Nhôm 1100: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn trạng thái tôi luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

1100 thuộc dòng hợp kim nhôm 1xxx, được phân loại là nhôm thương mại tinh khiết với hàm lượng nhôm tối thiểu khoảng 99%. Dòng 1xxx được đặc trưng bởi rất ít thành phần hợp kim bổ sung và nổi bật về độ tinh khiết hóa học so với các dòng khác như 3xxx hoặc 6xxx.

Các nguyên tố hợp kim chính trong 1100 chỉ tồn tại dưới dạng tạp chất được kiểm soát: silicon, sắt, đồng, mangan, magiê và kẽm đều xuất hiện ở mức vết hoặc vài phần trăm. Vì hợp kim không chứa các thành phần làm cứng đáng kể, việc tăng cường cơ học trong vật liệu này chủ yếu đạt được thông qua quá trình làm cứng do biến dạng lạnh (gia công nguội) mà không qua xử lý nhiệt kết tủa.

Những đặc điểm chính của 1100 bao gồm độ dẻo cao tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn rất tốt trong môi trường khí quyển và nhiều môi trường hóa học, cùng khả năng dẫn nhiệt và điện vượt trội so với các loại hợp kim có thành phần nặng hơn. Tính hàn nhìn chung rất tốt ở trạng thái ủ mềm do hợp kim có độ dẻo cao và không yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn, nhưng độ bền cơ học thấp so với các hợp kim có gia công nguội hoặc có thể xử lý nhiệt.

Các ngành công nghiệp phổ biến sử dụng 1100 bao gồm chế biến hóa chất, chế biến thực phẩm, làm bảng hiệu, trang trí kiến trúc, điện tử (tản nhiệt), và các ứng dụng đòi hỏi độ dẻo và khả năng chống ăn mòn cao với chi phí thấp. Các kỹ sư chọn 1100 khi cần tối đa hóa độ dẻo, khả năng dẫn điện và chống ăn mòn trên đơn vị chi phí hơn là đạt được độ bền tĩnh cao.

Các biến đổi trạng thái nhiệt luyện

Trạng thái	Mức độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–40%)	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Trạng thái ủ mềm hoàn toàn, tinh khiết thương mại tối đa độ dẻo
H12	Trung bình	Trung bình (10–20%)	Rất tốt	Rất tốt	Gia công biến dạng một phần với giảm độ dẻo giới hạn
H14	Trung bình-cao	Thấp-trung bình (8–15%)	Tốt	Rất tốt	Trạng thái biến dạng lạnh phổ biến, cân bằng giữa độ bền và khả năng tạo hình
H16	Cao	Thấp (6–12%)	Khá-tốt	Tốt	Gia công lạnh nặng hơn cho độ bền cao hơn nhưng giảm khả năng tạo hình
H18	Rất cao	Thấp (4–10%)	Hạn chế	Tốt	Đạt gần mức độ bền thương mại tối đa nhờ biến dạng lạnh
H24	Trung bình (ổn định)	Trung bình	Tốt	Rất tốt	Gia công biến dạng và ổn định bằng ủ một phần hoặc passivation

Trạng thái nhiệt luyện có ảnh hưởng lớn đến tính chất của 1100 vì hợp kim này không thể xử lý nhiệt. Việc gia công nguội làm tăng giới hạn chảy và độ bền kéo trong khi giảm độ giãn dài và phạm vi tạo hình. Việc chọn đúng trạng thái H là sự đánh đổi giữa số bước tạo hình và độ bền thành phẩm cuối cùng; nhiều nhà gia công chọn O cho dập sâu và H14/H16 cho các tấm kết cấu nhẹ.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Al	Cân bằng (≥ 99.0%)	Thành phần chính; thường >99% trọng lượng trong 1100 thương mại
Si	≤ 0.95	Tạp chất phổ biến; làm giảm nhẹ độ dẫn điện và cải thiện khả năng đúc ở lượng nhỏ
Fe	≤ 0.95	Tạp chất tạo các hợp chất intermetallic ảnh hưởng đến độ bền và bề mặt
Mn	≤ 0.05	Tạp chất nhỏ; ít tác dụng làm cứng ở mức này
Mg	≤ 0.05	Gần như không có trong 1100; không phải là nguồn làm cứng kết tủa
Cu	≤ 0.05	Giữ ở mức rất thấp để duy trì khả năng chống ăn mòn và dẫn điện
Zn	≤ 0.10	Mức vết; hàm lượng Zn cao hơn sẽ giảm độ dẻo và chống ăn mòn
Ti	≤ 0.15	Thường có từ chất tinh chỉnh hạt; lượng nhỏ giúp kiểm soát cấu trúc hạt
Khác	≤ 0.05 mỗi nguyên tố, tổng ≤ 0.15	Nguyên tố vết trong giới hạn sản xuất thương mại

Ma trận nhôm gần như tinh khiết chi phối hiệu suất: độ dẫn điện và dẫn nhiệt tỷ lệ nghịch với hàm lượng tạp chất hợp kim, trong khi độ bền cơ học chịu ảnh hưởng mạnh từ gia công lạnh và sự có mặt của các hạt intermetallic do Si và Fe tạo ra. Việc kiểm soát các nguyên tố nhỏ như Ti chủ yếu dùng để kiểm soát cấu trúc hạt trong quá trình đúc/làm cán hơn là tăng cường độ bền tổng thể.

Tính chất cơ học

Hành vi kéo của 1100 đặc trưng bởi một kim loại tinh thể lập phương tâm mặt có độ bền thấp và độ dẻo cao. Ở trạng thái ủ O, hợp kim thể hiện giới hạn chảy và cường độ kéo thấp với độ giãn dài thường ở mức vài chục phần trăm, cho phép biến dạng dẻo lớn mà không gãy. Gia công nguội làm tăng mật độ mạng trật tự và đem lại sự tăng cường độ đáng kể nhưng đổi lại làm giảm độ dẻo và khả năng tạo hình.

Giới hạn chảy và độ bền kéo phụ thuộc mạnh vào trạng thái nhiệt luyện và độ dày; các tấm mỏng hơn được cán lạnh có thể đạt độ bền cao hơn do tích lũy biến dạng lớn hơn trong quá trình gia công. Độ cứng có mối quan hệ với trạng thái và thường được sử dụng làm kiểm soát nhanh trong sản xuất tấm biến dạng lạnh; giá trị độ cứng Brinell thấp ở trạng thái O và tăng theo các trạng thái H. Hành vi mệt mỏi thường bị hạn chế do độ bền tĩnh thấp và điều kiện bề mặt; đánh bóng và phun bi có thể cải thiện tuổi thọ mỏi nhưng hợp kim vẫn kém hơn các dòng hợp kim có độ bền cao hơn cho các chi tiết chịu tải tuần hoàn.

Độ dày có ảnh hưởng thực tế vì tấm dày khó gia công lạnh đạt độ cứng cao và có thể giữ lại nhiều tính chất của trạng thái ủ; các nhà thiết kế phải cân nhắc tương tác trạng thái/độ dày khi quy định yêu cầu về độ bền hoặc khả năng tạo hình.

Tính chất	Trạng thái O/Ủ	Trạng thái tiêu biểu (ví dụ H14)	Ghi chú
Độ bền kéo (UTS)	~55–115 MPa (điển hình)	~110–180 MPa (điển hình)	Khoảng giá trị rộng tùy độ dày và mức gia công lạnh; giá trị mang tính tham khảo
Giới hạn chảy	~30–70 MPa (điển hình)	~90–150 MPa (điển hình)	Giới hạn chảy tăng rõ rệt với gia công lạnh; không có xử lý nhiệt kết tủa
Độ giãn dài	~30–40%	~8–18%	Độ dẻo giảm khi trạng thái từ O chuyển sang các trạng thái H cao hơn
Độ cứng (Brinell)	~20–30 HB	~30–60 HB	Độ cứng tỷ lệ với mật độ mạng trật tự do gia công lạnh tạo ra

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.71 g/cm³	Giá trị điển hình cho nhôm, gần với các hợp kim nhôm ít hợp kim khác
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~660 °C (nhiệt độ solidus ≈ 657–660 °C)	Do là hợp kim gần tinh khiết, điểm nóng chảy gần với nhôm nguyên chất
Độ dẫn nhiệt	~200–230 W/m·K	Độ dẫn nhiệt cao; hơi thấp hơn nhôm tinh khiết do tạp chất tăng lên
Độ dẫn điện	~53–60 % IACS (điển hình)	Khả năng dẫn điện rất tốt so với các hợp kim không tinh khiết; phụ thuộc mức tạp chất
Nhiệt dung riêng	~0.9 J/g·K	Giá trị điển hình gần với nhôm nguyên chất ở nhiệt độ môi trường
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K	Hệ số giãn nở nhiệt điển hình của các hợp kim nhôm

Khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện cao của 1100 xuất phát từ hàm lượng thấp các nguyên tố hợp kim; các tính chất này làm cho nó phù hợp với các ứng dụng tản nhiệt và dẫn điện. Hệ số giãn nở nhiệt tương đối cao cần được tính đến trong các cụm chi tiết ghép nối với vật liệu khác nhau để tránh biến dạng do ứng suất nhiệt hoặc các vấn đề về kín khít.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi Cơ tính	Tình trạng Nhiệt Thường Gặp	Ghi chú
Tấm	0.2 mm – 6 mm	Độ bền tăng lên khi cán nguội	O, H12, H14, H16	Phổ biến; dùng cho dập sâu và ứng dụng trang trí
Phôi tấm (Plate)	>6 mm – 50+ mm	Độ bền lạnh đạt được thấp hơn ở tấm dày	O, H18	Phôi dày thường được ủ; giới hạn gia công nguội sau cán
Đùn (Extrusion)	Tiết diện phức tạp tới các biên dạng lớn	Độ bền phụ thuộc vào kéo nguội/lão hóa sau đó	O, H12, H14	Đùn thường dùng khi yêu cầu tính dẻo và chống ăn mòn
Ống	Đường kính từ nhỏ đến lớn	Tính chất cơ học chịu ảnh hưởng bởi phương pháp tạo hình	O, H14	Thường dùng trong ống kiến trúc và xử lý hóa chất
Thanh/Trục thẳng	Đường kính tới 300 mm	Thường có độ cứng công việc thấp trừ khi kéo nguội	O, H16, H18	Dùng gia công hoặc tạo hình thêm thành chi tiết

Quy trình gia công ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và hành vi cơ học: cán và kéo nguội làm tăng cứng biến dạng, nâng cao độ bền, trong khi ủ làm tái lập cấu trúc cho phép tạo hình. Lựa chọn sản phẩm cần phản ánh chuỗi tạo hình yêu cầu; tấm tình trạng O được ưu tiên cho dập sâu và quay, trong khi các tình trạng H chọn cho chi tiết cần độ cứng và độ bền cao thêm mà không cần xử lý nhiệt.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Vùng	Ghi chú
AA	1100	USA	Định danh hợp kim chính của Mỹ cho nhôm tinh khiết thương mại
EN AW	1050A / 1100 (gần nhất)	Châu Âu	Định danh EN cho hợp kim tinh khiết thương mại có sự chồng lên; 1050A thường gần nhất trong thực tế
JIS	A1050 / A1100 (gần nhất)	Nhật Bản	JIS cũng có các loại tinh khiết tương tự; sự tương đương trực tiếp phụ thuộc giới hạn tạp chất
GB/T	1060 / 1100 (tương tự)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc cung cấp các mác tinh khiết tương đương với giới hạn hơi khác

Không có phép đối chiếu 1-1 chính xác giữa các tiêu chuẩn do giới hạn tạp chất và cách phân loại khác nhau theo vùng. Khi thay thế giữa các tiêu chuẩn, cần kiểm tra giới hạn hóa học, định nghĩa tình trạng nhiệt và đảm bảo tính chất cơ học thay vì chỉ căn cứ vào số series.

Khả năng Chống Ăn Mòn

1100 thể hiện khả năng chống ăn mòn chung xuất sắc nhờ hàm lượng nhôm cao tạo nhanh màng oxit nhôm (Al2O3) mỏng bảo vệ bề mặt. Trong môi trường khí quyển và công nghiệp ăn mòn nhẹ, 1100 hoạt động tốt và thường kháng điểm ăn mòn tốt hơn nhiều vật liệu hợp kim cao bởi vì không có các nguyên tố hợp kim gây ăn mòn mạnh.

Trong môi trường biển và chứa chloride, 1100 kháng ăn mòn từng phần tốt nhưng dễ bị ăn mòn cục bộ ở các khe hở và vùng tiếp xúc catốt; anod hóa và phủ bảo vệ giúp kéo dài tuổi thọ khi tiếp xúc nước biển đậm đặc. Nứt ăn mòn ứng suất (SCC) không phải là vấn đề lớn vì 1100 không có cấu trúc chịu lực cao và thành phần hợp kim thúc đẩy SCC; tuy nhiên ứng suất lớn trong điều kiện chloride cao vẫn có thể gây nứt.

Tương tác điện hóa là điển hình với nhôm: 1100 sẽ là anode khi ghép với kim loại quý hơn như thép không gỉ hoặc đồng, do đó thiết kế phải sử dụng cách ly hoặc vít tương thích để hạn chế ăn mòn điện hóa tăng tốc. So với các nhóm hợp kim khác, 1100 đánh đổi một phần độ bền cơ học lấy khả năng chống ăn mòn và dẫn điện, khác với các hợp kim series 5xxx hoặc 6xxx bền hơn nhưng lại có dạng ăn mòn cục bộ khác.

Đặc Tính Gia Công

Khả năng hàn

1100 dễ dàng hàn bằng TIG, MIG (GMAW) và hàn điện trở với nguy cơ nứt nóng rất thấp khi tuân thủ quy trình tốt. Các dây hàn thường dùng là ER1100, ER4043, ER5356 tùy yêu cầu; ER1100 giữ dẫn điện và độ dẻo, ER4043/5356 cải thiện bề ngoài mối hàn và tính chất cơ học. Mềm ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) không phải vấn đề vì hợp kim không hưởng lợi từ kết tủa; tuy nhiên có sự biến đổi cục bộ về độ cứng do mất cứng lạnh gần vùng hàn.

Khả năng gia công

1100 có khả năng gia công từ kém đến trung bình so với các hợp kim nhôm dễ gia công do mềm và dính, dễ tạo phoi dài liên tục. Dụng cụ cacbua, tốc độ trục cao, độ sâu cắt nhỏ, cùng bôi trơn làm mát tốt giúp kiểm soát cạnh bám và cải thiện bề mặt. Mài mòn dụng cụ thấp nhưng cần kiểm soát phoi và cố định chi tiết để tránh dao động rung và tạo vết xước.

Khả năng tạo hình

Tạo hình ở tình trạng O rất tốt cho phép uốn cong lớn, dập sâu và quay. Bán kính uốn tối thiểu thường gần 1–2× độ dày vật liệu ở tình trạng O cho nhiều thao tác tấm; các tình trạng H cần bán kính lớn và tạo hình nhiều bước. Tạo hình nguội làm tăng độ bền nhờ cứng biến dạng và là phương pháp khuyến nghị cho chi tiết không thể xử lý nhiệt.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim không thể xử lý nhiệt, 1100 không phản ứng với quá trình giải và lão hóa tạo kết tủa tăng cường. Cố gắng áp dụng nhiệt xử lý loại T sẽ không mang lại tăng độ bền như hợp kim 6xxx hoặc 7xxx. Quy trình nhiệt điển hình là ủ để phục hồi độ dẻo sau gia công nguội: ủ hoàn toàn (O) ở nhiệt độ cho phép kết tinh lại và giải ứng suất mà không làm chảy vật liệu.

Cứng làm việc là phương pháp chính để nâng cao tính chất; chuỗi gia công nguội và ổn định ứng suất điều khiển (ví dụ H24) được dùng để cân bằng độ bền và ổn định kích thước. Xử lý ổn định nhiệt cần chọn lọc kỹ nhằm tránh tăng kích thước hạt hoặc biến dạng, chi tiết cần giữ tính chất sau hàn phải thiết kế để tính đến sự mềm vùng HAZ.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

1100 mất độ bền nhanh khi tăng nhiệt độ do cơ chế trượt và hàm lượng hợp kim thấp không giữ được độ bền trên nhiệt độ môi trường. Với tải cơ học kéo dài, thiết kế thường giới hạn nhiệt độ làm việc dưới khoảng 100–150 °C để bảo toàn độ bền; tiếp xúc ngắn hạn đến 200 °C vẫn chịu được nhưng độ mềm tăng đáng kể. Oxy hóa hạn chế vì màng oxit nhôm tái tạo nhanh, nhưng một số giòn hóa oxit bề mặt có thể ảnh hưởng tạo hình ở nhiệt độ cao.

Hành vi vùng hàn và giãn ứng suất tồn dư thay đổi ở nhiệt độ cao; các nguyên tố dùng bảo vệ điện hóa có thể thay đổi quan hệ anod/cath khi có biến đổi cấu trúc vi mô do nhiệt. Với yêu cầu kết cấu nhiệt độ cao, nên chọn các hợp kim xử lý nhiệt hoặc hợp kim chịu nhiệt thay vì 1100.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi tiết	Lý do dùng 1100
Ôtô	Ốp nội thất, chắn nhiệt	Khả năng tạo hình tốt và chống ăn mòn cho chi tiết phi kết cấu
Hàng hải	Ốp kiến trúc, bồn hóa chất	Chống ăn mòn cao và dễ gia công trong môi trường ăn mòn
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, đường ống xử lý hóa chất	Kết hợp tốt giữa tạo hình, chống ăn mòn và trọng lượng nhẹ cho cấu trúc phụ
Điện tử	Ống tản nhiệt, chắn EMI	Dẫn nhiệt và điện tốt cùng bề mặt hoàn thiện cho quản lý nhiệt
Thực phẩm & Đồ uống	Mặt bàn, bồn, dụng cụ	Màng oxit không độc, dễ vệ sinh và chống ăn mòn trong nhiều dung dịch

Sự kết hợp khả năng tạo hình, dẫn điện và chống ăn mòn với chi phí vật liệu thấp khiến 1100 là lựa chọn ưu tiên cho nhiều chi tiết phụ trợ và chức năng. Khi chi tiết không yêu cầu độ bền tĩnh cao mà cần tạo hình hoặc dẫn điện, 1100 thường là vật liệu hiệu quả nhất.

Gợi Ý Lựa Chọn

Chọn 1100 khi ưu tiên độ dẻo tối đa, chống ăn mòn và dẫn nhiệt/điện và khi tải cơ học vừa phải. Đối với dập sâu, quay hoặc chi tiết tạo hình phức tạp, 1100-O thường là lựa chọn kinh tế và kỹ thuật phù hợp nhất.

So với các hợp kim nhôm tinh khiết thương mại khác (ví dụ, 1050), 1100 có giới hạn tạp chất hơi khác biệt và có thể cung cấp độ dẫn điện hoặc hoàn thiện bề mặt khác biệt nhẹ; việc lựa chọn thường phụ thuộc vào tồn kho sẵn có và chứng nhận nhà cung cấp hơn là sự khác biệt về hiệu suất. So với các hợp kim làm cứng bề mặt phổ biến như 3003 hoặc 5052, 1100 thường có độ bền thấp hơn nhưng lại có độ dẫn điện/điện nhiệt tốt hơn và thường có khả năng tạo hình vượt trội hơn; nên chọn 3003/5052 khi yêu cầu độ bền cao hơn hoặc khả năng làm cứng do biến dạng. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 1100 được chọn khi độ dẫn điện, khả năng tạo hình hoặc khả năng chống ăn mòn quan trọng hơn độ bền tối đa; 6061 vẫn là lựa chọn ưu tiên khi cần độ bền kết cấu cao hơn hoặc khả năng làm cứng theo tuổi.

Tóm tắt cuối cùng

1100 vẫn là một hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi và chi phí thấp vì nó kết hợp độc đáo khả năng tạo hình xuất sắc, khả năng chống ăn mòn và độ dẫn nhiệt cũng như dẫn điện cao trong ma trận kim loại tinh khiết thương mại. Đối với các chi tiết ưu tiên tính gia công và độ bền trong sử dụng hơn là độ bền tối đa, 1100 tiếp tục là lựa chọn kỹ thuật thực tế.