Nhôm 1N30: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt & Ứng dụng

Table Of Content

Table Of Content

Tổng Quan Toàn Diện

1N30 là hợp kim nhôm cán gần như tinh khiết, thuộc nhóm hợp kim nhôm 1xxx. Nó được thiết kế như một biến thể nhôm thương mại tinh khiết với các thành phần hợp kim phụ được kiểm soát nhằm tối ưu hóa độ dẫn điện, khả năng chống ăn mòn và độ tạo hình, đồng thời cung cấp độ bền cao hơn một chút so với nhôm tinh khiết loại phòng thí nghiệm.

Các nguyên tố hợp kim chính được giữ ở mức tối thiểu, thường chỉ chứa một lượng nhỏ silic, sắt và một ít mangan cùng titan để ổn định cấu trúc hạt và cải thiện khả năng gia công nguội. Cơ chế tăng cứng chủ yếu là tăng cứng biến dạng (làm cứng khi làm việc), không phải là tăng cứng kết tủa, nên 1N30 được phân loại là hợp kim không thể xử lý nhiệt và dựa vào làm nguội và tái kết tinh có kiểm soát để điều chỉnh độ bền.

Đặc tính chính bao gồm độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn hóa học và môi trường khí quyển xuất sắc, độ tạo hình tuyệt vời ở các trạng thái mềm, và khả năng hàn dự đoán được; độ bền tối đa bị giới hạn so với các hợp kim có thể xử lý nhiệt. Các ngành công nghiệp phổ biến sử dụng 1N30 là phân phối điện và thanh dẫn điện, thiết bị xử lý hóa chất, cấu kiện kiến trúc và các ứng dụng yêu cầu độ dẫn cao với tỷ lệ bền trên trọng lượng hợp lý.

Nhà thiết kế chọn 1N30 khi ưu tiên độ dẫn, khả năng chống ăn mòn và khả năng tạo hình sâu hơn là độ bền cơ học tối đa. Hợp kim này được ưu tiên so với các hợp kim có thể xử lý nhiệt có độ bền cao hơn khi yếu tố gia công, độ dẫn và dễ tạo hình quan trọng hơn cần thiết về giới hạn chảy hoặc độ bền kéo cao.

Các Trạng Thái Nhiệt

Trạng thái nhiệt Cấp độ bền Độ dãn dài Khả năng tạo hình Khả năng hàn Ghi chú
O Thấp Cao Tuyệt vời Tuyệt vời Giảm căng hoàn toàn; độ dẻo và khả năng tạo hình tối đa
H12 Thấp-Trung bình Trung bình Rất tốt Rất tốt Bán cứng 1/4; tăng độ bền vừa phải, vẫn giữ khả năng tạo hình
H14 Trung bình Trung bình-Thấp Tốt Rất tốt Bán cứng 1/2; phổ biến cho ứng dụng tấm có độ bền vừa phải
H16 Trung bình-Cao Thấp-Trung bình Khá Tốt Bán cứng 3/4; dùng khi cần độ cứng cao hơn
H18 Cao Thấp Giới hạn Tốt Cứng hoàn toàn; dùng khi cần độ bền làm nguội tối đa

Các trạng thái nhiệt của 1N30 kiểm soát chặt chẽ sự đánh đổi giữa khả năng tạo hình và độ bền do hợp kim không thể xử lý nhiệt. Chuyển từ trạng thái O sang các trạng thái H cứng hơn sẽ tăng giới hạn chảy và độ bền kéo thông qua làm nguội, nhưng giảm độ dãn dài và khả năng tạo hình kéo căng.

Lịch sử trạng thái nhiệt cũng ảnh hưởng đến bề mặt và các công đoạn gia công tiếp theo: các trạng thái nhiệt làm nguội nhiều sẽ có ứng suất dư cao hơn và có thể cần tôi trung gian cho các quy trình tạo hình phức tạp, trong khi trạng thái O cho kết quả tốt nhất đối với tạo hình sâu và quay.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên tố Phạm vi % Ghi chú
Si ≤ 0.40 Kiểm soát để tránh giòn eutectic; lượng Si nhỏ giúp cải thiện độ lưu động trong biến thể đúc và giảm tính dễ nứt nóng.
Fe ≤ 0.70 Tạp chất phổ biến; Fe cao một chút giảm độ dẻo và độ dẫn điện nhưng ổn định sự phát triển hạt.
Mn ≤ 0.10 Lượng nhỏ giúp tinh chế hạt và cải thiện phản ứng tôi/ trạng thái nhiệt nhẹ.
Mg ≤ 0.05 Giữ thấp để bảo toàn độ dẫn điện và khả năng chống ăn mòn.
Cu ≤ 0.05 Giảm thiểu để tránh nhạy cảm ăn mòn ứng suất (SCC) và duy trì độ dẫn điện.
Zn ≤ 0.10 Zn thấp tránh tăng cường độ quá mức/giòn và tương tác điện hóa trong môi trường biển.
Cr ≤ 0.05 Cr ít giúp ức chế phát triển hạt và cải thiện quá trình tái kết tinh.
Ti ≤ 0.05 Chất tinh chế hạt, có lợi trong sản phẩm cán và đùn.
Khác Cân bằng (Al ≥ 99.0%) Phần còn lại là nhôm với tạp chất cho phép phù hợp thực tiễn dòng 1xxx.

Phương pháp hóa học của 1N30 nhấn mạnh độ tinh khiết nhôm với tạp chất được kiểm soát chặt chẽ. Lượng nhỏ Mn, Ti và hàm lượng Fe, Si kiểm soát tạo ra các hiệu ứng vi cấu trúc có lợi—tinh chế hạt, cải thiện phản ứng làm nguội và cơ tính ổn định hơn—mà không làm mất đi đặc tính dẫn điện cao và khả năng chống ăn mòn đặc trưng của nhôm thương mại tinh khiết.

Đặc Tính Cơ Học

Hành vi kéo của 1N30 điển hình cho nhôm gần như tinh khiết: hợp kim cho độ bền tuyệt đối thấp khi ở trạng thái tôi, nhưng phản ứng tăng cứng biến dạng rộng và dự đoán được dưới tác động làm nguội. Ở trạng thái O, đường cong ứng suất-biến dạng mịn, độ dãn đồng đều dài; ở trạng thái H, giới hạn chảy và sức bền kéo tăng trong khi độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng giảm.

Giới hạn chảy và sức bền kéo phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái nhiệt cũng như độ dày; vật liệu mỏng hơn làm nguội hiệu quả hơn dẫn đến độ bền cao hơn ở trạng thái H với mức biến dạng danh nghĩa tương tự. Độ cứng tương quan với trạng thái nhiệt và mức độ làm nguội; thử độ cứng (HB hoặc Vickers) thường được dùng như phép kiểm tra QC thuận tiện để đánh giá cấp trạng thái và độ bền tương đối.

Hiệu suất mỏi của 1N30 phụ thuộc vào tình trạng bề mặt, ứng suất dư và khuyết tật kích thước lớn; sức bền thấp hơn giới hạn mỏi ở ứng suất chu kỳ cao so với các hợp kim dòng 6xxx hoặc 7xxx. Ảnh hưởng của độ dày rõ rệt do làm nguội tỏa nhiệt và kích thước hạt thay đổi theo mặt cắt, nên bảng đặc tính cần tham chiếu dữ liệu riêng cho từng độ dày khi thiết kế chi tiết quan trọng.

Đặc tính Trạng thái O/Tôi Trạng thái chính (H14) Ghi chú
Độ bền kéo 60–100 MPa 110–140 MPa Giá trị kéo phụ thuộc vào độ dày và mức làm lạnh; H14 phổ biến làm cơ sở độ bền vừa phải.
Giới hạn chảy 30–45 MPa 80–110 MPa Giới hạn chảy tăng đáng kể với làm nguội; trạng thái O có giới hạn thấp và dẻo cao.
Độ dãn dài 30–45% 8–20% Độ dãn dài giảm khi trạng thái cứng hơn; O có khả năng kéo căng và tạo hình sâu tốt nhất.
Độ cứng 20–35 HB 40–60 HB Độ cứng là kiểm tra thực tế cho trạng thái nhiệt; trạng thái làm nguội nhiều có độ cứng cao hơn tương ứng.

Đặc Tính Vật Lý

Đặc tính Giá trị Ghi chú
Mật độ 2.70 g/cm³ Đặc trưng cho hợp kim nhôm; hữu ích để tính khối lượng và độ cứng.
Điểm nóng chảy ≈ 660 °C (điểm rắn/lỏng gần nhau) Nhôm gần như tinh khiết nóng chảy gần với nhôm nguyên chất; khoảng cách nhiệt độ nóng chảy hẹp hơn so với các loại hợp kim nhiều thành phần.
Độ dẫn nhiệt ~200–230 W/m·K Độ dẫn nhiệt cao khiến 1N30 thích hợp cho ứng dụng tản nhiệt và thanh dẫn nhiệt.
Độ dẫn điện ~55–65 % IACS Độ dẫn điện cao so với hầu hết các hợp kim kết cấu; giá trị chính xác thay đổi tùy trạng thái nhiệt và mức tạp chất.
Nhiệt dung riêng ~0.90 J/g·K (900 J/kg·K) Giá trị tiêu chuẩn để thiết kế khối lượng nhiệt và các tình huống truyền nhiệt không ổn định.
Hệ số giãn nở nhiệt ~23–25 µm/m·K (20–100 °C) Giãn nở nhiệt đẳng hướng điển hình cho nhôm; cần tính toán sự giãn nở chênh lệch khi ghép nối với thép và vật liệu composite.

Độ dẫn nhiệt và điện cao là ưu điểm vật lý nổi bật của 1N30 và giải thích tại sao hợp kim này được sử dụng phổ biến trong thanh dẫn điện, bộ trao đổi nhiệt và thiết bị điện. Mật độ và nhiệt dung riêng của hợp kim cũng có lợi khi cần giảm trọng lượng nhưng vẫn duy trì khối lượng nhiệt.

Phải lưu ý đến giãn nở nhiệt và độ dẫn ở các cụm lắp ráp ghép nối (ví dụ: nhôm – thép hoặc nhôm – đồng) để kiểm soát giãn nở chênh lệch, mỏi do chu kỳ nhiệt và nguy cơ ăn mòn điện hóa học.

Dạng Sản Phẩm

Dạng Chiều Dày/Kích Thước Tiêu Biểu Hành Vi Cơ Lực Độ Cứng Phổ Biến Ghi Chú
Tấm 0.2–6.0 mm Độ bền tăng khi cán nguội (độ cứng H) O, H12, H14, H16 Dạng phổ biến nhất; dùng cho dập sâu và tấm kiến trúc.
Thép Tấm Dày (Plate) 6–50 mm Tấm dày thường mềm hơn nếu không gia công nhiều O, H14, H18 Sản xuất tấm dày cần cán nhiều lần và có thể cần tôi ủ trung gian.
Biên Dạng Đùn (Extrusion) Hồ sơ đến tiết diện 300 mm Độ bền phụ thuộc vào vật liệu đầu vào và kéo giãn sau đùn O, H112 Đùn kiểm soát cấu trúc hạt, thường được lão hóa nhẹ để ổn định kích thước.
Ống Độ dày thành ống 0.5–12 mm Kéo nguội và định cỡ làm tăng cường độ O, H14 Ống liền mối hàn và ống không mối hàn sẵn có; gia công nguội ảnh hưởng đến độ cứng cuối cùng.
Thanh/Que 2–100 mm Kéo nguội tăng giới hạn chảy và độ cứng O, H12, H14 Dùng khi cần dẫn điện và tính tạo hình trong tiết diện nhỏ.

Sự khác biệt trong gia công rất rõ rệt: sản xuất tấm dựa vào cán và chu kỳ tôi ủ kiểm soát để đạt cân bằng mong muốn giữa độ bền và tính dễ tạo hình, trong khi đùn phụ thuộc hóa học phôi và kiểm soát làm nguội/lão hóa để ổn định kích thước. Các dạng sản phẩm dày hơn thường có độ bền thấp hơn khi mới gia công, trừ khi được gia công nguội hoặc kéo giãn bổ sung.

Ứng dụng quyết định chọn độ cứng: tấm và ống dùng cho dập sâu thường cung cấp ở độ cứng O, trong khi các phần kết cấu hoặc gia cố có thể cung cấp độ cứng H14–H18 để đạt giới hạn chảy và độ cứng cao hơn mà không cần xử lý nhiệt.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn Mác Khu Vực Ghi Chú
AA 1N30 Hoa Kỳ Mác dùng cho biến thể nhôm gần tinh khiết này; theo truyền thống họ 1xxx.
EN AW ≈ EN AW-1050 / EN AW-1100 Châu Âu Tương đương công nghiệp gần nhất là EN AW-1050A và EN AW-1100 với độ tinh khiết và tính chất tương tự; kiểm soát thành phần nhỏ khác biệt.
JIS A1050 / A1100 Nhật Bản Mác JIS A1050/A1100 là tương tự gần nhất; hoàn thiện bề mặt và giới hạn tạp chất khác nhau.
GB/T 1060 / 1100 Trung Quốc GB/T 1060/1100 thường được dùng làm tương đương cho nhôm tinh khiết thương mại với đặc tính tương tự.

Sự tương đương mang tính tương đối vì 1N30 có thể có giới hạn tạp chất hoặc bổ sung vi lượng đặc thù (ví dụ: Ti làm tinh hạt) không hoàn toàn giống các tiêu chuẩn khác. Khác biệt chủ yếu ở giới hạn Fe/Si tối đa cho phép, sự hiện diện phụ gia vi lượng và kiểm soát bề mặt hoặc tạp chất để đạt yêu cầu dẫn điện hoặc khả năng tạo hình.

Khi thay thế mác qua lại giữa các tiêu chuẩn, cần xem xét chứng nhận của nhà cung cấp và dữ liệu kiểm tra về dẫn điện, tính chất cơ học ở kích thước dùng, và hoàn thiện bề mặt để đảm bảo tính tương thích cho các linh kiện điện hoặc chi tiết yêu cầu tạo hình.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Khả năng chống ăn mòn khí quyển của 1N30 rất tốt do tạo thành lớp oxit nhôm bền, bám dính, bảo vệ kim loại nền trong nhiều môi trường đô thị và nông thôn. Trong các môi trường công nghiệp vừa phải, không có nhiều clo, hợp kim hoạt động tương đương các mác họ 1xxx khác và thường tốt hơn các mác hợp kim cấu trúc nhiều thành phần dễ bị ăn mòn điện hóa hoặc ăn mòn lỗ sâu.

Ở môi trường biển hoặc chứa clorua cao, hợp kim cho khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt nhưng cũng như mọi hợp kim nhôm, có thể xảy ra ăn mòn lỗ cục bộ trên bề mặt ướt tĩnh hoặc dưới các mảng bám. Sử dụng lớp phủ bảo vệ, anode hóa hoặc thiết kế tránh khe hở và tích nước là phương pháp chuẩn để kéo dài tuổi thọ làm việc trong ứng dụng hàng hải.

Độ nhạy với ăn mòn ứng suất (SCC) thấp so với hợp kim gia cường nhiệt có độ bền cao; vì 1N30 không thể xử lý nhiệt và gần như không chứa pha kết tủa làm cứng, nên thiếu cấu trúc vi mô gây SCC như trong họ hợp kim 2xxx và 7xxx. Nguy cơ ăn mòn điện hóa tồn tại với kim loại quý hơn (đồng, thép không gỉ), do đó thiết kế cần quản lý vùng tiếp xúc, lớp cách điện, và tỷ lệ diện tích bề mặt để tránh ăn mòn tăng tốc.

So với họ 3xxx/5xxx, 1N30 đánh đổi một phần hành vi hy sinh (do Mg cao trong 5xxx) để lấy dẫn điện tốt hơn và đôi khi dễ tạo hình hơn, làm nó phù hợp hơn cho ứng dụng điện và một số quy trình hóa chất hơn là kết cấu hàng hải chịu tải trọng.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

1N30 hàn dễ dàng bằng các phương pháp phổ biến như TIG, MIG/GMAW và hàn điện trở, cho mối hàn sạch, dẻo dai khi áp dụng kỹ thuật tốt. Vật liệu phụ gia khuyến nghị cho liên kết chung là 1100 hoặc hợp kim Al-Si như 4043 tùy thiết kế mối nối và yêu cầu độ dẻo; vật liệu phụ Al-Mg (họ 5xxx) thường tránh dùng nơi cần giữ dẫn điện và khả năng chống ăn mòn. Nguy cơ nứt nóng thấp do hóa học đơn giản, và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) ít bị mềm do hợp kim không xử lý nhiệt; tuy nhiên các mối hàn trên chi tiết cán nguội độ cứng H sẽ bị tôi ủ cục bộ làm giảm bền cạnh mối hàn, do đó cần thiết kế gia cố tại chỗ hoặc thực hiện gia công nguội bổ sung nếu cần.

Khả năng gia công cắt gọt

Gia công 1N30 thuộc mức trung bình: mềm hơn nhiều hợp kim kết cấu nên lực cắt giảm, nhưng tạo phoi dài, liên tục cần kiểm soát phoi hiệu quả. Dụng cụ cacbua có góc cộng và làm mát tốt mang lại cân bằng tốt giữa tuổi dao và hoàn thiện bề mặt; tốc độ cắt cao được phép khi kiểm soát chip và làm mát đảm bảo. Chỉ số gia công tương đối so với nhôm dễ gia công thấp hơn hợp kim nhiều chì; nhà thiết kế cần lưu ý tạo bavia trên tiết diện mỏng và khả năng làm cứng bề mặt khi cắt gián đoạn.

Khả năng tạo hình

Tính tạo hình ở độ cứng mềm (O) rất tốt—1N30 hỗ trợ dập sâu, quay, tạo hình kéo căng phức tạp với bán kính cong nhỏ và độ co hồi lò xo hạn chế. Bán kính cong trong tối thiểu đề xuất dao động 0.5–1.0× độ dày cho độ cứng O tùy hình dạng dụng cụ đột dập; độ cứng H yêu cầu bán kính lớn hơn và lực lớn hơn. Gia công nguội làm tăng bền dự đoán được, nên đối với chuỗi tạo hình nhiều giai đoạn cần có các bước tôi ủ trung gian để phục hồi độ dẻo khi cần; các chi tiết sẽ hàn hoặc anode hóa cần cân nhắc lựa chọn độ cứng giữa tạo hình và yêu cầu gia công tiếp theo.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

1N30 là hợp kim không thể xử lý nhiệt, độ bền không tăng bằng chu trình dung dịch/lão hóa. Thay vào đó, tính chất cơ học được kiểm soát bởi gia công nguội và quá trình tôi ủ/tái kết tinh có kiểm soát. Tôi ủ điển hình (mềm hoàn toàn về trạng thái O) thực hiện ở khoảng 300–415 °C tùy dạng sản phẩm và mức độ gia công nguội trước đó, thời gian giữ nhiệt tính theo độ dày và công suất sản xuất để tránh hiện tượng hạt thô.

Đường cong làm cứng do gia công ổn định và tái lập: kéo nghiệm thu và giới hạn chảy tăng theo phần trăm giảm chiều dày theo các quy luật làm cứng điển hình, cho phép nhà thiết kế dự đoán độ bền cuối cùng từ lịch trình tạo hình. Vì không có sự kết tủa làm cứng nên không có các độ cứng T tương tự họ 6xxx hoặc 2xxx; ổn định độ cứng sau gia công đạt được bằng kéo căng kiểm soát hoặc tôi ủ ổn định nhiệt độ thấp để giảm ứng suất dư.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Ở nhiệt độ cao, 1N30 thể hiện sự giảm bền và mềm dần trên khoảng 100–150 °C, với giảm đáng kể giới hạn chảy xuống gần một phần ba giá trị ở nhiệt độ phòng khi tiếp cận 200–300 °C. Nhiệt độ làm việc liên tục thường giới hạn ở mức vài trăm độ C thấp đến trung bình, và thiết kế nên dùng hợp kim nhiệt độ cao cho tải trọng kết cấu duy trì trên 150 °C.

Sự oxy hóa chỉ giới hạn hình thành lớp oxit nhôm bảo vệ, không phải là yếu tố giới hạn ăn mòn ở nhiệt độ cao trong không khí; tuy nhiên, trong môi trường oxy hóa hoặc ăn mòn mạnh có thể cần lớp phủ bảo vệ hoặc thay thế hợp kim. Vùng ảnh hưởng nhiệt hoặc vùng nóng cục bộ do hàn hoặc hàn cứng sẽ tái kết tinh và mềm cục bộ, nhưng vì hợp kim không xử lý nhiệt nên không có nguy cơ lão hóa quá mức—tuy nhiên cần lưu ý ổn định kích thước và độ cứng cho chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao gián đoạn.

Ứng Dụng

Công Nghiệp Ví Dụ Linh Kiện Lý Do Sử Dụng 1N30
Ô tô Vỏ chắn và bộ phản nhiệt Độ dẫn nhiệt cao và khả năng tạo hình tốt cho các chi tiết phản quang dập
Hàng hải Vỏ và phụ kiện không chịu lực kết cấu Khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt và dễ gia công
Hàng không vũ trụ Phụ kiện không quan trọng và tấm đệm nhiệt Độ dẫn cao, khối lượng riêng thấp và khả năng tạo hình tốt ở trạng thái O temper
Điện Thanh dẫn điện, bộ thu dòng Khả năng dẫn điện và tính hàn tuyệt vời; dễ dàng tạo hình thành các biên dạng
Điện tử Radiator tản nhiệt và vỏ bọc Độ dẫn nhiệt cao và khả năng chống ăn mòn cho sử dụng lâu dài

1N30 được ứng dụng trong những lĩnh vực ưu tiên khả năng dẫn điện và tạo hình hơn là cường độ cơ học tối đa. Nó được sử dụng rộng rãi ở những nơi đòi hỏi quá trình tạo hình phức tạp, nối ghép và hoàn thiện bề mặt đi kèm với khả năng chống ăn mòn và hiệu suất nhiệt/điện tốt.

Gợi Ý Lựa Chọn

Khi lựa chọn vật liệu, ưu tiên 1N30 hơn các loại nhôm cán thương mại tinh khiết như 1100 nếu bạn cần độ bền tăng nhẹ nhờ kiểm soát tạp chất và cấu trúc hạt, trong khi vẫn duy trì độ dẫn điện cao và khả năng tạo hình xuất sắc. Cần chú ý đánh đổi nhẹ về độ dẫn điện giảm và độ dẻo giảm chút ít để có giới hạn chảy và độ cứng tốt hơn.

So với các hợp kim làm cứng biến dạng phổ biến như 3003 hoặc 5052, 1N30 có cường độ thấp hơn nhưng thường có khả năng dẫn điện/nhiệt vượt trội và độ bền ăn mòn tương đương hoặc tốt hơn trong nhiều môi trường. Lựa chọn 1N30 khi hiệu suất dẫn điện và khả năng nối ghép quan trọng hơn cường độ gia tăng cùng hiệu quả chống ăn mòn do magiê của hợp kim 5xxx.

So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 1N30 có cường độ cực đại thấp hơn đáng kể nhưng dẫn điện tốt hơn, gia công đơn giản hơn (không cần xử lý nhiệt) và thường có khả năng tạo hình sâu tốt hơn. Dùng 1N30 khi yêu cầu nối ghép, hiệu suất điện/nhiệt và tạo hình quan trọng hơn việc cần cường độ kết cấu tối đa.

Tổng Kết Cuối

1N30 vẫn giữ vị trí quan trọng nhờ kết hợp những ưu điểm nổi bật của nhóm nhôm 1xxx—độ dẫn cao, khả năng chống ăn mòn xuất sắc và độ tạo hình tuyệt vời—với kiểm soát tạp chất và cấu trúc hạt nhằm cải thiện độ bền nhẹ và tính ổn định trong gia công, góp phần tạo nên lựa chọn thực tiễn cho các ứng dụng điện, nhiệt và môi trường hóa học nơi cường độ tối đa không phải yếu tố chính.

Quay lại blog