Nhôm là kim loại phổ biến nhất thế giới và là nguyên tố phổ biến thứ ba, chiếm 8% vỏ Trái Đất. Tính linh hoạt của nhôm khiến nó trở thành kim loại được sử dụng rộng rãi nhất sau thép.

Sản xuất nhôm

Nhôm được chiết xuất từ ​​khoáng sản bô-xít. Bô-xít được chuyển hóa thành nhôm oxit (alumina) thông qua Quy trình Bayer. Sau đó, alumina được chuyển hóa thành nhôm kim loại bằng cách sử dụng các bình điện phân và Quy trình Hall-Heroult.

Nhu cầu nhôm hàng năm

Nhu cầu nhôm toàn cầu vào khoảng 29 triệu tấn mỗi năm. Khoảng 22 triệu tấn là nhôm mới và 7 triệu tấn là nhôm phế liệu tái chế. Việc sử dụng nhôm tái chế mang lại lợi ích kinh tế và môi trường. Cần 14.000 kWh để sản xuất 1 tấn nhôm mới. Ngược lại, chỉ cần 5% lượng điện này để nấu chảy và tái chế một tấn nhôm. Không có sự khác biệt về chất lượng giữa hợp kim nhôm nguyên chất và hợp kim nhôm tái chế.

Ứng dụng của Nhôm

Nguyên chấtnhômNhôm mềm, dẻo, chống ăn mòn và có độ dẫn điện cao. Nhôm được sử dụng rộng rãi cho cáp lá và cáp lõi, nhưng cần phải hợp kim với các nguyên tố khác để đạt được độ bền cao hơn cần thiết cho các ứng dụng khác. Nhôm là một trong những kim loại kỹ thuật nhẹ nhất, có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng vượt trội hơn thép.

Nhờ tận dụng nhiều ưu điểm kết hợp như độ bền, trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn, khả năng tái chế và khả năng định hình, nhôm đang được ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực. Danh mục sản phẩm này trải dài từ vật liệu kết cấu đến màng mỏng đóng gói.

Ký hiệu hợp kim

Nhôm thường được hợp kim hóa với đồng, kẽm, magie, silic, mangan và liti. Ngoài ra còn có thêm một lượng nhỏ crom, titan, zirconi, chì, bismuth và niken, và sắt luôn có mặt với hàm lượng nhỏ.

Có hơn 300 hợp kim rèn, trong đó 50 loại được sử dụng phổ biến. Chúng thường được nhận dạng bằng hệ thống bốn chữ số, có nguồn gốc từ Hoa Kỳ và hiện được chấp nhận rộng rãi. Bảng 1 mô tả hệ thống ký hiệu cho hợp kim rèn. Hợp kim đúc có ký hiệu tương tự và sử dụng hệ thống năm chữ số.

Bảng 1.Tên gọi của hợp kim nhôm rèn.

Đối với hợp kim nhôm rèn không hợp kim được ký hiệu 1XXX, hai chữ số cuối biểu thị độ tinh khiết của kim loại. Chúng tương đương với hai chữ số cuối sau dấu thập phân khi độ tinh khiết của nhôm được biểu thị chính xác đến 0,01 phần trăm. Chữ số thứ hai biểu thị sự thay đổi về giới hạn tạp chất. Nếu chữ số thứ hai bằng 0, nó biểu thị nhôm không hợp kim có giới hạn tạp chất tự nhiên, và từ 1 đến 9 biểu thị các tạp chất hoặc nguyên tố hợp kim riêng lẻ.

Đối với các nhóm từ 2XXX đến 8XXX, hai chữ số cuối cùng xác định các hợp kim nhôm khác nhau trong nhóm. Chữ số thứ hai biểu thị các sửa đổi hợp kim. Chữ số thứ hai bằng 0 biểu thị hợp kim ban đầu và các số nguyên từ 1 đến 9 biểu thị các sửa đổi hợp kim liên tiếp.

Tính chất vật lý của nhôm

Mật độ của nhôm

Nhôm có khối lượng riêng chỉ bằng một phần ba so với thép hoặc đồng, khiến nó trở thành một trong những kim loại nhẹ nhất hiện có trên thị trường. Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao giúp nhôm trở thành vật liệu kết cấu quan trọng, cho phép tăng tải trọng hoặc tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt là trong ngành vận tải.

Độ bền của nhôm

Nhôm nguyên chất không có độ bền kéo cao. Tuy nhiên, việc bổ sung các nguyên tố hợp kim như mangan, silic, đồng và magie có thể làm tăng độ bền của nhôm và tạo ra một hợp kim có các đặc tính phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

NhômThích hợp với môi trường lạnh. Nó có ưu điểm hơn thép ở chỗ độ bền kéo tăng khi nhiệt độ giảm trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai. Ngược lại, thép trở nên giòn ở nhiệt độ thấp.

Khả năng chống ăn mòn của nhôm

Khi tiếp xúc với không khí, một lớp nhôm oxit hình thành gần như ngay lập tức trên bề mặt nhôm. Lớp này có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Nó khá bền với hầu hết các loại axit nhưng kém bền với kiềm.

Độ dẫn nhiệt của nhôm

Độ dẫn nhiệt của nhôm cao hơn thép khoảng ba lần. Điều này khiến nhôm trở thành vật liệu quan trọng cho cả ứng dụng làm mát và sưởi ấm, chẳng hạn như bộ trao đổi nhiệt. Kết hợp với đặc tính không độc hại, nhôm được sử dụng rộng rãi trong dụng cụ nấu nướng và đồ dùng nhà bếp.

Độ dẫn điện của nhôm

Cùng với đồng, nhôm có độ dẫn điện đủ cao để sử dụng làm vật liệu dẫn điện. Mặc dù độ dẫn điện của hợp kim dẫn điện thường dùng (1350) chỉ bằng khoảng 62% đồng ủ, nhưng trọng lượng của nó chỉ bằng một phần ba và do đó có thể dẫn điện gấp đôi so với đồng cùng trọng lượng.

Độ phản xạ của nhôm

Từ tia UV đến tia hồng ngoại, nhôm là vật liệu phản xạ năng lượng bức xạ tuyệt vời. Độ phản xạ ánh sáng khả kiến ​​khoảng 80% cho phép nhôm được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị chiếu sáng. Chính đặc tính phản xạ này làm chonhômlý tưởng làm vật liệu cách nhiệt để bảo vệ khỏi tia nắng mặt trời vào mùa hè, đồng thời cách nhiệt chống mất nhiệt vào mùa đông.

Bảng 2.Tính chất của nhôm.

Tính chất cơ học của nhôm

Nhôm có thể bị biến dạng nghiêm trọng mà không bị hỏng. Điều này cho phép nhôm được tạo hình bằng cách cán, đùn, kéo, gia công và các quy trình cơ khí khác. Nhôm cũng có thể được đúc với dung sai cao.

Có thể sử dụng hợp kim, gia công nguội và xử lý nhiệt để điều chỉnh các tính chất của nhôm.

Độ bền kéo của nhôm nguyên chất là khoảng 90 MPa nhưng có thể tăng lên tới hơn 690 MPa đối với một số hợp kim có thể xử lý nhiệt.

Tiêu chuẩn nhôm

Tiêu chuẩn BS1470 cũ đã được thay thế bằng chín tiêu chuẩn EN. Các tiêu chuẩn EN được trình bày trong bảng 4.

Bảng 4.Tiêu chuẩn EN cho nhôm

Tiêu chuẩn EN khác với tiêu chuẩn cũ BS1470 ở những điểm sau:

• Thành phần hóa học – không thay đổi.
• Hệ thống đánh số hợp kim – không thay đổi.
• Ký hiệu nhiệt luyện cho hợp kim có thể xử lý nhiệt hiện nay bao gồm phạm vi nhiệt luyện đặc biệt rộng hơn. Có tới bốn chữ số sau chữ T được thêm vào cho các ứng dụng không chuẩn (ví dụ: T6151).
• Ký hiệu nhiệt luyện cho hợp kim không xử lý nhiệt – các nhiệt luyện hiện tại không thay đổi nhưng giờ đây chúng được định nghĩa toàn diện hơn về cách tạo ra chúng. Nhiệt luyện mềm (O) hiện là H111 và nhiệt luyện trung gian H112 đã được giới thiệu. Đối với hợp kim 5251, nhiệt luyện hiện được hiển thị là H32/H34/H36/H38 (tương đương với H22/H24, v.v.). H19/H22 & H24 hiện được hiển thị riêng biệt.
• Tính chất cơ học – vẫn tương tự như số liệu trước. Ứng suất thử nghiệm 0,2% hiện phải được ghi trên giấy chứng nhận thử nghiệm.
• Dung sai đã được thắt chặt ở nhiều mức độ khác nhau.
  

  Xử lý nhiệt nhôm

  Có thể áp dụng nhiều phương pháp xử lý nhiệt cho hợp kim nhôm:

  • Đồng nhất hóa – quá trình loại bỏ sự phân tách bằng cách nung nóng sau khi đúc.
  • Ủ – được sử dụng sau khi gia công nguội để làm mềm các hợp kim tôi cứng (1XXX, 3XXX và 5XXX).
  • Kết tủa hoặc làm cứng theo thời gian (hợp kim 2XXX, 6XXX và 7XXX).
  • Xử lý nhiệt dung dịch trước khi lão hóa hợp kim làm cứng kết tủa.
  • Sấy để bảo dưỡng lớp phủ
  • Sau khi xử lý nhiệt, một hậu tố sẽ được thêm vào số hiệu chỉ định.
  • Hậu tố F có nghĩa là “được chế tạo”.
  • O có nghĩa là “sản phẩm rèn ủ”.
  • T có nghĩa là nó đã được “xử lý nhiệt”.
  • W có nghĩa là vật liệu đã được xử lý nhiệt bằng dung dịch.
  • H là hợp kim không thể xử lý nhiệt, được “gia công nguội” hoặc “tôi cứng bằng ứng suất”.
  • Các hợp kim không thể xử lý nhiệt là các hợp kim trong nhóm 3XXX, 4XXX và 5XXX.