Hướng dẫn vật liệu đúc nhôm: Hợp kim, tính chất và lựa chọn vật liệu đúc

Bản vẽ nằm trên bàn của bạn không có gì ngoài "vật liệu đúc nhôm" được viết trong khối vật liệu. Cụm từ đó không phải là một thông số kỹ thuật; nó là một thể loại với nhiều nhánh rất khác nhau. Câu trả lời ngắn gọn cho hầu hết người mua là: đối với khuôn đúc áp suất cao, ADC12 hoặc A380 sẽ giải quyết được hầu hết các ứng dụng về vỏ, giá đỡ và vỏ. Đối với các bộ phận kết cấu phải uốn cong, hấp thụ lực tác động hoặc chịu tải sau khi hàn, A356 là điểm khởi đầu an toàn hơn. Lý do không phải là sự ưa thích thương hiệu. Đó là cách mỗi hợp kim hoạt động trong điều kiện đông đặc nhanh, độ dẻo mà nó có thể mang lại và chi phí cho máy và xử lý bề mặt sau đó là bao nhiêu. Hướng dẫn này sẽ trình bày về các hợp kim, logic lựa chọn và những lỗi xuất hiện khi chọn vật liệu trước quy trình.

Vật liệu đúc nhôm là gì?

Nhôm nguyên chất không phải là vật liệu đúc thực tế. Nó có tính lưu động thấp, oxy hóa nhanh và độ bền đúc của nó quá thấp đối với hầu hết các bộ phận kỹ thuật. Do đó, hợp kim đúc được chế tạo từ nhôm cộng với các chất bổ sung có chủ ý làm thay đổi trạng thái nóng chảy và các tính chất cơ học cuối cùng.

Silicon là chất bổ sung chiếm ưu thế. Hợp kim nhôm với 7–12% silicon dễ dàng chảy thành các phần mỏng, ít co lại hơn khi đông đặc và chống rách nóng. Đồng tăng thêm độ bền khi đúc và làm cho vật liệu được cắt gọn gàng trong gia công CNC. Magiê tạo ra độ cứng do lão hóa và cải thiện khả năng chống ăn mòn khi kết hợp với xử lý nhiệt thích hợp. Sắt được giữ ở mức 0,8–1,2% trong hợp kim đúc khuôn vì nó ngăn chặn sự hàn vào bề mặt khuôn, mặc dù hàm lượng sắt cao tạo thành kim giòn làm giảm độ giãn dài.

Cũng cần biết rằng cụm từ này bao gồm cả hợp kim sơ cấp, bắt đầu bằng phôi luyện và hợp kim thứ cấp, được làm từ nhôm tái chế. ADC12, vật liệu đúc được chỉ định rộng rãi nhất trong các nhà máy đúc khuôn châu Á, thường là hợp kim thứ cấp. Đó là thực tế bình thường; thành phần được kiểm soát trong phạm vi đã công bố và tạp chất được quản lý để phù hợp với giới hạn JIS H5302, ASTM B85 hoặc giới hạn cụ thể của khách hàng.

Các họ chính của hợp kim đúc nhôm

Mỗi vật liệu đúc nhôm thuộc về một trong bốn họ thực tế. Một khi bạn nhận ra họ nào bộ phận của bạn cần, việc lựa chọn hợp kim sẽ trở nên dễ dàng hơn nhiều.

Hợp kim Al-Si-Cu: ADC12, A380, A383

Đây là những đặc điểm chính của đúc khuôn áp suất cao. Silicon nằm trong khoảng từ 8% đến 12%, trong khi đồng nằm trong khoảng từ 1,5% đến 3,5%. Đồng tăng cường độ đúc và cải thiện gia công. A383 nâng silicon lên và hạ thấp đồng một chút để giảm quá trình hàn khuôn, điều này rất tiện lợi cho các khuôn có lõi dài và mỏng. Nếu bạn đang sản xuất khối lượng lớn vỏ, giá đỡ, vỏ hoặc thân bơm dầu thì dòng này là mặc định.

Hợp kim Al-Si-Mg: A356, A357

Khi chi tiết hoàn thiện phải uốn cong, hấp thụ năng lượng va đập hoặc hàn thì A356 và A357 thường tốt hơn ADC12. Chúng chứa khoảng 7% silicon và 0,3–0,7% magiê. Ở điều kiện T6, cường độ năng suất của chúng tương đương với ADC12 trong khi độ giãn dài cao hơn đáng kể. Các hợp kim này đổ tốt ở áp suất thấp hơn và được sử dụng trong đúc áp suất và trọng lực thấp cho bánh xe, các bộ phận khung kết cấu và các bộ phận trục.

Hợp kim Al-Mg: A514, EN AC-AlMg5Si

Trong đó khả năng chống ăn mòn và chất liệu bề mặt được anod hóa sáng, hợp kim Al-Mg nổi bật. Mức magiê khoảng 5% mang lại khả năng chống nước biển và hóa chất nhẹ tuyệt vời. Tuy nhiên, tính lưu động của chúng thấp hơn và chất nóng chảy dễ bị oxy hóa hơn, vì vậy chúng đòi hỏi khắt khe hơn trong xưởng đúc. Sử dụng chúng cho phần cứng hàng hải, thiết bị thực phẩm và vỏ trang trí.

Hợp kim Al-Si siêu âm: A390

Với hàm lượng silicon trên 15%, các hạt silicon sơ cấp mang lại khả năng chống mài mòn vượt trội và hệ số giãn nở nhiệt thấp. A390 thường được sử dụng trong khối động cơ và xi lanh máy nén. Khó gia công hơn và cần có dụng cụ đặc biệt; không chỉ định nó trừ khi khả năng chống mài mòn là yếu tố quyết định.

So sánh các vật liệu đúc nhôm thông thường

Bảng dưới đây liệt kê các vật liệu đúc nhôm điển hình được sử dụng để đúc áp suất cao, áp suất thấp và đúc trọng lực. Các giá trị đại diện cho các thanh thử nghiệm được đúc riêng biệt; tính chất thực tế trong quá trình đúc sản xuất phụ thuộc vào độ dày thành, tốc độ làm nguội và xử lý nhiệt. Nguồn: JIS H5302, ASTM B85 và bảng dữ liệu của nhà cung cấp hợp kim điển hình.

Bảng 1. Vật liệu đúc nhôm phổ biến và các tính chất cơ học thường được công bố.
hợp kim	Si %	Cu %	Mg %	UTS MPa	Độ giãn dài %	Quy trình điển hình
ADC12	9,6–12,0	1,5–3,5	.30,3	228	1,5–3,5	HPDC
A380	7,5–9,5	3,0–4,0	.10,1	324	3.5	HPDC
A383	9,5–11,5	2,0–3,0	.10,1	296	3.5	HPDC
A413	11–13	.10,1	.10,1	296	3.5	HPDC
A356	6,5–7,5	.20,2	0,25–0,45	262 T6	6–12	LPDC / Trọng lực
A357	6,5–7,5	.20,2	0,4–0,7	290 T6	3–10	LPDC / Trọng lực

Cách chọn vật liệu đúc nhôm phù hợp

Bắt đầu với điều kiện dịch vụ, sau đó thực hiện ngược lại. Trình tự này ngăn ngừa những sai lầm phổ biến nhất: trước tiên chọn một hợp kim rẻ tiền và sau đó phát hiện ra rằng nó không thể vượt qua bài kiểm tra độ mỏi hoặc áp suất.

Quyết định quá trình casting đầu tiên. Thành mỏng, khối lượng lớn và dung sai chặt chẽ dẫn đến đúc khuôn áp suất cao và hợp kim Al-Si-Cu. Các bộ phận lớn hoặc có cấu trúc hướng đến đúc áp suất thấp hoặc trọng lực và hợp kim Al-Si-Mg.
Xác định các yêu cầu về độ giãn dài và tác động. Nếu cần độ giãn dài trên 5%, các hợp kim HPDC tiêu chuẩn như ADC12 sẽ gặp khó khăn. Các loại A356-T6 hoặc HPDC dẻo là những lựa chọn tốt hơn.
Kiểm tra độ kín áp suất. Chảo dầu, thân van và ống góp thủy lực cần vật liệu giàu silicon với hàm lượng khí được kiểm soát. A413 và A356 áp suất thấp là phổ biến cho những trường hợp đó.
Xem xét nhiệt độ hoạt động. Đối với các bộ phận gần khối động cơ hoặc trong hệ thống điện, độ dẫn nhiệt và độ bền từ biến có thể quan trọng hơn độ bền chảy tĩnh.
Nhìn vào lộ trình hoàn thiện bề mặt. Đối với anodizing, đồng thấp và kẽm thấp rất quan trọng. ADC12 anod hóa tối hơn và kém đồng đều hơn so với hợp kim Al-Mg.
Ước tính chi phí gia công. Gia công hợp kim đồng chịu lực thành phoi ngắn và giữ dung sai tốt. Hợp kim Hypereutectic phá hủy dụng cụ tiêu chuẩn và yêu cầu các hạt dao đặc biệt.

Theo nguyên tắc chung:

Vỏ mỏng đơn giản, khối lượng lớn: ADC12 hoặc A380.
Khung kết cấu sẽ được hàn hoặc uốn cong: A356.
Bình chịu áp hoặc vỏ kín dầu: A413 hoặc A356 áp suất thấp.
Bề mặt mòn dưới piston hoặc xi lanh: A390.

Vật liệu đúc áp suất cao và vật liệu đúc áp suất thấp

Vật liệu đúc nhôm giống nhau hiếm khi tối ưu cho cả đúc khuôn áp suất cao và đúc khuôn áp suất thấp. HPDC lấp đầy khuôn trong một phần nghìn giây ở áp suất cao, cho phép bạn tạo thành khuôn 1,5–3 mm nhưng cũng giữ lại không khí. Do đó, các hợp kim HPDC tiêu chuẩn như ADC12 chỉ mang lại độ giãn dài 1–4% vì độ xốp bên trong hạn chế độ dẻo. Vật đúc ở áp suất thấp lấp đầy chậm hơn, quá trình hóa rắn được cung cấp từ ống nâng và vật đúc đủ đặc hơn để chấp nhận xử lý nhiệt T6.

HPDC phù hợp với hình dạng phức tạp, tường mỏng và năng suất cao. ADC12, A380 và các cấp độ dẻo được hỗ trợ chân không là phạm vi vật liệu tiêu chuẩn.
LPDC tạo ra các bộ phận dày đặc hơn, có thể hàn, có thể xử lý nhiệt với độ dẻo cao hơn. A356 và A357 là điểm khởi đầu điển hình.
Đúc khuôn vĩnh cửu bằng trọng lực nằm giữa hai cái và phù hợp với các hình dạng đơn giản yêu cầu thuộc tính T6.

Hiểu cách quá trình thay đổi hành vi vật chất là điều cần thiết. Một nhà sản xuất vận hành cả hai tuyến, chẳng hạn như nhà máy có dây chuyền HPDC và LPDC, có thể kết hợp hợp kim với bộ phận thay vì buộc bộ phận đó vào một quy trình. Để biết thông tin cơ bản về quy trình cơ bản, hãy xem tổng quan kỹ thuật này của đúc khuôn nhôm .

Hành vi của vật liệu đúc nhôm trong gia công và xử lý bề mặt

Quá trình đúc không kết thúc ở xưởng đúc. Hầu hết các vật đúc đều được gia công CNC và xử lý bề mặt, và vật liệu sẽ xác định mức độ dễ dàng của việc đó.

Khả năng gia công: Hợp kim Al-Si-Cu cho phoi đứt ngắn và độ hoàn thiện bề mặt tuyệt vời khi sử dụng dụng cụ cacbua tiêu chuẩn. Hợp kim có độ dẻo cao tạo ra các phoi dài, dạng sợi và khó giữ được dung sai hơn. Hợp kim hypereutectic làm mòn dụng cụ nhanh chóng và có thể cần phải chèn kim cương đa tinh thể.
Anodizing: Để có lớp sơn anodized sáng và rõ ràng, hãy tránh dùng hàm lượng đồng và hàm lượng kẽm cao. Hợp kim Al-Mg tạo ra màng sạch nhất.
Độ dẫn nhiệt: Đối với tản nhiệt LED và tấm làm mát EV, độ dẫn nhiệt là yếu tố lựa chọn quan trọng. Nhôm nguyên chất gần 230 W/m·K; ADC12 là khoảng 96 W/m·K; A356-T6 là khoảng 151 W/m·K.

Bảng 2. Giá trị độ dẫn nhiệt điển hình của vật liệu đúc nhôm thông thường, dựa trên bảng dữ liệu hợp kim được công bố rộng rãi.
hợp kim	tình trạng	Độ dẫn nhiệt (W/m·K)
ADC12	Diễn viên	96
A380	Diễn viên	96
A356	T6	151
A357	T6	152

Ứng dụng trong ngành và ví dụ thực tế

Bởi vì hiệu suất truyền động của hợp kim nên ứng dụng sẽ xác định vật liệu. Trong hoạt động sản xuất của chúng tôi, quy tắc tương tự xuất hiện trên mọi lĩnh vực mà chúng tôi phục vụ, từ các bộ phận động cơ ô tô đến hộp số nông nghiệp.

Các bộ phận của động cơ ô tô: vỏ đầu xi lanh, thân bơm dầu, vỏ bơm nước, giá đỡ vòng bi. Hầu hết đều được làm từ ADC12 hoặc A380 để đảm bảo chi phí, khả năng gia công và độ kín áp suất.

Aluminum Auto Engine Cylinder Parts for High Performance

Bộ phận xi lanh động cơ tự động bằng nhôm cho hiệu suất cao Được chế tạo từ nhôm đúc, các bộ phận xi lanh động cơ này mang lại sức mạnh và khả năng tản nhiệt cho các ứng dụng ô tô. Ghép nối chúng với nguyên tắc lựa chọn vật liệu đã thảo luận ở trên để đánh giá trường hợp sử dụng của riêng bạn. Xem sản phẩm →

Vỏ hộp số và hộp số: những thứ này cần độ cứng, độ ổn định kích thước và độ kín dầu. Cả ADC12 với độ xốp được kiểm soát hoặc A356 trong đúc áp suất thấp đều được sử dụng, tùy thuộc vào trường hợp tải.

Aluminum Die Casting Gearbox Housing for Durability

Vỏ hộp số đúc nhôm cho độ bền Vỏ hộp số này tận dụng khuôn đúc nhôm để giảm trọng lượng trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc. Lý tưởng cho những người so sánh các lộ trình truyền, như được nêu bật trong ghi chú kỹ thuật sau. Xem sản phẩm →

Van thủy lực và linh kiện khí nén: độ kín áp suất và gia công tốt là những ưu tiên. Hợp kim Al-Si-Cu có hàm lượng silicon cao là phổ biến, trong khi A356 áp suất thấp được sử dụng cho thân van dày đặc hơn.

Aluminum Die Casting Hydraulic Valve for Precision

Van thủy lực đúc nhôm cho độ chính xác Van thủy lực chính xác được sản xuất bằng phương pháp đúc nhôm, mang lại khả năng kiểm soát chất lỏng đáng tin cậy. Các đoạn xung quanh nhấn mạnh hiệu suất được điều khiển bằng hợp kim, khiến đây trở thành một ví dụ phù hợp cho đánh giá của bạn. Xem sản phẩm →

Trục khuỷu và hộp số xe máy: tường mỏng kết hợp với tải trọng rung; ADC12 hoặc A383 là điển hình.
Hộp số nông nghiệp: hộp số máy xới siêu nhỏ và các bộ phận của máy cấy lúa dễ bị va đập, bụi bẩn; vấn đề độ dẻo và khả năng chống ăn mòn.
Chất nền tản nhiệt xe năng lượng mới: mức độ đồng và sắt được kiểm soát giúp độ dẫn điện và độ phẳng.
Phụ kiện nhà thông minh và y tế: chất lượng bề mặt và độ lặp lại kích thước thúc đẩy sự lựa chọn hợp kim.

Đối với người mua đang cân nhắc xem tuyến đường này có phù hợp hay không, Ưu điểm của đúc nhôm được tóm tắt trong một ghi chú kỹ thuật riêng biệt.

Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật tương đương

Bản vẽ đúc thường chỉ định một hợp kim theo số JIS và một hợp kim khác theo ký hiệu ASTM hoặc EN AC. Có thể tham khảo chéo sẽ tránh được những sai lầm tốn kém trong quá trình mua sắm. Bảng dưới đây cung cấp chức năng tương đương cho các loại phổ biến.

Bảng 3. Tương đương với các tiêu chuẩn chính trên toàn cầu. Chỉ so sánh gần đúng; xác nhận dựa trên bảng dữ liệu của nhà cung cấp nguyên liệu thô.
Tên thường gọi	JIS	ASTM	EN AC	Quy trình điển hình
ADC12	ADC12 (JIS H5302)	Tương tự A383	AC-44300 (AlSi9Cu3Fe)	HPDC
A380	—	380.0 (ASTM B85)	AC-46500 (AlSi9Cu3Fe)	HPDC
A356	—	356.0 (ASTM B26)	AC-42100 (AlSi7Mg0.3)	LPDC / Trọng lực
A357	—	357.0 (ASTM B26)	AC-42200	LPDC / Trọng lực
A413	Luồng tương tự ADC12	413.0 (ASTM B85)	AC-44200 (AlSi12)	HPDC

Các lỗi đúc phổ biến liên quan đến lựa chọn vật liệu

Sự lựa chọn vật liệu xác định có bao nhiêu khuyết điểm sẽ xuất hiện trong quá trình đúc. Đây là lý do tại sao việc đánh giá vật liệu phải diễn ra trước khi cắt dụng cụ chứ không phải sau khi mẫu đầu tiên được gửi lại.

Độ xốp của khí: gây ra bởi hydro hòa tan và không khí bị mắc kẹt. Hợp kim silicon cao hơn làm giảm độ xốp co ngót, nhưng độ xốp của khí vẫn còn; hỗ trợ chân không hoặc tốc độ lấp đầy chậm hơn là cách khắc phục quy trình.
Độ xốp co ngót: xuất hiện ở những phần cuối cùng để củng cố. Hợp kim mang đồng có phạm vi đóng băng dài hơn, khiến cho việc co ngót trở nên khó khăn hơn. A356 với thiết kế cấp liệu phù hợp sẽ dễ tha thứ hơn.
Hàn khuôn: vật đúc dính vào bề mặt khuôn. Sắt trên 0,8% được cố ý giữ lại trong hợp kim đúc khuôn để giảm thiểu vấn đề này, mặc dù lượng sắt dư thừa sẽ tạo ra các pha giòn.
Tắt lạnh: dòng vật liệu kém và màng oxit. Hợp kim có hàm lượng silicon cao làm giảm rủi ro vì chúng ở trạng thái lỏng lâu hơn; nhiệt độ khuôn cao hơn cũng có ích.
Bao gồm oxit: phổ biến hơn trong hợp kim Al-Mg nơi magie dễ bị oxy hóa ở nhiệt độ nóng chảy. Xử lý và lọc nóng chảy cẩn thận là điều cần thiết.

Cân nhắc về chi phí và mua sắm vật liệu đúc nhôm

Giá hợp kim chỉ là một phần của chi phí thực tế. Gia công, phế liệu, năng suất quy trình và làm lại thường quan trọng hơn trong chương trình sản xuất.

Giá hợp kim: ADC12 là sự lựa chọn phổ biến rẻ nhất. A356 có giá cao hơn và A390 hoặc các loại HPDC dẻo đặc biệt có giá cao hơn đáng kể.
Gia công thứ cấp: gia công các hợp kim mang đồng thành các phoi ngắn, giảm thời gian chu trình và độ mòn dụng cụ. Hợp kim Hypereutectic yêu cầu dụng cụ cao cấp.
Kiểm soát phế liệu: Lợi nhuận nội bộ từ quá trình đúc khuôn phải được nấu chảy lại theo tỷ lệ được kiểm soát; quá nhiều phế liệu tái chế làm tăng hàm lượng sắt.
Tích hợp nhà cung cấp: một nhà sản xuất có khuôn, khuôn đúc và gia công CNC nội bộ có thể khắc phục các sự cố liên quan đến vật liệu nhanh hơn. Nếu cùng một nhà máy chạy cả đúc áp suất cao và áp suất thấp, vật liệu có thể được kết hợp với bộ phận thay vì buộc bộ phận đó vào một quy trình.
Tính nhất quán: đối với các bộ phận có khối lượng lớn, hãy xác nhận rằng nhà cung cấp duy trì phạm vi thành phần và giám sát các đặc tính cơ học thường xuyên.

Câu hỏi thường gặp về vật liệu đúc nhôm

Vật liệu đúc nhôm phổ biến nhất là gì?

ADC12 trong hệ thống JIS và A380 trong hệ thống ASTM là những vật liệu đúc khuôn áp suất cao phổ biến nhất. Cả hai đều thuộc họ Al-Si-Cu và bao gồm nhiều loại vỏ, giá đỡ và vỏ kết cấu.

Sự khác biệt giữa ADC12 và A356 là gì?

ADC12 được tối ưu hóa cho việc đúc khuôn áp suất cao: nó lấp đầy các bức tường mỏng, chống lại sự hàn khuôn và gia công tốt nhưng có độ dẻo hạn chế. A356 là hợp kim Al-Si-Mg có thể được xử lý nhiệt thành T6, cho độ giãn dài cao hơn nhiều và khả năng hàn tốt hơn.

Đúc nhôm có thể được xử lý nhiệt?

Vật đúc áp suất cao tiêu chuẩn có chứa khí bị giữ lại, do đó việc xử lý nhiệt T6 có thể gây phồng rộp và biến dạng bề mặt. Nếu cần xử lý nhiệt, hãy chọn đúc áp suất thấp bằng A356 hoặc sử dụng HPDC được hỗ trợ chân không với hợp kim dẻo chuyên dụng.

Vật liệu đúc nhôm nào tốt nhất cho tường mỏng?

Hợp kim có silicon gần 12%, chẳng hạn như A413 hoặc ADC12, có tính lưu động tốt nhất. Độ dày thành dưới 1,5 mm vẫn cần kiểm soát quá trình cẩn thận, bao gồm nhiệt độ khuôn, tốc độ phun và thông gió.

Tại sao đồng được thêm vào hợp kim đúc nhôm?

Đồng làm tăng cường độ đúc và cải thiện khả năng gia công, nhưng nó làm giảm khả năng chống ăn mòn. Không nên chọn hợp kim mang đồng cho môi trường biển hoặc môi trường có nhiều hóa chất trừ khi chúng được bảo vệ bằng lớp phủ.

Hợp kim nào cho bề mặt anodized tốt nhất?

Các hợp kim Al-Mg như A514 được anod hóa với bề mặt sáng bóng, rõ ràng. ADC12 với mức anod hóa đồng cao sẽ tối hơn và kém đồng nhất hơn. Nếu quá trình anodizing trang trí là một phần của thông số kỹ thuật, hãy xem lại hợp kim trước khi bắt đầu chế tạo dụng cụ.

Vật liệu đúc nhôm phù hợp không phải là vật liệu có số lượng cao nhất trong biểu dữ liệu. Nó là cái phù hợp với quy trình và điều kiện dịch vụ. Bắt đầu với độ dày thành và khối lượng sản xuất, sau đó đặt ra các yêu cầu cơ học và cuối cùng so sánh hợp kim với tổng chi phí. Nếu bạn có bản vẽ và cần đề xuất trực tiếp, cách nhanh nhất là thảo luận với nhà sản xuất vật đúc chạy cả đường áp suất cao và đường áp suất thấp.