Nhôm 3203: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

3203 là một thành viên của dòng hợp kim nhôm 3xxx, nhóm hợp kim có mangan là nguyên tố hợp kim chính. Dòng này được phân loại là không thể xử lý nhiệt và chủ yếu tăng cường độ bền thông qua rắn dung dịch và ứng suất biến dạng (gia công nguội), thay vì tăng cường hóa nhờ kết tủa.

Nguyên tố hợp kim chính trong 3203 là mangan với các thành phần kiểm soát gồm sắt và các nguyên tố vi lượng như đồng, magiê, crôm và titan nhằm điều chỉnh độ bền và khả năng tạo hình. Cơ chế tăng cường chủ yếu là làm cứng do gia công nguội kết hợp rắn dung dịch từ Mn và các nguyên tố phụ; các phương pháp xử lý nhiệt T thông thường với tăng cường kết tủa gần như không làm tăng độ bền thêm cho hợp kim này.

Đặc tính nổi bật của 3203 bao gồm sự cân bằng giữa độ bền trung bình, khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường khí quyển và môi trường ăn mòn nhẹ, cùng với tính dẻo và dễ tạo hình rất tốt khi ở trạng thái ủ mềm. Khả năng hàn thường rất tốt cho các hợp kim Al-Mn, và 3203 thường được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi kéo sâu, tạo hình phức tạp hoặc các kết cấu hàn khi ưu tiên hợp kim không xử lý nhiệt.

Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng 3203 gồm các bộ phận tấm cho ô tô, tấm kiến trúc, đồ gia dụng và các sản phẩm tiêu dùng, cũng như một số bộ phận phụ trợ trong hàng hải và giao thông vận tải. Kỹ sư lựa chọn 3203 thay vì nhôm thương mại tinh khiết (để tăng độ bền) hoặc hợp kim 6xxx/7xxx có thể xử lý nhiệt (để cải thiện tính tạo hình và khả năng hàn mà không phụ thuộc xử lý nhiệt), khi cần sự cân bằng giữa khả năng tạo hình nguội, khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn.

Các Biến Thể Độ Cứng (Temper)

Độ cứng (Temper)	Cấp Độ Bền	Độ Dãn	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao (≥25%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái ủ mềm hoàn toàn; dẻo cao nhất cho kéo sâu
H14	Trung bình-Cao	Thấp – Trung bình (6–12%)	Tốt	Tốt	Làm cứng một phần bằng gia công nguội; thường dùng cho tấm tạo hình
H18	Cao	Thấp (3–7%)	Hạn chế	Tốt	Làm cứng hoàn toàn bằng cán nguội; dùng khi cần độ cứng/độ bền cao
H24	Trung bình	Trung bình (10–18%)	Tốt	Tốt	Trạng thái giảm ứng suất; cải thiện khả năng tạo hình sau gia công
T5 / T6 / T651	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	3203 không thể xử lý nhiệt; các trạng thái T không tạo tăng cường kết tủa

Độ cứng có ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất cơ học của 3203 vì hợp kim này chủ yếu được tăng cường bằng làm cứng nguội. Việc chuyển đổi từ trạng thái O sang các trạng thái H làm tăng đáng kể giới hạn chảy và bền kéo đồng thời giảm độ dãn và phạm vi tạo hình.

Trong thực tế, các nhà thiết kế thường chỉ định trạng thái O cho các quá trình tạo hình phức tạp và chi tiết cần kéo sâu; H14/H18 cho sản phẩm hoàn thiện yêu cầu sự ổn định kích thước và độ cứng; và H24 khi cần sự cân bằng giữa khả năng tạo hình và độ bền còn lại (sau khi xử lý giảm ứng suất).

Thành Phần Hóa Học

Nguyên tố	Khoảng %	Ghi chú
Si	0.10–0.40	Kiểm soát để giảm thiểu sự hình thành các hợp chất liên kim giòn; silic cải thiện khả năng đúc ở nồng độ cao hơn.
Fe	0.20–0.70	Mức độ tạp chất điển hình; lượng Fe cao tạo các hạt liên kim ảnh hưởng bề mặt và độ dẻo.
Mn	0.6–1.5	Nguyên tố hợp kim chính; góp phần làm cứng rắn dung dịch và cải thiện cấu trúc tinh thể.
Mg	0.05–0.25	Tham gia tăng cường nhẹ; quá nhiều Mg có thể giảm khả năng chống ăn mòn.
Cu	0.05–0.25	Thêm vào chút ít tăng độ bền nhưng có thể giảm khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn nếu vượt mức.
Zn	≤0.25	Giữ ở mức thấp để tránh giòn và duy trì khả năng tạo hình và chống ăn mòn.
Cr	0.03–0.20	Hỗ trợ điều chỉnh cấu trúc hạt và tăng cường độ bền sau gia công nhiệt cơ học.
Ti	≤0.10	Tinh chỉnh kích cỡ hạt trong quá trình đúc/đóng rắn; giúp cấu trúc vi mô mịn.
Những nguyên tố khác (mỗi loại)	≤0.05	Bao gồm các nguyên tố vi lượng như V, Zr; phần còn lại là nhôm (cân bằng).

Mức mangan là yếu tố chính để điều chỉnh độ bền trong các hợp kim 3xxx, trong khi sắt và silic tồn tại như tạp chất ảnh hưởng đến sự hình thành các hạt liên kim và chất lượng bề mặt. Đồng và magiê ở mức nhỏ cung cấp gia tăng độ bền bổ sung nhưng phải được kiểm soát để giữ khả năng chống ăn mòn và khả năng gia công.

Tính Chất Cơ Học

Đặc tính kéo của 3203 phụ thuộc lớn vào trạng thái độ cứng: ở trạng thái ủ mềm (O), hợp kim có giới hạn chảy và bền kéo khá thấp đi kèm độ dãn cao và khả năng chống cổ cổ xuất sắc; trong khi các trạng thái làm cứng nguội làm giới hạn chảy tăng mạnh nhưng độ dẻo giảm. Giới hạn chảy và bền kéo tỷ lệ với mức gia công nguội và có thể biến đổi đáng kể tùy theo độ dày do sự khác biệt cứng theo chiều dày tấm.

Độ cứng tuân theo xu hướng của độ bền kéo và là chỉ số hữu ích để ước lượng mức độ làm cứng nguội trong quá trình gia công. Hiệu suất chịu mỏi phụ thuộc vào chất lượng bề mặt, ứng suất kéo trung bình và sự hiện diện các hạt liên kim; bề mặt được chuẩn bị kỹ và thiết kế thận trọng có thể đạt tuổi thọ mỏi tốt tương đương với các hợp kim cùng dòng 3xxx.

Độ dày và lịch sử gia công rất quan trọng: các tấm mỏng cán nguội dễ đạt độ bền cao hơn và dẻo thấp hơn, trong khi các đoạn dày hơn giữ được nhiều dẻo hơn sau cùng một mức gia công nguội. Các kết cấu hàn có thể bị mềm cục bộ ở vùng ảnh hưởng nhiệt cho trạng thái làm cứng nguội, cần được chú ý trong thiết kế kết cấu.

Tính chất	O/Trạng thái ủ	Độ cứng chủ đạo (H14)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	110–140 MPa	180–240 MPa	Khoảng điển hình; giá trị cuối cùng tùy thuộc độ dày và mức gia công nguội.
Giới hạn chảy	35–60 MPa	120–190 MPa	Giới hạn chảy tăng rõ rệt với gia công nguội; H14 thường dùng cho chi tiết tạo hình.
Độ dãn	25–35%	6–12%	Độ dẻo giảm đáng kể ở trạng thái cứng hơn; trạng thái O dùng cho kéo sâu.
Độ cứng (HB)	30–45 HB	60–95 HB	Độ cứng liên quan đến trạng thái và phản hồi nhanh trong kiểm tra chất lượng.

Tính Chất Vật Lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.70 g/cm³	Điển hình cho các hợp kim nhôm-mangan; dùng để tính toán khối lượng.
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~600–650 °C	Nhiệt độ rắn/chảy biến đổi nhẹ tùy thành phần; phạm vi hẹp so với hợp kim đúc.
Độ dẫn nhiệt	120–160 W/m·K (25 °C)	Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim; tốt cho quản lý nhiệt.
Độ dẫn điện	~30–45 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết; độ dẫn giảm khi gia công nguội.
Nhiệt dung riêng	~0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	Giá trị điển hình dùng trong tính toán nhiệt.
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Hệ số tương tự các hợp kim nhôm khác; quan trọng khi ghép nối các kim loại khác nhau để tránh ứng suất nhiệt.

Sự kết hợp giữa độ dẫn nhiệt và điện tương đối cao cùng mật độ thấp khiến 3203 trở nên hấp dẫn cho các ứng dụng nhiệt nhạy cảm về trọng lượng mà không yêu cầu dẫn nhiệt tối đa. Các thông số giãn nở và dẫn nhiệt cần được xem xét kỹ lưỡng khi thiết kế các kết cấu ghép nối với vật liệu khác nhằm tránh hiện tượng ứng suất nối hoặc không tương thích về nhiệt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi cơ lý	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–4.0 mm	Làm cứng khi cán nguội; các độ dày nhỏ hơn đạt được độ cứng cao hơn	O, H14, H24	Được sử dụng rộng rãi cho các tấm vách và chi tiết dập thành hình; có thể dập sâu ở trạng thái O.
Đĩa tấm	4–25+ mm	Khả năng gia công nguội hạn chế ở các tiết diện rất dày	O, H24	Dùng cho các thành phần kết cấu đòi hỏi độ dày; khả năng tạo hình giảm theo độ dày.
Đùn	Tiết diện lên đến 1000 mm	Tính chất cơ học phụ thuộc vào tỷ lệ đùn và gia công nguội tiếp theo	O, H12/H14	Hình dạng đùn dùng cho khung kiến trúc và các kênh dẫn.
Ống	Độ dày thành 0.5–6.0 mm	Độ bền phụ thuộc vào phương pháp tạo hình (hàn đường nối hay liền mối)	O, H14	Phổ biến trong hệ thống HVAC và các hệ thống lưu chất áp suất thấp.
Thanh/Rod	3–50 mm	Thanh đặc giữ tính chất ủ trừ khi bị kéo nguội	O, H18	Dùng cho chi tiết gia công, phụ kiện và nguyên liệu tạo hình.

Khác biệt trong quy trình gia công quyết định lựa chọn ứng dụng: tấm là dạng phổ biến nhất và tận dụng tốt quá trình cuộn; đĩa tấm và đùn đòi hỏi chu trình nhiệt dài hơn và giảm gia công nguội. Các cụm hàn thường bắt đầu từ nguyên liệu ở trạng thái O hoặc H24, sau đó có thể gia công nguội để đạt dung sai kích thước cuối cùng.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	3203	USA	Chỉ định cho hợp kim này theo hệ thống của Aluminum Association.
EN AW	— (gần nhất EN AW-3003 / EN AW-3105)	Châu Âu	Không có tương đương chính xác theo EN; 3003/3105 là các mác gần nhất về thành phần và tính chất thương mại.
JIS	A3003 (xấp xỉ)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật thường không liệt kê cụ thể 3203; A3003 có thành phần tương đồng.
GB/T	Dòng 3xxx (gần nhất 3003)	Trung Quốc	Chỉ định theo Trung Quốc phản ánh chung thành phần hóa học của hợp kim 3xxx; tương đương trực tiếp với 3203 hiếm gặp.

Sự khác biệt nhỏ giữa các tiêu chuẩn xuất phát từ giới hạn tạp chất cho phép và các nguyên tố vi lượng đặc trưng như Cr hay Ti ảnh hưởng đến cấu trúc hạt và khả năng tạo hình. Khi thay thế, kỹ sư cần so sánh chính xác phạm vi hóa học được chứng nhận, bảng tính chất cơ học và độ cứng; không phải lúc nào cũng chấp nhận thay thế một-một cho các ứng dụng quan trọng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

3203 có khả năng chống ăn mòn khí quyển tổng quát tốt đặc trưng của hợp kim Al-Mn, tạo lớp oxit ổn định và bám dính tốt bảo vệ lớp nền trong nhiều môi trường đô thị và công nghiệp. Hợp kim chịu được chu kỳ ướt/kho khô định kỳ tốt và các lớp hoàn thiện phổ biến như anode hóa tăng cường cả về ngoại quan và bảo vệ chống ăn mòn.

Ở môi trường biển hoặc có hàm lượng clorua cao, 3203 hoạt động đủ tốt cho nhiều ứng dụng kết cấu và phi kết cấu, nhưng không chống ăn mòn bằng các hợp kim mạ magiê cao dòng 5xxx trong ngâm nước biển nghiêm trọng. Sự xuất hiện điểm ăn mòn cục bộ có thể xảy ra trên bề mặt tiếp xúc nếu không xử lý bảo vệ hoặc anode hóa và mối hàn nên được bảo vệ tránh ăn mòn khe hở ở các khớp nối.

Độ nhạy với nứt ăn mòn do ứng suất (SCC) thấp hơn các hợp kim nhiệt luyện độ bền cao, nhưng thiết kế vẫn cần giảm thiểu ứng suất dư kéo và các tập trung ứng suất sắc nhọn trên chi tiết tiếp xúc môi trường ăn mòn mạnh. Tương tác galvanic tuân theo nguyên tắc chung với nhôm: tránh tiếp xúc trực tiếp với kim loại quý không cách điện; sử dụng anode hy sinh hoặc vật liệu cách ly khi ghép với thép hoặc đồng nhằm ngăn ngừa ăn mòn gia tốc.

Tính Chế Tạo

Khả năng hàn

3203 dễ hàn với các phương pháp fusion thông thường gồm TIG (GTAW) và MIG (GMAW), cho mối hàn dẻo dai và liên kết tốt khi làm sạch và căn chỉnh mối hàn đúng. Các hợp kim que hàn thông dụng bao gồm 4043 (Al-Si) và 5356 (Al-Mg) tùy thuộc yêu cầu dẻo và chống ăn mòn, trong đó 4043 thường được chọn để giảm nguy cơ nứt nóng. Hợp kim Al-Mn có nguy cơ nứt nóng thấp, nhưng cần chú ý thiết kế mối nối, kiểm soát nhiệt lượng và biến dạng sau hàn; các trạng thái gia công nguội có thể bị làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cần cân nhắc trong thiết kế kết cấu.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 3203 mức trung bình, thường kém hơn các hợp kim nhôm dễ cắt chứa silic cao; hợp kim gia công tốt với dao dụng cụ cacbua và máy móc cứng vững. Phương pháp đề xuất bao gồm tốc độ cắt cao hơn thép nhưng thấp hơn các hợp kim nhôm dễ cắt, sử dụng nhiều mỏ cắt dạng góc dương và làm mát hoặc thổi khí mạnh để tránh tạo bavia và các dải phoi dài. Bề mặt hoàn thiện và kiểm soát kích thước tốt khi phoi được quản lý và dụng cụ giảm mòn hợp lý.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình rất tốt ở trạng thái O, cho phép dập sâu, kéo dãn và uốn phức tạp với nứt gãy tối thiểu. Đối với uốn, bán kính uốn trong tối thiểu đề nghị khoảng 1–2× độ dày ở trạng thái O và 3–4× độ dày ở trạng thái H14/H18 để tránh nứt. Độ đàn hồi sau uốn vừa phải cần được bù đắp trong thiết kế dụng cụ; một số thiết kế sử dụng ủ trung gian để phục hồi dẻo sau gia công nguội nặng.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Với đặc tính không nhiệt luyện, 3203 không đáp ứng với xử lý nhiệt hòa tan và lão hóa như các hợp kim 6xxx hoặc 7xxx; quá trình lão hóa nhân tạo gần như không tạo ra sự làm cứng kết tủa. Cố gắng lão hóa ở nhiệt độ trạng thái T không tạo được sự tăng cường đáng kể về độ bền như các hệ hợp kim nhiệt luyện.

Ủ (tái kết tinh) và chu trình ủ kiểm soát là các phương pháp xử lý nhiệt chính dùng cho 3203 để phục hồi độ dẻo sau gia công nguội. Nhiệt độ ủ thường trong khoảng 350–415 °C với làm nguội kiểm soát để đạt phát trạng thái O; ủ một phần và chu kỳ giải ứng suất được dùng để đạt các trạng thái H24 hoặc trạng thái giảm ứng suất mà không làm mềm hoàn toàn vật liệu.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

3203 mất dần độ bền khi nhiệt độ tăng; làm việc liên tục lâu dài trên khoảng 100–150 °C sẽ làm giảm rõ rệt giới hạn chảy và giới hạn bền kéo. Ứng dụng ngắt quãng ở nhiệt độ khoảng 200 °C có thể chấp nhận được trong thời gian ngắn, nhưng thiết kế cần tính đến giảm mô đun đàn hồi, hiện tượng creep và khả năng phục hồi vi cấu trúc ở các trạng thái gia công nguội.

Khả năng chống oxy hóa tương tự các hợp kim nhôm khác: lớp oxit mỏng hình thành nhanh chóng và ngăn chặn quá trình oxy hóa tiếp tục, và hiện tượng bong tróc bề mặt không phải là vấn đề ở nhiệt độ sử dụng điển hình của 3203. Các vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của hàn và vùng gia công nguội là khu vực nhạy cảm với nhiệt độ nhất và có thể bị làm mềm hoặc giảm tính chất cơ học khi