Aluminum ADC12: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

ADC12 là hợp kim nhôm chứa silic cao và đồng, thuộc nhóm hợp kim đúc và thường được tham chiếu theo tiêu chuẩn JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản) với ký hiệu ADC12. Nó không thuộc chuỗi hợp kim nhôm rèn 1xxx–7xxx, mà được mô tả chính xác nhất là hợp kim đúc Al-Si-Cu phát triển cho các ứng dụng đúc áp lực và đúc cát.

Thành phần hợp kim chính bao gồm silic (Si) với hàm lượng tương đối cao, đồng (Cu) ở mức vừa phải, cùng với sắt (Fe) và một lượng nhỏ mangan (Mn), magie (Mg), kẽm (Zn) cũng như các nguyên tố vi lượng như titan (Ti) và crôm (Cr). Hàm lượng silic cao tạo thành pha eutectic/silic nguyên phát cứng giúp tăng độ bền và khả năng chống mài mòn, trong khi đồng góp phần tăng cường độ cứng theo thời gian và độ bền ở nhiệt độ cao.

ADC12 chủ yếu được làm cứng nhờ sự kiểm soát cấu trúc vi mô (pha eutectic Si và các pha intermetallic) cùng cơ chế lão hóa kết tủa hạn chế từ các pha chứa Cu sau xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo. Hợp kim này có độ bền khi đúc tốt cho các chi tiết kết cấu nhẹ, khả năng chống ăn mòn vừa phải, dẫn nhiệt và dẫn điện hợp lý trong nhóm hợp kim cùng loại, cùng với độ gia công đạt yêu cầu; khả năng tạo hình và hàn có phần hạn chế so với các hợp kim nhôm rèn.

Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng ADC12 bao gồm ô tô (khuôn đúc, vỏ hộp, vỏ hộp số, giá đỡ), thiết bị gia dụng, vỏ hộp điện, và một số chi tiết đúc cho ngành hàng hải và công nghiệp nói chung. Kỹ sư thường chọn ADC12 khi cần vật liệu đúc áp lực tiết kiệm chi phí, cân bằng tốt giữa khả năng đúc, độ ổn định kích thước, cơ tính và khả năng gia công cho các chi tiết vừa phải về tải trọng và sản xuất hàng loạt lớn.

Biến thể trạng thái

Trạng thái	Mức độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
F (Như đúc/Như gia công)	Thấp–Trung bình	Thấp–Trung bình	Giới hạn	Kém–Trung bình	Điều kiện đúc áp lực tiêu chuẩn với lỗ rỗng và cấu trúc vi mô eutectic điển hình
O (Ướp annealed)	Thấp	Cao hơn	Cải thiện	Trung bình	Hiếm dùng với ADC12; độ dẻo tăng nhưng đánh đổi bền giảm
T5 (Lão hóa nhân tạo sau làm mát từ đúc)	Trung bình–Cao	Thấp–Trung bình	Giới hạn	Kém–Trung bình	Phổ biến cho các chi tiết đúc áp lực nhằm ổn định kích thước và tăng độ bền
T6 (Xử lý dung dịch + lão hóa nhân tạo)	Cao	Thấp	Kém	Kém	Đạt độ bền cao hơn nếu chi tiết có thể xử lý dung dịch và làm nguội nhanh hiệu quả
T4 (Xử lý dung dịch + lão hóa tự nhiên)	Trung bình	Thấp–Trung bình	Giới hạn	Kém	Ít phổ biến do khó đạt độ hòa tan dung dịch hoàn toàn với các chi tiết đúc phức tạp

Trạng thái nhiệt này đáng kể thay đổi hiệu suất cơ học và tính ứng dụng thực tế của chi tiết đúc. Các trạng thái như F và T5 là phổ biến nhất trong thực tiễn công nghiệp vì chúng cân bằng được độ ổn định kích thước, ứng suất còn lại và độ bền đạt được mà không cần xử lý nhiệt phức tạp cho cụm chi tiết lớn.

Khi áp dụng các trạng thái T6 hoặc dựa trên xử lý dung dịch, có thể cải thiện độ bền kéo và giới hạn chảy nhưng hiệu quả phụ thuộc mạnh vào độ dày tiết diện, mức độ rỗng và khả năng kiểm soát quá trình xử lý dung dịch và làm nguội; các chi tiết đúc áp lực mỏng tường có thể không đáp ứng đồng đều với xử lý T6.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	10.0 – 13.0	Nguyên tố hợp kim chính; tạo pha silic eutectic và pha cứng giúp tăng độ bền và khả năng chống mài mòn
Fe	0.6 – 1.3	Tạp chất tạo pha intermetallic; Fe quá nhiều làm giảm độ dẻo và tăng tính giòn
Mn	0.05 – 0.45	Điều khiển hình thái một số pha intermetallic; bổ sung nhỏ giúp tinh chỉnh cấu trúc hạt
Mg	0.05 – 0.45	Hàm lượng thấp; góp phần làm cứng dung dịch và đáp ứng lão hóa nhẹ
Cu	2.0 – 3.5	Kích thích hiện tượng lão hóa kết tủa và tăng độ bền ở nhiệt độ cao; làm giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	≤ 0.25	Thông thường là tạp chất nhỏ; hàm lượng Zn cao không phổ biến trong ADC12
Cr	≤ 0.10	Chất làm tinh chế cấu trúc hạt; hạn chế hiện tượng nứt nóng trong một số chi tiết đúc
Ti	≤ 0.20	Chất tinh chế hạt được sử dụng trong luyện chảy và sản xuất thỏi
Khác (Ni, Pb, Bi, Sr, Zr)	Cân bằng theo giới hạn cho phép	Bổ sung dưới dạng nguyên tố vi lượng hoặc tạp chất được kiểm soát theo quy định; nhôm (Al) chiếm > 85%

Thành phần hóa học ưu tiên Si và Cu làm điều kiện chủ đạo: silic tạo mạng lưới eutectic cứng và cải thiện tính chảy trong đúc, trong khi đồng cung cấp khả năng lão hóa kết tủa nhằm cải thiện độ bền sau xử lý nhiệt. Sắt và các tạp chất ảnh hưởng đến hình thái pha intermetallic, từ đó ảnh hưởng đến độ dẻo và khả năng chịu mỏi. Việc phối hợp hợp lý các nguyên tố giúp tối ưu hóa khả năng lấp khuôn, giảm hiện tượng nứt nóng và tạo ra cấu trúc vi mô gia công và lão hóa dự đoán được.

Tính chất cơ học

ADC12 thể hiện hành vi kéo phụ thuộc lớn vào phương pháp đúc, độ dày tiết diện, độ rỗng và xử lý nhiệt. Đúc áp lực ADC12 trong các trạng thái as-cast hoặc T5 thông thường có độ bền kéo từ trung bình đến cao so với hợp kim nhôm đúc (thường trong khoảng 200–300 MPa) với độ dẻo tương đối thấp so với hợp kim nhôm rèn. Cấu trúc vi mô giàu silic giòn hạn chế độ dãn dài, đặc biệt với tiết diện dày hơn nơi mà rỗng và co ngót ảnh hưởng.

Hành vi giới hạn chảy theo sát hiệu suất kéo; ADC12 có thể phát triển giới hạn chảy đáng kể ở trạng thái T5/T6 nhờ pha kết tủa chứa Cu và hiện tượng lão hóa vi cấu trúc. Độ cứng tăng khá nhiều khi chuyển từ trạng thái ủ sang lão hóa vì các pha Cu và silic tinh thể hóa phân bố đều trong ma trận. Hiệu suất chịu mỏi chịu ảnh hưởng bởi lỗi đúc và pha intermetallic; bề mặt, độ rỗng và xử lý nhiệt kiểm soát mạnh mẽ giới hạn chịu mỏi.

Độ dày tiết diện ảnh hưởng rõ nét do tốc độ làm nguội trong quá trình đông đặc kiểm soát kích thước hạt silic, mức độ rỗng và khả năng đạt xử lý dung dịch đồng nhất. Các tiết diện mỏng thường đạt độ bền cao hơn và rỗng ít hơn nhưng có thể dễ bị nứt nóng khi đúc.

Tính chất	O/Ướp annealed	Trạng thái chính (ví dụ T5/T6)	Ghi chú
Độ bền kéo (MPa)	120 – 160	200 – 300	Phạm vi rộng do quy trình đúc, mức rỗng và độ dày tiết diện
Giới hạn chảy (MPa)	60 – 110	160 – 240	Cao hơn trong trạng thái lão hóa có kết tủa Cu; giới hạn chảy thay đổi theo tiết diện và khuyết tật
Độ dãn dài (%)	4 – 10	1 – 6	Độ dãn giảm khi độ bền tăng; pha silic giòn giới hạn độ dẻo
Độ cứng (HB)	40 – 70	80 – 120	Độ cứng tăng khi lão hóa nhân tạo và xử lý dung dịch

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.75 – 2.80 g/cm³	Điển hình cho hợp kim nhôm đúc Al-Si; lợi thế về khối lượng so với thép
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	Solidus ~ 510 – 540 °C, Liquidus ~ 560 – 585 °C	Khoảng nhiệt độ nóng chảy/đông đặc rộng do thành phần hợp kim và pha eutectic
Độ dẫn nhiệt	~100 – 130 W/m·K	Thấp hơn nhôm nguyên chất nhưng đủ dùng cho nhiều ứng dụng tản nhiệt
Độ dẫn điện	~20 – 35 % IACS	Giảm do có Si và Cu so với nhôm tinh khiết
Nhiệt dung riêng	~0.88 – 0.92 J/g·K	Tương đương các hợp kim nhôm khác, dùng cho tính toán truyền nhiệt tạm thời
Hệ số giãn nở nhiệt	~22 – 24 µm/m·K	Hệ số giãn nở điển hình của nhôm; cần lưu ý khi thiết kế lắp ráp có dung sai chặt

Tính chất vật lý của ADC12 làm cho hợp kim này trở nên hấp dẫn khi cần ưu tiên nhẹ trọng lượng và khả năng đúc tốt. Lợi thế về mật độ cho phép tiết kiệm khối lượng so với vật liệu sắt thép trong khi độ dẫn nhiệt và điện mặc dù giảm so với nhôm nguyên chất vẫn phù hợp với vỏ bảo vệ và một số ứng dụng truyền nhiệt. Phạm vi nóng chảy và đặc tính đông đặc chi phối thiết kế khuôn đúc, hệ thống dẫn kim loại lỏng và chiến lược làm nguội trong quá trình đúc.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Điển Hình	Hành Vi Cơ Lực	Độ Tôi Thông Thường	Ghi Chú
Tấm	Sẵn có hạn chế; độ dày mỏng ít phổ biến	Không điển hình; tính chất thay đổi	O, T5 (nếu có sản xuất)	ADC12 rất hiếm khi cung cấp dưới dạng tấm cán nguội; tấm đúc có giới hạn về độ dẻo
Đĩa (Plate)	Hạn chế; chủ yếu là đĩa đúc	Thay đổi theo độ dày và xử lý nhiệt	O, T5/T6	Đĩa đúc dày có độ rỗng cao và độ dai va đập thấp hơn
Ép đùn	Không điển hình	Không áp dụng	Không áp dụng	ADC12 thường không dùng cho ép đùn; hợp kim cán được ưu tiên
Ống	Hạn chế (ống đúc hoặc chế tạo)	Thay đổi	O, T5	Dạng ống hiếm; thường được chế tạo bằng gia công thứ cấp
Thanh/Que	Thanh gia công từ thỏi; rèn hiếm	Dễ gia công khi vật liệu đặc	O, T5	Thường cung cấp dưới dạng đúc hoặc phôi gia công cho công đoạn tiếp theo

ADC12 chủ yếu được sản xuất dưới dạng chi tiết đúc áp lực và đúc cát thay vì dạng tấm, đĩa hoặc ép đùn truyền thống. Đúc áp lực cho phép tạo ra chi tiết vách mỏng, hình học phức tạp với dung sai chặt và bề mặt hoàn thiện phù hợp cho nhiều bộ phận công nghiệp. Gia công thứ cấp như tiện, xử lý nhiệt và hoàn thiện bề mặt thường được áp dụng để đáp ứng yêu cầu sản phẩm cuối cùng.

Sự khác biệt trong quá trình gia công liên quan trực tiếp đến tính phù hợp ứng dụng: đúc áp lực mang lại năng suất cao và độ phức tạp hình học; đúc cát có thể tạo chi tiết lớn hơn nhưng hiệu suất cơ học thấp hơn và độ rỗng cao hơn; hợp kim cán thường không dùng do thành phần và cấu trúc vi mô của ADC12 được tối ưu cho đúc.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA (Aluminum Association)	A383 / A413 (khoảng)	Hoa Kỳ	A383/A413 là hợp kim đúc Al-Si-Cu với thành phần và tính chất tương tự ADC12
EN AW	EN AC-AlSi12Cu1(Fe) (khoảng)	Châu Âu	Ký hiệu đúc Châu Âu tương ứng với khoảng 12% Si, ~1% Cu; giới hạn chính xác phụ thuộc từng tiêu chuẩn
JIS	ADC12	Nhật Bản	Tiêu chuẩn JIS dành cho hợp kim đúc áp lực cụ thể này
GB/T	ZL102 / AlSi12Cu (khoảng)	Trung Quốc	Các mác đúc Al-Si-Cu Trung Quốc tương tự nhưng khác biệt về kiểm soát tạp chất và nguyên tố vết

Định danh tương đương chỉ xấp xỉ phân loại theo nhóm thành phần chứ không phải bản sao hóa học chính xác. Khác biệt giữa các khu vực thường nằm ở giới hạn tạp chất cho phép, giới hạn Cu và Fe chính xác, và kiểm soát chất lượng quy trình (rỗng, độ sạch). Kỹ sư phải xem kỹ các tài liệu tiêu chuẩn và chứng nhận mẻ khi thay thế giữa JIS ADC12 và các mác tương đương khu vực để đảm bảo các yếu tố then chốt và tính chất cơ học tương thích.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

ADC12 cung cấp khả năng chống ăn mòn khí quyển trung bình, đặc trưng cho các hợp kim đúc Al-Si; màng oxit nhôm bảo vệ tự nhiên hình thành là hàng rào chính chống lại ăn mòn đều. Tuy nhiên, thành phần đồng làm giảm tính chống ăn mòn so với nhôm tinh khiết hoặc hợp kim nhôm 5xxx có Mg, đặc biệt trong môi trường chứa chloride gây ăn mòn từng điểm.

Trong môi trường biển hoặc có độ mặn cao, ADC12 có thể bị ăn mòn lỗ nhỏ và khe nứt, đặc biệt ở bề mặt đúc có rỗng hoặc tập trung các pha hợp kim giữa làm vị trí khởi đầu ăn mòn. Lớp phủ bảo vệ, chất bịt kín hoặc anod hóa (nếu khả thi) thường được dùng khi phải tiếp xúc với môi trường biển.

Chịu nứt ăn mòn dạng ứng suất không phải là nguyên nhân lỗi chính cho ADC12 trong đa số điều kiện làm việc, nhưng chi tiết chịu ứng suất kéo liên tục trong môi trường ăn mòn có thể bị suy giảm nhanh do pha chứa đồng. Hành vi điện hóa galvanic khiến ADC12 có thế điện cực anod so với nhiều kim loại kỹ thuật phổ biến; do đó, nên cách ly ADC12 ra khỏi vật liệu catốt như thép không gỉ hoặc điều chỉnh thiết kế để hạn chế tiếp xúc kim loại hai thành phần. So với các họ hợp kim cán 5xxx và 6xxx, ADC12 đánh đổi khả năng chống ăn mòn để có hiệu quả đúc và gia công tốt hơn.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn ADC12 nói chung khá khó khăn do cấu trúc vi mô đúc áp lực đặc trưng có nhiều lỗ rỗng và silicon eutectic gây rạn nứt nóng và thiếu liên kết mối hàn. Phương pháp hàn TIG và MIG có thể dùng sửa chữa hoặc gia công khi lượng rỗng thấp, nhưng nhiều kỹ thuật viên tránh hàn kết cấu hoàn toàn, thay bằng liên kết cơ học hoặc keo dán. Khi phải hàn, hợp kim que hàn Al-Si (ví dụ ER4043) thường được khuyến nghị để giảm rạn nứt nóng và tạo chuyển đổi kim loại thích hợp. Biện pháp tiền gia nhiệt, ghép khớp mối hàn tốt, và xử lý nhiệt sau hàn giúp giảm ứng suất dư và nguy cơ nứt, nhưng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) mềm và giảm tính toàn vẹn ở gần mối hàn vẫn là vấn đề.

Khả năng gia công

ADC12 được đánh giá là hợp kim đúc dễ đến rất dễ gia công vì các hạt silicon cứng giúp tạo phoi ngắn, dễ gãy và giảm sự tích tụ mạt dao. Dụng cụ cacbua phủ TiAlN hoặc tương tự với tốc độ tiện vừa phải là phổ biến; lượng ăn dao và chiều sâu cắt phụ thuộc độ dày và độ rỗng. Bề mặt hoàn thiện tốt với chi tiết đúc áp lực, tuy nhiên cần chú ý kiểm soát phần ba via và đường chạy dao tránh xé các vùng eutectic giòn. Sử dụng dung dịch làm mát làm giảm tạo bavia và kéo dài tuổi dụng cụ trong gia công khối lượng lớn.

Khả năng tạo hình

Gia công tạo hình giới hạn với ADC12 do cấu trúc vi mô nhiều silicon giòn và độ rỗng trong chi tiết đúc. Bán kính uốn phải lớn, và tạo hình nên thực hiện trên vật liệu đã tôi nguội (độ tôi O) nếu có, tuy nhiên ADC12 theo trạng thái tôi nguội hoàn toàn hiếm khi được cung cấp. Gia công nguội ít gia tăng độ cứng do biến dạng; do đó phương án tạo hình chủ yếu dựa trên thiết kế chi tiết đúc gần với hình dạng cuối thay vì biến dạng nhiều sau đúc.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

ADC12 có phản ứng hạn chế nhưng hữu ích với xử lý nhiệt, chủ yếu thông qua các bước xử lý dung dịch, làm nguội nhanh và già hóa nhân tạo tập trung vào các pha chứa đồng. Nhiệt độ xử lý dung dịch điển hình từ khoảng 480–535 °C để hòa tan các pha hòa tan, tiếp theo làm nguội nhanh giữ dung dịch rắn bão hòa quá mức; già hóa nhân tạo ở 150–200 °C sẽ tạo pha Cu giàu làm tăng giới hạn chảy và bền kéo. Việc đạt được xử lý dung dịch và làm nguội đều trong chi tiết đúc phức tạp, dày là khó khăn, do đó hiệu quả xử lý nhiệt thường rõ nhất ở chi tiết mỏng vách hoặc khối đặc có hình dạng thuận lợi cho xử lý nhiệt.

Trong nhiều ứng dụng sản xuất, ADC12 được xử lý theo kiểu T5—già hóa nhân tạo mà không có bước xử lý dung dịch đầy đủ—vì giúp ổn định kích thước và tăng cường độ vừa phải với rủi ro biến dạng thấp hơn. Xử lý hoàn toàn T6 có thể thực hiện được nhưng bị giới hạn bởi độ rỗng, khí bị kẹt đúc và nguy cơ biến dạng; khả năng làm cứng tổng thể cũng kém ấn tượng hơn so với các hợp kim cán nhôm tôi nhiệt có cường độ cao do ảnh hưởng lớn của lượng silicon eutectic. Với các chi tiết không qua xử lý nhiệt, độ cứng gia công thấp và tôi nguội truyền thống có thể tăng độ dẻo trong khi giảm độ bền cho các công đoạn tạo hình hạn chế.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

ADC12 giảm cường độ dần khi nhiệt độ tăng; trên khoảng 125–150 °C, độ bền cấu trúc lâu dài giảm rõ rệt do các pha kết tủa thô và ma trận mềm đi. Tiếp xúc nhiệt độ cao ngắn hạn đến 200–250 °C có thể chịu được tùy tải trọng và biên độ an toàn, nhưng không khuyến cáo chịu tải lâu dài ở nhiệt độ này cho chi tiết kết cấu. Quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao không quá nghiêm trọng do nhôm tạo lớp oxit bảo vệ, mặc dù có thể xảy ra suy thoái bề mặt và lớp vảy trong môi trường ăn mòn mạnh.

Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) gần mối hàn và vùng nhiệt xử lý có thể mềm đi hoặc giòn hơn tùy chu trình nhiệt; các pha intermetallic chứa đồng có xu hướng thô lớn hơn khi nhiệt độ cao kéo dài. Với ứng dụng nhiệt độ cao, nên xem xét các hợp kim thay thế (ví dụ Al-Si-Mg hoặc các hợp kim nhôm/nước khác chịu nhiệt cao) khi nhiệt độ làm việc vượt quá giới hạn thực tế của ADC12.

Ứng Dụng

Ngành Công Nghiệp	Ví Dụ Bộ Phận	Lý Do Sử Dụng ADC12
Ô tô	Vỏ hộp số, thân van, giá đỡ, nắp che	Dễ đúc áp lực cho hình học phức tạp, cân bằng giữa độ bền và khả năng gia công cho sản xuất hàng loạt
Thiết bị gia dụng	Vỏ motor, khung	Bề mặt hoàn thiện đẹp và kiểm soát kích thước tốt cho các chi tiết thẩm mỹ và chức năng
Điện tử	Vỏ bọc, đầu nối	Đáp ứng khả năng dẫn nhiệt và che chắn EMI hợp lý