Nhôm 3007: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

3007 là một thành viên của dòng hợp kim nhôm 3xxx, một họ hợp kim được định nghĩa bởi mangan là nguyên tố hợp kim chính. Dòng này không thể xử lý nhiệt và đạt độ bền chủ yếu thông qua hiệu ứng dung dịch rắn và làm cứng nguội thay vì làm cứng kết tủa.

Nguyên tố hợp kim chính trong 3007 thường bao gồm mangan với các bổ sung nhỏ kiểm soát được của silic, sắt và một lượng rất nhỏ magie hoặc crôm để điều chỉnh độ bền, hành vi tái kết tinh và khả năng chống ăn mòn. Cơ chế tăng cường tổng thể là làm cứng nguội (làm cứng biến dạng) kết hợp với kiểm soát vi cấu trúc từ nguyên tố hợp kim; quá trình lão hóa và xử lý dung dịch gần như không đóng vai trò trong việc phát triển độ bền cực đại.

Đặc điểm chính của 3007 là độ dẻo vừa đến cao ở điều kiện đã ủ, khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường khí quyển, tính hàn hợp lý bằng các quá trình fusion thông thường, và mức độ bền cao hơn nhôm thương mại tinh khiết nhưng thấp hơn các hợp kim 6xxx hoặc 7xxx có thể xử lý nhiệt. Những thuộc tính này làm cho 3007 hấp dẫn trong các ngành công nghiệp đòi hỏi sự linh hoạt trong gia công và hiệu suất chống ăn mòn, như các tấm panel bên trong ô tô, ốp kiến trúc, mặt dựng tòa nhà và các bộ phận thiết bị gia dụng.

Thiết kế viên chọn 3007 thay cho các hợp kim khác khi cần cân bằng giữa độ dẻo, chất lượng bề mặt và độ bền vừa phải, hoặc khi ưu tiên việc gia công sau tạo hình (đóng sâu, uốn). Hợp kim này được chọn thay vì các vật liệu hợp kim cao hoặc có thể xử lý nhiệt khi chi phí, dễ dàng tạo hình và khả năng chống ăn mòn khí quyển quan trọng hơn giới hạn chảy tối đa.

Các Loại Độ Cứng

Độ Cứng	Cấp độ bền	Độ dãn	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–40%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Điều kiện đã ủ hoàn toàn cho độ dẻo tối đa
H12	Thấp đến Trung bình	Trung bình (10–25%)	Rất tốt	Rất tốt	Làm cứng một phần với khả năng kéo tốt
H14	Trung bình	Trung bình đến thấp (6–15%)	Tốt	Tốt	Độ cứng làm lạnh điển hình trên thị trường cho độ bền vừa phải
H16	Trung bình đến cao	Thấp (4–10%)	Khá	Tốt	Làm cứng biến dạng cao hơn cho các chi tiết cứng vững hơn
H18	Cao	Thấp (≤5%)	Hạn chế	Tốt	Độ cứng làm lạnh cao nhất sử dụng cho các yêu cầu độ bền chảy cao hơn
T4*	Không áp dụng / Không điển hình	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Đưa vào để hoàn chỉnh — các hợp kim 3xxx thường không làm cứng bằng kết tủa

Việc lựa chọn độ cứng cho 3007 ảnh hưởng mạnh đến sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo: tăng số H làm tăng giới hạn chảy và giới hạn bền kéo nhưng giảm độ dãn và khả năng tạo hình. Trong các công việc gia công đòi hỏi nhiều tạo hình, nên ưu tiên loại O hoặc các độ cứng H thấp; đối với các chi tiết hoàn thiện cần độ cứng cao hơn hoặc kiểm soát độ đàn hồi lò xo, có thể chọn H16 hoặc H18.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0.05–0.50	Kiểm soát để giới hạn các tạp chất liên quan đến đúc và giữ bề mặt mịn.
Fe	0.20–0.70	Tạp chất điển hình; Fe cao làm giảm độ dẻo và chất lượng bề mặt.
Mn	0.6–1.5	Nguyên tố hợp kim chính tăng cường của dòng 3xxx.
Mg	0.05–0.50	Bổ sung nhỏ giúp cải thiện khả năng làm cứng biến dạng và tăng nhẹ độ bền.
Cu	≤0.20	Giữ thấp để hạn chế khả năng ăn mòn và duy trì khả năng hàn.
Zn	≤0.25	Giữ thấp để tránh tác động xấu đến ăn mòn và giòn hóa.
Cr	≤0.10	Lượng nhỏ có thể kiểm soát tái kết tinh và cấu trúc hạt.
Ti	≤0.10	Chất tinh luyện hạt trong sản phẩm đúc hoặc làm biến dạng nặng với lượng rất nhỏ.
Nguyên tố khác (mỗi loại)	≤0.05	Nguyên tố vết được giữ ở mức thấp; phần còn lại là nhôm.

Thành phần thể hiện là đặc trưng cho hóa học công nghiệp điển hình của 3007 hơn là một tiêu chuẩn chính thức duy nhất. Mangan là nguyên tố hợp kim vi lượng chủ yếu mang lại phần lớn độ bền trong điều kiện gia công. Silic và sắt kiểm soát khả năng đúc và tạp chất; các bổ sung nhỏ magie nâng cao khả năng làm cứng biến dạng và tăng nhẹ độ bền, trong khi đồng và kẽm ở mức thấp giúp duy trì khả năng chống ăn mòn và hàn.

Tính Chất Cơ Học

Trong tính năng kéo, 3007 thể hiện phản ứng dẻo, có thể làm cứng gia công với hệ số làm cứng biến dạng khá bằng phẳng trong điều kiện đã ủ và tăng giới hạn chảy cùng với làm lạnh nguội. Mẫu thử đã ủ thường có độ dãn tổng cao và giới hạn chảy thấp, trong khi các độ cứng làm lạnh cho giá trị giới hạn chảy và bền kéo cao hơn nhưng giảm độ dẻo và độ dai va đập. Hành vi mỏi được kiểm soát bởi chất lượng bề mặt, mức độ làm lạnh và độ dày; bề mặt gia công nguội bóng có thể cho giới hạn mỏi được cải thiện so với điều kiện cán thô.

Giới hạn chảy tăng theo mức giảm lạnh và có thể được nâng lên dự đoán được ở các độ cứng H, nhưng hợp kim không có đường làm cứng kết tủa để đạt được giới hạn chảy cao như các hợp kim 6xxx hay 7xxx. Độ cứng tỷ lệ thuận với độ bền kéo và mức giảm lạnh; tấm mỏng làm cứng nhanh hơn nên thường đạt độ bền cao hơn cho cùng độ cứng so với các tấm dày hơn.

Tính chất	O/Đã ủ	Độ cứng chính (H14)	Ghi chú
Độ bền kéo (MPa)	100–140	170–220	Giá trị phụ thuộc vào độ dày và mức làm lạnh; các phạm vi giá trị điển hình.
Giới hạn chảy (0,2%, MPa)	30–60	110–160	H14 làm tăng đáng kể giới hạn chảy thông qua làm cứng biến dạng.
Độ dãn (%)	20–40	6–15	Vật liệu đã ủ phù hợp cho đóng sâu; các độ cứng H giới hạn khả năng tạo hình.
Độ cứng (HB)	25–45	55–85	Phạm vi Brinell ước lượng; độ cứng tăng gần tuyến tính với mức làm lạnh.

Độ dày ảnh hưởng đến phản ứng cơ học: tấm mỏng làm lạnh biến dạng đều hơn và có thể đạt độ bền cao hơn ở các độ cứng H, trong khi các tiết diện dày hơn có thể giữ giới hạn chảy thấp hơn và độ dai va đập cao hơn. Cần lưu ý tính bất đẳng hướng do cán và hướng thử tải cho các ứng dụng kết cấu quan trọng.

Tính Chất Vật Lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.70 g/cm³	Đặc trưng cho các hợp kim nhôm thương mại; hữu ích trong tính toán khối lượng.
Phạm vi nóng chảy	640–660 °C	Cửa sổ nhiệt độ nóng chảy hẹp đặc trưng của hợp kim gia công rèn.
Độ dẫn nhiệt	150–180 W/(m·K)	Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim hóa; vẫn tốt cho phân tán nhiệt.
Độ dẫn điện	30–45 %IACS	Hợp kim hóa làm giảm độ dẫn điện so với nhôm tinh khiết.
Nhiệt dung riêng	880–910 J/(kg·K)	Khoảng 0.88–0.91 J/g·K tại nhiệt độ phòng.
Hệ số giãn nở nhiệt	23–24 µm/(m·K)	Tương tự các hợp kim Al-Mn khác; quan trọng trong tính toán sai lệch nhiệt.

Các tính chất vật lý này làm cho 3007 phù hợp cho các chi tiết cần dẫn nhiệt tốt nhưng không thể chấp nhận chi phí hoặc khả năng tạo hình kém hơn của các vật liệu hợp kim cao hơn và có xử lý nhiệt. Khả năng dẫn điện và nhiệt vẫn đáp ứng cho nhiều ứng dụng tản nhiệt và vỏ bọc, trong khi lợi thế về mật độ thúc đẩy các thiết kế nhạy cảm về trọng lượng trong vận tải và kiến trúc.

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 cứng do biến dạng gia tăng khi giảm chiều dày; tấm mỏng tăng cường độ nhanh hơn	O, H12, H14	Phổ biến dùng cho các tấm panel, dập sâu và dập khuôn
Thép tấm	6–50 mm	Độ cứng do biến dạng giảm qua mỗi lần gia công; tiết diện dày có độ bền lạnh thấp hơn	O, H18	Dùng khi cần tiết diện dày hơn với khả năng tạo hình vừa phải
Đùn	Hình biên dạng đến 300 mm	Độ bền phụ thuộc vào tỷ lệ đùn và gia công nguội tiếp theo	O, H12	Đùn dùng cho biên dạng kiến trúc và khung kết cấu
Ống	Độ dày thành 0.5–10 mm	Kéo nguội tạo tăng giới hạn chảy dự đoán được	O, H14	Ống dùng cho HVAC, kiến trúc và kết cấu
Thanh / Tròn	Đường kính 3–75 mm	Gia tăng độ cứng qua kéo và gia công nguội hoàn thiện	O, H16	Dùng cho chi tiết gia công nhỏ hoặc thanh kết cấu

Sản xuất dạng tấm và dải chiếm ưu thế với 3007, nơi các chu kỳ cán và ủ được điều chỉnh để đạt bề mặt mịn và khả năng kéo dãn. Đùn và sản xuất ống đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ thành phần phôi và quá trình đồng nhất hóa để tránh khuyết tật bề mặt và kiểm soát hiện tượng tái kết tinh. Sản xuất thép tấm ít phổ biến hơn, sử dụng khi cần tiết diện dày với khả năng chống ăn mòn tốt.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	3007	USA	Chỉ định chính được sử dụng trong một số danh mục của nhà cung cấp; tên gọi theo chuỗi 3xxx.
EN AW	3007	Châu Âu	Chỉ định hợp kim thương mại dùng trong một số chuỗi cung ứng Châu Âu; kiểm tra thông số nhà cung cấp.
JIS	A3007 (không chính thức)	Nhật Bản	Không có tương đương trực tiếp phổ biến trong JIS ở một số trường hợp; kiểm tra tiêu chuẩn quốc gia.
GB/T	3007	Trung Quốc	Nhà cung cấp Trung Quốc có thể dùng chỉ định số giống nhau nhưng cần xác minh tỷ lệ thành phần.

Sự tương đương giữa các vùng thường mang tính xấp xỉ do các tiêu chuẩn khác nhau cho phép dung sai thành phần và cách kiểm tra tính chất khác nhau. Khi thay thế mác giữa các tiêu chuẩn, cần xác nhận giới hạn thành phần hóa học, điều kiện thử cơ học và cách gọi độ cứng vì thay đổi nhỏ về Mn hoặc Mg có thể ảnh hưởng đến khả năng tạo hình và tái kết tinh.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

3007 có khả năng chống ăn mòn khí quyển tổng quát tốt nhờ hàm lượng đồng và kẽm thấp cùng lớp màng oxit nhôm bảo vệ. Trong môi trường công nghiệp và ô nhiễm nhẹ, hợp kim thể hiện độ bền lâu dài, với ăn mòn dạng rỗ thường được kiểm soát bởi chất lượng bề mặt và sự hiện diện của halide có tính ăn mòn.

Trong môi trường biển hoặc giàu chloride, hợp kim họ 3xxx, bao gồm 3007, có khả năng chống ăn mòn hợp lý nhưng thường bị các hợp kim Mg họ 5xxx vượt trội về độ bền và khả năng chống ăn mòn trong nước biển. Các phương pháp xử lý bề mặt như anode hóa hoặc phủ hữu cơ thường được áp dụng để kéo dài tuổi thọ trong môi trường biển.

Mức độ nhạy cảm với nứt do ăn mòn ứng suất thấp hơn so với các hợp kim nhiệt luyện có cường độ cao; tuy nhiên môi trường chloride tập trung và ứng suất kéo dư có thể làm tăng rủi ro. Cần lưu ý tương tác điện hóa: khi tiếp xúc với kim loại quý hơn như thép không gỉ hoặc đồng, nhôm sẽ là anot và ăn mòn ưu tiên trừ khi được cách điện hoặc cách ly.

So với các hợp kim 1xxx (nhôm tinh khiết thương mại), 3007 đánh đổi một phần dẫn điện và dẫn nhiệt để nâng cao độ bền và khả năng chống creep. So với họ 5xxx, nó đánh đổi một phần khả năng chịu ăn mòn trong môi trường nước biển ăn mòn cao để lấy lợi thế về khả năng tạo hình và thường chi phí thấp hơn.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

3007 dễ dàng hàn bằng các phương pháp hàn nóng chảy phổ biến như MIG (GMAW) và TIG (GTAW) với nguy cơ nứt nóng thấp khi áp dụng đúng quy trình. Các loại que hàn khuyến nghị là các hợp kim nhôm thấp hợp với dải 3xxx; ER4043 (Al-Si) và ER5356 (Al-Mg) thường được sử dụng tùy yêu cầu mối hàn và tính chống ăn mòn sau hàn. Hiện tượng làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt không đáng kể do không phải hợp kim nhiệt luyện, nhưng tính chất cơ học vùng hàn phụ thuộc vào thiết kế mối nối và kiểm soát ứng suất dư.

Khả năng gia công cơ khí

Khả năng gia công của 3007 ở mức trung bình, tương tự các hợp kim trong họ 3xxx; gia công tốt hơn một số hợp kim hợp kim cao hoặc dễ bị già hóa nhờ mảnh phoi dẻo. Dụng cụ cacbua với góc cắt dương và làm mát tốt giúp cải thiện bề mặt và tuổi thọ dụng cụ; tốc độ gia công thường thận trọng so với thép và phụ thuộc vào độ cứng và độ dày vật liệu. Mảnh phoi thường dài, liên tục ở các độ cứng mềm, do đó các biện pháp kiểm soát phoi (chia đoạn cắt, phá phoi) hữu ích cho tự động hóa gia công.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình là thế mạnh chính của 3007, đặc biệt ở trạng thái ủ mềm (O) khi có thể thực hiện dập sâu, quay ly tâm và dập phức tạp với độ nẩy thấp. Bán kính uốn nhỏ nhất có thể đạt 1–2 lần độ dày trong trạng thái O cho nhiều hình dạng; các độ cứng H làm tăng độ nẩy và đòi hỏi bán kính uốn lớn hơn hoặc lực lớn hơn. Gia công nguội nâng cao giới hạn chảy và có thể điều chỉnh cân bằng giữa độ cứng và khả năng tạo hình, nhưng thường phải trải qua nhiều giai đoạn tạo hình xen kẽ với ủ trung gian cho hình dạng phức tạp.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim không nhiệt luyện, 3007 không phản ứng với việc xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo như các hợp kim 6xxx hoặc 7xxx. Cố gắng xử lý dung dịch và tôi lão chỉ tạo thay đổi nhỏ vì mangan và các nguyên tố chính khác không tạo pha làm cứng dưới các phương pháp xử lý thông thường.

Cách chính để thay đổi độ bền là gia công nguội (độ cứng H) và ủ kiểm soát. Ủ mềm toàn phần (O) đạt được bằng cách nung đến nhiệt độ đủ để tái kết tinh cấu trúc (thường trong phạm vi dùng cho họ 3xxx), sau đó làm mát chậm để đạt độ mềm tối đa và khả năng tạo hình tốt nhất. Các phương pháp ủ một phần và làm cứng qua chu kỳ biến dạng nhiệt và cơ được dùng để điều chỉnh khả năng kéo dãn hoặc tính chất kéo cho từng quy trình tạo hình.

Ứng dụng cần phục hồi độ dẻo sau khi gia công nguội nhiều có thể áp dụng chu kỳ ủ tiêu chuẩn để tái tạo khả năng tạo hình mà không cần thiết bị xử lý nhiệt phức tạp. Luôn kiểm tra tính chất cơ học sau mọi xử lý nhiệt vì sự phát triển thớ lớn hoặc oxy hóa bề mặt có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

3007 duy trì tính chất cơ học có thể dùng được ở nhiệt độ trung bình nhưng mất đáng kể sức bền trên khoảng 150–200 °C. Tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao đẩy nhanh quá trình phục hồi và tái kết tinh, làm giảm phần độ cứng do biến dạng và độ cứng tổng thể.

Oxy hóa ở nhiệt độ làm việc là đặc trưng của nhôm – lớp oxit bảo vệ hình thành nhanh chóng và hạn chế sự ăn mòn tiếp theo, nhưng lớp vẩy và thay đổi bề mặt có thể ảnh hưởng đến hàn thiếc hoặc độ bám dính lớp phủ. Tiếp xúc nhiệt gần nhiệt độ nóng chảy không liên quan đến dịch vụ sản phẩm dạng rèn, nhưng chu kỳ nhiệt trong gia công (ví dụ hàn) có thể thay đổi cục bộ độ cứng và dẻo dai vùng ảnh hưởng nhiệt.

Cho các ứng dụng kết cấu nhiệt độ cao, nên xem xét các hợp kim được đánh giá riêng về giữ cơ tính cao; 3007 nên dùng dưới ngưỡng nhiệt độ nơi xảy ra làm mềm đáng kể hoặc nơi chu kỳ nhiệt tối thiểu.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Bộ Phận	Lý Do Sử Dụng 3007
Ô tô	Tấm thân trong, thanh gia cố	Khả năng tạo hình xuất sắc cho dập sâu và dập với độ bền đủ dùng
Hàng hải	Cấu trúc marine kiến trúc, phụ kiện tàu nội địa	Khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt và dễ gia công
Hàng không (không phải cấu trúc chính)	Phụ kiện nội thất, vỏ che	Tỷ lệ bền trên trọng lượng hợp lý và bề mặt đẹp cho các chi tiết phi kết cấu
Điện tử	Tản nhiệt, vỏ hộp	Dẫn nhiệt tốt và khả năng chống ăn mòn phù hợp cho vỏ thiết bị
Xây dựng & Kiến trúc	Ốp mặt dựng, trần mái, mặt tiền	Khả năng tạo hình, hoàn thiện bề mặt và chống ăn mòn cho bề mặt nhìn thấy

3007 chiếm lĩnh thị trường trong các ứng dụng đòi hỏi tạo hình phức tạp, độ bền chống ăn mòn tốt và chi phí hợp lý cùng lúc. Nó được dùng rộng rãi cho các chi tiết trang trí hoặc kết cấu không quan trọng về tải trọng, nơi khả năng chế tạo và độ bền môi trường lâu dài là ưu tiên.

Gợi Ý Lựa Chọn

Khi chọn 3007, ưu tiên các ứng dụng cần khả năng tạo hình cao và chống ăn mòn khí quyển tốt nhưng không yêu cầu độ bền tối đa của các hợp kim nhiệt luyện. Nó có chi phí hiệu quả và dễ tạo hình hơn nhiều hợp kim bền cao, đồng thời có khả năng hàn và hoàn thiện bề mặt tốt.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 3007 đánh đổi một phần khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cùng độ dẻo nhẹ tăng lên để đổi lấy độ bền cải thiện đáng kể và tính ổn định cơ học tốt hơn sau quá trình tạo hình. So với các hợp kim làm cứng bề mặt phổ biến như 3003 hoặc 5052, 3007 thường đứng giữa chúng: nó cung cấp độ bền cao hơn so với các hợp kim rất mềm thuộc nhóm 1xxx/3xxx trong khi vẫn duy trì khả năng tạo hình tốt hơn và đôi khi khả năng chống ăn mòn vượt trội hơn các hợp kim giàu Mg nhóm 5xxx. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 3007 mang lại độ kéo dãn vượt trội và thường có chi phí thấp hơn; lựa chọn 3007 khi việc tạo hình phức tạp và hoàn thiện bề mặt quan trọng hơn so với độ bền đỉnh cao nhất có thể đạt được.

Sử dụng 3007 khi hình học chi tiết, các bước tạo hình và yêu cầu về bề mặt chi phối các ràng buộc thiết kế; cân nhắc các lựa chọn thay thế khi cần dung tải cấu trúc tối đa hoặc hiệu suất chịu tải tiếp xúc với nước biển.

Tóm tắt cuối

3007 vẫn giữ vị trí thích hợp như một hợp kim thuộc series 3xxx thiết thực, cân bằng giữa khả năng tạo hình, khả năng chống ăn mòn và độ bền vừa phải cho phạm vi rộng các chi tiết gia công. Sự kết hợp giữa dễ chế tạo, hành vi làm cứng theo kinh nghiệm dễ dự đoán và đặc tính bề mặt thuận lợi khiến nó trở thành lựa chọn đáng tin cậy khi tính khả thi sản xuất và độ bền môi trường là những yếu tố thiết kế chính.