Nhôm AlSi12: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn Độ cứng & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

AlSi12 thuộc nhóm hợp kim nhôm-silicon và được phân loại vào các hợp kim đúc Al-Si thay vì các hợp kim cán 1xxx–7xxx; nó thường được tham khảo dưới các ký hiệu đúc thay vì các dãy số cán. Hợp kim này nominal chứa khoảng 11–13% silicon cùng các tạp chất còn lại như sắt, mangan, đồng và các nguyên tố vi lượng như titan và crom được sử dụng để tinh chỉnh cấu trúc hạt và kiểm soát tính chất.

Cơ chế làm cứng chủ yếu của AlSi12 là vi cấu trúc: pha silicon gần eutectic phân bố trong ma trận nhôm cung cấp độ cứng sẵn có và khả năng chống mài mòn. AlSi12 không phải là hợp kim cán cổ điển có thể xử lý nhiệt làm cứng kết tủa; sự cải thiện tính cơ học đạt được thông qua việc kiểm soát hình thái của silicon (biến đổi, cầu hóa) và các phương pháp xử lý nhiệt giới hạn thay vì quá trình già hóa dựa trên Mg/Cu.

Những đặc điểm chính bao gồm tính lưu động cao khi đúc, giảm co ngót khi đông đặc, ổn định kích thước tốt ở trạng thái đúc và khả năng chống ăn mòn tương đối do lớp oxit nhôm bảo vệ. Hợp kim cho phép độ bền kéo trung bình, độ dãn khi đúc thấp đến vừa phải và dẫn nhiệt tốt so với các hợp kim đúc khác. Các ngành công nghiệp tiêu thụ AlSi12 điển hình gồm ô tô (linh kiện động cơ đúc die-cast, vỏ bọc), máy móc công nghiệp (thân bơm, thân van), thiết bị hàng hải và một số ứng dụng quản lý nhiệt.

Kỹ sư chọn AlSi12 khi yêu cầu khả năng đúc tốt, giảm co ngót thấp và sự cân bằng giữa độ bền và khả năng dẫn nhiệt ưu tiên hơn độ bền kéo tối đa. Hàm lượng silicon làm hợp kim này thích hợp cho các chi tiết đúc mỏng phức tạp, cần khả năng chống mài mòn và ổn định trong chu trình nhiệt.

Biến thể nhiệt luyện

Biến thể	Cấp độ bền	Độ dãn	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
F (Như đúc)	Thấp–Trung bình	Thấp–Trung bình	Hạn chế	Trung bình	Điều kiện điển hình khi đúc die hoặc đúc cát
O (Ướp mềm)	Thấp	Trung bình–Cao	Cải thiện	Tốt	Gia nhiệt ủ giảm ứng suất để tăng độ dẻo và giảm ứng suất dư
T5	Trung bình	Thấp	Hạn chế	Trung bình	Làm nguội sau đúc và lão hóa nhân tạo để ổn định tính chất
T6	Trung bình–Cao	Thấp	Hạn chế	Trung bình	Xử lý dung dịch + lão hóa nhân tạo làm cầu hóa Si và tăng cường độ một cách vừa phải khi hợp kim cho phép
T4 (đã xử lý dung dịch)	Trung bình	Thấp–Trung bình	Hạn chế	Trung bình	Xử lý dung dịch kết hợp với già hóa tự nhiên; được sử dụng chọn lọc sau biến đổi
H14 (làm cứng biến dạng)	Không điển hình	Không điển hình	Không điển hình	Không điển hình	Làm cứng biến dạng thường không áp dụng cho AlSi12 đúc; chỉ để tham khảo

Biến thể nhiệt luyện ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất của AlSi12 vì hình thái silicon và khuyết tật khi đúc là những yếu tố chính quyết định tính chất. Xử lý nhiệt như xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo (T6/T5) có thể tinh chỉnh sự phân bố các hạt silicon và giảm phân kỳ vi cấu trúc, giúp điều chỉnh vừa phải độ bền hoặc độ dẻo so với trạng thái đúc gốc.

Lựa chọn biến thể thực tế phụ thuộc vào quy trình đúc và chức năng chi tiết; ủ mềm và lão hóa kiểm soát được dùng để tăng khả năng gia công và giảm ứng suất nội bộ, trong khi các phương pháp nhiệt cơ cấp tiến áp dụng cho hợp kim cán thì thường không áp dụng cho chi tiết đúc AlSi12.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	11.0–13.0	Nguyên tố hợp kim chính; kiểm soát cấu trúc eutectic, tính lưu động và kháng mài mòn
Fe	0.3–1.3	Tạp chất phổ biến; Fe cao thúc đẩy hình thành pha intermetallic làm giòn và giảm độ dẻo
Mn	0.1–0.6	Kiểm soát hình thái pha Fe-intermetallic; cải thiện tính đúc và tính cơ học
Mg	0.05–0.5	Có thể có với hàm lượng thấp đến nhỏ; cho phép làm cứng kết tủa nếu đủ lượng
Cu	0.05–0.5	Thông thường thấp; tăng Cu làm tăng độ bền nhưng giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	0.05–0.5	Vi lượng; thường là tạp chất còn sót lại và được kiểm soát để tránh nứt nóng
Cr	0.05–0.25	Thêm nhỏ để kiểm soát cấu trúc hạt và kết hợp Fe vào pha không gây hại
Ti	0.02–0.20	Chất tinh chỉnh hạt để kiểm soát cấu trúc hạt sơ cấp nhôm
Khác	Cân bằng Al với tạp chất vi lượng	Các nguyên tố còn lại (Ni, Pb, Sr từ biến đổi) được kiểm soát để đảm bảo hiệu suất đúc

Silicon là yếu tố chính chi phối hiệu suất của AlSi12: làm giảm dải nhiệt nóng chảy, tăng tính lưu động và giảm co ngót, đồng thời cung cấp khả năng chịu mài mòn nhờ các hạt Si cứng. Sắt và mangan kiểm soát các pha intermetallic có hại hình thành trong quá trình đông đặc. Các nguyên tố vi lượng như titan và Sr được dùng để tinh chỉnh hạt và biến đổi dạng silicon từ dạng tấm sang dạng sợi hoặc cầu hóa, cải thiện độ dai va đập và khả năng gia công.

Tính chất cơ học

Chi tiết đúc AlSi12 có đặc tính kéo phụ thuộc chủ yếu vào hình thái silicon eutectic và chất lượng đúc (rỗ khí, co ngót và tốc độ đông đặc). Độ bền trong trạng thái đúc vừa phải và độ dãn giới hạn; tính chất theo hướng có thể khác nhau theo độ dày tiết diện do gradient đông đặc. Độ bền có thể tăng vừa phải nhờ xử lý dung dịch và lão hóa khi hợp kim và vi cấu trúc được biến đổi phù hợp.

Giới hạn chảy thường thấp hơn các hợp kim cán tổ hợp cứng có thể xử lý nhiệt; tuy nhiên hợp kim cho hiệu suất ổn định qua các kỹ thuật đúc khác nhau nếu kiểm soát tốt co ngót và rỗ khí. Độ cứng tương ứng với phân bố hạt silicon: Si cầu hóa mịn giúp tăng độ dai và giảm nhẹ độ cứng bề mặt so với silicon dạng vảy thô.

Khả năng chống mỏi của AlSi12 nhạy cảm với khuyết tật đúc như rỗ khí và tạp chất oxit, vốn là điểm khởi đầu vết mỏi; chi tiết đúc tốt với ít khuyết tật có thể đạt tuổi thọ mỏi đáng kính cho các chi tiết quay không quan trọng. Độ dày tiết diện ảnh hưởng đến tốc độ làm nguội và hình thái silicon: tiết diện mỏng nguội nhanh tạo vi cấu trúc mịn và độ bền cao hơn tiết diện dày nguội chậm tạo cấu trúc Si thô.

Tính chất	O/Ướp mềm	Biến thể chính (T6/T5)	Ghi chú
Độ bền kéo (UTS)	90–140 MPa (điển hình)	150–240 MPa (điển hình, tùy hợp kim và quy trình)	Phạm vi rộng do phương pháp đúc, kiểm soát rỗ khí và biến đổi vi cấu trúc
Giới hạn chảy (offset 0.2%)	40–90 MPa	100–170 MPa	Tăng nhẹ sau xử lý dung dịch và lão hóa so với hợp kim Mg/Cu cao
Độ dãn	2–10%	1–6%	Độ dẻo giảm sau lão hóa; chi tiết mỏng cho độ dãn cao hơn
Độ cứng (Brinell)	35–70 HB	60–110 HB	Độ cứng tăng khi Si mịn cầu hóa và xử lý nhiệt; phụ thuộc tiết diện và quy trình

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.68 g/cm³	Mật độ phổ biến cho hợp kim đúc Al-Si; lớn hơn nhôm tinh khiết do silicon
Phạm vi nóng chảy	~577–600 °C	Hợp kim gần eutectic có điểm nóng chảy thấp hơn Al nguyên chất; phản ứng eutectic khoảng 577 °C
Độ dẫn nhiệt	~110–140 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn tốt cho tản nhiệt chi tiết đúc
Độ dẫn điện	~30–40% IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do tán xạ của silicon và pha intermetallic
Độ nhiệt dung riêng	~0.88–0.92 kJ/kg·K	Sát với nhôm nguyên chất; dùng trong tính toán khối nhiệt
Hệ số nhiệt dài	~21–24 µm/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết trong một số trạng thái nhiệt do silicon

Tính chất vật lý của AlSi12 làm nó phù hợp cho các chi tiết yêu cầu quản lý nhiệt hoặc ổn định kích thước trong chu trình nhiệt nóng lạnh. Điểm nóng chảy thấp và tính lưu động tốt hỗ trợ đúc các kết cấu mỏng phức tạp với khả năng đầy khuôn cao.

Độ dẫn điện giảm so với nhôm tinh khiết và cần được xem xét khi yêu cầu về hiệu suất điện. Khối lượng riêng và nhiệt dung riêng gần với các hợp kim nhôm đúc khác, điều này có lợi cho các ứng dụng kết cấu nhẹ và truyền nhiệt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi độ bền	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Chi tiết đúc cát	Độ dày thành 3–50 mm	Thay đổi; cấu trúc vi mô thô hơn ở các phần dày	F, O, T5	Được dùng cho các chi tiết lớn, phức tạp; cấu trúc vi mô được điều khiển bởi tốc độ làm nguội
Đúc khuôn áp lực (khuôn vĩnh cửu)	Thành mỏng 1–10 mm	Độ bền cao hơn do làm nguội nhanh; cấu trúc Si mịn	F, T5, T6	Phổ biến cho vỏ ô tô và chi tiết chính xác
Đúc trọng lực / khuôn vĩnh cửu	2–20 mm	Độ bền và hoàn thiện bề mặt trung bình	F, T5, T6	Độ lặp lại và tính cơ học tốt cho các lô sản xuất vừa
Lõi cát/thỏi	Thay đổi	Nguyên liệu cơ bản	F	Nguyên liệu thô hoặc vật liệu tái nung cho các xưởng đúc
Thanh / que đúc	Đường kính lên đến 200 mm	Tương tự đúc; hạn chế rèn hoặc cán	F, O	Dùng làm phôi gia công và một số chi tiết kết cấu nhỏ

Các dạng sản phẩm khác nhau phát sinh từ ứng dụng dự kiến và dung sai cơ học/hình học yêu cầu. Đúc khuôn áp lực tạo cấu trúc vi mô mịn nhất và kiểm soát kích thước tốt nhất, phù hợp cho các chi tiết mỏng thành, sản lượng lớn trong ngành ô tô. Đúc cát chịu đựng được tiết diện lớn và hình học bên trong phức tạp nhưng cần kiểm soát kỹ các khuyết tật.

Dạng cung cấp ảnh hưởng đến quá trình gia công tiếp theo: đúc khuôn thường cần dung sai gia công nhỏ hơn và có bề mặt tốt hơn, trong khi chi tiết đúc cát có thể cần gia công nhiều hơn và xử lý nhiệt để đạt dung sai mong muốn.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	AlSi12 (đúc)	Mỹ	Chỉ định chung cho hợp kim Al-Si đúc với ~12% Si
EN	EN AC-AlSi12 / AlSi12	Châu Âu	Chỉ định đúc tiêu chuẩn (trước đây là AlSi12); mác EN thường kèm trạng thái “F” cho điều kiện đúc
JIS	ADC12 (tương tự)	Nhật Bản	ADC12 phổ biến trong đúc khuôn áp lực và tương tự về thành phần nhưng thường chứa lượng Cu và Zn cao hơn
GB/T	AlSi12	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc cho hợp kim đúc Al-Si tương đương chung; dung sai thành phần có thể khác

Khác biệt tinh tế giữa các mác khu vực chủ yếu nằm ở mức cho phép của Cu, Zn và nguyên tố vết, cũng như mức cho phép của Sắt và Mangan. ADC12 (JIS) thường có hàm lượng đồng cao hơn để cải thiện tính cơ học trong đúc khuôn nhưng giảm khả năng chống ăn mòn. EN AC-AlSi12 thường kiểm soát hàm lượng Fe thấp và được chỉ định rộng rãi cho các chi tiết đúc chất lượng cao tại châu Âu.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

AlSi12 cho thấy khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt nhờ vào sự hình thành lớp màng oxit nhôm bảo vệ. Trong môi trường trung tính và ít ăn mòn, hợp kim hoạt động tốt, nhưng có thể xảy ra hiện tượng hòa tan anod cục bộ tại khuyết tật đúc, lỗ rỗ hay vùng có pha liên kim. Hoàn thiện bề mặt và hệ thống sơn phủ kín giúp cải thiện đáng kể tuổi thọ trong môi trường tiếp xúc.

Trong môi trường biển và chứa chloride, hợp kim có thể bị pitting và ăn mòn khe kẽ, đặc biệt tại các vị trí khuyết tật hoặc bề mặt nhám giữ các chất ăn mòn. Hàm lượng đồng thấp trong AlSi12 điển hình giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn do ứng suất so với hợp kim giàu đồng, nhưng thiết kế vẫn cần lưu ý các tương tác catode/anode khi nối với kim loại quý hơn.

Nứt do ăn mòn ứng suất không phải là nguyên nhân chính gây hư hại cho AlSi12 do hàm lượng tạp chất thấp gây giòn liên hạt, tuy nhiên mỏi kết hợp ăn mòn cùng với khuyết tật đúc có thể gây hư hỏng sớm trong môi trường biển hoặc công nghiệp có chu kỳ tải. Tương tác điện hóa với thép và hợp kim đồng cần được ngăn cách bằng lớp cách điện hoặc dự phòng ăn mòn phù hợp để tránh ăn mòn nhanh.

So với hợp kim nhôm chế tạo 5xxx dạng nóng rèn dùng cho môi trường biển, AlSi12 có độ dai thấp hơn và nhạy cảm hơn với khuyết tật đúc, nhưng mang lại ưu điểm về khả năng đúc và độ ổn định kích thước trong các hình dáng phức tạp. Các kỹ sư cần cân nhắc mức độ tiếp xúc môi trường và kỹ thuật chi tiết đúc khi chọn AlSi12 cho ứng dụng môi trường ăn mòn.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn chi tiết đúc AlSi12 có thể thực hiện bằng phương pháp TIG và MIG với các loại que hàn phù hợp và chuẩn bị trước hàn tốt. Que hàn hợp kim nhôm-silicon như ER4043 (Al-5Si) và ER4047 (Al-12Si) thường được khuyến nghị để phù hợp hàm lượng silicon nền và giảm rủi ro nứt nóng. Việc tiền gia nhiệt và khử khí thường được áp dụng để giảm lỗ khí hydro; tuy nhiên, hàn có thể làm thay đổi hình thái silicon vùng nhiệt tác động (HAZ) và tạo ra sự co rút/nội ứng suất cần xử lý nhiệt hoặc mài sửa sau hàn để loại bỏ khuyết tật.

Khả năng gia công cơ khí

Khả năng gia công AlSi12 nhìn chung tốt đối với nhôm đúc, nhưng các hạt silicon cứng gia tăng mài mòn dụng cụ so với nhôm tinh khiết. Dụng cụ cacbua phủ Titan Nitride hoặc tương tự, có góc cắt dương được khuyến nghị cho gia công tốc độ cao; kiểm soát phoi thường đạt yêu cầu nhưng tuổi thọ dụng cụ cần theo dõi trong các chu trình dài. Thông số gia công cần tính đến độ dày tiết diện và biến thiên độ cứng cục bộ do hình thái silicon và lịch sử xử lý nhiệt.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình của AlSi12 bị giới hạn do hợp kim thường sử dụng ở dạng đúc với độ dẻo thấp so với hợp kim nhôm rèn. Uốn nguội hoặc dập sâu không khả thi cho các chi tiết đúc AlSi12 điển hình; thay vào đó, thiết kế khuôn, lõi và chèn được tận dụng để đạt được hình học yêu cầu. Để cải thiện khả năng tạo hình, phương pháp bán rắn hoặc biến đổi cấu trúc silicon thành dạng cầu qua xử lý nhiệt có thể tăng độ dẻo cục bộ nhưng không thể đạt được khả năng tạo hình của hợp kim nhôm rèn 5xxx hoặc 6xxx.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

AlSi12 không phải là hợp kim nhôm chủ yếu làm cứng bằng kết tủa vì thiếu Mg và Cu để tăng cứng theo quy trình T6 điển hình. Tuy nhiên, các xử lý nhiệt ảnh hưởng đến hình thái silicon và ứng suất dư. Ủ dung dịch ở nhiệt độ khoảng 520–540 °C rồi làm nguội nhanh có thể làm đồng nhất một phần cấu trúc vi mô và biến dạng các hạt silicon thành dạng cầu; sau đó ủ nhân tạo (T5/T6) giúp ổn định cấu trúc và nâng nhẹ độ bền.

Đối với nhiều chi tiết đúc AlSi12, các xử lý nhiệt có giá trị nhất là ủ và đồng nhất để giảm ứng suất đúc và giảm phân bố không đồng đều các nguyên tố. Các xử lý này cải thiện khả năng gia công và giảm hiện tượng nứt nóng trong các thao tác thứ cấp. Do không thể làm cứng qua biến dạng cơ học, các nhà thiết kế dựa vào kiểm soát vi cấu trúc, xử lý nhiệt và điều chỉnh hợp kim (ví dụ xử lý Sr) để điều chỉnh tính chất.

Kiểm soát quá trình xử lý nhiệt rất quan trọng: quá ủ hoặc ủ dung dịch không đúng có thể làm thô hạt silicon và giảm độ dẻo, trong khi việc khử khí không đủ hoặc làm nguội chậm dẫn đến giữ lại lỗ rỗ và giảm hiệu suất cơ học. Với các hợp kim có thêm Mg hoặc Cu nhẹ, chu trình ủ dung dịch và kết tủa được kiểm soát mang lại lợi ích lớn nhất; còn lại, xử lý tập trung vào giải ứng suất và tối ưu hóa hình thái silicon.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Ở nhiệt độ cao, AlSi12 trải qua giảm dần độ bền do hoạt hóa nhiệt cho phép sự chuyển động của sai lệch mạng và làm thô các đặc điểm vi cấu trúc. Nhiệt độ làm việc thực tế thường được giới hạn dưới ~150–200 °C cho ứng dụng kết cấu để tránh ứng suất trượt lớn và mất độ cứng. Tiếp xúc ngắn hạn đến 250 °C có thể chấp nhận được cho các chi tiết nhiệt không chịu tải, nhưng độ tin cậy cơ học lâu dài sẽ giảm.

Hành vi oxi hóa đặc trưng của nhôm: một lớp oxit ổn định hình thành bảo vệ phần thân chính, nhưng sự hình thành và phát triển lớp oxit có thể làm suy giảm khả năng cách nhiệt trong ứng dụng truyền nhiệt. Vùng nhiệt tác động (HAZ) do hàn hoặc xử lý nhiệt cục bộ có thể thay đổi phân bố silicon, làm giảm hiệu năng nhiệt độ cao tại chỗ và tăng tốc độ nứt do ứng suất trượt hoặc oxi hóa. Với các chi tiết sử dụng ở nhiệt độ cao, thiết kế cẩn thận để giảm tập trung ứng suất và tránh tiết diện mỏng ở vùng chịu tải là rất cần thiết.

Ứng dụng

Ngành công nghiệp	Ví dụ linh kiện	Lý do sử dụng AlSi12
Ô tô	Vỏ hộp truyền động, vỏ hộp số, thân van	Khả năng đúc áp lực tuyệt vời và độ ổn định kích thước cho các chi tiết mỏng tường phức tạp
Hàng hải	Vỏ bơm, các chi tiết đúc kết cấu không quan trọng	Khả năng chống ăn mòn và dễ đúc cho các hình học phức tạp
Hàng không & Quốc phòng	Giá đỡ, vỏ bảo vệ cho các kết cấu không chính	Tỷ số bền trên trọng lượng tốt cho chi tiết đúc và độ ổn định nhiệt cao
Máy móc công nghiệp	Vỏ hộp bánh răng, vỏ ổ trục, thân van	Độ co ngót thấp, độ chống mài mòn tốt và độ bền cơ học phù hợp
Điện tử / Quản lý nhiệt	Vỏ tản nhiệt và các chi tiết khối nhiệt	Độ dẫn nhiệt hợp lý kết hợp khả năng đúc phức tạp

AlSi12 thể hiện hiệu suất tốt khi quá trình sản xuất lợi thế bằng đúc (hình dạng phức tạp, gân tích hợp, thành mỏng) vượt trội so với yêu cầu về độ bền kéo cao nhất hoặc khả năng tạo hình cực đoan. Sự kết hợp giữa độ chính xác kích thước, dẫn nhiệt và độ bền phù hợp khiến cho AlSi12 được sử dụng rộng rãi trong các chi tiết đúc áp lực sản lượng lớn và các chi tiết đúc kích thước vừa mang tính kinh tế.

Thông tin chọn lựa