Алюминий ADC12: состав, свойства, руководство по степеням твердости и области применения

Общий обзор

ADC12 — это алюминиевый сплав с высоким содержанием кремния и меди, относящийся к группе литейных сплавов и широко известный по японскому стандарту JIS как ADC12. Он не входит в систему обозначений поковочных сплавов серии 1xxx–7xxx и лучше всего характеризуется как алюминиево-кремниево-медный литейный сплав, разработанный для применения в литейном прессовании под давлением и пескоструйном литье.

Основными легирующими элементами являются кремний (Si) в относительно высоких концентрациях, медь (Cu) в умеренных количествах, железо (Fe) и небольшие добавки марганца (Mn), магния (Mg), цинка (Zn), а также следовые элементы, такие как титан (Ti) и хром (Cr). Высокое содержание кремния образует твёрдую эвтектическую/основную кремниевую фазу, которая обеспечивает прочность и износостойкость, в то время как медь способствует дополнительному старению и повышению прочности при повышенных температурах.

Усиление ADC12 происходит за счёт сочетания микроструктурного контроля (эвтектический кремний и интерметаллидные фазы) и ограниченного упрочнения за счёт выделения фаз, содержащих медь, после термообработки — растворно-отпускной обработки и искусственного старения. Сплав демонстрирует хорошую прочность в отливке для лёгких конструкционных элементов, умеренную коррозионную стойкость, разумную теплопроводность и электропроводность в своём классе, а также приемлемую обрабатываемость; пластичность и свариваемость более ограничены по сравнению с поковочными алюминиевыми сплавами.

Типичные отрасли применения ADC12 включают автомобилестроение (штампы, корпуса, коробки передач, кронштейны), бытовую технику, электротехнические корпуса, а также некоторые морские и общепромышленные литые компоненты. Инженеры выбирают ADC12, когда требуется экономичный литейный материал, который сочетает в себе хорошие литейные свойства, стабильность размеров, механическую прочность и обрабатываемость для среднетяжёлых высокообъёмных изделий.

Состояния прочности (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
F (как литой/сформированный)	Низкий–Средний	Низкий–Средний	Ограниченная	Плохая–Средняя	Стандартное состояние для литья под давлением с типичной пористостью и эвтектической микроструктурой
O (отожжен)	Низкий	Высокий	Улучшенная	Средняя	Редкое для ADC12; повышенная пластичность в ущерб прочности
T5 (искусственно выдержан после охлаждения от литья)	Средний–Высокий	Низкий–Средний	Ограниченная	Плохая–Средняя	Распространённое состояние для литых компонентов для стабилизации размеров и повышения прочности
T6 (растворно обработан + искусственное старение)	Высокий	Низкий	Плохая	Плохая	Обеспечивает максимальную прочность при возможности эффективного растворно-отпускного и закалочного процесса
T4 (растворно обработан + естественно выдержан)	Средний	Низкий–Средний	Ограниченная	Плохая	Меньше распространено из-за сложности полного растворно-отпускного процесса в сложных отливках

Состояние прочности существенно влияет на механические свойства и практическую применимость литых деталей. Состояния «как литой» и T5 наиболее распространены в промышленности, так как обеспечивают баланс между стабильностью размеров, остаточными напряжениями и достижимой прочностью без необходимости сложной термообработки крупных литых узлов.

При применении состояний типа T6 или растворно-отпускных достигается повышение предела прочности и предела текучести, однако результат сильно зависит от толщины сечения, пористости и возможности равномерного проведения растворно-отпускной обработки и закалки; тонкостенные литые детали могут не реагировать равномерно на обработку по T6.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	10.0 – 13.0	Основной легирующий элемент; формирует эвтектический кремний и твёрдые фазы, повышающие прочность и износостойкость
Fe	0.6 – 1.3	Примесь, образует интерметаллиды; избыток Fe снижает пластичность и увеличивает хрупкость
Mn	0.05 – 0.45	Регулирует морфологию интерметаллидов; небольшие добавки улучшают структуру зерна
Mg	0.05 – 0.45	Небольшие количества; способствует слабому упрочнению твёрдым раствором и реакции старения
Cu	2.0 – 3.5	Обеспечивает упрочнение при старении и высокую прочность при температуре; снижает коррозионную стойкость
Zn	≤ 0.25	Как правило, незначительная примесь; повышенное содержание Zn для ADC12 нехарактерно
Cr	≤ 0.10	Модификатор структуры зерна; снижает склонность к горячей трещинообразованию в некоторых отливках
Ti	≤ 0.20	Рефинер зерна, используемый при плавке и производстве слитков
Другие (Ni, Pb, Bi, Sr, Zr)	Баланс в пределах заданных норм	Следовые добавки или примеси, контролируемые по спецификации; алюминий обычно более 85%

Химический состав сплава определяет кремний и медь как ключевые факторы свойств: кремний создаёт твёрдую эвтектическую сеть и улучшает текучесть при литье, а медь обеспечивает дополнительное упрочнение при термообработке. Железо и другие примеси влияют на форму интерметаллидов, что сказывается на пластичности и усталостной стойкости. Легирование сбалансировано для оптимизации заполнения формы, минимизации горячих трещин и получения микроструктуры, предсказуемой при обработке и старении.

Механические свойства

Механические характеристики ADC12 сильно зависят от метода литья, толщины сечения, пористости и термообработки. Литой ADC12 в типичных состояниях «как литой» или T5 демонстрирует умеренно-высокое временное сопротивление разрыву для литого алюминия (обычно в диапазоне 200–300 MPa) при сравнительно низкой пластичности по сравнению с поковочными сплавами. Хрупкая природа кремниевой микроструктуры ограничивает относительное удлинение, особенно в более толстых сечениях, где пористость и усадочные дефекты играют роль.

Предел текучести следует за временным сопротивлением разрыву; в состояниях, близких к T5/T6, ADC12 может развивать значительный предел текучести за счёт выделений фаз, содержащих медь, и структурного старения. Твёрдость заметно возрастает при переходе от отожженного к старёному состоянию благодаря фазам Cu и более тонкой дисперсии кремниевых частиц. Усталостная прочность зависит от дефектов литья и интерметаллидов; поверхность, пористость и термообработка сильно влияют на предельные нагрузки при циклических напряжениях.

Толщина сечения оказывает существенное влияние, так как скорость охлаждения при кристаллизации контролирует размер кремниевых частиц, уровень пористости и возможность достижения равномерного растворно-отпускного состояния. Тонкие сечения обычно достигают большей прочности и меньшей пористости, но могут быть более склонны к горячим трещинам при литье.

Характеристика	O/Отожженный	Основное состояние (например, T5/T6)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (MPa)	120 – 160	200 – 300	Широкий диапазон из-за метода литья, пористости и толщины сечения
Предел текучести (MPa)	60 – 110	160 – 240	Выше в старённых состояниях с выделениями меди; зависит от сечения и дефектов
Относительное удлинение (%)	4 – 10	1 – 6	Удлинение снижается с ростом прочности; хрупкие кремниевые фазы ограничивают пластичность
Твёрдость (HB)	40 – 70	80 – 120	Увеличивается при искусственном старении и растворно-отпускной обработке

Физические свойства

Характеристика	Значение	Примечания
Плотность	2.75 – 2.80 г/см³	Типично для алюминиево-кремниевых литейных сплавов; преимущество по массе по сравнению со сталью
Температура плавления	Солидус ~ 510 – 540 °C, ликвидус ~ 560 – 585 °C	Широкий интервал плавления/затвердевания из-за состава и эвтектики
Теплопроводность	~100 – 130 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но достаточна для многих тепловых приложений
Электропроводность	~20 – 35 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за Si и Cu
Удельная теплоёмкость	~0.88 – 0.92 Дж/г·К	Сопоставимо с другими алюминиевыми сплавами для расчётов тепловых режимов
Коэффициент теплового расширения	~22 – 24 µm/m·K	Типичен для алюминия; учитывать при проектировании узлов с точными допусками

Физические свойства ADC12 делают его привлекательным материалом там, где важны снижение массы и хорошие литейные характеристики. Преимущество плотности позволяет снизить массу конструкций по сравнению с ферросплавами, а теплопроводность и электропроводность, хотя и ниже, чем у чистого алюминия, остаются полезными в корпусах и некоторых тепловых приложениях. Диапазон плавления и особенности затвердевания определяют проектирование пресс-форм, системы подачи расплава и методы охлаждения в процессе литья.

Формы изделий

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния упрочнения	Примечания
Лист	Ограниченная доступность; тонкие толщины встречаются редко	Не типично; свойства варьируются	O, T5 (если производится)	ADC12 редко поставляется в виде холоднокатаных листов; листы, полученные отливкой, имеют ограниченную пластичность
Плита	Ограниченно; обычно литые плиты	Зависит от толщины и термообработки	O, T5/T6	Толстые литые плиты имеют повышенную пористость и меньшую вязкость
Экструзия	Не типично	—	—	ADC12 обычно не применяется для экструзии; предпочтительны деформируемые сплавы
Труба	Ограниченно (литые или изготовленные трубы)	Варьируется	O, T5	Трубные формы редки; изготовление часто происходит вторичной обработкой
Пруток/Круг	Механически обработанные прутки из слитков; поковки редки	Хорошая обрабатываемость при цельном материале	O, T5	Чаще всего поставляется как отливки или механически обработанные заготовки для дальнейших операций

ADC12 преимущественно производится как компоненты литья под давлением и песчаного литья, а не как традиционные листы, плиты или профили. Литьё под давлением обеспечивает тонкостенные, сложные геометрии с точными размерами и поверхностной отделкой, подходящие для многих промышленных деталей. Часто применяются вторичные операции, такие как механическая обработка, термообработка и обработка поверхности для достижения требований к конечному изделию.

Особенности технологической обработки напрямую отражают пригодность для применения: литьё под давлением обеспечивает высокую производительность и геометрическую сложность; песчаное литьё позволяет получать крупногабаритные детали, но с меньшими механическими характеристиками и большей пористостью; к деформируемым способам изготовления сплава ADC12 обычно не прибегают из-за оптимизации состава и микроструктуры именно для литья.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA (Aluminum Association)	A383 / A413 (примерно)	США	A383/A413 — алюминиево-кремниево-медные литейные сплавы с составом и свойствами, в целом аналогичными ADC12
EN AW	EN AC-AlSi12Cu1(Fe) (примерно)	Европа	Европейское литейное обозначение соответствует семейству ~12% Si, ~1% Cu; точные пределы зависят от спецификаций
JIS	ADC12	Япония	Стандартное обозначение JIS для данного сплава под давлением
GB/T	ZL102 / AlSi12Cu (примерно)	Китай	Китайские литейные Al-Si-Cu сплавы схожи, но отличаются по контролю примесей и следовых элементов

Эквивалентные обозначения приблизительно отражают семейство состава, а не являются точными химическими аналогами. Отличия между регионами обычно связаны с допустимыми примесями, точными пределами Cu и Fe, а также контролем качества технологического процесса (пористость, чистота). Инженерам следует внимательно изучать стандарты и сертификаты партии при замене JIS ADC12 на региональные аналоги, чтобы гарантировать соответствие критическим элементам и механическим свойствам.

Коррозионная стойкость

ADC12 обеспечивает умеренную атмосферную коррозионную стойкость, типичную для литейных алюминиево-кремниевых сплавов; природно образующаяся защитная плёнка оксида алюминия обеспечивает основную защиту от равномерной коррозии. Тем не менее наличие меди снижает коррозионную стойкость по сравнению с почти чистым алюминием или магниевыми сплавами серии 5xxx, особенно в средах с хлоридами, где возможна локальная ячеистая коррозия.

При морском или высокосолевом воздействии на ADC12 могут развиваться питтинговая и щелевая коррозия, особенно на литых поверхностях с пористостью или интерметаллидами, служащими очагами коррозии. Для защиты в таких условиях часто применяются покрытия, герметики или анодирование (где возможно).

Распространённое коррозионное растрескивание под напряжением не является основным видом отказа ADC12 при большинстве условий эксплуатации, однако детали, находящиеся под постоянным растягивающим напряжением в агрессивных средах, могут подвергаться ускоренной локальной деградации из-за фаз, содержащих медь. При гальваническом контакте ADC12 является анодным по отношению ко многим инженерным металлам; рекомендуется изолировать его от катодных материалов, таких как нержавеющая сталь, или минимизировать площадь биметаллического контакта. По сравнению с деформируемыми алюминиевыми сплавами серий 5xxx и 6xxx, ADC12 жертвует частью коррозионной стойкости ради литейных свойств и обрабатываемости.

Технологичность

Свариваемость

Сварка ADC12 представляет сложности из-за наличия пористости и эвтектического кремния в типичной микроструктуре литья под давлением, что способствует горячим трещинам и недостаточному сплавлению. TIG и MIG сварка применимы для ремонта или изготовления при низкой пористости, но часто предпочтительнее использовать механические соединения или клеевые соединения. При сварке рекомендуется применять алюминиево-кремниевые присадочные материалы (например, ER4043) для снижения риска горячих трещин и обеспечения совместимости микроструктур. Предварительный подогрев, качественная подгонка соединений и постсварочная термообработка уменьшают остаточные напряжения и риск трещин, но зона термического влияния (ЗТВ) остаётся уязвимой к размягчению и снижению прочности.

Обрабатываемость

ADC12 считается хорошим и даже отличным в обработке сплавом за счёт твёрдых частиц кремния, которые способствуют образованию коротких и ломких стружек и снижают образование нароста на режущем инструменте. Типично применение твёрдосплавного инструмента с покрытиями TiAlN или аналогичными при умеренных скоростях точения; подача и глубина реза зависят от толщины сечения и пористости. Поверхность после обработки обычно хорошая, но необходим контроль за образованием заусенцев и выбор правильной стратегии обработки, чтобы избежать разрушения хрупких эвтектических зон. Использование СОЖ уменьшает нарост и увеличивает ресурс инструмента при массовой обработке.

Формуемость

Формовка ADC12 ограничена из-за хрупкости кремниевого насыщения микроструктуры и наличия пористости в литых деталях. Радиусы гиба должны быть достаточно большими, а формовка предпочтительно проводится на отожжённом (O) состоянии материала, хотя полностью отожжённый ADC12 редко доступен. Холодное деформирование даёт небольшой эффект упрочнения, поэтому обычно применяются методы проектирования отливок ближе к конечной форме, а не значительные деформации после литья.

Поведение при термообработке

ADC12 демонстрирует ограниченный, но полезный эффект термообработки, в основном за счёт растворения, закалки и искусственного старения, которые воздействуют на осадки, содержащие медь. Типичные температуры растворения составляют 480–535 °C для растворения растворимых фаз с последующим быстрым охлаждением для сохранения пересыщенного твердого раствора; искусственное старение при 150–200 °C приводит к осаждению упрочняющих медьсодержащих фаз, повышающих предел текучести и временное сопротивление разрыву. Обеспечить равномерное нагревание и охлаждение в сложных толстостенных отливках трудно, поэтому эффект термообработки наиболее выражен в тонкостенных или цельных деталях с оптимизированной геометрией.

Для многих производственных применений применяют обработку по типу T5 — искусственное старение без полной растворяющей закалки — что обеспечивает стабильность размеров и умеренный рост прочности с меньшим риском деформаций. Полное состояние T6 возможно, но на практике ограничено пористостью, газонаполненностью и возможными деформациями; эффект упрочнения менее выражен по сравнению с высокопрочными деформируемыми сплавами из-за доминирующего влияния эвтектического кремния. Для необработанных термически материалов упрочнение за счёт деформации минимально, а традиционный отжиг повышает пластичность и снижает прочность для ограниченных операций формообразования.

Работа при повышенных температурах

ADC12 постепенно теряет прочность с ростом температуры; при температуре выше примерно 125–150 °C длительная прочность заметно снижается из-за коагуляции осадков и размягчения матрицы. Кратковременное воздействие при температуре 200–250 °C возможно в зависимости от нагрузки и допустимых запасов прочности, но длительная эксплуатация при таких температурах для конструкционных деталей не рекомендуется. Окисление при повышенной температуре невелико благодаря образованию защитного оксидного слоя, хотя поверхностное разрушение и образование окалины могут происходить в агрессивных средах.

Зона термического влияния вблизи сварных швов и областей термообработки может проявлять размягчение или хрупкость в зависимости от тепловых циклов; интерметаллические фазы с медью склонны к коагуляции при длительном нагреве. Для работы при высоких температурах следует рассматривать альтернативные сплавы (например, Al-Si-Mg или специальные высокотемпературные алюминиевые и нехрупкие сплавы), если рабочие температуры превышают возможности ADC12.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Причина применения ADC12
Автомобильная промышленность	Корпуса коробок передач, корпуса клапанов, кронштейны, крышки	Отличная литейная способность для сложных геометрий, баланс прочности и обрабатываемости для массового производства
Бытовая техника	Корпуса электродвигателей, каркасы	Хорошая поверхность и точность размеров для эстетичных и функциональных деталей
Электроника	Корпуса, разъёмы	Достаточная теплопроводность и защита от электромагнитных помех