Nhôm 3303: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

3303 là một hợp kim nhôm thuộc dòng 3xxx, được đặc trưng bởi mangan là nguyên tố hợp kim chính thêm vào nhôm tinh khiết thương mại. Là hợp kim dòng 3xxx, 3303 không thể xử lý nhiệt để tăng cứng và cơ chế làm cứng chủ yếu là làm cứng biến dạng (work hardening) đạt được thông qua biến dạng nguội và các công đoạn ủ temper có kiểm soát thay vì làm cứng kết tủa. Các nguyên tố hợp kim chính bao gồm mangan (điều khiển phản ứng làm cứng biến dạng và cấu trúc hạt) cùng với lượng nhỏ sắt, silic và các vết đồng, crôm điều chỉnh độ bền, khả năng tạo hình và tính chống ăn mòn.

Đặc tính chính của 3303 là cường độ kéo vừa phải kết hợp với độ dẻo tốt và khả năng chống ăn mòn tốt trong các môi trường khí quyển và ăn mòn nhẹ. Hợp kim này có khả năng hàn tốt với các phương pháp hàn chảy truyền thống và độ tạo hình xuất sắc ở trạng thái ủ mềm (annealed), rất phù hợp cho gia công tấm kim loại và các quy trình cán tạo hình. Các ngành công nghiệp điển hình bao gồm mặt dựng kiến trúc, hệ thống HVAC, bao bì, giàn khung kết cấu nhẹ và các ứng dụng tấm kim loại nói chung yêu cầu sự cân bằng giữa độ tạo hình, khả năng chống ăn mòn và chi phí.

Kỹ sư thường chọn 3303 khi cần độ bền cao hơn các hợp kim nhôm tinh khiết (như 1100) mà không muốn phức tạp về công nghệ xử lý nhiệt như các dòng hợp kim 6xxx/7xxx. Hợp kim này nổi bật khi cần độ bền vừa phải, khả năng dập sâu tốt và khả năng hàn tin cậy, đồng thời môi trường làm việc không quá khắc nghiệt (ví dụ như không ngâm trong môi trường chứa clorua biển nồng độ cao). Hợp kim này được ưu tiên hơn so với các hợp kim có thể xử lý nhiệt độ bền cao khi tính linh hoạt trong gia công, hàn nối và xử lý sau gia công được đặt lên hàng đầu, đồng thời khi chi phí và khả năng cung ứng ưu tiên các hợp kim chứa mangan phổ biến.

Các Tình Trạng Nhiệt (Temper)

Temper	Cấp Độ Bền	Độ Dài Ra	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái ủ mềm hoàn toàn; phù hợp nhất cho dập sâu và tạo hình phức tạp
H111	Thấp - Vừa	Vừa - Cao	Rất tốt	Rất tốt	Được làm cứng biến dạng nhẹ từ trạng thái O; dùng cho tạo hình nhẹ với tăng nhẹ độ bền
H14	Vừa	Vừa - Thấp	Tốt	Rất tốt	Trạng thái làm cứng khoảng 1/4 do biến dạng lạnh; phổ biến cho ứng dụng tấm có độ bền vừa
H16	Vừa - Cao	Thấp - Vừa	Trung bình	Rất tốt	Trạng thái làm cứng 1/2; dùng khi yêu cầu độ cứng và kiểm soát đàn hồi cao
H18	Cao	Thấp	Kém - Vừa	Rất tốt	Trạng thái làm cứng lạnh cán đầy đủ; dùng cho độ bền và độ cứng tối đa khi cán
H24 / H26	Vừa - Cao	Thấp	Trung bình	Rất tốt	Làm cứng biến dạng và ổn định một phần; dùng khi cần ổn định nhiệt phần nào

Temper có ảnh hưởng mạnh và dự đoán được đến hiệu năng cơ học và khả năng tạo hình của 3303 vì đây là hợp kim không thể xử lý nhiệt tăng cứng và dựa hoàn toàn vào làm cứng biến dạng lạnh. Việc chuyển từ trạng thái O sang H18 làm tăng đáng kể giới hạn chảy và sức bền kéo đồng thời giảm độ dài giãn và khả năng tạo hình, vì vậy nhà thiết kế lựa chọn temper phù hợp để cân bằng giữa gia công tạo hình và độ cứng, độ bền cuối cùng của chi tiết.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Al	Cân Bằng	Nguyên tố chính; còn lại sau các thành phần hợp kim
Si	≤ 0.6	Tạp chất có thể làm giảm độ dẻo và tăng nhẹ độ bền
Fe	≤ 0.7	Tạp chất phổ biến; hình thành intermetallic ảnh hưởng đến độ dai và bề mặt hoàn thiện
Mn	0.8–1.5	Nguyên tố làm tăng cường chính trong dòng 3xxx; tinh chỉnh cấu trúc hạt và tăng cường khả năng làm cứng biến dạng
Mg	≤ 0.3	Lượng nhỏ có thể tăng nhẹ độ bền mà không ảnh hưởng nhiều tới khả năng tạo hình
Cu	≤ 0.2 (điển hình)	Hàm lượng vết có thể tăng cường độ bền nhưng giảm khả năng chống ăn mòn nếu cao
Zn	≤ 0.2	Thông thường thấp; hàm lượng cao không đặc trưng cho dòng 3xxx
Cr	≤ 0.1	Thêm vết dùng kiểm soát tăng trưởng hạt và ổn định vùng ảnh hưởng nhiệt hàn (HAZ)
Ti	≤ 0.15	Chất tinh chỉnh hạt trong sản phẩm đúc hoặc rèn
Khác (mỗi loại)	≤ 0.05	Bao gồm V, Ni, Sn; giữ mức thấp để tránh pha gây hại

Hiệu năng của hợp kim chủ yếu do mangan cung cấp, mang lại tăng cường hòa tan rắn và khả năng làm cứng biến dạng cải thiện. Sắt và silic được chấp nhận như tạp chất phổ biến ảnh hưởng đến khả năng tạo hình và hoàn thiện bề mặt; kiểm soát mức độ của chúng giúp nâng cao chất lượng bề mặt và giảm nguy cơ xuất hiện các hạt intermetallic giòn. Các thành phần vết như crôm và titan được dùng để tinh chỉnh vi cấu trúc và ổn định tăng trưởng hạt trong các chu trình nhiệt và gia công cơ học.

Đặc Tính Cơ Học

3303 thể hiện đặc tính kéo điển hình của hợp kim không thể xử lý nhiệt: giới hạn chảy thấp tương đối ở trạng thái ủ mềm với dải giãn dài rộng, và giá trị giới hạn chảy cùng độ bền kéo tăng dần theo mức độ làm cứng lạnh. Hợp kim có thể giãn đều đáng kể ở trạng thái O, phù hợp cho dập sâu và tạo hình từng phần; khi ở các trạng thái H, độ dẻo giảm do mật độ lệch tổ tăng và vật liệu làm cứng biến dạng. Độ cứng có liên quan chặt chẽ với mức độ làm cứng lạnh và là chỉ số thực tiễn để nhận biết trạng thái temper; độ cứng tăng theo số H và cải thiện khả năng chịu mỏi đến một mức độ trước khi mất độ dẻo làm tăng tốc độ khởi phát vết nứt mỏi.

Tuổi thọ mỏi phụ thuộc vào hoàn thiện bề mặt, chiều dày và ứng suất trung bình tác dụng; tấm ủ bóng sẽ có hiệu năng mỏi tốt hơn so với tấm cán lạnh ở cùng cấp độ bền do giảm các vị trí hình thành vết nứt. Ảnh hưởng của chiều dày rất lớn: các tấm mỏng thường có độ bền cao hơn trong các hợp kim cán do mức độ làm cứng lạnh lớn hơn trong quá trình cán và số lượng khuyết tật nhỏ hơn. Thiết kế cho các chi tiết nhạy cảm với mỏi nên chọn trạng thái temper và phương pháp gia công bề mặt giảm tối đa các rãnh, tránh xước khi gia công và kiểm soát ứng suất dư.

Đặc Tính	O / Ủ Mềm	Temper Quan Trọng (H14)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	100–140 MPa	150–200 MPa	Phạm vi điển hình; tùy thuộc vào độ dày tấm và mức độ làm cứng lạnh
Giới Hạn Chảy	35–70 MPa	110–150 MPa	Giới hạn chảy tăng rõ rệt với làm cứng biến dạng
Độ Dài Ra	25–40%	6–12%	Độ dài giãn giảm khi temper làm cứng; trạng thái O được ưu tiên cho tạo hình
Độ Cứng (HB)	30–45	55–80	Phạm vi Brinell xấp xỉ; tương quan với trạng thái temper và làm cứng lạnh

Đặc Tính Vật Lý

Đặc Tính	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.70–2.72 g/cm³	Giá trị điển hình cho hợp kim nhôm mangan dạng rèn/cán
Phạm Vi Nhiệt Chảy	~640–650 °C	Điểm nóng chảy kết tinh/trạng thái lỏng gần bằng nhôm tinh khiết; điểm nóng chảy cục bộ thay đổi theo tạp chất
Độ Dẫn Nhiệt	120–160 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim; nhưng vẫn cao hơn thép
Độ Dẫn Điện	~20–35% IACS	Độ dẫn điện giảm so với nhôm tinh khiết; thay đổi theo trạng thái temper
Nhiệt Dung Riêng	~900 J/kg·K (0.90 J/g·K)	Giá trị điển hình dùng cho thiết kế nhiệt và tính toán nhiệt dung
Hệ Số Giãn Nhiệt	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Mức giãn dài tuyến tính khá cao đặc trưng cho hợp kim nhôm

3303 kết hợp mật độ khá thấp với độ dẫn nhiệt tốt, mang lại khả năng cứng riêng và quản lý nhiệt thuận lợi cho các ứng dụng tản nhiệt không quá nghiêm trọng. Độ dẫn điện bị giảm bởi hợp kim nhưng vẫn đủ dùng cho một số ứng dụng thanh dẫn điện busbar hoặc tấm dẫn điện nơi hiệu suất cơ học quan trọng hơn độ dẫn tuyệt đối. Đặc tính nhiệt chảy và giãn nở nhiệt cần được cân nhắc khi thực hiện hàn brazing, hàn hồ quang và lắp ráp đa vật liệu nhằm kiểm soát biến dạng và độ bền liên kết.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Chuẩn	Đặc Tính Cơ Lực	Độ Cứng Thông Thường	Ghi Chú
Tấm	0.2–6.0 mm	Độ bền tăng khi cán nguội	O, H111, H14, H16	Sản xuất rộng rãi; dùng cho vách, vỏ bọc và các chi tiết tạo hình
Thép tấm dày (Plate)	>6.0 mm (đến 25 mm)	Độ biến dạng nguội đồng đều thấp hơn so với kim loại mỏng	O, H111	Độ dày lớn có thể giảm nhẹ khả năng làm cứng khi gia công nguội
Hợp kim đùn (Extrusion)	Hình dạng phức tạp đến 200 mm	Độ bền phụ thuộc độ ratio đùn và quá trình gia công nguội sau đó	O, H14	Ít phổ biến hơn so với hợp kim 6xxx nhiệt luyện nhưng dùng cho tiết diện nhẹ
Ống	Đường kính nhỏ đến lớn (liền mạch/hàn)	Độ cứng gia công nguội dạng hàn hoặc kéo sợi	O, H14	Dùng trong HVAC và nội thất; ống liền mạch có đặc tính mỏi tốt hơn
Thanh tròn/Thỏi (Bar/Rod)	Đường kính 3–50 mm	Độ bền tăng khi kéo nguội	H14, H18	Dùng cho chi tiết bu lông, chi tiết tạo hình và đinh tán

Tấm cán nguội so với đùn và tấm dày khác biệt về cấu trúc vi mô và độ làm cứng gia công; quá trình sản xuất tấm tạo ra biến dạng cán lớn có lợi cho việc xử lý nhiệt cuối cùng đạt các mức H. Đùn có thể thực hiện được nhưng ít phổ biến so với hợp kim 6xxx nhiệt luyện vì hợp kim chứa Mn không làm già cứng; thiết kế dùng đùn 3303 phải đánh đổi độ bền tối đa lấy độ dẻo và bề mặt hoàn thiện. Ống và thanh thường được gia công nguội thêm (kéo, duỗi thẳng) để tăng độ bền nhưng giảm dẻo dai, vì vậy lựa chọn độ cứng H phải phù hợp với quy trình tạo hình và hàn sau đó.

Cấp Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Cấp	Khu Vực	Ghi Chú
AA	3303	Hoa Kỳ	Danh mục ngành cho hợp kim gia công thuộc dãy 3xxx
EN AW	3303	Châu Âu	Danh mục phổ biến Châu Âu (EN AW-3303) dùng trong thu mua; dung sai thành phần có thể khác nhau
JIS	A3303 (xấp xỉ)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật dùng số hóa khác nhưng thành phần hợp kim tương đương
GB/T	3303 (xấp xỉ)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc tham khảo hợp kim Al-Mn tương tự; giới hạn chính xác có thể khác

Tương đương giữa các tiêu chuẩn mang tính tương đối do các quy định vùng miền khác nhau về giới hạn tạp chất và đôi khi khác về thử nghiệm cơ tính và ký hiệu độ cứng. Người thu mua cần kiểm tra chính xác giới hạn hóa học và cơ lý trên chứng nhận nhà cung cấp và tham khảo tiêu chuẩn thu mua kiểm soát đối với chi tiết quan trọng, đặc biệt khi yêu cầu khả năng chống ăn mòn hoặc tạo hình là ưu tiên.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

3303 cung cấp khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt trong hầu hết môi trường nội địa nhờ lớp oxide nhôm bảo vệ và không chứa nhiều đồng gây ăn mòn cục bộ. Trong môi trường biển nhẹ, hợp kim vẫn dùng được cho các chi tiết trên boong và kết cấu kiến trúc, nhưng ngâm lâu trong nước biển chứa nhiều chloride sẽ làm ăn mòn cục bộ nhanh hơn so với các hợp kim chuyên dụng 5xxx dạng Al-Mg. Xử lý bề mặt và phủ lớp (anod hóa, sơn) đáng kể kéo dài tuổi thọ, và anod hóa 3303 còn cải thiện mỹ quan và tăng cường lớp bảo vệ.

Khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất (SCC) thấp so với một số hợp kim nhiệt luyện có cường độ cao vì 3303 không tạo kết tủa gây SCC; tuy nhiên cần giảm tối thiểu ứng suất kéo tồn dư do tạo hình hoặc hàn. Tương tác điện hóa quan trọng: 3303 là anot so với thép không gỉ và đồng nên sẽ ưu tiên ăn mòn khi kết nối điện trong môi trường dẫn điện; cần áp dụng biện pháp cách ly và sử dụng chi tiết cố định tương thích trong cụm kim loại hỗn hợp. So với dãy 5xxx và 6xxx, 3303 đánh đổi khả năng chống ăn mòn cục bộ nhẹ để tăng khả năng tạo hình và đơn giản hóa gia công, phù hợp khi ưu tiên tạo hình sâu và tính hàn hơn hiệu suất chống ăn mòn tối ưu.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

3303 hàn dễ với các phương pháp phổ biến như hàn MIG/GMAW, TIG/GTAW và hàn điểm, ít bị nứt nóng nếu thực hiện đúng kỹ thuật. Kim loại lấy chèn được khuyến nghị tương tự các hợp kim Al-Mn khác (ví dụ hợp kim lấy chèn Al-Mn) và có thể dùng hợp kim nhôm-silicôn nếu cần độ chảy tốt; lựa chọn phải tính đến khả năng chống ăn mòn tương thích. Khu vực ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị giảm cứng nhẹ so với hợp kim nhiệt luyện vì 3303 không dựa vào tăng cứng kết tủa, nhưng quá nhiệt và tăng kích thước hạt có thể giảm sức bền mỏi và thay đổi tính chất tạo hình khu vực gần mối hàn.

Khả năng gia công cơ khí

Với đặc tính hợp kim mềm, khá dẻo, 3303 có khả năng gia công trung bình và dễ tạo sợi phoi dài liên tục khi điều kiện cắt không phù hợp. Dụng cụ cacbua có góc nghiêng dương và bộ phá phoi được khuyến khích khi tiện và phay để kiểm soát tạo phoi và hạn chế mài mòn cạnh cắt; tốc độ cắt thấp hơn và làm mát đầy đủ ngăn hiện tượng bám dính. Chỉ số gia công thường thấp hơn hợp kim nhôm gia công tự do nhưng tương đương các hợp kim Al-Mn phổ thông; cần tính đến mài mòn dao và biến dạng khi gia công tiết diện mỏng.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình xuất sắc khi ở trạng thái tôi mềm O, cho phép dập sâu, kéo giãn và uốn phức tạp trên bán kính nhỏ. Bán kính uốn tối thiểu tùy thuộc độ cứng và độ dày; tấm tôi mềm thường đạt tỷ lệ R/t thấp hơn nhiều so với các cấp độ cứng bán cứng hoặc cứng đầy đủ. Gia công nguội tăng cường độ bền nhưng giảm dẻo và tăng độ hồi đàn; do đó cần sắp xếp quy trình tạo hình trước khi sấy nóng hoặc giải ứng suất, đồng thời chỉ chọn độ cứng H khi không cần hoặc hạn chế tạo hình tiếp theo.

Phản Ứng Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim không nhiệt luyện, 3303 không phản ứng với tôi dung dịch và lão hóa để tăng cường độ qua kết tủa. Quy trình nhiệt chủ yếu là tôi anneal và ổn định: chu kỳ tôi thường dùng nhiệt độ khoảng 370–415 °C, sau đó làm nguội nhanh hoặc chậm tùy yêu cầu kích thước hạt và ứng suất tồn dư. Sau khi anneal, trạng thái O phục hồi dẻo dai và khả năng tạo hình tối đa; gia công nguội tiếp theo chuyển vật liệu sang trạng thái H tăng cường độ bền do tích lũy đứt gãy tinh thể.

Các chu kỳ ổn định hoặc tôi ở nhiệt độ thấp có thể dùng để giảm bớt ứng suất do gia công mà không làm mềm đáng kể khi cần điều chỉnh kích thước hoặc giảm ứng suất cơ học. Nhiệt độ phát sinh khi gia công như hàn làm thay đổi trạng thái nhiệt vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ); vì 3303 tăng cường độ chủ yếu qua gia công nguội, khu vực hàn trên vật liệu đã gia công nguội sẽ mềm hơn trừ khi có xử lý cơ học sau hàn hoặc gia công nguội cục bộ.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

3303 mất dần độ bền theo nhiệt độ tăng; giảm đáng kể giới hạn chảy và bền kéo thường xảy ra trên 150 °C và rõ rệt ở trên 200 °C. Hợp kim không thiết kế cho ứng dụng kết cấu chịu nhiệt độ cao và sẽ bị làm mềm, biến dạng lâu dài dưới tải trọng liên tục. Khả năng chống oxy hóa tương tự các hợp kim nhôm khác: lớp oxide ổn định hình thành nhanh, nhưng không ngăn được suy thoái cơ học ở nhiệt độ cao.

Với chi tiết hàn hoặc tiếp xúc nhiệt, hiện tượng tăng kích thước hạt ở vùng HAZ và mất cứng do gia công nguội là mối lưu ý chính làm ảnh hưởng tuổi mỏi và ổn định kích thước. Thiết kế cho hoạt động gián đoạn ở nhiệt độ cao nên áp dụng hệ số an toàn và cân nhắc dùng hợp kim khác (ví dụ Al-Si hoặc hợp kim chịu nhiệt cao) khi cần độ bền duy trì trên 150 °C.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 3303
Ô tô	Trang trí nội thất và tấm không kết cấu	Khả năng tạo hình tốt và bề mặt hoàn thiện cho chi tiết dập
Hàng hải	Vỏ thiết bị HVAC và phụ kiện kiến trúc	Chống ăn mòn hợp lý và tính gia công xuất sắc
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện không quan trọng, ống dẫn	Tỷ lệ bền trên trọng lượng thuận lợi cho kết cấu phụ
Điện tử	Tấm tản nhiệt và vỏ bọc	Độ dẫn nhiệt tốt và dễ dàng gia công
Đóng gói / Tiêu dùng	Lon, chi tiết trang trí	Lợi thế tạo hình và hoàn thiện bề mặt

3303 đáp ứng nhu cầu thực tế cho chi tiết phải tạo hình phức tạp, hàn tốt và chống ăn mòn vừa phải mà không tốn kém và khó khăn như hợp kim nhiệt luyện. Cân bằng tính chất làm nó rất hiệu quả cho chi tiết sản xuất số lượng lớn và các bộ phận kiến trúc nơi chi phí và khả năng chế tạo là yêu cầu hàng đầu.

Thông tin lựa chọn

Khi chọn 3303, ưu tiên các thiết kế cần dập sâu hoặc gia công tạo hình phức tạp và nơi yêu cầu độ bền cuối cùng ở mức vừa phải thay vì tối đa. Hợp kim này hấp dẫn khi tính hàn và khả năng uốn sau khi tạo hình là quan trọng, cũng như khi đơn giản hóa thu mua và kiểm soát chi phí được cân nhắc.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 3303 cung cấp độ bền cao hơn với sự giảm nhẹ về độ dẫn điện và vẫn giữ được khả năng tạo hình tốt. So với các hợp kim làm cứng bằng biến dạng phổ biến như 3003 và 5052, 3303 thường ở vị trí trung gian: nó cho độ bền cao hơn một chút so với các loại rất tinh khiết trong khi duy trì khả năng tạo hình tốt hơn nhiều hợp kim 5xxx chứa Mg; khả năng chống ăn mòn tốt nhưng không cao như các hợp kim Al-Mg chất lượng cao dùng cho môi trường biển. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 3303 có độ bền đỉnh thấp hơn nhưng được ưu tiên dùng cho gia công tạo hình phức tạp, có tính hàn vượt trội không bị giới hạn bởi các yêu cầu nhiệt luyện sau hàn và chi phí gia công thấp hơn.

Tóm tắt cuối

3303 vẫn là một hợp kim thiết thực và phù hợp cho kỹ thuật hiện đại nơi cần kết hợp giữa khả năng tạo hình, tính hàn và độ bền vừa phải; thành phần Mn và phản ứng làm cứng biến dạng cung cấp nền tảng đáng tin cậy cho các chi tiết tấm kim loại, ống và biên dạng dập trên nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Quy trình gia công đơn giản và tính chất cân bằng làm cho nó trở thành lựa chọn hợp lý cho các kỹ sư thiết kế ưu tiên tính khả thi sản xuất và hiệu suất kinh tế.