Nhôm EN AW-5005: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

EN AW-5005 là hợp kim nhôm thuộc dòng 5xxx (hệ Al-Mg) với magiê là nguyên tố hợp kim chính. Hợp kim này thường được gọi là EN AW-5005 hoặc AlMg1 theo ký hiệu châu Âu và là hợp kim không thể xử lý nhiệt, trong đó độ bền cơ học chủ yếu đạt được thông qua làm nguội lạnh (gia công nguội) thay vì quá trình tạo rắn kết tủa.

Hàm lượng Mg điển hình dao động khoảng 0,7–1,1 wt%, với các nguyên tố Si, Fe, Cu, Mn, Cr, Zn và Ti ở mức rất thấp, là tạp chất còn lại hoặc được kiểm soát nghiêm ngặt. Cơ chế tăng cường chủ yếu là cường hóa dung dịch rắn kết hợp với gia công nguội; hợp kim này không phản ứng với quá trình xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa như các hợp kim 6xxx hoặc 2xxx.

EN AW-5005 mang lại sự cân bằng giữa độ bền vừa phải, khả năng chống ăn mòn tốt (bao gồm hiệu suất cải thiện sau khi anode hóa), độ dẻo rất tốt ở các trạng thái mềm, và khả năng hàn tốt so với nhiều hợp kim Al-Mg khác. Những đặc tính này khiến nó phổ biến trong các ứng dụng mặt dựng kiến trúc, biển hiệu, viền trang trí, ốp nội/ngoại thất, và các ứng dụng cần hiệu quả thẩm mỹ sau anodizing, trọng lượng nhẹ và yêu cầu cơ học trung bình.

Nhà thiết kế lựa chọn 5005 khi cần độ bền cao hơn so với nhôm tinh khiết thương mại, đồng thời giữ được bề mặt hoàn thiện xuất sắc và đặc tính anodizing tốt, kết hợp với khả năng gia công đơn giản bằng uốn, tạo hình và hàn. Nó được ưu tiên hơn hợp kim có hàm lượng magiê cao hơn (ví dụ 5052) khi không yêu cầu khả năng chống ăn mòn cực cao hoặc độ bền lớn hơn, và được ưa chuộng hơn hợp kim xử lý nhiệt dòng 6xxx khi cần đặc tính gia công nguội và phản ứng anodizing vượt trội.

Các biến thể trạng thái (Temper)

Temper	Mức độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn tôi mềm, độ dẻo cực đại để tạo hình
H12	Thấp-Trung bình	Vừa phải	Rất tốt	Xuất sắc	Gia công nguội nhẹ, giữ được độ dẻo tốt
H14	Trung bình	Thấp vừa	Tốt	Xuất sắc	Trạng thái nửa cứng, phổ biến cho tấm và panel
H16	Trung bình-Cao	Thấp hơn	Khá	Xuất sắc	Gia công nguội nhiều hơn để tăng độ cứng và độ bền
H18	Cao	Thấp	Hạn chế	Xuất sắc	Trạng thái cứng toàn phần, khả năng tạo hình bị giới hạn
H111	Thấp-Trung bình	Vừa phải	Rất tốt	Xuất sắc	Trạng thái biến dạng một phần không chuẩn cho cuộn liên tục
H22 / H24 / H26	Trung bình-Cao thay đổi	Thấp hơn	Tốt-Khá	Xuất sắc	Các trạng thái gia công nguội trung gian trong quá trình sản xuất
T4 (hiếm)	Không áp dụng	Không	Không	Không	5005 không thể tôi cứng bằng nhiệt; trạng thái T không phổ biến
T5 / T6 / T651	Không áp dụng	Không	Không	Không	Các trạng thái có xử lý nhiệt thường không dùng cho 5005

Trạng thái temper có ảnh hưởng trực tiếp và có thể dự đoán đến tính chất cơ học và tạo hình: trạng thái tôi mềm O cho độ giãn dài tối đa phù hợp cho dập sâu và tạo hình phức tạp, trong khi các temper H đánh đổi độ dẻo lấy sự tăng giới hạn chảy và bền kéo thông qua gia công nguội kiểm soát. Khả năng hàn duy trì tốt trên hầu hết temper vì hợp kim không thể xử lý nhiệt và vùng hàn thường mềm hơn tương tự mức độ bền của kim loại gốc; thiết kế kết cấu cần tính đến sự làm mềm cục bộ sau hàn.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0,30	Kiểm soát để hạn chế intermetallic giòn và giữ vẻ ngoài sau anodizing
Fe	≤ 0,70	Tạp chất phổ biến; Fe cao làm giảm độ dẻo và ảnh hưởng bề mặt
Mn	≤ 0,20	Thêm ít để tinh luyện cấu trúc hạt; bị hạn chế trong 5005
Mg	0,7 – 1,1	Nguyên tố chính tăng cường; cung cấp khả năng chống ăn mòn và cường hóa dung dịch rắn
Cu	≤ 0,20	Đồng thấp để tránh ăn mòn chung và ăn mòn ứng suất (SCC)
Zn	≤ 0,20	Giữ thấp để bảo toàn hiệu suất anodizing và chống ăn mòn
Cr	≤ 0,10	Vết nhỏ giúp kiểm soát sự phát triển hạt trong quá trình làm biến dạng
Ti	≤ 0,10	Tạo điều kiện khử oxy và tinh luyện cấu trúc hạt; tồn tại với hàm lượng nhỏ
Khác (mỗi loại)	≤ 0,05	Các tạp chất còn lại như V, Ni; tổng các loại này thường ≤0,15

Magie là yếu tố quyết định chính đến tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của hợp kim, cung cấp cường hóa dung dịch rắn và tăng khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển và khí quyển. Silic và sắt được giới hạn để tránh hình thành intermetallic thô gây giảm độ dẻo và ảnh hưởng bề mặt, trong khi đồng và kẽm được giữ ở mức thấp nhằm duy trì khả năng anodizing tốt và giảm nguy cơ ăn mòn cục bộ.

Tính chất cơ học

EN AW-5005 thể hiện đặc tính kéo điển hình của hợp kim không thể xử lý nhiệt: độ bền tăng khi gia công nguội kèm theo giảm độ giãn dài tương ứng. Ở trạng thái tôi mềm O, hợp kim tương đối mềm và dẻo, phù hợp với dập sâu và tạo hình phức tạp, trong khi các state temper H (H12–H18) lần lượt tăng giới hạn chảy và độ bền kéo đồng thời giảm độ dẻo để tạo nên các tấm và chi tiết viền cứng hơn.

Giá trị giới hạn chảy và bền kéo phụ thuộc mạnh vào temper và dạng sản phẩm; tăng độ dày nhẹ có thể tăng khả năng chịu tải tuyệt đối nhưng giảm bán kính uốn nhỏ nhất và khả năng tạo hình. Hiệu suất mệt mỏi đủ dùng cho nhiều ứng dụng kiến trúc nhẹ đến trung bình và sản phẩm tiêu dùng, tuy giới hạn mỏi thấp hơn so với một số hợp kim xử lý nhiệt; bề mặt và ứng suất dư do gia công hoặc hàn là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi.

Độ cứng tương quan với temper: trạng thái O có độ cứng Brinell hoặc Vickers thấp ứng với độ dẻo cao, trong khi H18 cho độ cứng cao nhất trong các điều kiện gia công nguội. Độ dày, cấu trúc hạt và quy trình trước đó (lái tấm, lịch trình tôi mềm) sẽ làm thay đổi tính chất kéo và mỏi tại từng vị trí; thiết kế cần tham khảo dữ liệu theo temper và tính đến vùng ảnh hưởng hàn.

Tính chất	O/Tôi mềm	Temper chính (ví dụ H14)	Ghi chú
Độ bền kéo	~90 – 130 MPa	~160 – 210 MPa	Phạm vi tùy thuộc gia công nguội, độ dày tấm, và quy trình nhà cung cấp
Giới hạn chảy	~30 – 60 MPa	~110 – 160 MPa	Giới hạn chảy tăng rõ rệt với temper H; trạng thái O có độ dẻo cao
Độ giãn dài	~25 – 35%	~6 – 12%	Độ giãn giảm khi gia công nguội tăng; gãy hỏng vẫn theo kiểu dẻo
Độ cứng	~30 – 45 HB	~55 – 80 HB	Độ cứng tăng theo temper; liên quan đến độ bền và khả năng chống mài mòn

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2,70 g/cm³	Điển hình cho các hợp kim nhôm; dùng cho thiết kế yêu cầu trọng lượng nhẹ
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~640 – 655 °C	Hợp kim nóng chảy trong khoảng hẹp; không phải ứng dụng đúc chính
Độ dẫn nhiệt	~130 – 165 W/m·K	Độ dẫn nhiệt tốt nhưng thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim hóa
Độ dẫn điện	~34 – 40 % IACS	Thấp hơn nhôm tinh khiết; giảm khi gia công nguội
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Giá trị nhôm điển hình dùng trong tính toán khối nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt	~23,8 ×10^-6 /K (20–100 °C)	Hệ số giãn nở cao, cần lưu ý khi ghép nối với vật liệu khác nhau

Sự kết hợp giữa độ dẫn nhiệt tương đối cao và mật độ thấp làm cho 5005 trở nên hấp dẫn cho các chi tiết cần tỏa nhiệt hiệu quả và trọng lượng nhẹ nhưng không đòi hỏi độ dẫn điện cực đại. Hệ số giãn nở nhiệt cần được tính toán khi ghép nối với thép hoặc vật liệu composite để tránh ứng suất nhiệt và biến dạng.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Chuẩn	Đặc Tính Cơ Lực	Độ Cứng Thông Thường	Ghi Chú
Tấm (Sheet)	0,3 – 6,0 mm	Kiểm soát bởi độ cứng và giảm lạnh	O, H12, H14, H16	Phổ biến dùng cho các tấm panel, biển quảng cáo và ứng dụng trang trí
Thép tấm dày (Plate)	6 – 25 mm	Các tiết diện dày hơn có mức tăng cường độ do làm lạnh thấp hơn	O, H14, H16	Dùng khi cần độ cứng và tiết diện lớn hơn
Đùn (Extrusion)	Tiết diện đa dạng	Cường độ phụ thuộc vào việc gia công lạnh hoặc ủ sau đùn	O, H112	Hồ sơ đùn thường chỉ cần ứng suất nhân tạo đối với hợp kim xử lý nhiệt; 5005 thường dùng ở điều kiện mềm
Ống (Tube)	Độ dày thành: 0,5 – 6 mm	Hình thành từ tấm hoặc qua các nhà máy đùn/ống	O, H14	Thông dụng cho ống kiến trúc và phụ kiện trang trí
Thanh tròn/Thép thanh (Bar/Rod)	Ø2 – 50 mm	Gia công và chế tạo xác định cường độ cuối cùng	O, H12	Ít phổ biến; sử dụng cho phụ kiện nhỏ và bu lông cần gia công

Tấm và cuộn là dạng thương mại phổ biến nhất và thường được xử lý qua cán và tiếp theo là ủ với mức giảm lạnh kiểm soát. Có thể đùn hợp kim 5005 nhưng hợp kim này được chọn cho các biên dạng mà công đoạn làm lạnh hoặc hoàn thiện sau đùn không yêu cầu xử lý nhiệt. Thép tấm dày và tiết diện lớn có đáp ứng cơ học khác do khả năng làm cứng bằng biến dạng lạnh sau khi gia công giảm đi.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	5005	Hoa Kỳ	Định danh phổ biến ở Bắc Mỹ; dạng vật liệu và độ cứng theo tiêu chuẩn AA
EN AW	5005	Châu Âu	Định danh châu Âu (AlMg1) tương đương về thành phần hóa học danh nghĩa và ứng dụng điển hình
JIS	A5005 (xấp xỉ)	Nhật Bản	JIS có tương đương cho hợp kim Al-Mg1; có thể khác biệt nhỏ về thành phần hóa học và quy trình chế biến
GB/T	3A21	Trung Quốc	3A21 (Al-Mg1) thường được xem là tương đương với EN AW-5005 ở Trung Quốc

Sự tương đương giữa các tiêu chuẩn thường rất gần về thành phần hóa học danh nghĩa, nhưng khác biệt về giới hạn tạp chất, yêu cầu hoàn thiện bề mặt và định nghĩa độ cứng có thể tạo ra sự sai khác nhỏ về hiệu suất. Khi thay thế giữa các tiêu chuẩn, cần kiểm tra kỹ chứng chỉ vật liệu và định nghĩa độ cứng của nhà cung cấp nhằm đảm bảo tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn phù hợp với yêu cầu thiết kế.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

EN AW-5005 có khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt và hoạt động hiệu quả trong cả môi trường nông thôn và công nghiệp nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ và sự có mặt của magiê giúp tăng khả năng chống ăn mòn chung. Hợp kim này có thể anod hóa tạo lớp hoàn thiện đều đẹp, đây là lý do chính cho việc sử dụng rộng rãi trong ứng dụng kiến trúc và trang trí.

Trong môi trường biển và vùng ven biển, 5005 thể hiện khả năng chống ăn mòn pitting và khe hở hợp lý, nhưng các hợp kim có hàm lượng Mg cao hơn (như 5052) cung cấp khả năng chống nước biển vượt trội trong một số điều kiện tiếp xúc. Khả năng bị nứt ăn mòn ứng suất (SCC) rất thấp với các hợp kim Al-Mg như 5005 trừ khi có đồng hoặc các nguyên tố nhạy cảm khác; điều kiện sử dụng điển hình không khuyến khích SCC với hợp kim này.

Tương tác galvanic xuất hiện phổ biến đối với hợp kim nhôm: khi tiếp xúc điện với kim loại quý hơn (vd: thép không gỉ, đồng), nhôm có thể bị ăn mòn nhanh hơn trong môi trường điện phân. Việc cách ly phù hợp, chọn bu lông tương thích và sử dụng lớp phủ bảo vệ hoặc anod hóa giúp giảm thiểu rủi ro galvanic. So với hợp kim 3xxx (Al-Mn), 5005 có cường độ cao hơn chút ít và khả năng chống ăn mòn tương đương, trong khi so với hợp kim 5xxx chứa Mg cao hơn thì 5005 có thể kém bền hơn trong điều kiện biển khắc nghiệt.

Đặc Tính Gia Công

EN AW-5005 dễ dàng gia công bằng các phương pháp phổ biến; tính không xử lý nhiệt làm đơn giản công đoạn sau gia công vì cường độ và độ dẻo chủ yếu được kiểm soát bởi làm lạnh và ủ. Hoàn thiện bề mặt và độ sạch trước khi tạo hình hoặc hàn có ảnh hưởng lớn đến vẻ ngoài anod hóa và hiệu suất chống ăn mòn.

Khả năng hàn

EN AW-5005 hàn tốt bằng các phương pháp TIG và MIG, có đặc tính hợp nhất tốt với xu hướng nứt nóng thấp hơn so với một số hợp kim nhôm cường độ cao. Việc sử dụng vật liệu hàn bổ sung có cường độ bằng hoặc thấp hơn (vd: 5356 hoặc 4043) là phổ biến; 5356 thường được chọn cho cường độ và khả năng chống ăn mòn trong nhóm Al-Mg.

Vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt hàn (HAZ) sẽ bị làm mềm so với vật liệu gốc ở độ cứng H bởi vì hợp kim không xử lý nhiệt, do đó nhà thiết kế phải tính đến giảm cường độ cục bộ. Hoàn thiện sau hàn và khả năng khôi phục cơ học (vd: gia công lạnh) có thể cần thiết để hồi phục thẩm mỹ và độ cứng cho các ứng dụng kiến trúc.

Khả năng gia công cơ khí

Khả năng gia công của 5005 khá tốt nhưng kém hơn các hợp kim nhôm dễ gia công; hợp kim này gia công tốt với dụng cụ cacbua ở tốc độ vừa phải. Hình dạng dụng cụ nên ưu tiên góc nghiêng dương, tốc độ tiến dao cao để tạo mảnh liên tục; nên dùng làm mát bằng dung dịch hoặc khí để kiểm soát nhiệt độ và thoát mảnh.

Chọn tốc độ ăn dao và tiến dao phù hợp để cân bằng tuổi thọ dụng cụ và độ hoàn thiện bề mặt; vì 5005 ở trạng thái mềm O dễ bị rung và bám cạnh khi gia công các phần mỏng. Ủ cứng trước (độ cứng H) sẽ tăng lực cắt và thay đổi hành vi mảnh nhưng không ảnh hưởng lớn đến chiến lược dụng cụ tiêu chuẩn.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình ở trạng thái O và trạng thái H nhẹ rất tốt cho uốn, dập sâu và cuộn; bán kính uốn nhỏ có thể rất nhỏ ở trạng thái O tùy thuộc hình dạng và độ dày phôi. Đối với H14 và H16, bán kính uốn cần tăng lên và phải tính đến độ đàn hồi phục hồi; các thao tác gập mí và xiết viền thường thực hiện trên tấm H14.

Gia công nhiệt hiếm khi cần thiết cho 5005 do khả năng tạo hình lạnh tốt; tuy nhiên, ủ ở giữa chu trình có thể được sử dụng để hồi phục độ dẻo sau khi gia công lạnh nhiều. Nhà thiết kế nên tham khảo bảng tạo hình riêng theo độ cứng để xác định bán kính lỗ đục/die và áp lực giữ phôi nhằm đảm bảo sản xuất ổn định.

Đặc Tính Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim không xử lý nhiệt, EN AW-5005 không tăng cường đáng kể cường độ qua nhiệt luyện hòa tan và già hóa nhân tạo. Thử xử lý nhiệt theo các trạng thái T thông thường sẽ không tạo ra sự tăng cường bằng kết tủa như với các hợp kim dòng 6xxx hoặc 2xxx.

Ủ làm mềm đạt được bằng cách nung ở nhiệt độ trung gian (thường khoảng ~300–420 °C tùy theo dạng sản phẩm và khuyến nghị nhà cung cấp) nhằm hồi phục độ dẻo và kết tinh lại cấu trúc vi mô. Ủ trong lò có kiểm soát và làm nguội chậm có thể tạo trạng thái O thích hợp cho dập sâu.

Gia công lạnh kiểm soát làm tạo các trạng thái H; ủ xen kẽ có thể thực hiện giữa các bước tạo hình để điều chỉnh tính chất. Trong kiểm soát sản xuất, tỉ lệ gia công lạnh liên quan chặt chẽ tới giá trị giới hạn bền kéo và chảy hơn là chỉ theo lịch trình xử lý nhiệt.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Đặc tính cơ học của EN AW-5005 giảm dần khi nhiệt độ tăng; độ bền kết cấu sử dụng được thường chỉ đến khoảng 100–125 °C cho tải trọng kéo dài. Trên mức đó, giảm bền và creep trở nên đáng kể, hạn chế ứng dụng nhiệt độ cao kéo dài.

Quá trình oxy hóa trong không khí chỉ tạo lớp oxit nhôm ổn định bảo vệ hợp kim ở nhiệt độ vừa phải, nhưng tiếp xúc lâu dài trên ~200 °C có thể làm thay đổi bề mặt và tính chất cơ học. Trong các kết cấu hàn, vùng chịu nhiệt có thể bị hạt to lên và giảm cường độ cục bộ khi nóng cao; nhà thiết kế cần xác thực hiệu suất nhiệt độ cao qua thử nghiệm mục tiêu cho các chi tiết quan trọng.

Ứng Dụng

Ngành Công Nghiệp	Ví Dụ Thành Phần	Lý Do Sử Dụng EN AW-5005
Kiến trúc	Tấm mặt dựng, ốp, phụ kiện trang trí	Đáp ứng anod hóa tốt, hoàn thiện thẩm mỹ, dễ tạo hình
Hàng hải & ngoài khơi	Phần tử kết cấu nhẹ, đồ trang trí	Khả năng chống ăn mòn nước biển hợp lý và trọng lượng nhẹ
Ô tô	Phụ kiện nội thất, tấm trang trí ngoại thất	Hoàn thiện bề mặt tốt, cường độ vừa phải, hàn được
Hàng tiêu dùng	Biển hiệu, vỏ thiết bị	Vẻ ngoài anodized, dễ gia công
Điện tử	Vỏ thiết bị, bộ tản nhiệt nhỏ	Độ dẫn nhiệt và chống ăn mòn tốt cho vỏ bọc

EN AW-5005 được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi bề mặt đẹp, khả năng anod hóa, và sự cân bằng giữa cường độ trung bình với tính tạo hình và hàn tốt. Hợp kim hiếm khi cạnh tranh trong các ứng dụng cần cường độ cao nhất hoặc độ bền cực kỳ trong môi trường biển khắc nghiệt, nhưng là lựa chọn kinh tế và dễ gia công cho nhiều ứng dụng hiệu suất trung bình.

Những lưu ý khi lựa chọn

Chọn EN AW-5005 khi bạn cần một vật liệu nhẹ với khả năng anod hóa vượt trội, khả năng chống ăn mòn chung tốt và tính chất dập nguội cũng như hàn tuyệt vời. Hợp kim này đặc biệt phù hợp cho các chi tiết kiến trúc, trang trí và kết cấu nhẹ, nơi yêu cầu bề mặt hoàn thiện và khả năng gia công cao được ưu tiên.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 5005 có độ bền cao hơn với sự suy giảm vừa phải về dẫn điện và khả năng tạo hình hơi giảm, làm cho nó trở thành lựa chọn kết cấu tốt hơn khi yêu cầu một phần năng lực cơ học. So với các hợp kim làm cứng cơ học như 3003 và 5052, 5005 nằm giữa chúng: bền hơn và bề mặt đẹp hơn 3003 nhưng thường không chống ăn mòn tốt hoặc bền như 5052 chứa Mg cao trong môi trường biển khắc nghiệt.

So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 5005 được ưu tiên khi yêu cầu dập sâu, bề mặt anod hóa đẹp hơn hoặc gia công, hàn đơn giản hơn quan trọng hơn mức độ bền cao nhất đạt được bằng các xử lý T6; chi phí và tính sẵn có cũng khiến 5005 là lựa chọn hợp lý cho nhiều ứng dụng kiến trúc tấm mỏng.

Tóm tắt kết luận

EN AW-5005 vẫn là một hợp kim nhôm kỹ thuật có giá trị vì nó kết hợp độ bền trung bình, khả năng tạo hình tuyệt vời và bề mặt anod hóa chất lượng cao trong một hợp kim không chịu được xử lý nhiệt và dễ gia công. Sự cân bằng các tính chất này khiến nó trở thành lựa chọn đáng tin cậy, kinh tế cho các ứng dụng kiến trúc, trang trí và kết cấu nhẹ, nơi yêu cầu về thẩm mỹ, khả năng hàn và gia công là yếu tố thiết kế chủ đạo.