Nhôm EN AW-5251: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn trạng thái nhiệt và Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

EN AW-5251 là một thành viên của dòng hợp kim nhôm-magie 5xxx, trong đó magie là nguyên tố hợp kim chính. Dòng 5xxx nổi tiếng với các hợp kim không qua xử lý nhiệt, tăng cứng nhờ biến dạng lạnh, với độ bền chủ yếu được đạt được qua quá trình gia công nguội thay vì các phương pháp xử lý nhiệt hoà tan và lão hóa kết tủa.

Các nguyên tố hợp kim chính điển hình trong EN AW-5251 bao gồm magie (yếu tố tạo cường độ chính), mangan với hàm lượng thấp để kiểm soát cấu trúc hạt, và một lượng nhỏ sắt cùng silic như tạp chất tồn dư. Hợp kim này cân bằng giữa độ bền trung bình và khả năng chống ăn mòn rất tốt, đặc biệt trong môi trường khí quyển và môi trường biển nhẹ, cùng với tính hàn tốt và độ dẻo vừa phải ở các trạng thái mềm hơn.

Hợp kim được lựa chọn trong các ngành công nghiệp đòi hỏi sự kết hợp giữa khả năng tạo hình, khả năng chống ăn mòn và độ bền trung bình mà không cần xử lý nhiệt, như các bộ phận thân xe ô tô, tấm kiến trúc, phụ kiện biển và một số vỏ thiết bị điện tử. Các kỹ sư thiết kế ưu tiên EN AW-5251 khi cần một hợp kim hàn được, có chi phí hợp lý, độ bền cao hơn nhôm tinh khiết thương mại và khả năng chịu môi trường biển tốt hơn so với một số hợp kim dòng 3xxx.

So với các hợp kim chịu nhiệt cao có thể xử lý nhiệt, EN AW-5251 cung cấp quy trình gia công đơn giản hơn (không cần các bước hoà tan/lão hóa) và tính ổn định hơn trong kết cấu hàn do không bị giòn hoá vùng nhiệt ảnh hưởng (HAZ) nghiêm trọng như một số hợp kim tăng cứng lão hóa. Điều này làm cho nó rất phù hợp cho các cấu kiện hàn, tấm uốn và thanh đùn mà yêu cầu khả năng chống ăn mòn khi sử dụng.

Các Trạng Thái Nhiệt

Trạng thái	Cấp độ độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–35%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn ủ mềm, dẻo dai tối đa cho các ứng dụng dập sâu
H12	Thấp–Trung bình	Trung bình (10–20%)	Rất tốt	Rất tốt	Tăng cứng nhẹ, phù hợp cho tạo hình vừa phải
H14	Trung bình	Trung bình–Thấp (8–15%)	Tốt	Rất tốt	Gia công độ cứng 1/4, cân bằng giữa khả năng tạo hình và độ bền
H16	Trung bình–Cao	Thấp–Trung bình (6–12%)	Khá	Rất tốt	Gia công độ cứng 1/2, điển hình cho các tấm lộ thiên
H18	Cao	Thấp (4–10%)	Hạn chế	Rất tốt	Gia công độ cứng tối đa, cho các ứng dụng tấm yêu cầu độ cứng cao
H22	Trung bình	Trung bình–Thấp	Tốt	Rất tốt	Tăng cứng biến dạng rồi ổn định; cải thiện sự ổn định kích thước
H24	Trung bình–Cao	Thấp–Trung bình	Khá	Rất tốt	Tăng cứng biến dạng và lão hóa nhân tạo (ổn định) để cải thiện giới hạn chảy
H111	Thấp–Trung bình	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Gia công nhẹ sau ủ, khả năng tạo hình tốt với độ bền vừa phải

Việc tôi luyện trong các hợp kim dòng 5xxx chủ yếu dựa trên biến dạng lạnh hơn là các chu trình xử lý nhiệt truyền thống. Trạng thái O cho độ dẻo tối đa để dập và kéo sâu, trong khi các số hiệu H tăng lên biểu thị mức độ biến dạng lạnh lớn hơn và độ bền cao hơn, đánh đổi bằng độ dãn dài và khả năng tạo hình giảm.

Các trạng thái ổn định (H22/H24 và H111) thường được sử dụng khi quá trình tạo hình kết hợp với tiếp xúc nhiệt nhẹ hoặc hàn dự kiến thực hiện, vì chúng cung cấp tính chất cơ học ổn định hơn và giảm nguy cơ làm mềm không mong muốn trong quá trình gia công.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.25	Tạp chất kiểm soát từ quá trình; có thể làm giảm nhẹ độ dẻo
Fe	≤ 0.40	Thành phần tạo intermetallic điển hình; dư thừa làm giảm khả năng chống ăn mòn
Mn	≤ 0.40	Kiểm soát cấu trúc hạt; cải thiện độ bền và quá trình tái tinh thể hoá
Mg	2.0–3.0	Yếu tố chính tăng cường độ bền qua dung dịch rắn và góp phần chống ăn mòn
Cu	≤ 0.10	Giữ ở mức thấp để tránh dễ bị nứt ăn mòn ứng suất
Zn	≤ 0.25	Lượng dư nhỏ; hàm lượng cao không đặc trưng cho dòng này
Cr	≤ 0.15	Thêm trong một số biến thể để kiểm soát cấu trúc hạt và hạn chế tái tinh thể
Ti	≤ 0.15	Chất tinh chế hạt trong sản phẩm đúc và một số dạng làm biến dạng
Khác (mỗi loại)	≤ 0.05	Các nguyên tố khác dưới dạng tạp chất hoặc thêm kiểm soát

Hàm lượng magie là yếu tố chi phối kiểm soát giới hạn chảy và độ bền kéo của EN AW-5251, thông qua tăng cường dung dịch rắn và tương tác với dislocation. Mangan và crôm ở mức thấp tinh chế cấu trúc hạt và cải thiện giữ độ bền khi chịu nhiệt, trong khi sắt và silic là tạp chất tạo ra các hạt intermetallic có thể ảnh hưởng đến tính chịu mỏi và sự ăn mòn điểm.

Thành phần được kiểm soát chặt chẽ để giới hạn các nguyên tố (như đồng và kẽm) có thể làm tăng nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất hoặc giảm khả năng chống ăn mòn tổng quát, khiến 5251 trở thành lựa chọn đáng tin cậy cho các ứng dụng tiếp xúc trực tiếp với môi trường.

Tính Chất Cơ Học

EN AW-5251 thể hiện hành vi ứng suất kéo điển hình của dòng 5xxx: dẻo khi ở trạng thái ủ mềm và ngày càng bền hơn khi tăng biến dạng lạnh trong khi độ dãn dài giảm xuống. Ở trạng thái O, hợp kim có độ dãn đồng đều lớn và tỷ số giới hạn chảy trên độ bền kéo thấp, rất thuận lợi cho các thao tác tạo hình cần biến dạng nhựa lớn. Ở các trạng thái H điển hình, giới hạn chảy tăng đáng kể nhưng độ dẻo của kéo giảm, và hiện tượng cổ cổ khu vực xảy ra sớm hơn.

Độ cứng tỷ lệ thuận với biến dạng lạnh và là thước đo hữu ích trong quá trình gia công để kiểm tra trạng thái sau khi cán hoặc kéo. Hiệu suất chịu mỏi rất nhạy cảm với điều kiện bề mặt, độ dày và sự có mặt của các hạt intermetallic; các bề mặt được đánh bóng hoặc anode hóa cải thiện đáng kể tuổi thọ mỏi so với bề mặt nguyên cán. Độ dày ảnh hưởng lớn đến độ bền và khả năng tạo hình — các tấm mỏng cán nguội dễ đạt độ cứng cao hơn trong quá trình gia công và dễ hàn hơn với ít biến dạng mép.

Khi thiết kế chi tiết, kỹ sư phải tính đến đặc điểm không qua xử lý nhiệt của hợp kim: độ bền tối đa đạt được qua biến dạng cơ học và ổn định, không phải qua lão nhiệt. Với các cụm hàn, hiện tượng làm mềm cục bộ gần vùng chịu nhiệt ảnh hưởng (HAZ) có thể xảy ra nhưng mức độ thường nhẹ hơn so với các hợp kim cứng hóa kết tủa nếu trạng thái nhiệt và vật liệu hàn được lựa chọn phù hợp.

Tính chất	O/Đã ủ	Trạng thái chính (H14/H24 điển hình)	Ghi chú
Độ bền kéo	120–155 MPa	200–260 MPa	Giá trị phụ thuộc mạnh vào biến dạng lạnh và độ dày
Giới hạn chảy	50–90 MPa	140–210 MPa	Giới hạn chảy tăng rõ rệt với tăng cứng biến dạng; H24 ổn định giới hạn chảy
Độ dãn dài	20–35%	6–16%	Độ dẻo giảm khi trạng thái cứng hơn; trạng thái ủ mềm cho khả năng tạo hình tốt nhất
Độ cứng (HB)	30–45 HB	60–95 HB	Độ cứng tương quan với độ bền và cấp độ biến dạng lạnh

Tính Chất Vật Lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.68–2.70 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al–Mg dạng biến dạng
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~570–650 °C	Phân bố nhiệt độ rắn/lỏng; thiết kế với biên độ an toàn
Độ dẫn nhiệt	120–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết do sự có mặt của hợp kim
Độ dẫn điện	~28–38 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do hàm lượng magie tăng
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Điển hình cho hợp kim nhôm ở nhiệt độ phòng
Hệ số giãn nở nhiệt	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Quan trọng trong các cụm ghép và mối nối đa vật liệu

Hằng số vật lý của EN AW-5251 gần tương tự các hợp kim Al–Mg khác về tính dẫn nhiệt và dẫn điện; lượng magie làm giảm dẫn điện so với nhôm nguyên chất nhưng vẫn giữ hiệu quả tản nhiệt rất tốt cho các ứng dụng lan toả nhiệt. Kỹ sư thiết kế cần lưu ý hệ số giãn nở nhiệt khi ghép 5251 với các vật liệu khác nhau, đặc biệt trong các mối nối kết cấu và lắp ghép kết dính.

Phạm vi nóng chảy và làm mềm cho thấy quá trình hàn và các chu trình nhiệt sau hàn phải được kiểm soát chặt chẽ để tránh làm mềm cục bộ quá mức; kiểm soát lượng nhiệt và cố định chi tiết để hạn chế biến dạng mép là quy trình chuẩn cho các tấm có dung sai nghiêm ngặt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Chuẩn	Hành Vi Cơ Lực	Độ Cứng Thông Thường	Ghi Chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Chịu ảnh hưởng mạnh bởi độ dày; các tấm mỏng dễ gia công nguội	O, H12, H14, H24	Phổ biến nhất cho tấm thân xe, mặt tiền và tấm sàn tàu biển
Đĩa	6–50 mm	Độ dẻo thấp hơn ở các đĩa dày; dùng nơi cần độ cứng vững	H16, H18	Thường dùng cho các chi tiết cấu trúc cần độ cứng chịu uốn
Đùn	Tiết diện lên tới vài trăm mm²	Tính chất phụ thuộc vào tỷ lệ đùn và quá trình gia công nguội tiếp theo	O, H111, H14	Phù hợp cho các biên dạng có độ bền trung bình và hình học phức tạp
Ống	Đường kính 6–200 mm, thành 0.5–6 mm	Loại hàn và không hàn; tính chất thay đổi theo quy trình sản xuất	O, H14, H16	Dùng trong hệ thống đường ống dẫn, tay vịn và các chi tiết kết cấu
Thanh Tròn/Thanh Đặc	Đường kính tới 50 mm	Sản xuất bằng đùn hoặc kéo; độ bền tăng theo cấp kéo	O, H12, H14	Tiêu biểu cho phụ kiện chế tạo và chi tiết gia công CNC

Quy trình xử lý tấm và đĩa khác nhau về lịch trình cán và các bước gia công nguội tiếp theo; tấm thường được cuộn xử lý rồi cắt và tạo hình, trong khi đĩa được cán dày với lịch sử nhiệt-cơ khác. Đùn cần kiểm soát nhiệt độ phôi và thiết kế khuôn để đảm bảo bề mặt và ứng suất dư; thường áp dụng kéo giãn sau đùn và tôi già (ổn định) để giảm biến dạng.

Ống hàn và thanh tròn gia công thường dùng cùng hợp kim cơ sở nhưng được xử lý với độ cứng khác nhau; việc lựa chọn cấp độ cứng trung gian phù hợp và độ dư gia công giúp giảm phế phẩm và gia công lại trong môi trường sản xuất.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA (Aluminum Association)	5251	USA	Định danh phổ biến cho hợp kim nguội phù hợp thành phần và tính chất theo EN AW-5251
EN AW	5251	Châu Âu	Quy ước châu Âu cho hợp kim Al–Mg dạng nguội
JIS	— (gần giống nhất: A5052)	Nhật Bản	Không có tương đương trực tiếp trong JIS; A5052 thường được coi là gần với ứng dụng thương mại nhất
GB/T	5251	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc thường liệt kê 5251 là hợp kim tương ứng; cần kiểm tra chứng nhận nhà sản xuất

Các mác tương đương trực tiếp không luôn hoàn toàn chính xác vì tiêu chuẩn khu vực cho phép giới hạn tạp chất và phương pháp chứng nhận khác nhau. Việc tham khảo chéo nên dựa trên yêu cầu chi tiết về thành phần hóa học và tính chất cơ học thay vì chỉ dựa vào số mác.

Khi thay thế, kỹ sư nên so sánh phạm vi giới hạn bền và chảy, cấp độ cứng có sẵn và các xử lý bề mặt. 5052 và 5154 là các lựa chọn thay thế phổ biến với hàm lượng Mg khác biệt nhẹ dẫn đến sự khác nhau về độ bền và khả năng chống ăn mòn.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

EN AW-5251 có khả năng chống ăn mòn khí quyển rất tốt đặc trưng cho hợp kim Al–Mg, tạo thành lớp oxit bảo vệ ổn định hạn chế ăn mòn tổng thể trong môi trường đô thị và công nghiệp. Hàm lượng magiê cải thiện khả năng chống ăn mòn điểm trong môi trường có chloride hơn nhiều hợp kim họ 1xxx và 3xxx, làm cho 5251 thường được chọn cho ứng dụng kiến trúc ngoại thất và môi trường ven biển.

Trong môi trường ngâm nước biển hoặc tiếp xúc bắn nước, hợp kim hoạt động tốt, nhưng ăn mòn điểm cục bộ có thể xuất hiện trên bề mặt sần sùi hoặc bị hư hỏng và trong các khe hở tích tụ nước. Chi tiết thiết kế như hệ thống thoát nước, tránh khe hở, và xử lý bề mặt thích hợp (anode hoá, phủ chuyển đổi hoặc sơn) giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Nguy cơ nứt ăn mòn chịu ứng suất (SCC) của hợp kim Al–Mg tăng khi hàm lượng magiê cao và ứng suất kéo lớn; ở mức Mg điển hình của 5251, rủi ro là trung bình và có thể giảm bớt bằng cách chọn cấp độ cứng thấp hơn trong các cụm hàn có ứng suất cao. Cần đánh giá tương tác điện hóa: khi tiếp xúc với vật liệu quý hơn (inox, hợp kim đồng), 5251 sẽ hoạt động như anot và cần cách ly hoặc phủ bảo vệ để tránh ăn mòn gia tốc. So sánh với hợp kim xử lý nhiệt 6xxx và 7xxx, EN AW-5251 thường có khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt hơn nhưng độ bền cực đại thấp hơn.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

EN AW-5251 rất dễ hàn bằng các phương pháp fusion phổ biến như TIG và MIG, thể hiện đặc tính hợp kim tốt và ít bị nứt nóng khi sử dụng đúng vật liệu hàn bổ sung. Vật liệu hàn tiêu chuẩn thường là hợp kim Al–Mg chứa 4–5% Mg (ví dụ ER5356) nhằm duy trì khả năng chống ăn mòn và giảm làm mềm vùng hàn. Cần kiểm soát nhiệt lượng để giới hạn làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), và có thể áp dụng xử lý trước hoặc sau hàn (ví dụ gia công nguội nhẹ hoặc giảm ứng suất) nhằm ổn định tính chất.

Khả năng gia công

Gia công EN AW-5251 có độ khó trung bình; dễ gia công hơn hợp kim cao cấp đã tôi già nhưng không cắt gọt dễ như hợp kim nhôm chứa chì trước đây. Dụng cụ carbide với góc cắt dương, phương pháp bẻ phoi phù hợp và tốc độ cắt vừa phải cho bề mặt gia công tốt. Có thể xảy ra hiện tượng làm cứng do biến dạng gần vùng cắt nếu tốc độ cho ăn quá nhẹ, nên duy trì tốc độ cho ăn ổn định và sử dụng làm mát để tránh hiện tượng bám lưỡi dao và rung dao.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình ở trạng thái ủ (O) rất tốt, cho phép kéo sâu, tạo hình cuộn và dập phức tạp với bán kính uốn nhỏ. Khi tăng cấp độ cứng (H12–H18), cần tăng bán kính uốn và độ đàn hồi trở lại lớn hơn, nên thiết kế khuôn cần bù trừ. Khi tạo hình nguội, nên bắt đầu với cấp độ cứng mềm nhất phù hợp với ứng dụng và sử dụng các bước tạo hình tiến dần để giảm nguy cơ nứt gãy.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

EN AW-5251 là hợp kim không xử lý nhiệt; độ bền cơ học đạt được thông qua gia công nguội và kiểm soát cấu trúc vi mô thay vì xử lý tôi kết tủa. Xử lý ủ hoàn toàn để phục hồi độ dẻo được thực hiện bằng cách nung trong khoảng 350–415 °C và giữ đủ thời gian để tái tinh thể hóa, sau đó làm nguội chậm để tránh ứng suất dư. Các cấp độ cứng do đó được mô tả bằng mức độ gia công nguội và chu trình ổn định (H22/H24) thay vì chuỗi cấp T truyền thống.

Tôi già nhân tạo không hiệu quả trong việc tăng độ bền cho hợp kim nhóm 5xxx, nhưng việc phơi nhiệt có kiểm soát ở nhiệt độ vừa phải có thể thay đổi độ dẻo và giảm ứng suất dư. Nhà thiết kế cần tránh nhiệt độ làm việc và bước sản xuất có thể làm ủ hoặc quá già hóa, làm mềm quá mức các chi tiết đã gia công nguội, trừ khi mục đích là làm mềm có kiểm soát. Với các chi tiết sẽ chịu hàn, chọn cấp độ cứng chịu nhiệt một phần (H22/H24, H111) giúp giảm rủi ro thay đổi tính chất không mong muốn sau chế tạo.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

EN AW-5251 duy trì tính chất cơ học có ích ở nhiệt độ nâng vừa phải, nhưng độ bền giảm đáng kể trên khoảng 100–150 °C, và phơi nhiệt lâu dài trên ~200 °C không được khuyến cáo cho ứng dụng chịu tải. Khả năng oxy hóa bị hạn chế nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ, nhưng phơi nhiệt cao kéo dài có thể thúc đẩy khuếch tán magiê và làm tăng kích thước cấu trúc vi mô, khiến hiệu suất cơ học giảm.

Vùng hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhạy cảm với chu trình nhiệt; nhiệt lượng quá lớn trong quá trình chế tạo hoặc vận hành có thể làm giảm giới hạn chảy tại chỗ và tăng khả năng mòn creep khi chịu tải kéo dài. Với ứng dụng có tải nhiệt hoặc cơ học lặp lại ở nhiệt độ cao, nên chọn hợp kim ổn định nhiệt hơn hoặc thiết kế thêm biên độ an toàn.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng EN AW-5251
Ô tô	Tấm thân trong, chi tiết trang trí	Khả năng tạo hình tốt ở O/H12; dễ hàn và chống ăn mòn
Hàng hải	Sàn tàu, phụ kiện	Thành phần giàu Mg giúp tăng khả năng chống ăn mòn điểm trong môi trường biển
Hàng không	Cấu trúc phụ, ốp bọc	Tỷ lệ bền trên trọng lượng tốt và khả năng chống mỏi cho các chi tiết không chịu lực chính
Điện tử	Vỏ hộp, tấm tản nhiệt	Khả năng dẫn nhiệt và chống ăn mòn tốt cho vỏ ngoài dùng ngoài trời

EN AW-5251 nằm ở phân khúc trung gian hữu dụng, nơi cần độ bền vừa phải, khả năng chống ăn mòn xuất sắc và tính dễ gia công tốt. Sự kết hợp các tính chất này hỗ trợ việc sử dụng rộng rãi trong ngành giao thông vận tải, kiến trúc và hàng hải, yêu cầu vật liệu hàn được, tạo hình được và có chi phí hiệu quả.

Thiết kế viên thường chọn 5251 cho các chi tiết được chế tạo bằng quy trình tấm kim loại tiêu chuẩn và chịu môi trường ngoài trời hoặc ven biển mà không phức tạp hóa quá trình xử lý tôi kết tủa.

Những lưu ý chọn lựa

EN AW-5251 nên được chọn khi bạn cần độ bền và khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với nhôm thương mại tinh khiết (1100), đồng thời duy trì khả năng tạo hình và hàn tốt. So với 1100, 5251 đánh đổi một phần dẫn điện và dẫn nhiệt để có giới hạn chảy và bền kéo cao hơn đáng kể, cho phép thiết kế mỏng nhẹ hơn với cùng độ cứng.

So với các hợp kim làm cứng bằng biến dạng như 3003 và 5052, 5251 thường cung cấp độ bền cao hơn với khả năng chống ăn mòn trong môi trường biển và khí quyển tương đương hoặc cải thiện. Nếu bạn cần khả năng chống ăn mòn cao nhất liên quan đến Mg hoặc các điều kiện nhiệt luyện cụ thể, hãy so sánh kỹ 5251 với 5052/5154 vì sự khác biệt về thành phần hóa học và quy trình chế tạo sẽ làm thay đổi cân bằng các tính chất.

So với các hợp kim có thể tôi nhiệt như 6061 hoặc 6063, EN AW-5251 được ưu tiên khi quy trình chế tạo liên quan nhiều đến hàn hoặc tạo hình mà không có khả năng hoặc không muốn thực hiện các bước xử lý dung dịch/lão hóa. Mặc dù 6061 sẽ đạt đến giới hạn bền tối đa cao hơn sau xử lý nhiệt, 5251 mang lại hiệu suất mối hàn dự đoán được và quy trình sản xuất đơn giản hơn cho các cấu trúc lớn, uốn tạo hình.

Tóm tắt cuối cùng

EN AW-5251 vẫn là hợp kim Al–Mg tôi nguội thực tế, được sử dụng rộng rãi, cung cấp sự cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, tính hàn và độ bền vừa phải mà không cần xử lý nhiệt. Độ đa dụng của nó trên dạng tấm, bản và đùn thỏi, cùng với khả năng chế tạo ổn định, giúp nó vẫn phù hợp cho các ứng dụng ô tô, hàng hải, kiến trúc và kỹ thuật nói chung, nơi đòi hỏi giải pháp nhôm bền bỉ, hiệu quả về chi phí.