Nhôm 6065: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn trạng thái tôi luyện & Ứng dụng
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Tổng quan toàn diện
Hợp kim 6065 thuộc nhóm 6xxx của hợp kim nhôm-nhôm-magie-silicon dạng đúc, được chủ yếu tăng cường cơ tính nhờ sự kết tủa của các pha Mg2Si khi xử lý nhiệt. Các nguyên tố hợp kim chính gồm silicon và magiê, với sự bổ sung lượng nhỏ đồng, crom, titan và sắt nhằm điều chỉnh độ bền, cấu trúc hạt và phản ứng với xử lý nhiệt. Hợp kim này có tính chất tăng cứng qua xử lý nhiệt chứ không phải chủ yếu là tăng cứng bằng biến dạng lạnh, đạt độ bền thông qua xử lý dung dịch, làm nguội nhanh và lão luyện nhân tạo để kết tủa các pha liên kim phân tán mịn. Đặc điểm điển hình là kết hợp giữa độ bền từ trung bình đến cao, khả năng chống ăn mòn tốt, tính tạo hình hợp lý ở trạng thái mềm và khả năng hàn tốt khi sử dụng vật liệu hàn và quy trình phù hợp.
Hợp kim 6065 được sử dụng trong các chi tiết kết cấu và bán kết cấu, nơi yêu cầu sự cân bằng giữa khả năng đùn ép, tỉ lệ độ bền trên trọng lượng và khả năng chống ăn mòn; các ngành phổ biến gồm vận tải, hệ thống xây dựng, tủ điện và một số phụ kiện hàng không vũ trụ. So với các hợp kim nhóm 6xxx khác, 6065 được ưu tiên khi thiết kế cần hợp kim có thể đùn phôi thành các tiết diện phức tạp rồi lão luyện nhân tạo để ổn định cơ tính theo kích thước. Kỹ sư chọn 6065 thay vì các hợp kim mềm hơn khi cần độ bền thiết kế cao hơn mà không muốn chuyển sang các hợp kim cứng hơn nhưng dễ bị ăn mòn ứng suất SCC hơn thuộc nhóm 7xxx. Tính sẵn có và tiêu chuẩn hóa đặc tính theo nhiệt độ xử lý thay đổi tùy vùng miền, do đó bộ phận thu mua cần xác minh đặc tính theo trạng thái nhiệt cụ thể với nhà cung cấp.
Trong thực tế, 6065 được ưu tiên khi quy trình chế tạo (đùn, uốn, hàn) phải kết hợp với kiểm soát nhiệt độ sau gia công để đạt hiệu suất cơ học mục tiêu. Hợp kim có khả năng chống ăn mòn và phản ứng với anode hóa thích hợp cho môi trường ăn mòn vừa phải, cùng với tính dẫn nhiệt và điện có lợi cho các chi tiết tản nhiệt. Người thiết kế cần cân đối đánh đổi giữa độ bền tối đa, khả năng tạo hình cho biến dạng nguội và yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn khi lựa chọn 6065 thay cho các hợp kim gần kề.
Các trạng thái nhiệt
| Trạng thái nhiệt | Cấp độ bền | Độ dãn dài | Khả năng tạo hình | Khả năng hàn | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Thấp | Cao | Tuyệt hảo | Tuyệt hảo | Hoàn toàn tôi mềm; tốt nhất cho tạo hình và gia công |
| H14 | Trung bình | Trung gian | Tốt | Tuyệt hảo | Tăng cứng bằng biến dạng và tôi mềm một phần để đạt độ bền trung bình |
| T4 | Trung bình | Tốt | Tốt | Tuyệt hảo | Xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa tự nhiên; cân bằng tốt cho tạo hình rồi lão luyện |
| T5 | Trung bình-Cao | Trung gian | Khá | Tốt | Làm nguội từ gia công nóng rồi lão luyện nhân tạo; không xử lý dung dịch sau tạo hình |
| T6 | Cao | Trung bình-Thấp | Khá | Tốt (mềm vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ) | Xử lý nhiệt dung dịch và lão luyện nhân tạo để đạt độ bền cao nhất |
| T651 | Cao (Ổn định) | Trung bình-Thấp | Khá | Tốt (mềm vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ) | T6 với giảm ứng suất qua kéo giãn hoặc chỉnh thẳng có kiểm soát |
| Các tổ hợp trạng thái H khác | Biến đổi | Biến đổi | Biến đổi | Biến đổi | Tăng cứng biến dạng tùy chỉnh cho ứng dụng đặc thù |
Việc chọn trạng thái nhiệt ảnh hưởng mạnh đến cơ tính: trạng thái tôi mềm O tối đa hóa độ dẻo và khả năng tạo hình nhưng có giới hạn chảy và bền kéo thấp nhất, trong khi T6/T651 cung cấp độ bền tĩnh cao nhất với đánh đổi là khả năng uốn và độ dãn giảm. Đối với các sản phẩm đùn phức tạp cần chỉnh thẳng hoặc gia công sau đùn, trạng thái T5 và T651 được ưu tiên vì cung cấp độ ổn định kích thước và giữ được cơ tính tốt sau gia công.
Thành phần hóa học
| Nguyên tố | Phạm vi % | Ghi chú |
|---|---|---|
| Si | 0.2 – 0.9 | Kết hợp với Mg để hình thành các pha Mg2Si giúp tăng cường |
| Fe | ≤ 0.7 | Nguyên tố tạp; kiểm soát pha liên kim và ảnh hưởng đến độ dai va đập |
| Mn | ≤ 0.15 | Bổ sung nhỏ để tinh chỉnh cấu trúc hạt và cải thiện độ dai |
| Mg | 0.6 – 1.2 | Nguyên tố tăng cường chính khi kết hợp với Si |
| Cu | 0.15 – 0.4 | Cải thiện độ bền và khả năng gia công nhưng có thể giảm khả năng chống ăn mòn |
| Zn | ≤ 0.25 | Thường ở mức thấp; không đóng vai trò chủ đạo trong tăng cứng 6xxx |
| Cr | 0.04 – 0.35 | Kiểm soát tái kết tinh và cấu trúc hạt, cải thiện độ dai |
| Ti | ≤ 0.15 | Tinh chỉnh kích thước hạt trong đúc/đùn; cải thiện vi cấu trúc khi gia công |
| Khác (mỗi loại) | ≤ 0.05 | Nguyên tố tạp kiểm soát để duy trì phản ứng lão hóa đồng nhất |
Thành phần 6065 điển hình cho nhóm hợp kim tăng cứng kết tủa Mg-Si: silicon và magiê xác lập tiềm năng độ bền đỉnh thông qua pha Mg2Si, trong khi lượng nhỏ đồng và crom góp phần điều chỉnh độ bền và ổn định vi cấu trúc. Sắt và các tạp chất khác tạo pha liên kim thô làm giảm độ dai và bền mỏi nếu không kiểm soát chặt, nên quy trình sản xuất hiện đại kiểm soát nghiêm ngặt các nguyên tố này để đảm bảo khả năng lão hóa và kết quả cơ khí dự đoán được.
Đặc tính cơ học
Trong thử tải kéo, 6065 thể hiện tính chất của hợp kim 6xxx chịu xử lý nhiệt: trạng thái mềm có độ dẻo cao và giới hạn chảy từ từ, trong khi trạng thái T6/T651 có giới hạn chảy rõ ràng và độ bền kéo cao hơn nhờ pha kết tủa liên kim tương thích và bán tương thích. Giới hạn chảy và bền kéo tăng đáng kể sau xử lý dung dịch và lão luyện nhân tạo, nhưng độ dẻo và khả năng uốn giảm tương ứng; độ dãn gãy ở T6 có thể giảm còn một nửa so với trạng thái O hoặc T4. Độ cứng cũng tăng sau lão luyện, cả theo thang Brinell và Rockwell, và vật liệu thể hiện độ nhạy vết khuyết vừa phải so với hợp kim 5xxx.
Độ bền mỏi chịu ảnh hưởng bởi hoàn thiện bề mặt, ứng suất dư và xử lý nhiệt; 6065 được lão hóa đúng quy trình cung cấp hiệu suất bền mỏi chu kỳ cao hợp lý cho các tiết diện đùn kết cấu nhưng thường thấp hơn hợp kim 2xxx hoặc 7xxx có độ bền cao. Độ dày tiết diện và lịch sử nhiệt ảnh hưởng quan trọng đến cơ tính đạt được: tiết diện dày nguội chậm hơn khi làm nguội nhanh và có thể không đạt đủ độ bền T6 nếu chu trình xử lý dung dịch không đủ dài hoặc lịch trình lão luyện chưa phù hợp. Vùng ảnh hưởng nhiệt sau hàn (HAZ) thường bị mềm cục bộ làm giảm giới hạn chảy vùng đó trừ khi được xử lý lại bằng dung dịch và lão luyện.
| Đặc tính | O/Tôi mềm | Trạng thái chính (ví dụ T6/T651) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Độ bền kéo (MPa) | 140 – 220 | 260 – 340 | Giá trị phụ thuộc hình dạng sản phẩm và độ dày; tham khảo dữ liệu nhà cung cấp |
| Giới hạn chảy (0.2% offset, MPa) | 60 – 140 | 200 – 320 | T6 cung cấp giới hạn chảy thiết kế tối ưu; O dùng khi ưu tiên tạo hình |
| Độ dãn dài (%) | 12 – 25 | 6 – 14 | Độ dãn giảm khi độ cứng tăng và với tiết diện dày hơn |
| Độ cứng (HB) | 40 – 70 | 85 – 120 | Độ cứng tăng theo lão hóa; giá trị thay đổi theo trạng thái và phương pháp đo |
Đặc tính vật lý
| Đặc tính | Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| Mật độ | 2.70 g/cm³ | Điển hình cho hợp kim nhôm đúc; dùng trong tính toán thiết kế yêu cầu trọng lượng nhẹ |
| Khoảng nhiệt độ nóng chảy | Solidus ~555°C – Liquidus ~650°C | Khoảng nhiệt độ nóng chảy hợp kim; điểm solidus thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim hóa |
| Độ dẫn nhiệt | 140 – 170 W/m·K (điển hình) | Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn tốt cho ứng dụng tản nhiệt |
| Độ dẫn điện | ~28 – 38 % IACS | Giảm so với nhôm tinh khiết do các nguyên tố hợp kim; thay đổi theo trạng thái nhiệt |
| Nhiệt dung riêng | ~0.9 J/g·K (900 J/kg·K) | Hữu ích trong tính toán khối nhiệt |
| Hệ số giãn nở nhiệt | ~23.0 – 24.5 µm/(m·K) | Tương đương các hợp kim Al-Mg-Si khác; quan trọng cho mối ghép kim loại hỗn hợp |
Những đặc tính vật lý này nhấn mạnh lợi thế của nhôm trong thiết kế trọng lượng nhẹ và quản lý nhiệt; 6065 giữ được khả năng dẫn điện tốt cho các chi tiết truyền nhiệt đồng thời có hiệu suất cơ học cao hơn các loại hợp kim sạch hơn. Độ dẫn điện đủ dùng cho nhiều ứng dụng thanh dẫn và tủ điện nhưng thường thấp hơn hợp kim nhóm 1xxx, nên người thiết kế cân nhắc đánh đổi dẫn điện và cơ tính khi chọn tiết diện dẫn điện. Hệ số giãn nở nhiệt cần được tính đến khi lắp ghép với thép hoặc vật liệu composite để tránh mỏi do ứng suất nhiệt tuần hoàn.
Dạng Sản Phẩm
| Dạng | Độ dày/Kích thước tiêu biểu | Hành vi Cơ tính | Độ tôi thông dụng | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| Tấm | 0.4 – 6.0 mm | Độ bền tốt ở các độ dày mỏng sau tôi già | O, T4, T5, T6 | Phổ biến cho các panel và vỏ ghép; độ dày mỏng đáp ứng tôi già nhanh |
| Thép dày (Plate) | >6.0 mm đến 150 mm | Độ bền có thể giảm sau xử lý nhiệt do nhạy cảm với tôi luyện | O, T6 (giới hạn) | Các tiết diện dày yêu cầu quy trình nhiệt điều chỉnh để tránh lõi mềm |
| Khuôn đùn (Extrusion) | Tiết diện ngang lên đến vài trăm mm | Lực bền đồng đều dọc theo biên dạng khi đã tôi già | T5, T6, T651 | Dùng rộng rãi; có thể tạo biên dạng phức tạp với dung sai chặt chẽ |
| Ống | Đường kính ngoài 10 – 200 mm tùy độ dày thành ống | Độ bền tương tự như khuôn đùn; vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) được xem xét ở ống hàn | O, T6 | Dùng cho cấu trúc và dẫn chất lỏng; có loại ống hàn và ống liền khối |
| Thanh/Rod | Đường kính 3 – 100 mm | Tính chất trục tốt; đáp ứng tôi già tương tự tấm dày | O, T6 | Dạng hàng tồn kho cho gia công và phụ kiện chế tạo |
Khuôn đùn là dạng thương mại chính cho 6065 vì hợp kim Mg-Si cho dòng chảy và bề mặt hoàn thiện tốt trong khuôn phức tạp, và quá trình tôi già cung cấp cơ tính ổn định. Tấm dày và chi tiết lớn gặp thách thức về tôi luyện và già hóa; kỹ sư thường giới hạn độ dày hoặc chỉ định chế độ nhiệt tôi già điều chỉnh để đảm bảo tính đồng đều. Dạng tấm phổ biến cho panel và vỏ đúc, lựa chọn độ tôi cân bằng giữa khả năng tạo hình và độ bền sử dụng cuối cùng.
Các Mác Tương Đương
| Tiêu Chuẩn | Mác | Khu Vực | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| AA | 6065 | Hoa Kỳ | Định danh của Aluminum Association dùng trong bảng dữ liệu nhà cung cấp |
| EN AW | 6065 | Châu Âu | EN AW-6065 phổ biến; yêu cầu hóa học và cơ tính phù hợp với tiêu chuẩn AA |
| JIS | — | Nhật Bản | Không có mác tương đương trực tiếp JIS sử dụng rộng rãi; nên chỉ định theo tiêu chuẩn AA hoặc EN hoặc hóa học vật liệu |
| GB/T | 6065 | Trung Quốc | Có thể tồn tại biến thể GB; kiểm tra số tiêu chuẩn và quy định độ tôi địa phương |
Đối chiếu qua lại tiêu chuẩn với 6065 thường đơn giản vì hợp kim theo cơ chế đông kết Mg-Si phổ biến toàn cầu. Tuy nhiên, dung sai thành phần nhỏ và quy trình công nghệ có thể khác nhau theo vùng; với ứng dụng quan trọng cần xác minh chi tiết thành phần hóa học và yêu cầu cơ tính trong hồ sơ đặt hàng. Nếu không có mác tương đương trực tiếp JIS, thường sử dụng chỉ định AA hoặc EN kèm theo yêu cầu đầy đủ thành phần và tính chất cơ học.
Khả năng Chống Ăn Mòn
Trong điều kiện khí quyển, 6065 cung cấp khả năng chống ăn mòn tổng quát tốt tương tự các hợp kim nhôm nhóm 6xxx, có thể cải thiện bằng anode hóa và phủ hữu cơ. Trong môi trường biển và chứa chloride thì 6065 có hiệu suất khá nhưng không bền bằng các hợp kim nhôm nhóm 5xxx chứa magiê; khuyến nghị hoàn thiện bề mặt bảo vệ và thiết kế tránh khe kẹp. Mức độ nhạy cảm ăn mòn ứng suất (SCC) thấp hơn nhiều hợp kim nhôm nhóm 7xxx có cường độ cao, nhưng 6065 vẫn có thể bị SCC dưới ứng suất kéo trong môi trường halide ăn mòn; giảm thiểu ứng suất dư kéo và kiểm soát cấu trúc tổ chức vùng hàn giúp giảm rủi ro.
Tương tác điện hóa theo chuẩn nhôm: 6065 là cực anod so với nhiều loại thép không gỉ và hợp kim đồng, nên thường dùng bảo vệ anod hóa hoặc anode hi sinh trong bộ ghép kim loại khác loại. So với hợp kim nhôm nhóm 1xxx, 6065 có độ bền cao hơn nhiều nhưng đổi lại giảm dẫn điện và đôi khi tăng nhẹ nguy cơ ăn mòn cục bộ khi lớp phủ bị hư hỏng. Chuẩn bị bề mặt tốt, phủ bảo vệ và anode hóa là phương pháp hiệu quả duy trì hiệu suất lâu dài trong môi trường khắc nghiệt.
Tính Chất Gia Công
Khả năng hàn
6065 dễ hàn với các phương pháp hồ quang fusion phổ biến như TIG và MIG, khả năng hàn tương đương các hợp kim Mg-Si khác khi chọn vật liệu bù phù hợp. Vật liệu bù điển hình là ER4043 (Al-Si) giúp giảm nứt nóng và cải thiện dòng chảy, hoặc ER5356 (Al-Mg) cho độ bền và khả năng chống ăn mòn cao hơn sau hàn; lựa chọn tùy thuộc yêu cầu cơ tính và chống ăn mòn. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sẽ mềm hơn so với vật liệu gốc T6, và để phục hồi hoàn toàn độ bền T6 qua vùng hàn thường cần xử lý nhiệt hòa tan và già hóa lại, điều này ít khả thi với sản phẩm hoàn thiện. Kiểm soát thông số hàn, xử lý trước/sau hàn và thiết kế mối ghép cẩn thận giúp giảm biến dạng và bảo vệ tính chất HAZ.
Khả năng gia công
6065 có tính gia công trung bình, tương đương nhiều hợp kim nhóm 6xxx; gia công tốt hơn nhiều hợp kim nhôm cường độ cao nhưng không dễ bằng một số hợp kim nhôm dễ gia công. Nên sử dụng dao cacbua góc cắt dương và làm mát đủ để tránh tạo gờ bám dính và giữ chất lượng bề mặt khi tốc độ cắt cao. Hướng dẫn gia công thường là tốc độ trục chính trung bình đến cao kèm theo tốc độ ăn dao tăng để kiểm soát phoi; hoàn thiện bề mặt mịn đạt được bằng chọn đúng góc dao và kẹp giữ chắc chắn. Với chi tiết dung sai chặt, cần xem xét chế độ tôi và lịch sử xử lý nhiệt trước đó vì ứng suất dư và độ đàn hồi sau gia công ảnh hưởng đến ổn định kích thước.
Khả năng tạo hình
Định hình và uốn nguội hiệu quả nhất với các độ tôi mềm như O hoặc T4; chúng cung cấp độ dẻo đáp ứng bán kính cong nhỏ và dạng phức tạp. Ở độ tôi T6, khả năng tạo hình giảm mạnh và bán kính uốn tối thiểu cần tăng để tránh nứt và vỡ mép; quy tắc thiết kế thông thường gợi ý bán kính trong gấp 2–3 lần độ dày với T6 và 0.5–1 lần độ dày với độ tôi O, nhưng phụ thuộc vào hình học tiết diện và dụng cụ. Sự làm cứng do uốn sẽ tăng cường độ ứng suất tại chỗ và có thể làm phức tạp giai đoạn tạo hình hoặc xử lý nhiệt tiếp theo. Với quy mô lớn, nên đưa bước tôi annealing hoặc chu trình hòa tan/tôi già vào quy trình để kiểm soát độ ổn định kích thước và cơ tính cuối cùng.
Hành Vi Xử Lý Nhiệt
6065 là hợp kim có thể xử lý nhiệt theo chu trình truyền thống: xử lý hòa tan, tôi nước và tôi già nhân tạo. Nhiệt độ xử lý hòa tan thường trong khoảng 520–550°C, giữ đủ lâu để hòa tan đồng đều các pha hòa tan, sau đó nhanh chóng làm nguội để giữ trạng thái quá bão hòa. Tôi già nhân tạo để đạt độ cứng T6 thường thực hiện ở nhiệt độ 160–175°C trong vài giờ; đạt độ cứng tối đa