Nhôm EN AW-3103: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ và Ứng dụng
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Tổng quan toàn diện
EN AW-3103 là một thành viên trong dãy hợp kim nhôm dạng rèn 3xxx, trong đó mangan được dùng chủ yếu làm nguyên tố hợp kim chính để tăng cường độ. Dòng hợp kim này được phân loại là không thể xử lý nhiệt và gia tăng độ bền nhờ vào gia công nguội có kiểm soát (làm cứng biến dạng) thay vì các quy trình xử lý nhiệt hòa tan và kết tủa điển hình của nhóm 6xxx và 7xxx.
Nguyên tố hợp kim chính trong EN AW-3103 là mangan, thường nằm trong mức dưới 1% đến mức thấp, cùng với một lượng nhỏ các nguyên tố sắt, silic và các nguyên tố vết được kiểm soát nhằm ảnh hưởng đến khả năng tạo hình và hoàn thiện bề mặt. Do đó, EN AW-3103 cung cấp sự cân bằng giữa độ bền vừa phải, độ dẻo rất tốt và khả năng chống ăn mòn tương đối trong nhiều môi trường khí quyển.
Đặc điểm chính của EN AW-3103 bao gồm độ bền trung bình (cao hơn nhôm thương phẩm tinh khiết nhưng thấp hơn nhiều so với các hợp kim làm cứng bằng biến dạng hoặc có thể xử lý nhiệt), khả năng tạo hình nguội xuất sắc ở trạng thái đã ủ, khả năng hàn đáng tin cậy với các quy trình hàn nhôm tiêu chuẩn, và khả năng chống ăn mòn tổng quát tốt. Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng EN AW-3103 bao gồm các thành phần xây dựng và kiến trúc, trang trí và ốp lát, biển quảng cáo và thiết bị chiếu sáng, cũng như gia công tấm kim loại nói chung khi yêu cầu khả năng tạo hình và hoàn thiện bề mặt được đặt lên hàng đầu.
Kỹ sư lựa chọn EN AW-3103 thay vì các loại nhôm tinh khiết hơn để cải thiện hiệu suất cơ học trong khi vẫn giữ được đặc tính tạo hình tốt, và so với các hợp kim có độ bền cao hơn khi ưu tiên tính dẻo dai vượt trội, chất lượng bề mặt và chi phí. Nó chiếm vị trí cân bằng thực tế đối với các chi tiết làm từ tấm và các sản phẩm mỏng yêu cầu uốn, dập và hàn mà không cần đạt độ bền cao nhất qua xử lý nhiệt tuổi già hóa.
Các biến thể nhiệt độ
| Điều kiện nhiệt độ | Ứng suất | Độ kéo dài | Khả năng tạo hình | Khả năng hàn | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Thấp | 20–35% | Xuất sắc | Xuất sắc | Hoàn toàn ủ mềm, độ dẻo tối đa cho dập sâu |
| H11 / H111 | Thấp–Trung bình | 15–30% | Rất tốt | Xuất sắc | Làm cứng nhẹ; thường dùng cho quá trình tạo hình nhẹ |
| H14 | Trung bình | 6–18% | Tốt | Xuất sắc | Độ cứng khoảng 1/4; nhiệt độ phổ biến cho cân bằng sức bền và tạo hình trung bình |
| H16 | Trung bình–Cao | 4–12% | Trung bình–Tốt | Xuất sắc | Độ cứng khoảng 1/2; cải thiện độ cứng và kiểm soát độ hồi đàn hồi |
| H18 | Cao | 2–8% | Hạn chế | Xuất sắc | Đã làm cứng hoàn toàn do gia công nguội; dùng khi yêu cầu giới hạn chảy cao hơn |
EN AW-3103 chủ yếu được cung cấp ở trạng thái ủ mềm (O) và các biến thể H khác nhau đạt được bằng cán có kiểm soát và gia công nguội. Điều kiện nhiệt độ kiểm soát mật độ lệch vị trí và cấu trúc vi mô, do đó chuyển từ O đến H18 làm tăng độ bền và giảm độ kéo dài cũng như khả năng dập sâu.
Khả năng hàn vẫn tốt ở tất cả các biến thể này vì hợp kim không thể xử lý nhiệt; tuy nhiên, các biến thể làm cứng nguội sẽ xuất hiện vùng mềm hóa cục bộ trong vùng ảnh hưởng nhiệt sau hàn và có thể cần xử lý cơ học hoặc nhiệt sau hàn để phục hồi tính chất.
Thành phần hóa học
| Nguyên tố | Phạm vi % | Ghi chú |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.6 | Silic được giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo và chất lượng bề mặt. |
| Fe | ≤ 0.7 | Sắt là tạp chất; mức kiểm soát ảnh hưởng đến tính dị hướng và độ bền. |
| Mn | 0.6–1.5 | Nguyên tố hợp kim chính; mang lại tác dụng làm cứng hòa tan và cơ học phân tán. |
| Mg | ≤ 0.10 | Magiê rất ít trong 3103 và không dùng để làm cứng kết tủa. |
| Cu | ≤ 0.20 | Đồng thấp giúp tăng cứng nhẹ nhưng nếu cao có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn. |
| Zn | ≤ 0.20 | Kẽm là tạp chất nhỏ, ảnh hưởng hạn chế đến tính chất ở mức này. |
| Cr | ≤ 0.10 | Crom có thể tồn tại với lượng vết nhằm kiểm soát cấu trúc hạt. |
| Ti | ≤ 0.15 | Titan dùng hiếm khi làm tinh thể mịn với lượng nhỏ. |
| Khác (mỗi nguyên tố) | ≤ 0.05 | Các nguyên tố khác được kiểm soát nhằm bảo vệ độ dẻo và khả năng tạo hình. |
Hàm lượng Mn là yếu tố quyết định trong thành phần hợp kim EN AW-3103, cho phép khả năng làm cứng do biến dạng và tăng cường độ so với nhôm thương phẩm tinh khiết. Sắt và silic được giữ ở mức thấp để tránh sự giòn và duy trì bề mặt láng mịn cũng như khả năng cán tấm tốt.
Tính chất cơ học
Về tính năng kéo, EN AW-3103 thể hiện đặc trưng của hợp kim không thể xử lý nhiệt: có độ dẻo và giới hạn chảy thấp ở trạng thái ủ mềm, tăng dần giới hạn chảy và độ bền kéo khi tăng gia công nguội. Giới hạn chảy có phụ thuộc vào tốc độ biến dạng và có thể tăng đáng kể qua gia công nguội ở mức vừa phải, mang lại tính chất hồi đàn hồi (springback) dự đoán được rất hữu ích cho các chi tiết đã tạo hình.
Độ kéo dài ở tình trạng O rất cao, hỗ trợ dập sâu và kéo căng, trong khi các biến thể H đánh đổi độ dẻo lấy độ cứng và giới hạn chảy 0,2% cao hơn. Độ cứng tỷ lệ thuận với điều kiện nhiệt độ; thường thấp ở O (mềm), tăng dần qua H11/H14 đến H18 nơi làm cứng biến dạng tạo ra độ cứng cao nhất; các thang độ cứng được dùng để kiểm soát chất lượng sản xuất.
Hiệu suất mỏi của EN AW-3103 ở mức trung bình và thường liên quan đến điều kiện bề mặt và nhiệt độ xử lý; bề mặt đánh bóng và ứng suất nén dư do tạo hình cải thiện tuổi thọ mỏi. Độ dày tấm ảnh hưởng đến phản ứng cơ học: tấm mỏng dễ biến dạng và đạt độ bền làm cứng cao sớm hơn trong quá trình tạo hình, trong khi tiết diện dày hơn hấp thụ năng lượng tốt hơn nhưng giảm khả năng tạo hình.
| Tính chất | O/Ủ mềm | Điều kiện chính (ví dụ H14) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Độ bền kéo | 95–140 MPa (điển hình) | 140–200 MPa (điển hình) | Giá trị phụ thuộc vào độ dày, lịch sử gia công và nhiệt độ chính xác |
| Giới hạn chảy (0,2%) | 30–50 MPa | 90–140 MPa | Giới hạn chảy tăng đáng kể với gia công nguội |
| Độ kéo dài | 20–35% | 6–18% | Ủ mềm cung cấp độ dẻo tối đa; gia công nguội làm giảm độ kéo dài |
| Độ cứng (HB) | 20–40 | 40–80 | Độ cứng tương ứng với mức độ làm cứng; dùng để kiểm soát quy trình |
Tính chất vật lý
| Tính chất | Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| Mật độ | 2.70 g/cm³ | Mật độ điển hình cho hợp kim nhôm-mangan; hữu ích cho tính toán khối lượng và độ cứng. |
| Phạm vi nóng chảy | 640–655 °C | Nhiệt độ rắn-khí gần với nhôm tinh khiết; phạm vi nóng chảy phụ thuộc vào thành phần vi lượng. |
| Độ dẫn nhiệt | 120–160 W/m·K | Độ dẫn nhiệt tốt; thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng phù hợp cho bộ tản nhiệt. |
| Độ dẫn điện | ~30–40 % IACS | Thấp hơn nhôm tinh khiết; giảm khi gia công nguội và hợp kim hóa. |
| Nhiệt dung riêng | ~0.90 kJ/kg·K (900 J/kg·K) | Nhiệt dung riêng điển hình dùng cho tính toán nhiệt độ biến đổi. |
| Hệ số giãn nở nhiệt | 23–24 µm/m·K (20–100 °C) | Hệ số giãn nở nhiệt điển hình cho hợp kim nhôm; quan trọng khi ghép nối kim loại khác nhau. |
Tập hợp các tính chất vật lý đặt EN AW-3103 là vật liệu nhẹ với khả năng dẫn nhiệt tốt và hệ số giãn nở nhiệt dự đoán được, làm cho nó phù hợp cho các chi tiết cần tản nhiệt và ổn định kích thước trên dải nhiệt độ vừa phải. Độ dẫn điện đủ dùng cho các ứng dụng dẫn điện không quá quan trọng nhưng thường thấp hơn so với các loại nhôm tinh khiết thương mại dùng trong dây dẫn điện.
Người thiết kế cần lưu ý hệ số giãn nở nhiệt khi ghép EN AW-3103 với vật liệu khác loại và độ dẫn điện khi quy định dùng cho quản lý nhiệt; các xử lý bề mặt và lớp phủ thường dùng trong kiến trúc không làm thay đổi nhiều tính chất nhiệt tổng thể nhưng có thể ảnh hưởng đến độ phát xạ và truyền nhiệt.
Dạng Sản Phẩm
| Dạng | Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu | Đặc Tính Cơ Lực | Ứng Dụng Nhiệt Thông Thường | Ghi Chú |
|---|---|---|---|---|
| Tấm | 0.3–6.0 mm | Độ bền tăng lên khi cán nguội/ứng dụng nhiệt | O, H11, H14, H16, H18 | Dạng phổ biến nhất; dùng cho các tấm panel, viền, mặt dựng |
| Thép Tấm Dày (Plate) | 6–25 mm | Giới hạn chịu lực hạn chế; thường cung cấp dưới dạng nhiệt mềm hơn | O, H111 | Ít phổ biến do chủ yếu dùng làm tấm mỏng |
| Đùn (Extrusion) | Biên dạng tiết diện thay đổi | Đùn hợp kim 3103 không phổ biến; tính gia công khác nhau | H111 | Có thể tạo biên dạng đơn giản nhưng đùn dòng 3xxx ít được sử dụng |
| Ống | Ø 6–120 mm | Gia công nguội trong quá trình sản xuất ống làm tăng độ bền | O, H14 | Dùng cho ống trang trí và kết cấu nhẹ |
| Thanh/Cây (Bar/Rod) | Ø 5–50 mm | Thanh có sẵn; độ bền tăng nhờ làm cứng nguội | H11, H14 | Dùng cho bulong, viền trang trí và chi tiết tạo hình |
Sản xuất tấm là quy trình chính cho EN AW‑3103 với các bước cán và ủ chọn lọc nhằm tạo bề mặt đồng đều và kiểm soát tính chất cơ học. Đùn và các tiết diện lớn hơn ít phổ biến vì các dòng khác như 6xxx cho đùn và 5xxx cho tấm biển có độ bền và hiệu suất tốt hơn trong các nhóm sản phẩm đó.
Các công đoạn tạo hình nguội như uốn, dập, kéo là chủ yếu; lựa chọn nhiệt luyện để cân bằng độ hồi chiều đàn hồi, khả năng kéo dãn và độ bền cuối cùng khi sử dụng. Với các chi tiết kiến trúc cần bề mặt hoàn thiện cao và chất lượng anode hóa, quy trình cán và ủ được tối ưu để giảm khuyết tật bề mặt và duy trì thành phần hợp kim đồng nhất.
Các Mác Tương Đương
| Tiêu Chuẩn | Mác | Khu Vực | Ghi Chú |
|---|---|---|---|
| AA | 3103 | Hoa Kỳ | |
| EN AW | 3103 | Châu Âu | EN AW‑3103 là ký hiệu phổ biến ở châu Âu theo tiêu chuẩn EN. |
| JIS | A3103 (xấp xỉ) | Nhật Bản | Tiêu chuẩn Nhật có thể tham chiếu hợp kim Al‑Mn tương tự với ký hiệu địa phương. |
| GB/T | 3103 (xấp xỉ) | Trung Quốc | Tiêu chuẩn Trung Quốc bao gồm các hợp kim dòng 3xxx tương đương; thành phần có thể thay đổi nhẹ. |
Các ký hiệu mác tương đương giữa các khu vực có thể hoán đổi rộng rãi cho nhiều ứng dụng thương mại, tuy nhiên kỹ sư cần kiểm tra giới hạn thành phần và bảng tính chất cơ học cụ thể trước khi đặt hàng. Sự khác biệt nhỏ về hàm lượng tạp chất, dung sai cho phép và quy định nhiệt luyện có thể khác nhau giữa AA, EN, JIS và GB/T ảnh hưởng đến tính tạo hình, bề mặt và tiêu chuẩn phủ hoặc chấp nhận kết cấu.
Khả Năng Chống Ăn Mòn
EN AW-3103 có khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt tương tự các hợp kim Al‑Mn khác, tạo màng oxit ổn định hạn chế ăn mòn đều trong môi trường nông thôn và đô thị. Hàm lượng mangan không làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn chung và hợp kim phù hợp cho các chi tiết kiến trúc ngoài trời và viền trang trí có bảo trì định kỳ hoặc phủ lớp bảo vệ.
Trong môi trường biển, hợp kim này có khả năng chống phun muối và tiếp xúc clorua vừa phải, nhưng ngâm lâu dài hoặc vùng bắn nước phun với clorua nặng sẽ làm tăng tốc ăn mòn điểm và hư hại bề mặt so với các hợp kim có độ bền cao hơn như dòng 5xxx (Al‑Mg). Với các ứng dụng hàng hải bền bỉ, thiết kế thường lựa chọn phủ anode hoặc hợp kim Mg cao hơn tùy theo yêu cầu kết cấu và môi trường.
EN AW‑3103 khả năng nhạy cảm ăn mòn ứng suất thấp do không thể xử lý nhiệt và không tạo ra pha kết tủa có hại; tuy nhiên các vùng hàn hoặc gia công nguội có ứng suất kéo còn sót nên được đánh giá kỹ về ăn mòn cục bộ. Tương tác điện hoá với kim loại quý hơn (thép không gỉ, đồng) có thể tăng tốc ăn mòn EN AW‑3103; lớp cách điện, chất phủ kín hoặc anot hy sinh được khuyến nghị khi các mối nối kim loại khác loại không thể tránh.
Tính Chất Gia Công
Khả năng hàn
EN AW‑3103 dễ hàn bằng quy trình TIG và MIG theo kỹ thuật nhôm tiêu chuẩn, ít hiện tượng nứt nóng nhờ thành phần hợp kim đơn giản. Vật liệu hàn thường dùng là dây/cuộn hàn tương thích Al‑Mn (ví dụ Al‑5xx6 hoặc Al‑4xxx tùy yêu cầu mối nối), nhằm cân bằng tính cơ lý, khả năng chống ăn mòn và nguồn cung vật tư. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sẽ làm mềm khu vực đã gia công nguội vì hợp kim không xử lý nhiệt; cần xử lý cơ học sau hàn hoặc dùng phụ gia có đặc tính vượt trội để phục hồi tính năng.
Khả năng gia công cơ khí
Gia công EN AW‑3103 tương đối dễ dàng nhưng không nổi trội; chỉ số gia công thấp hơn hợp kim nhôm dễ gia công có thêm chì hoặc bismuth. Dùng dao hợp kim cacbua hoặc thép tốc độ cao phủ lớp với góc nghiêng tích cực và tốc độ chạy dao cao đem lại kiểm soát phoi tốt, sử dụng dung dịch làm mát giúp tránh lớp dư mòn và cải thiện bề mặt. Khi thiết kế để gia công, kỹ sư thường ưu tiên các tiết diện dày và nhiệt luyện phù hợp tăng độ cứng và giảm rung dao.
Khả năng tạo hình
EN AW‑3103 là một trong những hợp kim chứa Mn có tính tạo hình tốt, đặc biệt ở nhiệt O cho khả năng kéo sâu và kéo giãn xuất sắc. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc nhiệt luyện và độ dày nhưng thường nhỏ ở nhiệt O—cho phép uốn góc gập nhỏ—và phải tăng lên với nhiệt H để tránh nứt. Làm cứng nguội tăng giới hạn chảy và giảm độ dãn, nên quy trình tạo hình dần và ủ trung gian là chiến lược phổ biến trong sản xuất chi tiết phức tạp.
Hành Vi Xử Lý Nhiệt
Là hợp kim không xử lý nhiệt, EN AW‑3103 không phản ứng với các quy trình hoà tan và lão hóa nhân tạo để tăng cường độ; các quy trình này không tạo ra pha kết tủa làm cứng như dòng 6xxx hoặc 7xxx. Kiểm soát chủ yếu là gia công nguội (cán, kéo, uốn) làm tăng mật độ khuyết tật mạng tinh thể, từ đó nâng cao giới hạn chảy và bền kéo.
Ủ mềm (trở về nhiệt O) để phục hồi độ dẻo và giảm ứng suất còn sót; nhiệt độ ủ được chọn để tái tinh thể hóa mà không gây lỗi oxy hóa bề mặt—chu kỳ ủ công nghiệp điển hình được kiểm soát nghiêm ngặt trong lò thương mại. Với các ứng dụng cần điều chỉnh tính chất cục bộ, kết hợp gia công nguội, giảm ứng suất và hoàn thiện bề mặt được sử dụng thay thế các chu trình nhiệt truyền thống.
Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao
EN AW‑3103 giảm dần độ bền khi tăng nhiệt độ, giảm đáng kể trên khoảng ~100–150 °C và mềm nhanh khi tiếp cận vùng tái tinh thể hóa. Tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao có thể dẫn đến phục hồi và tái tinh thể hóa, làm giảm độ bền làm cứng nguội và thay đổi độ ổn định kích thước; vì vậy nhiệt độ làm việc thường giới hạn dưới 200 °C cho các ứng dụng chịu tải.
Sự oxi hóa ở nhiệt độ cao thấp hơn nhiều so với thép; nhôm tạo màng oxit bảo vệ nhưng tiếp xúc nhiệt cao có thể thay đổi bề ngoài và ảnh hưởng đến lớp phủ hoặc keo dán. Mối hàn và vùng HAZ có thể giảm độ bền dưới tác động nhiệt luân phiên; kỹ sư cần tính đến khả năng ủ mềm do gia công nguội và thay đổi hiệu suất chịu mỏi khi nhiệt độ vận hành gần ngưỡng nhiệt luyện.
Ứng Dụng
| Ngành | Ví Dụ Chi Tiết | Lý Do Dùng EN AW-3103 |
|---|---|---|
| Ô tô | Tấm trang trí nội thất, đường viền trang trí | Tạo hình tốt và bề mặt hoàn thiện ở độ bền vừa phải |
| Kiến trúc / Xây dựng | Ốp mặt dựng, trần hốc, máng xối | Khả năng chống ăn mòn và chất lượng anode hóa cho bề mặt nhìn thấy |
| Bảng hiệu & Chiếu sáng | Vỏ phản xạ, mặt bảng hiệu | Dạng tấm dễ tạo hình, bề mặt mịn và ổn định kích thước |
| Thiết bị gia dụng | Viền nồi chảo, mặt tủ | Dễ tạo hình, khả năng hàn tốt và giá thành kinh tế |
| HVAC / Ống dẫn | Tấm ống nhẹ | Tạo hình tốt và chống ăn mòn trong môi trường trong nhà |
EN AW‑3103 được ưu chuộng cho các chi tiết đòi hỏi sự cân bằng giữa khả năng tạo hình, hiệu năng cơ học chấp nhận được và bề mặt hoàn thiện chất lượng cao, đặc biệt khi có yêu cầu anode hóa hoặc sơn phủ. Sự kết hợp các tính chất này cũng làm cho hợp kim kinh tế trong các ứng dụng kiến trúc và tiêu dùng trung bình không cần độ bền cực cao.
Gợi Ý Lựa Chọn
Đối với kỹ sư lựa chọn hợp kim EN AW‑3103, ưu tiên khi cần độ tạo hình vượt trội và chất lượng bề mặt với độ bền vừa phải và khả năng chống ăn mòn tốt cùng chi phí kinh tế. Nếu thiết kế yêu cầu kéo sâu và bán kính uốn nhỏ kèm theo hàn nhẹ hoặc hàn brazing sau cùng, EN AW‑3103 nhiệt độ O thường là giải pháp tối ưu cân bằng giữa dễ sản xuất và hiệu suất sử dụng.
So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ: 1100), EN AW‑3103 đánh đổi một lượng nhỏ khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt để đạt được giới hạn chảy và giới hạn bền kéo cao hơn, làm cho nó phù hợp hơn khi yêu cầu về tính toàn vẹn kết cấu và khả năng tạo hình. So với các hợp kim làm cứng bằng biến dạng tương tự (ví dụ: 3003, 5052), 3103 có tính chất gần với 3003 và thường cung cấp độ bền tương đương với khả năng chống ăn mòn tương tự; trong các trường hợp ứng dụng biển hoặc tải trọng cao, các hợp kim chứa Mg như 5052 có thể được lựa chọn thay thế.
So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt (ví dụ: 6061/6063), EN AW‑3103 sẽ không đạt được độ bền tối đa tương tự nhưng thường được lựa chọn nhờ khả năng dễ tạo hình vượt trội, dễ gia công và hoàn thiện bề mặt tốt hơn cho các chi tiết kiến trúc hoặc trang trí, nơi mà độ bền tối đa không phải là yêu cầu chính.
Tổng kết
EN AW‑3103 vẫn là một hợp kim nhôm phổ biến và được sử dụng rộng rãi vì nó kết hợp khả năng tăng cường độ bền dựa trên Mn đáng tin cậy với khả năng tạo hình xuất sắc, độ bền ăn mòn tốt và gia công thuận tiện ở dạng tấm và tấm mỏng. Sự cân bằng về tính chất cơ học, chất lượng bề mặt và hiệu quả chi phí làm cho nó trở thành lựa chọn thực tế cho các ứng dụng kim loại tấm kiến trúc, trang trí và tổng quát trong kỹ thuật hiện đại.