Hợp kim màu (non-ferrous alloy) là nhóm hợp kim không lấy sắt làm nền — trong cơ khí chủ yếu là hợp kim nhôm và hợp kim đồng. So với thép, hợp kim màu có mật độ thấp hơn nhiều (nhôm ≈1/3 mật độ thép), một số có khả năng chống ăn mòn tự nhiên tốt (nhôm tự tạo lớp oxit bảo vệ), và dẫn điện/dẫn nhiệt vượt trội (đồng) — đổi lại độ bền tuyệt đối và độ cứng vững (mô-đun đàn hồi) thấp hơn thép. Hợp kim nhôm biến dạng ký hiệu theo hệ 4 chữ số (ISO 209:2024 / ANSI H35.1(M)-2024); hợp kim đồng chia hai nhánh chính — đồng thau (Cu-Zn) và đồng thanh (Cu-Sn hoặc Cu với nguyên tố khác ngoài Zn).
Nội dung thuộc chuyên trang Vật liệu & nhiệt luyện của cokhi.net, cụm Vật liệu phi kim — bài này về ký hiệu và phân loại hợp kim màu, KHÔNG trùng với bài Ký hiệu mác thép (chỉ về thép, vật liệu nền sắt).
Hệ ký hiệu 4 số hợp kim nhôm biến dạng
Hợp kim nhôm biến dạng (wrought) ký hiệu bằng 4 chữ số, chữ số đầu tiên chỉ nhóm nguyên tố hợp kim chính, theo ISO 209:2024 (thay thế ISO 209-1:1989 và ISO 209-2:1989) và hệ tương đương ANSI H35.1(M)-2024:
| Nhóm | Nguyên tố hợp kim chính | Đặc điểm |
|---|---|---|
| 1xxx | Nhôm nguyên chất (≥99,00%) | Dẫn điện tốt, mềm, dễ tạo hình |
| 2xxx | Al-Cu | Bền cao (dùng nhiều trong hàng không), chống ăn mòn kém hơn nhóm khác |
| 3xxx | Al-Mn | Bền vừa, dễ tạo hình, chống ăn mòn tốt |
| 4xxx | Al-Si | Dùng làm que hàn, hợp kim đúc |
| 5xxx | Al-Mg | Chống ăn mòn tốt (kể cả môi trường biển), hàn được |
| 6xxx | Al-Mg-Si | Cân bằng bền — tạo hình — hàn, phổ biến nhất trong kết cấu/khung nhôm dân dụng |
| 7xxx | Al-Zn | Bền cao nhất trong nhóm nhôm biến dạng (dùng trong hàng không) |
| 8xxx | Nguyên tố khác | Ứng dụng đặc biệt |
Việt Nam: TCVN 5910:1995 tương đương trực tiếp ISO 209-1:1989 (còn hiệu lực), quy định thành phần hóa học hợp kim nhôm gia công áp lực — Việt Nam áp dụng hệ ký hiệu theo thành phần hóa học (giống ISO 209:2024), KHÔNG có TCVN riêng theo hệ số 4 chữ số kiểu Mỹ (AA).
Ký hiệu độ bền (temper): O, H, T — và ý nghĩa T6
Sau ký hiệu nhóm hợp kim, hợp kim nhôm còn mang ký hiệu trạng thái xử lý (temper):
- O (annealed — ủ mềm): trạng thái mềm nhất, dẻo nhất, độ bền thấp nhất.
- H (strain hardened — biến cứng nguội): tăng bền bằng biến dạng dẻo nguội (cán nguội, kéo nguội), không qua nhiệt luyện.
- T (heat treated — xử lý nhiệt): tăng bền bằng nhiệt luyện, tạo trạng thái ổn định lâu dài. Ví dụ phổ biến nhất — T6 — nghĩa là tôi dung dịch rồi hóa già nhân tạo (solution heat treated + artificially aged) đến độ bền đỉnh: nung nóng để hòa tan các nguyên tố hợp kim vào nền nhôm, làm nguội nhanh, rồi giữ ở nhiệt độ vừa phải trong thời gian nhất định để kết tủa các hạt tăng bền phân tán đều trong nền.
Đồng thau (brass) khác đồng thanh (bronze)
- Đồng thau (brass): hợp kim đồng-kẽm (Cu-Zn). Ưu điểm: gia công cắt gọt dễ (mác chuẩn tham chiếu ngành — UNS C36000, "free-cutting brass" — được xem là mốc 100% khả năng gia công để so sánh các vật liệu khác), chống ăn mòn khá, giá thành hợp lý.
- Đồng thanh (bronze): theo nghĩa cổ điển là hợp kim đồng-thiếc (Cu-Sn), nhưng thuật ngữ hiện dùng rộng cho các hợp kim đồng với nguyên tố khác ngoài kẽm (đồng thanh nhôm — Cu-Al, đồng thanh silic — Cu-Si). Ưu điểm: chịu mài mòn tốt, hệ số ma sát thấp (dùng làm bạc trượt/bushing), chống ăn mòn tốt trong môi trường biển (đặc biệt đồng thanh nhôm/niken-nhôm).
Việt Nam: TCVN 9861-1:2013 và TCVN 9861-2:2013 ("Ổ trượt — Hợp kim đồng") tương đương ISO 4382-1:1991 và ISO 4382-2:1991, còn hiệu lực — hỗ trợ trực tiếp ứng dụng bạc trượt đồng thanh. Ngược lại, tra cứu trực tiếp hệ thống tiêu chuẩn quốc gia (VSQI, nhóm ICS 77.120.30) không tìm thấy TCVN nào quy định hệ ký hiệu mác đồng thau/đồng thanh (kiểu ISO 1190-1:1982 — chưa xác nhận đây có còn là bản hiện hành hay không, nêu năm bản đã tìm thấy để tham khảo) — chỉ có các TCVN về phương pháp phân tích thành phần hóa học (từ TCVN 5915:1995 đến TCVN 5933:1995). Thực hành trong nước tham chiếu trực tiếp UNS (Mỹ) hoặc EN 1982 (châu Âu, bản 2017 theo nguồn thứ cấp — chưa đối chiếu trực tiếp) khi cần mác cụ thể.
Vì sao chọn hợp kim màu thay vì thép
- Hợp kim nhôm: mật độ ≈2.700 kg/m³ so với thép ≈7.850 kg/m³ (khoảng 1/3), mô-đun đàn hồi cũng khoảng 1/3 thép (nhôm ~69-70 GPa so với thép ~200 GPa) — nghĩa là chi tiết nhôm cần dày hơn đáng kể để đạt độ cứng vững tương đương thép, nhưng nhờ mật độ thấp hơn nhiều, tổng khối lượng vẫn nhẹ hơn — đây là cơ sở của tỷ lệ bền/khối lượng cao mà nhôm được ưa chuộng trong hàng không, khung xe. Nhôm còn tự hình thành lớp oxit mỏng bảo vệ bề mặt khỏi ăn mòn tiếp tục, và dẫn điện/nhiệt tốt.
- Hợp kim đồng: bản thân đồng dẫn điện/nhiệt vượt trội (dùng trong dây dẫn, tản nhiệt); đồng thau bổ sung khả năng gia công cắt gọt tốt; đồng thanh bổ sung khả năng chịu mài mòn/ma sát thấp cho các ứng dụng bạc trượt, chi tiết chuyển động chậm chịu tải.
Thuật ngữ
- Wrought alloy (hợp kim biến dạng): hợp kim gia công bằng biến dạng dẻo (cán, kéo, ép đùn) — khác với hợp kim đúc (cast alloy).
- Temper (trạng thái xử lý): ký hiệu mô tả quá trình xử lý cơ/nhiệt cuối cùng quyết định độ bền của hợp kim nhôm (O/H/T).
- UNS (Unified Numbering System): hệ đánh số vật liệu kim loại của Mỹ, dùng phổ biến cho hợp kim đồng (ký hiệu bắt đầu bằng C).
- Free-cutting brass: đồng thau có thêm chì, gia công cắt gọt cực dễ, dùng làm mốc so sánh khả năng gia công (machinability rating).
Tài liệu tham khảo
- ISO, ISO 209:2024 — Wrought aluminium and aluminium alloys: Chemical composition: https://www.iso.org/standard/86374.html
- Aluminum Association, ANSI H35.1/H35.1(M) — Alloy and Temper Designation Systems for Aluminum and Aluminum Alloys: https://www.aluminum.org/ansi-h351h351m
- Copper Development Association, Alloy C36000 — Free-Cutting Brass: https://alloys.copper.org/alloy/C36000
- TCVN 5910:1995 (tương đương ISO 209-1:1989) — tra cứu tại hệ thống tiêu chuẩn quốc gia VSQI: https://tieuchuan.vsqi.gov.vn/
- TCVN 9861-1:2013 / TCVN 9861-2:2013 (tương đương ISO 4382-1:1991 và ISO 4382-2:1991) — Ổ trượt, hợp kim đồng: https://tieuchuan.vsqi.gov.vn/