Hợp kim nhôm chiếm ưu thế trong kỹ thuật thể thao đua xe để đạt hiệu suất nhẹ

Trong môn thể thao đua xe, từng phần nhỏ của một giây đều có giá trị. Việc lựa chọn vật liệu cho các bộ phận đua xe phụ thuộc vào bốn yếu tố chính: đặc tính nhẹ, độ bền cao, dễ gia công và khả năng chống ăn mòn. Hợp kim nhôm, với các đặc tính hiệu suất vượt trội, đóng một vai trò then chốt trong các ứng dụng đua xe—từ bộ tản nhiệt và piston đến ống góp nạp. Tuy nhiên, cần phải nhấn mạnh rằng nhôm hoàn toàn không phù hợp với hệ thống xả do các vấn đề về an toàn.

Một trong những thuộc tính hấp dẫn nhất của nhôm đối với các kỹ sư đua xe là tính chất nhẹ của nó. Với mật độ bằng khoảng một phần ba so với thép, các bộ phận bằng nhôm mang lại khả năng tiết kiệm trọng lượng đáng kể ở cùng một thể tích—một lợi thế quan trọng trong việc theo đuổi giảm trọng lượng cực đoan. Đáng chú ý, một số hợp kim nhôm nhất định thể hiện độ bền kéo vượt trội so với một số loại thép carbon thấp, cho phép giảm trọng lượng đáng kể mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc. Việc tăng cường hơn nữa độ bền có thể đạt được thông qua các quy trình xử lý nhiệt.

Hợp kim nhôm được phân loại thành hai nhóm chính: hợp kim biến dạng và hợp kim đúc. Hợp kim biến dạng trải qua các quy trình như cán, ép hoặc kéo để tạo thành các hình dạng cấu trúc (ống, hình dạng, tấm hoặc thanh), trong khi hợp kim đúc được đúc thông qua đúc cho các hình dạng hình học phức tạp. Rèn là một phương pháp chế tạo phổ biến khác. Các kỹ thuật lắp ráp bao gồm tán đinh, bắt vít hoặc hàn, với quá trình xử lý nhiệt sau khi hàn có sẵn để tăng cường độ bền.

Để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của môn thể thao đua xe, các kỹ sư điều chỉnh các đặc tính của nhôm thông qua các nguyên tố hợp kim. Hợp kim biến dạng tuân theo hệ thống nhận dạng bốn chữ số, trong đó chữ số đầu tiên biểu thị thành phần hợp kim chính. Dưới đây là bảng phân tích các dòng nhôm chính và ứng dụng của chúng:

Trong đua xe, các hợp kim phổ biến bao gồm 3003, 2024, 6061 và 7075. Hợp kim 3003, không thể xử lý nhiệt, vượt trội về khả năng gia công và hàn cho các bộ phận ít chịu lực như bình và giá đỡ. Hợp kim 2024 có độ bền cao nhưng khả năng tạo hình và hàn hạn chế, khiến nó trở nên lý tưởng cho vỏ khung và bánh đà. Hợp kim 7075, mạnh nhất trong số các lựa chọn phổ biến, phù hợp với các bộ phận gia công và các bộ phận hệ thống treo thẳng mặc dù khả năng hàn kém.

Hợp kim 6061 tạo ra sự cân bằng tối ưu, mang lại khả năng hàn, độ bền từ trung bình đến cao và khả năng tạo hình ở trạng thái ủ, do đó chiếm ưu thế trong việc chế tạo ống góp nạp và ống liên làm mát. Đối với các bộ phận đúc như vỏ bơm hoặc hộp số, hợp kim 356 mang lại khả năng hàn và xử lý nhiệt tuyệt vời.

Xử lý nhiệt sử dụng "làm cứng kết tủa" để tăng cường độ bền của hợp kim nhôm. Quá trình này liên quan đến việc nung nóng hợp kim trên "nhiệt độ dung dịch" để hòa tan các nguyên tố hợp kim đồng đều, sau đó làm nguội (làm nguội nhanh). Quá trình ủ sau đó—ở nhiệt độ phòng hoặc tăng tốc nhân tạo—các nguyên tố hợp kim để kết tủa dưới dạng các hạt mịn, ức chế sự trượt hạt và tăng độ cứng.

Làm việc nguội (rèn, dập, uốn) tạo ra biến dạng dẻo, tinh chỉnh cấu trúc hạt để tăng cường độ bền. Ngược lại, ủ làm mềm hợp kim bằng cách nung nóng chúng vượt quá nhiệt độ dung dịch và làm nguội chậm, thúc đẩy sự hình thành tinh thể thô, không đều để tăng độ dẻo.

Mã nhiệt độ chỉ định các điều kiện hợp kim: O (ủ, tối ưu để uốn), F (như chế tạo), T4 (xử lý nhiệt dung dịch + ủ tự nhiên) và T6 (xử lý nhiệt dung dịch + ủ nhân tạo để đạt độ bền cao nhất). Sau khi hàn, các bộ phận có thể yêu cầu xử lý nhiệt lại để khôi phục các đặc tính T6. Ống nhôm uốn, thường được ủ trước khi tạo hình, đạt được độ bền làm việc nguội một phần nhưng cần xử lý nhiệt để làm cứng hoàn toàn.