Nhôm là kim loại dồi dào nhất trên thế giới và là nguyên tố phổ biến thứ ba, chiếm 8% vỏ Trái đất. Tính đa dụng 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 chất bauxite. Bauxite được chuyển hóa thành oxit nhôm (alumina) thông qua quy trình Bayer. Sau đó, alumina được chuyển hóa 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 vào khoảng 29 triệu tấn mỗi năm. Trong đó, khoảng 22 triệu tấn là nhôm mới và 7 triệu tấn là phế liệu nhôm tái chế. Việc sử dụng nhôm tái chế mang lại lợi ích kinh tế và môi trường đáng kể. Để sản xuất 1 tấn nhôm mới cần 14.000 kWh. Ngược lại, chỉ cần 5% lượng điện đó để nấu chảy và tái chế 1 tấn nhôm. Chất lượng giữa hợp kim nhôm nguyên chất và hợp kim nhôm tái chế không có sự khác biệt.

Ứng dụng của nhôm

Nguyên chấtnhômNhôm mềm, dẻo, chống ăn mòn và có độ dẫn điện cao. Nó được sử dụng rộng rãi cho lá nhôm và cáp dẫn điện, nhưng cần phải pha trộn 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 so với thép.

Nhờ tận dụng nhiều sự kết hợp các đặc tính ưu việt như độ bền, trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn, khả năng tái chế và khả năng tạo hình, nhôm đang được sử dụng trong ngày càng nhiều ứng dụng. Các sản phẩm này trải rộng từ vật liệu kết cấu cho đến các loại màng bao bì mỏng.

Ký hiệu hợp kim

Nhôm thường được hợp kim với đồng, kẽm, magie, silic, mangan và liti. Một lượng nhỏ crom, titan, zirconi, chì, bismuth và niken cũng được thêm vào, và sắt luôn có mặt với số lượng nhỏ.

Có hơn 300 loại 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 nay được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới. Bảng 1 mô tả hệ thống này dành cho các hợp kim rèn. Các hợp kim đúc có ký hiệu tương tự và sử dụng hệ thống năm chữ số.

Bảng 1.Các ký hiệu dùng cho hợp kim nhôm rèn.

Đối với hợp kim nhôm rèn nguyên chất có ký hiệu 1XXX, hai chữ số cuối cùng thể hiện độ tinh khiết của kim loại. Chúng tương đương với hai chữ số cuối cùng sau dấu thập phân khi độ tinh khiết của nhôm được biểu thị đến 0,01 phần trăm gần nhất. Chữ số thứ hai cho biết sự thay đổi trong giới hạn tạp chất. Nếu chữ số thứ hai là 0, điều đó cho biết nhôm nguyên chất có giới hạn tạp chất tự nhiên, còn 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 cho biết các biến thể của hợp kim. Chữ số thứ hai là 0 cho biết hợp kim ban đầu và các số nguyên từ 1 đến 9 cho biết các biến thể hợp kim kế tiếp.

Tính chất vật lý của nhôm

Mật độ của nhôm

Nhôm có mật độ chỉ bằng khoảng 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 độ bền trên trọng lượng cao nhờ đó mà nó trở thành vật liệu kết cấu quan trọng, cho phép tăng tải trọng hoặc tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt là đối với ngành vận tải.

Độ bền của nhôm

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

NhômNó rất thích hợp cho môi trường lạnh. Nó có ưu điểm hơn thép ở chỗ độ bền kéo tăng lên 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 khá kháng hầu hết các axit nhưng kém kháng kiềm hơn.

Độ dẫn nhiệt của nhôm

Độ dẫn nhiệt của nhôm cao 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, 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 chất dẫn điện. Mặc dù độ dẫn điện của hợp kim dẫn điện thường dùng (1350) chỉ bằng khoảng 62% so với đồng đã được ủ, nhưng trọng lượng của nó chỉ bằng một phần ba và do đó có thể dẫn điện gấp đôi so 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. Khả năng phản xạ ánh sáng nhìn thấy được khoảng 80% khiến nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị chiếu sáng. Chính những đặc tính phản xạ này cũng tạo nên...nhômĐây là vật liệu lý tưởng để cách nhiệt, bảo vệ khỏi tia nắng mặt trời vào mùa hè, đồng thời cách nhiệt hiệu quả vào mùa đông.

Bảng 2.Tính chất của nhôm.

Tính chất cơ học của nhôm

Nhôm có thể bị biến dạng mạnh mà không bị hỏng. Điều này cho phép nhôm được tạo hình bằng cách cán, ép đùn, kéo sợi, gia công và các quy trình cơ khí khác. Nó cũng có thể được đúc với độ chính xác cao.

Các phương pháp hợp kim hóa, 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 vào khoảng 90 MPa, nhưng con số này 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 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.
• Các ký hiệu độ cứng cho hợp kim có thể xử lý nhiệt hiện nay bao gồm nhiều độ cứng đặc biệt hơn. Tối đa bốn chữ số sau chữ T đã được đưa vào cho các ứng dụng không tiêu chuẩn (ví dụ: T6151).
• Ký hiệu trạng thái tôi luyện cho các hợp kim không thể xử lý nhiệt – các trạng thái tôi luyện hiện có không thay đổi nhưng giờ đây được định nghĩa toàn diện hơn về cách tạo ra chúng. Trạng thái tôi luyện mềm (O) hiện là H111 và trạng thái tôi luyện trung gian H112 đã được giới thiệu. Đối với hợp kim 5251, các trạng thái tôi 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.
• Các đặc tính cơ học – vẫn tương tự như các số liệu trước đây. Độ bền kéo 0,2% hiện phải được ghi rõ trên giấy chứng nhận kiểm tra.
• Các tiêu chuẩn dung sai đã được siết chặt ở nhiều mức độ khác nhau.
  

  Xử lý nhiệt nhôm

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

  • Đồng nhất hóa – loại bỏ sự phân tách bằng cách gia nhiệt sau khi đúc.
  • Ủ nhiệt – được sử dụng sau quá trình gia công nguội để làm mềm các hợp kim cứng hóa (1XXX, 3XXX và 5XXX).
  • Làm cứng bằng kết tủa hoặc làm cứng do lão hóa (hợp kim 2XXX, 6XXX và 7XXX).
  • Xử lý nhiệt dung dịch trước khi lão hóa các hợp kim làm cứng bằng kết tủa.
  • Sấy khô lớp phủ
  • Sau quá trình xử lý nhiệt, một hậu tố sẽ được thêm vào các số hiệu.
  • Hậu tố F có nghĩa là "được chế tạo".
  • O có nghĩa là "sản phẩm rèn đã được ủ nhiệt".
  • T có nghĩa là nó đã được "xử lý nhiệt".
  • W có nghĩa là vật liệu đã được xử lý nhiệt dung dịch.
  • H dùng để chỉ các hợp kim không thể xử lý nhiệt, được "gia công nguội" hoặc "làm cứng bằng biến dạng".
  • Các hợp kim không thể xử lý nhiệt là những hợp kim thuộc nhóm 3XXX, 4XXX và 5XXX.