Con số 6061 hay 7075 in trên khung xe đạp, vỏ đèn pin, vỏ máy là mã hợp kim nhôm theo hệ đánh số bốn chữ số quốc tế: chữ số đầu cho biết nguyên tố hợp kim chính. Dòng 6xxx pha magie và silic, bền vừa, dễ hàn, chống gỉ tốt; dòng 7xxx pha kẽm, bền gần gấp đôi nhưng khó hàn và dễ ăn mòn hơn. Chữ "T6" đi kèm cho biết hợp kim đã được nhiệt luyện tới độ bền cao nhất.
Hệ đánh số bốn chữ số của hợp kim nhôm đọc thế nào?
Hệ đánh số này do Hiệp hội Nhôm Hoa Kỳ xây dựng, sau được dùng rộng rãi trên thế giới cho nhôm biến dạng (nhôm cán, đùn, kéo, rèn). Chữ số đầu tiên chỉ "họ" hợp kim:
| Dòng | Nguyên tố chính | Nhiệt luyện hoá bền? | Đặc điểm và ví dụ dùng |
|---|---|---|---|
| 1xxx | Nhôm từ 99% trở lên | Không | Mềm, dẫn điện tốt: giấy bạc, dây dẫn, tấm phản quang |
| 2xxx | Đồng | Có | Bền cao, kém chống gỉ: vỏ và khung máy bay đời cũ, đinh tán |
| 3xxx | Mangan | Không | Bền vừa, dễ dập: thân lon nước, nồi chảo nhôm, tấm lợp |
| 4xxx | Silic | Phần lớn không | Chảy thấp: que hàn nhôm, dây hàn |
| 5xxx | Magie | Không | Chống nước biển tốt: vỏ thuyền, bồn chứa, nắp lon |
| 6xxx | Magie + silic | Có | Đùn dễ, hàn được: khung cửa, khung xe đạp, kết cấu |
| 7xxx | Kẽm (thường có magie, đồng) | Có | Bền nhất: khung máy bay, linh kiện thể thao cao cấp |
| 8xxx | Nguyên tố khác (sắt, liti…) | Tuỳ | Giấy bạc mỏng, hợp kim nhôm – liti hàng không |
Ba chữ số sau không phải "độ mạnh" mà là số hiệu đăng ký trong họ. 6061 và 6063 cùng họ magie – silic nhưng thành phần khác nhau: 6063 mềm hơn, đùn được những biên dạng mỏng, mặt đẹp nên là "nhôm định hình" quen thuộc của khung cửa; 6061 bền hơn, dùng cho chi tiết chịu lực.
Nhôm đúc (vỏ động cơ, mâm xe đúc) dùng hệ ký hiệu khác, ba chữ số và một số thập phân, ví dụ A356.0. Đừng lẫn với nhôm biến dạng.
Chữ T6, O, H sau mã hợp kim nghĩa là gì?
Phần sau dấu gạch nối là trạng thái (temper), tức hợp kim đã qua xử lý gì. Cùng là 6061 nhưng 6061-O và 6061-T6 khác nhau gần bốn lần về giới hạn chảy.
- O: đã ủ mềm, dẻo nhất, bền thấp nhất. Dùng khi cần uốn, dập sâu.
- H kèm số (H14, H32…): hoá bền bằng biến dạng nguội như cán, kéo. Dùng cho hợp kim không nhiệt luyện được (dòng 1, 3, 5).
- T4: đã nung hoà tan rồi để hoá già tự nhiên ở nhiệt độ phòng.
- T6: đã nung hoà tan, làm nguội nhanh, rồi hoá già nhân tạo trong lò ở nhiệt độ vừa phải. Đây là trạng thái bền cao phổ biến nhất.
- T651, T6511: như T6 nhưng có thêm bước kéo giãn nhẹ để khử ứng suất, phôi ít cong vênh khi gia công.
Hoá bền tiết pha: vì sao nung rồi để "già" lại làm nhôm cứng?
Đây là cơ chế đặc biệt của dòng 2xxx, 6xxx, 7xxx. Năm 1906, nhà luyện kim Đức Alfred Wilm phát hiện tình cờ rằng một hợp kim nhôm – đồng sau khi làm nguội nhanh cứ để nguyên vài ngày thì tự cứng lên. Phát hiện đó dẫn tới duralumin, hợp kim từng làm khung khí cầu và máy bay đầu thế kỷ 20. Người ta chỉ giải thích được cơ chế nhiều năm sau, khi có công cụ nhìn vào cấu trúc nguyên tử.
Quy trình gồm ba bước:
- Nung hoà tan: nung nhôm lên khoảng 500–530 °C (dưới điểm bắt đầu chảy một chút) để magie, silic, kẽm tan đều vào nhôm.
- Làm nguội nhanh bằng nước: các nguyên tố hợp kim bị "nhốt" lại trong nhôm ở trạng thái quá bão hoà, chưa kịp tách ra.
- Hoá già: giữ ở khoảng 120–180 °C vài giờ tới cả ngày. Các nguyên tố hợp kim từ từ tụ lại thành vô số hạt cực nhỏ, kích thước vài nanomet, rải dày đặc trong nhôm. Những hạt này chặn lệch mạng, làm nhôm cứng lên nhiều lần.
Hoá già quá lâu hoặc quá nóng thì các hạt lớn lên, thưa ra, độ bền lại giảm. Đó là lý do quy trình nhiệt luyện nhôm được kiểm soát rất chặt về nhiệt độ và thời gian.
6061 và 7075 khác nhau thế nào về con số?
| Thông số (trạng thái T6, khoảng) | 6061-T6 | 7075-T6 |
|---|---|---|
| Thành phần chính ngoài nhôm | khoảng 1% magie, 0,6% silic, ít đồng, crom | khoảng 5,6% kẽm, 2,5% magie, 1,6% đồng |
| Giới hạn chảy | khoảng 275 MPa | khoảng 500 MPa |
| Bền kéo | khoảng 310 MPa | khoảng 570 MPa |
| Khối lượng riêng | khoảng 2,70 g/cm³ | khoảng 2,81 g/cm³ |
| Khoảng nóng chảy | khoảng 580–650 °C | khoảng 475–635 °C |
| Hàn hồ quang | Hàn được, vùng hàn mất bớt bền | Rất khó, dễ nứt |
| Chống ăn mòn | Tốt | Trung bình, cần anod hoá hoặc sơn |
Nói gọn: 7075 bền gần gấp đôi 6061, ngang một số loại thép kết cấu, trong khi nặng chỉ khoảng một phần ba thép. Nhưng 6061 dễ hàn, dễ đùn, chống gỉ tốt hơn, nên dùng rộng rãi hơn nhiều.
Vì sao 7075 khó hàn?
Có hai lý do. Thứ nhất, 7075 có khoảng nóng chảy rất rộng, từ khoảng 475 tới 635 °C. Khi mối hàn nguội, phần kim loại chảy thấp đông đặc sau cùng, nằm thành màng lỏng mỏng giữa các hạt đã rắn. Kim loại co lại khi nguội kéo toạc những màng lỏng đó, tạo nứt nóng ngay trong lúc hàn. Thứ hai, nhiệt hàn phá vỡ cấu trúc hạt nano đã tạo bằng hoá già, vùng quanh mối hàn mềm đi rõ rệt.
Vì vậy chi tiết máy bay làm bằng 7075 hay 2024 thường được ghép bằng đinh tán hoặc bu lông, không hàn. Các khung xe đạp nhôm hàn thường làm bằng 6061 hoặc dòng 7xxx loại ít đồng được thiết kế riêng để hàn được, và nhiều khung được đem nhiệt luyện lại toàn bộ sau khi hàn để lấy lại độ bền.
Ngay cả 6061 cũng mất bớt độ bền ở vùng ảnh hưởng nhiệt quanh mối hàn, có thể tụt xuống còn khoảng một nửa nếu không nhiệt luyện lại. Thiết kế kết cấu nhôm hàn luôn phải tính tới vùng yếu này.
Con số in trên đồ dùng hằng ngày có đáng tin không?
Mã hợp kim là thông tin hữu ích nhưng không nói hết. Một khung xe ghi "6061" vẫn có thể bền hay kém tuỳ thiết kế ống, độ dày thành, chất lượng mối hàn và việc có nhiệt luyện lại hay không. Vỏ điện thoại, vỏ máy tính bảng thường phay CNC từ phôi nhôm dòng 6xxx hoặc 7xxx rồi anod hoá tạo màu; con số giúp biết độ cứng chống móp, nhưng độ bền tổng thể còn do hình dạng.
Vài lời khuyên thực tế khi đọc con số:
- Thấy ghi 7075 trên chi tiết bị hàn liền một khối: hãy hỏi kỹ, vì hàn 7075 thông thường rất khó đạt chất lượng.
- Đồ nhôm dùng gần biển, ngâm nước mặn: dòng 5xxx và 6xxx bền hơn 7xxx và 2xxx về chống ăn mòn.
- Thấy "T6": hợp kim đã nhiệt luyện tới bền cao. Nung nóng lại (ví dụ để gần lửa, sơn tĩnh điện sấy quá nhiệt) có thể làm mất bớt độ bền đó.
Hợp kim nhôm lỏng trong xưởng đúc, xưởng đùn vẫn mang mọi rủi ro của kim loại nóng chảy: gặp ẩm là bắn, và nhôm đã nguội bớt, không còn đỏ, vẫn đủ nóng để gây bỏng nặng. Nhôm không đổi màu khi nóng như thép, nên mắt thường không phân biệt được miếng nhôm nóng với miếng nguội.
Góc nhìn hôm nay: nhôm hợp kim ở Việt Nam
Ở Việt Nam, nhôm định hình dòng 6xxx được đùn ở nhiều nhà máy để làm cửa, mặt dựng, tản nhiệt, khung pin mặt trời. Hợp kim nhôm bền cao dòng 7xxx chủ yếu nhập khẩu dưới dạng tấm, thanh cho gia công cơ khí chính xác. Phần lớn nhôm định hình có thể nấu lại cùng dòng để tái chế, nhưng phải phân loại kỹ vì trộn lẫn kẽm, đồng từ dòng 7xxx, 2xxx vào nhôm định hình là làm lệch thành phần.
Người muốn tìm hiểu sâu có thể tra sổ tay ASM về nhôm và hợp kim nhôm, hoặc giáo trình "Vật liệu kim loại màu" của các trường kỹ thuật. Một cách học thú vị: chụp lại các con số in trên đồ nhôm quanh nhà, rồi tra xem nó thuộc họ nào và vì sao nhà sản xuất chọn họ ấy.
Câu hỏi thường gặp
Nhôm 6061 và 7075 cái nào tốt hơn?
Không có cái nào tốt hơn tuyệt đối. 7075-T6 bền gần gấp đôi, hợp cho chi tiết chịu lực cao ghép bằng bu lông; 6061-T6 dễ hàn, dễ đùn, chống gỉ tốt hơn nên hợp cho khung hàn và kết cấu chung.
T6 trong nhôm 6061-T6 là gì?
T6 là trạng thái đã nung hoà tan, làm nguội nhanh rồi hoá già nhân tạo trong lò. Đây là cách nhiệt luyện cho dòng 6xxx và 7xxx đạt độ bền gần cao nhất.
Vì sao nhôm 7075 không hàn được?
7075 có khoảng nóng chảy rộng nên mối hàn dễ nứt nóng khi nguội, và nhiệt hàn phá cấu trúc hoá bền làm vùng quanh mối hàn mềm đi. Chi tiết 7075 thường được ghép bằng đinh tán hoặc bu lông.
Nhôm định hình làm cửa là loại gì?
Phần lớn nhôm định hình làm cửa thuộc dòng 6xxx, phổ biến là 6063, vì đùn được biên dạng mỏng phức tạp, mặt đẹp và anod hoá hoặc sơn tĩnh điện tốt.
Nhôm 6061 nóng chảy ở bao nhiêu độ?
Nhôm 6061 chảy trong khoảng 580–650 °C, thấp hơn một chút so với nhôm nguyên chất (khoảng 660 °C). Hợp kim chảy trong một khoảng chứ không ở một điểm như kim loại tinh khiết.
