Nhôm 384: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 384 là một hợp kim nhôm cán thuộc dòng 3xxx, trong đó mangan là nguyên tố hợp kim chính phân biệt dòng này với các dòng 1xxx (nhôm tinh khiết thương mại) và 6xxx (hợp kim Mg-Si có thể xử lý nhiệt). Hợp kim này được thiết kế để cung cấp sự cân bằng giữa độ bền trung bình, khả năng tạo hình tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn tốt trong khi không thể xử lý nhiệt; việc tăng cường tính chất cơ học chủ yếu dựa trên hiệu ứng dung dịch rắn và gia công nguội thay vì hóa già kết tủa. Các thành phần hợp kim chính ngoài mangan thường bao gồm một lượng nhỏ sắt và magiê với lượng vi lượng các nguyên tố crôm hoặc titan nhằm kiểm soát cấu trúc hạt và đặc tính tái kết tinh. Người dùng điển hình là các ngành thân vỏ ô tô và phụ kiện, đồ gia dụng, các bộ phận kiến trúc, cùng một số ứng dụng trong ngành hàng hải và bộ trao đổi nhiệt, nơi yêu cầu kết hợp giữa khả năng tạo hình, tính hàn và độ bền đủ dùng.

Hợp kim này được lựa chọn thay cho nhiều lựa chọn khác khi nhà thiết kế cần độ bền cao hơn nhôm tinh khiết mà không làm giảm khả năng kéo sâu và uốn cong; 384 có độ bền trên 1100 nhưng vẫn giữ được khả năng tạo hình vượt trội so với nhiều hợp kim 5xxx và 6xxx trong điều kiện tương đương. Khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường khí quyển và môi trường ăn mòn nhẹ nhờ hàm lượng đồng thấp và tỷ lệ mangan/sắt được kiểm soát hạn chế sự hình thành các vị trí cực âm trong các hợp chất liên kim. Tính hàn thường rất tốt trong các quy trình hàn nhiệt phổ biến, và các trạng thái ủ mềm/không xử lý nhiệt cho phép thực hiện các thao tác tạo hình bán kính nhỏ vốn khó với các hợp kim gia công nguội có độ bền cao.

Các biến thể trạng thái vật liệu

Trang thái	Cấp độ bền	Độ dãn	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (30–45%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn ủ mềm, độ dẻo tối đa cho kéo sâu
H14	Trung bình cao	Trung bình (8–18%)	Tốt	Xuất sắc	Gia công cứng một bước, thường dùng cho các chi tiết dập có độ bền trung bình
H18	Trung bình	Trung bình cao (12–25%)	Rất tốt	Xuất sắc	Gia công cứng nhiều hơn H14 nhưng vẫn giữ khả năng tạo hình
H22	Trung bình	Trung bình (10–20%)	Tốt	Xuất sắc	Gia công cứng và ổn định nhờ ủ một phần nhằm duy trì tính chất đồng nhất
H24	Trung bình cao	Trung bình (8–15%)	Tốt	Xuất sắc	Gia công cứng và hơi làm mềm để cân bằng độ bền và khả năng tạo hình
H111	Thấp-trung bình	Cao (20–35%)	Rất tốt	Xuất sắc	Về cơ bản là ủ mềm nhưng có một chút gia công nguội, dùng cho tấm có tính chất được kiểm soát

Lựa chọn trạng thái ảnh hưởng mạnh đến phạm vi cơ học và cửa sổ tạo hình của hợp kim; trạng thái ủ mềm O tối đa khả năng kéo giãn và kéo sâu nhưng cho độ bền thấp nhất, trong khi các trạng thái H đổi độ dẻo lấy giới hạn chảy và độ bền kéo cao hơn thông qua gia công nguội có kiểm soát. Tính hàn vẫn thuận lợi trên hầu hết các trạng thái vì hợp kim không thể xử lý nhiệt và có khả năng chịu làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt tốt; nhà thiết kế nên chọn trạng thái phù hợp với quá trình tạo hình và mục tiêu hoạt động sau gia công.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0.10–0.60	Kiểm soát để hạn chế giòn và ảnh hưởng đến tính lỏng khi đúc; hàm lượng Si thấp trong 384 cán giữ được độ dẻo.
Fe	0.20–0.90	Sắt là tạp chất không tránh khỏi; được quản lý để giảm các hợp chất liên kim thô làm giảm khả năng tạo hình.
Mn	0.80–1.50	Nguyên tố làm tăng cường chính cho dòng 3xxx; tinh chỉnh kích thước hạt và giảm tái kết tinh trong quá trình gia công.
Mg	0.10–0.60	Thêm một lượng nhỏ Mg để tăng độ bền mà không đưa hợp kim vào vùng nhạy cảm ăn mòn của dòng 5xxx.
Cu	0.05–0.20	Giữ ở mức thấp để bảo vệ khả năng chống ăn mòn và giảm nguy cơ ăn mòn ứng suất (SCC).
Zn	≤0.20	Hàm lượng thấp nhằm tránh làm tăng khả năng giòn do môi trường.
Cr	0.02–0.15	Hợp kim vi lượng để ổn định cấu trúc hạt và cải thiện bề mặt sau gia công.
Ti	≤0.05	Thêm một lượng nhỏ để tinh chỉnh hạt trong một số dạng sản phẩm.
Khác	Cân bằng Al, tạp chất vi lượng	Các nguyên tố còn lại và tạp chất được kiểm soát để duy trì độ đồng nhất và chất lượng bề mặt.

Kiểm soát thành phần trong hợp kim 384 được điều chỉnh để mang lại sự kết hợp thuận lợi giữa độ bền, khả năng tạo hình và chống ăn mòn; mangan cung cấp lực tăng cường chính và điều khiển tái kết tinh trong khi magiê tăng nhẹ độ bền mà không làm tăng tính ăn mòn như trong dòng 5xxx. Hàm lượng sắt và silic được giữ thấp để hạn chế sự hình thành các hợp chất liên kim thô có thể làm giảm độ dãn dài và độ dẻo khi gia công tạo hình nghiêm ngặt.

Tính chất cơ học

Về độ bền kéo, hợp kim 384 thể hiện sự biến đổi đáng kể theo trạng thái và mức độ gia công nguội; tấm ủ mềm có độ bền chảy thấp nhưng độ dãn dài cao và đặc tính cổ cổ ổn định, trong khi các trạng thái H cho thấy độ bền chảy và bền kéo cao hơn nhiều nhưng giảm độ dãn đều. Độ bền chảy trong điều kiện gia công nguội tăng tương ứng với mức độ ứng suất trước, và hệ số làm cứng ứng suất (giá trị n) giảm khi trạng thái càng cứng, ảnh hưởng đến hiện tượng đàn hồi hồi phục và kết quả tạo hình kéo giãn. Độ cứng tỷ lệ thuận với độ bền chảy; các chỉ số Brinell hoặc Vickers thường được dùng như kiểm tra nhanh tại xưởng để ước lượng tính chất kéo, và khả năng chống mỏi theo xu hướng độ bền kéo và điều kiện bề mặt — bề mặt đánh bóng hoặc phun bi giúp cải thiện tuổi thọ mỏi đáng kể.

Độ dày ảnh hưởng rõ nét: tấm mỏng hơn thường đạt hiệu ứng làm cứng khi cán cao hơn và cho độ bền đo được cao hơn trong các trạng thái H, trong khi tấm dày hơn có thể chứa nhiều hợp chất liên kim thô và giảm nhẹ độ dãn dài. Việc khởi đầu vết nứt mỏi thường do điều kiện bề mặt, ứng suất tồn dư và tải trọng chu kỳ trung bình; hợp kim 384 thường hoạt động tốt dưới tải trọng chu kỳ vừa phải nhưng cần lưu ý thiết kế khi sử dụng cho các ứng dụng tải cao chu kỳ lớn. Tiếp xúc nhiệt gần 200 °C trở lên làm giảm dần hiệu ứng gia công nguội và giảm độ bền do hợp kim không thể xử lý nhiệt và không có pha kết tủa ổn định để duy trì trạng thái gia cường.

Tính chất	O/Ủ mềm	Trạng thái chính (ví dụ H14)	Ghi chú
Độ bền kéo	90–140 MPa	160–240 MPa	Giá trị thay đổi theo độ dày và tỷ lệ gia công nguội; phạm vi điển hình tại xưởng.
Giới hạn chảy	30–80 MPa	120–200 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh theo cấp độ H và mức độ ứng suất trước.
Độ dãn	30–45%	8–18%	Trạng thái ủ mềm cho phép kéo sâu; trạng thái H đổi dẻo lấy độ bền.
Độ cứng	20–35 HB	45–85 HB	Độ cứng Brinell tương ứng gần đúng với giới hạn chảy; dùng kiểm tra nhanh QC.

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.70 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al; dùng trong tính toán khối lượng và độ cứng.
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~555–650 °C	Hợp kim làm rộng khoảng nhiệt độ nóng chảy so với Al tinh khiết (660 °C).
Độ dẫn nhiệt	120–160 W/m·K	Thấp hơn một chút so với Al tinh khiết; thích hợp cho ứng dụng truyền nhiệt.
Độ dẫn điện	~30–42 %IACS	Thấp hơn dòng 1xxx do hợp kim; đủ dùng cho nhiều ứng dụng khung vỏ điện tử.
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Gần với Al tinh khiết; quan trọng cho thiết kế nhiệt chuyển tiếp.
Hệ số giãn nở nhiệt	23–24 µm/m·K	Hệ số điển hình của hợp kim Al dùng trong tính toán sai khác nhiệt.

Các tính chất vật lý khiến 384 trở nên hấp dẫn cho các chi tiết yêu cầu cả chức năng kết cấu và quản lý nhiệt vì độ dẫn nhiệt khá cao so với thép và nhiều vật liệu không sắt khác. Độ dẫn điện giảm so với nhôm tinh khiết nên nhà thiết kế cần lưu ý tổn hao điện trở cao hơn nếu hợp kim được xem xét cho ứng dụng dẫn điện; mật độ thấp của hợp kim đóng góp vào tỷ lệ bền trên trọng lượng thuận lợi trong các chi tiết ngành giao thông vận tải và hàng không vũ trụ.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi cơ học	Độ xử lý phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Độ dày mỏng thể hiện cường độ hiệu quả cao hơn sau khi cán nguội	O, H14, H24, H111	Dạng phổ biến nhất cho các tấm vỏ thân xe, thiết bị gia dụng và bọc kiến trúc.
Thép tấm dày (Plate)	6–50 mm	Gia công cứng ít hơn ở độ dày lớn; độ giãn giảm	O, H22	Sử dụng khi không cần dập khuôn nhưng yêu cầu độ cứng cấu trúc.
Đùn (Extrusion)	Tiết diện đến >200 mm	Hành vi cơ học phụ thuộc vào quá trình xử lý phôi và già hóa lớp bề mặt	O, H18	Đùn cho phép tạo hình phức tạp với độ dày thành đồng đều cho khung và ray.
Ống	ø6–200 mm	Kéo nguội và hàn ảnh hưởng đến tính chất; khả năng hàn tốt	O, H14	Dùng cho ống bình ngưng, thành phần kết cấu nhẹ và nội thất đồ gỗ.
Thanh	ø3–50 mm	Thép kéo hoặc đùn với bề mặt gia công cứng	O, H14	Dùng cho các chi tiết cơ khí gia công, bu lông đai ốc và bộ phận kết cấu nhỏ.

Quy trình gia công quyết định cấu trúc vi mô và vì vậy các tính chất cuối cùng: cán và các bước gia công nguội tiếp theo thiết lập độ xử lý H dùng cho tấm và dải, trong khi đùn thúc đẩy cấu trúc hạt kéo dài ảnh hưởng đến cường độ theo hướng và khả năng uốn. Thép tấm dày thường yêu cầu đồng nhất hóa hoặc làm nguội kiểm soát để giảm phân tách thành phần và sự phát triển các hợp chất liên kim, và các biên dạng đùn thường được xử lý nhiệt giải để tối ưu hóa bề mặt và ổn định kích thước khi sản xuất các hình dạng phức tạp.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	384	Mỹ	Hợp kim gia công nguội thuộc series 3xxx dùng cho tấm đặc biệt và dạng đùn.
EN AW	Không có tương đương trực tiếp	Châu Âu	Tương đương chức năng gần nhất: AW‑3003 / AW‑3004 về khả năng tạo hình và thành phần.
JIS	Không có tương đương trực tiếp	Nhật Bản	Hiệu suất tương tự hợp kim tấm JIS-series Al‑Mn dùng cho dập khuôn.
GB/T	Không có tương đương trực tiếp	Trung Quốc	Thường thay thế bằng hợp kim loại 3003 hoặc 3004 tùy yêu cầu tính chất.

Không có hệ quy đổi một-một cho 384 với các tiêu chuẩn quốc tế chính do các tiêu chuẩn vùng miền nhấn mạnh thành phần hóa học và lịch sử gia công khác nhau; trong thực tế kỹ sư chọn gần nhất trong nhóm thương mại (3003/3004) rồi xác thực qua thử nghiệm cơ học và thử nghiệm ăn mòn. Khi cần khả năng thay thế, người mua nên yêu cầu chứng chỉ thành phần hóa học và cơ tính cụ thể, và nếu cần, thực hiện thử nghiệm chứng nhận cho ứng dụng quan trọng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

384 cho thấy khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt nhờ hàm lượng đồng thấp và hợp kim chủ yếu mangan, giúp giảm thế điện hóa của các hạt liên kim có thể làm cực âm. Trong môi trường đô thị và công nghiệp, hợp kim tạo màng oxit nhôm bền vững giới hạn ăn mòn chung, và hiệu suất trong điều kiện ẩm khô tuần hoàn đủ dùng cho các ứng dụng bọc ngoại thất kiến trúc và ô tô. Môi trường chứa clorua (biển) có tính ăn mòn cao hơn; mặc dù 384 chống ăn mòn tốt hơn nhiều hợp kim chứa đồng, vẫn có thể xảy ra ăn mòn pitting cục bộ trên bề mặt gồ ghề hoặc nơi muối ngoại lai tập trung.

Nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất (SCC) thấp so với hợp kim đồng cao hoặc kẽm cao, nhưng rủi ro SCC tăng khi có ứng suất kéo dư cao, tiếp xúc clorua mạnh và nhiệt độ tăng; thiết kế nên tránh kết hợp các điều kiện này cho dịch vụ ngâm nước lâu dài hoặc trong vùng bắn nước. Tương tác điện hóa với kim loại khác cũng cần kiểm soát: khi ghép với thép hoặc hợp kim đồng, sự liên tục điện và tỷ lệ diện tích ảnh hưởng tốc độ ăn mòn điện hóa — liên kết với vật liệu quý hơn có thể thúc đẩy ăn mòn 384 trừ khi có rào cách điện hoặc anode hi sinh. So với hợp kim 5xxx (Al‑Mg), 384 ít có khả năng SCC do biến dạng nhưng có thể chịu ăn mòn cơ bản hơi thấp hơn trong một số ứng dụng hàng rào biển hoặc chịu nhiều mối hàn.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hợp kim 384 dễ hàn với các phương pháp hàn phổ biến như TIG (GTAW) và MIG (GMAW), và thể hiện ít nguy cơ nứt nóng khi đảm bảo phù hợp mối hàn và sạch sẽ. Dây hàn khuyến nghị bao gồm Al‑4043 hoặc Al‑5356 tùy yêu cầu sau hàn về ăn mòn và cơ tính; Al‑4043 cho dòng chảy tốt hơn và ít nhạy cảm nứt hơn trong khi Al‑5356 đạt cường độ hàn cao nhưng cần chú ý chống ăn mòn trong môi trường clorua. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị làm mềm hạn chế do hợp kim không xử lý nhiệt được, nhưng nhiệt lượng quá lớn có thể giảm cường độ cục bộ do khôi phục gia công nguội nên cần kiểm soát cho kích thước quan trọng.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 384 ở mức vừa phải; gia công dễ hơn nhiều hợp kim nhôm cường độ cao nhưng không mượt như các hợp kim có chì hoặc silic cao. Nên dùng dụng cụ cacbua với hình học bóng và góc nghiêng dương để giảm mẻ bavia và cải thiện bề mặt, tốc độ trục chính theo tiêu chuẩn hợp kim nhôm (tốc độ cao, ăn dao thấp). Kiểm soát phoi bằng cách dùng bộ phá phoi và làm mát lớn hoặc khí nén để tránh cắt lại; mẻ bavia thường vừa phải nhưng cần chú ý khi làm các chi tiết dung sai nhỏ.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình là điểm mạnh của 384 ở trạng thái ủ và xử lý nguội nhẹ, thể hiện khả năng dãn dài và kéo sâu tốt với bán kính uốn nhỏ khi dùng độ xử lý O. Bán kính uốn trong tối thiểu thường ở khoảng 0.5–1.0× độ dày vật liệu cho trạng thái O và tăng lên 1.0–2.5× độ dày cho các trạng thái H tùy độ dày và công cụ, bôi trơn và thiết kế khuôn quan trọng để tránh nhăn và nứt. Gia công nguội là phương pháp hiệu quả để đạt cường độ mong muốn, và khi cần tạo hình nhiều, thường uốn ở trạng thái O rồi gia công cứng kiểm soát hoặc chọn H111/H18 để cân bằng tạo hình và cường độ.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Do 384 là hợp kim không thể xử lý nhiệt, các chu trình xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo thông thường cho nhóm 6xxx và 7xxx không tạo hiệu ứng tăng cường kết tủa cùng. Cố gắng xử lý nhiệt chỉ ảnh hưởng chính đến hồi phục và mọc hạt; nhiệt độ tăng làm mềm hợp kim qua hiệu ứng ủ chứ không tạo kết tủa mới. Kiểm soát tính chất thực tế dựa trên đường đi gia công nguội: thay đổi mức cán, kéo, hay uốn cho phép điều chỉnh giới hạn chảy và giới hạn bền kéo.

Ủ về trạng thái O thực hiện bằng cách nung vào vùng tái kết tinh (thường trong khoảng 350–420 °C trong thời gian đủ theo độ dày tiết diện) rồi làm nguội kiểm soát để giữ cấu trúc hạt mịn, dẻo; cần tránh nhiệt độ quá cao làm hạt to và giảm độ dai. Các quá trình làm ổn định như ủ nhẹ và giảm ứng suất có thể dùng để giảm độ hồi bền nhớ và cải thiện kiểm soát kích thước trước khi tạo hình hoặc gia công cuối cùng.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Ở nhiệt độ cao, cường độ cơ học của 384 giảm dần do cơ chế tăng cường chính là gia công nguội và dung dịch rắn bị mất hiệu quả khi nhiệt tăng. Nhiệt độ dịch vụ trên ~150 °C bắt đầu làm giảm rõ giới hạn chảy và độ cứng, và phơi nhiễm lâu trên ~200 °C gây mềm đáng kể và cấu trúc vi mô thô hơn. Oxy hóa ít hơn so với hợp kim ferrous, nhưng hiện tượng bong tróc bề mặt và thay đổi ranh giới hạt có thể ảnh hưởng mỏi và creep khi sử dụng lâu dài ở nhiệt độ cao.

Khu vực chịu ảnh hưởng nhiệt khi hàn có thể bị làm mềm cục bộ nếu chu trình nhiệt sau hàn chồng với vùng ủ, dù không tái kết tủa đáng kể; với các chi tiết cần giữ tính cơ học ở nhiệt độ vừa phải, nên dùng hợp kim nhôm chịu nhiệt khác hoặc điều chỉnh thiết kế. Với các chu trình nhiệt ngắn như hàn hoặc sơn, 384 duy trì hiệu suất chức năng, song thiết kế nên kiểm tra kích thước và dung sai sau xử lý nhiệt.

Ứng dụng

Ngành công nghiệp	Ví dụ thành phần	Lý do sử dụng hợp kim 384
Ô tô	Phụ kiện ngoại thất và gia cường tấm thân xe	Khả năng dập kéo tốt kết hợp với độ bền cao hơn nhôm nguyên chất cho các tấm chức năng
Hàng hải	Phần kết cấu nội thất và phụ kiện	Cân bằng khả năng chống ăn mòn và tính tạo hình phù hợp cho các vùng dội nước và khoang chứa nước
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện thứ cấp và các tấm che	Độ bền riêng cao và dễ gia công cho các cấu trúc không phải chính
Điện tử	Khung và bộ tản nhiệt mức độ vừa	Khả năng dẫn nhiệt tốt kết hợp chức năng kết cấu

Hợp kim này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu gia công tạo hình và hàn cùng với độ bền vừa phải và trọng lượng nhẹ, mang lại giải pháp kinh tế thay thế cho cả nhôm nguyên chất và các hợp kim chịu nhiệt độ có độ bền cao hơn. Các quy trình sản xuất điển hình tận dụng cán tấm và xử lý nhiệt kiểm soát để đảm bảo hiệu suất đồng nhất, lặp lại trong các bộ phận dập, uốn và hàn.

Gợi ý lựa chọn

Trong thiết kế, 384 là lựa chọn hợp lý khi kỹ sư cần tăng cường độ bền so với nhôm tinh khiết thương mại (1100) đồng thời giữ được tính tạo hình và khả năng hàn xuất sắc giúp thực hiện dập sâu và hàn mối hàn lăn. So với 1100, 384 đánh đổi một phần khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt để tăng giới hạn chảy và giới hạn bền kéo, giúp nó phù hợp hơn cho các chi tiết kết cấu cần gia công tạo hình.

So với các hợp kim làm cứng bằng biến dạng phổ biến như 3003 hoặc 5052, 384 thường ở mức độ bền và khả năng chống ăn mòn giữa 3003 và 5052: nó có độ bền cao hơn 3003 với tính tạo hình tương đương, và ít nhạy cảm với ăn mòn hơn nhiều hợp kim nhôm-magie nhóm 5xxx. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 384 không có đỉnh độ bền cao nhất nhưng thường được ưu tiên trong các thao tác tạo hình phức tạp và nơi tính hàn cũng như ổn định kích thước sau gia công quan trọng hơn độ bền tối đa.

Chọn 384 khi các ưu tiên thiết kế là: hiệu suất kết cấu vừa phải, đặc tính tạo hình và hàn xuất sắc, khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt với chi phí vật liệu cạnh tranh và khả năng cung ứng rộng; cần xác thực qua thử nghiệm nguyên mẫu cho các ứng dụng biển hoặc chịu mỏi chu trình cao.

Tóm tắt cuối

Hợp kim 384 vẫn giữ vai trò quan trọng như một hợp kim nhôm kỹ thuật thực dụng nối liền khoảng cách giữa nhôm nguyên chất và các dòng hợp kim có độ bền cao hơn, mang lại sự cân bằng hợp lý giữa tính tạo hình, khả năng hàn, chống ăn mòn và độ bền vừa phải cho đa dạng ứng dụng công nghiệp. Đặc tính linh hoạt trong gia công và hiệu suất ổn định trên các quy trình chế tạo phổ biến làm cho nó trở thành lựa chọn tin cậy cho các nhà thiết kế tìm kiếm bộ phận nhẹ, hiệu quả về chi phí sản xuất và bảo trì.