Nhôm 6063: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 6063 thuộc dòng hợp kim nhôm 6xxx, là các hợp kim nhôm magiê – silic (Mg-Si) có thể xử lý nhiệt, thiết kế chủ yếu cho ứng dụng đùn và kiến trúc. Magiê và silic tạo thành các pha Mg2Si trong quá trình lão hóa, đóng vai trò là cơ chế làm tăng cường chính, khiến 6063 là hợp kim có thể xử lý nhiệt chứ không phải là loại làm cứng bằng biến dạng. Các trạng thái tôi luyện thương mại phổ biến bao gồm O (ủ mềm), T5 (làm nguội từ khi đùn và lão hóa nhân tạo) và T6 (xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa nhân tạo), cho phép điều chỉnh giữa khả năng tạo hình và độ bền phù hợp cho quá trình gia công tiếp theo.

6063 thể hiện mức độ bền vừa phải, khả năng chống ăn mòn rất tốt, khả năng đùn và hoàn thiện bề mặt xuất sắc, cùng đặc tính hàn tốt nói chung so với các hợp kim xử lý nhiệt khác. Khả năng tạo hình ở các trạng thái mềm hơn và khả năng sản xuất các chi tiết đùn mỏng, phức tạp với tính chất cơ học đồng đều khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho các chi tiết trang trí kiến trúc, khung cửa sổ và biên dạng kết cấu. Các ngành công nghiệp thường quy định sử dụng 6063 gồm xây dựng và kiến trúc, hệ thống kiến trúc, các chi tiết đùn đa năng, kết cấu nhẹ và một số thiết bị quản lý nhiệt.

Các kỹ sư chọn 6063 thay vì các hợp kim khác khi cân bằng tối ưu giữa khả năng đùn, hoàn thiện bề mặt, khả năng chống ăn mòn và hiệu năng cơ học đủ dùng là cần thiết, chứ không phải độ bền tối đa. So với 6061, 6063 thường đùn được các góc sắc nét hơn và bề mặt sạch hơn với khả năng gia công tương đương nhưng có độ bền cực đại hơi thấp hơn. Hợp kim này được ưa chuộng khi yêu cầu dung sai kích thước nghiêm ngặt, chất lượng anod hóa và độ đồng đều quá trình đùn là quan trọng hàng đầu.

Các biến thể trạng thái tôi luyện

Trạng thái	Cấp độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (≈18–28%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái ủ mềm hoàn toàn phù hợp cho tạo hình và uốn
H14	Thấp – Trung bình	Trung bình (≈12–18%)	Giỏi	Xuất sắc	Làm cứng do biến dạng một phần để tăng độ cứng trung gian
T5	Trung bình	Trung bình (≈10–15%)	Giỏi	Rất tốt	Làm nguội từ quá trình đùn và lão hóa nhân tạo; phổ biến cho đùn
T6	Trung bình – Cao	Thấp hơn (≈8–12%)	Khá	Rất tốt	Xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa nhân tạo để tăng cường độ bền
T651	Trung bình – Cao	Thấp hơn (≈8–12%)	Khá	Rất tốt	T6 có giảm ứng suất dư bằng cách kéo giãn để giảm ứng suất còn lại

Trạng thái tôi luyện ảnh hưởng hàng đầu đến vi cấu trúc và hiệu năng tổng thể vì các pha lắng đọng trong quá trình lão hóa kiểm soát giới hạn chảy và bền kéo. Các trạng thái mềm như O cung cấp độ dẻo tối đa và khả năng tạo hình cho uốn nguội và tạo hình phức tạp, trong khi T5/T6 cung cấp độ bền kéo và giới hạn chảy cao hơn phù hợp cho ứng dụng kết cấu.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0.2 – 0.6	Nguyên tố hợp kim chính, hình thành pha Mg2Si trong quá trình lão hóa
Fe	0 – 0.35	Nguyên tố tạp; tăng nhẹ độ bền nhưng giảm chất lượng bề mặt
Mn	0 – 0.1	Nhỏ; thường thấp trong 6063 để tránh các hợp chất liên kim thô
Mg	0.45 – 0.9	Thành phần chính tăng cường cùng với Si qua sự tạo thành Mg2Si
Cu	0 – 0.1	Thấp; tăng Cu sẽ tăng độ bền nhưng giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	0 – 0.1	Giữ thấp để bảo vệ khả năng chống ăn mòn và chất lượng đùn
Cr	0 – 0.1	Lượng rất ít để kiểm soát cấu trúc tinh thể trong một số tiêu chuẩn
Ti	0 – 0.1	Chất tinh chỉnh hạt với lượng nhỏ; cải thiện tính đúc và khởi động đùn
Khác	Mỗi nguyên tố ≤0.05, tổng ≤0.15	Các tạp chất và nguyên tố vết được kiểm soát để duy trì tính đồng nhất

Nội dung Mg và Si được cân bằng để tạo pha Mg2Si trong quá trình xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa, xác định độ bền và động học lão hóa. Mức độ thấp Fe và các tạp chất khác bảo toàn bề mặt và khả năng anod hóa, rất quan trọng cho ứng dụng kiến trúc và trang trí.

Tính chất cơ học

Ứng xử kéo của 6063 phụ thuộc mạnh vào trạng thái tôi luyện. Ở trạng thái ủ mềm (O), hợp kim có giới hạn chảy và bền kéo thấp với độ dãn dài cao đồng đều, phù hợp cho dập, uốn và kéo sâu. Ở trạng thái T5/T6, hợp kim đạt giới hạn chảy và bền kéo cao hơn nhờ các pha Mg2Si mịn và phân bố đồng đều; các pha này cũng làm thay đổi phản ứng làm cứng khi biến dạng và giảm độ dẻo so với trạng thái O.

Giới hạn chảy và bền kéo cũng phụ thuộc độ dày tiết diện và điều kiện đùn vì tốc độ làm nguội sau xử lý nhiệt dung dịch và làm nguội ảnh hưởng đến sự phân bố pha lắng đọng. Khả năng chịu mỏi ở mức trung bình; các khiếm khuyết trên bề mặt và khuyết tật đùn là điểm khởi nguồn nứt mỏi nên bề mặt anod hoặc đánh bóng có thể cải thiện tuổi thọ mỏi. Độ cứng tương quan với trạng thái tôi luyện và thường tăng đáng kể từ O lên T6 khi các pha lắng đọng hình thành.

Tính chất	Trạng thái O/Ủ mềm	Trạng thái chính (ví dụ T6)	Ghi chú
Độ bền kéo	70–110 MPa	170–215 MPa	T6 tăng gần gấp đôi UTS so với ủ mềm; giá trị phụ thuộc kích thước tiết diện
Giới hạn chảy	35–55 MPa	120–160 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh với xử lý nhiệt nhân tạo và xử lý dung dịch
Độ dãn dài	18–28%	8–12%	Độ dẻo giảm ở T6 khi cơ chế làm cứng qua kết tủa phát triển
Độ cứng	20–35 HB	60–75 HB	Độ cứng Brinell tăng với trạng thái; phụ thuộc tham số lão hóa

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.70 g/cm³	Điển hình của hợp kim nhôm thương mại
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~582–652 °C	Điểm rắn/chảy phụ thuộc nhẹ vào thành phần hợp kim và tạp chất
Hệ số dẫn nhiệt	~170–220 W/m·K	Dẫn nhiệt tốt; giảm nhẹ với biến dạng nguội và hợp kim hóa
Độ dẫn điện	~34–47 % IACS	Thấp hơn nhôm tinh khiết do sự tán xạ của dung dịch rắn và pha kết tủa
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Giá trị điển hình gần nhiệt độ phòng cho hợp kim nhôm
Hệ số giãn nở nhiệt	~23.0–24.0 ×10⁻⁶ /K	Hệ số trung bình; quan trọng cho thiết kế chịu ứng suất nhiệt khi chu kỳ nhiệt

6063 giữ được lợi thế mật độ thấp và dẫn nhiệt cao của nhôm, làm cho hợp kim này hấp dẫn khi trọng lượng và truyền nhiệt là yếu tố quan trọng. Hệ số giãn nở nhiệt và tính dẫn nhiệt cần được cân nhắc trong các cụm ghép nối vật liệu khác nhau để tránh ứng suất do giãn nở nhiệt khác biệt.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/kích thước điển hình	Hành vi độ bền	Trạng thái tôi luyện phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–6 mm	Độ bền giảm ở các tấm mỏng do tốc độ làm nguội	O, T5	Dùng cho các tấm vách mỏng và chi tiết trang trí; anod hóa tốt
Trảng (Plate)	>6 mm	Độ bền cực đại đạt được giảm nhẹ ở các tiết diện dày	O, T6	Các tiết diện dày cần kiểm soát làm nguội để đạt tính chất T6
Đùn (Extrusion)	Tiết diện phức tạp, dày thành 0.7–10 mm	Độ bền đồng đều trong các biên dạng liên tục; độ bền chịu ảnh hưởng làm nguội	T5, T6, T651	Dạng thương mại chính; hoàn thiện bề mặt xuất sắc và kiểm soát kích thước nghiêm ngặt
Ống	Đường kính đến trên 200 mm	Hành vi tương tự đùn; thành mỏng làm nguội nhanh	O, T6	Ống kết cấu và lan can kiến trúc phổ biến
Thanh/Cây	Φ3–100 mm	Độ dày tiết diện lớn giảm độ bền biểu kiến	O, T6	Thanh nhỏ dùng cho chi tiết gia công và phụ kiện

Sự khác biệt trong quá trình gia công quyết định lựa chọn dạng sản phẩm: đùn cho các biên dạng phức tạp, thành mỏng với dung sai chặt, trong khi tấm và thanh cung cấp vật liệu thô cho gia công chế tạo. Tốc độ làm nguội và độ dày tiết diện ảnh hưởng mạnh đến tính chất cơ học cuối cùng trong các trạng thái xử lý nhiệt, do đó các nhà thiết kế phải quy định rõ trạng thái tôi luyện và các công đoạn sau xử lý nhiệt để đảm bảo tính đồng nhất.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	6063	Mỹ	Chỉ định của Aluminum Association thường dùng ở Bắc Mỹ
EN AW	AlMgSi0.5 / EN AW-6063	Châu Âu	Tên gọi EN AW theo tiêu chuẩn châu Âu liên quan đến thành phần hóa học danh nghĩa và trình trạng nhiệt luyện
JIS	A6063	Nhật Bản	Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật với cân bằng Mg-Si và mục tiêu cơ tính tương tự
GB/T	6063	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc nói chung tương đương nhưng có một số khác biệt về dung sai thông số

Mặc dù ký hiệu chung 6063 nhất quán giữa các tiêu chuẩn, các quy định quốc gia lại khác nhau về giới hạn tạp chất cho phép và tiêu chí thử nghiệm. Những khác biệt nhỏ này có thể ảnh hưởng tới các tính chất đảm bảo như độ giãn dài tối thiểu hoặc hàm lượng sắt tối đa, do đó rất quan trọng với các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về anode hóa hoặc tiêu chuẩn chấp nhận cơ học.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Trong môi trường khí quyển, 6063 cung cấp khả năng chống ăn mòn tổng quát tốt nhờ vào sự hình thành lớp oxit nhôm bảo vệ bề mặt. Hàm lượng đồng và kẽm thấp giúp tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ so với một số hợp kim có cường độ cao hơn, và quá trình anode hóa cải thiện thêm cả về thẩm mỹ và độ bền môi trường. Ứng dụng kiến trúc thường tận dụng sự kết hợp này để đạt tuổi thọ dài với ít bảo trì.

Trong môi trường biển hoặc giàu chloride, 6063 hoạt động khá tốt nhưng không chống ăn mòn vượt trội bằng một số hợp kim nhôm - magiê gia công nóng (ví dụ series 5xxx) được thiết kế riêng cho tiếp xúc nước biển. Sự khởi đầu của pitting có thể xảy ra ở khe hở hoặc bề mặt nhám nơi chloride tích tụ, vì vậy khi thiết kế cần bố trí thoát nước và tránh cặp điện cực galvanic kim loại khác nhau nếu có thể. Khả năng nứt ăn mòn do ứng suất thấp hơn so với hợp kim nhôm cường độ cao, nhưng có thể tăng lên dưới tác động của ứng suất kéo, nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn mạnh.

Phải kiểm soát tương tác điện hóa trong các bộ phận lắp ghép kim loại hỗn hợp; 6063 có tính anodic so với thép không gỉ và đồng nhưng có tính cathodic đối với magiê. Các lớp hoàn thiện bảo vệ, chất bịt kín và vật liệu cách điện giúp giảm thiểu dòng điện galvanic trong lắp ráp. So với các hợp kim series 2xxx hoặc 7xxx, 6063 đánh đổi sức mạnh đỉnh để đổi lấy tính ổn định chống ăn mòn tốt hơn và phản ứng anode hóa vượt trội.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

6063 dễ dàng hàn với các quá trình nhiệt chảy phổ biến như GTAW (TIG) và GMAW (MIG), tạo ra mối hàn sạch và góc hàn thẩm mỹ trong hầu hết trường hợp. Hợp kim hàn bổ sung ưu tiên gồm 4043 (Al-Si) và 5356 (Al-Mg) tùy theo trạng thái nhiệt luyện gốc và yêu cầu ứng dụng; 4043 giảm nguy cơ nứt và cho màu sắc đồng bộ hơn khi anode hóa. Vùng ảnh hưởng nhiệt sau hàn có thể bị làm mềm ở trạng thái T6, do đó có thể cần xử lý lão hóa nhân tạo hoặc gia nhiệt lại để phục hồi tính chất.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 6063 ở mức trung bình và thường tốt hơn nhôm tinh khiết mềm hơn nhưng kém hơn một số hợp kim dễ gia công có thêm chì hoặc bismuth. Dụng cụ cacbua với góc cắt dương, thoát phoi tốt và thiết lập cứng giúp đạt bề mặt tốt nhất; tốc độ cắt và lượng chạy dao nên bảo thủ để tránh hiện tượng bám dao trên nhôm. Phoi thường dài và dai; sử dụng làm mát bằng dầu tưới và kiểm soát phoi cho gia công dung sai chặt.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình nguội rất tốt ở trạng thái O và H14, nơi độ dẻo cao cho phép uốn cong và cán cuốn với bán kính nhỏ. Uốn ở trạng thái T6 yêu cầu bán kính lớn hơn và có thể gây nứt ở các mép sắc; vì vậy nhà thiết kế nên chọn trạng thái O hoặc T4/T5 cho tạo hình nghiêm ngặt rồi lão hóa sau nếu cần sức mạnh. Với các biên dạng đùn, thiết kế kiểm soát độ dày thành và bán kính góc giúp tránh nứt và duy trì dung sai kích thước.

Hành Vi Trong Xử Lý Nhiệt

6063 có thể xử lý nhiệt bằng phương pháp ủ dung dịch, tiếp theo là làm nguội nhanh và lão hóa. Quá trình ủ dung dịch thường thực hiện ở nhiệt độ khoảng 535–565 °C để hòa tan Mg2Si vào dung dịch rắn quá bão hòa, sau đó làm nguội nhanh để giữ dung dịch rắn này. Lão hóa nhân tạo (T6) sử dụng nhiệt độ khoảng 160–220 °C trong thời gian thay đổi theo kích thước tiết diện để tạo kết tủa Mg2Si mịn và đạt độ bền tối đa.

Trạng thái T5 là khi vật liệu được làm nguội từ quá trình gia công nóng (ví dụ đùn) rồi lão hóa nhân tạo mà không ủ dung dịch trước. T651 là T6 có thêm bước kéo giãn có kiểm soát nhằm giảm ứng suất dư. Quá lão hóa hay tiếp xúc kéo dài với nhiệt độ cao làm kết tủa lớn hơn, giảm giới hạn chảy và bền kéo, tăng độ dẻo, do đó chu kỳ lão hóa phải được tối ưu hóa theo hình dạng chi tiết và yêu cầu sử dụng.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Nhiệt độ cao làm giảm cường độ của 6063 do kết tủa to hơn và sự giảm sức bền dung dịch rắn. Hiệu suất kết cấu hữu ích thường giới hạn ở nhiệt độ làm việc dưới khoảng 150 °C; trên mức này vật liệu bị làm mềm đáng kể và nguy cơ creep lâu dài tăng. Tốc độ oxy hóa vừa phải vì nhôm tạo lớp oxit ổn định, nhưng vẫn cần lớp phủ bảo vệ hoặc anode hóa để duy trì bề mặt khi tiếp xúc môi trường oxid hóa nhiệt độ cao.

Vùng ảnh hưởng nhiệt gần mối hàn có thể có hiện tượng kết tinh thô và làm mềm còn sót lại, ảnh hưởng tới độ bền uốn mỏi và bền tĩnh trong sử dụng. Với các ứng dụng nhiệt độ cao liên tục hoặc tải nhiệt tuần hoàn, nên cân nhắc các hợp kim có ổn định nhiệt tốt hơn hoặc xử lý nhiệt đặc biệt. Biên độ thiết kế và chiến lược quản lý nhiệt rất cần thiết khi dùng 6063 ở giới hạn nhiệt độ cao.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 6063
Xây dựng & Kiến trúc	Khung cửa sổ, thanh đùn rèm kính	Khả năng đùn tuyệt vời, bề mặt hoàn thiện tốt và phản ứng anode hóa ưu việt
Ô tô	Thanh cắt, biên dạng trang trí	Cân bằng tốt giữa khả năng tạo hình và sức mạnh đủ cho các chi tiết không chịu lực chính
Hàng hải	Chi tiết kết cấu không chịu lực quan trọng, tay vịn	Khả năng chống ăn mòn và bề mặt hoàn thiện tốt trong môi trường ngoài trời
Điện tử	Tản nhiệt, vỏ bọc	Độ dẫn nhiệt tốt và dễ gia công, đùn
Hàng tiêu dùng	Nội thất, dụng cụ thể thao	Nhẹ, hoàn thiện thẩm mỹ và dễ gia công

Sự kết hợp giữa khả năng đùn, chất lượng bề mặt và tính chất cơ học vừa phải khiến 6063 trở thành lựa chọn phổ biến cho các chi tiết kiến trúc và mục đích tổng quát. Nhà thiết kế thường tận dụng anode hóa và các mối nối cơ học đơn giản để tạo ra sản phẩm có độ thẩm mỹ cao và kinh tế.

Gợi Ý Lựa Chọn

Với các ứng dụng ưu tiên khả năng tạo hình, đùn và chất lượng anode hóa, 6063 là ứng viên mạnh vì cung cấp độ bền hợp lý trong khi hỗ trợ tạo hình các biên dạng mỏng phức tạp. So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ 1100), 6063 đánh đổi một phần dẫn điện và độ dẻo cuối cùng để lấy sự gia tăng đáng kể về giới hạn chảy và bền kéo nhờ quá trình tuổi già tạo kết tủa.

So với các hợp kim làm cứng gia công phổ biến như 3003 hoặc 5052, 6063 có độ bền cao hơn ở trạng thái xử lý nhiệt trong khi cung cấp khả năng chống ăn mòn tương đương trong nhiều môi trường khí quyển; tuy nhiên 3003/5052 thường vượt trội hơn trong điều kiện biển mặn nghiêm trọng và các trường hợp ưu tiên làm cứng gia công. So với 6061, 6063 thường dễ đùn hơn và cho bề mặt hoàn thiện đẹp, biên dạng đùn phức tạp hơn, nên được ưu tiên trong đùn kiến trúc mặc dù 6061 có cường độ đỉnh cao hơn cho ứng dụng kết cấu.

Tóm Tắt Chung

Hợp kim 6063 vẫn là mác nhôm được sử dụng rộng rãi vì cân bằng độc đáo giữa khả năng đùn, chất lượng bề mặt, chống ăn mòn và tính chất cơ học phù hợp cho nhiều ứng dụng kiến trúc và kết cấu nhẹ. Tính chất có thể xử lý nhiệt cho phép linh hoạt trong quy trình sản xuất, giúp nhà thiết kế và nhà gia công tối ưu hóa giữa khả năng tạo hình hoặc cường độ thông qua lựa chọn trạng thái nhiệt luyện và gia công sau.