Nhôm AlF357: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

AlF357 là hợp kim nhôm đúc có thể xử lý nhiệt, thuộc nhóm nhôm – silic – magie (thường được nhóm trong họ Al–Si–Mg và thường được tham chiếu chéo với các mác A357/AlSi7Mg). Hợp kim này thường được sản xuất dưới dạng chi tiết đúc khuôn vĩnh cửu hoặc đúc áp lực, nơi yêu cầu độ nguyên khối cao, độ bền cao và hiệu suất mỏi tốt. Các nguyên tố hợp kim chính bao gồm silic (Si) nhằm cung cấp khả năng đúc và dòng chảy tốt, magie (Mg) cho phép tôi lắng kết (Mg2Si), và các mức kiểm soát của sắt (Fe) cùng đồng (Cu) nhằm điều chỉnh độ bền và độ dai. Tăng cường tính chất cơ học chủ yếu qua quá trình xử lý hòa tan, làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo (T6/T5), với khả năng phản ứng bổ sung nhờ các thành phần hóa học và quy trình xử lý nhiệt được điều chỉnh.

Đặc điểm nổi bật bao gồm độ bền tĩnh và mỏi tương đối cao so với hợp kim đúc, ổn định kích thước tốt sau xử lý nhiệt và khả năng chống ăn mòn hợp lý trong môi trường khí quyển. Độ hàn có thể chấp nhận được nhưng cần chú ý lựa chọn vật liệu hàn và kiểm soát rỗ khí; khả năng tạo hình theo hướng gia công có hạn do AlF357 tối ưu hóa cho đúc. Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng AlF357 bao gồm ô tô (chi tiết kết cấu đúc, bộ phận bánh xe, giá đỡ hệ thống treo), hàng không vũ trụ (đúc kết cấu không quan trọng và phụ kiện), hàng hải và vỏ máy công nghiệp. Kỹ sư lựa chọn AlF357 khi sự kết hợp giữa khả năng đúc, độ bền có thể xử lý nhiệt và khả năng chịu mỏi mang lại cân bằng chi phí-hiệu năng tốt hơn so với hợp kim rèn hoặc các cấp hợp kim nhôm đúc rẻ hơn.

Các Biến Thể Temper

Temper	Mức Độ Bền	Độ Giãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Độ Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Kém (giòn so với rèn)	Tốt	Ở trạng thái đúc hoặc được ủ khử ứng suất; độ dẻo tối đa cho hợp kim đúc
T5	Trung Bình - Cao	Trung Bình	Giới hạn	Tốt	Làm nguội từ trạng thái đúc và lão hóa nhân tạo; phổ biến cho cứng hóa sau đúc
T6	Cao	Thấp - Trung Bình	Giới hạn	Khá	Xử lý hòa tan, làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo; trạng thái đạt độ bền cao nhất
T7	Trung Bình	Trung Bình	Giới hạn	Khá	Lão hóa quá mức để cải thiện ổn định nhiệt và chống ăn mòn ứng suất
T651	Cao	Thấp - Trung Bình	Giới hạn	Khá	Xử lý hòa tan, khử ứng suất bằng kéo căng, sau đó lão hóa; cải thiện kiểm soát kích thước

Việc lựa chọn temper cho AlF357 ảnh hưởng mạnh đến sự đánh đổi hiệu năng: T6 mang lại độ bền cao nhất và tuổi thọ mỏi tốt nhất với chi phí giảm độ dẻo và một phần khả năng gia công, trong khi T5 được dùng khi ngân sách hoặc quy trình không cho phép xử lý hòa tan. Các temper T7 và ổn định được lựa chọn khi chi tiết cần giữ các tính chất sau khi tiếp xúc với nhiệt độ làm việc cao hoặc khi ưu tiên giảm nhạy cảm ăn mòn ứng suất và ổn định kích thước.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	6.5 – 7.5	Nguyên tố hợp kim chính cho khả năng đúc và độ bền; hình thành cấu trúc eutectic với Al
Fe	0.05 – 0.45	Kiểm soát sắt thấp giảm các pha intermetallic giòn; Fe cao làm giảm độ dẻo
Mn	0.05 – 0.25	Chất biến tính phụ; có thể tinh lọc cấu trúc intermetallic
Mg	0.25 – 0.50	Cung cấp tôi lắng kết (Mg2Si) trong quá trình lão hóa
Cu	0.0 – 0.30	Tăng độ bền và phản ứng lão hóa nhưng có thể giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	0.0 – 0.15	Thường là tạp chất còn lại; ảnh hưởng tăng cường rất nhỏ
Cr	0.0 – 0.10	Chất tinh luyện hạt / ức chế tái kết tinh trong một số mẻ đúc
Ti	0.02 – 0.15	Thêm vào để tinh chế hạt, đặc biệt trong đúc và phôi thép
Khác	Cân bằng Al	Các nguyên tố vi lượng được kiểm soát theo thông lệ đúc; mức tạp chất thấp cải thiện độ dẻo và tuổi thọ mỏi

Silic xác định đặc tính đúc và cấu trúc eutectic, trong khi magie cho phép tăng cường độ bền qua tôi lắng kết Mg2Si. Mức sắt thấp và nguyên tố vi lượng kiểm soát cải thiện độ dai và khả năng chịu mỏi bằng cách giảm các hạt intermetallic lớn và thúc đẩy cấu trúc vi mô mịn trong quá trình đông đặc và xử lý nhiệt.

Tính Chất Cơ Học

Đặc trưng kéo của AlF357 thể hiện sự tăng rõ rệt về giới hạn chảy và giới hạn bền kéo sau xử lý hòa tan và lão hóa nhân tạo, với trạng thái T6 cho độ bền cao nhất trong họ hợp kim này. Độ giãn dài ở trạng thái T6 giảm so với trạng thái đúc hoặc ủ nhưng vẫn chấp nhận được cho nhiều chi tiết kết cấu do cấu trúc eutectic mịn và kiểm soát thành phần tạp chất tốt của hợp kim. Độ cứng có xu hướng tương tự với tính chất kéo và thường được sử dụng như kiểm tra nhanh hiệu quả xử lý nhiệt tại xưởng.

Hiệu suất chịu mỏi là yếu tố quan trọng để lựa chọn AlF357; sự kết hợp độ bền kéo cao và thực hành sản xuất đúc tốt (rỗ khí thấp, thiết kế cửa dòng và ống thoát hợp lý) đem lại tuổi thọ mỏi vượt trội so với các cấp hợp kim Al–Si đúc tiêu chuẩn. Độ dày và kích thước tiết diện ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học và phản ứng xử lý nhiệt; tiết diện dày có thể không đồng nhất hoàn toàn trong quá trình hòa tan khiến giảm độ bền phát triển và giảm độ giãn dài so với tiết diện mỏng.

Tính Chất	O/Đã Ủ	Temper Chính (T6)	Ghi Chú
Giới Hạn Bền Kéo	150 – 240 MPa	300 – 380 MPa	Giá trị T6 phụ thuộc độ dày tiết diện và hiệu quả xử lý hòa tan
Giới Hạn Chảy	70 – 130 MPa	230 – 300 MPa	Giới hạn chảy theo offset; tăng rõ ràng sau lão hóa
Độ Giãn Dài	8 – 18%	4 – 10%	Độ giãn dài giảm khi độ bền tăng và tiết diện bị giới hạn
Độ Cứng	40 – 70 HB	90 – 120 HB	Độ cứng tương quan với trạng thái lắng kết và hình thái silic

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2.65 g/cm³	Đặc trưng cho hợp kim Al–Si đúc; tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~555 – 595 °C	Phạm vi eutectic và đông đặc bị ảnh hưởng bởi hàm lượng Si
Độ Dẫn Nhiệt	~120 – 150 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng phù hợp cho nhiều ứng dụng tản nhiệt
Độ Dẫn Điện	~30 – 45 %IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do hợp kim và hàm lượng silic
Nhiệt Dung Riêng	~0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	Nhiệt dung riêng điển hình của hợp kim nhôm
Hệ Số Giãn Nhiệt	~20 – 23 µm/m·K	Hệ số bị ảnh hưởng bởi hàm lượng Si; quan trọng cho thiết kế kích thước

Các tính chất vật lý khiến AlF357 trở nên hấp dẫn khi cần kết hợp độ dẫn nhiệt vừa phải và mật độ thấp. Đặc điểm nóng chảy và đông đặc của hợp kim cho phép đúc chất lượng cao với sự co rút và chắc chắn dự đoán được khi áp dụng thực hành đúc đúng.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Điển Hình	Hành Vi Độ Bền	Temper Thường Dùng	Ghi Chú
Tấm	Hạn chế / Chỉ tiết diện mỏng	Không đồng đều — không phổ biến	T5 / Đúc	Không phải dạng chính; gia công dạng rèn ít dùng
Đặt Tấm	Hạn chế	Phụ thuộc tiết diện	T5/T6	Tấm dày đúc có thể xử lý nhiệt nhưng cần chu trình hòa tan dài
Ép Đùn	Hiếm	Không chuẩn cho hóa học đúc	Không áp dụng	AlF357 không dùng cho quy trình ép đùn thông thường
Ống	Hạn chế (đúc hoặc bán rắn)	Phụ thuộc vào độ dày thành ống	T5/T6	Thông thường sản xuất dạng ống lót đúc hoặc gia công từ phôi; không phải ống kéo
Thanh/Trục	Phôi đúc / rèn	Có thể xử lý nhiệt tới T6	T5/T6	Phôi đúc dễ gia công và dạng rèn cho các chi tiết CNC

AlF357 chủ yếu là hợp kim đúc, dạng sản phẩm phổ biến nhất là các chi tiết đúc khuôn vĩnh cửu, đúc khuôn áp lực và đúc cát hoặc phôi để gia công. Sự khác biệt trong quy trình xử lý (khuôn vĩnh cửu so với đúc áp lực so với đúc cát) ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc vi mô, mức độ rỗ khí và tính chất cơ học đạt được; nhà thiết kế phải tính đến kích thước tiết diện, tốc độ làm nguội và xử lý nhiệt tiếp theo khi đưa ra thông số hình học chi tiết và hiệu năng dự kiến.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Vùng	Ghi Chú
AA	A357 / AlSi7Mg	USA	Chỉ định thông thường của đúc theo ASTM/AA; AlF357 thường được tham chiếu chéo với thành phần hóa học này
EN AW	EN AC-AlSi7Mg	Châu Âu	Tương đương đúc châu Âu theo danh pháp EN 1706
JIS	ADC12 (không chính xác hoàn toàn) / AlSi7Mg	Nhật Bản	ADC12 có hàm lượng Cu cao hơn và không phải là mác tương đương trực tiếp; kiểm tra đặc điểm kỹ thuật JIS cho các biến thể Cu thấp
GB/T	AlSi7Mg	Trung Quốc	Tiêu chuẩn đúc Trung Quốc khá sát với thành phần hóa học của A357

Sự khác biệt nhỏ giữa các tiêu chuẩn chủ yếu liên quan tới giới hạn tạp chất (Fe, Cu, Zn) và độ chặt chẽ của biên độ Mg và Si; điều này ảnh hưởng đến phản ứng xử lý nhiệt và các tính chất lâu dài như khả năng chống ăn mòn và tuổi thọ mỏi. Khi tham chiếu chéo các tiêu chuẩn, cần kiểm tra chính xác thành phần hóa học và bất kỳ kiểm soát chất lượng bổ sung nào (ví dụ, giới hạn sắt tối đa, giới hạn rỗ khí hydrogen) do nhà cung cấp áp dụng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

AlF357 có khả năng chống ăn mòn không khí tổng quát tốt, đặc trưng của hợp kim đúc nhôm–silicon–magnesium. Lớp oxit hình thành tự nhiên tạo nên lớp bảo vệ cơ bản, và hàm lượng đồng thấp trong hợp kim (khi được kiểm soát tốt) giúp duy trì khả năng chống ăn mòn trong môi trường đô thị và công nghiệp nhẹ. Trong môi trường biển hoặc chứa nhiều chloride, hợp kim có độ nhạy vừa phải với pitting (ăn mòn điểm) và ăn mòn cục bộ; các phương pháp xử lý bề mặt, anode hóa hoặc phủ thích hợp được khuyến nghị để bảo vệ lâu dài.

Nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) ít nghiêm trọng hơn đối với hợp kim đúc Al–Si–Mg so với một số hợp kim nhôm–đồng rèn có cường độ cao, nhưng độ nhạy tăng lên khi ứng suất kéo cao và có mặt chloride. Tương tác điện hóa là điển hình của nhôm: AlF357 có tính anod so với thép không gỉ và hợp kim đồng, nên cần cân nhắc cách điện hoặc sử dụng anode hy sinh trong cấu tạo hỗn hợp kim loại. So với các dòng hợp kim rèn 5xxx và 6xxx, AlF357 đổi lấy khả năng chống ăn mòn hơi thấp để có cường độ đúc và độ bền mỏi tốt hơn, nhưng không bằng hiệu suất biển của các hợp kim 5xxx được tối ưu kỹ lưỡng.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

AlF357 có thể được hàn bằng quy trình TIG (GTAW) và MIG (GMAW), tuy nhiên tạp porosity của đúc, sự hấp thụ hydrogen và hiện tượng nứt nóng đòi hỏi kiểm soát cẩn thận. Hợp kim kim loại phụ nhôm–silicon như ER4043 (Al–Si) thường được dùng để phù hợp đặc tính làm ướt và giảm xu hướng nứt; ER5356 (Al–Mg) có thể sử dụng với sự thận trọng khi cần mối hàn có cường độ cao hơn. Xử lý nhiệt sau hàn có thể phục hồi cường độ cho một số chi tiết nhưng không loại bỏ được các khuyết tật do đúc; tiền gia nhiệt và loại bỏ khí trong bể nóng chảy rất quan trọng để giảm porosity.

Khả năng gia công

Như một hợp kim đúc Al–Si với cấu trúc hypoeutectic, AlF357 gia công dễ dàng: các hạt silicon tạo hiệu ứng phá vụn mảnh và ổn định kích thước, nhưng cũng làm tăng độ mài mòn dụng cụ so với các hợp kim rèn mềm hơn. Dụng cụ cacbua có góc cắt dương và lưu lượng làm mát lớn được khuyến nghị để kiểm soát nhiệt và tống phoi; tốc độ cắt thông thường cao hơn thép nhưng phụ thuộc vào tiết diện và điều kiện xử lý nhiệt. Bề mặt gia công và dung sai kích thước dễ dàng đạt được với đồ gá ổn định và chế độ cắt phù hợp.

Khả năng tạo hình

Tạo hình nguội của AlF357 bị giới hạn do cấu trúc vi mô hướng đúc và độ dẻo dai trung bình đến thấp ở trạng thái T6; bán kính uốn phải bảo thủ và thường gây nứt. Tạo hình nóng hoặc rèn bán thành phẩm gần hình dạng cuối là lựa chọn thực tế hơn khi hình học đòi hỏi biến dạng lớn. Khả năng tạo hình tốt nhất ở trạng thái ủ hoặc nguyên bản đúc, nhưng các trạng thái này hy sinh độ bền và hiếm khi dùng cho bộ phận kết cấu.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

AlF357 có thể xử lý nhiệt qua bước tôi dung dịch (solution treatment) và ủ tạo già (artificial aging). Nhiệt độ tôi dung dịch điển hình vào khoảng 510–540 °C, giữ đủ thời gian để đồng nhất và hòa tan các pha tan trong các tiết diện mỏng, sau đó làm nguội nhanh để giữ lại dung dịch rắn bão hòa quá mức. Quá trình ủ tạo già thường thực hiện ở nhiệt độ 155–185 °C để phát triển pha Mg_2Si và đạt các tính chất mức T6; thời gian ủ phụ thuộc độ dày chi tiết và sự cân bằng tính chất mong muốn.

Độ xử lý nhiệt T5 đạt được bằng cách làm nguội ngay sau đúc và thực hiện ủ tạo già mà không có bước tôi dung dịch, cung cấp cường độ tăng với chi phí xử lý thấp hơn nhưng tính chất tối đa giảm. Độ cứng T7 hoặc trạng thái ủ quá mức sử dụng nhiệt độ hoặc thời gian ủ cao hơn để cải thiện ổn định nhiệt và giảm độ nhạy với nứt ăn mòn ứng suất, đổi lại một phần cường độ tối đa bị giảm. Nếu hợp kim được sử dụng trong trạng thái không xử lý nhiệt, làm cứng biến dạng không phải là phương pháp tăng cường hiệu quả do cấu trúc vi mô đúc; ủ giúp giải phóng ứng suất dư và cải thiện độ dẻo.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

AlF357 bắt đầu mất đi phần lớn cường độ T6 trên khoảng 150 °C, với sự làm mềm tiến triển và sự phát triển pha kết tủa khi nhiệt độ tăng; dịch vụ lâu dài thường giới hạn dưới nhiệt độ này. Quá trình oxy hóa không phải là nguyên nhân chính gây hư hại ở dải nhiệt độ này, nhưng quá ủ vi mô và phát triển pha làm giảm độ bền mỏi, giới hạn chảy và độ cứng. Vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn có thể bị làm mềm cục bộ và giảm kháng mỏi; nhà thiết kế cần lưu ý sự biến đổi này khi hàn sau xử lý nhiệt.

Đối với các ứng dụng ngắt quãng hoặc thời gian ngắn tới 200 °C, một số tính chất có thể duy trì nếu chọn trạng thái ủ quá mức T7 phù hợp, nhưng phục vụ lâu dài ở nhiệt độ cao hơn nên dùng các hợp kim đặc biệt được thiết kế cho nhiệt độ nâng cao.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Bộ Phận	Lý Do Sử Dụng AlF357
Ô tô	Đúc kết cấu, vỏ hộp truyền động	Dễ đúc, cường độ T6 cao, khả năng chống mỏi tốt
Hàng hải	Vỏ bơm, giá đỡ kết cấu không quan trọng	Khả năng chống ăn mòn hợp lý và chi phí đúc hiệu quả
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, các chi tiết đúc kết cấu nhỏ	Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao cho các chi tiết trung bình
Điện tử	Vỏ và bộ tản nhiệt đúc	Ổn định kích thước và độ dẫn nhiệt trung bình

AlF357 được lựa chọn khi kinh tế sản xuất đúc kết hợp với hóa học có thể xử lý nhiệt tạo ra các chi tiết đáp ứng yêu cầu kết cấu và chịu mỏi mà không cần chi phí cao của gia công rèn. Nó chiếm vị trí thực tế giữa các hợp kim đúc có cường độ thấp hơn và các hợp kim rèn đắt tiền hơn với cường độ cao hơn cho các chi tiết kết cấu tầm trung.

Nhận Xét Khi Lựa Chọn

AlF357 là lựa chọn hấp dẫn khi nhà thiết kế cần hình học đúc và hiệu năng mức T6 từ hợp kim nhôm hiệu quả về chi phí. So với nhôm tinh khiết (1100), AlF357 đánh đổi độ dẫn điện và tính dẻo dai vượt trội để lấy cường độ cao hơn đáng kể và khả năng chống mỏi cải thiện; không phù hợp khi ưu tiên dẫn điện cao. So với các hợp kim làm cứng biến dạng như 3003 hoặc 5052, AlF357 thường cung cấp cường độ sau xử lý cao hơn và tuổi thọ mỏi tốt hơn nhưng khả năng tạo hình nguội kém hơn và đôi khi khả năng chống ăn mòn giảm trong môi trường chloride ăn mòn. So với các hợp kim rèn có thể xử lý nhiệt như 6061/6063, AlF357 có thể cung cấp sản xuất đơn giản hơn cho hình học đúc phức tạp và cường độ cạnh tranh cho một số tiết diện, dù chung quy cường độ cực đại theo trọng lượng thấp hơn và khả năng rèn/đùn khác biệt.

Sử dụng AlF357 khi đúc là phương pháp sản xuất ưu tiên, khi yêu cầu tính cơ học kiểu T6 ở dạng đúc, và khi nhà thiết kế có thể kiểm soát độ dày tiết diện và xử lý nhiệt để phát huy tối đa tiềm năng hợp kim. Tránh dùng AlF357 khi yêu cầu tạo hình nguội sâu, dẫn điện tối đa, hoặc chịu nhiệt độ cao liên tục là ưu tiên hàng đầu.

Tóm Tắt Cuối

AlF357 vẫn giữ vị trí nhờ kết hợp hành vi đúc tiên đoán được với khả năng tăng cường bằng xử lý nhiệt, cung cấp độ bền tĩnh và chống mỏi cao cho các chi tiết đúc phức tạp ở chi phí tương đối thấp. Khi lựa chọn kết hợp thực hành đúc, chọn trạng thái xử lý nhiệt và bảo vệ chống ăn mòn phù hợp, AlF357 là giải pháp vững chắc cho nhiều ứng dụng ô tô, hàng không, hàng hải và công nghiệp, nơi cần cân bằng giữa hình học đúc và hiệu năng cơ học.