Nhôm 3105: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ tôi luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

3105 là một thành viên của dãy hợp kim nhôm rèn 3xxx, chủ yếu hợp kim hóa với mangan và một lượng nhỏ magiê. Là hợp kim thuộc dãy 3xxx, nó là vật liệu không thể xử lý nhiệt, có khả năng gia công cứng và tăng cường độ chủ yếu thông qua làm lạnh biến dạng thay vì tăng cường qua kết tủa.

Thành phần hợp kim chính là mangan (Mn) và lượng nhỏ magiê (Mg) được kiểm soát chặt chẽ, cùng với silic, sắt và các nguyên tố vết có mặt ở mức thấp. Các nguyên tố hợp kim này nâng cao độ bền so với nhôm tinh khiết thương mại trong khi vẫn giữ được khả năng chống ăn mòn tốt và độ dẻo dai tuyệt vời.

Đặc tính nổi bật của 3105 gồm có độ bền vừa phải, khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt, độ dẻo cao trong trạng thái tôi mềm, và khả năng hàn tổng quát tốt. Các ngành công nghiệp và ứng dụng điển hình bao gồm ốp kiến trúc và lợp mái, gia công kim loại tấm chung, tấm panel thiết bị gia dụng, và một số tấm thân xe tải/rơ mooc nơi yêu cầu cân bằng giữa khả năng tạo hình và chống ăn mòn.

Kỹ sư lựa chọn 3105 khi cần hiệu suất cơ học tốt hơn so với hợp kim dãy 1000 nhưng không cần các tính năng siêu bền hoặc khả năng xử lý nhiệt của dãy 6xxx hoặc 2xxx. Nó thường được chỉ định nơi các công đoạn tạo hình chiếm ưu thế và việc tăng cường độ sau tạo hình nhờ gia công cứng được chấp nhận và hiệu quả về chi phí.

Biến thể nhiệt luyện

Trạng thái nhiệt luyện	Cấp độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (≥30%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Đã tôi mềm hoàn toàn, đạt được độ dẻo cực đại và khả năng tạo hình sâu
H12	Thấp - Trung bình	Trung bình (≈15–25%)	Rất tốt	Xuất sắc	Gia công cứng một phần bằng biến dạng nén hoặc kéo, giữ được khả năng tạo hình tốt
H14	Trung bình	Trung bình (≈10–18%)	Tốt	Xuất sắc	Trạng thái thương mại phổ biến, bền vừa phải và khả năng tạo hình tốt
H16	Trung bình	Thấp hơn H14 (≈8–15%)	Khá - Tốt	Xuất sắc	Gia công cứng nhiều hơn để tăng giới hạn chảy và độ bền kéo
H18	Trung bình - Cao	Thấp - Trung bình (≈6–12%)	Khá	Xuất sắc	Gia công cứng nặng hơn để đạt độ bền tĩnh cao hơn
H24	Trung bình	Trung bình (≈12–20%)	Tốt	Xuất sắc	Trạng thái đã xử lý dung dịch + gia công cứng lại một phần; cải thiện ổn định cho một số quá trình tạo hình

Trạng thái nhiệt luyện ảnh hưởng đáng kể đến sự đánh đổi giữa độ dẻo và độ bền của 3105. Trạng thái O (tôi mềm) cung cấp khả năng tạo hình tối đa cho các công đoạn dập phức tạp và kéo sâu trong khi các biến thể H tăng dần độ bền thông qua gia công lạnh và kiểm soát gia công cứng.

Lựa chọn trạng thái nhiệt là quyết định sản xuất phụ thuộc vào chuỗi công đoạn tạo hình, độ bền cuối cùng yêu cầu và tính ổn định kích thước. Với các cụm lắp ghép hàn, trạng thái tôi mềm hoặc gia công lạnh nhẹ giảm nguy cơ nứt và giúp kiểm soát biến dạng dễ dàng hơn.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.6	Giới hạn silic nhằm giảm các hợp chất liên kim giòn và duy trì khả năng tạo hình
Fe	≤ 0.7	Sắt dư; kiểm soát tránh các hạt liên kim thô giảm độ dẻo
Mn	0.7 – 1.3	Nguyên tố hợp kim chính cung cấp sự tăng cường dung dịch rắn và ổn định hạt
Mg	0.2 – 0.7	Lượng magiê nhỏ làm tăng độ bền và cải thiện phản ứng gia công cứng
Cu	≤ 0.25	Đồng giới hạn; lượng nhỏ làm tăng độ bền nhưng có thể giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	≤ 0.2	Được giữ ở mức thấp để tránh kết tủa không kiểm soát và duy trì khả năng chống ăn mòn
Cr	≤ 0.1	Các mức vết; có thể dùng để kiểm soát cấu trúc hạt trong một số lô cán
Ti	≤ 0.15	Chất khử oxy / tinh luyện hạt trong một số quá trình xử lý
Khác	Mỗi nguyên tố ≤ 0.05, tổng ≤ 0.15	Tạp chất nhỏ / dư lượng; quy định chặt để đảm bảo tính đồng nhất tính chất

Thành phần hóa học của 3105 được điều chỉnh để cân bằng giữa gia công cứng lạnh và khả năng chống ăn mòn. Mangan là nguyên tố chính tăng cường đóng vai trò củng cố biên hạt mà không cần xử lý nhiệt. Lượng magiê vừa phải cải thiện phản ứng gia công lạnh và độ bền cuối cùng sau tạo hình, trong khi đồng và kẽm mức thấp duy trì khả năng chống ăn mòn tổng quát và ăn mòn điện hóa.

Tính chất cơ học

Về cơ tính kéo, 3105 tuân theo đặc điểm điển hình của dãy 3xxx: giới hạn chảy thấp trong trạng thái tôi mềm với phản ứng gia công cứng liên tục khi bị biến dạng lạnh. Độ bền kéo và giới hạn chảy thay đổi theo trạng thái nhiệt luyện và độ dày; tấm mỏng thường cho độ bền biểu kiến cao hơn nhờ gia công cứng trong quá trình cán và cuộn. Khả năng chịu mỏi chấp nhận được cho các chi tiết không yêu cầu chu kỳ chịu mỏi cao, nhưng chịu ảnh hưởng lớn bởi lớp hoàn thiện bề mặt và ứng suất dư từ tạo hình và hàn.

Giới hạn chảy trong trạng thái O thấp và độ dẻo cao, rất thích hợp cho tạo hình; trạng thái nhiệt H14 và H16 cung cấp giới hạn chảy và độ bền kéo vừa phải trong khi vẫn giữ độ dãn dài hợp lý cho các công đoạn tạo hình trung bình. Độ cứng tỷ lệ thuận với mức gia công lạnh; vật liệu trạng thái H sẽ có độ cứng Brinell hoặc Vickers cao hơn so với trạng thái O, và có thể xuất hiện gia công cứng cục bộ trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt khi hàn. Ảnh hưởng của độ dày đáng chú ý: tấm dày hơn có độ dẻo hơi thấp hơn và đôi khi độ bền trên diện tích tiết diện có thể thấp hơn do khác biệt trong quá trình cán.

Tính chất	O/Tôi mềm	Trạng thái chủ đạo (H14)	Ghi chú
Độ bền kéo	~90 – 140 MPa	~160 – 210 MPa	Phạm vi rộng phụ thuộc vào độ dày và quy trình cán; trạng thái H tăng độ bền kéo ~40–80 MPa so với O
Giới hạn chảy	~25 – 60 MPa	~90 – 140 MPa	Giới hạn chảy tăng nhanh với gia công cứng; giá trị cụ thể phụ thuộc % biến dạng lạnh
Độ dãn dài	≥30% (tấm mỏng)	~10–18%	Độ dãn dài giảm khi cấp nhiệt luyện tăng; tấm dày thường có độ dãn giảm
Độ cứng	HB 20–40	HB 40–70	Độ cứng tăng theo cấp trạng thái nhiệt luyện và gia công lạnh; các giá trị chỉ mang tính tham khảo và phụ thuộc phương pháp đo

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	≈ 2.70 g/cm³	Điển hình cho hợp kim nhôm mangan rèn; quan trọng cho tính toán tỷ lệ bền trên trọng lượng
Khoảng nhiệt độ nóng chảy	≈ 630 – 650 °C	Hợp kim hóa làm giảm nhiệt độ nóng chảy so với nhôm nguyên chất (660 °C); không áp dụng cho nhôm đúc mà chỉ cho dạng rèn
Độ dẫn nhiệt	≈ 130 – 170 W/m·K	Thấp hơn nhôm nguyên chất nhưng vẫn tốt cho các ứng dụng tản nhiệt
Độ dẫn điện	≈ 30 – 45 % IACS	Giảm so với nhôm nguyên chất do hợp kim hóa; ảnh hưởng thiết kế chống nhiễu điện từ và dẫn điện
Nhiệt dung riêng	≈ 900 J/kg·K	Ước lượng, hữu ích cho tính toán nhiệt dung và truyền nhiệt tạm thời
Hệ số giãn nở nhiệt	≈ 23 – 24 µm/m·K	Tương đồng với các hợp kim nhôm khác; cần lưu ý trong thiết kế lắp ghép với kim loại khác để tránh ứng suất và biến dạng do nhiệt

3105 giữ nhiều đặc tính vật lý ưu việt của nhôm: mật độ thấp, dẫn nhiệt tốt và nhiệt dung riêng tương đối cao. Những tính chất này làm cho 3105 hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu giảm trọng lượng và truyền nhiệt vừa phải, mặc dù độ dẫn điện và nhiệt thấp hơn đáng kể so với các chủng nhôm gần như tinh khiết.

Nhà thiết kế cần lưu ý hệ số giãn nở nhiệt cao hơn so với thép và một số hợp kim màu khác, đặc biệt trong các cụm lắp ráp có vật liệu khác loại, nơi sự giãn nở lệch pha có thể gây ra ứng suất hoặc biến dạng khi nhiệt độ thay đổi.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Đặc tính cơ học	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.2 – 6.0 mm	Độ bền tăng khi dùng các nhiệt độ H	O, H12, H14, H16	Dạng phổ biến nhất cho tấm ốp kiến trúc và thiết bị
Loại bản dày	>6.0 mm	Độ dẻo hơi giảm so với tấm mỏng	O, H14, H18	Ít phổ biến hơn; dùng khi yêu cầu độ dày lớn
Đùn	Tiết diện phức tạp tới các biên dạng lớn	Làm lạnh sau đùn có thể tăng cường độ	O rồi lão hóa/làm lạnh chuyển sang trạng thái H	Hợp kim Mn có thể đùn được nhưng 3xxx không phổ biến bằng 6xxx cho đùn kết cấu
Ống	Đường kính nhỏ đến lớn, độ dày thành ống thay đổi	Phụ thuộc phương pháp sản xuất (kéo hoặc hàn)	O, H14	Dùng cho ống khi cần khả năng chống ăn mòn và tạo hình tốt
Thanh/Tròn	Thanh tròn/phẳng dùng cho cấu kiện kết cấu nhẹ	Độ bền vừa phải; tăng khi làm lạnh	H14, H16	Ít dùng hơn so với tấm; dùng cho chi tiết tạo hình hoặc bu lông ốc vít trong trường hợp hạn chế

Tấm và cuộn là dạng sản phẩm thương mại chiếm ưu thế cho 3105, phản ánh tính ứng dụng của hợp kim trong tấm ốp, mái che, và bảng điều khiển thiết bị. Sản phẩm bản dày và đùn có nhưng ít phổ biến hơn và được chọn nơi yêu cầu kích thước hoặc biên dạng đặc thù vượt trội hơn hợp kim khác.

Sự khác biệt trong gia công các dạng sản phẩm rất quan trọng: tấm cán được làm lạnh giảm đáng kể và cuộn lại ảnh hưởng đến ứng suất dư và phản ứng nhiệt độ. Đùn và ống sẽ có tính chất vật liệu lúc mới đùn/hàn và có thể cần xử lý bổ sung (lão hóa hoặc làm lạnh) để đạt tiêu chuẩn kích thước và cơ tính.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi chú
AA	3105	Hoa Kỳ	UNS A93105; ký hiệu phổ biến tại Bắc Mỹ
EN AW	3105	Châu Âu	Thường ghi là EN AW-3105; thành phần hóa học và dung sai phù hợp tiêu chuẩn nhôm đúc quốc tế
JIS	A3105 (dạng phổ biến)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn địa phương có thể ghi A3105 hoặc tương đương hợp kim Al-Mn-Mg
GB/T	3105	Trung Quốc	Tiêu chuẩn thép/nhôm Trung Quốc thường dùng cùng ký hiệu số cho dòng nhôm rèn

Chỉ dẫn 3105 được dùng rộng rãi trong các tiêu chuẩn toàn cầu và tương đối đồng nhất giữa các khu vực về thành phần hóa học và mục đích ứng dụng. Một số khác biệt nhỏ có thể do dung sai vùng, mức tạp chất cho phép, và quy trình chứng nhận nhà máy. Người mua nên yêu cầu các chứng chỉ tiêu chuẩn cụ thể và giấy chứng nhận nhà máy để đảm bảo tuân thủ cơ tính và thành phần cho dự án quan trọng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

3105 có khả năng chống ăn mòn khí quyển chung tốt và hoạt động hiệu quả trong môi trường đô thị và nông thôn tiêu chuẩn. Lượng mangan được kiểm soát và hàm lượng đồng thấp giúp cân bằng sự ổn định bề mặt và giảm nguy cơ ăn mòn đều; lớp sơn hoặc phủ thêm sẽ gia tăng tuổi thọ cho ứng dụng kiến trúc.

Trong môi trường biển, 3105 có thể sử dụng cho các bộ phận trên boong hoặc nơi bảo vệ nhưng không bền bằng hợp kim 5xxx giàu magiê cho các ứng dụng ngập nước hoặc vùng bắn nước. Ăn mòn dạng pitting do clo rõ hơn khi tiếp xúc nước biển so với môi trường kiềm, vì vậy cần bảo vệ thêm (phủ phủ, anode hóa hoặc anode hy sinh) khi tiếp xúc lâu dài với môi trường biển.

Nguy cơ nứt do ăn mòn ứng suất với 3105 thấp trong điều kiện bình thường vì hợp kim không được xử lý nhiệt tạo độ cứng; tuy nhiên, vẫn có thể xảy ra ăn mòn cục bộ và giòn hóa do hydro trong môi trường cực kỳ âm điện tử. Khi kết nối điện hóa với kim loại quý hơn như thép không gỉ hoặc đồng, 3105 sẽ bị ăn mòn ưu tiên vì là anode trừ khi được cách điện hoặc bảo vệ. Kỹ sư thiết kế nên tính toán vật liệu liên kết và phủ để kiểm soát dòng điện galvanic.

So với các dòng hợp kim khác, 3105 thường có độ bền vượt trội so với dòng 1xxx ở mức độ ăn mòn tương tự, trong khi kém hơn các hợp kim 5xxx giàu magiê trong môi trường biển hay chứa clo. So với dòng 6xxx, 3105 có độ dẻo cao hơn nhưng độ bền cơ cấu thấp hơn và khác biệt về bề mặt khi anode hóa.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

3105 dễ dàng hàn bằng các phương pháp hòa hợp phổ biến như TIG (GTAW) và MIG (GMAW). Dây hàn gợi ý là 4043 (Al-Si) cho dòng chảy tốt và giảm nguy cơ nứt nóng, hoặc 5356 (Al-Mg) khi cần mối hàn có độ bền cao hơn; lựa chọn phụ thuộc vào trạng thái nhiệt độ cơ bản và yêu cầu chống ăn mòn. Nguy cơ nứt nóng ở hợp kim 3xxx thấp hơn so với một số hợp kim đúc Al-Si nhưng vẫn cần chú ý chỉnh khe hở mối hàn và lượng nhiệt để hạn chế biến dạng và làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 3105 ở mức trung bình đến kém so với các hợp kim nhôm dễ gia công và một số mác dòng 6xxx. Các chỉ số gia công điển hình thấp hơn hợp kim 6xxx; khuyến cáo sử dụng mũi cắt có cacbua sắc, góc cắt dương lớn, và hệ thống thoát phoi hiệu quả. Tốc độ cắt nên giảm so với hướng dẫn cho 6xxx, và có thể cần bôi trơn hoặc thổi khí để kiểm soát phoi liên tục trên phần mỏng thành.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình ở trạng thái ủ (O) rất tốt, cho phép dập sâu, căng kéo và uốn phức tạp. Bán kính uốn trong tối thiểu cho trạng thái O thường có thể nhỏ tới 0.5–1.0× độ dày cho các uốn đơn giản, trong khi trạng thái H thường yêu cầu 1–3× độ dày để tránh nứt. Độ hồi đàn hồi (springback) vừa phải và dự đoán được, có thể dùng làm biến dạng trước có kiểm soát hoặc ủ trung gian để tạo hình phức tạp trong khi vẫn kiểm soát được kích thước.

Đặc Tính Xử Lý Nhiệt

3105 không thể xử lý nhiệt để tăng cường độ; độ bền chủ yếu phát triển qua làm lạnh (làm cứng biến dạng). Không có quá trình ủ hòa tan và lão hóa có hiệu quả tạo ra sự đông kết như hợp kim 6xxx hay 2xxx.

Ủ dùng để phục hồi độ dẻo và giải áp ứng suất dư. Phạm vi nhiệt độ ủ công nghiệp phổ biến cho hợp kim 3xxx là 300–415 °C với thời gian giữ tùy thuộc độ dày; không cần làm nguội nhanh. Trạng thái T (lão hóa nhân tạo) không áp dụng để tạo thêm độ bền đáng kể cho 3105, mặc dù một số quy trình kết hợp ủ hòa tan với làm biến dạng cơ học vượt lại để ổn định nhiệt độ (ví dụ như quy trình dạng H24).

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Độ bền cơ học của 3105 giảm dần theo nhiệt độ; độ bền kết cấu sử dụng hiệu quả giảm nhiều trên khoảng 100–150 °C. Có thể chịu được nhiệt độ cao trong thời gian ngắn (để gia công, hàn ghép hoặc hàn), nhưng làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao sẽ làm giảm giới hạn chảy và độ bền kéo. Oxy hóa nhôm là quá trình tự giới hạn nhờ màng oxit bảo vệ mỏng; tuy nhiên ở nhiệt độ cao, tốc độ oxy hóa và lớp oxit tăng lên cần được xem xét khi sử dụng lâu dài ở nhiệt độ cao.

vùng ảnh hưởng nhiệt hàn (HAZ) có thể bị làm mềm cục bộ do tác động nhiệt trong chu trình hàn, nhưng không có sự biến đổi về độ cứng do đông kết như các hợp kim xử lý nhiệt khác. Đối với kết cấu chịu nhiệt độ cao đáng kể, kỹ sư nên đánh giá cả sự biến dạng chảy (creep) và mỏi (fatigue) ở nhiệt độ làm việc và xem xét thay thế hợp kim nhiệt độ cao nếu cần.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng 3105
Ô tô	Tấm thân vỏ ngoài, chi tiết trang trí	Khả năng tạo hình tốt cho các tấm dập; độ bền vừa phải sau khi làm cứng biến dạng
Hàng hải	Kết cấu che chắn, nội thất	Khả năng chống ăn mòn chung và dễ tạo hình cho các chi tiết kiến trúc trong môi trường biển
Hàng không	Phụ kiện phi kết cấu, vỏ che	Trọng lượng nhẹ và dễ tạo hình cho các bộ phận không chịu lực chính
Điện tử	Tấm vỏ mỏng, tấm chắn nhiệt	Cân bằng giữa dẫn nhiệt và khả năng gia công cho vỏ thiết bị
Kiến trúc	Ốp tường, mái, máng xối	Khả năng chống thời tiết, sơn phủ tốt, ổn định bề mặt lâu dài

3105 đặc biệt có giá trị trong các ứng dụng cần tạo hình phức tạp, khả năng chống ăn mòn và chi phí hợp lý khi yêu cầu độ bền cơ học mức trung bình. Sự kết hợp các đặc tính này làm cho 3105 là lựa chọn tin cậy cho nhiều ứng dụng chủ yếu dùng tấm kim loại mà hợp kim xử lý nhiệt độ bền cao không cần thiết.

Gợi Ý Lựa Chọn

3105 là lựa chọn thực tế khi thiết kế cần độ bền cao hơn nhôm thương mại tinh khiết (ví dụ 1100) đồng thời duy trì khả năng tạo hình và chống ăn mòn xuất sắc. So với 1100, 3105 đánh đổi nhẹ khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt để tăng giới hạn chảy và độ bền kéo cũng như cải thiện ổn định cơ học trong quá trình tạo hình.

So với các hợp kim làm cứng bề mặt thông thường như 3003 hoặc 5052, 3105 thường nằm giữa về độ bền và khả năng chống ăn mòn: nó có độ bền cao hơn 3003 ở nhiều trạng thái xử lý do hàm lượng Mn/Mg được tối ưu nhưng thường có khả năng chống ăn mòn trong môi trường chloride khắc nghiệt kém hơn so với các hợp kim dòng 5xxx giàu magiê. So với các vật liệu có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 3105 được lựa chọn khi ưu tiên khả năng tạo hình và dạng cuối cùng đồng thời cần chi phí thấp và gia công đơn giản hơn (không cần chu trình xử lý giải luyện/lão hóa) mặc dù độ bền tối đa thấp hơn.

Chọn 3105 khi yêu cầu dự án nhấn mạnh vào việc dập sâu hoặc dập phức tạp, khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt, dễ hàn và có sẵn tấm thép kinh tế. Tránh sử dụng khi cần độ bền kết cấu tối đa, độ ổn định ở nhiệt độ cao hoặc hiệu suất siêu việt trong môi trường ngâm nước biển; trong những trường hợp này nên xem xét hợp kim dòng 6xxx hoặc 5xxx tương ứng.

Tóm tắt cuối cùng

3105 vẫn giữ vai trò là một hợp kim nhôm dòng 3xxx đa dụng, cân bằng giữa khả năng tạo hình, khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn với độ bền vừa phải có thể đạt được nhờ gia công nguội. Hiệu suất ổn định khi ở dạng tấm và cuộn, tính sẵn có rộng rãi và khả năng gia công dễ dàng làm cho nó trở thành một tiêu chuẩn thực tiễn cho các ứng dụng kiến trúc, thiết bị gia dụng, vận tải và kỹ thuật tổng hợp, nơi trọng lượng, khả năng sản xuất và chi phí vòng đời là những yếu tố then chốt.