Nhôm 3003: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn điều kiện nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

3003 là một thành viên trong dòng hợp kim nhôm rèn 3xxx, với mangan làm nguyên tố hợp kim chính. Dòng 3xxx không thể xử lý nhiệt và gia cường chủ yếu dựa vào hiệu ứng dung dịch rắn và làm cứng biến dạng, trong đó 3003 phụ thuộc vào lượng Mn để cung cấp sự cân bằng giữa độ bền và khả năng gia công.

Thành phần hợp kim chủ yếu là mangan (khoảng 1,0–1,5%), với lượng đồng kiểm soát nhỏ, cùng hàm lượng silic và sắt thấp. Cấu tạo hóa học này tạo ra độ bền vừa phải vượt trội so với nhôm tinh khiết thương mại, khả năng chống ăn mòn tốt, tính dễ tạo hình xuất sắc ở các trạng thái xử lý mềm, và độ hàn đáng tin cậy, làm cho nó trở thành hợp kim đa dụng cho các ứng dụng tấm và đùn ép.

3003 được sử dụng rộng rãi trong HVAC, đồ gia dụng, xử lý hóa chất, ốp kiến trúc, và công việc kim loại tấm nói chung, nơi tính tạo hình và khả năng chống ăn mòn là quan trọng. Kỹ sư chọn 3003 khi cần một lựa chọn có độ bền cao hơn so với nhôm tinh khiết dòng 1000 mà không yêu cầu tăng cường bằng xử lý nhiệt, và khi quá trình gia công bao gồm uốn, dập, và hàn.

So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt, 3003 đánh đổi sức chịu kéo và giới hạn chảy tối đa chống lại khả năng gia công ổn định và giảm biến dạng do làm nguội nhanh. Tính sẵn có rộng rãi và chi phí thấp hơn so với hợp kim đặc biệt tiếp tục thúc đẩy việc chỉ định trong các ứng dụng sản lượng lớn và hàng hóa phổ thông.

Các biến thể trạng thái vật liệu

Trạng thái	Mức độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–40%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Tôi hoàn toàn, tối ưu cho dập sâu và tạo hình
H12	Trung bình	Trung bình (10–20%)	Tốt	Xuất sắc	Gia công nguội nhẹ, tăng nhẹ độ bền so với O
H14	Trung bình	Trung bình-thấp (6–12%)	Tốt	Xuất sắc	Bán cứng; phổ biến cho dập và tạo hình vừa phải
H16	Trung bình-cao	Thấp (4–8%)	Khá	Xuất sắc	Bán cứng vừa; dùng khi cần độ cứng cao hơn
H18	Cao	Thấp (1–6%)	Hạn chế	Xuất sắc	Cứng hoàn toàn; dùng cho ứng dụng yêu cầu độ cứng lớn

Trạng thái vật liệu thay đổi rõ rệt hiệu năng của 3003 thông qua làm cứng biến dạng hơn là cơ chế kết tủa. Vật liệu tôi (O) cung cấp độ dẻo và dễ tạo hình tối đa cho các thao tác dập sâu và uốn, trong khi các trạng thái H tăng độ bền bằng làm cứng biến dạng đánh đổi với độ dãn và khả năng tạo hình giảm.

Việc lựa chọn trạng thái vật liệu là sự đánh đổi trực tiếp giữa dễ gia công và yêu cầu độ cứng hoặc giới hạn chảy cuối cùng. Khả năng hàn vẫn rất tốt ở tất cả trạng thái vì gia cường không dựa vào xử lý nhiệt, tuy nhiên vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể mềm hơn nhẹ làm giảm sức bền gần mối hàn.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.6	Kiểm soát để giới hạn các pha giòn intermetallic và duy trì khả năng tạo hình
Fe	≤ 0.7	Tạp chất phổ biến; vượt mức làm giảm tính dẻo và tăng tính dị hướng
Mn	1.0–1.5	Nguyên tố hợp kim chính cung cấp độ bền thông qua làm cứng biến dạng
Mg	≤ 0.1	Thường là phần dư; không phải yếu tố gia cường chính trong 3003
Cu	0.05–0.20	Gia tăng độ bền nhẹ và chỉnh sửa tính cơ học
Zn	≤ 0.1	Giữ thấp để tránh hiện tượng điện hóa và giòn
Cr	≤ 0.05	Thường là tạp chất; có thể ảnh hưởng cấu trúc晶
Ti	≤ 0.15	Tồn tại dạng tạp chất hoặc chất khử oxy; thường rất ít
Các nguyên tố khác (mỗi loại)	≤ 0.05	Các phần dư; cân bằng còn lại là nhôm

Mangan là nguyên tố hợp kim chủ đích giúp ổn định mức độ bền cao hơn thông qua làm cứng dung dịch rắn và tinh thể hạt mịn. Đồng tăng độ bền vừa phải và có thể làm giảm nhẹ khả năng chống ăn mòn nếu ở mức trên đầu phạm vi quy định.

Silic và sắt được kiểm soát để giảm thiểu pha giòn và duy trì chất lượng bề mặt cũng như khả năng tạo hình tốt. Sự cân bằng các nguyên tố này được điều chỉnh ưu tiên đáp ứng khả năng làm cứng biến dạng hơn là kết tủa do xử lý nhiệt.

Tính chất cơ học

Hành vi kéo trong 3003 là điển hình cho các hợp kim không thể xử lý nhiệt và làm cứng biến dạng: tính chất thay đổi theo trạng thái vật liệu và mức độ gia công nguội. Trong điều kiện tôi (O), hợp kim thể hiện giới hạn chảy thấp và độ bền kéo vừa phải với độ dãn dài cao, cho phép dập sâu và tạo hình phức tạp. Khi trạng thái tiến từ H12 đến H18, giới hạn chảy và độ bền kéo tăng trong khi độ dãn và khả năng uốn giảm theo dự báo.

Độ cứng tăng cùng với gia công nguội và tương quan với tính chất kéo; độ cứng thường thấp ở trạng thái O và tăng dần trong chuỗi trạng thái H. Hiệu suất chịu mỏi ở mức trung bình và phụ thuộc lớn vào điều kiện bề mặt, gia công nguội, và ứng suất dư do tạo hình và hàn gây ra. Các tiết diện dày hơn có thể có tuổi thọ mỏi cải thiện nhẹ do độ nhạy vết khuyết thấp hơn nhưng có thể khó tạo hình và dập hơn.

Tốc độ làm cứng và độ dày ảnh hưởng đến độ dẻo cuối cùng và hiện tượng dội lò xo. Tấm mỏng dễ tạo hình với bán kính nhỏ, trong khi tấm dày hoặc đùn ép nặng chống lại quá trình tạo hình và cần lực lớn hoặc trạng thái vật liệu cứng hơn. Hàn gây ra vùng mềm cục bộ nhưng thường không làm giòn đáng kể do hợp kim không dựa trên làm cứng kết tủa.

Tính chất	O/Tôi	Trạng thái chính (H14)	Ghi chú
Độ bền kéo	110–155 MPa (16–22 ksi)	160–220 MPa (23–32 ksi)	Độ bền kéo tăng với gia công nguội; phạm vi điển hình cho các trạng thái phổ biến
Giới hạn chảy	35–70 MPa (5–10 ksi)	120–170 MPa (17–25 ksi)	Giới hạn chảy tăng đáng kể ở trạng thái H do làm cứng biến dạng
Độ dãn dài	20–40%	6–12%	Độ dẻo giảm đáng kể khi gia công nguội tăng
Độ cứng (HB)	25–45	40–80	Độ cứng tương quan với độ bền kéo và mức trạng thái vật liệu

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.73 g/cm³	Điển hình cho hợp kim nhôm; hữu ích cho tính toán khối lượng và trọng lượng
Khoảng nhiệt độ nóng chảy	~ 645–660 °C	Phạm vi nóng chảy hẹp, không có điểm eutectic rõ rệt; quan trọng cho hàn và hàn mềm
Độ dẫn nhiệt	~ 120–160 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn xuất sắc cho truyền nhiệt
Độ dẫn điện	~ 30–40 % IACS	Giảm so với dòng 1000 do hợp kim; đủ dùng cho các ứng dụng điện áp thấp
Điện trở nhiệt dung riêng (nhiệt dung riêng)	~ 900 J/kg·K	Tương đồng các hợp kim nhôm khác; quan trọng cho tính toán nhiệt dung
Hệ số giãn nở nhiệt	~ 23–24 µm/m·K	Hệ số đặc trưng của nhôm; cần tính đến biến dạng nhiệt trong kết cấu ghép

Mật độ và các tính chất nhiệt khiến 3003 trở nên hấp dẫn cho các ứng dụng yêu cầu khối lượng thấp và dẫn nhiệt tốt, như bộ trao đổi nhiệt và đồ dùng nhà bếp. Độ dẫn điện bị giảm so với các loại nhôm tinh khiết nhưng vẫn đủ cho một số ứng dụng điện và chống nhiễu EMI nơi ưu tiên độ bền cơ học.

Cần tính đến hệ số giãn nở nhiệt khi ghép nối với vật liệu khác nhau để tránh biến dạng hoặc hư hỏng mối hàn. Khoảng nóng chảy và độ dẫn nhiệt cũng ảnh hưởng đến quy trình hàn và kiểm soát nhiệt lượng đầu vào để giới hạn vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị mềm.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Thông Thường	Đặc Tính Cơ Lực	Độ Cứng Thông Dụng	Ghi Chú
Tấm	0.2–6.0 mm	Độ bền thay đổi theo độ cứng; vật liệu mỏng dễ tạo hình	O, H14, H16	Phổ biến cho các tấm bảng, mái che và thiết bị gia dụng
Thép Tấm Dày	>6.0 mm	Khả năng tạo hình thấp hơn; độ bền còn lại cao hơn ở các độ cứng H	H16, H18	Dùng khi cần độ cứng và khả năng chống mài mòn cao
Đùn	Các biên dạng dài đến vài mét	Độ bền phụ thuộc vào quá trình đùn và xử lý làm cứng/cơ lạnh	O, H12, H14	Biên dạng phức tạp cho ứng dụng kiến trúc và kết cấu
Ống	Đường kính nhỏ đến lớn	Độ dày thành ống ảnh hưởng đến độ cứng và chống xẹp	O, H14	Dùng trong HVAC, ống dẫn và khung nhẹ
Thanh/Trục	Đường kính 3–100 mm	Độ bền đặc trưng của vật liệu cán với mức độ gia công nguội khác nhau	H14, H18	Dùng cho chi tiết gia công máy và bu-lông khi tính tạo hình ít quan trọng

Tấm là dạng sản phẩm thương mại phổ biến nhất cho 3003, được cung cấp ở dạng cuộn và cắt theo chiều dài dùng cho dập và gia công cuộn. Các mặt cắt đùn được dùng khi cần biên dạng đặc biệt và thường được cung cấp ở các độ cứng mềm hơn để dễ tạo hình sau đùn.

Thép tấm dày và các tiết diện nặng ít phổ biến do khả năng tạo hình hạn chế và chi phí gia công cao hơn, nhưng được chọn khi cần độ cứng kết cấu hoặc khi quá trình chế tạo chính là gia công máy và hàn. Ống và thanh được dùng trong các ứng dụng đặc thù liên quan đến cơ khí và dẫn chất lỏng, nơi yêu cầu khả năng chống ăn mòn và độ bền trung bình.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	3003	USA	Định danh ASTM/AA; tham chiếu phổ biến tại Bắc Mỹ
EN AW	3003	Châu Âu	EN AW-3003 tương đương; cần kiểm tra độ cứng và dung sai địa phương
JIS	A3003	Nhật Bản	Thường ghi nhãn A3003; xác minh giới hạn tạp chất so với tiêu chuẩn AA
GB/T	3A21 (xấp xỉ)	Trung Quốc	3A21 thường được dùng làm tương đương Trung Quốc, với dung sai thành phần nhỏ

Việc tương đương tên gọi giữa các tiêu chuẩn thường dựa vào thành phần hợp kim, nhưng sự khác biệt về giới hạn tạp chất, định nghĩa độ cứng và yêu cầu hoàn thiện bề mặt có thể ảnh hưởng đến khả năng thay thế. Kỹ sư nên kiểm tra bảng tính chất cơ học và giới hạn kỹ thuật của tiêu chuẩn liên quan khi thay thế vật liệu từ các khu vực khác nhau.

Ngôn ngữ mua hàng và chứng nhận trong hợp đồng nên chỉ rõ tiêu chuẩn áp dụng cùng các thử nghiệm cơ–hóa cần thiết để tránh sai lệch tinh vi giữa các biến thể khu vực.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

3003 cho thấy khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt nhờ lớp oxit nhôm thụ động và hàm lượng đồng, kẽm tương đối thấp. Vật liệu này kháng được môi trường oxy hóa và khí quyển đô thị hiệu quả, làm cho nó là lựa chọn phổ biến cho mặt dựng tòa nhà, ống dẫn, và vỏ bọc ngoài trời.

Trong môi trường biển, 3003 chấp nhận được cho nhiều ứng dụng kết cấu và trang trí nhưng không kháng ăn mòn tốt bằng các mác hợp kim biển chuyên dụng như 5083 hoặc 5086. Ngâm lâu trong nước biển hoặc môi trường giàu ion clorua có thể gây ăn mòn cục bộ; nên dùng lớp phủ bảo vệ hoặc anode hi sinh cho dịch vụ lâu dài.

Ứng suất ăn mòn không phải là vấn đề lớn với 3003 vì đây không phải hợp kim nhiệt luyện cường độ cao; tuy nhiên, ứng suất dư cao kết hợp môi trường ăn mòn mạnh vẫn có thể gây hư hại cục bộ. Tương tác điện hóa với kim loại khác cần được kiểm soát, vì nhôm sẽ là cực dương so với thép và đồng phổ biến, nên phải cách điện hoặc phủ bảo vệ để tránh ăn mòn tăng tốc.

So với hợp kim dãy 1xxx, 3003 có độ bền cao hơn trong khi giữ khả năng chống ăn mòn tương đương. So với hợp kim dãy 5xxx và 6xxx, 3003 thường có độ bền thấp hơn nhưng khả năng chống ăn mòn biển tương đương hoặc hơi kém tùy theo thành phần hợp kim và môi trường.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

3003 dễ hàn bằng các phương pháp TIG, MIG (GMAW), và hàn điện trở do không có kết tủa làm cứng. Thường sử dụng các que hàn nhôm tiêu chuẩn như ER4043 (Al-Si) hoặc ER5356 (Al-Mg); ER4043 cho dòng chảy hàn tốt và giảm rỗ khí, ER5356 mang lại độ bền cao hơn vùng mối hàn. Nguy cơ nứt nóng thấp nhưng tăng khi vệ sinh kém, kẹp chặt mối hàn quá mức hoặc chọn que hàn không phù hợp; kiểm soát nhiệt và sạch mối hàn để giảm rỗ.

Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sẽ mềm đi khi hàn nối từ độ cứng H sang O, nhưng không gây ra sự tạo kết tủa làm cứng. Tính chất cơ học sau hàn phụ thuộc chính vào độ cứng vật liệu gốc và loại que hàn; nên thử cơ học mẫu mối hàn đối với các ứng dụng kết cấu quan trọng.

Khả năng cắt gọt

3003 có khả năng gia công vừa phải nhưng không phải hợp kim dễ cắt tốt; tốc độ cắt trung bình và cần thiết kế máy cứng và mũi dao hợp lý. Sinh ra dải xước dẻo, liên tục có thể bám trên dụng cụ nếu tốc độ và lượng ăn dao không tối ưu; sử dụng dao có răng cắt phá vỡ dải xước và góc cắt dương để kiểm soát phoi.

Độ mòn dụng cụ trung bình do nhôm dễ gây mài mòn; dùng dầu tưới, dụng cụ phủ carbide hoặc thép gió với góc cắt phù hợp giúp kéo dài tuổi thọ dao. Tốc độ khoan và phay nên đặt theo nhôm với ăn dao lớn và vòng quay trục thấp để tránh tạo mép dư.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình là điểm mạnh của 3003, đặc biệt ở độ cứng O, nơi mà dập sâu và uốn cong bán kính nhỏ rất dễ thực hiện. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào độ dày và độ cứng, nhưng độ cứng O thường cho phép bán kính chỉ từ 0.5–1.0× chiều dày trong nhiều thao tác, trong khi H14/H16 yêu cầu bán kính lớn hơn và có thể cần ủ mềm khi tạo hình phức tạp.

Gia công nguội tăng độ bền nhưng giảm tính dẻo; ủ trung gian (O) có thể phục hồi khả năng tạo hình sau biến dạng lớn. Đối với chu trình dập phức tạp, cần dự phòng độ hồi đàn hồi (springback) hợp lý theo độ cứng và độ dày.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

3003 là hợp kim không nhiệt luyện nên không phản ứng với xử lý hòa tan và lão hóa nhân tạo để tăng cường độ bền. Cố gắng áp dụng chu trình hòa tan và lão hóa như cho dãy 6xxx hoặc 7xxx sẽ không tạo ra hiện tượng kết tủa làm cứng; tính chất cơ học được điều chỉnh bởi thành phần và quá trình làm cứng cơ học.

Kiểm soát tính chất thực hiện bằng làm cứng cơ học và chu trình ủ. Ủ hoàn toàn (O) bằng cách nung ở nhiệt độ xác định rồi làm nguội có kiểm soát để phục hồi độ dẻo, còn các độ cứng trung gian (H12–H18) tạo ra bởi mức độ làm lạnh và đôi khi có thêm xử lý ổn định như H112.

Vì tăng cường chủ yếu bằng cơ học thay vì biến đổi cấu trúc kim loại, các chi tiết cần tăng cứng cục bộ thường dùng gia công nguội hoặc xử lý cơ học vùng thay vì xử lý nhiệt toàn bộ.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

3003 giảm dần độ bền khi nhiệt độ tăng, đúng đặc tính chung của hợp kim nhôm; trên khoảng 150–200 °C, giới hạn chảy và giới hạn bền kéo giảm rõ rệt. Tiếp xúc lâu dài trên 200 °C không khuyến nghị cho ứng dụng chịu tải do nguy cơ trượt biến dạng và làm mềm tăng nhanh.

Oxy hóa ở nhiệt độ cao bị hạn chế nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ, nhưng bề mặt có thể bị đổi màu và vảy cứng khi nhiệt độ cao hoặc môi trường ăn mòn mạnh. Vùng ảnh hưởng nhiệt sau hàn có thể mềm đi nhưng không xảy ra biến đổi độ cứng đặc trưng của hợp kim nhiệt luyện.

Cần tính đến sự giãn nở khác biệt và chu kỳ nhiệt với các vật liệu khác cùng kết nối để tránh mỏi và lỏng mối ghép. Đối với dịch vụ nhiệt độ cao liên tục, nên chọn các hợp kim thiết kế đặc biệt cho độ bền nhiệt cao.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Linh Kiện	Lý Do Sử Dụng 3003
HVAC	Ống dẫn và cuộn	Khả năng tạo hình tốt và chống ăn mòn phù hợp cho dẫn khí
Thiết Bị Gia Dụng	Nồi chảo, tấm lò nướng	Độ dẫn nhiệt và khả năng tạo hình tốt cho hình dạng dập sâu
Xây Dựng/Kiến Trúc	Tấm ốp ngoài, mái che	Khả năng chống thời tiết và dễ gia công
Hóa Chất/Quy Trình	Bồn chứa, phụ kiện đường ống	Chống ăn mòn nhiều hóa chất và dễ hàn
Điện/Truyền Nhiệt	Rãnh tản nhiệt, két nước	Độ dẫn nhiệt kết hợp với độ bền đủ dùng

3003 vẫn là hợp kim chủ lực trong nhiều ngành do sự cân bằng giữa tính tạo hình, khả năng chống ăn mòn và chi phí hợp lý. Khả năng phản ứng với quá trình làm lạnh đáng tin cậy cùng nguồn cung rộng rãi ở dạng tấm, cuộn, và đùn khiến nó trở thành lựa chọn kinh tế cho sản xuất khối lượng lớn.

Thông tin lựa chọn

Chọn 3003 khi bạn cần độ bền cao hơn so với nhôm thương mại tinh khiết (dòng 1000) đồng thời giữ được khả năng tạo hình tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn tốt. So với 1100, 3003 đánh đổi một phần độ dẫn điện và nhiệt để tăng đáng kể độ bền cơ học và cải thiện khả năng chống biến dạng khi gia công tạo hình.

So với các hợp kim làm cứng bằng biến dạng lân cận như 5052, 3003 thường có khả năng tạo hình dễ dàng hơn và khả năng chống ăn mòn tương đương nhưng độ bền thấp hơn; 5052 được ưu tiên khi yêu cầu độ bền cao hơn và khả năng chống ăn mòn trong môi trường biển tốt hơn. Khi so sánh với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 3003 được lựa chọn cho các quy trình gia công cần tạo hình và hàn nhiều, nơi độ bền tối đa không phải là yếu tố quan trọng và chi phí cùng độ dẻo dai được ưu tiên.

Về công tác thu mua, ưu tiên lựa chọn trạng thái xử lý và chứng nhận nhà cung cấp hơn là chỉ dựa vào số hiệu hợp kim khi yêu cầu khả năng tạo hình hoặc độ bền mối hàn là quan trọng. Nếu cần độ bền cao hơn sau khi tạo hình, cân nhắc gia công lạnh cơ học hoặc chuyển sang hợp kim có độ bền nội tại cao hơn với các đánh đổi chấp nhận được về gia công.

Tóm tắt cuối cùng

3003 là hợp kim nhôm đa dụng, gia tăng Mn, chiếm lĩnh khoảng giữa nhôm tinh khiết và các hợp kim có thể xử lý nhiệt với độ bền cao hơn bằng cách cung cấp sự cân bằng giữa độ bền, khả năng tạo hình xuất sắc và khả năng chống ăn mòn đáng tin cậy. Đặc tính không thể xử lý nhiệt của nó giúp đơn giản hóa lựa chọn gia công và tạo ra vật liệu tiết kiệm chi phí, có sẵn rộng rãi cho tấm, đùn và các chi tiết tạo hình trong nhiều ngành công nghiệp.