Nhôm A413.0: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

A413.0 thuộc họ hợp kim nhôm 4xxx, là dòng dựa trên silic nhấn mạnh tính hàn và tính lưu động trong đúc/đúc rèn thay vì đạt độ bền cao nhất ở các trạng thái tôi luyện. Hợp kim được pha chế với silic là nguyên tố hợp kim chính, bổ sung với lượng kiểm soát magie và đồng nhằm tạo khả năng tôi cổ kết tủa và cải thiện tính chất cơ học. Việc làm cứng trong A413.0 chủ yếu đạt được qua kết hợp xử lý nhiệt dung dịch theo sau là tôi già nhân tạo (tôi cổ kết tủa), với khả năng làm cứng biến dạng lạnh hạn chế trên các chi tiết gia công nguội. Các đặc tính điển hình bao gồm độ bền vừa đến cao ở các trạng thái tôi luyện, khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường, tính hàn xuất sắc nhờ silic và tính tạo hình phù hợp ở các trạng thái mềm hơn.

A413.0 thường được sử dụng trong các chi tiết kết cấu và thân xe ô tô, vỏ hộp truyền động và giá đỡ, phụ kiện hàng hải, cũng như các chi tiết đòi hỏi sự cân bằng giữa khả năng đúc/đùn và tính cơ học. Hợp kim được lựa chọn khi thiết kế cần một nhôm dễ dàng hàn trong khi vẫn có khả năng đạt mức độ bền trung gian sau xử lý nhiệt — một sự thỏa hiệp thực tế giữa các hợp kim không tôi luyện 3xxx/5xxx và các họ hợp kim tôi luyện 6xxx/2xxx có độ bền cao hơn. Trong sản xuất, hàm lượng silic của A413.0 cải thiện bề mặt và giảm nguy cơ nứt nóng khi ghép nối và đúc, làm đơn giản hóa gia công và giảm tỷ lệ phế phẩm. Đối với các ứng dụng đòi hỏi sự kết hợp giữa khả năng gia công tốt, ổn định kích thước sau xử lý nhiệt và khả năng chống ăn mòn mà không cần chi phí hoặc phức tạp trong xử lý của các hợp kim 2xxx hoặc 7xxx có độ bền cao, A413.0 là lựa chọn phổ biến.

Sức hút của A413.0 xuất phát từ thiết kế kim loại học cân bằng: silic cung cấp dải đông đặc thấp và tương thích tấm bù hàn, magie và đồng mang lại tiềm năng tôi cổ kết tủa, các nguyên tố chuyển tiếp nhỏ (Ti, Cr) tinh chỉnh cấu trúc vi mô và kiểm soát hạt. Hợp kim thể hiện diễn biến già hóa dự đoán tốt và cửa sổ gia công khá rộng cho các bước xử lý dung dịch và tôi già so với các hợp kim có độ bền cao nhạy cảm hơn với tốc độ làm nguội. Điều này làm cho A413.0 hấp dẫn với các OEM và nhà chế tạo đánh giá cao tính ổn định quy trình, tính cơ học lặp lại và giảm tỷ lệ loại bỏ trong hàn và xử lý nhiệt. Sự kết hợp giữa chi phí vừa phải, sẵn có và thân thiện trong sản xuất thường giúp A413.0 được ưu tiên cho các ứng dụng kết cấu đạt hiệu suất trung bình.

Các trạng thái tôi luyện (Temper)

Temper	Mức độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (18–25%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái ủ mềm hoàn toàn để tạo hình và ghép nối
H14	Thấp đến trung bình	Trung bình (12–18%)	Tốt	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng nhẹ; phù hợp các chi tiết đơn giản
T5	Trung bình	Trung bình (8–14%)	Khá	Xuất sắc	Làm nguội từ trạng thái làm nóng và tôi già nhân tạo để giảm ứng suất
T6	Cao	Thấp đến trung bình (6–12%)	Giảm	Tốt	Xử lý dung dịch và tôi nhiều lần đến đỉnh bền để đạt độ bền tối đa
T651	Cao	Thấp đến trung bình (6–12%)	Giảm	Tốt	Xử lý dung dịch, giảm ứng suất bằng kéo giãn, tôi già nhân tạo

Temper ảnh hưởng mạnh đến sự cân bằng giữa tính tạo hình và tính cơ học cuối cùng của A413.0. Các trạng thái mềm O và các trạng thái nhẹ H được sử dụng khi cần gia công nguội sâu hoặc kéo sâu, trong khi các trạng thái T5/T6/T651 dùng khi ưu tiên độ bền và ổn định kích thước sau xử lý nhiệt.

Việc chuyển đổi giữa các trạng thái làm thay đổi khả năng chịu mỏi, mức ứng suất dư và độ nhạy với sự phục hồi dạng lò xo (springback); do đó các kỹ sư cần lựa chọn temper phù hợp với quá trình tạo hình và tải trọng làm việc dự kiến. Hiệu quả hàn tốt nhất ở các trạng thái mềm, mặc dù các chi tiết ở trạng thái T6 có thể hàn được với vật liệu hàn phù hợp và xử lý nhiệt hậu hàn để khôi phục độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	6.0–12.0	Nguyên tố hợp kim chính; cải thiện tính lưu động, giảm dải nhiệt chảy và tăng tính hàn
Fe	0.2–1.2	Nguyên tố tạp chứa, tạo các hợp chất intermetallic; được kiểm soát để hạn chế giòn hóa
Mn	0.05–0.6	Tinh chỉnh cấu trúc hạt và góp phần tăng cường độ trong một số trạng thái
Mg	0.3–1.4	Cung cấp khả năng tôi cổ kết tủa (Mg2Si) khi kết hợp cùng Si
Cu	0.2–1.5	Tăng cường độ qua cổ kết tủa nhưng có thể giảm khả năng chống ăn mòn nếu vượt mức
Zn	0.05–0.5	Nguyên tố phụ; có thể ảnh hưởng nhẹ đến độ bền và tính chống ăn mòn
Cr	0.05–0.3	Kiểm soát cấu trúc hạt và hạn chế tái kết tinh trong quá trình nhiệt
Ti	0.02–0.2	Chất tinh chế hạt cho đúc và đùn; cải thiện độ tin cậy cơ học
Khác (bao gồm Al còn lại)	Cân bằng	Phụ gia vi lượng (B, Zr) có thể được yêu cầu cho kiểm soát đặc biệt khi gia công

Thành phần hóa học hướng đến ma trận chủ yếu là silic với đủ magie và đồng để tạo sự tôi già cổ kết tủa dự đoán được qua các pha Mg–Si và Tiêu kết chứa Cu. Silic hạ thấp nhiệt độ rắn hóa của hợp kim và giảm biến dạng hình dạng khi đông đặc, giúp thuận lợi cho quy trình đúc và hàn. Các nguyên tố chuyển tiếp nhỏ như Cr và Ti đóng vai trò tinh chế hạt và ức chế tái kết tinh, cải thiện độ dai va đập và ổn định kích thước sau khi gia nhiệt.

Việc kiểm soát hàm lượng sắt và các tạp chất khác rất quan trọng vì Fe quá mức tạo các hợp chất intermetallic giòn làm giảm độ dẻo và tuổi thọ chịu mỏi. Cân bằng giữa Mg và Si là quyết định để đảm bảo tỷ lệ và thành phần pha cổ kết tủa làm cứng đúng chuẩn, trong khi bổ sung Cu tăng cường độ nhưng đòi hỏi các biện pháp chống ăn mòn trong môi trường biển hoặc có chloride cao.

Tính chất cơ học

A413.0 trong trạng thái ủ mềm có giới hạn chảy và giới hạn bền kéo tương đối thấp với độ dẻo cao, cho phép kéo sâu và các quá trình tạo hình phức tạp mà không bị nứt. Trong trạng thái tôi luyện (T5/T6/T651), hợp kim phát triển giới hạn chảy và bền kéo cao đáng kể nhờ sự hình thành các pha nhỏ đồng đều ở trạng thái cổ kết tủa, đổi lại sức bền kéo giảm và giảm khả năng uốn dẻo. Độ bền mỏi rất nhạy với quy trình; các mẫu ở trạng thái T6 cho thấy khả năng chống khởi phát nứt cải thiện dưới tải tĩnh lớn, nhưng sự hiện diện của khuyết tật đúc hoặc gia công và các hợp chất intermetallic thô có thể chi phối quá trình lan truyền nứt.

Độ dày và hình thức sản phẩm ảnh hưởng mạnh đến đáp ứng cơ học vì tốc độ làm nguội trong quá trình làm nguội ảnh hưởng đến sự phân bố pha cổ kết tủa và sự làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong các chi tiết hàn. Các tiết diện mỏng có thể được làm cứng đầy đủ với tôi già T6, trong khi tiết diện dày có thể xuất hiện sự phân tầng tính chất cơ học do làm nguội chậm hơn và sự tăng kích thước hạt vi cấu trúc khác nhau. Độ cứng tương quan tốt với tính chất kéo trong A413.0; các phép đo độ cứng Rockwell hoặc Brinell được sử dụng phổ biến như một biện pháp kiểm soát sản xuất để xác nhận trạng thái temper và đáp ứng tôi già.

Tính chất	O/Đã ủ	Độ Cứng Chính (T6/T651)	Ghi chú
Độ bền kéo	120–170 MPa	280–360 MPa	T6 tăng độ bền khoảng ~2.5 lần so với O; phạm vi thay đổi tùy thành phần chính xác và độ dày
Giới hạn chảy	60–100 MPa	220–300 MPa	Giới hạn chảy gần bằng giới hạn bền khi quá già hóa; thiết kế nên dùng giá trị giới hạn chảy bảo thủ
Độ dãn dài	18–25%	6–12%	Độ dẻo giảm khi tăng quá trình tăng cứng và các pha intermetallic giàu Si
Độ cứng	40–60 HB	90–130 HB	Độ cứng tỷ lệ thuận với phản ứng già hóa; dùng để kiểm soát chất lượng nhiệt độ xử lý

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.68–2.74 g/cm³	Phụ thuộc nhẹ vào hợp kim; gần tương đương nhôm nguyên chất
Phạm vi nhiệt nóng chảy	Solidus ≈ 555–575 °C; Liquidus ≈ 615–645 °C	Si hạ thấp nhiệt độ solidus so với Al nguyên chất; ảnh hưởng đến quá trình đúc/hàn
Độ dẫn nhiệt	100–140 W/m·K	Thấp hơn Al nguyên chất nhưng vẫn cao so với thép; bị ảnh hưởng bởi Si và các nguyên tố hợp kim
Độ dẫn điện	28–42 % IACS	Giảm so với Al nguyên chất do sự hòa tan và kết tủa các pha
Nhiệt dung riêng	0.85–0.92 J/g·K	Tương đồng với các hợp kim nhôm khác; hữu ích cho tính toán quản lý nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt	22–24 µm/m·K (20–100 °C)	Đặc trưng cho hợp kim nhôm; cần tính đến biến dạng nhiệt khác biệt trong lắp ráp kim loại kép

A413.0 giữ được ưu điểm mật độ thấp và độ dẫn nhiệt cao đặc trưng của nhôm, làm cho nó trở thành lựa chọn hấp dẫn khi yêu cầu giảm trọng lượng và tản nhiệt. Hàm lượng silic làm giảm độ dẫn điện và nhiệt so với nhôm nguyên chất nhưng không đến mức cản trở ứng dụng tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất vừa phải. Phạm vi nhiệt nóng chảy và nhiệt độ solidus giảm yêu cầu kiểm soát chặt chẽ các thông số hàn và đúc để tránh nứt nóng và kiểm soát vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Hệ số giãn nở nhiệt khá lớn so với thép hoặc vật liệu composite, vì vậy các bộ phận ghép từ vật liệu khác nhau cần dự phòng cho sự biến dạng nhiệt khác biệt. Sự kết hợp giữa nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt hỗ trợ phân tích thiết kế nhiệt động cho các chi tiết chịu tải nhiệt xung.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi cơ học	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.5–6.0 mm	Độ dày đồng đều cho phép tăng cứng T6 đáng tin cậy	O, H14, T5, T6	Dùng khi cần hoàn thiện bề mặt và độ dẻo
Phẳng	6–100 mm	Mặt cắt dày có thể bị chưa già do hạn chế làm nguội	O, T5, T6	Cần kiểm soát làm nguội để tránh vùng lõi mềm
Đùn	Hồ sơ 1–100 mm	Độ bền dọc trục tốt và kiểm soát cấu trúc hạt	O, T5, T6	Phụ gia Ti và Cr giúp ổn định quá trình đùn nhiệt độ cao
Ống	Độ dày thành 1–20 mm	Hành vi tương tự tấm/đùn; có thể hàn mối nối	O, T5, T6	Dùng trong kết cấu, thủy lực và ống chuyên dụng biển
Thanh/dây	Ø3–200 mm	Thanh có thể kéo và già hóa; kích thước tiết diện ảnh hưởng làm nguội	O, T6	Dùng chế tạo chi tiết gia công và một số bulông/nở

Tấm và phẳng thường được cán và xử lý hòa tan cùng già hóa để đạt nhiệt độ cứng mục tiêu, trong khi đùn tận dụng silic cải thiện dòng chảy tạo các tiết diện mỏng và phức tạp. Sản xuất ống và thanh cần lưu ý tương tác giữa kích thước tiết diện và tốc độ làm nguội; tiết diện lớn thường cần kỹ thuật làm nguội đặc biệt hoặc quá trình già hóa gián đoạn để phân phối tính chất cơ học đồng đều. Nguyên liệu gia công (thanh/dây) thường được cung cấp ở trạng thái mềm và gia công nhiệt cứng sau khi tạo hình thô để giảm hao mòn dao và biến dạng.

Gia công tạo hình kinh tế nhất ở trạng thái O hoặc làm cứng nhẹ; nhiệt xử lý cuối cùng được sử dụng để thiết lập tính chất cơ học khi yêu cầu ổn định kích thước. Các cụm hàn có thể thiết kế để giảm biến dạng sau hàn và cho phép phục hồi tính chất bằng xử lý nhiệt cục bộ hoặc toàn bộ.

Các mác tương đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	A413.0	USA	Mác do Aluminum Association chỉ định, dùng trong tiêu chuẩn Bắc Mỹ
EN AW	Không có tương đương trực tiếp	Châu Âu	Không có mã EN AW nào trùng chính xác; EN AW-4032 hoặc EN AW-4047 là các mác tương tự tùy thành phần Si/Mg/Cu
JIS	Không có tương đương trực tiếp	Nhật Bản	Hợp kim đúc/đùn tương tự tồn tại nhưng thành phần chính xác khác nhau giữa các nhà sản xuất
GB/T	Không có tương đương trực tiếp	Trung Quốc	Có thể dùng hợp kim nội địa tương đồng; cần kiểm tra tính chất kỹ lưỡng

Không có một mác quốc tế nào hoàn toàn giống A413.0 do các tiêu chuẩn khu vực thường phân chia hợp kim silic thành nhiều cấp độ định nghĩa hẹp hơn. Tiêu chuẩn châu Âu và châu Á cung cấp hợp kim tương tự về hàm lượng Si và Mg (ví dụ nhóm 4032 hoặc biến thể 4047 chỉnh sửa) để cân bằng khả năng hàn và tăng cứng nhiệt, nhưng sự khác biệt về Cu, Ti và các nguyên tố phụ tạo ra sự khác biệt đáng kể trong tốc độ già hóa và khả năng chống ăn mòn. Khi thay thế, kỹ sư nên so sánh phạm vi thành phần, đặc tính phản ứng nhiệt luyện và chứng nhận tính chất cơ học hơn là dựa vào tên mác danh nghĩa.

Đối chiếu nên được thực hiện dựa trên báo cáo thử nghiệm vật liệu có chứng nhận và thử nghiệm cơ học so sánh cho các chi tiết quan trọng, đặc biệt khi tuổi mòn mỏi, độ dai gãy hoặc khả năng chống ăn mòn là yếu tố thiết kế. Trong trường hợp yêu cầu chứng nhận quy định hoặc phê duyệt hàng không, phải sử dụng đúng mác theo chỉ định hoặc tương đương đã được xác thực.

Khả năng chống ăn mòn

A413.0 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt tương tự nhiều hợp kim Al–Si khác, nhờ lớp oxit nhôm thụ động và ảnh hưởng vừa phải của silic với ổn định điện hóa. Trong môi trường biển hoặc giàu chloride, hợp kim này hoạt động chấp nhận được nhưng dễ bị ăn mòn điểm hơn các hợp kim nhóm 5xxx cao magiê; các lớp phủ bảo vệ hoặc anode hóa thường được sử dụng cho các ứng dụng dài hạn. Độ nhạy cảm với nứt ăn mòn ứng suất (SCC) từ thấp đến trung bình tùy trạng thái nhiệt xử lý; điều kiện T6 với ứng suất dư kéo và môi trường ăn mòn mạnh cần thận trọng, có thể cần xử lý nhiệt sau hàn hoặc thay đổi thiết kế để hạn chế rủi ro SCC.

Tương tác galvanic theo đặc tính nhôm tiêu chuẩn; khi ghép với kim loại quý hơn (thép không gỉ, hợp kim đồng), A413.0 sẽ ăn mòn ưu tiên trừ khi được cách điện hoặc bảo vệ bằng biện pháp hy sinh. So với hợp kim 5xxx (Al–Mg), A413.0 có khả năng chống ăn mòn khe hở và điểm hơi kém hơn nhưng bù lại có độ hàn tốt hơn và tăng cứng nhiệt được. So với các hợp kim nhóm 6xxx, A413.0 có thể có khả năng chống ăn mòn khí quyển tương đương nhưng khả năng hàn chịu lỗi mối hàn tốt hơn nhờ silic làm ổn định quá trình đông đặc.

Xử lý bề mặt như anode hóa, chuyển hóa crom và phủ hữu cơ giúp kéo dài tuổi thọ đáng kể và là quy trình phổ biến cho ứng dụng biển và ngoại thất. Người thiết kế nên đánh giá thành phần hợp kim, đặc biệt là Cu và Mg, vì sự khác biệt nhỏ ảnh hưởng đáng kể tới khả năng chống ăn mòn trong môi trường ăn mòn mạnh.

Tính chất gia công

Khả năng hàn

A413.0 hàn tốt với các quy trình TIG và MIG tiêu chuẩn nhờ silic giúp giảm nứt nóng và tăng tính linh hoạt của bể hàn. Các loại vật liệu hàn khuyến nghị bao gồm ER4043 (Al–Si) cho hàn mục đích chung và ER5356 (Al–Mg) cho mối hàn cần độ bền cao hơn và tương thích với hợp kim gốc. Nguy cơ nứt nóng thấp hơn nhiều so với hợp kim 6xxx và 2xxx, nhưng vẫn cần chú ý đến căn chỉnh mối nối, khí bảo vệ và kiểm soát nhiệt lượng để giảm xốp và rỗ oxit.

Vùng ảnh hưởng nhiệt sau hàn (HAZ) có thể bị làm mềm nếu kim loại cơ sở đang ở trạng thái già hóa cực đại; trong trường hợp này có thể dùng xử lý hòa tan và già hóa lại tại chỗ để phục hồi tính chất nếu hình học và chi phí cho phép. Hiếm khi cần làm nóng trước nhưng kiểm soát nhiệt độ từng lần hàn và kỹ thuật giảm ứng suất có thể áp dụng cho các cấu kiện hàn lớn nhằm kiểm soát biến dạng.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của A413.0 ở mức trung bình và thường tốt hơn các hợp kim 2xxx cường độ cao do silic có tác dụng mài nhẹ nhưng phá vỡ phoi tốt; dao cắt nên chọn loại chịu mài mòn cao, thường là mảnh cacbua hoặc mảnh cacbua phủ lớp. Các thực hành gia công khuyến nghị gồm tốc độ nạp cao kết hợp tốc độ cắt vừa phải để thúc đẩy phân đoạn phoi và kiểm soát nhiệt độ dụng cụ; sử dụng dung dịch làm mát giúp làm sạch phoi và giảm tải nhiệt. Hoàn thiện bề mặt và tuổi thọ dụng cụ phụ thuộc nhiều vào kích thước và phân bố hạt silic; hạt silic mịn, phân bố đều cho hoàn thiện tốt hơn và ít mài mòn dao.

Đối với các chi tiết có dung sai chặt chẽ, gia công thô ở các trạng thái nhiệt mềm hơn rồi sau đó xử lý làm già cuối cùng và gia công tinh có thể giảm biến dạng và cải thiện kiểm soát kích thước. Gia công ren, taro và khoan lỗ sâu đòi hỏi bôi trơn thích hợp và thường phải giảm tốc độ ăn dao để tránh làm cứng phôi hoặc gãy dụng cụ.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình rất tốt ở các trạng thái O và H14, cho phép kéo sâu và uốn phức tạp với bán kính cong trong tương đối nhỏ so với điều kiện T6. Bán kính uốn tối thiểu điển hình ở tấm tôi mềm nằm trong khoảng 0.5–1.0× chiều dày đối với các đường uốn đơn giản, tăng lên đối với các điều kiện đã tôi T6 và các hình học phức tạp. Gia công nguội làm tăng sức bền nhưng giảm độ dẻo; khi cần tạo hình nặng, nên tạo hình ở trạng thái đã ủ mềm rồi áp dụng xử lý nhiệt cuối cùng để phục hồi hoặc tăng cường độ bền.

Hiện tượng đàn hồi trở lại (springback) ở trạng thái T6 rõ rệt hơn và phải được tính đến trong thiết kế khuôn và xác nhận. Khi cần kéo giãn hoặc làm nguội nặng, việc bôi trơn và thực hiện các bước tạo hình từng phần giúp giảm nguy cơ nứt tại các vị trí hợp chất intermetallic giàu Si.

Hành vi xử lý nhiệt

Gia nhiệt dung dịch cho A413.0 thường được thực hiện trong dải nhiệt độ 510–540 °C để hòa tan các pha mang Mg và Cu vào ma trận nhôm siêu bão hòa. Việc làm nguội nhanh về nhiệt độ phòng là cần thiết để giữ các nguyên tố hòa tan trong dung dịch rắn; kiểm soát tốc độ làm nguội là yếu tố then chốt đối với tiết diện dày để tránh hình thành các pha kết tủa thô và giảm phản ứng lão hóa. Lão hóa nhân tạo được thực hiện ở nhiệt độ 150–190 °C cho các trạng thái T5/T6, với độ cứng và sức bền cực đại đạt được sau thời gian kiểm soát ở nhiệt độ tùy theo thành phần chính xác.

Quá lão hóa làm giảm sức bền nhưng cải thiện độ dai va đập và khả năng chống ăn mòn ứng suất, và có thể được chọn lựa có chủ ý cho các chi tiết cần cân bằng các tính chất. Trạng thái T651 bổ sung bước căng kéo hoặc giảm ứng suất có kiểm soát sau khi xử lý dung dịch nhằm giảm thiểu ứng suất dư và biến dạng, cải thiện ổn định kích thước cho các chi tiết gia công. A413.0 có khoảng thời gian lão hóa tương đối rộng so với các hợp kim nhóm 2xxx nhạy cảm hơn với làm nguội nhanh, giúp việc kiểm soát quy trình bớt nghiêm ngặt nhưng vẫn quan trọng để đảm bảo kết quả lặp lại.

Đối với các quy trình không thể xử lý nhiệt hoặc nơi xử lý nhiệt không thực tế, làm cứng qua biến dạng nguội thông qua tạo hình nguội cung cấp sự tăng cường độ từng bước nhưng không đạt được các mức tối đa có thể qua xử lý kết tủa. Chu trình ủ được sử dụng để