Nhôm 3A21: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

3A21 là một trong các hợp kim nhôm thuộc series 3xxx, thuộc họ Al–Mn với mangan là nguyên tố hợp kim chính. Đây là hợp kim không thể xử lý nhiệt, có thể tăng cường độ cứng bằng phương pháp biến dạng nguội (làm cứng biến dạng) thay vì qua xử lý nhiệt dung dịch và tạo kết tủa.

Thành phần điển hình chứa mangan trong khoảng giúp tăng cường cơ học bằng dung dịch rắn và tạo các hạt phân tán nhỏ, cùng với lượng nhỏ Fe, Si và các nguyên tố vết ảnh hưởng nhẹ đến khả năng tạo hình và chống ăn mòn. Hợp kim này cung cấp sự cân bằng giữa độ bền vừa phải, khả năng chống ăn mòn tốt, và độ tạo hình, hàn tuyệt vời, rất phù hợp cho các chi tiết tấm và chi tiết tạo hình.

Các ngành sử dụng 3A21 phổ biến bao gồm gia công tổng hợp, trang trí ô tô, HVAC, thiết bị gia dụng, và ứng dụng hàng hải nhẹ, nơi yêu cầu độ bền vừa phải và khả năng tạo hình tốt. Các kỹ sư chọn 3A21 khi cần sự kết hợp giữa khả năng gia công nguội, độ bền hợp lý, chi phí thấp, và khả năng chống ăn mòn tốt trong khí quyển, ưu tiên hơn các hợp kim có độ bền cực đại cao hơn nhờ xử lý nhiệt.

Các biến thể nhiệt luyện

Nhiệt luyện	Cấp độ bền	Độ kéo dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–40%)	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Hoàn toàn ủ mềm, độ dẻo cao nhất cho tạo hình phức tạp
H12	Thấp–Trung bình	Trung bình (10–25%)	Rất tốt	Tuyệt vời	Làm cứng biến dạng nhẹ, giữ khả năng tạo hình tốt
H14	Trung bình	Trung bình (8–18%)	Tốt	Tuyệt vời	Nhiệt luyện thương mại phổ biến cho độ bền và khả năng tạo hình vừa phải
H16	Trung bình–Cao	Thấp hơn (6–14%)	Khá–Tốt	Tuyệt vời	Cứng hóa biến dạng nhiều hơn, giới hạn chảy cao hơn cho các chi tiết tạo hình
H18	Cao	Thấp (3–10%)	Giảm	Tuyệt vời	Đạt gần mức làm cứng lạnh tối đa thương mại
H111	Thấp–Trung bình	Biến thiên	Tốt	Tuyệt vời	Làm cứng nhẹ; dùng khi cần tăng cường sức mạnh vừa phải nhưng còn giữ khả năng tạo hình tốt
H112	Trung bình	Trung bình	Tốt	Tuyệt vời	Điều kiện làm cứng biến dạng thương mại thay thế

Nhiệt luyện trong các hợp kim series 3xxx được thực hiện bằng cách kiểm soát lượng biến dạng nguội; không có sự làm cứng đáng kể do tạo kết tủa với các xử lý T6/T651 thông thường. Việc chuyển từ nhiệt luyện O sang các biến thể H nâng cao giới hạn chảy và độ bền kéo trong khi giảm độ kéo dài đều và tổng, do đó thiết kế phải cân bằng giữa khả năng tạo hình và yêu cầu tải trọng trong quá trình sử dụng.

Khả năng hàn giữ ở mức tuyệt vời cho tất cả các nhiệt luyện này do hợp kim không thể xử lý nhiệt; tuy nhiên các vùng làm cứng lạnh có thể bị làm mềm cục bộ trong vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn, và khả năng tạo hình sau hàn phụ thuộc vào lựa chọn làm lạnh lạnh hoặc ủ nhiệt sau hàn.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	% Khoảng	Ghi chú
Si	0.1–0.6	Điều chỉnh tạp chất; Si cao hơn cải thiện khả năng đúc nhưng có thể giảm độ dai
Fe	0.2–0.7	Tạp chất phổ biến; tạo hợp chất liên kim có thể làm giảm độ dai và chất lượng bề mặt
Mn	0.6–1.5	Nguyên tố chính tăng cường; cải thiện khả năng chống tái kết tinh và ăn mòn
Mg	0.05–0.20	Ít; hơi giúp tăng cường nhưng giữ thấp để đảm bảo khả năng hàn
Cu	0.05–0.3	Mức thấp có thể tăng độ bền nhưng giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	0.05–0.25	Thường thấp; Zn cao hơn sẽ chuyển sang hành vi của hợp kim họ 7xxx
Cr	0.05–0.20	Vi hợp kim kiểm soát cấu trúc hạt và cải thiện độ dai
Ti	0.01–0.10	Chất khử oxi/tinh chỉnh hạt trong một số sản phẩm
Khác	Cân bằng Al, tạp chất ≤0.15	Nguyên tố vết và tạp chất được giữ thấp để đảm bảo tính chất

Hàm lượng Mn chi phối hành vi vi cấu trúc bằng cách hình thành các hạt phân tán và hạn chế tái kết tinh trong các chu trình nhiệt, giúp duy trì độ bền sau khi tạo hình và chịu nhiệt độ vừa phải. Lượng Fe và Si kiểm soát chặt chẽ là không thể tránh và ảnh hưởng đến hoàn thiện bề mặt cũng như đặc tính tạo hình, trong khi Cr và Ti vết rất hữu ích trong kiểm soát hạt khi đúc và gia công nóng.

Tính chất cơ học

Hành vi kéo của 3A21 đặc trưng cho hợp kim nhôm–mangan không có khả năng xử lý nhiệt: dẻo trong điều kiện ủ mềm với giới hạn chảy tương đối thấp, tăng cường độ bền theo tỉ lệ biến dạng nguội. Hiện tượng điểm giọt giới hạn chảy (yield point) nhẹ hơn so với hợp kim có khả năng xử lý nhiệt, và đường cong ứng suất – biến dạng cho thấy độ kéo dài đều lớn ở trạng thái O và giảm dần độ dẻo ở các nhiệt luyện H cao hơn. Hiệu suất chịu mỏi nhìn chung tốt với các chi tiết có bề mặt nhẵn, nhưng sự tồn tại hạt liên kim và bề mặt ráp có thể làm giảm giới hạn chịu mỏi.

Độ cứng tăng theo làm cứng biến dạng; độ cứng trong trạng thái ủ mềm thấp và tăng theo các biến thể H thương mại. Độ dày có ảnh hưởng đáng kể: lớp mỏng biến dạng lạnh đều hơn và có thể đạt độ bền bề ngoài cao hơn sau khi làm biến dạng, trong khi tiết diện dày thường có khả năng làm cứng lạnh thấp hơn và giảm khả năng tạo hình. Hợp kim thường có độ nhạy vết khía vừa phải và được hưởng lợi từ hoàn thiện bề mặt đúng chuẩn cho các chi tiết chịu mỏi quan trọng.

Tính chất	O/Ủ mềm	Nhiệt luyện chính (ví dụ H14/H16)	Ghi chú
Độ bền kéo	~80–140 MPa	~140–210 MPa	Giá trị thay đổi theo biến dạng lạnh và độ dày; H16/H18 đạt gần giới hạn trên
Giới hạn chảy	~30–70 MPa	~80–160 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh theo nhiệt luyện; thiết kế dựa trên giá trị theo nhiệt luyện
Độ kéo dài	~25–40%	~5–18%	Độ dẻo giảm theo cường độ làm cứng biến dạng tăng
Độ cứng (HB)	~20–40 HB	~40–90 HB	Độ cứng Brinell hoặc Vickers tăng theo số nhiệt luyện H và biến dạng lạnh

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.70–2.73 g/cm³	Hợp kim nhẹ hơn so với Al nguyên chất (2.70 g/cm³)
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~630–655 °C	Phạm vi nhiệt độ rắn–lỏng phụ thuộc vào nguyên tố hợp kim phụ
Độ dẫn nhiệt	~120–150 W/m·K	Thấp hơn Al nguyên chất chút ít; đủ dùng cho tản nhiệt
Độ dẫn điện	~28–38 % IACS	Thấp hơn Al nguyên chất và một số hợp kim 1xxx do Mn và tạp chất
Nhiệt dung riêng	~880–910 J/kg·K	Tương đương các hợp kim Al khác dùng trong kỹ thuật chung
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Giãn nở nhiệt điển hình của nhôm; cần tính đến khi thiết kế liên kết vật liệu đa nguyên liệu

Sự kết hợp giữa độ dẫn nhiệt tương đối cao và mật độ thấp khiến 3A21 hữu ích trong các ứng dụng trọng lượng nhẹ cần quản lý nhiệt nhưng không đòi hỏi độ dẫn nhiệt cao nhất. Độ dẫn điện bị giảm do sự pha tạp và biến dạng lạnh; nếu ưu tiên khả năng dẫn điện, nên chọn hợp kim dòng 1xxx tinh khiết hơn. Hệ số giãn nở nhiệt cần được xét đến khi thiết kế các cụm lắp ghép nhiều vật liệu.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Đặc tính cơ lý	Điều kiện nhiệt luyện phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.2–6.0 mm	Có thể cung cấp ở điều kiện O hoặc H, độ bền tăng theo điều kiện nhiệt luyện	O, H14, H16, H18	Ứng dụng rộng rãi nhất trong các chi tiết gia công và panel
Thép tấm dày (Plate)	6–25 mm	Ảnh hưởng làm cứng nguội thấp hơn, kết cấu thô nếu không qua xử lý	O, H111	Sử dụng cho kết cấu hoặc chi tiết gia công cơ khí khi cần tiết diện dày
Đùn	Đường kính lên đến vài trăm mm	Độ bền phụ thuộc vào làm nguội sau đùn và làm cứng nguội	O, H112	Khả năng tạo hình hạn chế với các biên dạng mỏng phức tạp so với hợp kim 6xxx
Ống	Độ dày thành 0.5–6.0 mm	Hành xử tương tự như tấm trong điều kiện thành mỏng	O, H14	Phổ biến trong ống dẫn HVAC và ống kết cấu nhẹ
Thanh tròn/Thanh đặc	Ø6–150 mm	Gia công nguội có thể tăng độ bền với thanh kéo	H12–H18	Dùng cho phụ kiện kết cấu nhẹ và các chi tiết máy

Khác biệt trong gia công là đáng kể: tấm và sản phẩm thành mỏng dễ dàng làm cứng biến dạng đến mức yêu cầu cơ tính, trong khi tấm dày và đùn lớn đem lại mức tăng độ cứng làm việc thấp hơn và có thể cần xử lý cơ hoặc nhiệt sau gia công để đồng nhất tính chất. Do đó, lựa chọn dạng sản phẩm nên phản ánh điều kiện nhiệt luyện đạt được và yêu cầu độ bền cũng như tính dễ gia công trong thực tế.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	3003 (xấp xỉ)	USA	Đồng tương Aluminum Association về thành phần và tính chất
EN AW	3.0517 / AW-3003	Châu Âu	Quy cách hợp kim Al–Mn tương tự dùng cho tấm đa dụng
JIS	A3003	Nhật Bản	Hợp kim cơ bản tương đương dựa trên Mangan
GB/T	3A21	Trung Quốc	Tên gọi trong nước; tương ứng đặc tính Al–Mn nhóm 3xxx

Sự khác biệt tinh tế giữa các quy cách thường do kiểm soát chặt chẽ hơn về tạp chất, hàm lượng đồng cho phép, hoặc giới hạn các nguyên tố vết ảnh hưởng đến tính dễ tạo hình và bề mặt. Khi đặt vật liệu cung ứng quốc tế, kỹ sư nên yêu cầu chứng chỉ hóa học và cơ lý để xác nhận chính xác thành phần và điều kiện nhiệt luyện thay vì chỉ dựa vào tên gọi tương đương.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

3A21 có khả năng chống ăn mòn khí quyển tổng quát tốt, đặc trưng cho nhóm hợp kim 3xxx. Nó tạo màng oxide ổn định bảo vệ chống lại môi trường công nghiệp nhẹ và nông thôn; trong khí quyển ven biển hoặc chứa nhiều chloride, hiệu suất tốt nhưng cần chú ý thiết kế để tránh ăn mòn khe hở và vùng giữ muối.

Hợp kim thể hiện khả năng chống ăn mòn đều tốt và ít nhạy cảm với ăn mòn cục bộ (pitting) dưới môi trường biển khắc nghiệt so với hợp kim Al–Zn có độ bền cao hơn. Vết nứt ăn mòn ứng suất (stress corrosion cracking) không phải là dạng hư hỏng phổ biến của hợp kim 3xxx, mối quan tâm chính là ăn mòn cục bộ ở môi trường ô nhiễm hoặc nhiều chloride.

Tương tác điện hóa với kim loại khác cần được lưu ý: khi tiếp xúc với kim loại quý hơn (ví dụ: đồng, thép không gỉ) trong môi trường ẩm ướt, 3A21 có thể đóng vai trò anod và ăn mòn ưu tiên nếu không được cách ly. Ngược lại khi tiếp xúc với vật liệu hoạt động hơn, nó thường là cực catốt và được bảo vệ; các chiến lược giảm thiểu phổ biến gồm lớp phủ, rào chắn và thiết kế hy sinh (sacrificial design).

Đặc Tính Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 3A21 rất tốt với các phương pháp truyền thống như TIG và MIG. Các loại que hàn khuyến nghị bao gồm hợp kim Al–Si (ví dụ 4043) và Al–Mg (ví dụ 5356) tùy thuộc vào yêu cầu về độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn của mối hàn; 4043 thường được sử dụng để giảm nguy cơ nứt và tạo ướt tốt. Độ nhạy nóng nứt thấp hơn so với hợp kim có thể nhiệt luyện, tuy nhiên cần chú ý độ vừa khít mối ghép và sạch để tránh rỗ khí và tạp chất.

Khả năng gia công cơ khí

Gia công 3A21 ở mức trung bình; nó dẻo và dính hơn hợp kim Al dễ gia công và hưởng lợi khi dùng dụng cụ hợp kim carbide sắc và làm mát phù hợp. Khả năng gia công thấp hơn hợp kim Al–Cu 2xxx và Al–Si 3xx đúc; nên điều chỉnh tốc độ và bước chạy dao để tránh gỉ mòn dư và kiểm soát mảnh vụn. Độ bền dụng cụ chấp nhận được khi dùng carbide phủ và chiến lược tốc độ cao nhằm tạo phoi liên tục và thoát phoi tốt.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình là điểm mạnh của 3A21 ở điều kiện ủ (O), cho phép kiểm định sâu và đóng dấu phức tạp. Bán kính uốn nhỏ nhất phụ thuộc vào độ dày tấm và điều kiện nhiệt luyện, nhưng nhiệt luyện O thường cho phép uốn rất nhỏ (ví dụ R ≤ 0.5t trong nhiều trường hợp) trong khi các điều kiện H yêu cầu bán kính uốn lớn hơn để tránh nứt. Làm cứng nguội tăng độ bền nhưng giảm độ dẻo, do đó các chu trình tạo hình thường chỉ định bước ủ hoặc tiền biến dạng có kiểm soát để đạt hình dạng và tính năng cuối cùng.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim không nhiệt luyện được, 3A21 không đáp ứng tăng cường độ bền thông qua xử lý dung dịch và lão hóa kết tủa. Việc xử lý nhiệt chủ yếu ảnh hưởng đến cấu trúc hạt, hoàn ủ hoặc khử ứng suất hơn là làm cứng nhờ kết tủa. Xử lý dung dịch rồi làm nguội nhanh không đem lại lợi ích đáng kể và có thể gây tăng kích thước hạt hoặc làm mềm không mong muốn.

Làm cứng nguội qua biến dạng lạnh là phương pháp chính để tăng độ bền; quá trình này ổn định và có thể dự đoán, giúp thiết kế lựa chọn các điều kiện H để đạt giá trị giới hạn chảy cần thiết. Ủ đảo chiều (rãnh ủ hoàn toàn về O) được dùng để khôi phục tính tạo hình giữa các bước gia công hoặc giảm ứng suất còn lại sau hàn và gia công.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Tại nhiệt độ cao, 3A21 mất dần độ bền rõ rệt bắt đầu từ dưới ngưỡng nóng chảy; làm mềm đáng kể xảy ra trên khoảng 150–200 °C. Khả năng chống creep hạn chế so với các hợp kim nhôm chịu nhiệt và thép nên không khuyến cáo sử dụng lâu dài dưới tải trọng ở nhiệt độ cao. Quá trình oxi hóa ở không khí ở nhiệt độ thường khá thấp nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ, nhưng phơi nhiễm lâu ở nhiệt độ cao có thể làm thay đổi bề mặt và tính cơ học.

Vùng chịu nhiệt ảnh hưởng xung quanh mối hàn không bị làm cứng kết tủa nhưng có thể bị ủ và hạt to cục bộ do chu trình nhiệt cao, làm giảm cường độ tại chỗ. Với ứng dụng nhiệt độ cao, nên cân nhắc hợp kim nhôm ổn định nhiệt hoặc vật liệu không phải nhôm thay thế.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi Tiết	Lý Do Dùng 3A21
Ô tô	Phụ kiện trang trí, kênh dẫn, tấm nội thất	Khả năng tạo hình tốt, độ bền vừa phải, chi phí hiệu quả
Hàng hải	Giá đỡ kết cấu nhẹ, ống dẫn	Chịu được ăn mòn đủ và dễ gia công
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện không quan trọng, vỏ bao che	Tỷ số bền trên trọng lượng tốt cho cấu trúc phụ
Điện tử	Vỏ bảo vệ, tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt tốt và dễ gia công
Thiết bị gia dụng	Đồ nấu ăn, tấm vỏ	Dễ tạo hình và chống ăn mòn cho bề mặt tiếp xúc thực phẩm và ngoại thất

3A21 thường được chọn cho các ứng dụng cần sự kết hợp giữa khả năng tạo hình, hàn, độ bền trung bình và khả năng chống ăn mòn mà không phức tạp hoặc tốn kém như các hợp kim nhiệt luyện. Sự cân bằng tính chất này cho phép sản xuất hiệu quả và hiệu suất phục vụ ổn định cho nhiều chi tiết thông dụng và bán kết cấu.

Gợi Ý Lựa Chọn

Dùng 3A21 khi cần hợp kim Al–Mn bền, chi phí thấp, dễ tạo hình và hàn, và không yêu cầu độ bền tối đa nhiệt luyện. Hợp kim này đặc biệt phù hợp cho chi tiết tấm đóng dấu và kéo thành hình, các cấu kiện kết cấu nhẹ, và ứng dụng tiếp xúc môi trường khí quyển.

So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ 1100), 3A21 đánh đổi một ít khả năng dẫn điện và nhiệt nhằm cải thiện đáng kể độ bền và khả năng chịu biến dạng cơ học trong quá trình sử dụng. So với các hợp kim làm cứng nguội như 3003/5052, 3A21 nằm trong khoảng hiệu suất tương tự nhưng có thể được ưu tiên khi yêu cầu tính chất kiểm soát Mn hoặc điều kiện nhiệt luyện cụ thể; 5052 có độ bền cao hơn và khả năng chống ăn mòn biển tốt hơn nhờ Mg nhưng kém linh hoạt hơn so với 3A21 ủ mềm.

So với các hợp kim nhiệt luyện phổ biến (ví dụ 6061), 3A21 có khả năng tạo hình vượt trội và dễ hàn với chi phí thấp hơn, mặc dù không đạt được độ bền đỉnh của nhóm 6xxx; chọn 3A21 cho các thao tác tạo hình phức tạp hoặc khi yêu cầu ưu tiên hàn và chống ăn mòn hơn sức bền tối đa.

Tóm tắt

3A21 vẫn là hợp kim Al–Mn thiết thực và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật hiện đại, nơi yêu cầu sự kết hợp đáng tin cậy giữa khả năng tạo hình, tính hàn, khả năng chống ăn mòn và hiệu quả về chi phí; phản ứng làm cứng khi gia công dự đoán được cùng với đặc tính gia công tốt giữ cho vật liệu này phù hợp với các chi tiết sản xuất hàng loạt và bán kết cấu.