Nhôm 3004: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

Hợp kim 3004 thuộc dòng hợp kim nhôm gia công 3xxx, được phân loại cụ thể trong nhóm 3xxx Mn-Mg. Các thành phần hợp kim chính là mangan (Mn) và magiê (Mg), cùng một lượng nhỏ sắt, silic và các nguyên tố vi lượng được kiểm soát chặt chẽ.

3004 là hợp kim không thể xử lý nhiệt, được làm cứng bằng biến dạng; sức bền chủ yếu được tăng cường qua gia công nguội (làm cứng biến dạng) chứ không phải qua quá trình tạo kết tủa. Cơ chế này cho phép điều chỉnh kết hợp giữa độ bền và độ dẻo bằng cách thay đổi cấp độ tôi luyện (mức độ biến dạng và/hoặc tôi).

Đặc tính nổi bật của 3004 bao gồm độ bền trung bình đến tốt cho dòng hợp kim 3xxx, khả năng định hình cải thiện ở trạng thái đã tôi luyện, khả năng chống ăn mòn chấp nhận được trong môi trường khí quyển thông thường, và đặc tính hàn tốt. Nó thường được sử dụng trong thân lon đồ uống, bộ trao đổi nhiệt, tấm kiến trúc và các ứng dụng tấm khác khi cần sự cân bằng giữa khả năng định hình và độ bền.

Kỹ sư lựa chọn 3004 khi cần tăng độ bền so với 3003 mà vẫn giữ được đặc tính sâu rút/định hình của họ nhôm 3xxx. Nó được ưu tiên so với các hợp kim có thể xử lý nhiệt độ bền cao khi cần tấm dễ chế tạo với chi phí hợp lý hoặc các quá trình tạo hình nghiêm ngặt.

Biến Thể Tôi

Cấp Độ Tôi	Mức Độ Sức Bền	Độ Dài Ra	Khả Năng Định Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao (20–30%)	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Trạng thái tôi luyện hoàn toàn để đạt khả năng định hình tối đa
H14	Trung bình	Thấp - Trung bình (6–12%)	Tốt	Tốt	Làm cứng biến dạng một phần tư; phổ biến cho các chi tiết rút sâu/định hình
H18	Cao	Thấp (3–8%)	Giới hạn	Tốt	Hoàn toàn cứng; dùng khi cần độ bền và độ cứng cao hơn
H24	Trung bình	Trung bình (10–18%)	Tốt	Tốt	Làm cứng biến dạng rồi tôi luyện một phần; cân bằng giữa khả năng định hình và sức bền
H26	Trung bình - Cao	Trung bình (8–14%)	Khá	Tốt	Cấp độ tôi qua hai bước để đạt tính chất cơ học trung gian
H28	Cao	Thấp (4–10%)	Giới hạn	Tốt	Gia công nguội nhiều hơn để tăng giới hạn chảy và bền kéo

Cấp độ tôi ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính của 3004 vì hợp kim dựa vào biến dạng để tăng cường sức bền. Chuyển từ O sang dãy H làm tăng giới hạn chảy và giới hạn bền kéo trong khi giảm độ dẻo và khả năng kéo giãn, điều này cần cân nhắc khi thực hiện quá trình sâu rút hoặc uốn phức tạp.

Khả năng hàn vẫn mạnh mẽ ở hầu hết các cấp độ tôi vì 3004 không thể xử lý nhiệt; tuy nhiên quá trình tôi khu vực nóng chảy cục bộ và giảm sức bền sau hàn ở các cấp tôi cứng phải được tính đến trong thiết kế mối ghép.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	0.05–0.6	Kiểm soát để hạn chế các hợp chất intermetallic giòn; Si cao hơn có thể cải thiện đúc ở các hợp kim khác.
Fe	0.2–0.7	Tạp chất phổ biến; Fe cao tạo hạt intermetallic làm giảm nhẹ độ dẻo.
Mn	1.0–1.5	Chất tăng cường chính; thúc đẩy ổn định cấu trúc hạt và tăng khả năng làm cứng biến dạng.
Mg	0.8–1.3	Góp phần làm cứng biến dạng và tăng sức bền hòa tan nhẹ.
Cu	0.05–0.2	Giữ thấp để bảo vệ khả năng chống ăn mòn; lượng nhỏ tăng sức bền nhẹ.
Zn	0.05–0.2	Thành phần phụ; ảnh hưởng hạn chế nhưng được kiểm soát tránh ăn mòn hạt ranh giới.
Cr	0.05–0.20	Vi lượng có thể tinh chế cấu trúc hạt và cải thiện nhẹ khả năng chống ăn mòn.
Ti	≤0.15	Chất khử oxi hóa và tinh chế hạt trong một số quy trình cán; lượng nhỏ kiểm soát kích thước hạt.
Khác	≤0.05 mỗi loại, ≤0.15 tổng cộng	Các thành phần còn lại và vi lượng; phần còn lại là nhôm (~96.2–98.8%).

Mangan và magiê là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất: Mn ổn định và tinh chế cấu trúc vi mô, tăng khả năng chống tái kết tinh, trong khi Mg tăng khả năng làm cứng biến dạng và cung cấp tăng sức bền hòa tan vừa phải. Các nguyên tố tạp như sắt và silic tạo các pha intermetallic có thể làm giảm độ dẻo và ảnh hưởng bề mặt; việc kiểm soát chặt chẽ các yếu tố này là quan trọng đối với tấm sẽ trải qua quá trình rút sâu hoặc hoàn thiện trang trí.

Đặc Tính Cơ Học

Đặc tính kéo của 3004 đặc trưng cho hợp kim nhôm làm cứng bằng biến dạng và không thể xử lý nhiệt. Ở trạng thái đã tôi luyện, hợp kim có giới hạn chảy và bền kéo thấp với độ dãn đồng đều cao, cho phép kéo sâu và định hình; sau khi gia công nguội vừa phải, giới hạn chảy tăng đáng kể và độ dãn giảm, tạo khoảng sức bền phù hợp cho các chi tiết tấm kết cấu.

Giới hạn chảy và bền kéo nhạy cảm với độ dày và cấp tôi. Các tấm mỏng thường có giới hạn chảy bề mặt cao hơn do làm cứng bề mặt và kết cấu xử lý; ngược lại, tấm dày hoặc thanh ép có thể giảm phản ứng làm cứng và hơi giảm sức bền so với các cấp tôi tương đương.

Hiệu suất chống mỏi trung bình và phụ thuộc vào hoàn thiện bề mặt cũng như ứng suất còn lại từ quá trình tạo hình hoặc hàn; các vết trầy xước và khuyết tật bề mặt làm giảm tuổi thọ mỏi đáng kể. Độ cứng tương ứng với đặc tính kéo và hữu ích để kiểm tra nhanh tại hiện trường về cấp độ tôi luyện và mức độ làm cứng nguội.

Đặc Tính	O/Tôi luyện	Cấp Tôi Chính (H14)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo (UTS)	110–145 MPa	170–230 MPa	Phạm vi tùy thuộc độ dày, lịch sử gia công và cấp tôi chính xác.
Giới Hạn Chảy (0.2% offset)	35–75 MPa	120–170 MPa	Cấp H14 tăng đáng kể so với trạng thái tôi luyện do làm cứng biến dạng.
Độ Dài Ra (A50 mm)	20–30%	6–12%	Độ dài giảm rõ rệt khi tăng độ làm cứng nguội.
Độ Cứng (Brinell, xấp xỉ)	30–45 HB	55–85 HB	Độ cứng tương quan với cấp độ tôi; hữu ích cho QC và kiểm tra trong quá trình sử dụng.

Đặc Tính Vật Lý

Đặc Tính	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.70–2.73 g/cm³	Điển hình cho hợp kim nhôm gia công; ảnh hưởng đến tính toán khối lượng và độ cứng.
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~640–650 °C	Nhiệt độ solidus và liquidus gần nhau; hành vi nóng chảy tương tự hợp kim nhôm thương mại.
Độ Dẫn Nhiệt	~120–160 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim; vẫn tốt cho các ứng dụng trao đổi nhiệt.
Độ Dẫn Điện	~30–40 % IACS (~17–23 MS/m)	Giảm so với nhôm tinh khiết; thiết kế mạch nên tính đến điện trở cao hơn.
Nhiệt Dung Riêng	~900 J/kg·K	Giá trị điển hình cho hợp kim nhôm dùng trong mô hình nhiệt.
Độ Giãn Nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Hệ số giãn nở tương đối cao; quan trọng khi thiết kế mối nối với vật liệu khác loại.

Những hằng số vật lý này phản ánh tính ứng dụng của 3004 khi cần truyền nhiệt và khối lượng nhẹ mà không đòi hỏi khả năng chịu nhiệt cao cấp. Độ dẫn nhiệt và điện thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn tốt hơn nhiều loại thép, làm cho 3004 phù hợp cho cánh tản nhiệt bộ trao đổi nhiệt và vỏ bọc dẫn điện cần độ bền và khả năng định hình.

Dữ liệu giãn nở và dẫn nhiệt thiết yếu cho các cụm lắp ghép đa vật liệu; nhà thiết kế nên tính đến hiện tượng giãn nở khác biệt khi liên kết hoặc cố định cơ khí 3004 với kim loại có hệ số giãn nở khác biệt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Hành Vi Cơ Lực	Độ Cứng Thường Dùng	Ghi Chú
Tấm (Sheet)	0.2–4.0 mm	Phản ứng tốt với gia công lạnh; các tấm mỏng dễ dàng tạo hình	O, H14, H24	Được sử dụng rộng rãi làm thân lon nước giải khát và tấm ốp kiến trúc.
Tấm Dày (Plate)	>4.0 mm đến ~12 mm	Gia công cứng giảm theo độ dày; có thể được xử lý giảm ứng suất	O, H18, H26	Dùng cho các tấm lớn hơn hoặc chi tiết dập nông.
Đùn (Extrusion)	Hồ sơ với tiết diện vừa phải	Gia công cứng hạn chế so với tấm cán; cần xử lý nhiệt sau đùn	H14, H26	Ít phổ biến hơn các hợp kim khác trong đùn phức tạp; phù hợp cho các hồ sơ đơn giản.
Ống (Tube)	Đường kính ngoài phổ biến 6–200 mm	Kéo nguội và tôi luyện kiểm soát tính chất thành ống	O, H14	Dùng trong ống trao đổi nhiệt và kết cấu; khả năng chống ăn mòn quan trọng.
Thanh/Cây (Bar/Rod)	Đường kính đến ~100 mm	Cường độ tăng với kéo nguội; khả năng gia công biến đổi	H14, H18	Dùng cho phụ kiện gia công và chi tiết cơ khí cần cường độ vừa phải.

Việc lựa chọn sản phẩm tạo hình phụ thuộc vào độ nhạy của hợp kim với gia công cứng và các quá trình tạo hình dự kiến. Tấm và các sản phẩm mỏng chiếm ưu thế do tận dụng được khả năng kéo sâu xuất sắc của 3004 trong trạng thái ủ mềm cũng như tăng cường độ kiểm soát được bằng gia công lạnh.

Sản phẩm dày hơn như tấm dày và thanh thường cần quy trình xử lý khác (cán nóng, chu trình tôi luyện/ủ) để đạt tính chất đồng đều; các dạng này được chọn khi hình học và yêu cầu độ cứng vượt trội hơn khả năng tạo hình sâu.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	3004	USA	Chỉ định của Aluminum Association thường dùng trong mua hàng.
EN AW	3004	Châu Âu	Tương đương EN AW-3004; dung sai thành phần và phương pháp kiểm tra theo tiêu chuẩn EN.
JIS	A3004 (hoặc tương tự)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật liệt kê hợp kim nhôm-mangan-magie khác biệt nhỏ về tên gọi.
GB/T	3A04 / 3004	Trung Quốc	Định danh Trung Quốc thường dùng là 3A04; dung sai thành phần có thể khác chút ít.

Các tiêu chuẩn tương đương cơ bản có thể thay thế cho nhau nhưng có thể khác nhau về giới hạn tạp chất cho phép, độ cứng quy định và phương pháp thử nghiệm. Người mua nên yêu cầu chứng nhận tiêu chuẩn cụ thể (AA, EN, JIS, GB/T) và cấp độ cứng để phù hợp với tiêu chí cơ lý và phạm vi độ dày tấm giữa các khu vực.

Quy trình sản xuất tại nhà máy (lịch cán, thông số ủ, xử lý bề mặt cuối cùng) cũng có thể tạo ra sự khác biệt về cấu trúc và khả năng tạo hình dù thành phần hóa học cùng mác nominal.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Trong điều kiện khí quyển, 3004 có khả năng chống ăn mòn tổng quát tốt, tương đương các hợp kim Al-Mn khác; có màng oxide tự phục hồi bảo vệ kim loại nền khi tiếp xúc môi trường bình thường. Thành phần magiê làm thay đổi nhẹ xu hướng ăn mòn cục bộ nhưng không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng chống ăn mòn khí quyển nói chung cho các ứng dụng như ốp kiến trúc hay thân lon nước giải khát.

Trong môi trường biển hoặc chứa chloride, 3004 dễ bị ăn mòn hố và khe hở hơn các hợp kim Al-Mg (5xxx); các cạnh tiếp xúc, mối hàn và khe hở cần được chú ý trong thiết kế và, nếu có thể, sơn phủ bảo vệ hoặc anode hóa. Với yêu cầu ngâm nước biển kéo dài, các hợp kim có hàm lượng magiê cao hơn (ví dụ 5052) hoặc lớp phủ bảo vệ thường được ưu tiên hơn.

Nứt ăn mòn ứng suất (SCC) không phải là mối quan ngại lớn với 3004 so với các hợp kim có cường độ cao xử lý nhiệt; bản chất không xử lý nhiệt và cường độ tương đối thấp làm giảm nguy cơ SCC. Khi tiếp xúc điện hóa với inox hoặc kim loại quý, 3004 có tính khử điện hơn nên cần cách điện hoặc sử dụng bu lông, lớp phủ tương thích để giảm ăn mòn điện hóa.

So với nhôm tinh khiết thương mại 1xxx, 3004 có độ dẫn điện giảm nhẹ nhưng bù lại cường độ cao hơn đồng thời giữ được khả năng chống ăn mòn tương tự. So với hợp kim 5xxx, 3004 thường có kháng ăn mòn hố thấp hơn nhưng khả năng tạo hình trong trạng thái ủ mềm tốt hơn.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

3004 dễ dàng hàn bằng các phương pháp fusion phổ biến như GTAW (TIG) và GMAW (MIG); phương pháp nối rắn như hàn điểm điện trở cũng khả thi cho lắp ráp tấm. Dây hàn điển hình là Al-Mg-Si hoặc Al-Si (ví dụ ER4043 hoặc ER5356) được chọn để cân bằng khả năng hàn, chống ăn mòn và tương thích cơ học với kim loại nền.

Khả năng nứt nóng thấp hơn so với hợp kim có cường độ cao xử lý nhiệt, nhưng cần thận trọng trong thiết kế mối nối và kiểm soát nhiệt tránh làm mất cứng quá mức vùng tiếp xúc khi mối hàn. Cơ tính sau hàn sẽ giảm cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nếu trước đó vật liệu đã gia công lạnh; người thiết kế cần tính đến giảm cường độ cục bộ tại các chi tiết gia công nặng.

Gia công cơ khí

Khả năng gia công của 3004 ở mức trung bình và thường thấp hơn các hợp kim nhôm có thêm chì hoặc các chất phụ gia dễ gia công khác. Hợp kim này có tính dẻo cao, dễ tạo ra mảnh phoi dài và dai trừ khi phoi bị bẻ gãy bởi hình dạng dụng cụ và cắt gián đoạn; khuyến nghị dùng dao cacbua có góc nghiêng dương và bộ phá phoi.

Tốc độ cắt và lượng chạy dao nên điều chỉnh phù hợp với cấp độ cứng và tiết diện; sử dụng dung dịch bôi trơn và làm mát bằng nước giúp tăng độ bền dụng cụ và màu bề mặt. Với chi tiết chính xác yêu cầu tốc độ gia công cao, các hợp kim xử lý nhiệt có cấp độ gia công được thiết kế đặc biệt thường được ưu tiên.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình là một trong những điểm mạnh của 3004 trong trạng thái ủ mềm (O), cho phép kéo sâu, ép mỏng và dập phức tạp thường dùng trong sản xuất container. Bán kính uốn trong tối thiểu phụ thuộc vào độ cứng và độ dày; trạng thái O thường cho phép bán kính uốn 1–2× độ dày (t), trong khi cấp độ gia công cứng H14 có thể yêu cầu bán kính lớn hơn 2–4×t để tránh nứt.

Gia công lạnh làm tăng cường độ nhưng giảm độ giãn dài; độ đàn hồi trở lại ở mức trung bình và phải được tính đến trong thiết kế khuôn. Các kỹ thuật như tôi luyện trung gian, bôi trơn kiểm soát và kéo dãn giúp cải thiện kết quả cho các hình dạng phức tạp.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

3004 không thể xử lý nhiệt và không có phản ứng rõ ràng với việc gia nhiệt tôi dung và lão hóa nhân tạo như các hợp kim 6xxx hoặc 7xxx. Việc thử gia nhiệt làm tăng cường độ rất hạn chế vì Mn và Mg chủ yếu góp phần vào gia công cứng và hòa tan trong dung dịch rắn hơn là tạo kết tủa cứng hóa tuổi.

Kiểm soát tính chất đạt được bằng gia công lạnh và chu trình ủ: tôi luyện hoàn toàn (O) thường được thực hiện bằng cách nung đến nhiệt độ thích hợp (thường trong khoảng 300–420 °C tùy thuộc phương pháp nhà máy), giữ nhiệt cho tái kết tinh rồi làm nguội để đạt độ dẻo tối đa. Tôi luyện bán phần (các cấp H2x, H3x) được dùng để thiết lập cân bằng cường độ/độ dẻo trung gian sau biến dạng lạnh.

Ký hiệu cấp độ cứng kiểu T (ví dụ T5/T6) thường không áp dụng hiệu quả cho 3004 vì cứng hóa kết tủa rất nhỏ; quy định và chọn cấp độ cứng nên giới hạn trong các loại H và O để có kết quả dự đoán được.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Cường độ của 3004 giảm khi nhiệt độ tăng và mềm hóa đáng kể diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy điển hình của hợp kim; trên khoảng 100–150 °C, cường độ ổn định giảm và hiện tượng trượt creep ngày càng quan trọng. Với các ứng dụng nhiệt độ cao ngắt quãng, 3004 có thể dùng đến nhiệt độ vừa phải nhưng không khuyến cáo sử dụng liên tục trên ~150 °C cho kết cấu.

Quá trình oxy hóa rất ít ở nhiệt độ làm việc cao phổ biến vì nhôm tạo lớp oxide bảo vệ; tuy nhiên phủ bảo vệ và gioăng kín mối nối là cần thiết khi có hơi nước nóng hoặc môi trường ăn mòn kéo dài. Nhiệt độ cũng có thể làm mất hiệu quả gia công lạnh và thay đổi cơ tính ở các cấp độ cứng biến dạng trước đó, do vậy lịch sử nhiệt phải được xem xét cho các chi tiết sử dụng gần giới hạn nhiệt.

Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sau hàn sẽ bị mềm hóa cục bộ nơi có gia công lạnh trước đó; sự giảm cường độ này cần được tính đến khi thiết kế kết cấu hàn dùng trong môi trường nhiệt độ cao.

Ứng dụng

Ngành	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng 3004
Đóng gói / Đồ uống	Thân và vỏ lon	Khả năng kéo sâu xuất sắc và cân bằng độ bền cho sản xuất lon mỏng
HVAC / Trao đổi nhiệt	Đuôi tản nhiệt, cuộn dây, ống	Độ dẫn nhiệt tốt và khả năng tạo hình cho vật liệu làm đuôi tản nhiệt và ống
Kiến trúc	Vật liệu phủ bề mặt, trần phụ	Khả năng tạo hình, bề mặt hoàn thiện và khả năng chống ăn mòn vừa phải
Ô tô	Tấm nội thất, chi tiết trang trí không chịu lực	Khả năng tạo hình và tiết kiệm trọng lượng cho các chi tiết dập
Điện tử	Thiết bị tản nhiệt, vỏ bảo vệ	Quản lý nhiệt kết hợp với khả năng gia công và chi phí hiệu quả

3004 được sử dụng rộng rãi khi cần tấm kim loại có khả năng tạo hình tốt và tăng nhẹ độ bền so với 3003 mà không làm giảm khả năng gia công hoặc tăng đáng kể chi phí. Việc sử dụng trong thân lon đồ uống minh họa cho môi trường sản xuất đòi hỏi cao, nơi khả năng kéo sâu đồng đều, bề mặt hoàn thiện và chi phí trên mỗi kilogram là yếu tố quan trọng.

Đối với các chi tiết yêu cầu khả năng chống ăn mòn cao hơn hoặc độ bền kéo ở nhiệt độ cao duy trì tốt hơn, các dòng hợp kim khác có thể được lựa chọn, nhưng đối với các ứng dụng tấm tạo hình sản xuất số lượng lớn, 3004 vẫn là lựa chọn kinh tế và bền bỉ.

Gợi ý lựa chọn

Chọn 3004 khi cần độ bền kéo có thể tạo hình cao hơn so với nhôm tinh khiết thương mại (1100) trong khi vẫn giữ được khả năng gia công và bề mặt hoàn thiện vượt trội của 1100. So với 1100, 3004 đánh đổi một phần độ dẫn điện và độ dẻo tối đa để cải thiện giới hạn chảy và giới hạn bền kéo, cho phép sử dụng tấm mỏng hơn trong các chi tiết tạo hình.

So với các hợp kim làm cứng nguội lân cận như 3003 và 5052, 3004 nằm giữa chúng: cung cấp độ bền cao hơn 3003 với các quy trình tạo hình tương tự và thường có khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt hơn một số lô 3003, trong khi 5052 cung cấp khả năng chống ăn mòn biển ưu việt và độ bền cao hơn nhưng đánh đổi một phần khả năng kéo sâu. So với các hợp kim xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 3004 được chọn khi ưu tiên khả năng tạo hình và sản xuất tấm chi phí thấp mà không cần độ bền tối đa; hợp kim này được ưu tiên cho các chi tiết kéo sâu và các dây chuyền sản xuất liên tục, nơi xử lý nhiệt không thực tế.

Tổng kết

Hợp kim 3004 vẫn có vai trò quan trọng nhờ đáp ứng một nhu cầu thực tiễn: hợp kim Al-Mn-Mg làm cứng nguội kết hợp khả năng kéo sâu tin cậy với sự cải thiện hữu ích về độ bền so với các hợp kim 3xxx cơ bản. Khả năng chống ăn mòn cân bằng, hiệu suất kết nối tốt và kinh tế sản xuất thuận lợi khiến 3004 trở thành lựa chọn chủ đạo cho các sản phẩm như vỏ bình chứa đồ uống, chi tiết HVAC và tấm kiến trúc tạo hình, nơi tính gia công và kiểm soát chi phí là ưu tiên hàng đầu.