EN
Thanh định hình hợp kim nhôm có nhiều hình dạng khác nhau, được chế tạo thông qua các quy trình ép đùn hoặc tạo hình mà trong đó nhôm được trộn với các nguyên tố khác để tăng cường các đặc tính vật lý của nó. Thành phần cấu tạo đóng vai trò quan trọng trong việc xác định ứng dụng mà hợp kim này có thể được sử dụng. Chúng ta có thể thấy các thanh định hình này ở khắp mọi nơi, từ các bộ phận cấu trúc của máy bay cho đến khung cửa sổ trong các gia đình. Nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học vật liệu cho thấy một hiện tượng thú vị xảy ra khi các nhà sản xuất thêm vào hỗn hợp từ 1 đến 5 phần trăm một số kim loại nhất định như đồng, magiê hoặc silicon. Kết quả là độ bền kéo tăng từ 200 đến 400 phần trăm so với nhôm thông thường. Mức độ tùy chỉnh như vậy cho phép các nhà thiết kế điều chỉnh thanh định hình để chúng hoạt động tốt hơn dưới áp lực, chống gỉ sét lâu dài hơn và vẫn dễ thi công trong quá trình sản xuất.
Các nguyên tố hợp kim chính đóng các vai trò riêng biệt:
| Element | Chức năng chính | Các dãy hợp kim phổ biến |
|---|---|---|
| Đồng (Cu) | Tăng cường độ thông qua tôi phân cực | 2xxx (ví dụ: 2024) |
| Magiê (Mg) | Cải thiện khả năng hàn và khả năng chống biến dạng | 5xxx, 6xxx |
| Silic (Si) | Tăng độ chảy loãng cho quá trình ép đùn | 4xxx, 6xxx |
| Sữa mỡ | Tăng giới hạn bền kéo | 7xxx (ví dụ: 7075) |
Mangan và crom thường được thêm vào với lượng nhỏ (<1%) để làm tinh thể cấu trúc hoặc cải thiện khả năng chống rạn nứt do ăn mòn.
Sự tương tác giữa các nguyên tố tạo ra hiệu ứng cộng hưởng. Ví dụ:
Mỗi loại hợp kim đại diện cho sự cân bằng có chủ đích giữa khả năng gia công, độ bền trước các điều kiện môi trường và khả năng chịu tải.
Các thanh profile hợp kim nhôm thể hiện độ bền kéo khá khác nhau tùy thuộc vào cấp độ của chúng. Ví dụ như 7075-T6 có dải độ bền kéo ấn tượng từ 540 đến 570 MPa. Điều này khiến nó mạnh hơn khoảng một rưỡi lần so với các hợp kim 6061-T6 có độ bền từ 240 đến 310 MPa, và gần như gấp đôi mức độ bền của cấp hợp kim 6063-T5 ở khoảng 175 đến 215 MPa. Những khác biệt về độ bền này rất quan trọng khi lựa chọn vật liệu cho những công việc cụ thể. Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ chủ yếu sử dụng hợp kim 7075 cho các bộ phận cánh quan trọng nhờ độ bền vượt trội này. Trong khi đó, các nhà sản xuất thuyền thường chọn 6061 cho các khung thuyền biển nơi mà khả năng chống ăn mòn quan trọng không kém độ bền. Các kiến trúc sư thường ưa chuộng 6063 cho các chi tiết như khung cửa sổ và các bộ phận cấu trúc khác không yêu cầu khả năng chịu tải trọng lớn. Phương pháp xử lý sau sản xuất của các hợp kim này cũng tạo ra sự khác biệt lớn. Khi hợp kim 6061 được xử lý lão hóa nhân tạo thay vì để nguội tự nhiên, giới hạn đàn hồi của nó tăng lên khoảng 30%, điều này lý giải tại sao nhiều nhà sản xuất sẵn sàng thực hiện bước bổ sung này mặc dù chi phí tăng thêm.
Khả năng chống ăn mòn của nhôm thực sự phụ thuộc vào việc nó được pha trộn với những kim loại khác như thế nào. Hãy xét đến dòng 6xxx như 6061 và 6063 — các hợp kim này tạo ra magiê silicide, mang lại khả năng bảo vệ tuyệt vời trước sự ăn mòn của khí quyển. Đó là lý do tại sao ta thường thấy chúng được sử dụng trong các công trình xây dựng gần bờ biển, nơi không khí mặn có thể làm hỏng các vật liệu khác. Ngược lại, nhôm 7075 chứa nhiều kẽm, vì vậy khi tiếp xúc với môi trường nước biển, nó đòi hỏi lớp bảo vệ bổ sung thông qua các lớp phủ hoặc sơn. Khi nói đến độ dẫn nhiệt, mọi thứ gần như hoạt động ngược lại. Cấp 6061 dẫn nhiệt khá tốt ở mức khoảng 167 watt trên mét Kelvin, khiến nó trở thành lựa chọn tốt cho các bộ phận tản nhiệt máy tính. Tuy nhiên, 7075 kém hiệu quả hơn với khoảng 130 W/mK. Nếu ai đó muốn đạt được độ dẫn điện tối đa, nhôm nguyên chất thuộc dòng 1xxx đạt mức 220 W/mK, nhưng thực tế, không ai sử dụng nhiều loại vật liệu này vì nó không đủ bền về mặt cơ học khi chịu lực.
Tỷ lệ giữa trọng lượng và độ bền đã trở thành một yếu tố quan trọng trong thiết kế kỹ thuật hiện đại, và trong lĩnh vực này, hợp kim nhôm thực sự vượt trội so với thép, thường mang lại cải thiện hiệu suất khoảng 200 đến 300 phần trăm tốt hơn. Nghiên cứu gần đây từ năm 2023 cho thấy các loại nhôm cụ thể như nhôm 7075 đạt khoảng 175 MPa mỗi gam trên centimet khối, trong khi thép không gỉ chỉ đạt khoảng 62 MPa trong cùng chỉ số đo lường. Không có gì ngạc nhiên khi các công ty hàng không vũ trụ gần đây đã thay thế bu lông thép bằng các bộ phận bằng nhôm hiệu suất cao này. Việc chuyển đổi thường giúp giảm tổng trọng lượng khoảng 40 phần trăm trong khi vẫn chịu được lực cắt. Ngay cả trong các ứng dụng ô tô, xu hướng này vẫn tiếp tục diễn ra, với nhiều nhà sản xuất chuyển sang dùng nhôm rèn 6061 cho kẹp phanh. Thay đổi này giúp giảm khoảng 35 phần trăm khối lượng không được treo (unsprung mass) so với các lựa chọn truyền thống bằng gang đúc, mang lại sự khác biệt rõ rệt trong khả năng vận hành và hiệu quả nhiên liệu của xe.
| Hợp kim | Độ bền kéo (MPa) | Độ bền kéo (MPa) | Độ dãn dài (%) | Độ dẫn nhiệt (W/m·k) |
|---|---|---|---|---|
| 6061-T6 | 240—310 | 145—275 | 7—15 | 167 |
| 6063-T5 | 175—215 | 110—190 | 6—12 | 201 |
| 7075-T6 | 540—570 | 470—505 | 2—10 | 130 |
Bảng này nhấn mạnh các điểm đánh đổi chính: độ bền cao hơn sẽ đi kèm với độ dẻo thấp hơn và hiệu suất nhiệt kém hơn. Kỹ sư sẽ lựa chọn hợp kim dựa trên ưu tiên — 7075 cho khả năng chịu tải tối đa, 6063 cho quản lý nhiệt, và 6061 cho các đặc tính cân bằng.
Ngày nay, các thanh định hình hợp kim nhôm có thể tạo ra những hình dạng thực sự phức tạp nhờ vào những kỹ thuật ép đùn hiện đại này. Phần lớn các nhà sản xuất vẫn dựa vào các phương pháp ép đùn nóng, trong đó họ nung nóng các thanh phôi nhôm và ép chúng qua các khuôn được thiết kế đặc biệt ở nhiệt độ khoảng 450 độ Celsius. Quy trình này hoạt động rất tốt để chế tạo đủ loại cấu trúc phức tạp bao gồm các phần rỗng, thiết kế nhiều buồng, và những thành mỏng cực mỏng cần thiết cho các ứng dụng như tấm pin mặt trời và vỏ pin xe điện. Theo dữ liệu mới nhất từ Báo cáo Ứng dụng Nhôm trong Ô tô 2024, những cải tiến gần đây trong công nghệ khuôn cũng đã đạt đến mức độ ấn tượng đáng kể. Chúng ta đang nói đến việc đạt được dung sai chặt chẽ tới mức cộng hoặc trừ 0.1 milimét trên các bộ phận phải chịu ứng suất lớn trong ô tô hiện đại.
Các kỹ sư vật liệu tối ưu hóa hợp kim nhôm bằng cách điều chỉnh nồng độ magiê (0,5—1,5%), silic (0,2—0,8%) và kẽm (4—6%) dựa trên nhu cầu hiệu suất. Các thanh định hình kiến trúc sử dụng hợp kim 6063-T6 chống ăn mòn, trong khi các ứng dụng hàng không vũ trụ yêu cầu hợp kim 7075-T651 có độ bền cao với độ bền kéo 540 MPa. Việc tùy chỉnh hợp kim chiến lược giúp giảm lãng phí vật liệu từ 18—22% so với các phương pháp chung chung (Hiệp hội Nhôm Quốc tế 2023).
Các xử lý sau khi ép đùn cải thiện đáng kể hiệu suất của thanh định hình:
Khi kết hợp với gia công CNC, các quy trình này giúp các thanh nhôm định hình đáp ứng tiêu chuẩn ISO 9001:2015 đồng thời duy trì khả năng tái chế trên 95% trong các ngành công nghiệp.
Các thanh định hình hợp kim nhôm thực sự nổi bật về khả năng chịu lực trong các công trình xây dựng hiện đại nhờ khả năng chống ăn mòn vượt trội và cung cấp độ bền cao mà không gây thêm trọng lượng dư thừa. Nhiều kiến trúc sư đã bắt đầu sử dụng các thanh định hình này trong các dự án của họ cho các ứng dụng như vách kính mặt dựng, giải pháp che nắng năng lượng mặt trời và cả hệ thống khung định hình mô-đun. Họ đánh giá cao tính linh hoạt của vật liệu này trong thiết kế cũng như khả năng tự bảo dưỡng theo thời gian. Sự kết hợp của những lợi ích này thực tế đã thúc đẩy một đà tăng trưởng mạnh về nhu cầu. Theo Báo cáo Khảo sát Kiến trúc Thế giới, thị trường nhôm toàn cầu dùng trong xây dựng đã tăng khoảng 22% kể từ năm 2022. Điều khiến các thanh định hình này đặc biệt hấp dẫn về mặt phát triển bền vững là khả năng đóng góp vào hiệu quả năng lượng. Khi sử dụng trong các hệ thống cửa có cầu nhiệt, chúng có thể giảm tải hệ thống HVAC từ bất kỳ đâu giữa 15% đến 30% so với các vật liệu xây dựng truyền thống.
Việc sử dụng hợp kim nhôm nhẹ giúp phương tiện vận chuyển hiệu quả hơn rất nhiều. Khi xe giảm khoảng 10% trọng lượng, mức tiêu thụ nhiên liệu giảm từ 6 đến 8% theo nghiên cứu của SAE năm ngoái. Các nhà sản xuất ô tô thường sử dụng các hợp kim series 6000 khi chế tạo các bộ phận như hệ thống quản lý va chạm và vỏ pin xe điện. Trong khi đó, ngành hàng không lại ưa chuộng các vật liệu bền hơn như nhôm cấp 7075 cho các bộ phận cấu trúc quan trọng như cánh máy bay và hệ thống khung càng đáp. Những giảm nhẹ trọng lượng này cũng đã mang lại tác động thực tế - những chiếc máy bay Airbus A350 mới sản xuất thải ra khoảng 25% khí CO2 ít hơn mỗi dặm hành khách so với các mẫu máy bay cũ hơn. Khi các quy định về môi trường ngày càng được thắt chặt trong nhiều ngành công nghiệp, chúng ta đang thấy ngày càng nhiều công ty áp dụng các bộ phận nhôm đùn ép trong thiết kế khung gầm nhờ khả năng giảm lượng khí thải carbon trong khi vẫn đảm bảo đủ độ an toàn cho sử dụng hàng ngày.
Ngày nay, hầu hết các hệ thống năng lượng tái tạo đều sử dụng các thanh nhôm định hình vì chúng có khả năng chịu đựng rất tốt trước các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Chẳng hạn như ở các tuabin gió, những cánh quạt này thường được trang bị các tấm spar bằng nhôm giúp giảm trọng lượng mà vẫn giữ được độ cứng cáp. Theo nghiên cứu của NREL công bố năm ngoái, việc cải tiến thiết kế này thực sự giúp tăng sản lượng năng lượng khoảng 8%. Trong các trang trại điện mặt trời, các kỹ sư ưa chuộng các hệ thống giá đỡ làm từ hợp kim 6063-T5 vì những vật liệu này chống chịu được cả sự ăn mòn của nước biển lẫn tia UV có hại trong thời gian dài. Khi nhìn vào các phát triển mới đây trong lĩnh vực năng lượng đại dương, xu hướng tương tự cũng xuất hiện, với các nền tảng thủy điện triều ngày càng phụ thuộc nhiều vào nhôm chuyên dụng loại chịu được môi trường biển, được sử dụng từ các khoang nổi đến các cấu trúc đỡ. Các báo cáo ngành cho thấy nhu cầu về các linh kiện nhôm trong mọi dạng cơ sở hạ tầng xanh có thể tăng trưởng ở mức đáng ấn tượng tới gần 18% mỗi năm cho đến năm 2030 khi các công ty tiếp tục đầu tư vào các giải pháp bền vững.
Điều khiến nhôm trở nên bền vững là khả năng tái chế vô cùng dễ dàng một cách lặp đi lặp lại. Khi chúng ta nung chảy nhôm cũ, lượng năng lượng cần thiết chỉ khoảng 5 phần trăm so với việc sản xuất nhôm mới từ đầu. Khá ấn tượng phải không? Khoảng ba phần tư lượng nhôm từng được sản xuất trong lịch sử vẫn đang được sử dụng ở đâu đó ngày nay, tạo thành gần như một vòng tuần hoàn khép kín về vật liệu. Các nghiên cứu xem xét toàn bộ vòng đời của các sản phẩm làm từ nhôm cũng tiết lộ một điều gây sốc. Nhôm tái chế phát thải ít hơn khoảng 95 phần trăm lượng carbon dioxide so với việc sản xuất từ quặng bauxite, theo các báo cáo ngành công nghiệp năm 2023. Ngay cả khi các tòa nhà bị phá hủy hay xe hơi đến cuối vòng đời, những bộ phận bằng nhôm vẫn giữ được giá trị của chúng. Chúng ta đang nói đến khoảng 50 triệu tấn nhôm được giữ khỏi các bãi rác mỗi năm. Với tiềm năng tái sử dụng đáng kể này, nhôm đóng một vai trò lớn trong việc hỗ trợ các nhà sản xuất đạt được những mục tiêu net zero đầy thách thức mà họ gần đây đã đề ra.
Các thành phần phổ biến trong hợp kim nhôm bao gồm đồng, magiê, silicon và kẽm, mỗi chất đóng góp các đặc tính riêng biệt như độ bền, khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn.
Tỷ lệ trọng lượng trên độ bền rất quan trọng vì nó cho phép hợp kim nhôm mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu suất so với các vật liệu khác như thép, giúp giảm trọng lượng trong các ứng dụng kỹ thuật mà không làm giảm độ bền.
Việc tái chế nhôm khá bền vững vì nó chỉ yêu cầu khoảng 5% năng lượng so với việc sản xuất nhôm mới từ quặng, giảm đáng kể lượng khí thải carbon và tiết kiệm tài nguyên.
Các ứng dụng như hàng không vũ trụ, ô tô, xây dựng và hệ thống năng lượng tái tạo được hưởng lợi từ các thanh định hình hợp kim nhôm nhờ vào độ bền, khả năng chống ăn mòn và tính nhẹ của chúng.
Nhà cung cấp giải pháp trọn gói tích hợp nghiên cứu phát triển, sản xuất, bán hàng và quản lý chuỗi cung ứng.
