Nhôm EN AW-3003: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn trạng thái nhiệt và Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

EN AW-3003 là thành viên của dòng hợp kim nhôm rèn 3xxx, thuộc nhóm nhôm-mangan được thiết kế với độ bền vừa phải và khả năng chống ăn mòn vượt trội. Dòng 3xxx lấy mangan làm nguyên tố gia cường chính, thường khoảng 1.0–1.5 wt%, tạo ra sự phân tán đồng đều các hạt intermetallic và cung cấp sự gia cường dung dịch rắn cùng với tinh luyện hạt mà không dựa vào quá trình tôi kết tủa.

3003 là hợp kim không thể xử lý nhiệt và có thể gia cường bằng biến dạng; sự gia cường đạt được thông qua làm nguội lạnh thay vì quá trình kết tủa nhiệt. Các đặc tính chính gồm độ bền vừa phải, khả năng tạo hình tuyệt vời ở trạng thái ủ, khả năng chống ăn mòn rất tốt trong môi trường khí quyển và tương thích rộng rãi với các phương pháp hàn phổ biến.

Các ngành sử dụng EN AW-3003 phổ biến bao gồm xây dựng cho tấm lợp và ốp mặt ngoài, thiết bị gia dụng và dụng cụ nấu ăn, hệ thống ống dẫn HVAC, xử lý hóa chất trong các điều kiện không có ăn mòn lỗ rỗ nguy hiểm, và gia công tấm kim loại nói chung. Kỹ sư chọn hợp kim 3003 khi cần sự kết hợp giữa chi phí thấp, dễ tạo hình và độ bền hợp lý, đồng thời không yêu cầu khả năng chống ăn mòn điện hóa hoặc ăn mòn lỗ rỗ cao của các hệ hợp kim cao cấp hơn.

Biến thể nhiệt luyện

Nhiệt luyện	Mức độ bền	Độ kéo dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Tuyệt vời	Tuyệt vời	Ủ hoàn toàn, tốt nhất cho dập sâu và tạo hình phức tạp
H12	Vừa phải	Vừa phải	Khá	Tuyệt vời	Bán gia cường biến dạng cho độ cứng vừa phải
H14	Vừa đến cao	Vừa phải	Khá	Tuyệt vời	Nhiệt luyện phổ biến bằng biến dạng lạnh cho ứng dụng tấm
H16	Cao	Thấp đến vừa phải	Khá kém	Tuyệt vời	Gia cường biến dạng mạnh hơn cho giới hạn chảy cao
H18	Rất cao	Thấp	Kém đến khá	Tuyệt vời	Gia cường biến dạng tối đa bằng làm nguội lạnh
H22 / H24	Vừa phải	Vừa phải	Khá	Tuyệt vời	Biến dạng lạnh và bán ủ; cân bằng giữa hình dạng và độ bền

Nhiệt luyện ảnh hưởng trực tiếp đến sự cân bằng cơ học giữa độ bền và độ dẻo vì 3003 được gia cường bằng biến dạng thay vì tôi kết tủa. Sản phẩm ở trạng thái ủ (O) cung cấp khả năng tạo hình tốt nhất cho dập sâu và uốn cong phức tạp, trong khi các biến thể H-series đánh đổi độ kéo dài để tăng giới hạn chảy và độ bền kéo, thích hợp cho các tấm kết cấu và thanh gia cứng.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0.0 – 0.6	Tạp chất từ quá trình chế biến; lượng nhỏ làm giảm tính lưu động khi đúc nhưng ảnh hưởng giới hạn trong sản phẩm rèn
Fe	0.0 – 0.7	Hình thành các intermetallic có thể làm giảm độ dẻo nếu nồng độ cao
Mn	1.0 – 1.5	Nguyên tố hợp kim chính cung cấp độ bền và khả năng chống ăn mòn
Mg	0.0 – 0.2	Lượng nhỏ có thể làm tăng nhẹ độ bền; hợp kim 3003 không có Mg cao
Cu	0.05 – 0.20	Phụ gia nhỏ; cải thiện độ bền nhẹ nhưng có thể giảm khả năng chống ăn mòn nếu vượt mức
Zn	0.0 – 0.10	Chỉ tồn tại với hàm lượng vết
Cr	0.0 – 0.05	Nguyên tố vết để kiểm soát cấu trúc hạt trong một số tiêu chuẩn
Ti	0.0 – 0.15	Thường có mặt như chất tinh luyện hạt với lượng nhỏ
Khác	Cân bằng Al + các tạp chất còn lại	Các tạp chất vết điển hình và các nguyên tố vi hợp kim có chủ ý

Thành phần hợp kim tập trung vào mangan như nguyên tố chủ đạo cung cấp sức bền và khả năng chống ăn mòn, đồng thời kiểm soát đồng và sắt ở mức thấp đến vừa phải để bảo toàn độ dẻo và hạn chế sự hình thành intermetallic. Thêm một lượng nhỏ Ti hoặc Cr nhằm kiểm soát kích thước hạt trong quá trình gia công, trong khi Si và Fe được giới hạn để tránh ảnh hưởng xấu đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt.

Tính chất cơ học

Hành vi kéo của EN AW-3003 đặc trưng cho hợp kim nhôm dẻo làm lạnh biến dạng. Ở trạng thái ủ, hợp kim thể hiện giới hạn chảy và giới hạn bền kéo tương đối thấp nhưng độ kéo dài đồng đều cao, phù hợp cho dập sâu. Làm nguội lạnh đến các biến thể H-series làm tăng đáng kể giới hạn chảy và bền kéo trong khi giảm tổng độ kéo dài và tăng độ cứng thông qua sự nhân đôi khuyết tật mạng tinh thể và lão hóa biến dạng.

Giới hạn chảy và bền kéo thay đổi theo biến thể nhiệt luyện và chiều dày; vật liệu mỏng thường đạt độ bền cao hơn sau gia cường do hiệu ứng làm cứng khi cán và gia công. Độ cứng liên quan đến nhiệt luyện và mức độ biến dạng lạnh; các phép đo độ cứng Brinell hoặc Vickers cho thấy sự tăng tiến từ trạng thái O đến H18. Hiệu suất mỏi ở mức vừa phải và chịu ảnh hưởng nhiều hơn bởi hoàn thiện bề mặt, độ dày và ứng suất dư do tạo hình hơn là thành phần hóa học đơn thuần.

Tính chất	O/Ủ	Nhiệt luyện chính (H14/H16)	Ghi chú
Độ bền kéo (Rm)	≈ 80–120 MPa	≈ 150–220 MPa	Giá trị thay đổi theo độ dày và nhiệt luyện cụ thể
Giới hạn chảy (0.2% Rp0.2)	≈ 35–60 MPa	≈ 120–170 MPa	Gia cường lạnh làm tăng giới hạn chảy đáng kể
Độ kéo dài (A50)	≈ 20–35%	≈ 2–12%	Trạng thái ủ có độ tạo hình cao; các biến thể H giảm độ dẻo
Độ cứng (HB)	≈ 20–35 HB	≈ 40–60 HB	Độ cứng tăng theo mức độ gia cường biến dạng

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Khối lượng riêng	2.73 g/cm³	Điển hình cho các hợp kim nhôm–mangan dạng rèn
Phạm vi nóng chảy	~640–655 °C	Khoảng từ nhiệt độ nóng chảy bắt đầu đến hết
Độ dẫn nhiệt	~130–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm nguyên chất do hợp kim; rất tốt cho truyền nhiệt
Độ dẫn điện	~30–40 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do có mangan và các nguyên tố hòa tan khác
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Điển hình cho hợp kim nhôm gần nhiệt độ phòng
Hệ số giãn nở nhiệt	~23.0–24.0 µm/m·K	Hệ số giãn dài theo nhiệt độ (20–100 °C)

Các tính chất vật lý khiến EN AW-3003 phù hợp với các ứng dụng cần truyền nhiệt và trọng lượng nhẹ nhưng không đòi hỏi độ dẫn điện cao nhất có thể. Độ dẫn nhiệt đủ cao cho nhiều ứng dụng tản nhiệt và HVAC, trong khi hệ số giãn nở nhiệt trung bình cần được lưu ý khi thiết kế các lắp ghép đa vật liệu để tránh sự dịch chuyển khác biệt.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi độ bền	Biến thể nhiệt luyện phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.2 – 6 mm	Dễ tạo hình và gia cường biến dạng dự đoán được	O, H14, H16	Dạng phổ biến cho các tấm thiết bị, lợp mái, ốp mặt ngoài
Thép tấm dày (Plate)	6 – 25 mm	Khả năng tạo hình thấp hơn, độ cứng cao hơn	O, H12, H14	Dùng cho tấm kết cấu và vỏ bọc gia công
Hợp kim đùn	Hồ sơ tùy chỉnh	Độ bền phụ thuộc vào tiết diện và biến dạng lạnh	O, H14	Hạn chế so với hợp kim 6xxx; dùng nơi cần khả năng tạo hình và chống ăn mòn
Ống	Độ dày thành 0.4 – 6 mm	Khả năng hàn và tạo hình tốt	O, H14	Ống dẫn HVAC, đường ống nhiên liệu trong môi trường không khắt khe
Thanh	Ø3 – Ø50 mm	Giới hạn gia cường không qua xử lý nhiệt	O, H14, H16	Phôi gia công nguội và chế tạo chi tiết nối và bulong

Các dạng sản phẩm khác nhau phản ánh quá trình gia công cuối cùng và yêu cầu ứng dụng: tấm và thép tấm được cán và cung cấp với nhiều biến thể nhiệt luyện tối ưu cho tạo hình hoặc độ bền, trong khi đùn và ống cần chú ý thiết kế khuôn và làm nguội sau đùn để kiểm soát tính chất. Các tiết diện dày hơn sẽ không gia công lạnh đồng đều như vật liệu mỏng và có thể cần xử lý ủ trước hoặc sau để đạt độ dẻo mục tiêu.

Các mác tương đương

Tiêu chuẩn	Mác	Vùng	Ghi chú
AA	3003	Hoa Kỳ	Chỉ định phổ biến trong các tiêu chuẩn ASTM/AA
EN AW	3003	Châu Âu	Hợp kim rèn tương đương theo ký hiệu EN
JIS	A3003	Nhật Bản	JIS tham chiếu A3003 như bản tương đương gần nhất
GB/T	3A21	Trung Quốc	Mác Trung Quốc tương đương 3003 trong nhiều quy chuẩn

Các mác tương đương giữa các tiêu chuẩn dựa trên thành phần hóa học và hiệu năng tương tự nhau, tuy nhiên phạm vi cho phép và yêu cầu kiểm tra có thể khác biệt. Người mua nên kiểm tra kỹ bảng tiêu chuẩn cụ thể về giới hạn tạp chất, biến thể nhiệt luyện yêu cầu và quy trình kiểm tra do những khác biệt nhỏ này có thể ảnh hưởng đến hoàn thiện bề mặt, khả năng dập định hình và chứng nhận cho các ứng dụng có quy định nghiêm ngặt.

Khả năng chống ăn mòn

EN AW-3003 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển tổng quát tốt nhờ lớp oxit nhôm thụ động cùng tác động tương đối nhẹ của mangan như nguyên tố hợp kim chủ yếu. Nó hoạt động hiệu quả trong các môi trường trong nhà và ngoài trời ở khu vực nông thôn/thành thị, đồng thời chịu được bầu không khí công nghiệp nhẹ mà các hợp chất lưu huỳnh không gây ăn mòn mạnh.

Trong môi trường biển hoặc mang ion chloride, 3003 đáp ứng tốt cho nhiều chi tiết biển phụ, nhưng không có khả năng chống ăn mòn điểm và ăn mòn khe hở tốt bằng các hợp kim nhôm-magie thuộc dòng 5xxx. Đối với các cấu kiện chính trong môi trường biển hoặc các chi tiết phơi nhiễm chloride cao, các hợp kim dòng 5xxx (ví dụ: 5083, 5052) hoặc các lớp phủ bảo vệ thường được ưu tiên sử dụng.

Khả năng nứt ăn mòn ứng suất của 3003 thấp do giới hạn bền tối đa đạt được còn vừa phải so với các hợp kim hợp nhiệt có cường độ cao; tuy nhiên, ăn mòn điện hóa cục bộ có thể xảy ra khi tiếp xúc với kim loại quý hơn như đồng hoặc thép không gỉ nếu không có biện pháp cách ly phù hợp. Lựa chọn vật liệu chính xác và kỹ thuật cách ly sẽ giảm thiểu nguy cơ ăn mòn điện hóa trong các cụm kim loại hỗn hợp.

Tính chất gia công

Khả năng hàn
EN AW-3003 dễ dàng hàn bằng các phương pháp hàn nhiệt thông dụng như GTAW (TIG) và GMAW (MIG) với nguy cơ nứt nóng thấp. Các hợp kim que hàn phổ biến gồm ER4043 (Al–Si) và ER4047 cho độ chảy tốt hơn, cùng ER5356 (Al–Mg) khi cần độ bền mối hàn cao hơn; việc lựa chọn tùy thuộc vào thiết kế mối nối và yêu cầu chống ăn mòn sau hàn. Vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ bị làm mềm cục bộ so với vật liệu gốc đã làm nguội lạnh nhưng không bị giòn do kết tủa vì hợp kim này không thể xử lý nhiệt để tăng cứng.

Khả năng gia công cơ khí
Gia công của 3003 ở mức trung bình so với các hợp kim nhôm chế tạo dễ; chỉ số gia công thấp hơn so với các hợp kim Al–Cu hoặc Al–Si do tạo chip dẻo và xu hướng hình thành lớp bavia dính trên dụng cụ. Nên sử dụng dụng cụ cacbua có hình dạng sắc nét, góc dao dương cùng bôi trơn/làm mát đầy đủ, đồng thời điều chỉnh tốc độ trục để tránh bám dính và hỗ trợ việc bẻ chip. Khoan và taro cần chu trình khoan phù hợp và thoát phoi hiệu quả khi khoan lỗ sâu.

Khả năng tạo hình
Khả năng tạo hình là điểm mạnh nhất của 3003, đặc biệt ở trạng thái tôi mềm hoàn toàn (tấm O) khi có thể thực hiện sâu, kéo dãn và uốn phức tạp mà không bị rạn nứt. Bán kính uốn tối thiểu thường bằng 1–2 lần chiều dày vật liệu đối với trạng thái O, nhưng tăng lên ở các trạng thái cứng H-series do độ dẻo giảm; người thiết kế nên kiểm chứng bán kính uốn cho từng độ dày và hình dạng cụ thể. Hiện tượng làm cứng khi gia công tăng cường độ nhưng giới hạn khả năng tạo hình tiếp theo; xử lý tôi trung gian thường được áp dụng cho chu trình tạo hình đòi hỏi độ lớn.

Hành vi xử lý nhiệt

EN AW-3003 không đáp ứng với tôi dung dịch và lão hóa nhân tạo do thiếu các nguyên tố tăng cứng kết tủa; nó được phân loại là hợp kim không thể xử lý nhiệt. Tôi nhiệt trong khoảng 350–450 °C được dùng để kết tinh lại hoàn toàn và phục hồi độ dẻo sau làm nguội lạnh, với thời gian ngâm và tốc độ làm nguội được kiểm soát nhằm tránh biến dạng và duy trì chất lượng bề mặt.

Hiện tượng làm cứng khi gia công là cơ chế chính để điều chỉnh tính chất: biến dạng nguội có kiểm soát tạo ra trạng thái cứng H-series với sự gia tăng giới hạn chảy và độ bền kéo có thể dự đoán. Chuyển đổi trạng thái tuân theo ký hiệu chuẩn (ví dụ: O → H14) bằng mức độ biến dạng nguội được xác định hoặc tôi cục bộ để đạt trạng thái trung gian như H22/H24.

Hiệu suất ở nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ cao, EN AW-3003 mất dần độ bền do hoạt hóa nhiệt cho phép chuyển vị dịch chuyển và sự phục hồi; sự giảm bền đáng kể xuất hiện trên phạm vi ~125–150 °C khi sử dụng lâu dài. Quá trình oxi hóa chỉ giới hạn ở việc hình thành lớp oxit nhôm ổn định và thường không phải là yếu tố giới hạn cho các ứng dụng ở nhiệt độ trung bình, nhưng tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao sẽ làm suy giảm tính cơ học và ổn định kích thước.

Vùng mối hàn và các khu vực làm việc nhiều có thể bị làm mềm do nhiệt trong khi sử dụng ở nhiệt độ cao; người thiết kế cần xem xét ảnh hưởng của creep (dòng chảy chậm) và giãn nở trong tải trọng kéo dài trên dải nhiệt độ cao này và ưu tiên các hợp kim chịu nhiệt cao hơn khi hoạt động liên tục trên 100–150 °C.

Ứng dụng

Ngành	Chi tiết ví dụ	Lý do dùng EN AW-3003
Ô tô	Tấm chắn nhiệt, viền trang trí, ống gió HVAC	Khả năng tạo hình tốt, chống ăn mòn, chi phí hiệu quả
Hàng hải	Tấm không chịu lực, các chi tiết bên trong	Khả năng chống ăn mòn trong môi trường biển khí quyển
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, vỏ che (không chịu lực)	Tỷ lệ bền trên trọng lượng tốt cho chi tiết phụ
Điện tử	Tản nhiệt, vỏ bọc	Độ dẫn nhiệt tốt kết hợp khả năng tạo hình
Thiết bị gia dụng	Đồ nấu, tấm vỏ tủ lạnh	Hoàn thiện bề mặt, tạo hình và chống ăn mòn

EN AW-3003 được ưa chuộng cho các ứng dụng đòi hỏi sự cân bằng giữa chi phí thấp, khả năng chế tạo và chống ăn mòn tốt, nhưng không yêu cầu cường độ kết cấu cao nhất. Độ đa năng trên dạng tấm, ống và chi tiết tạo hình khiến nó trở thành vật liệu chủ lực của nhiều nhà gia công và OEM.

Lời khuyên lựa chọn

EN AW-3003 được lựa chọn khi yêu cầu cường độ trung bình, độ dẻo tốt và khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt là ưu tiên hàng đầu, cũng như chi phí và khả năng cung ứng được quan tâm. Chọn trạng thái O cho các chi tiết cần tạo hình phức tạp và kéo sâu, chọn trạng thái H-series khi cần tăng độ cứng hoặc giới hạn chảy cho chi tiết gia công.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 3003 cho độ bền cao hơn đáng kể nhưng đổi lại độ dẫn điện và nhiệt giảm nhẹ; sử dụng 1100 khi cần độ dẫn truyền và độ mềm tối đa. So với hợp kim dòng 5xxx như 5052, 3003 đánh đổi một phần khả năng chống ăn mòn điểm/khe hở và hiệu suất cường độ cao hơn để cải thiện khả năng tạo hình và thường có chi phí thấp hơn, do đó 3003 thích hợp cho tạo hình chung và phủ bề mặt. So sánh với các hợp kim xử lý nhiệt như 6061 hay 6063, 3003 có tính tạo hình nguội tốt hơn và chi phí thấp hơn nhưng cường độ cực đại thấp hơn; ưu tiên 3003 khi độ phức tạp tạo hình và chống ăn mòn quan trọng hơn đặc tính cơ học cực đại.

Tóm tắt cuối cùng

EN AW-3003 vẫn là hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi, thực tế cho kỹ thuật hiện đại nhờ sự kết hợp giữa khả năng tạo hình tốt, độ bền chấp nhận được sau làm nguội lạnh, tính dễ hàn và khả năng chống ăn mòn tin cậy trong nhiều môi trường. Sự cân bằng giữa tính chất và chi phí hiệu quả khiến nó trở thành vật liệu ưu tiên cho HVAC, thiết bị gia dụng, ốp kiến trúc và gia công kim loại tấm nói chung khi giới hạn bền kéo cao nhất không phải là yếu tố thiết kế chính.