Phân loại nhôm và hợp kim nhôm

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhôm được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau bởi đặc tính nhẹ và khả năng chống ăn mòn tốt, như: đóng tàu, bồn chứa, ô-tô, hàng không và nhiều kết cấu thông dụng khác. Tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà sẽ lựa chọn từng loại nhôm phù hợp. Với đặc tính và thành phần hóa học khác nhau, mỗi loại nhôm sẽ có những ứng xử khác nhau khi hàn. Vì vậy, việc phân loại nhôm để hiểu rõ đặc tính của từng loại là một việc rất quan trọng, từ đó sẽ có những lựa chọn vật liệu hàn thích hợp để tạo ra được mối hàn có chất lượng như mong muốn.

Bài viết này chỉ ra cách phân loại các nhóm vật liệu nhôm cơ bản và thông dụng và một số tính chất đặc trưng của chúng.

2. PHÂN LOẠI HỢP KIM NHÔM

Khi chế tạo nhôm, thông thường các nhà sản xuất thường bổ sung các nguyên tốt hợp kim (như Cu, Mn, Mg, Si, Sn, Zn) nhằm cải thiện một số đặc tính của nhôm. Tuy nhiên, căn cứ vào phương thức chế tạo và sử dụng, ta phân chia thành hai nhóm chính, đó là: hợp kim nhôm rèn (Wrought aluminum alloy), và hợp kim nhôm đúc (Cast Aluminum alloy).

Một cách dễ hiểu nhất để phân biệt  hai nhóm này đó là: Hợp kim nhôm đúc được chế tạo bằng cách nung chảy quặng bô-xit (bauxite) trong lò, sau đó nhôm nguyên chất được tách ra và rót vào khuôn đúc cùng với nguyên tố hợp kim để tạo phôi đúc mong muốn, quá trình này khá phức tạp và tốn năng lượng. Trong khi đó, hợp kim nhôm rèn được chế tạo bằng cách nấu chảy nhôm thỏi cùng các nguyên tốt hợp kim, sau đó đúc thành các tấm lớn trước khi cán, rèn hoặc kéo thành các phôi có hình dạng khác nhau. Ở đây, hợp kim nhôm đúc thường có chứa nhiều nguyên tố hợp kim hơn, nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, và độ bền cũng thấp hơn so với nhôm rèn do không loại bỏ hết được khuyết tật khi đúc. Bởi vậy, thực tế có khoảng 85% hợp kim sử dụng là hợp kim nhôm rèn.

2.1. Đặc tính của các nguyên tố hợp kim

Các nguyên tố hợp kim cơ bản sử dụng để cải thiện tính chất của hợp kim nhôm bao gồm: Cu, Si, Mn, Mg và Zn. Dưới đây là các tính chất của từng nguyên tố:

  • Đồng (Cu): Cải thiện độ bền và khả năng tạo hình.
  • Silic (Si): Giảm nhiệt độ nóng chảy, tăng độ chảy loãng, cải thiện tính đúc.
  • Mangan (Mn): Tăng độ bền và độ dẻo dai.
  • Magie (Mg): Cải thiện độ bền, và khả năng chống ăn mòn.
  • Mg/Si: Tăng độ bền, tính tạo hình và khả năng kéo.
  • Kẽm (Zn): khi kết hợp với Mg và Cu sẽ giúp cải thiện độ bền.

Ngoài ra, một số nguyên tố khác như: Cr, Zr, V, Ni, Ti, Sc giúp làm mịn tổ chức hạt. Nguyên tố Fe giúp giảm ứng suất dư. Nguyên tố: Se, Bi, Pb, Sn: Cải thiện khả năng gia công cơ khí nhưng giảm tính hàn.

2.2. Hợp kim nhôm rèn (Wrought aluminum alloy)

Căn cứ vào kiểu chế tạo, phôi nhôm rèn có các hình dáng khác nhau, bao gồm: phôi dạng tấm mỏng (sheet), dạng tấm (plate), dạng cuộn mỏng (foil), dây hoặc thanh (wire or rod), phôi kéo hoặc rèn…

Tùy thuộc vào thành phần nguyên tố hợp kim, có thể nhóm thành 7 nhóm chính và một nhóm đặc biệt (nhóm 8) như hình dưới đây. Trong đó, nhóm 2, 6, 7, 8 là các nhóm có thể nhiệt luyện (heat-treatable) để cải thiện một số tính chất cơ tính, còn các nhóm 1, 3, 4, 5 thì thuộc nhóm không có khả năng nhiệt luyện (Nonheat-treatable).

Ví dụ: Nhôm 5083 có nghĩa là thuộc nhóm 5, hợp kim Nhôm-Magie (Al/Mg), phiên bản gốc (0), có số hợp kim là 83. Nhôm 5183 là phiên bản biến thể thứ nhất của nhôm 5083.

Chú ý: Riêng trường hợp đặc nhiệt nhóm 1xxx là nhóm Nhôm nguyên chất, thì 02 ký tự cuối thể hiện thành phần % tối thiểu của nhôm trên 99%. Ví dụ: Nhôm 1350 có 99.50% là nhôm nguyên chất.

2.3. Hợp kim nhôm đúc (Cast aluminum alloy)

Theo như đề cập ở trên, hợp kim nhôm đúc được chế tạo từ quặng bô-xít. Quá trình đúc nhôm có thể thực hiện trong khuôn cát (sand casting), đúc áp lực (die casting) hoặc khuôn mẫu chảy (investment casting). Hợp kim nhôm đúc bao gồm 9 nhóm. Tương tự như hợp kim nhôm rèn, chia ra làm hai nhóm: Nhóm hợp kim nhôm đúc không thể nhiệt luyện (non-heat-treatable) gồm nhóm 2, 3, 4 và 7; Nhóm hợp kim nhôm đúc có thể nhiệt luyện, gồm nhóm 1, 5, 8, 9. Các nhóm phân loại theo thành phần nguyên tố hợp kim cụ thể như hình bên dưới.

Ví dụ: nhôm A356.0, thì ký tự “A” thể hiện đây là phiên bản có sửa đổi của nhôm 356.0. Số “3” chỉ đây là nhóm A3xx.x là hợp kim nhôm + Đồng và/hoặc Magie. Ký tự “56” chỉ tên nhóm trong nhóm hợp kim 3xx.x. Và ký tự “.0” chỉ phôi cuối cùng là dạng phôi đúc chứ không phải là dạng thỏi/thanh.

3. Hệ thống ký hiệu hợp kim nhôm có thể nhiệt luyện và không thể nhiệt luyện

Với mỗi nhóm nhôm, sẽ có cách ký hiệu riêng. Đôi khi, sau ký hiệu hợp kim nhôm, có kèm theo các ký tự như “F”, “O”, “T” hoặc “H”. Ý nghĩa của chúng là làm rõ thêm chủng loại nhôm. Cụ thể:

  • XXXX-F: là hợp kim nhôm thuộc nhóm có độ bền theo như sản xuất/ chế tạo.
  • XXXX-O: là hợp kim nhôm thuộc nhóm ủ. Nhóm này thường có độ bền thấp nhất.
  • XXXX-Txx: là hợp kim nhôm thuộc nhóm có thể nhiệt luyện (heat treatable).
  • XXXX-Hxx: là hợp kim nhôm thuộc nhóm đã biến cứng nguội, và không thể nhiệt luyện.

Hợp kim nhôm rèn và hợp kim nhôm đúc cùng sử dụng chung hệ thống ký hiệu cho nhóm hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện (non-heat-treatable), và nhóm hợp kim nhôm có thể nhiệt luyện (heat-treatable). Cụ thể như sau:

3.1. Hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện (Non-heat-treatable aluminum alloy)

Với các nhóm hợp kim nhôm thuộc nhóm không thể nhiệt luyện (Non-heat-treatable), độ bền của chúng ban đầu được quyết định bởi nguyên tố hợp kim. Sau đó, độ bền có thể tăng lên (nhưng giảm độ dẻo) do quá trình gia công tạo hình ở trạng thái nguội như cán, rèn hoặc kéo, hay đôi khi gọi là quá trình biến cứng (cold-working, strain-harening). Sau trang thái này thì nhôm sẽ có ký hiệu sau cùng là “F” (as-fabricated). Tuy nhiên, các hợp kim này sau cùng được nhiệt luyện tới một nhiệt độ ổn định để đảm bảo cơ tính không thay đổi theo thời gian (mà ta hay gọi là temper stabilizing), với những hợp kim nhôm này sẽ có ký hiệu sau cùng bởi chữ “O” (annealed).

Với nhóm hợp kim này, khi hàn thì vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sẽ bị ủ do ảnh hưởng của nhiệt hồ quang nên cơ tính của vùng này bị giảm, nếu sau khi hàn mà đem nhiệt luyện, sẽ gây ảnh hưởng tới độ bền có được do quá trình biến cứng, bởi ở nhiệt độ cao có thể xảy ra các hiện tượng như: Phân bố lại tổ chức hạt (recovery), kết tinh lại và hình thành hạt mới (recrystallization), hoặc làm tăng kích thước hạt (grain growth). Chính vì vậy, nhóm hợp kim này khuyến cáo không sử lý nhiệt sau khi hàn.

Nhôm không thể nhiệt luyện thường được ký hiệu là: XXXX-Hxx

Trong ký:

  • Ký tự “H” theo sau với ý nghĩa nhôm đã được biến cứng “strain hardening” trong quá trình chế tạo.
  • Con số đứng liền sau ký tự “H” mang ý nghĩa chỉ phương pháp xử lý trong hoặc sau khi biến cứng. Cụ thể là:
    • H1: Hợp kim nhôm chỉ được biến cứng (Strain Hardened only).
    • H2: Hợp kim nhôm được biến cứng và ủ một phần (Strain Hardened and partially annealed).
    • H3: Hợp kim nhôm đươc biến cứng và ram ổn định hóa (Strain hardened and stabilized).
  • Con số thứ hai sau ký tự “H” chỉ cường độ biến cứng (degree of strain hardening), cụ thể:
    • Hx2: biến cứng ¼
    • Hx4: Biến cứng ½
    • Hx6: Biến cứng ¾
    • Hx8: Biến cứng hoàn toàn (full hard).
    • Hx9: Biến cứng bổ sung (Extra hard).

3.2. Hợp kim nhôm có thể nhiệt luyện (Heat-treatable aluminum alloy)

Với các nhóm hợp kim nhôm thuộc nhóm có thể nhiệt luyện (heat-treatable), độ bền được tạo bởi quá trình hợp kim hóa các nguyên tố hợp kim với nhôm nguyên chất. Các nguyên tố hợp kim có thể độc lập hoặc kết hợp với nhau hòa tan dưới dạng dung dịch rắn với nhôm khi tăng nhiệt độ. Tuy nhiên, hợp kim nhôm nhóm này rất nhạy với nhiệt độ, nếu giữ ở nhiệt độ cao trong thời gian dài sẽ dẫn đến giảm độ bền một cách đáng kể. Vì vậy, khi hàn cần lưu ý kiểm soát chặt chẽ nhiệt vào mối hàn thông qua kiểm soát gia nhiệt, năng lượng đường, và nhiệt độ giữa các đường hàn. Chính bởi cơ chế này mà có thể tăng đáng kể được độ bền của nhôm nhóm heat-treatable bằng cách nhiệt luyện ở nhiệt độ cao (từ 480 – 560 oC, tùy loại hợp kim) để tăng khả năng hòa tan các nguyên tố hợp kim vào nhôm ở dạng hỗn hợp dung dịch rắn, sau đó làm nguội nhanh (thường là tôi trong nước) để giữ nguyên trạng thái hòa tan của các nguyên tố hợp kim. Tùy trường hợp, Sau khi nhiệt luyện ở trên, có thể kết hợp phương pháp xử lý nhiệt biến cứng kết tủa (precipitation heat-treatment) hay đôi khi ta gọi là già hóa nhân tạo (artificial aging), bằng cách nung có kiểm soát  thời gian ở nhiệt độ khoảng 120 – 200 oC, giúp tăng và ổn định độ bền cho hợp kim nhôm. Chú ý rằng, nếu hợp kim nhôm được xem xét tới phương án xử lý nhiệt sau hàn thì việc lựa chọn loại vật liệu hàn phù hợp có khả năng thích ứng với xử lý nhiệt sau hàn là một việc rất quan trọng.

Lưu ý: Bằng cách thêm vào nguyên tố Đồng (Cu) và/hoặc Magie (Mg) vào hợp kim nhôm/Silic (Nhóm 4xxxx), hợp kim này sẽ có khả năng nhiệt luyện.

Nhôm có thể nhiệt luyện thường được ký hiệu là: XXXX-Txxx

Trong đó:

  • Ký tự “T” theo sau với ý nghĩa là nhóm có thể nhiệt luyện.
  • Con số sau ký tự “T” có ý nghĩa như sau:
    • T1: Nhôm được già hóa tự nhiên (ở nhiệt độ phòng) sau khi làm nguội nhanh (tôi) từ nhiệt độ cao do quá trình tạo hình.
    • T2: Nhôm được biến cứng sau khi tôi từ nhiệt độ cao do quá trình tạo hình, sau đó được già hóa tự nhiên.
    • T3: Nhôm được xử lý nhiệt, sau đó được biến cứng và già hóa tự nhiên.
    • T4: Nhôm được xử lý nhiệt và già hóa tự nhiên.
    • T5: Nhôm được già hóa nhân tạo sau khi làm nguội từ nhiệt độ cao do quá trình tạo hình.
    • T6: Nhôm được xử lý nhiệt sau đó già hóa nhân tạo.
    • T7: Nhôm được xử lý nhiệt sau đó ủ ổn định tổ chức.
    • T8: Nhôm được xử lý nhiệt, biến cứng và già hóa nhân tạo.
    • T9: Nhôm được xử lý nhiệt, già hóa nhân tạo sau đó biến cứng.
    • T10: Nhôm được xử lý nhiệt, sau đó biến cứng và già hóa nhân tạo.
  • Hai ký tự thứ 2 và thứ 3 tiếp sau ký tự “T” nếu có, mang ý nghĩa làm rõ phương thức xử lý cơ  nhiệt cụ thể.

Để biết cách lựa chọn vật liệu hàn nhôm đúng cách, vui lòng đọc bài: Cách lựa chọn vật liệu hàn nhôm.