dập sâu, trong khi T6 có khả năng tạo hình nguội hạn chế và dễ nứt khi biến dạng lớn. Bán kính uốn trong nhỏ nhất cho góc 90° với tấm ủ mềm thường đạt R/t ≈ 1–2 cho việc tạo hình nhẹ, còn T6 yêu cầu bán kính lớn hơn hoặc xử lý nhiệt trước khi uốn và lão hóa lại để đạt hình dạng tương đương.
Khi cần tạo hình mức độ vừa phải và sau đó lão hóa cuối cùng, chu trình tạo hình ở trạng thái T4 rồi lão hóa sang T6 được áp dụng phổ biến để tối ưu hình dạng và độ bền cuối cùng. Thiết kế nên tính đến độ đàn hồi phục hồi (springback) và tính dị hướng do cán, lựa chọn hướng hạt và dụng cụ phù hợp để giảm thiểu rủi ro nứt.
Đặc Tính Xử Lý Nhiệt
Xử lý nhiệt dung dịch (solution treatment) cho 6061 thường được thực hiện trong khoảng 520–560 °C để hòa tan Mg2Si và các thành phần hòa tan khác tạo thành dung dịch rắn quá bão hòa, sau đó làm nguội nhanh để giữ cho dung dịch quá bão hòa. Quá trình lão hóa nhân tạo tiếp theo ở nhiệt độ thấp hơn (thường 160–190 °C) trong vài giờ giúp kết tủa các hạt Mg2Si mịn tăng cường độ cứng và tạo thành trạng thái T6; lịch trình thời gian-nhiệt độ kiểm soát sự cân bằng giữa độ bền và độ dai va đập.
Trạng thái T4 là trạng thái lão hóa tự nhiên sau xử lý dung dịch và làm nguội, cung cấp khả năng tạo hình tốt cho bước định hình tiếp theo trước khi tiến hành lão hóa nhân tạo sang T6 hoặc T5. Các trạng thái ổn định như T651 có thêm bước kéo giãn hoặc giảm ứng suất sau làm nguội nhằm giảm ứng suất dư và biến dạng trong tấm dày hoặc sản phẩm kéo đùn.
Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao
6061 giảm dần độ bền khi nhiệt độ tăng; giới hạn chảy và bền kéo giảm đáng kể khi trên khoảng 100–150 °C, với nhiệt độ làm việc liên tục khuyến nghị thường dưới ~120 °C cho các ứng dụng kết cấu chịu tải. Ở nhiệt độ cao, độ bền kết tủa Mg2Si giảm, và hiện tượng creep (dòng chảy chậm) có thể xuất hiện khi chịu tải kéo dài hoặc trong môi trường ăn mòn mạnh.
Hiện tượng oxy hóa ở nhiệt độ làm việc của 6061 thấp hơn nhiều so với thép, nhưng vẫn thường sử dụng lớp phủ bảo vệ hoặc anode hóa để hạn chế sự suy thoái bề mặt lâu dài và duy trì thẩm mỹ. Vùng bị ảnh hưởng nhiệt sau hàn có thể có đặc tính khác về nhiệt độ cao do sự phát triển các pha kết tủa, do đó phải kiểm soát nhiệt độ tiếp xúc để bảo toàn biên độ thiết kế.
Ứng Dụng
| Ngành | Ví Dụ Chi Tiết | Lý Do Dùng 6061 |
|---|---|---|
| Ô tô | Giá đỡ kết cấu, thanh khung sườn | Cân bằng độ bền, khả năng hàn và chống ăn mòn |
| Hàng hải | Phụ kiện tàu thuyền, lan can | Chống ăn mòn tốt và hàn thuận tiện trong môi trường biển vừa phải |
| Hàng không vũ trụ | Phụ kiện, bộ chuyển đổi, kết cấu nội thất | Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao và dễ gia công |
| Điện tử | Hộp tản nhiệt, vỏ bọc | Độ dẫn nhiệt cao và dễ gia công |
| Giải trí | Khung xe đạp, dụng cụ cắm trại | Nhẹ, hàn được và giá thành hợp lý |
6061 được ưa chuộng ở những ứng dụng cần sự kết hợp giữa khả năng gia công, hàn, độ bền từ trung bình đến cao và khả năng chống ăn mòn mà không cần chi phí cao hoặc công nghệ đặc biệt như các hợp kim nhôm cường độ rất cao khác. Tính đa dụng của nó với nhiều dạng sản phẩm và trạng thái nhiệt luyện phù hợp cho nhiều thiết kế kỹ thuật.
Hướng Dẫn Lựa Chọn
Khi chọn hợp kim nhôm cho các chi tiết kết cấu và hàn nói chung, 6061 là lựa chọn hàng đầu khi cần cân bằng độ bền, chống ăn mòn và tiện gia công. Dạng T6 cung cấp giới hạn chảy và bền kéo tốt trong khi vẫn giữ được khả năng hàn bằng các kim loại điền đầy phổ biến, dù cần lưu ý làm mềm HAZ trong các cụm hàn.
So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 6061 đánh đổi một phần dẫn điện và dẫn nhiệt cũng như khả năng tạo hình lấy cường độ cao và gia công thuận tiện hơn rõ rệt. So với các hợp kim làm cứng cơ học như 3003 hoặc 5052, 6061 có cường độ cao hơn nhờ xử lý nhiệt nhưng thường có độ dẻo thấp hơn và khả năng chống ăn mòn nước biển nhẹ suy giảm.
- Chọn 6061 thay vì 6063 khi cần độ bền cao hơn và gia công dễ hơn dù 6063 có bề mặt kéo đùn và khả năng anode hóa nhẹ nhàng hơn.
- Ưu tiên các hợp kim dòng 5xxx cho các ứng dụng hàng hải liên tục tiếp xúc nồng độ clo cao, nơi khả năng chống ăn mòn là ưu tiên hàng đầu.
- Chọn trạng thái ủ mềm hoặc T4 khi cần tạo hình phức tạp, sau đó tiến hành lão hóa sang T6 để có độ bền sau tạo hình.
Tóm Tắt
6061 vẫn là một trong những hợp kim nhôm cán được sử dụng rộng rãi nhất vì nó cung cấp sự cân bằng thiết thực giữa độ bền, khả năng chống ăn mòn, hàn và gia công trên nhiều dạng sản phẩm và trạng thái nhiệt luyện. Tính thích nghi với các quy trình xử lý nhiệt tiêu chuẩn, sự ổn định nguồn cung và hiệu suất dễ dự đoán làm nó trở thành lựa chọn tin cậy cho các nhà thiết kế và nhà sản xuất trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.