Nhôm A380: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

A380 là một hợp kim nhôm đúc áp lực thương mại thuộc họ Al-Si-Cu, không phải là dòng hợp kim rèn truyền thống như 3xxx, 6xxx hoặc 7xxx. Nó thường được phân loại trong nhóm hợp kim đúc Al–Si (thường được tham chiếu cùng với ADC12/EN AC‑46000) và được thiết kế cho các ứng dụng đúc áp lực sản lượng lớn, nơi yêu cầu hình học phức tạp và độ chính xác kích thước cao.

Các nguyên tố kim loại chính trong hợp kim là silic (Si) ở phạm vi eutectic đến hypoeutectic và đồng (Cu) ở mức đủ để tạo ra hiện tượng làm cứng kết tủa; sắt (Fe), magiê (Mg) cùng lượng nhỏ titan (Ti) và mangan (Mn) có mặt để kiểm soát đặc tính đúc và cấu trúc vi mô. Tăng cường cơ tính là sự kết hợp giữa cấu trúc vi mô đúc (Si eutectic và các intermetallic), sự làm cứng kết tủa hạn chế từ Cu/Mg, và một ít hiệu ứng làm cứng do gia công thứ cấp; A380 không phải là hợp kim rèn có khả năng làm cứng biến dạng thuần túy.

Những đặc điểm nổi bật của A380 bao gồm khả năng đúc tốt, ổn định kích thước xuất sắc trong đúc áp lực, độ bền tĩnh trung bình đến cao cho hợp kim đúc, độ dẫn nhiệt và điện vừa phải cho nhiều ứng dụng vỏ bọc và khung hộp, cùng khả năng chống ăn mòn chấp nhận được khi tiếp xúc khí quyển thông thường. Khả năng hàn và tạo hình bị hạn chế so với các loại nhôm rèn; hàn sửa chữa và xử lý nhiệt sau đúc có thể thực hiện nhưng đòi hỏi kiểm soát quy trình chặt chẽ.

Những ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng A380 là ô tô (vỏ hộp số, khung bọc, giá đỡ), điện tử tiêu dùng (vỏ bảo vệ), vỏ động cơ nhỏ và máy bơm, cũng như các chi tiết đúc công nghiệp tổng quát nơi yêu cầu hình học và kinh tế quan trọng. Kỹ sư lựa chọn A380 khi cần cân bằng giữa khả năng đúc, độ chính xác kích thước, độ bền đủ dùng và chi phí từng chi tiết thấp hơn kỳ vọng về độ dẻo dai cao hoặc hiệu suất làm việc ở nhiệt độ cao.

Các Mác Nhiệt

Mác Nhiệt	Cấp Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O (Ủ mềm)	Thấp	Cao	Phù hợp tạo hình giới hạn	Tốt (cẩn trọng)	Được làm mềm bởi ủ lò; hiếm khi sử dụng cho chi tiết đúc cuối cùng
As‑Cast (AC)	Trung bình	Thấp–Trung bình	Hạn chế	Khá — có vấn đề lỗ rỗng	Điều kiện giao hàng phổ biến từ đúc áp lực; cấu trúc vi mô quyết định độ bền
T5 (Lão hóa nhân tạo)	Trung bình–Cao	Thấp	Hạn chế	Khá — lựa chọn vật liệu hàn quan trọng	Thường áp dụng để cải thiện tính cơ học mà không cần tôi dung dịch hoàn toàn
T6 (Tôi dung dịch & lão hóa)	Cao	Thấp	Kém	Khó khăn — làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)	Tăng cường độ bền tối đa nhưng có rủi ro biến dạng và mở rộng lỗ rỗng
H (gia công nguội, giới hạn)	Trung bình	Thấp hơn	Kém	Không áp dụng	Hiếm dùng cho đúc áp lực; chỉ dùng khi biến dạng cục bộ được áp dụng

Mác nhiệt ảnh hưởng đến A380 bằng cách thay đổi cân bằng tương đối giữa độ bền và độ dẻo thông qua các biến đổi cấu trúc vi mô và hành vi kết tủa. Vật liệu đúc gốc As‑Cast đảm bảo độ chính xác kích thước tốt nhất từ khuôn, T5 tăng cường độ bền với biến dạng tối thiểu, còn T6 toàn phần có thể đạt độ bền cao nhất với chi phí quy trình phức tạp hơn, rủi ro biến dạng cao và lợi ích hạn chế do lỗ rỗng trong đúc.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	7.5–9.6	Nguyên tố hợp kim chính kiểm soát tính chảy và co ngót; tạo các pha eutectic/Si mịn.
Fe	0.6–1.3	Tạp chất hình thành intermetallic (β‑AlFeSi) ảnh hưởng độ dẻo và khả năng chịu lỗ rỗng.
Mn	≤0.35	Kiểm soát hình thái các intermetallic Fe; cải thiện độ dai nhẹ.
Mg	0.1–0.45	Góp phần làm đóng rắn kết tủa khi kết hợp với Cu; vai trò tăng cường nhỏ.
Cu	1.5–3.5	Thành phần chính thúc đẩy làm cứng kết tủa và tăng cường độ sau lão hóa.
Zn	≤0.2	Lượng thấp; góp phần nhỏ vào độ bền rắn hòa tan.
Cr	≤0.1	Lượng rất nhỏ kiểm soát cấu trúc hạt và kết tinh lại ở một số biến thể.
Ti	0.02–0.2	Chất tinh chỉnh hạt dùng trong quá trình nấu chảy để kiểm soát kích thước hạt đúc.
Khác	Còn Lại Al (cùng tạp chất Pb/Sn ≤0.05)	Nhôm là thành phần còn lại; các nguyên tố vi lượng được kiểm soát để đảm bảo độ sạch đúc.

Hàm lượng Si kiểm soát tính năng đúc—tính lưu động, cấp liệu và co ngót—và kích thước cũng như hình thái các hạt Si ảnh hưởng đến độ bền và khả năng mỏi. Đồng và magiê cho phép tăng cường kết tủa khi lão hóa nhân tạo, nhưng hiệu quả xử lý nhiệt bị hạn chế bởi khuyết tật đúc và các pha intermetallic làm giảm độ dẻo và tuổi thọ mỏi so với hợp kim rèn.

Tính Chất Cơ Học

A380 thể hiện tính chất kéo điển hình của các hợp kim đúc áp lực cỡ trung: có độ bền kéo tối đa khá cao so với hợp kim đúc với giới hạn chảy thấp đến trung bình và độ dãn dài hạn chế. Giá trị độ bền kéo và giới hạn chảy phụ thuộc mạnh vào thông số đúc, mức độ lỗ rỗng và mác nhiệt; chi tiết đúc đặc hơn với kiểm soát khí hydro và oxit tốt có tuổi bền mỏi cao hơn và độ bền đo được cao hơn.

Độ dãn dài thường thấp hơn so với nhôm rèn; độ dãn đến gãy thường trong khoảng 1–6% cho các mác nhiệt as-cast và xử lý nhiệt, và độ dẻo chỉ cải thiện nhẹ khi ủ mềm. Độ cứng tương quan với mác nhiệt và xử lý nhiệt — độ cứng Brinell tăng từ mức trung bình khi ủ mềm lên cao hơn sau lão hóa T5/T6, nhưng sự có mặt của các intermetallic giòn và hạt Si thô giới hạn độ dai và khả năng chịu mỏi.

Hiệu suất mỏi nhạy cảm với điều kiện bề mặt và khuyết tật đúc; tuổi bền mỏi thường thấp hơn hợp kim rèn có độ bền tĩnh tương đương và có thể cải thiện bằng xử lý ép đẳng áp nóng, xử lý bia mài, hoặc gia công loại bỏ khuyết tật bề mặt. Độ dày và kích thước tiết diện ảnh hưởng tốc độ làm nguội và cấu trúc vi mô; tiết diện mỏng nguội nhanh tạo cấu trúc vi mô mịn hơn và tính chất cơ học tốt hơn đôi chút, trong khi tiết diện dày dễ bị lỗ rỗng và cấu trúc eutectic thô.

Tính Chất	O/Ủ mềm	Mác Nhiệt Chính (As‑Cast / T5 / T6)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo (UTS)	135–220 MPa	250–340 MPa	Phạm vi rộng do cách đúc và lỗ rỗng; T5/T6 ở ngưỡng cao hơn.
Giới Hạn Chảy (0.2% offset)	55–125 MPa	110–210 MPa	T6 nâng giới hạn chảy nhờ làm cứng kết tủa; giới hạn as‑cast thay đổi theo cấu trúc vi mô.
Độ Dãn Dài	4–12%	1–6%	Độ dẻo hạn chế trong đúc; ủ mềm giúp nhưng giảm bớt độ bền.
Độ Cứng (HB)	50–85 HB	75–110 HB	Độ cứng tăng với lão hóa nhân tạo; biến thiên tại chỗ do intermetallic.

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2.78 g/cm³	Cao hơn nhôm tinh khiết do chứa Si/Cu/Fe.
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~500–575 °C	Bắt đầu nóng chảy một phần/giai đoạn eutectic gần nhiệt độ eutectic; phạm vi rắn-lỏng do thành phần hợp kim.
Độ Dẫn Nhiệt	~90–120 W/m·K (25 °C)	Thấp hơn nhôm tinh khiết do Si và intermetallic; vẫn tốt cho vỏ bọc và tản nhiệt.
Độ Dẫn Điện	~20–35 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết; độ dẫn giảm khi tăng Cu/Si.
Nhiệt Dung Riêng	~0.88–0.92 J/g·K	Điển hình cho hợp kim nhôm; liên quan đến mô hình quản lý nhiệt.
Hệ Số Giãn Nhiệt	~21–23 µm/m·K	Tương đồng với các hợp kim đúc Al–Si khác; cần thiết kế bù nghịch nhiệt trong các cụm nhiều vật liệu.

Bộ tính chất vật lý làm cho A380 trở thành lựa chọn hấp dẫn cho các chi tiết yêu cầu ổn định kích thước, tản nhiệt vừa phải và tiếp đất điện trong khi giữ trọng lượng thấp. Độ dẫn nhiệt và nhiệt dung thích hợp cho vai trò tản nhiệt ở mức trung bình, nhưng nhà thiết kế nên tính đến độ dẫn nhiệt thấp hơn so với nhôm tinh khiết khi tản nhiệt là chức năng chính. Hệ số giãn nhiệt điển hình của nhôm và phải được tính toán trong các cụm nhiều vật liệu để tránh ứng suất nhiệt và giảm chất lượng do ăn mòn điện hóa.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Đặc Tính Cơ Lực	Tinh Chế Thường Dùng	Ghi Chú
Tấm	Hiếm khi cung cấp	Không phổ biến	Không áp dụng	A380 không thường được sản xuất dưới dạng tấm kéo nguội; các ứng dụng tấm dùng hợp kim 5xxx/6xxx.
Đĩa	Giới hạn (đĩa đúc mỏng hơn)	Thay đổi theo độ dày	Đúc Thô / T5	Có tồn tại một số đĩa đổ hoặc đúc khuôn bán rắn nhưng hiếm gặp; thường yêu cầu gia công tinh.
Đùn	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	A380 là hợp kim đúc khuôn và không phù hợp với quy trình đùn.
Ống	Hiếm khi cung cấp	Không áp dụng	Không áp dụng	Dạng ống đúc khuôn rất hạn chế; ống hàn từ bán thành phẩm đúc đôi khi được sử dụng.
Thanh/Cây	Thanh đúc/Thỏi nấu lại	Tương tự đúc thô	Đúc Thô	Chủ yếu cung cấp dưới dạng thỏi hoặc bi cho nấu lại đúc khuôn, không phải thanh rèn cho gia công.

A380 căn bản là hợp kim đúc khuôn áp lực và dạng sản phẩm chính là chi tiết đúc trực tiếp từ khuôn cao áp. Dạng vật liệu rèn như tấm, đĩa và đùn không phổ biến vì thành phần hóa học hợp kim và cấu trúc vi mô đúc không tối ưu cho gia công rèn; nhà sản xuất thường chọn hợp kim rèn cho các dạng sản phẩm đó. Khi cần thiết, chi tiết đúc được gia công đạt dung sai cuối cùng hoặc kết hợp với chèn và thao tác thứ cấp thay vì dựa vào tạo hình.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	A380	USA	Định danh phổ biến cho ngành đúc khuôn và tiêu chuẩn đúc.
EN AW	EN AC‑46000 (AlSi8Cu3(Fe))	Châu Âu	Tương đương gần đúng; nomenclature tập trung vào họ hóa học và hàm lượng Fe.
JIS	ADC12	Nhật Bản	Được tham chiếu rộng rãi tại châu Á với hàm lượng Si/Cu và đặc tính đúc tương tự.
GB/T	AlSi9Cu (xấp xỉ)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn địa phương có thể liệt kê AlSi9Cu3 hoặc tương tự là tương đương thực tế; thành phần hóa học có thể hơi khác.

Sự khác biệt nhỏ giữa các mác tương đương khu vực xuất phát từ dung sai cho phép về Cu, Si và Fe cùng mức tạp chất cho phép và phương pháp thử tính chất cơ học. ADC12 và EN AC‑46000 thường được coi như gần tương đương với A380 về thiết kế và thu mua, nhưng nhà sản xuất nên xác nhận phạm vi hóa học, tùy chọn xử lý nhiệt tạm thời và chứng nhận tính chất cơ học trước khi sử dụng thay thế.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

A380 có khả năng chống ăn mòn khí quyển chung chấp nhận được nhờ lớp màng oxy hóa nhôm tự nhiên, và hoạt động tốt trong môi trường trong nhà, kiểm soát nơi các tác nhân gây ăn mòn khe hở tối thiểu. Hàm lượng đồng làm giảm khả năng chống ăn mòn tổng thể so với hợp kim rèn có hàm lượng Cu thấp; ăn mòn cục bộ có thể xảy ra đặc biệt trong môi trường chứa chloride và tại các vùng có mảng bám giữ ẩm.

Trong môi trường biển hoặc chứa chloride cao, A380 dễ bị ăn mòn dạng pitting và khe hở hơn hợp kim rèn 5xxx/6xxx chứa ít hoặc không có đồng; các lớp phủ bảo vệ và chất trám khe thường được chỉ định để sử dụng lâu dài. Nứt ăn mòn ứng suất (SCC) ít khi được báo cáo trên A380 trong điều kiện sử dụng phổ biến, nhưng nguy cơ tăng khi có kết hợp căng kéo, hoạt tính chloride cao và nhiệt độ tăng; các kỹ sư thiết kế nên thận trọng khi dùng cho kết cấu biển.

Tương tác điện hóa làm A380 có tính anode so với nhiều thép và hợp kim đồng; khi ghép trong nước biển hoặc dung dịch điện ly ăn mòn mạnh, thành phần nhôm sẽ ăn mòn trước trừ khi được cách điện hoặc bảo vệ bằng lớp phủ và anode hy sinh. So với các dòng hợp kim khác, A380 đánh đổi một phần khả năng chống ăn mòn để lấy độ dễ đúc và tiết kiệm kích thước; nếu chống ăn mòn là yếu tố quan trọng, nên chọn hợp kim thấp Cu hoặc hệ thống bảo vệ.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn chi tiết đúc áp lực A380 khả thi nhưng có thách thức: độ xốp, khí và oxit kẹt trong cấu trúc vi mô đúc làm tăng nguy cơ lỗi hàn. Hàn TIG và MIG dùng dây kim loại phụ Al-Si (ví dụ ER4043 hoặc ER4047) thường được khuyên để phù hợp với nền giàu silic và giảm nguy cơ nứt nóng; ER5356 có thể dùng để tăng cường độ nhưng làm tăng khả năng nứt trên chi tiết đúc Al–Si. Gia nhiệt trước đến 150–200 °C, mài đến kim loại tốt và xử lý nhiệt hoặc đập búa sau hàn giúp cải thiện chất lượng mối hàn; tuy nhiên vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị làm mềm và mở độ xốp thường giới hạn độ bền sửa chữa.

Khả năng gia công

A380 được xem là dễ gia công ở mức vừa phải cho một hợp kim đúc; các hạt Si eutectic giảm sự đóng rắn dao và hỗ trợ gãy phoi, trong khi độ cứng vừa phải cho phép tốc độ chạy dao cao hơn so với nhôm nguyên chất mềm. Dụng cụ carbide với góc thoát dương và làm mát đầy đủ là tiêu chuẩn cho gia công khối lượng lớn; tốc độ cắt tương tự các hợp kim Al khác nhưng tuổi thọ dụng cụ chịu ảnh hưởng từ hàm lượng Si và các hợp chất kim loại cứng. Bề mặt hoàn thiện mịn đòi hỏi kiểm soát tốc độ ăn dao và hình học dao để tránh rung và kéo bật hạt silic.

Khả năng tạo hình

A380 giới hạn về tạo hình do chi tiết đúc không dẻo như nhôm rèn. Bán kính uốn phải thận trọng và thao tác tạo hình cục bộ thường gây nứt hoặc gãy do độ dãn dài thấp; các kỹ sư thường tránh tạo hình nguội nặng trên chi tiết đúc A380. Kết quả tạo hình tốt nhất đến từ thiết kế sẵn các chi tiết trong khuôn, dùng chèn hoặc chọn hợp kim rèn dẻo hơn cho yêu cầu tạo hình sau; annealing có thể cải thiện dẻo nhưng giảm mạnh độ bền.

Phản Ứng Xử Lý Nhiệt

Mặc dù A380 chứa Cu và Mg cho phép tăng cứng kết tủa, phản ứng xử lý nhiệt bị hạn chế bởi cấu trúc vi mô đúc và độ xốp. Xử lý nhiệt dung dịch thường ở nhiệt độ khoảng 495–540 °C để hòa tan pha hòa tan, sau đó làm lạnh nhanh và lão hóa nhân tạo 150–200 °C để tạo pha tăng cứng; tạo thành trạng thái T6 hoặc T5 tùy vào quá trình xử lý dung dịch đầy đủ hay không.

Hạn chế thực tế bao gồm biến dạng, mở lỗ xốp và lớp màng oxit trong quá trình xử lý dung dịch làm giảm độ chính xác kích thước và tuổi thọ mỏi; nên nhiều nhà đúc chọn quy trình T5 (lão hóa trực tiếp) hoặc lão hóa kiểm soát để cân bằng tăng độ bền và ổn định hình dạng. Với hành vi không xử lý nhiệt, A380 có thể làm mềm bằng ủ lò để tăng dẻo cho tạo hình hạn chế, và gia công nguội tại chỗ tăng cứng nhẹ nhưng không dùng thay thế cho hợp kim rèn hoàn chỉnh.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Độ bền của A380 giảm khi nhiệt độ tăng và hợp kim này thường được khuyên dùng liên tục dưới khoảng 150 °C cho ứng dụng chịu tải. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ làm mềm cấu trúc sau lão hóa và thúc đẩy sự phát triển các pha kết tủa lớn, giảm độ bền tĩnh và tuổi thọ mỏi; phơi nhiễm kéo dài trên ~200 °C không phổ biến với chi tiết A380. Quá trình oxy hóa nhôm thường bảo vệ, nhưng ở nhiệt độ cao, các pha liên kim và giãn nở khác biệt có thể gây ra vi nứt và giảm tính kín trong lắp ráp.

Phần hàn hay sửa chữa hình thành vùng HAZ nơi quá lão hóa hoặc làm mềm xảy ra; nhiệt độ cao làm nặng thêm hiện tượng làm mềm HAZ và giảm khả năng chịu tải dẫn truyền, do đó kỹ sư thiết kế phải tính đến giảm cường độ cục bộ và tránh bố trí mối ghép then chốt hoặc hàn ở vùng nhiệt cao.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Chọn A380
Ô tô	Bộ vỏ hộp số, bộ vỏ van, giá đỡ	Dễ đúc khuôn, độ chính xác kích thước cao, chi phí hiệu quả cho sản phẩm số lượng lớn
Hàng hải