Nhôm A1100: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

A1100 là hợp kim nhôm thuộc dòng 1000, được phân loại là nhôm thương phẩm nguyên chất với hàm lượng nhôm tối thiểu thường khoảng 99,0%. Nó thuộc nhóm "11xx" đặc trưng bởi hàm lượng hợp kim rất thấp và chỉ thêm vào các nguyên tố vi lượng không đáng kể.

Các nguyên tố hợp kim chính chỉ tồn tại với hàm lượng nhỏ gồm silic, sắt, đồng, mangan, magiê, kẽm, crôm và titan dưới dạng dư lượng. Các thành phần phụ này ảnh hưởng đến kiểm soát tạp chất, cấu trúc tinh thể và tính nhất quán cơ học mà không chuyển hóa vật liệu thành hợp kim có thể xử lý nhiệt.

A1100 là hợp kim không thể xử lý nhiệt nhằm tăng cường độ mà chủ yếu dựa vào làm cứng nguội (gia công lạnh) và một số quy trình ủ nhiệt chọn lọc. Những đặc tính chính bao gồm độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, khả năng tạo hình tuyệt vời cùng khả năng chống ăn mòn tốt, đồng thời có độ bền cơ học tương đối thấp so với các hợp kim khác.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng A1100 gồm: thiết bị hóa chất, điện và điện tử (thanh dẫn điện, lá mỏng, tản nhiệt), phản quang và kiến trúc, bao bì và ứng dụng tiếp xúc thực phẩm, cũng như chế tạo tấm kim loại nói chung. Kỹ sư lựa chọn A1100 khi cần độ dẻo cao nhất, bề mặt hoàn thiện tốt, khả năng dẫn điện và chống ăn mòn trong khi chấp nhận hy sinh sức bền và độ cứng cao so với các hợp kim 3xxx, 5xxx hoặc 6xxx.

Biến Thể Temper

Temper	Mức Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Đã ủ mềm hoàn toàn, độ dẻo tối đa
H12	Thấp - Trung bình	Trung bình - Cao	Rất tốt	Xuất sắc	Gia công cứng 1/4, tăng cường độ nhẹ
H14	Trung bình	Trung bình	Tốt	Xuất sắc	Gia công cứng 1/2, phổ biến cho tạo hình vừa phải
H16	Trung bình - Cao	Trung bình - Thấp	Khá	Xuất sắc	Gia công cứng 3/4, tăng cường độ
H18	Cao	Thấp	Giới hạn	Xuất sắc	Gia công cứng toàn phần, độ bền cán tối đa
H22/H24	Thấp - Trung bình	Tốt	Rất tốt	Xuất sắc	Gia công cứng rồi ổn định; giữ được khả năng tạo hình

Việc lựa chọn temper cho A1100 chủ yếu dựa trên mức độ làm cứng nguội thay vì xử lý lắng đọng (precipitation) vì hợp kim không thể làm cứng tuổi. Temper O (ủ mềm) cung cấp khả năng tạo hình tốt nhất và độ dẻo cao nhất phù hợp cho các quy trình kéo sâu và quay. Các temper gia công cứng (dòng H) đánh đổi tính dẻo lấy sức bền và được chọn khi khả năng tạo hình bị giới hạn hoặc cần tăng độ cứng mà không sử dụng hợp kim khác.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	≤ 0,25	Thông thường tồn tại dưới dạng dư lượng; ảnh hưởng nhỏ đến khả năng đúc
Fe	≤ 0,95	Tạp chất chính; ảnh hưởng đến độ bền và bề mặt
Mn	≤ 0,05	Rất thấp; ảnh hưởng tăng cứng không đáng kể
Mg	≤ 0,05	Rất thấp; không tăng cứng rắn đáng kể
Cu	≤ 0,05	Giữ ở mức thấp để bảo toàn khả năng chống ăn mòn và dẫn điện
Zn	≤ 0,10	Dư lượng; ảnh hưởng hạn chế đến tính cơ học
Cr	≤ 0,05	Chỉ với lượng vi trace; dùng kiểm soát cấu trúc tinh thể
Ti	≤ 0,03	Giúp tinh chế hạt trong quá trình đúc và gia công phôi
Khác	≤ 0,15 tổng	Các tạp chất khác được kiểm soát thấp để đạt yêu cầu độ tinh khiết

Hiệu năng của A1100 dựa chủ yếu vào tỷ lệ nhôm cao; các tạp chất vi lượng và bổ sung nhỏ được kiểm soát chặt chẽ để bảo toàn độ dẫn điện, dẫn nhiệt và khả năng chống ăn mòn. Sắt là thành phần dư lượng chính có thể ảnh hưởng đến tính dị hướng và bề mặt, trong khi titan lượng rất nhỏ quan trọng cho việc tinh chế hạt trong quá trình đúc và gia công ban đầu.

Tính Chất Cơ Học

Ứng xử kéo của A1100 đặc trưng bởi giới hạn bền kéo tương đối thấp và độ dãn dài rất tốt trong điều kiện đã ủ mềm. Giới hạn chảy thấp ở temper O và tăng tỷ lệ thuận với mức làm cứng nguội trong các temper H; hợp kim không có khả năng làm cứng tuổi. Độ dãn dài ở temper O cao và giảm dần theo số hiệu H tăng, làm temper H18 hoặc hoàn toàn cứng không thích hợp cho kéo sâu mà phù hợp cho chi tiết cần độ cứng cao.

Độ cứng theo xu hướng tương tự tính chất kéo và tương quan chặt chẽ với mức độ làm cứng nguội; hệ Rockwell và Vickers có giá trị thấp trong temper O và tăng khi ở các temper H. Hiệu suất chịu mỏi tiêu biểu cho hợp kim nhôm có độ bền thấp: giới hạn mỏi không rõ ràng nhưng độ bền mỏi tăng khi bề mặt láng bóng, làm cứng nguội và giảm các điểm tập trung ứng suất. Độ dày ảnh hưởng mạnh các chỉ số cơ học; vật liệu mỏng dễ gia công lạnh hơn và có thể cho giá trị cường độ biểu kiến cao hơn sau cán và làm cứng mép cắt.

Tính Chất	O/Đã Ủ	Temper Chính (H14 / H18)	Ghi Chú
Giới Hạn Bền Kéo	~65–110 MPa	~110–180 MPa	Phạm vi rộng tùy temper và độ dày; H18 đạt giá trị cao nhất
Giới Hạn Chảy	~10–35 MPa	~40–150 MPa	Giới hạn chảy tăng rõ theo làm cứng nguội; temper O rất thấp
Độ Dãn Dài	~35–45%	~3–20%	Độ dẻo cao ở temper O; giảm ở các temper harder tùy mức độ biến dạng
Độ Cứng	~20–35 HB	~40–60 HB	Độ cứng tăng theo làm cứng; giá trị tùy thang đo và temper

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2,71 g/cm³	Đặc trưng cho nhôm nguyên chất thương mại
Điểm Nóng Chảy	~660 °C (điểm rắn/lỏng gần 660 °C)	Hành xử giống nhôm gần tinh khiết; khoảng nóng chảy hẹp
Độ Dẫn Nhiệt	~220–235 W/m·K	Cao trong các kim loại kết cấu; giảm nhẹ theo tạp chất
Độ Dẫn Điện	~45–65 % IACS	Độ dẫn điện cao; phụ thuộc mức tạp chất và làm cứng nguội
Nhiệt Dung Riêng	~0,897 J/g·K (897 J/kg·K)	Đặc trưng ở nhiệt độ môi trường
Hệ Số Giãn Nở Nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Giãn nở nhiệt vừa phải cho thiết kế kim loại

Độ dẫn nhiệt và điện cao khiến A1100 hấp dẫn trong quản lý nhiệt và các ứng dụng dẫn điện cần khả năng tạo hình. Mật độ nhẹ kết hợp với khả năng khuếch tán nhiệt tốt cung cấp tỷ lệ sức bền trên khối lượng thuận lợi cho các chi tiết không chịu tải trọng cơ cấu. Hệ số giãn nở nhiệt cần được tính đến khi lắp ghép với vật liệu khác để tránh ứng suất phát sinh do thay đổi nhiệt độ.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Thông Thường	Đặc Tính Cường Độ	Temper Phổ Biến	Ghi Chú
Tấm (Sheet)	0,2–6,0 mm	Thấp đến trung bình sau làm cứng lạnh	O, H14, H16, H18	Được sử dụng rộng rãi cho phủ bề mặt, phản quang và chế tạo chung
Đĩa (Plate)	>6,0 mm	Thấp; khó làm cứng bằng làm nguội với độ dày lớn	O, H22	Ít phổ biến; gia công và tạo hình hạn chế
Đùn (Extrusion)	Độ dày thành thay đổi	Thấp; các sản phẩm đùn có thể gia công cứng nguội	O, H12/H14	Hạn chế so với hợp kim 6xxx; dùng khi ưu tiên độ tinh khiết và dẫn điện
Ống (Tube)	Độ dày mỏng đến trung bình	Thấp; có thể hàn và kéo	O, H14	Phổ biến cho vây trao đổi nhiệt và ống dẫn
Thanh Tròn/Thanh Đặc (Bar/Rod)	Đường kính nhỏ đến trung bình	Thấp; độ gia công vừa phải	O, H14	Dùng làm thanh, chốt yêu cầu chống ăn mòn và dẫn điện

Tấm và lá mỏng là dạng phổ biến nhất của A1100, đặc biệt trong bao bì, phủ bề mặt và truyền nhiệt, vì quá trình cán tạo bề mặt rất tốt với độ dày mỏng. Đùn và thanh được sản xuất khi hợp kim cần khả năng dẫn điện và chống ăn mòn ưu việt, nhưng với các ứng dụng kết cấu đòi hỏi độ bền cao thì hợp kim 6061 hoặc 6063 được ưu tiên hơn. Đĩa và các bộ phận dày hiếm khi được chỉ định khi yêu cầu sức bền là yếu tố chính do giới hạn chảy thấp.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	A1100	Mỹ	Chỉ định chính cho nhôm thương mại tinh khiết 99%
EN AW	1100 / 1050A*	Châu Âu	Các mác EN tương đương mang tính xấp xỉ; AW-1050A và AW-1100 thường dùng thay thế cho nhau trong thực tế
JIS	A1050 / A1100*	Nhật Bản	JIS sử dụng các nhóm A1050 và A1100 cho nhôm có độ tinh khiết cao; thành phần hóa học có chồng chéo
GB/T	1100	Trung Quốc	Chỉ định GB/T gần tương đương AA A1100 về thành phần và mục đích sử dụng

Sự tương đương giữa các tiêu chuẩn là ước lượng do các khu vực khác nhau đưa ra giới hạn tạp chất và các nguyên tố nhỏ cho phép hơi khác nhau. Khi tham khảo chéo, kỹ sư nên kiểm tra các bản thông số hóa học và bảng đặc tính cơ học thực tế thay vì chỉ dựa vào tên mác. Đối với các ứng dụng điện, nhiệt hoặc tiếp xúc thực phẩm quan trọng, nên yêu cầu chứng chỉ nhà máy để xác nhận thành phần và trạng thái nhiệt luyện.

Khả năng Chống Ăn Mòn

A1100 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển tổng thể rất tốt nhờ tạo ra lớp film oxit tự phục hồi bảo vệ bề mặt. Hợp kim này kháng nhiều môi trường hóa học và thường được sử dụng trong thiết bị quá trình hóa chất và ứng dụng tiếp xúc thực phẩm vì lý do này. Trong môi trường biển, A1100 hoạt động khá tốt khi tiếp xúc khí quyển nhưng kém bền hơn các hợp kim mg cao hơn như series 5xxx khi ngâm trong nước biển; hiện tượng ăn mòn điểm có thể xảy ra nếu nồng độ chloride cao.

Hợp kim ít bị ảnh hưởng bởi ăn mòn ứng suất do mức độ cường độ thấp và không có pha vi cấu trúc cường độ cao gây ra SCC. Tuy nhiên cần kiểm soát sự tương tác điện hóa: A1100 là anod so với nhiều loại thép không gỉ và hợp kim đồng, sẽ ăn mòn ưu tiên khi tiếp xúc điện trong dung dịch điện phân. Các kỹ sư thiết kế thường dùng lớp phủ, vật liệu cách ly hoặc anot hy sinh để giảm thiểu ăn mòn điện hóa trong các bộ phận ghép kim loại khác loại.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

A1100 hàn rất tốt với các phương pháp phổ biến như TIG (GTAW), MIG (GMAW), và hàn điện trở do đặc tính tinh khiết cao và hàm lượng hợp kim thấp. Các loại que hàn đề xuất gồm 1100, 4043 hoặc 5356 tùy theo yêu cầu mối nối và điều kiện sử dụng; lựa chọn vật liệu hàn ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn và độ dẻo sau hàn. Hiện tượng nứt nóng gần như không xảy ra ở A1100, và mềm vùng chịu nhiệt hàn (HAZ) không phải vấn đề do hợp kim không thể xử lý nhiệt; mối hàn giữ được tính dẻo của vật liệu cơ bản.

Khả năng gia công cơ khí

Khả năng gia công của A1100 được đánh giá từ khá đến tốt; độ bền thấp giúp giảm lực cắt nhưng đặc tính dẻo cao có thể tạo ra các phoi dài liên tục cần kiểm soát. Dụng cụ carbide sắc nét phù hợp cho các đường cắt ngắt quãng, trong khi thép nhanh thích hợp cho công việc nhẹ. Thực tiễn thường dùng tốc độ cắt vừa phải, góc tiến dương và thiết bị gãy phoi hoặc dao cắt từng đoạn để tránh tạo mạt bám và đảm bảo ổn định kích thước.

Khả năng tạo hình

A1100 nằm trong số những hợp kim nhôm dễ tạo hình nhất, đặc biệt ở trạng thái O, phù hợp cho dập sâu, quay, và uốn phức tạp. Bán kính uốn tối thiểu rất nhỏ ở tấm đã tôi; quy tắc thực dụng cho tấm trạng thái O là bán kính uốn trong khoảng 0,5–1,0 lần độ dày vật liệu cho nhiều phương pháp. Ở trạng thái làm lạnh (H), độ giãn giảm và cần bán kính uốn lớn hơn hoặc tạo hình gia đoạn; các kỹ thuật tạo hình ấm và ủ trung gian được áp dụng để hồi phục độ dẻo trong chuỗi gia công phức tạp.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

A1100 không thể xử lý nhiệt để tăng cường độ; hợp kim không phản ứng với xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo để tạo ra sự tăng cường do kết tủa. Cơ chế tăng cường chính là biến dạng dẻo (gia công nguội) làm tăng mật độ đứt gãy và nâng cao độ bền ở các trạng thái H. Quá trình ủ (trạng thái O) làm mềm hợp kim bằng cách thúc đẩy quá trình hoàn nguyên và tái kết tinh nhằm phục hồi độ dẻo và giảm ứng suất tồn dư do tạo hình hoặc hàn.

Chu trình gia công điển hình gồm ủ → gia công nguội → ổn định (đối với một số trạng thái H2x) thay vì xử lý dung dịch hay chu trình lão hóa. Trạng thái H22/H24 đã ổn định sử dụng xử lý nhiệt nhẹ để giảm tác động lão hóa do ứng suất và đảm bảo ổn định kích thước mà không cần cứng hóa do kết tủa. Đối với ứng dụng yêu cầu cường độ cao hơn, cần chọn trạng thái làm cứng biến dạng hoặc chuyển sang hợp kim hợp kim hóa và xử lý nhiệt được.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

A1100 mất đáng kể độ bền khi nhiệt độ tăng, với giới hạn sử dụng thực tế thường dưới 150 °C cho các ứng dụng chịu tải. Trên nhiệt độ này, các quá trình hoàn nguyên làm giảm độ bền gia công nguội và có thể dẫn đến mềm hóa ngay cả khi không có ủ chủ ý. Oxi hóa trong không khí thấp hơn nhiều so với hợp kim sắt do lớp oxit bảo vệ, nhưng phơi nhiễm nhiệt độ cao lâu dài có thể làm giảm chất lượng bề mặt và làm giảm nhẹ khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện.

Vùng ảnh hưởng nhiệt hàn không bị hòa tan kết tủa như hợp kim có thể lão hóa nhưng có thể mềm hóa cục bộ do nhiệt độ vượt quá ngưỡng tái kết tinh. Với các ứng dụng nhiệt độ cao hoặc tải nhiệt chu kỳ, kỹ sư cần tính đến hiện tượng creep, biến dạng kích thước và mất độ bền còn lại khi dựa vào trạng thái làm cứng biến dạng.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Bộ phận	Lý Do Sử Dụng A1100
Ô tô	Tấm trong, phản xạ	Dễ tạo hình và hoàn thiện bề mặt tốt cho các chi tiết dễ thấy
Hàng hải	Ống dẫn, phụ kiện	Khả năng chống ăn mòn tốt khi tiếp xúc khí quyển biển
Hàng không	Phụ kiện phi kết cấu, vỏ che	Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và chống ăn mòn với trọng lượng nhẹ
Điện tử	Tản nhiệt, thanh dẫn, lá mỏng	Độ dẫn nhiệt và điện cao với khả năng tạo hình tốt

A1100 vẫn là lựa chọn ưu tiên khi tính dẫn điện, dẫn nhiệt, hoàn thiện bề mặt và khả năng tạo hình quan trọng hơn yêu cầu về cường độ kết cấu cao. Sự dễ dàng gia công và hiệu suất ổn định trên các quy trình tạo hình và liên kết phổ biến làm cho hợp kim này có giá thành hợp lý cho nhiều bộ phận không chịu tải trọng quan trọng.

Gợi Ý Lựa Chọn

Chọn A1100 khi yêu cầu ưu tiên tối đa về độ dẻo, khả năng dẫn điện và khả năng chống ăn mòn, đồng thời thiết kế có thể chấp nhận giới hạn về giới hạn chảy và bền kéo thấp. Hợp kim này thường được dùng cho lá mỏng, phủ bề mặt, tản nhiệt và môi trường nhạy cảm với hóa chất nơi mà việc thêm hợp kim có thể gây ảnh hưởng tiêu cực.

So với các biến thể thương mại có độ tinh khiết cao hơn (ví dụ 1050 hoặc 1060), A1100 có khả năng dẫn điện và tạo hình tương đương nhưng có thể chứa tạp chất cho phép cao hơn đôi chút ảnh hưởng đến hoàn thiện bề mặt và tính ổn định cơ học. So với các hợp kim thương mại đã làm cứng biến dạng như 3003 hoặc 5052, A1100 cung cấp dẫn điện vượt trội và đôi khi chống ăn mòn tốt hơn, đổi lại cường độ và khả năng chống mỏi thấp hơn đáng kể. So với các hợp kim xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, A1100 được chọn khi tính dễ tạo hình, chi phí và khả năng dẫn điện quan trọng hơn cường độ cơ cấu cao và khi chi tiết không đòi hỏi độ cứng hoặc chịu tải lớn.

Tóm Tắt Cuối

A1100 tiếp tục là hợp kim thiết thực khi ưu tiên độ tinh khiết, dẻo dai, khả năng tạo hình và dẫn điện hơn là tối đa hóa các tính chất cơ học. Quá trình gia công chi phí thấp, phản ứng có thể dự đoán với gia công nguội, và tính tương thích rộng với các kỹ thuật gia công phổ biến làm cho nó trở thành lựa chọn bền vững cho các ứng dụng nhiệt, điện và chống ăn mòn trong kỹ thuật hiện đại.