Nhôm 3B21: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn Độ cứng & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

3B21 là một thành viên của dòng hợp kim nhôm 3xxx, đặc trưng chính bởi hợp kim mangan và thuộc nhóm hợp kim không thể xử lý nhiệt. Hợp kim này được thiết kế để tận dụng cơ chế tăng cường hòa tan rắn từ Mn và, ở một số biến thể, bổ sung Mg ở mức độ vừa phải; cơ chế tăng cường chủ yếu đạt được qua làm nguội biến dạng lạnh thay vì xử lý nhiệt kết tủa.

Đặc điểm chính của 3B21 bao gồm độ bền trung bình đến tốt so với nhôm nguyên chất, khả năng tạo hình xuất sắc khi ở trạng thái tôi mềm (annealed), khả năng chống ăn mòn khí quyển thông thường tốt và tính hàn dễ dàng với các phương pháp hàn nhôm tiêu chuẩn. Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng 3B21 từ vận tải và tấm ngoài ô tô đến hàng tiêu dùng và một số cấu trúc phụ trợ trên tàu biển diễn ra sự cân bằng giữa khả năng tạo hình và chống ăn mòn cần thiết.

Kỹ sư thường lựa chọn 3B21 khi cần một sự kết hợp giữa độ dẻo cho các thao tác tạo hình và hiệu suất cơ học tốt hơn nhôm thương mại nguyên chất mà không cần phức tạp của xử lý nhiệt. Sự cạnh tranh của nó so với các hợp kim khác đến từ mật độ thấp, phản ứng làm cứng biến dạng lạnh dự đoán được, và chi phí sản xuất cũng như gia công tương đối thấp.

Việc lựa chọn thường ưu tiên 3B21 hơn các hợp kim có cường độ cao, có thể xử lý nhiệt khi các thao tác tạo hình phức tạp và yêu cầu hoàn thiện bề mặt tốt cần được bảo toàn, và hơn nhôm nguyên chất hoặc hợp kim mềm hơn khi đòi hỏi thêm khả năng chịu tải cấu trúc và chống móp méo.

Các Biến Thể Độ Cứng (Temper)

Temper	Cấp Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao (30–45%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Tôi mềm hoàn toàn, tốt nhất cho dập sâu và tạo hình
H12	Thấp-Trung Bình	Trung Bình-Cao (20–30%)	Rất tốt	Rất tốt	Tôi cứng nhẹ do biến dạng cơ học một phần
H14	Trung Bình	Trung Bình (10–20%)	Giỏi	Rất tốt	Temper làm cứng lạnh phổ biến cho tấm; độ bền cao hơn
H16	Trung Bình-Cao	Trung Bình (8–15%)	Giảm	Tốt	Tăng cường độ làm cứng biến dạng để cải thiện độ cứng vững
H18	Cao	Thấp-Trung Bình (6–12%)	Giới hạn	Tốt	Biến dạng lạnh mạnh hơn, tăng cường độ cho tấm cấu trúc
H24	Trung Bình-Cao	Trung Bình (10–18%)	Giỏi	Rất tốt	Tôi cứng biến dạng và ổn định; giữ lại một phần khả năng tạo hình
T3 (nếu áp dụng)	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Không phải con đường chủ đạo — hợp kim 3xxx không thể xử lý nhiệt; ký hiệu T dùng cho ổn định sau tôi hòa tan theo một số tiêu chuẩn

Thực tiễn ký hiệu temper cho 3B21 theo cách xử lý truyền thống của dòng 3xxx: temper mềm O để đạt khả năng tạo hình tối đa và nhiều temper H để tăng cường độ theo mức độ làm cứng biến dạng. Việc chọn temper cân bằng giữa độ phức tạp tạo hình, kiểm soát đàn hồi trở lại (springback) và độ cứng vững cần thiết khi sử dụng; sửa chữa hàn và liên kết sau tạo hình cần lưu ý sự mềm hóa cục bộ trên các chi tiết temper H đã hàn.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	≤ 0.6	Tạp chất điển hình; vượt mức làm giảm độ dẻo và thúc đẩy tạo pha liên kim
Fe	≤ 0.7	Tạp chất phổ biến; ảnh hưởng cấu trúc hạt và có thể tạo pha giòn
Mn	0.8–1.5	Nguyên tố hợp kim chính của dòng 3xxx; tăng cường độ và kiềm chế tái kết tinh
Mg	0.1–0.6	Bổ sung nhỏ trong một số biến thể; tăng cường độ hòa tan rắn và cải thiện độ làm cứng biến dạng
Cu	≤ 0.2	Có thể tồn tại ở mức thấp; tăng cường độ nhẹ nhưng giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	≤ 0.25	Thường ở mức thấp; hàm lượng cao không phổ biến với dòng 3xxx
Cr	≤ 0.10	Hàm lượng rất nhỏ có thể có để kiểm soát cấu trúc hạt và tăng ổn định temper
Ti	≤ 0.15	Bổ sung nhỏ dùng để tinh chế cấu trúc hạt trong sản phẩm đúc hoặc cán
Khác (mỗi nguyên tố)	≤ 0.05–0.15	Các tạp chất khác (Ni, Pb, Sn) được giữ ở mức thấp để tránh làm giòn hoặc tạo pha có hại

Thành phần hóa học của 3B21 tập trung vào cân bằng Mn làm chủ đạo giúp tăng cường độ làm cứng biến dạng lạnh ổn định và duy trì độ dẻo tốt. Mn giúp giảm tái kết tinh và tạo các phân tán nhỏ ổn định cấu trúc hạt trong quá trình tạo hình và chịu nhiệt độ vừa phải. Mg, khi có mặt với lượng vừa phải, tăng cường độ thông qua hiệu ứng hòa tan rắn và cải thiện năng lực làm cứng biến dạng, nhưng phải hạn chế để tránh các đặc tính dễ bị ăn mòn như ở các hợp kim 5xxx có hàm lượng Mg cao hơn.

Tính Chất Cơ Học

Hành vi kéo của 3B21 tuân theo xu hướng cổ điển của dòng 3xxx: trạng thái tôi mềm (O) có giới hạn chảy và độ bền kéo tương đối thấp với độ dãn dài đồng đều cao giúp khả năng tạo hình nghiêm trọng. Biến dạng lạnh (các temper H) làm tăng đáng kể giới hạn chảy và độ bền kéo nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng uốn, đồng thời độ đàn hồi trở lại (springback) tăng theo mức độ làm cứng biến dạng. Độ dày và lịch sử xử lý ảnh hưởng mạnh đến tính chất đo được; các cỡ mỏng có thể thể hiện độ bền bề mặt cao hơn do làm cứng trong quá trình cán lạnh sản xuất.

Độ cứng tương quan chặt chẽ với temper: độ cứng Rockwell hoặc Brinell tăng đều theo số hiệu H. Khả năng chống mỏi của 3B21 ở mức trung bình — tốt hơn nhôm nguyên chất nhờ độ bền cơ bản cao hơn nhưng kém hơn một số hợp kim có thể xử lý nhiệt; bề mặt, ứng suất dư sau tạo hình và vết khía là yếu tố ảnh hưởng chính đến tuổi thọ. Tỉ lệ giới hạn chảy trên độ bền kéo là trung bình; nhiệt lượng cục bộ (ví dụ hàn) có thể tạo vùng nhiệt ảnh hưởng (HAZ) mềm hóa, đặc biệt với các temper làm cứng biến dạng mạnh.

Giới hạn tạo hình lạnh được chi phối bởi temper và kích thước hạt; temper O cho phép bán kính uốn sâu xuống đến dung sai nhạy cảm với tấm, trong khi H18 có thể cần bán kính uốn lớn hơn và các bước tạo hình tiến dần. Các giá trị điển hình dưới đây đại diện cho phạm vi thông dụng của các tấm phổ biến và temper thường dùng.

Tính Chất	O/Tôi mềm	Temper Chính (ví dụ H14)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	90–130 MPa	150–220 MPa	Giá trị thay đổi theo độ dày và lô hợp kim chính xác; H14 điển hình cho các tấm cấu trúc trung bình
Giới Hạn Chảy	30–70 MPa	100–160 MPa	Giới hạn chảy tăng đáng kể với biến dạng lạnh; trạng thái O tăng thấp
Độ Dãn Dài	30–45%	8–20%	Độ dãn dài phụ thuộc temper và hướng biến dạng trong tạo hình
Độ Cứng (HB)	25–45 HB	50–85 HB	Độ cứng tăng theo temper H; quy đổi sang HRC/HRB có thể khác nhau

Tính Chất Vật Lí

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2.70 g/cm³	Đặc trưng cho hợp kim nhôm cán; thuận lợi cho tỉ số bền trên trọng lượng
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~640–655 °C	Hợp kim làm giảm nhiệt độ nóng chảy so với nhôm nguyên chất (660 °C)
Độ Dẫn Nhiệt	~120–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm nguyên chất nhưng vẫn cao đủ cho ứng dụng tản nhiệt
Độ Dẫn Điện	~28–40% IACS	Giảm so với dòng 1xxx do bổ sung hợp kim; phụ thuộc hàm lượng Mn/Mg
Nhiệt Trọng Cụ Thể	~0.88–0.91 J/g·K	Đặc trưng cho hợp kim nhôm xung quanh nhiệt độ phòng
Hệ Số Giãn Nở Nhiệt	~23–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C)	Tương tự các hợp kim nhôm khác; quan trọng cho thiết kế chịu nhiệt thao tác lặp lại

3B21 duy trì các ưu điểm về dẫn nhiệt và dẫn điện của nhôm trong khi chấp nhận mức giảm vừa phải do hợp kim. Khả năng dẫn nhiệt vẫn đủ cao cho các thành phần tản nhiệt và bộ phận quản lý nhiệt trong thiết bị tiêu dùng. Hệ số giãn nở nhiệt tương đồng với các hợp kim nhôm khác và phải được tính đến khi kết nối đa vật liệu nhằm kiểm soát ứng suất nhiệt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Hành Vi Cường Độ	Tempering Thông Dụng	Ghi Chú
Tấm	0.2–6.0 mm	Cường độ thay đổi theo temper; các tấm mỏng thường cứng hơn một chút	O, H14, H24	Được sử dụng rộng rãi cho các tấm vỏ, thân máy và chi tiết dập
Phiến	>6 mm đến 25 mm	Đóng góp của biến dạng nguội thấp hơn ở phiến dày	O, H18	Dùng khi cần tiết diện lớn; cân nhắc gia công và tạo hình phiến
Đùn	Hồ sơ dài tới vài mét	Cường độ phụ thuộc vào tốc độ làm nguội tiết diện; cường độ vừa phải	O, H112	Các hình dạng đùn tận dụng Mn để ổn định cấu trúc hạt trong quá trình đùn
Ống	Đường kính từ nhỏ đến lớn	Độ cứng xác định bởi độ dày thành ống và temper	O, H16	Ống kéo hoặc đùn dùng cho khung nhẹ
Thanh/Dây	Đường kính và mặt phẳng	Thông thường mềm trong trạng thái ủ; có thể kéo nguội	O, H12	Sản xuất cho chi tiết gia công và bulong khi phù hợp

Quy trình tạo hình và gia công quyết định lựa chọn dạng sản phẩm: cán tấm cho bề mặt hoàn thiện tốt và kiểm soát độ dày chính xác cho các tấm nhìn thấy được, trong khi đùn cung cấp các tiết diện phức tạp nhưng cần chú ý đến ảnh hưởng làm già và biến dạng. Phiến và các tiết diện dày thường cần phương pháp tạo hình khác (tạo hình từng bước, tạo hình nóng) để đạt hình dạng tương đương. Các kết cấu hàn cần xem xét làm mềm temper tại vùng hàn và khả năng biến dạng ở các chi tiết mỏng.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	3B21	USA	Định danh xuất hiện trong một số catalog nhà cung cấp; không chuẩn hóa hoàn toàn trên tất cả danh sách AA
EN AW	3003 / họ 3xxx	Châu Âu	Các tương đương hợp kim cán châu Âu gần nhất thuộc series 3xxx AW; tương đương chính xác cần kiểm tra thành phần hóa học
JIS	A3003 / A3xxx	Nhật Bản	Các mác thuộc series 3xxx của Nhật có thành phần Mn tương tự và tính chất gần giống
GB/T	3B21	Trung Quốc	Định danh Trung Quốc 3B21 phù hợp với hệ thống đánh số hợp kim và kiểm soát thành phần

Việc quy đổi trực tiếp giữa các tiêu chuẩn phải dựa trên giới hạn thành phần và yêu cầu cơ học chứ không chỉ dựa vào tên gọi. Sự khác biệt nhỏ về tạp chất cho phép, hàm lượng Mg, và thực hành temper có thể dẫn đến khác biệt tính chất; do đó, đối với các ứng dụng cần xác nhận chất lượng, nên yêu cầu giấy chứng nhận và thử nghiệm so sánh thay vì chỉ dựa vào bảng tương đương danh nghĩa.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

3B21 cung cấp khả năng chống ăn mòn khí quyển chung tốt tương tự các hợp kim 3xxx chứa Mn; một lớp oxit hình thành nhanh chóng bảo vệ ma trận trong hầu hết môi trường không ăn mòn mạnh. Trong môi trường đô thị và công nghiệp, hợp kim hoạt động tốt, và thường được chọn thay thế nhôm tinh khiết khi cần tăng nhẹ cường độ mà không làm giảm khả năng chống ăn mòn môi trường xung quanh.

Trong môi trường biển, 3B21 có khả năng chống ăn mòn đều tốt nhưng dễ bị ăn mòn cục bộ (pitting) và bóc tách trong điều kiện giàu chloride hơn so với một số hợp kim Al-Mg (5xxx) hoặc hợp kim được phủ đặc biệt. Độ hoàn thiện bề mặt, lớp phủ bảo vệ, và sạch hợp kim (giảm Fe và Cu) ảnh hưởng lớn đến hiệu suất trong điều kiện tiếp xúc nước biển.

Khả năng bị nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) của hợp kim 3xxx chứa Mn nói chung thấp hơn so với hợp kim chứa Cu hoặc Mg cao; tuy nhiên, tương tác điện hóa với các vật liệu quý hơn (thép không gỉ, đồng) sẽ kích thích ăn mòn nhanh hơn khi tiếp xúc trong môi trường điện phân. Thiết kế phải cân nhắc bảo vệ hy sinh và cách điện để ngăn ngừa suy giảm ăn mòn điện hóa trong các kết cấu kim loại hỗn hợp.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn với 3B21 dễ dàng thực hiện bằng các phương pháp phổ biến như TIG và MIG sử dụng khí bảo vệ argon và quy trình chuẩn bị bề mặt. Lựa chọn vật liệu hàn thường ưu tiên dây hàn Al-Mn hoặc Al-Si nhằm phù hợp tính cơ học và giảm nguy cơ nứt nóng; 4043 (Al-Si) và 5356 (Al-Mg) được dùng phổ biến tùy thuộc yêu cầu độ dẻo và cường độ. Các temper làm cứng do biến dạng lớn có thể bị làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và giảm tính chất cục bộ; cần lên kế hoạch điều kiện cơ học trước và sau khi hàn.

Khả năng gia công cơ khí

Khả năng gia công trung bình và kém hơn các hợp kim Cu tự gia công hoặc thép nhưng có thể gia công với dụng cụ thích hợp. Dụng cụ mũi hợp kim cacbua với góc cắt dương, chiến lược ăn dao lớn và làm mát tràn mang lại hiệu quả tốt nhất giữa tuổi thọ dụng cụ và bề mặt hoàn thiện. Phoi thường xuyên liên tục và dẻo; kiểm soát hiện tượng bám dính mũi cắt và thiết kế phá phoi hợp lý được khuyến nghị cho gia công sản xuất.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình rất tốt trong temper O và vẫn giữ tốt trong temper H cấp thấp cho hầu hết các quá trình dập và kéo phổ biến. Bán kính uốn tối thiểu trong temper O có thể thấp tới 0.5–1.0T cho các uốn đơn giản nhưng cần tính đến đàn hồi ngược và làm mỏng trong dập sâu. Các temper kéo nguội (H16–H18) cần bán kính lớn hơn và tạo hình nhiều giai đoạn để tránh nứt; ủ có thể phục hồi độ dẻo khi cần.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

3B21 là hợp kim chủ yếu không thể xử lý nhiệt, không phản ứng với quá trình hòa tan và lão hóa tạo ra tăng cường đáng kể. Các chu trình xử lý nhiệt truyền thống sẽ không mang lại cải thiện tương tự như các họ 6xxx/7xxx. Thay vào đó, kiểm soát tính chất cơ học đạt được thông qua biến dạng nguội (tôi biến dạng) và ủ kiểm soát.

Ủ phục hồi độ dẻo được tiến hành trong khoảng nhiệt độ nhôm điển hình, thường khoảng 300–420 °C tùy độ dày tấm và cấu trúc hạt mong muốn, sau đó làm nguội có kiểm soát. Ủ quá mức có thể làm kích thước hạt lớn và giảm khả năng tạo hình trong một số công đoạn; các temper ổn định H (ví dụ H24) áp dụng ổn định nhiệt nhẹ hoặc giảm ứng suất thấp để hạn chế biến đổi tính chất.

Cho thiết kế cần độ bền cao hơn mức đạt được qua biến dạng nguội, kỹ sư nên xem xét các hợp kim xử lý nhiệt; nếu không, chuỗi tạo hình nguội, gia công dập nhiều giai đoạn và lịch làm cứng do biến dạng là phương án tiêu chuẩn với 3B21.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

3B21 giữ được tính chất hữu ích ở nhiệt độ vừa phải nhưng giảm dần cường độ trên khoảng 100–150 °C, với sự suy giảm rõ rệt về giới hạn chảy và khả năng chống lão hóa ở nhiệt độ cao hơn. Đối với hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao hoặc cần chống creep, hợp kim chịu nhiệt cao hoặc thép không gỉ thường được ưu tiên.

Oxy hóa không phải là hạn chế lớn trong không khí cho các lần tiếp xúc nhanh nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ; tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài trong môi trường oxy hóa mạnh hoặc chứa chloride ở nhiệt độ cao sẽ làm suy giảm lớp bảo vệ và tăng tốc độ ăn mòn. Vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn có thể giảm khả năng cơ học và làm mềm cục bộ, cần chú ý cho các trường hợp nhiệt độ thay đổi hoặc tải nhiệt cao.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 3B21
Ô tô	Tấm vỏ trong/ngoài, các chi tiết viền	Khả năng tạo hình tốt cho dập phức tạp và cường độ vừa phải chống móp
Hàng hải	Cấu trúc phụ, viền	Đủ khả năng chống ăn mòn và dễ gia công; trọng lượng nhẹ
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện không quan trọng, ốp che	Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng tốt và tính tạo hình cho các tấm định hình
Điện tử	Vỏ, tản nhiệt	Độ dẫn nhiệt cao và hoàn thiện bề mặt dễ dàng

3B21 thường được lựa chọn khi cần cân bằng giữa tính tạo hình, khả năng chống ăn mòn và hiệu suất kết cấu vừa phải ở chi phí thấp. Tính đa dụng của nó ở dạng tấm và sản phẩm đùn làm cho đây là vật liệu thực tế cho các tấm nhìn thấy, vỏ thành phẩm, và các chi tiết cấu trúc phụ cần tiết kiệm trọng lượng và kinh tế gia công.

Gợi Ý Lựa Chọn

Khi chọn 3B21, ưu tiên ứng dụng đòi hỏi khả năng tạo hình xuất sắc và hiệu suất chống ăn mòn tốt với cường độ vừa phải. Chọn temper O cho dập sâu và hình dạng phức tạp; sử dụng temper H cho các chi tiết cần độ cứng cao hơn hoặc chống móp nhưng không muốn phức tạp xử lý nhiệt.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 3B21 đánh đổi độ dẫn điện và nhiệt thấp hơn một chút để đổi lấy cường độ cao hơn đáng kể và khả năng làm cứng do biến dạng tốt hơn. So với hợp kim làm cứng bằng biến dạng thông dụng như 3003 hoặc 5052, 3B21 thường đứng giữa: bền hơn nhôm tinh khiết nhưng có khả năng chống ăn mòn tương đương hoặc tốt hơn so với các hợp kim 5xxx nhiều Mg. So với hợp kim xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 3B21 cho khả năng tạo hình vượt trội trong trạng thái ủ và dễ gia công hơn, nhưng có cường độ tối đa thấp hơn; ưu tiên chọn 3B21 khi khả năng tạo hình và chống ăn mòn được trọng hơn cường độ cực đại.

Tổng Kết

3B21 vẫn là một hợp kim nhôm Mn dạng rèn thực tiễn, kết hợp khả năng tạo hình xuất sắc, độ chống ăn mòn tin cậy và tính tăng cường độ bền khi làm lạnh dễ đoán, phù hợp cho nhiều ứng dụng kết cấu nhẹ và chi tiết gia công. Sự cân bằng các tính chất và quy trình chế tạo đơn giản khiến nó trở thành lựa chọn tiết kiệm chi phí khi yêu cầu độ bền vừa phải và khả năng gia công cao là yếu tố thiết kế chính.