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

Sản xuất nhôm

Nhôm có nguồn gốc từ khoáng vật bauxit. Bauxite được chuyển đổi thành oxit nhôm (alumina) thông qua Quy trình Bayer. Sau đó, alumina được chuyển đổi thành kim loại nhôm bằng cách sử dụng các tế bào điện phân và Quy trình Hall-Heroult.

Nhu cầu nhôm hàng năm

Nhu cầu nhôm trên toàn thế giới là 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 là hấp dẫn về mặt kinh tế và môi trường. Cần 14.000 kWh để sản xuất 1 tấn nhôm mới. Ngược lại, chỉ cần 5% trong số này để nấu chảy lại và tái chế một tấn nhôm. Không có sự khác biệt về chất lượng giữa hợp kim nhôm nguyên chất và nhôm tái chế.

Ứng dụng của nhôm

Nguyên chấtnhômmềm, dẻo, chống ăn mòn và có độ dẫn điện cao. Nó được sử dụng rộng rãi làm cáp lá và cáp dẫn, nhưng việc hợp kim với các nguyên tố khác là cần thiết để mang lại 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 so với thép.

Bằng cách sử dụng nhiều sự kết hợp khác nhau của các đặc tính có lợi như độ bền, độ nhẹ, khả năng chống ăn mòn, khả năng tái chế và khả năng định hình, nhôm đang được sử dụng trong số lượng ứng dụng ngày càng tăng. Mảng sản phẩm này bao gồm từ vật liệu kết cấu cho đến lá mỏng đóng gói.

Ký hiệu hợp kim

Nhôm thường được hợp kim với đồng, kẽm, magiê, silicon, mangan và lithium. Những bổ sung nhỏ của crom, titan, zirconi, chì, bismuth và niken cũng được tạo ra và sắt luôn có mặt với số lượng nhỏ.

Có hơn 300 hợp kim rèn với 50 hợp kim được sử dụng phổ biến. Chúng thường được xác định 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 cho hợp kim rèn. Hợp kim đúc có ký hiệu tương tự và sử dụng hệ thống năm chữ số.

Bảng 1.Ký hiệu cho hợp kim nhôm rèn.

Đối với hợp kim nhôm rèn không hợp kim được ký hiệu là 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 đến 0,01 phần trăm gần nhất. Chữ số thứ hai biểu thị sự thay đổi 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 riêng lẻ hoặc các nguyên tố hợp kim.

Đối với các nhóm 2XXX đến 8XXX, hai chữ số cuối 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 nhôm

Nhôm có mật độ khoảng một phần ba so với thép hoặc đồng, khiến nó trở thành một trong những kim loại nhẹ nhất có sẵn trên thị trường. Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao khiến nó trở thành vật liệu kết cấu quan trọng cho phép tăng tải trọng hoặc tiết kiệm nhiên liệu cho các ngành vận tải nói riêng.

Sức mạnh của nhôm

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

Nhômrất thích hợp với môi trường lạnh. Nó có ưu điểm hơn thép ở chỗ độ bền kéo của nó tăng khi nhiệt độ giảm trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai. Mặt khác, thép trở nên giòn ở nhiệt độ thấp.

Khả năng chống ăn mòn của nhôm

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

Độ dẫn nhiệt của nhôm

Độ dẫn nhiệt của nhôm lớn hơn khoảng ba lần so với thép. Điều này làm cho nhôm trở thành vật liệu quan trọng cho cả ứng dụng làm mát và sưởi ấm như bộ trao đổi nhiệt. Kết hợp với việc nó không độc hại, đặc tính này có nghĩa là nhôm được sử dụng rộng rãi trong các dụng cụ nấu ăn và đồ dùng nhà bếp.

Độ dẫn điện của nhôm

Cùng với đồng, nhôm có độ dẫn điện đủ cao để sử dụng làm dây dẫn điện. Mặc dù độ dẫn điện của hợp kim dẫn điện thường được sử dụng (1350) chỉ bằng khoảng 62% đồng đã ủ nhưng nó chỉ có trọng lượng bằng 1/3 và do đó có thể dẫn điện nhiều gấp đôi khi so sánh với đồng có cùng trọng lượng.

Độ phản xạ của nhôm

Từ tia cực tím đến tia hồng ngoại, nhôm là chất phản xạ năng lượng bức xạ tuyệt vời. Độ phản xạ ánh sáng nhìn thấy được khoảng 80% có nghĩa là nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị chiếu sáng. Các tính chất phản xạ giống nhau làm chonhômlý tưởng làm vật liệu cách nhiệt để chống lại tia nắng 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 hư hỏng. Điều này cho phép nhôm được hình thành bằng cách cán, ép đùn, kéo, gia công và các quá trình cơ học khác. Nó cũng có thể được đúc ở mức dung sai cao.

Hợp kim, gia công nguội và xử lý nhiệt đều có thể được sử dụng để điều chỉnh các đặc tính của nhôm.

Độ bền kéo của nhôm nguyên chất là khoảng 90 MPa nhưng có thể tăng lên 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 9 tiêu chuẩn EN. Các tiêu chuẩn EN được đưa ra trong bảng 4.

Bảng 4.Tiêu chuẩn EN cho nhôm

Tiêu chuẩn EN khác với tiêu chuẩn cũ, BS1470 ở các lĩnh vực sau:

• Thành phần hóa học - không thay đổi.
• Hệ thống đánh số hợp kim – không thay đổi.
• Ký hiệu nhiệt độ cho các hợp kim có thể xử lý nhiệt hiện nay bao gồm nhiều loại nhiệt độ đặc biệt hơn. Tối đa bốn chữ số sau khi chữ T được giới thiệu cho các ứng dụng không chuẩn (ví dụ: T6151).
• Ký hiệu nhiệt độ cho các hợp kim không thể xử lý nhiệt - các loại nhiệt độ hiện tại không thay đổi nhưng các loại nhiệt độ hiện được xác định toàn diện hơn về cách chúng được tạo ra. Nhiệt độ mềm (O) hiện là H111 và nhiệt độ trung bình H112 đã được giới thiệu. Đối với nhiệt độ hợp kim 5251 hiện được hiển thị là H32/H34/H36/H38 (tương đương với H22/H24, v.v.). H19/H22 & H24 hiện được hiển thị riêng.
• Tính chất cơ học - vẫn tương tự như các số liệu trước đó. Hiện tại, Ứng suất bằng chứng 0,2% phải được trích dẫn trên chứng chỉ kiểm tra.
• Dung sai đã được thắt chặt ở nhiều mức độ khác nhau.
  

  Xử lý nhiệt nhôm

  Một loạt các phương pháp xử lý nhiệt có thể được áp dụng cho hợp kim nhôm:

  • Đồng nhất hóa - 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 gia công cứng (1XXX, 3XXX và 5XXX).
  • Lượng mưa hoặc độ cứng do tuổi tác (hợp kim 2XXX, 6XXX và 7XXX).
  • Giải pháp xử lý nhiệt trước khi lão hóa hợp kim cứng kết tủa.
  • Đốt để xử lý lớp phủ
  • Sau khi xử lý nhiệt, hậu tố được thêm vào số chỉ định.
  • Hậu tố F có nghĩa là “như bịa đặt”.
  • O có nghĩa là “sản phẩm rèn được 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 dùng để chỉ các hợp kim không thể xử lý nhiệt được “gia công nguội” hoặc “làm cứng theo biến dạng”.
  • Các hợp kim không thể xử lý nhiệt là các hợp kim thuộc nhóm 3XXX, 4XXX và 5XXX.