Nhôm AlSi10: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt xử lý & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

AlSi10 là hợp kim nhôm - silic đúc thuộc dòng Al-Si, thường được tham chiếu là thành phần Al-Si hypoeutectic đến gần eutectic với khoảng 10 wt% silic. Nó thường được phân loại theo tiêu chuẩn hợp kim đúc thay vì các series hợp kim cán 1xxx–7xxx; trong các tài liệu thường dùng ký hiệu EN AC-AlSi10 hoặc các ký hiệu đúc tương đương ở các khu vực thay vì các ký hiệu hợp kim cán AA 2xxx/6xxx.

Nguyên tố hợp kim chiếm ưu thế là silic, kiểm soát hành vi đông đặc, tính lưu động và đặc tính chống mài mòn; các thành phần nhỏ Fe, Cu, Mn, Mg, Ti và các nguyên tố vi lượng điều chỉnh độ bền, khả năng đúc và đáp ứng xử lý nhiệt. Sự tăng cường cơ tính là sự kết hợp kiểm soát cấu trúc vi mô khi đúc (hạt silic eutectic và cấu trúc nền nhôm), với khả năng làm cứng do kết tủa nếu có đủ Mg (ví dụ các biến thể AlSi10Mg) và áp dụng các chu trình xử lý dung dịch + tôi già phù hợp.

Đặc điểm chính của AlSi10 bao gồm khả năng đúc xuất sắc và độ co ngót thấp, dẫn nhiệt tốt trong nhóm hợp kim nhôm, chống ăn mòn trung bình đến tốt trong nhiều môi trường, và nói chung có tính hàn tốt trong nhiều dạng khi kiểm soát được độ rỗ khí. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, đồ gá, đúc áp lực thấp và cao, sản xuất bổ sung (SLM/EBM) và các sản phẩm tiêu dùng cần cân bằng giữa độ chính xác đúc, độ ổn định kích thước và hiệu suất cơ học hợp lý.

Kỹ sư lựa chọn AlSi10 khi ưu tiên tính lưu động, khả năng đúc thành mỏng, quản lý nhiệt và giảm lỗi đúc, hoặc khi các chi tiết gia công bổ sung cần ma trận giàu silic để ổn định nhiệt và giảm biến dạng. Nó được chọn thay thế các hợp kim cán có cường độ cao hơn khi hình học đúc gần tới hình dạng cuối phức tạp, chi phí công cụ thấp hơn hoặc cải thiện đặc tính nhiệt vượt trội hơn yêu cầu cường độ kéo tuyệt đối hay khả năng tạo hình sâu rộng.

Biến thể nhiệt luyện

Biến thể	Cấp độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Tính hàn	Ghi chú
O (Ủ mềm)	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Giảm ứng suất, trạng thái mềm nhất cho các biến thể có thể xử lý nhiệt
As-cast (đúc nguyên trạng)	Thấp–Trung bình	Thấp–Trung bình	Giới hạn	Tốt (khi kiểm soát)	Điều kiện giao hàng điển hình từ quá trình đúc; phụ thuộc cấu trúc vi mô
T5 (Tôi già nhân tạo sau làm nguội)	Trung bình	Thấp	Giới hạn	Tốt	Phổ biến cho đúc và chi tiết in 3D (AM) để tăng cường độ mà không cần xử lý dung dịch
T6 (Xử lý dung dịch + tôi già nhân tạo)	Cao	Thấp–Trung bình	Kém	Tốt	Áp dụng chủ yếu khi có Mg; tăng cường độ đáng kể
T7 (Tôi già quá mức / ổn định)	Trung bình	Trung bình	Giới hạn	Tốt	Cải thiện độ ổn định kích thước và độ dai với đánh đổi một phần độ bền

Trạng thái nhiệt luyện ảnh hưởng mạnh đến sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo của AlSi10, với các xử lý kiểu T6 (khi có Mg) làm tăng giới hạn chảy và cường độ kéo tối đa nhưng giảm độ dãn dài. Cấu trúc vi mô khi đúc, tốc độ làm nguội và xử lý nhiệt tiếp theo (hoặc không xử lý) là những yếu tố chính để điều chỉnh hiệu suất; sự có mặt và hàm lượng Mg quyết định hiệu quả của quá trình làm cứng kết tủa.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	9.0 – 11.0	Nguyên tố hợp kim chính kiểm soát tỷ lệ eutectic, lưu động, dẫn nhiệt
Fe	0.2 – 0.8	Tạp chất tạo intermetallic (β-Al5FeSi) làm giảm độ dẻo
Mn	0.05 – 0.45	Điều chỉnh hình thái của intermetallic Fe khi có mặt với hàm lượng nhỏ
Mg	0.0 – 0.45	Nếu >0.2, hỗ trợ làm cứng kết tủa (đáp ứng T6)
Cu	0.02 – 0.3	Tăng độ bền nhưng có thể giảm khả năng chống ăn mòn nếu hàm lượng cao
Zn	0.02 – 0.2	Nhỏ; thường giữ thấp để tránh ảnh hưởng tiêu cực
Cr	0.01 – 0.2	Chỉnh sửa cấu trúc hạt theo một số tiêu chuẩn
Ti	0.01 – 0.2	Chế tạo hạt tinh cho đúc và luyện kim phôi
Khác	Phần còn lại là Al; tạp chất vi lượng	Tạp chất còn lại (Ni, Co, Pb) được kiểm soát tối thiểu theo tiêu chuẩn

Silicon quyết định cấu trúc vi mô (kích thước hạt Si eutectic, hình thái và phân bố) và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất đúc, khả năng chống mài mòn và các đặc tính nhiệt. Sắt và mangan ảnh hưởng đến sự hình thành các intermetallic giòn; kiểm soát hàm lượng và sự biến tính (ví dụ Sr để biến tính silic) cải thiện độ dẻo và khả năng gia công. Có Mg biến AlSi10 thành biến thể có thể xử lý nhiệt (AlSi10Mg), trong đó xử lý dung dịch và tôi già mang lại độ bền cao hơn nhờ kết tủa Mg2Si.

Đặc tính cơ học

Hành vi kéo của AlSi10 phụ thuộc nhiều vào phương pháp đúc, độ dày tiết diện và xử lý nhiệt. Vật liệu đúc nguyên trạng thường thể hiện sự cân bằng giữa dẻo và giòn do kích thước và hình thái silic eutectic cùng độ rỗ khí; biến thể AlSi10Mg xử lý T6 tăng đáng kể giới hạn chảy và cường độ tối đa nhưng giảm độ dãn dài. Độ bền mỏi bị giới hạn bởi khuyết tật đúc và điều kiện bề mặt; sự hiện diện của rỗ khí, hốc co ngót hoặc intermetallic Fe thô làm giảm nghiêm trọng tuổi thọ mỏi so với hợp kim cán.

Giới hạn chảy trong điều kiện đúc nguyên trạng ở mức trung bình và rất nhạy với độ dày tiết diện; tiết diện mỏng nguội nhanh hơn thường có giới hạn chảy và cường độ kéo cao hơn. Độ cứng dao động theo biến thể nhiệt luyện: ủ mềm/đúc nguyên trạng có độ cứng thấp, trong khi tôi già nhân tạo T5/T6 làm tăng độ cứng đáng kể. Xử lý bề mặt, nén đẳng áp nóng (HIP) hoặc gia công loại bỏ khuyết tật bề mặt giúp cải thiện tính mỏi và khả năng chịu biến dạng chu kỳ.

Thuộc tính	O/Ủ mềm	Biến thể chính (ví dụ T6)	Ghi chú
Độ bền kéo (UTS)	120 – 200 MPa	240 – 320 MPa (AlSi10Mg T6)	Biến thiên lớn do phương pháp đúc, kích thước tiết diện, độ rỗ khí và hàm lượng Mg
Giới hạn chảy (0.2% proof)	60 – 130 MPa	150 – 250 MPa	T6 tăng mạnh giới hạn chảy; đúc nguyên trạng phụ thuộc tiết diện
Độ dãn dài (A%)	3 – 12%	2 – 8%	Độ dẻo thấp hơn ở T6; tốt hơn khi ủ mềm/đúc nguyên trạng với cấu trúc vi mô mịn
Độ cứng (HB)	40 – 80 HB	70 – 120 HB	Độ cứng tương quan với mức độ làm cứng kết tủa và hình thái Si

Đặc tính vật lý

Thuộc tính	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.68 g/cm³	Đặc trưng cho hợp kim đúc Al–Si; cao hơn nhôm nguyên chất do hàm lượng Si
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~577 – 640 °C	Phản ứng đông đặc eutectic bắt đầu gần 577 °C; phạm vi nóng chảy tùy thuộc thành phần tại chỗ
Độ dẫn nhiệt	~120 – 150 W/m·K	Thấp hơn nhôm nguyên chất; các hạt Si giảm dẫn nhiệt nhưng vẫn tốt cho tản nhiệt/ứng dụng nhiệt
Độ dẫn điện	~30 – 38 % IACS	Giảm so với nhôm nguyên chất; phù hợp cho các chi tiết đúc dẫn điện nhưng không đạt cấp dẫn điện cao
Nhiệt dung riêng	~0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	Giá trị điển hình của nhôm gần nhiệt độ phòng
Hệ số giãn nở nhiệt	22 – 24 µm/m·K	Hệ số giãn nở tương tự các hợp kim nhôm khác; cần xem xét hàm lượng Si cho hành vi composite

AlSi10 giữ lại lợi thế dẫn nhiệt hữu ích và mật độ thấp của nhôm trong khi hàm lượng silic làm giảm độ dẫn nhiệt so với nhôm nguyên chất nhưng cải thiện sự ổn định nhiệt và khả năng chống mài mòn. Hành vi nóng chảy/đông đặc – phản ứng eutectic – chi phối kỹ thuật đúc và ảnh hưởng đến các chiến lược kiểm soát cấu trúc vi mô như biến tính và tinh luyện hạt. Độ dẫn điện đủ dùng cho nhiều ứng dụng dẫn điện phụ trợ nhưng không cạnh tranh với nhôm tinh khiết cao trong truyền tải điện năng.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước tiêu biểu	Tính chất cơ học	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm mỏng	Hiếm; chỉ có đúc mỏng giới hạn	Tính chất theo trạng thái đúc hoặc đã xử lý nhiệt tự nhiên	As-cast / T5	Tấm mỏng đúc thành mỏng khả thi bằng phương pháp ép khuôn áp lực hoặc AM; không phổ biến dạng cán
Tấm dày	2 – 200 mm (đúc)	Ảnh hưởng theo tiết diện; tiết diện dày giảm độ bền	As-cast / T6 (nếu có Mg)	Tấm đúc khuôn cát và khuôn cố định dùng cho kết cấu đúc
Đùn (Extrusion)	Hạn chế	Không phổ biến; đùn rèn chỉ có ở hợp kim đặc biệt	Không áp dụng	AlSi10 chủ yếu dùng làm hợp kim đúc; đùn dùng hợp kim khác như 6063
Ống	Phần đúc hoặc đúc khuôn áp lực	Phụ thuộc kỹ thuật đúc	As-cast / T5	Ống mỏng đúc được bằng khuôn áp lực hoặc casting đầu tư; AM cho phép tạo các kênh phức tạp
Thanh / Que	Thanh đúc hoặc phôi đúc	Dùng làm nguyên liệu đầu vào và phôi rèn	As-cast	Thường được tái luyện chảy hoặc gia công tiếp cho các phương pháp sản xuất đặc thù

AlSi10 chủ yếu được cung cấp và sử dụng dưới dạng đúc: khuôn cát, khuôn áp lực, khuôn cố định, casting đầu tư và ngày càng nhiều dạng bột cho sản xuất phụ gia (AM). Tính chất cơ học và độ nhạy với khuyết tật thay đổi nhiều giữa các dạng sản phẩm do tốc độ làm nguội khác nhau; sản phẩm đúc khuôn áp lực và AM nguội nhanh hơn tạo cấu trúc vi mô mịn hơn, dẫn đến độ bền as-built cao hơn. Dạng rèn (đùn/cán) không phổ biến; thiết kế nên ưu tiên hợp kim rèn khác nếu yêu cầu biến dạng nguội nhiều.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi chú
EN	AC-AlSi10	Châu Âu	Chỉ định tiêu chuẩn cho hợp kim nhôm đúc chứa gần 10% Si
AA / ASTM	AlSi10 (xấp xỉ)	Hoa Kỳ	Không phải mã AA chính xác; A356 và A357 là các biến thể Si thấp có Mg tương tự
JIS	ADC10 (xấp xỉ)	Nhật Bản	ADC10 và ADC12 là hợp kim đúc khuôn áp lực với hàm lượng Si tương tự nhưng khác về Cu/Mg
GB/T	AlSi10	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc liệt kê các mác đúc AlSi10 với thành phần tương đương

Các tương đương chỉ mang tính tham khảo do tiêu chuẩn vùng điều chỉnh nguyên tố vết và tạp chất cho quy trình đúc riêng biệt (ép khuôn áp lực hoặc đúc cát). Hợp kim die-cast dòng ADC và EN AC-AlSi10 có hàm lượng Si gần nhau nhưng khác mức Cu hoặc Mg; sự khác biệt này ảnh hưởng khả năng xử lý nhiệt và tính chống ăn mòn. Luôn tham khảo thông số kỹ thuật tiêu chuẩn để biết giới hạn kéo và hóa học khi thay thế giữa các mác khu vực.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

AlSi10 nói chung có khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt nhờ lớp oxit nhôm bảo vệ; silicon bản thân là chất trơ, không làm tăng tốc độ ăn mòn đều đáng kể. Ăn mòn cục bộ có thể xảy ra tại các pha liên kim giàu Fe và khuyết tật đúc tạo điểm vi-điện cực; bề mặt có lỗ rỗng hoặc hoàn thiện kém dễ bị ăn mòn dạng đục lỗ, đặc biệt trong môi trường chứa chloride.

Trong môi trường biển hoặc nhiều chloride, AlSi10 chống chịu ở mức trung bình nhưng không bền bằng hợp kim magnesium dòng 5xxx có tính hi sinh; pitting do chloride là vấn đề chính và thường phải phủ bảo vệ hoặc anode hóa. Độ nhạy nứt ăn mòn ứng suất (SCC) thấp so với hợp kim Al-Zn-Mg cường độ cao, nhưng ứng suất kéo tồn dư cùng các vết pitting có thể phối hợp gây nứt mỏi; thiết kế hợp lý và xử lý sau đúc giúp giảm rủi ro.

Tương tác điện hóa tuân theo tính chất nhôm: AlSi10 ăn mòn anod khi tiếp xúc điện với kim loại quý hơn như thép không gỉ hoặc đồng trong môi trường điện giải dẫn điện. So với hợp kim rèn cứng làm việc dòng 3xxx/5xxx, AlSi10 đánh đổi một phần độ bền chống ăn mòn lấy lợi ích đặc thù của đúc; so với hợp kim xử lý nhiệt cường độ cao (7xxx), AlSi10 bền chống ăn mòn hơn, ít nhạy SCC hơn nhưng thường có độ bền cơ học tối đa thấp hơn.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn AlSi10 có thể thực hiện được bằng TIG và MIG cho sửa chữa hoặc ghép nối đúc, nhưng porosity và nứt nóng là vấn đề chính. Làm nóng trước ở nhiệt độ vừa phải, kiểm soát nguồn hydrogen và sử dụng loại que hàn phù hợp (thường là que hàn Al-Si như ER4043 hoặc AlSi5) giúp giảm nứt và nâng cao chất lượng đường hàn. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) thường ít bị mềm hóa so với hợp kim dễ xử lý nhiệt mạnh, nhưng biến đổi cục bộ về hình thái silicon và porosity có thể ảnh hưởng cơ học vùng hàn.

Khả năng gia công cơ khí

Gia công AlSi10 ở mức trung bình: sự hiện diện của các hạt silicon eutectic cứng làm tăng mài mòn dụng cụ và tạo điều kiện cắt mài mòn so với nhôm tinh khiết. Thiết bị dụng cụ carbide có rãnh đánh bóng, góc cắt dương và làm mát được khuyến nghị để kéo dài tuổi thọ dụng cụ và bề mặt hoàn thiện. Vụn cắt có xu hướng hình thành không liên tục; tốc độ và bước tiến ổn định tránh mạt bám và giảm rung động giúp cải thiện bề mặt và kiểm soát kích thước.

Khả năng tạo hình

Gia công nguội AlSi10 rất hạn chế do là hợp kim đúc với độ dẻo thấp ở hầu hết các trạng thái; uốn, dập sâu và dập khuôn thường không khả thi. Phương pháp tạo hình hiệu quả nhất là đúc gần thành phẩm, gia công cơ khí hoặc tạo hình nhiệt cục bộ trên phôi đúc chuẩn bị đặc biệt. Khi cần biến dạng một ít, có thể sử dụng điều kiện ủ mềm và phương pháp tạo hình nhiệt độ cao, nhưng thiết kế thường ưu tiên các hợp kim rèn khác nếu yêu cầu tạo hình sâu rộng.

Tính Chất Xử Lý Nhiệt

Khi có Mg vượt mức ngưỡng (AlSi10Mg), AlSi10 đáp ứng tốt cho các chu trình xử lý nhiệt cổ điển: giải nhiệt ở khoảng 520–540 °C hòa tan các pha Mg và đồng nhất cấu trúc vi mô, sau đó làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo (thường 150–200 °C) để kết tủa Mg2Si và đạt cấp độ cứng T6 hoặc T5. Mạng silic và các hạt eutectic thô hạn chế cường độ tối đa so với hợp kim Al-Mg-Si rèn, nhưng xử lý T6 cải thiện đáng kể cả giới hạn chảy và bền kéo cho chi tiết đúc và AM.

Biến thể as-cast và không xử lý nhiệt dựa vào cấu trúc đông đặc và khả năng làm cứng biến dạng để đạt độ bền. Chu trình ủ được dùng để giảm ứng suất dư và làm mềm vật liệu cho gia công sau đúc hạn chế, thường là ủ dưới nhiệt hoặc giảm ứng suất. Gia công quá lão (T7) cải thiện ổn định kích thước và độ dai cho chi tiết cần chịu nhiệt độ làm việc.

Chu trình giải nhiệt và lão hóa cần phối hợp chặt chẽ với kích thước tiết diện đúc và sự hiện diện lỗ rỗng; làm nguội chậm hoặc làm nguội không đủ nhanh gây ra kết tủa to và giảm hiệu quả gia cường. Ép đẳng tĩnh nóng (HIP) thường được sử dụng trước lão hóa trong thành phần yêu cầu chất lượng cao để đóng kín lỗ rỗng trong và tăng độ bền mỏi trước khi tôi luyện hoàn thiện.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

AlSi10 giảm dần độ bền khi tăng nhiệt độ; giới hạn làm việc liên tục thực tế thường ở khoảng 100–150 °C cho ứng dụng kết cấu, với khả năng chịu ngắn hạn đến ~200 °C tùy trạng thái. Cấu trúc giàu silic giúp ổn định kích thước tốt hơn ở nhiệt độ cao so với nhiều hợp kim nhôm mềm khác, nhưng độ bền từ kết tủa (nếu có) sẽ giảm khi nhiệt độ cao và do quá lão hóa.

Quá trình oxi hóa trên không khí bị giới hạn bề mặt nhờ lớp Al2O3 bảo vệ, nên tốc độ oxi hóa nhỏ ở nhiệt độ làm việc thông thường, nhưng thời gian tiếp xúc lâu ở nhiệt độ cao thúc đẩy kết cấu thô và làm mềm vật liệu. Vùng ảnh hưởng nhiệt trong hàn hoặc vùng bị nhiệt đỉnh cục bộ có thể bị giòn hoặc giảm dẻo do kết cấu silicon thô lại và phát triển lỗ rỗng.

Ứng dụng

Ngành công nghiệp	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng AlSi10
Ô tô	Giá đỡ động cơ, họng hút, vỏ bọc	Khả năng đúc tuyệt vời, giữ được độ mỏng thành, hiệu suất nhiệt tốt
Hàng hải	Vỏ bọc không chịu lực, chi tiết bơm	Khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt và dễ đúc hình khối phức tạp
Hàng không vũ trụ	Giá đỡ, ống dẫn, vỏ bọc chịu tải thấp	Mật độ thấp và ổn định kích thước cho các chi tiết đúc hoặc in 3D có hình dạng phức tạp
Điện tử	Tản nhiệt, bộ phân phối nhiệt	Độ dẫn nhiệt tốt và dễ tạo các kênh làm mát phức tạp
Sản xuất phụ gia / Dụng cụ	Chèn làm mát phù hợp, mẫu thử	Độ chính xác cao trong SLM/EBM, cấu trúc vi mô mịn, phản ứng tốt với xử lý nhiệt sau in

AlSi10 được ưa chuộng khi cần các chi tiết phức tạp, gần với hình dạng cuối cùng, yêu cầu khả năng truyền nhiệt và độ bền cơ học vừa phải. Việc ứng dụng rộng rãi trong công nghệ sản xuất phụ gia và đúc áp lực dựa trên cấu trúc vi mô ổn định, hiệu suất nhiệt tốt và khả năng sản xuất các chi tiết nhẹ một cách kinh tế.

Gợi ý lựa chọn

Đối với lựa chọn tổng quát, hãy chọn AlSi10 khi yếu tố chính trong thiết kế là khả năng đúc, kiểm soát kích thước và dẫn nhiệt, cũng như khi hình dạng chi tiết phù hợp với phương pháp gia công gần với hình dạng cuối cùng. Chi tiết có thể đạt cường độ tĩnh vừa phải và khả năng tạo hình giới hạn; nên chọn biến thể T6 (nếu là AlSi10Mg) khi cần độ bền cao hơn và kiểm soát tốt độ xốp cho các chi tiết chịu mỏi quan trọng.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), AlSi10 đánh đổi một phần khả năng dẫn điện và nhiệt cũng như khả năng tạo hình để đạt cường độ đúc cao hơn đáng kể và khả năng đúc tốt hơn nhiều. So với các hợp kim làm cứng kỹ thuật như 3003 hoặc 5052, AlSi10 thường cung cấp cường độ đặc trưng cho đúc cao hơn và dễ dàng tạo hình chi tiết phức tạp hơn với chi phí hạn chế khả năng tạo hình nguội và độ bền ăn mòn thay đổi trong môi trường chứa chloride mạnh. So với các hợp kim rèn có thể xử lý nhiệt như 6061/6063, AlSi10 (đặc biệt biến thể không có Mg) có thể có cường độ kéo đỉnh thấp hơn nhưng lại có khả năng đúc và hiệu suất nhiệt vượt trội, làm cho nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho các chi tiết đúc hoặc sản xuất phụ gia ngay cả khi độ bền cuối cùng thấp hơn.

Tổng kết

AlSi10 vẫn là một hợp kim kỹ thuật có giá trị vì nó kết hợp khả năng đúc xuất sắc và hiệu suất nhiệt tốt cùng với tính chất cơ học đủ dùng cho nhiều ứng dụng công nghiệp, đặc biệt trong đúc áp lực và gia công phụ gia. Thành phần giàu silic và quy trình chế tạo linh hoạt (đúc, xử lý nhiệt, HIP, sản xuất phụ gia) cung cấp cho kỹ sư thiết kế sự cân bằng thực tế giữa khả năng gia công và hiệu quả vận hành trong các chi tiết nhẹ, phức tạp.