Nhôm 3103: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ tôi luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

Hợp kim 3103 thuộc nhóm nhôm-mangan 3xxx, được phân loại là hợp kim cán thương mại, không thể xử lý nhiệt để làm tăng tính cơ học. Nguyên tố vi hợp kim chính là mangan, với một lượng nhỏ silicon, sắt, đồng và magiê được kiểm soát để điều chỉnh độ bền và khả năng tạo hình.

Độ bền của 3103 chủ yếu đến từ hiệu ứng hòa tan rắn và làm cứng biến dạng trong quá trình gia công nguội, thay vì xử lý nhiệt tạo kết tủa. Hợp kim này cân bằng giữa độ bền trung bình và độ dẻo tốt, khả năng chống ăn mòn xuất sắc trong nhiều môi trường khí quyển, cùng với tính dễ dàng trong hàn và tạo hình cho các sản phẩm tấm và đùn.

Các ngành công nghiệp thường sử dụng 3103 bao gồm vật liệu bao che kiến trúc, gia công tổng hợp, linh kiện HVAC và hàng tiêu dùng, đặc biệt khi cần kéo sâu hoặc tạo hình phức tạp. Kỹ sư thường chọn 3103 thay thế các hợp kim tinh khiết hơn khi cần tăng hiệu suất cơ học một cách vừa phải mà không làm mất đi khả năng tạo hình hoặc tăng đáng kể chi phí so với các hợp kim 1xxx và 3xxx phổ biến.

Biến Thể Nhiệt Độ

Biến Thể	Mức Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái đã ủ; độ dẻo tối đa phù hợp cho tạo hình
H14	Trung bình	Trung bình	Rất tốt	Xuất sắc	Gia công nguội nhẹ; phổ biến cho chi tiết kéo thành hình
H18	Cao	Thấp hơn	Tốt	Xuất sắc	Gia công nguội nhiều hơn để tăng độ cứng
H24	Trung bình	Trung bình	Rất tốt	Xuất sắc	Gia công nguội kết hợp ủ một phần để cân bằng
H22 / H26	Trung bình – Cao	Trung bình – Thấp	Tốt	Xuất sắc	Cấp độ làm cứng trung gian thường cung cấp

Việc biến nhiệt 3103 gần như chỉ thay đổi tính chất thông qua gia công nguội; biến thể O (đã ủ) cung cấp độ dẻo và khả năng tạo hình tốt nhất, trong khi các biến thể H tăng dần giới hạn chảy và giới hạn bền kéo. Các biến thể xử lý nhiệt T không áp dụng cho hợp kim nhôm-mangan 3xxx giống như hệ Al-Mg-Si hay Al-Cu, do đó lựa chọn biến nhiệt tập trung vào kết hợp giữa gia công nguội và ủ phục hồi.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	0.20–0.60	Mức độ tạp chất; tăng Si nhẹ làm tăng độ bền nhưng giảm độ dẻo
Fe	0.40–1.20	Tạp chất phổ biến, tạo hợp chất intermetallic có thể giảm độ dãn dài
Mn	0.80–1.50	Nguyên tố hợp kim chính; cung cấp làm cứng hòa tan rắn và kiểm soát cấu trúc hạt
Mg	0.05–0.50	Lượng nhỏ có thể hỗ trợ tăng độ bền; không phải cơ chế làm cứng chính
Cu	0.05–0.20	Kiểm soát thấp để hạn chế ăn mòn cục bộ
Zn	0.05–0.30	Nhỏ; duy trì thấp để tránh làm cứng kết tủa không mong muốn
Cr	Tối đa 0.05	Mức rất nhỏ để kiểm soát tái kết tinh trong một số sản phẩm
Ti	Tối đa 0.05	Chất tinh luyện hạt trong đúc hoặc một số quá trình cán khác
Khác	Cân bằng Al, tạp chất còn lại	Bao gồm nguyên tố vết như Pb, Sn được kiểm soát theo tiêu chuẩn

Mức mangan là điểm kiểm soát hợp thành quyết định cho 3103 và chịu trách nhiệm cho phần lớn sự khác biệt về tính cơ học so với các hợp kim tinh khiết hơn. Silicon và sắt là tạp chất thường gặp từ nguyên liệu thô và công nghệ; hình thái và kích thước các hợp chất intermetallic ảnh hưởng đến độ dẻo và khả năng tạo hình của chi tiết kéo hoặc kéo sâu.

Tính Chất Cơ Học

Trong trạng thái đã ủ, 3103 thể hiện giới hạn kéo và giới hạn chảy vừa phải với độ dãn dài khá cao, phù hợp với các công đoạn tạo hình và kéo sâu. Gia công nguội đến cấp H làm tăng giới hạn chảy và kéo với đánh đổi giảm độ dẻo, cho phép thiết kế lựa chọn sự cân bằng giữa độ cứng và khả năng tạo hình. Độ cứng tương ứng với biến nhiệt, thường ở mức Brinell thấp đối với cấp O, tăng dần với các biến thể H; độ bền mỏi trung bình và phụ thuộc vào hoàn thiện bề mặt và mức độ gia công nguội.

Độ dày ảnh hưởng đến đáp ứng cơ học: tấm mỏng dễ kéo hơn và làm cứng biến dạng đồng đều, trong khi tấm dày hoặc đùn giữ lại kích thước hạt lớn hơn và có thể có ứng suất dư cao hơn sau khi tạo hình. Vùng ảnh hưởng nhiệt từ quá trình hàn thường không bị giòn hoá do hợp kim không dựa vào làm cứng kết tủa, nhưng có thể xảy ra hiện tượng mềm cục bộ do ủ các vùng đã gia công nguội gần mối hàn.

Tính Chất	O/Đã Ủ	Biến Thể Chính (ví dụ H14/H18)	Ghi Chú
Giới Hạn Kéo	100–145 MPa	140–190 MPa	Phạm vi thay đổi tùy độ dày và biến nhiệt; H18 gần mức cao nhất
Giới Hạn Chảy	40–80 MPa	90–140 MPa	Giới hạn chảy tăng rõ rệt với gia công nguội
Độ Dãn Dài	20–38%	6–18%	Đã ủ rất dẻo; biến nhiệt H giảm độ dẻo
Độ Cứng	25–50 HB	50–85 HB	Độ cứng Brinell khoảng; tăng theo mức làm cứng

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.70 g/cm³	Điển hình cho hợp kim nhôm-mangan cán; phù hợp thiết kế yêu cầu trọng lượng thấp
Nhiệt Độ Nóng Chảy	645–660 °C	Phạm vi từ điểm rắn đến lỏng đặc trưng cho hợp kim nhôm cán
Độ Dẫn Nhiệt	120–150 W/(m·K)	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn cao cho các ứng dụng quản lý nhiệt
Độ Dẫn Điện	30–40 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do hợp kim; đủ dùng cho một số ứng dụng thanh dẫn và dây dẫn
Nhiệt Dung Riêng	0.90 kJ/(kg·K)	Giá trị điển hình ở nhiệt độ phòng để thiết kế khả năng hấp thụ nhiệt
Hệ Số Giãn Nhiệt	23.5 ×10⁻⁶ /K	Hệ số giãn dài tuyến tính gần bằng hầu hết các hợp kim nhôm

3103 giữ lại phần lớn khả năng dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng tốt của nhôm, thích hợp cho các vai trò quản lý nhiệt ở mức vừa phải đồng thời yêu cầu độ dẻo tốt. Độ dẫn điện thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn có thể chấp nhận được cho các ứng dụng ưu tiên tính cơ học và tạo hình hơn là dẫn điện tối đa.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Điển Hình	Đặc Tính Độ Bền	Biến Thể Nhiệt Thông Thường	Ghi Chú
Tấm	0.2–6.0 mm	Làm cứng biến dạng đồng đều ở tấm mỏng	O, H14, H18	Phổ biến cho kéo, dập, tấm ốp mặt dựng
Đĩa (Plate)	6–25 mm	Khả năng tạo hình kém hơn; kích thước hạt lớn	O, H22	Dùng làm tấm kết cấu và gia công chế tạo
Thanh Đùn	Độ dày thành 1–10 mm	Độ bền có tính dị hướng; có thể có tính dị hướng hướng lực	O, H14	Biên dạng dùng cho đường nét kiến trúc và rãnh dẫn
Ống	Đường kính ngoài 6–168 mm	Khả năng kéo thành hình tốt cho ống liền mối/phay hàn	O, H14	Ống dẫn khí HVAC và ống trang trí
Thanh Tròn/Que	Đường kính 3–50 mm	Ít phổ biến; khả năng gia công cơ khí trung bình	O, H14	Bu lông, chi tiết tiện nơi yêu cầu tạo hình thấp hơn

Tấm và cuộn là dạng sản phẩm phổ biến nhất cho 3103 nhờ ưu điểm chính về khả năng tạo hình và dễ hoàn thiện bề mặt. Thanh đùn và ống tận dụng đặc tính dòng chảy khi biến dạng nóng và lạnh, trong khi đĩa và thanh tròn dùng khi nhu cầu tạo hình thấp hơn và yêu cầu ổn định kích thước hay độ cứng ưu tiên hơn.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác Hợp Kim	Khu Vực	Ghi Chú
AA	3103	Hoa Kỳ	Định danh của American Aluminum Association
EN AW	3103	Châu Âu	Định danh hợp kim cán Châu Âu, hóa học và tính chất tương đương
JIS	A3103	Nhật Bản	Định danh JIS phù hợp nhóm hợp kim Al-Mn
GB/T	3103	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc cho hợp kim nhôm-mangan cán

Tiêu chuẩn khu vực dành cho 3103 cơ bản tương đồng về thành phần và mức tạp chất cho phép nhưng có thể khác biệt ở phạm vi giới hạn các nguyên tố như Fe và Si, cũng như định nghĩa về biến thể nhiệt. Những khác biệt nhỏ này ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô cuối cùng, đặc biệt hình thái intermetallic, và từ đó tác động đến hiệu suất kéo sâu và thẩm mỹ bề mặt trong ứng dụng kiến trúc.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

3103 có khả năng chống ăn mòn khí quyển rất tốt, tương đương các hợp kim Al-Mn khác do mangan không làm tăng đáng kể độ nhạy galvanic. Trong điều kiện môi trường nông thôn và đô thị, hợp kim hình thành lớp oxit ổn định bảo vệ bề mặt; hiệu suất trong môi trường công nghiệp chấp nhận được mặc dù các chất ô nhiễm có tính lưu huỳnh và axit làm tăng tốc độ ăn mòn cục bộ so với môi trường lành tính.

Trong môi trường biển hoặc môi trường nhiều clo, hợp kim 3103 có hiệu năng tương đối tốt, nhưng độ bền kém hơn so với các hợp kim Al-Mg dòng 5xxx được thiết kế riêng cho ứng dụng hàng hải. Nứt ăn mòn ứng suất hiếm khi xảy ra với 3103 vì hợp kim này không thể tăng bền bằng kết tủa; tuy nhiên, tương tác điện hóa với các vật liệu quý hiếm hơn như thép không gỉ và đồng có thể làm tăng tốc ăn mòn cục bộ nếu thiết kế cho phép bẫy điện giải. So với dòng 1xxx (Al tinh khiết), hợp kim 3103 thường cho hiệu suất cơ học cải thiện với khả năng chống ăn mòn tương đương hoặc hơi giảm chút ít, trong khi so với hợp kim 5xxx, nó đánh đổi một phần độ bền ăn mòn để đổi lấy khả năng tạo hình tốt hơn.

Đặc Tính Gia Công

Khả năng hàn

3103 dễ hàn bằng các phương pháp hợp nhất truyền thống (TIG/MIG) và ít bị nứt nóng nhờ đặc tính không thể tăng bền bằng nhiệt. Dây hàn được khuyến nghị thường thuộc dòng 3xxx hoặc loại dây hàn Al-Mg đa dụng khi cần tăng độ dẻo; việc lựa chọn dây hàn nên xét đến yêu cầu tạo hình sau hàn. Việc kiểm soát năng lượng nhiệt vào là quan trọng để tránh làm mềm quá mức vùng chịu biến dạng nguội liền kề, tuy nhiên tình trạng mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) ít gây phiền toái hơn so với hợp kim có thể tăng bền kết tủa.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 3103 thuộc mức trung bình, hơi thấp hơn so với hợp kim nhôm dễ gia công có chì hoặc bismuth. Sử dụng dụng cụ cắt carbide sắc bén, tốc độ cắt vừa phải và khả năng thoát phoi tốt sẽ tạo ra bề mặt gia công ổn định; tốc độ tiến dao ảnh hưởng đến việc hình thành ba via trên các phần mỏng. Hình dạng dụng cụ cắt tạo phoi liên tục và hạn chế hiện tượng bám ba via sẽ cải thiện năng suất, đặc biệt trong các thao tác tiện và khoan.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình là một trong những ưu điểm chính của 3103, với giới hạn chảy thấp đến trung bình ở trạng thái ủ (O) cho phép thực hiện ép sâu, uốn cuộn và các kiểu uốn phức tạp. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào trạng thái và chiều dày; ở trạng thái ủ, bán kính uốn trong quy ước dao động từ 0,5–1,0 lần chiều dày thường đạt được mà không gây nứt. Với các quá trình tạo hình mạnh, có thể chọn trạng thái H14 hoặc các trạng thái trung gian H để kiểm soát độ đàn hồi phục hồi sau uốn, trong khi ủ trung gian giúp phục hồi độ dẻo khi cần nhiều bước tạo hình.

Đặc Tính Xử Lý Nhiệt

3103 là hợp kim không thể tăng bền bằng nhiệt; việc điều chỉnh cường độ đạt được qua biến dạng nguội và ủ kiểm soát thay vì xử lý dung dịch và quá trình lão hóa. Việc ủ điển hình (trạng thái O) tiến hành ở nhiệt độ đủ để tái kết tinh và giải phóng biến dạng làm cứng, phục hồi độ dẻo cho các công đoạn tạo hình tiếp theo. Chu trình lão hóa nhân tạo nhằm kết tủa pha tăng cứng không hiệu quả với dòng hợp kim này, do đó quy trình nhiệt tập trung vào phục hồi và kiểm soát kích thước hạt.

Trong quy trình sản xuất, nhà sản xuất chuyển đổi giữa các chuỗi ủ và biến dạng nguội để đạt trạng thái H mong muốn; ủ một phần (kiểu H24) tạo sự cân bằng giữa độ dẻo giữ lại và tăng giới hạn chảy nhờ tái kết tinh giới hạn. Cần kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ trong quá trình gia công và hàn để tránh làm mềm không mong muốn hoặc phát triển hạt to có thể làm suy giảm tính cơ học và chất lượng bề mặt.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Độ bền của 3103 giảm dần khi nhiệt độ tăng; sự mềm hóa đáng kể bắt đầu trên khoảng 150–200 °C và hiệu suất chung không phù hợp cho kết cấu chịu tải ở nhiệt độ cao. Quá trình oxy hóa bị hạn chế nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ, nhưng phơi nhiễm kéo dài làm tăng trưởng hạt và lắng đọng các pha liên kim, từ đó giảm độ dẻo và khả năng chịu mỏi. Hợp kim thích hợp cho các đợt chịu nhiệt ngắn hạn và nhiệt độ làm việc vừa phải nhưng không dùng cho các ứng dụng kết cấu chịu nhiệt liên tục.

Vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn có thể trải qua hiệu ứng tôi cục bộ; vì hợp kim không gắn tăng bền kết tủa nên các thay đổi này chủ yếu là giảm gia cường do biến dạng nguội và biến đổi cấu trúc hạt cục bộ thay vì quá trình già hóa quá mức truyền thống. Nhà thiết kế nên điều chỉnh giảm giới hạn ứng suất với chi tiết tiếp xúc nhiệt độ cao kéo dài và cân nhắc các hợp kim khác cho dịch vụ liên tục trên 200 °C.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 3103
Kiến trúc	Tấm ốp mặt ngoài & tấm che khe	Khả năng tạo hình xuất sắc và bề mặt hoàn thiện cho các hình dạng phức tạp
HVAC / Ống dẫn	Ống gió và buồng gió	Dễ gia công, chống ăn mòn và trọng lượng nhẹ
Hàng tiêu dùng	Thiết bị nhà bếp, vỏ nồi chảo	Dễ tạo hình kéo sâu và tương thích xử lý bề mặt
Ô tô	Trang trí nội thất, các tấm thân không chịu lực	Cân bằng giữa khả năng tạo hình và tăng cường độ so với nhôm tinh khiết
Điện tử	Vỏ tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt tốt với khả năng dập khuôn dễ dàng

Sự kết hợp giữa khả năng tạo hình, cường độ vừa phải và khả năng chống ăn mòn khiến 3103 trở thành lựa chọn thực tế cho nhiều chi tiết không kết cấu cần tạo hình nhiều và bề mặt đẹp. Độ dễ gia công của hợp kim giúp giảm độ phức tạp và chi phí sản xuất các chi tiết dập hoặc kéo số lượng lớn.

Gợi Ý Lựa Chọn

Đối với kỹ sư lựa chọn giữa 3103 và nhôm thương mại tinh khiết (ví dụ 1100), 3103 cung cấp cường độ kéo và giới hạn chảy cao hơn với sự đánh đổi nhẹ về độ dẫn điện và nhiệt. Chọn 3103 khi độ phức tạp tạo hình và tăng cường độ vừa phải quan trọng hơn tối ưu dẫn điện.

So với các hợp kim biến dạng nguội khác như 3003 và 5052, 3103 thường nằm giữa 3003 và 5052 về cường độ và khả năng chống ăn mòn: nó có độ bền cao hơn 1100/3003 trong khi vẫn giữ khả năng tạo hình tốt hơn các hợp kim Mg-rich dòng 5xxx. Dùng 3103 khi cần cường độ cao hơn 3003 nhưng phải duy trì khả năng kéo sâu và bề mặt đẹp.

So với hợp kim có thể tăng bền bằng nhiệt như 6061 hoặc 6063, 3103 không đạt được độ bền tối đa, nhưng thường được ưu tiên khi cần tạo hình phức tạp, chi phí thấp hơn hoặc cân bằng tốt hơn giữa chống ăn mòn và khả năng tạo hình. Lựa chọn 3103 cho các chi tiết dập hoặc kéo mà việc xử lý nhiệt sau tạo hình không khả thi.

Tóm Tắt Cuối

Hợp kim 3103 vẫn là một loại nhôm kỹ thuật thực tế dành cho các chi tiết ưu tiên tạo hình, chống ăn mòn và gia công hiệu quả về chi phí trong khi cần cải thiện độ bền vừa phải so với nhôm tinh khiết. Bản chất không tăng bền bằng nhiệt của nó đơn giản hóa quy trình sản xuất và trở thành vật liệu phổ biến cho các chi tiết dập, kéo và đùn trong các ngành kiến trúc, HVAC và sản phẩm tiêu dùng.