Nhôm A356: Thành phần hóa học, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

A356 là hợp kim gang Al-Si-Mg thuộc nhóm hợp kim gang nhôm 3xx.x, thường được gọi là AlSi7Mg theo ký hiệu quốc tế. Nó thuộc dòng hợp kim Al–Si–Mg trong đó silic là nguyên tố hợp kim chính (cung cấp tính đúc và tính lưu động) và magie tạo cường độ qua quá trình kết tủa Mg2Si trong xử lý nhiệt.

Hợp kim này có thể xử lý nhiệt và đạt được phần lớn độ bền thông qua ủ dung dịch, tôi và lão luyện nhân tạo (các biến thể T5/T6), mặc dù cũng có thể cung cấp ở trạng thái đúc thô và loại bỏ ứng suất khi ưu tiên độ dẻo. Các đặc điểm chính bao gồm tính đúc tốt, độ bền trung bình đến cao sau khi lão luyện, khả năng chống ăn mòn hợp lý trong nhiều môi trường, và tính hàn ở mức khá nếu chuẩn bị đúng cách; tuy nhiên khả năng tạo hình hạn chế so với hợp kim cán nguội và chủ yếu dùng làm hợp kim gang đúc.

Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng A356 bao gồm ô tô (mâm xe, chi tiết kết cấu đúc), hàng không vũ trụ và quốc phòng (chi tiết gia công đúc và phụ kiện), hàng tiêu dùng (vỏ máy nén, thân bơm), và điện tử (vỏ hộp và chi tiết đúc tản nhiệt). Kỹ sư lựa chọn A356 khi cần sự cân bằng giữa trọng lượng nhẹ, tính đúc tốt và cơ tính gia cường theo thời gian đồng thời khi các hình dạng phức tạp sản xuất bằng đúc kinh tế hơn so với gia công cơ khí.

Các Biến Thể Nhiệt Định

Nhiệt Định	Cấp Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Tuyệt vời (cho chi tiết đúc)	Tuyệt vời	Hòan toàn ủ mềm / quá ủ; đạt độ dẻo cao nhất và loại bỏ ứng suất hiệu quả cho gia công.
T5	Trung bình	Trung bình	Khá	Tốt	Làm nguội từ trạng thái đúc và lão luyện nhân tạo; phù hợp cho chi tiết đúc thô.
T6	Cao	Thấp–Trung bình	Hạn chế	Tốt (cần chú ý)	Ủ dung dịch, tôi và lão luyện nhân tạo; độ bền cao nhất cho A356.
T651	Cao	Thấp–Trung bình	Hạn chế	Tốt (cần chú ý)	Trạng thái T6 kèm giảm ứng suất bằng kéo giãn hoặc rung động; giảm biến dạng khi gia công.
H14 (cứng hóa nhẹ bằng biến dạng lạnh)	Thấp–Trung bình	Trung bình	Trung bình	Tốt	Gia công lạnh nhẹ; hiếm dùng cho chi tiết đúc mà áp dụng cho dạng gia công nguội.

Lựa chọn nhiệt định ảnh hưởng quan trọng đến sự cân bằng độ bền và độ dẻo cũng như sự ổn định kích thước của các chi tiết đúc A356. Trạng thái O và quá ủ tối đa hóa khả năng gia công và độ dãn, đánh đổi bằng độ bền thấp hơn, trong khi các trạng thái T5/T6/T651 làm thay đổi vi cấu trúc hợp kim bằng cách kết tủa Mg2Si và tập trung lại cấu trúc silic nhằm nâng cao giới hạn chảy và giới hạn bền kéo, thường giảm độ dãn và tăng nguy cơ nứt khi bị ứng suất cao.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	6.5–7.5	Nguyên tố hợp kim chính; cải thiện tính lưu động, giảm co rút, và điều chỉnh độ bền.
Fe	≤0.20–0.35 (tuỳ theo tiêu chuẩn)	Nguyên tố tạp tạo các hợp chất giòn; được kiểm soát để giảm xốp và nóng nứt.
Mn	≤0.10	Hạn chế hình thái hợp chất sắt; thêm một ít cải thiện độ dai.
Mg	0.20–0.45	Cung cấp khả năng tăng cứng theo thời gian nhờ kết tủa Mg2Si; quan trọng cho đáp ứng T6.
Cu	≤0.20	Thêm một ít làm tăng độ bền nhưng có thể giảm khả năng chống ăn mòn và tăng nguy cơ nóng nứt.
Zn	≤0.10	Giữ ở mức thấp; đóng góp ít vào tăng cứng.
Cr	≤0.10	Kiểm soát cấu trúc hạt và cải thiện ổn định nhiệt độ cao một cách hạn chế.
Ti	≤0.20	Chất tinh luyện hạt trong đúc; cải thiện vi cấu trúc đúc và khả năng nạp kim loại.
Khác	≤0.05 mỗi loại, tổng ≤0.15	Các nguyên tố vết và tạp chất; giới hạn đảm bảo tính đúc và cơ tính ổn định.

Thành phần hóa học của A356 được tối ưu nhằm cân bằng giữa tính đúc và phản ứng xử lý nhiệt. Silic xác định điểm eutectic và kiểm soát đặc tính đông đặc còn magie quyết định tỷ lệ và sự phân bố của các pha Mg2Si kết tủa mang lại khả năng tăng cứng theo thời gian; sự kiểm soát chặt chẽ sắt và các nguyên tố vết rất quan trọng để tránh các pha hợp chất giòn gây giảm độ dẻo và hiệu suất chịu mỏi.

Tính Chất Cơ Học

Ở trạng thái ủ mềm (O), A356 có độ bền kéo tương đối thấp với độ dãn cao nhờ cấu trúc silic dạng cầu và gần như không có kết tủa tăng cứng. Sau khi ủ dung dịch và lão luyện nhân tạo (T6), độ bền kéo và giới hạn chảy tăng đáng kể do pha Mg2Si phân tán mịn và phân bố hạt silic tinh tế hơn, nhưng độ dẻo giảm theo. Khả năng chịu mỏi rất nhạy cảm với khuyết tật đúc (xốp, co ngót) và điều kiện bề mặt; xử lý bắn bi và ép nóng đẳng hướng (HIP) là các phương pháp phổ biến để cải thiện tuổi thọ chịu mỏi cho chi tiết kết cấu đúc.

Độ dày và tốc độ làm nguội khi đúc ảnh hưởng đến vi cấu trúc trạng thái đúc thô: các chi tiết dày đông đặc chậm hơn, dẫn đến hạt silic to và độ bền giảm so với chi tiết mỏng. Độ cứng tỷ lệ thuận với trạng thái nhiệt định và thường dùng làm chỉ tiêu kiểm soát quá trình nhanh; độ cứng Brinell điển hình tăng từ thấp trong O lên cao đáng kể trong T6. Độ bền nhiệt gần hoặc trên nhiệt độ lão luyện sẽ thay đổi pha kết tủa có thể làm quá ủ (làm mềm) hoặc lão luyện thêm tuỳ thuộc thời gian và nhiệt độ.

Tính Chất	O/Ủ Mềm	Nhiệt Định Chính (T6 / T651)	Ghi Chú
Giới Hạn Bền Kéo	90–160 MPa (điển hình)	230–320 MPa (điển hình)	Phạm vi rộng do độ dày tiết diện, phương pháp đúc và mức độ xốp.
Giới Hạn Chảy	35–80 MPa (điển hình)	140–240 MPa (điển hình)	Giới hạn chảy tăng rõ sau khi ủ dung dịch và lão luyện; T651 cải thiện ổn định kích thước.
Độ Dãn Dài	10–30% (điển hình)	2–10% (điển hình)	Độ dẻo giảm khi độ bền tăng; độ dãn phụ thuộc vào số lượng khuyết tật.
Độ Cứng (HB)	30–50 HB	70–100 HB	Độ cứng dùng trong kiểm tra chất lượng; tương quan với khả năng tăng cứng theo thời gian và kích thước vi cấu trúc.

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Khối Lượng Riêng	2.68 g/cm³	Đặc trưng cho hợp kim Al–Si đúc; nhẹ hơn thép và nhiều kim loại khác.
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~557–640 °C	Phạm vi đông đặc eutectic/mushy do hàm lượng silic và tốc độ làm nguội khi đúc ảnh hưởng.
Độ Dẫn Nhiệt	~120–150 W/(m·K)	Thấp hơn nhôm tinh khiết do silic và các pha hợp chất; vẫn tốt cho chi tiết tản nhiệt.
Độ Dẫn Điện	~30–40 % IACS	Giảm so với các hợp kim nhôm tinh khiết hơn do sự hiện diện của silic và các nguyên tố khác.
Nhiệt Dung Riêng	~0.88–0.90 J/(g·K)	Điển hình cho hợp kim nhôm; hữu ích cho thiết kế nhiệt trong điện tử và các thành phần tản nhiệt.
Hệ Số Giãn Nhiệt	21–24 µm/(m·K)	Hệ số trung bình; quan trọng khi ghép nối với thép hoặc composite trong lắp ráp.

A356 cung cấp sự kết hợp ưu việt giữa khối lượng riêng thấp và độ dẫn nhiệt khá, làm cho nó trở thành lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng cấu trúc nhẹ và quản lý nhiệt. Việc có silic làm giảm tổng thể độ dẫn điện và nhiệt so với nhôm tinh khiết nhưng vẫn duy trì đủ khả năng dẫn cho nhiều ứng dụng tản nhiệt và vỏ điện tử đồng thời mang lại khả năng đúc vượt trội.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Đặc Tính Cơ Lực	Độ Giòn Thông Dụng	Ghi Chú
Đúc (Cát)	Tiết diện từ vài mm đến vài trăm mm	Độ bền thay đổi nhiều theo kích thước tiết diện	O, T5, T6, T651	Phổ biến cho nguyên mẫu và chi tiết số lượng thấp; làm nguội chậm → cấu trúc vi mô thô hơn.
Đúc (Khuôn Vĩnh Cửu / Ép Khuôn)	Tiết diện mỏng đến trung bình (≤100 mm)	Độ bền đúc cao hơn do làm nguội nhanh hơn	T5, T6	Bề mặt hoàn thiện tốt hơn và kiểm soát kích thước chính xác; dùng phổ biến cho bánh xe, vỏ bọc.
Ép Đùn	Hạn chế / không phổ biến	Không áp dụng cho quy trình ép đùn tiêu chuẩn	Biến thể H-temper nếu có sản xuất	A356 không phải hợp kim chính cho ép đùn; có ép đùn hợp kim AlSi nhưng ít phổ biến hơn.
Ống	Ống đúc và gia công	Biến thiên; phụ thuộc vào quá trình tạo hình/xử lý	O, T5	Có khả năng sản xuất ống đúc gần dạng cuối hoặc chi tiết tạo hình dòng chảy chuyên biệt.
Thanh/Que/Phôi	Phôi rèn hoặc đúc để gia công	Dễ gia công; tính chất từ xử lý nhiệt tiếp theo	O, T6 (sau xử lý dung dịch/ủ tuổi)	Dùng làm nguyên liệu cho các chi tiết gia công CNC từ phôi đúc hoặc bán thành phẩm rèn.

A356 chủ yếu là hợp kim đúc; đường dẫn sản xuất (đúc cát, khuôn vĩnh cửu, ép khuôn áp lực cao) ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc vi mô và tính cơ học cuối cùng. Xử lý nhiệt và giảm ứng suất sau đúc được dùng để kiểm soát tính chất và ổn định kích thước. Lựa chọn giữa các công nghệ đúc dựa trên sản lượng, dung sai, hoàn thiện bề mặt và lịch sử nhiệt.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	A356 / A356.0	Hoa Kỳ	Định danh theo Aluminum Association cho hợp kim đúc loại AlSi7Mg.
EN AW	AlSi7Mg0.3 (≈ EN AW-226)	Châu Âu	Định danh chuẩn châu Âu xấp xỉ thành phần hóa học và tính năng A356.
JIS	AC-AlSi7Mg (xấp xỉ)	Nhật Bản	Các hợp kim đúc tương đương Nhật có mức Si–Mg tương tự nhưng khác về giới hạn tạp chất.
GB/T	AlSi7Mg hoặc A356 (xấp xỉ)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc dùng thành phần tương tự; thực hành đúc và giới hạn tạp chất có thể khác.

Các mác tương đương theo tiêu chuẩn khá tương thích cho nhiều ứng dụng, nhưng khác biệt nhỏ về mức tạp chất cho phép (đặc biệt sắt và đồng) và khoảng Mg ảnh hưởng đến đáp ứng ủ tuổi và tính chất đúc. Người mua nên so sánh chứng nhận hóa học và cơ lý, và nếu quan trọng cần thử mẫu hoặc thử nghiệm quy trình vì kỹ thuật đúc và kiểm soát chất lượng có thể tạo biến động lớn hơn sự khác biệt mác nominal.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

A356 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt nhờ lớp màng Al2O3 hình thành tự nhiên, hoạt động tốt trong môi trường đô thị và công nghiệp nếu bề mặt được bảo dưỡng và hạn chế tiếp xúc với clo. Trong môi trường biển và giàu clo, ăn mòn dạng lỗ li ti và khe rãnh có thể xảy ra tập trung tại pha chứa nhiều silic hoặc khuyết tật đúc, do đó thường dùng lớp phủ bảo vệ, anode hóa hoặc bảo vệ cathod để đảm bảo lâu dài.

Nứt ăn mòn do ứng suất (SCC) ít phổ biến ở A356 so với hợp kim Al–Cu cường độ cao, nhưng độ nhạy tăng khi độ cứng tăng, ứng suất kéo dư cao và có khuyết tật cấu trúc; nhà thiết kế nên tránh quá tải kéo và cân nhắc giảm ứng suất sau xử lý nhiệt (T651). Tương tác điện hóa với vật liệu quý hơn (thép không gỉ, đồng) sẽ làm tăng ăn mòn nhôm trong vai trò anot; lớp cách điện hoặc anode hy sinh là biện pháp giảm thiểu phổ biến.

So với hợp kim 5xxx (Al–Mg), A356 có mức chống ăn mòn tương đương trong nhiều môi trường nhưng thường ít bền hơn so với hợp kim dòng 6xxx có thể anode hóa cao trong môi trường clo mạnh; lựa chọn nên căn cứ tính chất cơ học yêu cầu, điều kiện tiếp xúc và khả năng phủ hoặc xử lý sau đúc.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

A356 có thể hàn bằng các phương pháp thông dụng như TIG và MIG, tuy nhiên khi hàn các chi tiết đúc A356 cần chú ý giảm các nguy cơ rỗ khí và nứt nóng. Gia nhiệt trước hàn và dùng loại kim loại phụ phù hợp (vd. kim loại phụ Al–Si như 4043 hoặc Al–Mg–Si như 5356 cho từng trường hợp cụ thể) giúp giảm rỗ khí hydrogen và sai khác nhiệt; thường phải xử lý nhiệt sau hàn để phục hồi độ cứng do ủ tuổi. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) dễ bị mềm cục bộ nên cần kiểm soát quy trình để tránh biến dạng và suy giảm tính chất ở những khu vực quan trọng.

Khả năng gia công

A356 đúc có độ gia công tốt cho loại hợp kim đúc, đặc biệt ở trạng thái O hoặc bán ủ; nên sử dụng dao hợp kim cacbua và tốc độ/độ ăn dao trung bình để xử lý các hạt silic cứng. Mòn dao bị chi phối bởi các hạt silic mài mòn và các pha intermetallic, nên chọn dao dạng góc nghiêng dương và có làm mát hiệu quả; nên hạn chế cắt ngắt quãng và kiểm soát thoát phoi để tránh hư hỏng bề mặt. Bề mặt và dung sai gia công cải thiện rõ khi nguyên liệu là phôi đúc khuôn vĩnh cửu hoặc ép khuôn do cấu trúc vi mô mịn hơn.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình nguội của A356 hạn chế so với hợp kim nhôm cán; uốn và dập hiếm khi áp dụng cho chi tiết đúc trừ các chi tiết mỏng đúc khuôn vĩnh cửu. Tạo hình tốt nhất đạt được khi hợp kim được ủ quá tuổi hoặc ở trạng thái O, nhưng nhà thiết kế thường ưu tiên tạo hình bằng đúc hơn là biến dạng sau đúc. Nếu cần tạo hình, có thể làm nóng cục bộ hoặc xử lý dung dịch trước khi tạo hình, kế tiếp ủ tuổi phù hợp để duy trì độ bền sau tạo hình và ủ lại.

Đặc Tính Xử Lý Nhiệt

A356 là hợp kim xử lý nhiệt được với chu trình xử lý dung dịch, làm nguội nhanh và ủ nhân tạo để đạt trạng thái T6. Xử lý dung dịch thường ở khoảng 525–540 °C để hòa tan Mg và tạo dung dịch rắn quá bão hòa; làm nguội nhanh hạn chế kết tủa trong khi nguội, và ủ nhân tạo ở khoảng 150–180 °C vài giờ tạo các hạt Mg2Si tinh nhỏ giúp tăng cường độ. Trạng thái T5 là ủ nhân tạo ngắn hơn áp dụng cho chi tiết đúc không xử lý dung dịch; cải thiện độ bền vừa phải mà không cần hòa tan hoàn toàn.

Tình trạng ủ quá tuổi, tiếp xúc dài ở nhiệt độ cao hoặc tốc độ làm nguội không đủ sẽ làm hạt kết tủa phát triển to, giảm cường độ nên phải kiểm soát quy trình chặt chẽ. Với các trường hợp không xử lý nhiệt (cho các lô không chuẩn hoặc biến thể hợp kim gia công), tăng cường độ xảy ra qua làm cứng biến dạng và biến dạng nguội, trong khi ủ mềm hoặc xử lý dung dịch toàn phần dùng để phục hồi độ dẻo và giảm ứng suất trước khi gia công cuối.

Khả Năng Hoạt Động Ở Nhiệt Độ Cao

A356 giảm dần cường độ khi vượt quá nhiệt độ ủ tuổi điển hình; nhiệt độ làm việc trên ~150 °C sẽ làm cấu trúc kết tủa Mg2Si giảm hiệu quả và gây mềm hóa theo thời gian. Biến dạng creep nhiệt độ cao ở mức hạn chế so với hợp kim chịu nhiệt cao, nên A356 thường dùng cho các ứng dụng nhiệt độ trung bình hoặc tiếp xúc nhiệt gián đoạn; thiết kế cần xem xét tiếp xúc lâu dài và khả năng ủ quá tuổi. Oxy hóa ít xảy ra ở nhiệt độ hoạt động bình thường nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ, nhưng tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao làm cấu trúc vi mô thô hơn và có thể làm giòn các pha intermetallic trong chi tiết đúc.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Chọn A356
Ô tô	Bánh xe, vỏ hộp số, nắp cacte động cơ	Khả năng đúc tốt, giảm trọng lượng và cường độ gia tăng sau ủ tuổi thích hợp cho chi tiết kết cấu đúc.
Hàng không vũ trụ	Chi tiết đúc kết cấu, giá đỡ, phụ kiện	Tỷ số cường độ trên trọng lượng thuận lợi và khả năng tạo hình gần dạng cuối phức tạp.
Hàng hải	Phụ kiện thân tàu, vỏ bơm, linh kiện ngoài tàu	Độ bền ăn mòn hợp lý và khả năng đúc các hình dạng phức tạp chịu nước biển với lớp phủ bảo vệ.
Điện tử	Vỏ hộp, vỏ tản nhiệt	Kết hợp dẫn nhiệt, khả năng đúc và gia công tốt cho chi tiết quản lý nhiệt.

A356 thường được chọn khi nhà thiết kế cần tạo hình các chi tiết phức tạp với hiệu suất cơ học tốt sau xử lý nhiệt, đồng thời giảm công đoạn gia công và lắp ráp. Sự cân bằng giữa khả năng đúc, gia công và đáp ứng ủ tuổi giúp sản xuất chi tiết đúc độ bền trung bình hiệu quả về chi phí cho nhiều ngành công nghiệp.

Gợi Ý Lựa Chọn

Lựa chọn A356 khi yêu cầu chi tiết đúc phức tạp hoặc mỏng với tính chất cơ học có thể xử lý nhiệt sau, và khi cần giảm trọng lượng nhưng không cần cường độ hợp kim cán cao nhất. Hợp kim này đặc biệt hấp dẫn cho các chi tiết cần khả năng đúc tốt và ủ tuổi ở mức vừa phải (bánh xe, vỏ bọc, phụ kiện).

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), A356 đánh đổi khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cùng tính dễ tạo hình vốn có để có độ bền sau xử lý nhiệt cao hơn nhiều và sự ổn định kích thước trong các dạng đúc. So với các hợp kim làm cứng nguội phổ biến (3003, 5052), A356 cung cấp độ bền tăng cứng sau già hóa cao hơn nhưng thường có độ dẻo thấp hơn và khả năng chống ăn mòn trong môi trường chứa chloride tương đương hoặc hơi giảm. So với các hợp kim thanh xử lý nhiệt thông dụng (6061, 6063), A356 được ưu tiên khi các hình học đúc phức tạp và lợi ích kinh tế vượt trội của quá trình đúc quan trọng hơn độ bền cực đại cao hơn và tính hàn tốt hơn của các hợp kim thanh đó.

Tóm tắt cuối

A356 vẫn là hợp kim đúc chủ lực cho các kỹ sư cần sự kết hợp thực tế giữa khả năng đúc, mật độ thấp và phản ứng già hóa hiệu quả, làm cho nó đặc biệt giá trị trong các ứng dụng ô tô, hàng không, hàng hải và nhiệt, nơi yêu cầu hình dạng phức tạp và độ bền từ vừa đến cao với chi phí hợp lý.