(1) Đặc điểm của hợp kim nhôm 5xxx
Hợp kim nhôm 5xxx là hợp kim nhôm có Mg là nguyên tố hợp kim chính và là hợp kim nhôm không thể xử lý nhiệt. Dòng hợp kim này có mật độ thấp và độ bền cao hơn hợp kim nhôm 1xxx và 3xxx. Chúng là hợp kim nhôm có độ bền trung bình đến cao với đặc tính chịu mỏi và hàn tốt và khả năng chống ăn mòn trong môi trường biển và khí quyển tốt. Để tránh ăn mòn ứng suất của hợp kim magiê cao, các sản phẩm gia công nguội cuối cùng phải được ổn định hoặc phải kiểm soát lượng gia công nguội cuối cùng và phải kiểm soát nhiệt độ sử dụng (không quá 65 độ). Dòng hợp kim này chủ yếu được sử dụng để chế tạo các bộ phận kết cấu hàn và được sử dụng trong lĩnh vực tàu thuyền.
(2) Các thành phần hợp kim và tạp chất chính và vai trò của chúng
Thành phần chính của hợp kim nhôm dòng 5XXx là Mg, thêm vào một lượng nhỏ Mn, Cr, Ti và các nguyên tố khác, trong khi các nguyên tố tạp chất chủ yếu là Fe, Si, Cu, Zn, v.v.
Mg: Mg chủ yếu tồn tại ở trạng thái dung dịch rắn và pha (Mg2Al3 hoặc Mg5Al8). Mặc dù độ hòa tan của Mg trong hợp kim giảm nhanh khi nhiệt độ giảm, nhưng hợp kim có hiệu ứng tăng cường lão hóa thấp do khó kết tinh kết tủa, số lượng lõi nhỏ và pha kết tủa thô. Nó thường được sử dụng trong trạng thái ủ hoặc làm việc nguội. Do đó, loạt hợp kim này còn được gọi là hợp kim nhôm không tăng cường. Độ bền của loạt hợp kim này tăng lên khi hàm lượng Mg tăng, trong khi độ dẻo giảm tương ứng và hiệu suất gia công của nó cũng giảm theo. Hàm lượng Mg có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim. Khi hàm lượng Mg nhỏ hơn 5%, nhiệt độ kết tinh lại giảm khi hàm lượng Mg tăng; khi hàm lượng Mg vượt quá 5%, nhiệt độ kết tinh lại tăng khi hàm lượng Mg tăng. Hàm lượng Mg cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hàn của hợp kim. Khi hàm lượng Mg nhỏ hơn 6%, xu hướng nứt hàn của hợp kim giảm theo hàm lượng Mg tăng; khi hàm lượng Mg vượt quá 6%, thì ngược lại; khi hàm lượng Mg nhỏ hơn 9%, cường độ mối hàn tăng đáng kể theo hàm lượng Mg tăng. Lúc này, mặc dù độ dẻo và hệ số hàn giảm dần một chút, nhưng sự thay đổi không lớn. Khi hàm lượng Mg lớn hơn 9%, cường độ, độ dẻo và hệ số hàn đều giảm đáng kể.
Hợp kim nhôm Mn: 5XXX series thường chứa ít hơn 1.0% Mn. Một phần Mn trong hợp kim được hòa tan trong ma trận, phần còn lại tồn tại trong cấu trúc dưới dạng pha MnAls. Mn có thể làm tăng nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim để ngăn ngừa sự thô hóa hạt và tăng nhẹ độ bền của hợp kim, đặc biệt là độ bền kéo. Trong hợp kim Mg cao, việc thêm Mn có thể làm giảm độ hòa tan của Mg trong ma trận, giảm xu hướng nứt mối hàn và tăng độ bền của mối hàn và kim loại cơ bản.
Cr: Cr và Mn có tác dụng tương tự, có thể tăng cường độ của kim loại cơ bản và mối hàn, giảm xu hướng nứt mối hàn, cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất, nhưng làm giảm nhẹ tính dẻo. Cr có thể thay thế Mn trong một số hợp kim. Về tác dụng tăng cường, Cr không tốt bằng Mn. Nếu cả hai nguyên tố được thêm vào cùng một lúc, hiệu quả sẽ lớn hơn so với việc thêm một nguyên tố.
Be: Thêm một lượng nhỏ Be ({{0}}.0001%~0.005%) vào hợp kim Mg cao có thể làm giảm xu hướng nứt của thỏi và cải thiện chất lượng bề mặt của tấm cán, đồng thời giảm tổn thất do cháy của Mg trong quá trình nấu chảy và cũng có thể làm giảm oxit hình thành trên bề mặt vật liệu trong quá trình gia nhiệt.
Ti: Việc thêm một lượng nhỏ Ti vào hợp kim có hàm lượng Mg cao chủ yếu là để tinh chỉnh các hạt.
Fe: Fe có thể tạo thành hợp chất không hòa tan với Mn và Cr, do đó làm giảm vai trò của Mn và Cr trong hợp kim. Khi các hợp chất cứng và giòn hơn được hình thành trong cấu trúc thỏi, các vết nứt gia công dễ xảy ra. Ngoài ra, Fe cũng làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim, vì vậy hàm lượng Fe nói chung nên được kiểm soát dưới {{0}}.4% và đối với vật liệu dây hàn F, tốt nhất nên giới hạn ở mức dưới 0,2%.
Si: Si là tạp chất có hại (trừ hợp kim 5A03). Si và Mg tạo thành pha Mg2Si. Do hàm lượng Mg dư thừa, độ hòa tan của pha Mg2Si trong nền bị giảm, do đó không chỉ hiệu quả gia cường không lớn mà tính dẻo của hợp kim cũng giảm. Trong quá trình cán, Si có tác động tiêu cực lớn hơn Fe, do đó hàm lượng Si nói chung phải được giới hạn ở mức nhỏ hơn 0.5%. Hợp kim 5A03 chứa 0,5%~0,8% Si, có thể làm giảm xu hướng nứt hàn và cải thiện hiệu suất hàn của hợp kim.
Cu: Một lượng nhỏ Cu có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim, do đó hàm lượng Cu phải được giới hạn ở mức nhỏ hơn 0,2% và một số hợp kim bị hạn chế nghiêm ngặt hơn.
Zn: Khi hàm lượng Zn nhỏ hơn {{0}}.2%, không có tác dụng đáng kể nào đối với tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của hợp kim. Thêm một lượng nhỏ Zn vào hợp kim Mg cao có thể làm tăng độ bền kéo thêm 10~20MPa. Tạp chất Zn trong hợp kim phải được giới hạn ở mức nhỏ hơn 0,2%.
Na: Tạp chất vết Na có thể làm hỏng mạnh tính chất biến dạng nóng của hợp kim, dẫn đến "độ giòn natri", đặc biệt rõ rệt ở hợp kim có hàm lượng Mg cao. Cách loại bỏ độ giòn natri là chuyển Na tự do làm giàu trong ranh giới hạt thành hợp chất. Có thể sử dụng phương pháp clo hóa để sản xuất natri clorua và loại bỏ nó bằng xỉ hoặc có thể sử dụng phương pháp thêm vết Sb.