Nhôm 3N21: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ và Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

3N21 là hợp kim nhôm thuộc series 3xxx, thuộc nhóm hợp kim nguội cứng hoá bằng Mangan. Thành phần chính là Mangan là nguyên tố làm cứng chủ yếu, cùng với lượng nhỏ silic, sắt, đồng, magiê, kẽm và các nguyên tố vi lượng nhằm kiểm soát cấu trúc hạt và đặc tính chế biến. Hợp kim này không thể xử lý nhiệt mà tăng cường độ bằng phương pháp làm nguội biến dạng và kiểm soát vi cấu trúc; đạt được sự cân bằng giữa giới hạn bền kéo trung bình và khả năng chống ăn mòn rất tốt. Các đặc tính điển hình gồm tính tạo hình tốt, khả năng hàn tuyệt vời ở các trạng thái xử lý thông dụng, độ bền mỏi hợp lý trong nhóm, và khả năng chống ăn mòn vượt trội so với nhiều hợp kim chứa đồng hoặc kẽm, làm cho 3N21 rất phù hợp trong các ứng dụng hàng hải và kiến trúc.

Các ngành thường sử dụng 3N21 bao gồm vận tải (tấm thân xe, chi tiết kết cấu nhẹ), chế tạo hàng hải và ngoài khơi, mặt dựng tòa nhà và các bộ phận xây dựng cũng như vỏ thiết bị điện tử cần ưu tiên sức bền vừa phải và khả năng chống ăn mòn. Kỹ sư thường chọn 3N21 thay cho các hợp kim tinh khiết hơn khi cần hiệu suất cơ học cao hơn mà không muốn dùng xử lý nhiệt, và thay cho các hợp kim nhiệt luyện có độ bền cao hơn khi yêu cầu khả năng tạo hình và hàn là ưu tiên hàng đầu. Hợp kim được lựa chọn khi cần sự kết hợp giữa tính gia công (đúc sâu, uốn, hàn) và độ bền môi trường, tạo thành lựa chọn kinh tế cho các phần tử kết cấu ở mức tải trung bình.

Các Trạng Thái Xử Lý Nhiệt

Trạng thái	Mức độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Ủ mềm hoàn toàn, tối đa tính dẻo và tạo hình
H12	Trung bình	Trung bình	Rất tốt	Tuyệt vời	Ngoài phần làm cứng bằng biến dạng lạnh; tăng cường độ trung bình
H14	Trung bình - Cao	Trung bình	Tốt	Tuyệt vời	Trạng thái biến dạng lạnh phổ biến cho tấm có độ bền trung bình
H16	Cao	Thấp hơn	Khá	Tuyệt vời	Biến dạng lạnh nặng hơn, dùng khi cần độ bền cao hơn
H18	Rất cao	Thấp	Giới hạn	Tuyệt vời	Biến dạng lạnh thương mại tối đa cho series 3xxx
H111	Biến thiên	Biến thiên	Tốt	Tuyệt vời	Cơ bản đã qua một mức độ biến cứng sau gia công

Trạng thái xử lý có ảnh hưởng chính đến tính chất của 3N21: càng làm biến dạng lạnh thì giới hạn chảy và bền kéo càng tăng trong khi độ dãn dài và khả năng tạo hình giảm. Các phương pháp sản xuất điển hình dùng trạng thái O để đúc sâu và trạng thái H1x như sự thỏa hiệp giữa tính tạo hình và độ bền cho các chi tiết dập hoặc kết cấu.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.6	Kiểm soát để giảm khuyết tật đúc/nguyên liệu phân lớp và duy trì độ dẻo
Fe	≤ 0.7	Tạp chất phổ biến; vượt quá giới hạn làm giảm dẻo và chống ăn mòn
Mn	0.8 – 1.8	Nguyên tố hợp kim chủ yếu, cung cấp tăng cường dung dịch rắn và phân tán
Mg	≤ 0.5	Thêm lượng nhỏ để cải thiện độ bền và khả năng biến cứng lạnh
Cu	≤ 0.20	Giới hạn để bảo vệ khả năng chống ăn mòn và tính hàn
Zn	≤ 0.30	Giữ thấp để tránh đánh đổi độ bền và ăn mòn điện hóa
Cr	≤ 0.10	Thêm vi lượng giúp kiểm soát cấu trúc hạt và quá trình tái kết tinh
Ti	≤ 0.15	Chất tinh chỉnh hạt cho vật liệu đúc/đùn, ảnh hưởng nhẹ đến tính chất
Khác (mỗi loại)	≤ 0.05	Kiểm soát tạp chất (Ni, Pb, Bi, Sn) quan trọng cho dẻo và hàn

Thành phần nhấn mạnh mangan là nguyên tố hợp kim chính với giới hạn chặt chẽ cho đồng, kẽm và magiê nhằm duy trì khả năng chống ăn mòn và hàn tốt. Các nguyên tố vi lượng và kiểm soát tạp chất ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình tái kết tinh, kích thước hạt và phản ứng biến cứng lạnh, góp phần quyết định tính tạo hình và đặc tính mỏi.

Tính Chất Cơ Học

Hành vi kéo của 3N21 đặc trưng cho hợp kim Mn không xử lý nhiệt: độ bền tương đối thấp ở trạng thái ủ mềm với sự tăng rõ rệt nhờ làm lạnh biến dạng. Giới hạn chảy tăng đáng kể theo các trạng thái cứng H; khi biến dạng lạnh mạnh, hợp kim có thể đạt gần mức trung bình đến cao của nhôm kết cấu trong khi độ dẻo giảm tương ứng. Độ cứng liên quan rõ ràng đến trạng thái xử lý và có thể sử dụng như chỉ số nhanh về mức độ biến cứng lạnh; độ cứng tăng gần như tuyến tính với biến dạng lạnh tích lũy cho đến giới hạn tạo hình thực tế.

Hiệu suất mỏi thường tốt hơn hợp kim giàu đồng hoặc kẽm, vì dung dịch rắn mangan giảm nguy cơ nứt ăn mòn cục bộ. Độ dày ảnh hưởng đến độ bền chủ yếu qua hiệu quả biến dạng lạnh và trạng thái ứng suất dư; các phần dày khó biến cứng đồng đều và giữ độ dẻo cao hơn ở cùng trạng thái. Hàn gây làm mềm cục bộ trong các trạng thái lạnh biến dạng nhưng thường không gây giòn; tuổi bền mỏi gần mối hàn cần đánh giá ứng suất tập trung và điều kiện vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Tính chất	O/Ủ mềm	Trạng thái chính (H14/H18)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo (MPa)	100 – 140	190 – 260	Phạm vi điển hình cho tấm; phụ thuộc biến dạng lạnh và độ dày chính xác
Giới hạn chảy (MPa)	30 – 70	120 – 220	Tăng mạnh với biến cứng lạnh; giá trị tỷ lệ với ký hiệu trạng thái
Độ dãn dài (%)	20 – 35	5 – 15	Ủ mềm có độ dẻo cao; biến dạng lạnh nặng giảm đáng kể độ dãn
Độ cứng (HV)	30 – 50	60 – 95	Độ cứng tăng phản ánh mức độ biến cứng; giá trị Vickers tham khảo

Tính Chất Vật Lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.68 – 2.70 g/cm³	Đặc trưng cho hợp kim Al-Mn; thấp hơn nhiều loại thép cùng khối lượng
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	640 – 653 °C	Phạm vi solidus-liquidus phụ thuộc nguyên tố vi lượng; tiêu chuẩn của hợp kim nhôm
Độ dẫn nhiệt	140 – 170 W/(m·K)	Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim; vẫn đủ tốt cho phân tán nhiệt
Độ dẫn điện	~30 – 45 % IACS	Thấp hơn so với Al tinh khiết; độ dẫn tỷ lệ nghịch với hàm lượng hợp kim
Nhiệt dung riêng	~0.90 J/(g·K)	Ước lượng; hữu ích cho tính toán quản lý nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt	23 – 24 ×10⁻⁶ /K	Tương tự nhiều hợp kim nhôm; quan trọng cho tính toán ứng suất nhiệt và vừa vặn

Các hằng số vật lý này xếp 3N21 vào nhóm vật liệu cấu trúc kim loại nhẹ phù hợp cho các ứng dụng cần mật độ thấp và tính dẫn nhiệt/điện ở mức hợp lý. Độ dẫn và dẫn nhiệt đủ dùng cho nhiều vai trò tản nhiệt hoặc dẫn điện giới hạn nhưng cần kiểm tra so với mục tiêu hợp kim nhôm tinh khiết khi cần. Hệ số giãn nở nhiệt điển hình cần lưu ý trong các cụm ghép vật liệu khác nhau để tránh ứng suất nhiệt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/kích thước điển hình	Hành vi bền	Trạng thái xử lý phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3 – 6.0 mm	Bền nhờ biến dạng lạnh; độ dày nhỏ dễ tạo hình lạnh hơn	O, H14, H16	Phổ biến cho panel, mặt dựng và các chi tiết đúc sâu
Đĩa	6 – 25 mm	Ít sử dụng trong công nghiệp; hình thành hạn chế do khả năng tạo hình	O, H18	Phần dày khó biến dạng lạnh đồng đều hơn
Đùn	Hồ sơ lên đến 200 mm	Có thể xử lý dung dịch sau đúc bán thành phẩm rồi biến dạng lạnh khi sử dụng	O, H112/H116	Phôi đùn tinh chỉnh hạt để ổn định kích thước
Ống	Đường kính ngoài 6 – 100 mm	Tính chất cơ học phụ thuộc quá trình kéo và trạng thái xử lý	O, H14	Dùng trong ống kết cấu và ống dẫn nơi yêu cầu chống ăn mòn
Thanh/Cây tròn	Ø 4 – 60 mm	Bền tùy trạng thái kéo/biến dạng lạnh	O, H12/H14	Thường cung cấp cho gia công cơ khí hoặc chi tiết kết cấu nhỏ

Dạng sản phẩm ảnh hưởng đến hành vi cơ học do biến dạng lạnh trong quá trình tạo hình quyết định trạng thái cuối cùng và tính dị hướng của tính chất. Tấm và các phôi đùn mỏng được gia công kinh tế nhất cho 3N21, trong khi đĩa dày được sản xuất nhưng có giới hạn về tạo hình cần kiểm soát đặc biệt để đạt độ đồng nhất cơ học. Lựa chọn dạng sản phẩm cần cân nhắc quy trình sau: đúc sâu và dập dập ưu tiên tấm mỏng ở trạng thái O/H1x, trong khi các chi tiết kết cấu thường dùng trạng thái biến dạng lạnh H cho khả năng chịu tải cao hơn.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	3N21	USA	Chỉ định dùng trong một số catalog nhà cung cấp; tương đương với dòng hợp kim Mn-series 3xxx
EN AW	3003 / giống 3N21	Châu Âu	Không có tương đương trực tiếp 1:1; EN AW-3003 là mác tương đương phổ biến nhất trong thực tế
JIS	giống A3003	Nhật Bản	Thành phần và nhiệt độ xử lý tương tự; đối chiếu trực tiếp cần kiểm tra hóa học
GB/T	3N21	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc sử dụng chỉ định 3N21 trong một số thông số vật liệu

Tương đương trực tiếp giữa các tiêu chuẩn yêu cầu so sánh kỹ về thành phần hóa học và tính chất cơ học; một số tiêu chuẩn gom các hợp kim Mn có thành phần gần nhau dưới cùng mã số chung (ví dụ: 3003). Sự khác biệt tinh tế xuất phát từ giới hạn tạp chất, mục tiêu giới hạn chảy/bền kéo và lịch sử gia công cho phép, do đó việc đánh giá chéo và chứng nhận nhà cung cấp được khuyến cáo cho các ứng dụng quan trọng. Khi thay thế hoặc tìm nguồn 3N21 từ các khu vực khác nhau, cần kiểm tra thì nhiệt tương ứng và tiêu chí chấp nhận cơ học thay vì chỉ dựa vào tên gọi.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

3N21 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt, đặc trưng của các hợp kim mangan có hàm lượng đồng thấp, hình thành lớp màng oxit bảo vệ bám dính tốt làm chậm sự suy thoái tiếp theo. Trong môi trường biển, hợp kim hoạt động tốt so với nhiều hợp kim độ bền cao chịu tôi nhờ hàm lượng đồng và kẽm hạn chế, nhưng ngâm lâu dài và tiếp xúc với clo cần xem xét thiết kế bổ sung như lớp phủ, bảo vệ catốt hoặc anode hy sinh. Mòn ứng suất ăn mòn (SCC) không phải là cơ chế hỏng chính ở các hợp kim Mn không chịu nhiệt luyện, nhưng các điểm tấn công cục bộ tại mối hàn, khe hở hoặc dưới lớp bám bẩn có thể làm tăng tốc mài mòn lỗ rỗng và khởi động mỏi tiếp theo.

Cần lưu ý đến tương tác điện hóa với kim loại khác loại: 3N21 là anod so với thép không gỉ và hợp kim đồng, nên khi tiếp xúc, nhôm sẽ bị ăn mòn ưu tiên trừ khi được cách điện hoặc hệ thống thiết kế để bù trừ dòng galvanic. So với hợp kim 5xxx chứa magiê, 3N21 thường có khả năng hàn tương đương hoặc hơi tốt hơn và khả năng chống ăn mòn tương tự, nhưng dòng 5xxx có thể đạt độ bền cao hơn khi không cần hàn nhiều. So với hợp kim chịu nhiệt 6xxx, 3N21 đánh đổi độ bền tối đa lấy sự cải thiện về khả năng chống các dạng ăn mòn cục bộ và tính hàn cũng như tạo hình dễ dàng hơn.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 3N21 bằng MIG (GMAW), TIG (GTAW) và các phương pháp hàn điện trở được thực hiện dễ dàng trong hầu hết các thì nhiệt do hàm lượng đồng thấp và kiểm soát tạp chất, cho mối hàn có độ dẻo dai tốt. Dây đắp được khuyên dùng là dây hợp kim nhôm - Mn/Cu thấp (ví dụ: dây đắp AlSi trong một số trường hợp) chọn phù hợp để đảm bảo khả năng chống ăn mòn và tính cơ học của mối nối. Nguy cơ nứt nóng thấp so với hợp kim đồng cao, nhưng làm mềm vùng chịu nhiệt (HAZ) trên thì lạnh gia công là phổ biến và phải tính đến trong thiết kế mối hàn và xử lý sau hàn.

Khả năng tiện

Gia công 3N21 đặc trưng của hợp kim Al-Mn: tạo mảnh phoi tốt, lực cắt thấp và bề mặt hoàn thiện thuận lợi khi sử dụng dụng cụ cacbua. Chỉ số gia công ở mức trung bình so với loại nhôm dễ gia công; tốc độ và bước tiến gia công cần điều chỉnh theo thì nhiệt và tiết diện để tránh hiện tượng bavia và cạnh tích tụ. Khuyến nghị dùng dung dịch làm mát hoặc phun khí cho cắt sâu để thải phoi và kiểm soát giãn nở nhiệt.

Khả năng tạo hình

Tạo hình nguội là ưu điểm nổi bật của 3N21 ở các thì O và H nhẹ; bán kính uốn nhỏ và dập sâu có thể thực hiện với bôi trơn đúng cách và khuôn hợp lý. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào thì nhiệt và độ dày, nhưng thì O có thể uốn với bán kính nhỏ bằng 1 – 2 lần độ dày cho nhiều chi tiết dập trong khi H18 cần bán kính lớn hơn để tránh nứt. Nếu yêu cầu tạo hình phức tạp, bắt đầu từ thì O hoặc H12 và áp dụng trình tự làm cứng biến dạng có kiểm soát để đạt chỉ tiêu cơ học cuối cùng.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

3N21 là hợp kim không chịu nhiệt luyện nên không được tăng cường bằng các chu trình tôi dung dịch và lão hóa nhân tạo như các hợp kim 6xxx hoặc 7xxx. Phương thức tăng cứng dựa trên làm nguội biến dạng (các thì H), làm cứng biến dạng và, trong trường hợp áp dụng, xử lý ổn định để kiểm soát cấu trúc hạt và phản ứng tôi annealing. Chu trình annealing khôi phục độ dẻo (thì O) bằng tái kết tinh; quy trình annealing công nghiệp dùng cho cuộn tấm hoặc chi tiết cần dập sâu tiếp theo. Nhiệt độ gia công hoặc sử dụng (ví dụ: hàn) có thể gây làm mềm cục bộ và tái kết tinh một phần, thay đổi ứng suất dư và dung sai kích thước.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Ở nhiệt độ cao, 3N21 suy giảm độ bền dần và không khuyến cáo dùng cho ứng dụng kết cấu trên khoảng 150 – 200 °C với tải trọng duy trì dài hạn. Hiện tượng oxi hóa bị giới hạn bởi lớp oxit nhôm, nhưng nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình khuếch tán và phục hồi vi cấu trúc làm giảm độ bền biến dạng nguội. Vùng chịu nhiệt (HAZ) quanh mối hàn có thể bị làm mềm giống hiện tượng quá già hóa ở nhiệt độ vừa phải do phục hồi; người thiết kế cần kiểm chứng hiện tượng creep và mất ứng suất cho các chi tiết tiếp xúc nhiệt chu kỳ. Với tiếp xúc nhiệt ngắt quãng ở nhiệt độ cao hơn, hiệu suất ngắn hạn chấp nhận được, nhưng dịch vụ lâu dài ở nhiệt độ cao nên ưu tiên hợp kim thiết kế đặc thù cho sự ổn định nhiệt.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 3N21
Ô tô	Vỏ thân xe, khung gia cố bên trong	Kết hợp giữa khả năng tạo hình, chống ăn mòn và độ bền vừa phải
Hàng hải	Tấm cấu trúc trên boong, chi tiết trang trí	Khả năng chống clo tốt và dễ hàn trong quá trình chế tạo
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện thứ cấp, chi tiết kết cấu không quan trọng	Tỉ số độ bền/trọng lượng và khả năng chống mỏi tốt cho cấu trúc phụ
Điện tử	Khung, giá đỡ, tản nhiệt	Cân bằng giữa dẫn nhiệt, khả năng tạo hình và chống ăn mòn

3N21 thường được dùng trong các ứng dụng đòi hỏi cân bằng kinh tế giữa khả năng gia công và độ bền môi trường thay vì độ bền cực đại. Sự kết hợp giữa tính tạo hình, khả năng hàn và hiệu suất chống ăn mòn khiến nó trở thành vật liệu chủ lực cho các chi tiết tấm kim loại trong đó thao tác uốn và liên kết thường xuyên. Hợp kim này đặc biệt phù hợp khi thiết kế muốn tránh quy trình gia công nhiệt nhưng cần độ bền kết cấu cao hơn các loại nhôm tinh khiết thương mại.

Định Hướng Lựa Chọn

Để lựa chọn chung, hãy chọn 3N21 khi cần hợp kim không chịu nhiệt luyện với độ bền và khả năng chống mỏi tốt hơn nhôm tinh khiết thương mại đồng thời giữ khả năng tạo hình và hàn tuyệt vời. So với 1100, 3N21 hy sinh một phần dẫn điện và dẫn nhiệt cùng độ dẻo thuần kim loại đổi lại độ bền chảy và bền kéo cao hơn đáng kể. So với các hợp kim làm cứng biến dạng như 3003 và 5052, 3N21 thường có độ bền tương đương hoặc hơi cao hơn với khả năng chống ăn mòn tương tự, nên được ưu tiên khi cần tăng cường độ bền tầm trung mà không chuyển sang hợp kim chịu nhiệt luyện.

So với hợp kim chịu nhiệt như 6061 hoặc 6063, 3N21 không đạt độ bền cực đại tương đương nhưng đơn giản hóa quá trình (không cần chu trình tôi/lão hóa) và có khả năng tạo hình cũng như đáp ứng hàn vượt trội trong nhiều chi tiết hàn hoặc tạo hình. Dùng 3N21 khi hiệu quả tạo hình và liên kết, khả năng chống ăn mòn ổn định cùng sức chống chịu kết cấu vừa phải quan trọng hơn việc tối đa hóa độ bền trên trọng lượng.

Tóm Tắt Cuối

3N21 vẫn giữ vai trò quan trọng nhờ kết hợp các ưu điểm thực tế của dòng hợp kim mangan 3xxx—khả năng chống ăn mòn tốt, tạo hình xuất sắc và hàn dễ dàng—với lộ trình kinh tế để đạt độ bền kết cấu vừa phải thông qua làm lạnh biến dạng. Bộ tính chất cân bằng và tính linh hoạt trong chế tạo khiến nó là lựa chọn thực tế cho nhiều ngành giao thông vận tải, hàng hải, kiến trúc và hàng không nhẹ, nơi khả năng gia công và độ bền môi trường được đặt lên hàng đầu.