Nhôm A390: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn trạng thái tôi luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

A390 là hợp kim đúc nhôm-silicon hypereutectic trong nhóm vật liệu đúc Al‑Si‑Cu‑Mg kiểu 3xx/4xx, khác với hợp kim rèn hàng 6xxx hoặc 7xxx. Thành phần hóa học chủ yếu bao gồm hàm lượng silicon rất cao (thường khoảng 17–19 wt%) với đồng và magiê là các nguyên tố làm cứng phụ, kết hợp với lượng nhỏ sắt, mangan và dấu vết titan để kiểm soát và biến đổi cấu trúc hạt.

Cơ chế làm cứng chính là sự tạo pha kết tủa trong ma trận nhôm nhờ các hợp chất Cu/Mg sau quá trình xử lý hoà tan và già hoá nhân tạo, cùng với tăng cường vi cấu trúc nhờ các hạt silicon nguyên sinh cứng phân bổ đều trong ma trận. Điều này khiến A390 là hợp kim đúc có thể xử lý nhiệt, với cấu trúc vi mô và phản ứng cơ học khác biệt so với các hợp kim rèn làm cứng cơ học.

Các đặc điểm chính gồm khả năng chống mài mòn cao và độ bền nén tiếp xúc lớn nhờ các hạt Si cứng kích thước lớn, độ ổn định kích thước tốt sau xử lý nhiệt, khả năng chống ăn mòn vừa phải bị giảm do thêm đồng, cùng tính dẻo và khả năng tạo hình hạn chế so với hợp kim rèn thông thường. Các ngành sử dụng A390 tiêu biểu là ô tô (piston, lót xi lanh, chèn chống mài mòn), linh kiện thủy lực và khí nén, bơm, và một số bộ phận động cơ nặng cần ưu tiên khả năng chống mài mòn và đúc được hình dạng phức tạp.

Kỹ sư chọn A390 khi cần kết hợp khả năng chống mài mòn hypereutectic, khả năng đúc vào các biên dạng phức tạp và đạt được tính chất cường độ tương tự T6; hợp kim này được ưu tiên hơn các hợp kim đúc có hàm lượng Si thấp khi yêu cầu độ ổn định bề mặt trong điều kiện trượt hoặc tiếp xúc mài mòn và kiểm soát nhiệt chiều kích cẩn thận.

Các Biến Thể Độ Cứng

Độ Cứng (Temper)	Cấp Độ Bền	Độ Dãn	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
As‑Cast (F)	Thấp–Trung Bình	Thấp (1–4%)	Kém	Hạn Chế	Vi cấu trúc dạng đúc; có Si nguyên sinh; độ dẻo tối thiểu
O / Ủ Mềm	Thấp	Trung Bình	Cải thiện so với F	Hạn Chế	Ma trận làm mềm bằng hoà tan/ủ để giảm ứng suất
T5 (Già hoá nhân tạo sau đúc)	Trung Bình	Thấp (1–3%)	Kém	Hạn Chế	Già hoá nhân tạo nhanh từ đúc nguội mà không hoà tan trước
T6 (Xử lý hoà tan + già hoá nhân tạo)	Cao	Thấp (0.5–3%)	Kém	Hạn Chế	Đạt độ bền cao nhất cho A390; phổ biến cho piston và chi tiết chống mài mòn
T7 / Quá Già	Trung Bình	Thấp (1–4%)	Kém	Hạn Chế	Ổn định, cải thiện ổn định nhiệt nhưng giảm độ bền tối đa

Độ cứng ảnh hưởng rõ nét đến A390 vì hình thái silicon và sự phân bố các pha kết tủa Cu/Mg trực tiếp kiểm soát độ bền và độ dai. Xử lý hoà tan, làm nguội nhanh và già hoá nhân tạo (T6) tối đa hóa độ bền ma trận nhưng không cải thiện đáng kể độ dẻo do các hạt Si nguyên sinh kích thước lớn vẫn là yếu tố hạn chế.

Trong thực tế, các nhà thiết kế đánh đổi độ dẻo lấy độ cứng và khả năng chống mài mòn: trạng thái đúc và T5 được dùng khi ưu tiên giảm thiểu xử lý nhiệt, trong khi T6 được chỉ định khi cần độ bền kéo và giới hạn chảy cao hơn cùng cải thiện tính chống mỏi.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	17.0–19.0	Nguyên tố làm cứng và chống mài mòn chính; hàm lượng hypereutectic tạo hạt Si nguyên sinh.
Fe	0.6–1.2	Nguyên tố tạo hợp chất liên kim; quá nhiều gây pha Fe giòn và giảm độ bền mỏi.
Mn	0.2–0.6	Giúp biến đổi hợp chất sắt; cải thiện độ dai nhẹ.
Mg	0.3–0.6	Tham gia làm cứng kết tủa với Cu dưới dạng Mg2Si và các pha phức tạp.
Cu	3.5–4.5	Nguyên tố làm cứng chính qua kết tủa; tăng cường độ nhưng giảm khả năng chống ăn mòn.
Zn	≤0.25	Yếu tố nhỏ, thường là tạp chất, ít tác dụng làm cứng.
Cr	≤0.2	Loại bỏ sắt và ổn định vi cấu trúc trong một số mẻ đúc.
Ti	0.02–0.12	Chất tinh chế hạt cho đúc, kiểm soát kết tinh ma trận Al.
Khác (Ni, Sr, các chất biến đổi Sr)	≤0.5 cộng dồn	Ni có thể thêm để tăng ổn định nhiệt độ cao; Sr dùng biến đổi silicon trong một số mẻ đúc.

Hàm lượng silicon cao tạo nên vi cấu trúc hai pha gồm ma trận Al và các hạt Si cứng chi phối khả năng chống mài mòn và độ cứng. Đồng và magiê kết hợp tạo kết tủa sau xử lý nhiệt, tăng cường độ bền và cứng đáng kể, trong khi sắt và mangan kiểm soát các liên kim giòn ảnh hưởng đến độ bền mỏi và độ giòn gãy. Thêm một lượng nhỏ titan hoặc stronti trong quá trình đúc để tinh chế cấu trúc hạt và điều chỉnh hình thái hạt silicon, cải thiện đặc tính đúc.

Tính Chất Cơ Lý

A390 thể hiện sự kết hợp độ bền nén và khả năng chống mài mòn khá cao với độ dẻo kéo hạn chế do pha silicon hypereutectic. Ở trạng thái T6, ma trận nhôm cung cấp giới hạn chảy và độ bền kéo đáng kể nhờ kết tủa Cu/Mg, nhưng độ dãn vẫn thấp và gãy chủ yếu kiểm soát bởi các hạt silicon cứng và pha liên kim giòn. Độ bền mỏi phụ thuộc lớn vào chất lượng đúc, độ rỗng, kích thước và phân bố hạt Si nguyên sinh; bề mặt nhẵn và xử lý nhiệt có thể cải thiện tuổi thọ mỏi nhưng không loại bỏ hiện tượng nứt khởi đầu do Si gây ra.

Độ dày và kích thước tiết diện ảnh hưởng mạnh vì tốc độ làm nguội khi đông đặc quyết định kích thước và phân bố hạt Si nguyên sinh cũng như khoảng cách pha eutectic; tiết diện dày làm nguội chậm hơn, tạo hạt Si thô hơn và làm giảm tính chất cơ học. Độ cứng tỉ lệ thuận với trạng thái nhiệt luyện và vi cấu trúc: độ cứng khi đúc trung bình và tăng đáng kể sau hoà tan và già hoá nhân tạo đến trạng thái T6, với chỉ số HB đạt gần mức yêu cầu cho chi tiết chịu mài mòn.

Tính Chất	As‑Cast / Ủ Mềm (F/O)	Độ Cứng Chủ Yếu (T6)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo (UTS)	140–220 MPa	280–360 MPa	Giá trị T6 phụ thuộc thời gian và nhiệt độ xử lý nhiệt; phổ biến rộng do rỗng và hình thái Si.
Giới Hạn Chảy (0.2% offset)	70–140 MPa	220–320 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh ở T6; ở trạng thái đúc thấp và dao động.
Độ Dãn (A%)	1–6%	0.5–3%	Độ dẻo thấp đặc trưng; có thể cao hơn ở đúc mỏng và tinh chế hạt.
Độ Cứng (HB)	70–110 HB	110–160 HB	Độ cứng tăng theo tuổi già; HB cao liên quan mật thiết với chống mài mòn.

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2.75 g/cm³	Cao hơn nhôm nguyên chất do có đồng; hàm lượng Si cao làm giảm nhẹ mật độ.
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy (solidus–liquidus)	~520–585 °C	Hợp kim hypereutectic với dải đông đặc rộng; Si nguyên sinh kết tinh sớm.
Độ Dẫn Nhiệt	~90–120 W/m·K	Thấp hơn nhôm nguyên chất và hợp kim ít Si; đồng và hạt Si làm giảm khả năng dẫn nhiệt.
Độ Dẫn Điện	~25–35 %IACS	Hợp kim và pha liên kim giảm độ dẫn điện so với nhôm tinh khiết thương mại.
Nhiệt Dung Riêng	~0.88–0.95 kJ/kg·K	Đặc trưng cho hợp kim nhôm; thay đổi nhẹ theo nhiệt độ và thành phần.
Hệ Số Giãn Nhiệt (20–200 °C)	~21–23 µm/m·K	Ảnh hưởng bởi hàm lượng Si cao; tổng thể thấp hơn đôi chút so với nhôm rèn.

Vi cấu trúc như composite của A390 (ma trận Al với các hạt Si cứng) làm giảm độ dẫn nhiệt và điện so với nhôm nguyên chất nhưng cải thiện ổn định chống mài mòn và ổn định kích thước khi tiếp xúc trượt có ma sát. Hành vi nóng chảy và đông đặc rất quan trọng trong thiết kế quy trình đúc vì sự kết tinh của Si nguyên sinh ảnh hưởng đến cung cấp kim loại lỏng, hiện tượng co ngót và mài mòn khuôn trong đúc áp lực và đúc khuôn vĩnh cửu.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Thông Thường	Hành Vi Cơ Lực	Loại nhiệt xử lý phổ biến	Ghi chú
Tấm	Không phổ biến	Không áp dụng	Không áp dụng	A390 không được sản xuất dưới dạng tấm kéo mỏng; không phù hợp để cán/uốn.
Đĩa (Plate)	Hạn chế / Đúc dày (≥10 mm)	Thay đổi theo tiết diện	F, T5, T6	Đĩa đúc dày có thể sản xuất bằng đúc trọng lực hoặc đúc khuôn cố định cho các chi tiết nặng.
Đùn	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	A390 là hợp kim đúc và không dùng cho đùn.
Ống	Hiếm gặp dưới dạng ống đúc	Biến đổi	F, T6	Ống đúc có thể sản xuất cho các bộ phận thủy lực chuyên dụng; không phổ biến.
Thanh / Trục	Thanh thỏi/nguyên liệu bán rèn	Biến đổi	F, T6	Thông thường cung cấp dưới dạng chi tiết đúc hoặc thỏi để gia công sâu hơn; thanh rèn rất hiếm.

A390 chủ yếu được cung cấp và sử dụng dưới dạng đúc — đúc áp lực cao, đúc trọng lực/khuôn cố định và đúc cát chính xác là các phương pháp sản xuất phổ biến. Hàm lượng silic cao trong hợp kim giúp giảm giãn nở nhiệt và co ngót, nhưng làm tăng mài mòn dụng cụ và khuôn, do đó kỹ thuật đúc và vật liệu dụng cụ rất quan trọng. Kỹ sư thiết kế nên lên kế hoạch hình dạng gần với thành phẩm để giảm gia công sau đúc và lựa chọn quá trình đúc phù hợp với độ dày tiết diện nhằm kiểm soát hình thái silic và độ rỗ khí.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Vùng	Ghi chú
AA	A390	Hoa Kỳ	Ký hiệu đúc của Aluminium Association cho hợp kim Al‑Si‑Cu‑Mg hypereutectic.
EN AW / EN AC	AlSi17Cu4 / EN AC‑43400 (ước lượng)	Châu Âu	Có các phiên bản đơn giản hóa của EN; kiểm tra thành phần hóa học và cơ lý theo tiêu chuẩn cụ thể.
JIS	ADCxx (ước lượng)	Nhật Bản	Không có tương đương JIS chính xác một‑một; một số hợp kim ADC có tính chất tương tự nhưng cân bằng Cu/Si khác nhau.
GB/T	A390 (hoặc AlSi17Cu4)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc có thể dùng ký hiệu tương tự; kiểm tra thông số kỹ thuật địa phương để biết giới hạn chính xác.

Việc đối chiếu các tiêu chuẩn quốc tế chỉ mang tính tương đối vì tiêu chuẩn đúc có dung sai, giới hạn tạp chất và yêu cầu kiểm tra cơ lý khác nhau. Kỹ sư phải so sánh bảng thành phần hóa học đầy đủ và điều kiện thử cơ lý (phương pháp đúc, xử lý nhiệt, giới hạn rỗ khí) khi thay thế mác thép giữa các khu vực.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

A390 có khả năng chống ăn mòn khí quyển trung bình, đặc trưng cho hợp kim đúc Al‑Si, nhưng hàm lượng đồng tương đối cao làm giảm khả năng chống ăn mòn so với hợp kim ít đồng hơn. Trong môi trường công nghiệp hoặc vùng quê có tính ăn mòn nhẹ, hợp kim tạo thành lớp oxit bảo vệ bề mặt; tuy nhiên các hạt đồng và các pha intermetallic có thể hoạt động như cặp catốt cục bộ làm tăng nguy cơ pitting và ăn mòn cục bộ, đặc biệt khi ma trận không được passivate tốt.

Môi trường biển khó hơn nhiều: các ion chloride thúc đẩy pitting và ăn mòn khe kẽ, đồng thời sự có mặt của đồng làm tăng tính ăn mòn cục bộ. Để sử dụng trong môi trường biển hoặc môi trường chloride ăn mòn mạnh, thường phải dùng lớp phủ bảo vệ, anode hóa (nếu có thể) hoặc thiết kế bảo vệ hy sinh.

Nứt ăn mòn ứng suất (SCC) ít gặp ở hợp kim đúc tăng cường silic cao hơn so với hợp kim rèn Al‑Cu chịu tải lớn và ứng suất cao, nhưng ứng suất dư do đúc và xử lý nhiệt kết hợp với môi trường ăn mòn có thể gây nứt tại các vị trí khuyết tật như rỗ khí hoặc hạt silic lớn. Tương tác galvanic là yếu tố quan trọng cần cân nhắc; A390 là anod so với nhiều loại thép không gỉ và hợp kim niken, nên sẽ ăn mòn ưu tiên; vì vậy cần cách ly hoặc sử dụng hệ thống phủ thích hợp. So với hợp kim rèn dòng 5xxx và 6xxx, A390 đánh đổi một phần khả năng chống ăn mòn để lấy khả năng chống mài mòn và cường độ trong chi tiết đúc.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn A390 rất khó và thường không được khuyến khích do silic nguyên phát và các pha intermetallic gây nứt nóng và vùng hợp kim kém. Nhiệt cục bộ khi hàn TIG hoặc MIG có thể tạo ra mối hàn giòn và làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ); cần chọn vật liệu hàn sao cho cân bằng độ dẻo và khả năng chống ăn mòn, trong khi xử lý nhiệt trước và sau hàn hiệu quả hạn chế. Đối với hàn sửa chữa, cần dùng vật liệu hàn Al‑Si‑Cu đặc biệt và kiểm soát nghiêm ngặt lượng nhiệt hàn, nhiệt độ giữa các lần hàn và độ sạch; tuy nhiên phương pháp sửa chữa gia công cơ khí hoặc liên kết bu lông thường được ưu tiên hơn.

Khả năng gia công

Gia công trong nhiều trường hợp diễn ra tốt do pha silic cứng hoạt động như chất mài mòn cắt kim loại, tăng tốc độ loại bỏ vật liệu nhưng gây mài mòn dụng cụ; khuyến cáo dùng dụng cụ carbide và dung dịch cắt để kiểm soát nhiệt và tản mảnh vụn. Chỉ số gia công thường vượt trội so với nhiều hợp kim rèn do ma trận dễ gãy và các hạt silic giòn, nhưng tuổi thọ dụng cụ chịu ảnh hưởng lớn bởi hình thái hạt silic và độ rỗ khí đúc. Gia công tốc độ cao với thiết lập cứng vững, mảnh cắt PCBN hoặc carbide phủ lớp và chiến lược cắt gián đoạn là phương pháp phù hợp cho chi tiết A390.

Khả năng tạo hình

Tạo hình nguội và uốn thông thường rất hạn chế do độ dẻo kém và sự có mặt của các pha silic nguyên phát lớn dễ gây nứt. Biến dạng nhỏ, cục bộ có thể thực hiện trên chi tiết đã tôi hoặc xử lý đặc biệt, nhưng tạo hình thông thường nên được thiết kế bằng cách đúc gần với hình học cuối cùng. Kỹ thuật tạo hình nóng hoặc bán rắn tồn tại cho hợp kim đúc Al‑Si, nhưng đòi hỏi quy trình chuyên biệt và không phổ biến với chi tiết đúc A390 chuẩn.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

A390 là hợp kim đúc hypereutectic có thể xử lý nhiệt, trong đó nhiệt độ hóa giải và lão hóa nhân tạo được kiểm soát để tạo cấu trúc kết tủa mong muốn trong ma trận nhôm. Nhiệt độ hóa giải thường nằm trong khoảng 500–540 °C, thời gian tùy theo độ dày tiết diện để hòa tan các thành phần Cu và Mg, sau đó làm nguội nhanh để giữ dung dịch rắn bão hòa quá mức. Lão hóa nhân tạo thường được thực hiện ở 150–200 °C trong thời gian từ 2 đến 10 giờ nhằm đạt được độ bền T6 tối ưu; thời gian và nhiệt độ được điều chỉnh theo kích thước chi tiết và yêu cầu tính chất.

Vì các hạt silic nguyên phát ổn định ở nhiệt độ xử lý nên xử lý nhiệt chủ yếu thay đổi tính chất ma trận mà không làm giảm đáng kể lượng silic giòn; do đó cải thiện độ dãn dài hạn chế. Lão hóa quá mức (T7) gây tạo hạt kết tủa thô hơn giúp tăng độ ổn định nhiệt và giảm ứng suất dư, nhưng làm giảm độ bền cực đại, đây có thể là sự đánh đổi có ích cho ổn định kích thước khi làm việc ở nhiệt độ cao. Đối với chi tiết đúc, việc kiểm soát mức độ làm nguội và giảm biến dạng cộng hưởng nguội cũng như ứng suất dư là vấn đề thực tiễn; một số chi tiết đòi hỏi giá đỡ xử lý hoặc môi trường làm nguội đặc biệt để kiểm soát biến dạng.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Tính chất cơ học của A390 giảm khi nhiệt độ tăng do hạt kết tủa to ra và ma trận mất sức bền; độ bền cấu trúc hữu dụng thường giảm rõ trên khoảng 150–200 °C. Cho sử dụng liên tục ở nhiệt độ cao, trạng thái T7 hoặc đã lão hóa quá mức cho độ ổn định nhiệt tốt hơn nhưng bù lại độ bền ở nhiệt độ phòng thấp hơn, trong khi tiếp xúc ngắn hạn với nhiệt độ cao hơn có thể làm đảo ngược một phần quá trình lão hóa gây mất độ bền. Quá trình oxi hóa nhôm rất thấp so với kim loại sắt, nhưng sự hiện diện các pha intermetallic giàu đồng có thể ảnh hưởng đến tính ăn mòn ở nhiệt độ cao trong môi trường oxi hóa hoặc chloride.

Vùng ảnh hưởng nhiệt do gia nhiệt cục bộ (hàn, ma sát) có thể bị làm mềm và giòn hóa; thiết kế phải tính tới khả năng trượt dẻo, giãn nở ứng suất và biến dạng kích thước trong ứng dụng nhiệt độ cao. Với chu kỳ nhiệt lặp lại, sự khác biệt giãn nở nhiệt giữa ma trận Al và các hạt Si cứng có thể tạo nứt vi mô theo thời gian, nên hình học chi tiết và bộ phận đỡ cần hạn chế tập trung biến dạng nhiệt.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng A390
Ô tô	Piston và thân piston	Silic hypereutectic cung cấp khả năng chống mài mòn và giảm giãn nở nhiệt; ổn định kích thước tốt.
Ô tô / Truyền động	Ống lót xi lanh, vòng mòn	Độ cứng bề mặt cao và khả năng chống mài mòn có bôi trơn cho tiếp xúc trượt.
Thủy lực / Khí nén	Thân van, vỏ bơm	Khả năng đúc vào hình dạng phức tạp và độ bền tốt sau xử lý T6.
Máy móc công nghiệp	Ổ trục và ống lót	Khả năng chống mài mòn và độ bền nén cho tải tiếp xúc lặp lại.
Điện tử / Tản nhiệt	Vỏ chịu nhiệt (giới hạn)	Ổn định nhiệt và khả năng gia công tốt cho chi tiết chính xác.

A390 được chọn khi chi tiết yêu cầu khả năng chống mài mòn cao, ổn định kích thước dưới tác động chu kỳ nhiệt và khả năng đúc gần với hình dạng cuối cùng phức tạp. Sự kết hợp giữa cấu trúc vi mô silic hypereutectic và ma trận cứng hóa kết tủa làm hợp kim rất phù hợp với các chi tiết chuyển động trượt và lên xuống, nơi tuổi thọ làm việc dưới tải tiếp xúc rất quan trọng.

Nhận định về Lựa chọn

A390 phù hợp khi tính chống mài mòn và khả năng đúc được ưu tiên hơn độ dẻo dai và tính dẫn điện; chọn A390 cho các chi tiết piston, liner và chèn chống mài mòn nơi mà Si hypereutectic tạo ra bề mặt trượt bền bỉ. So với nhôm thương mại tinh khiết (1100), A390 đánh đổi khả năng dẫn điện và khả năng tạo hình thấp hơn đáng kể để lấy độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ bền chịu nén dưới tải tiếp xúc cao hơn nhiều.

So với các hợp kim làm cứng bề mặt như 3003 hoặc 5052, A390 cung cấp khả năng chống mài mòn vượt trội và độ bền cao hơn sau xử lý nhiệt T6, nhưng thường có tính chống ăn mòn kém hơn và độ tạo hình thấp hơn nhiều; các hợp kim cán này thích hợp hơn khi khả năng tạo hình và chống ăn mòn là yếu tố ưu tiên. So với các hợp kim cán có thể xử lý nhiệt phổ biến như 6061/6063, A390 có khả năng chống mài mòn và dính mòn tốt hơn, ổn định kích thước về nhiệt tốt hơn ở chi tiết đúc, và được ưu tiên khi yêu cầu độ phức tạp gần đúc gần hoàn thiện và khả năng chống mài mòn vượt trội hơn độ dẻo dai chịu kéo cao của các hợp kim cán dòng 6xxx.

Tóm tắt cuối

A390 vẫn là một hợp kim đúc kỹ thuật quan trọng khi hình thái silicon hypereutectic, khả năng đúc vào hình học phức tạp và tính chất ma trận gia cố kết tủa cùng đồng hành để mang lại khả năng chống mài mòn cao và ổn định kích thước. Các ưu điểm riêng biệt của nó khiến A390 thường được lựa chọn cho các chi tiết trượt và chuyển động tịnh tiến chịu tải cao trong các ứng dụng ô tô và công nghiệp, với điều kiện các kỹ sư thiết kế phải tính đến hạn chế về độ dẻo dai và đánh đổi về tính chống ăn mòn.