Hợp kim al si là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Tóm tắt

Hợp kim nhôm–silicon (Al–Si) là hệ hợp kim phổ biến nhất trong gia công đúc và ứng dụng công nghiệp, với hàm lượng Si dao động từ 1 đến 25 %. Silicon trong hợp kim đóng vai trò chính trong việc giảm co ngót khi đông đặc và tăng độ cứng, độ bền mài mòn, đồng thời duy trì mật độ thấp, dẫn nhiệt và chống ăn mòn tốt.

Al–Si được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô (thân máy, nắp máy, piston), hàng không (khung, cánh quạt turbine), xây dựng và linh kiện điện tử. Khả năng xử lý nhiệt và cơ tính của hợp kim có thể điều chỉnh thông qua biến đổi thành phần hợp kim và xử lý nhiệt sau đúc, mang lại độ bền kéo UTS từ 180 đến 350 MPa và độ bền chảy YS từ 100 đến 260 MPa.

Khái niệm hợp kim Al–Si

Hệ Al–Si là một trong những hệ hợp kim nhôm điển hình, trong đó silicon tồn tại dưới dạng pha eutectic hoặc chính tạp phân tán trong ma trận nhôm. Pha eutectic Al–Si hình thành ở khoảng 12,6 % Si, với sự kết hợp giữa pha α (Al nguyên chất) và pha Si nguyên chất, tạo cấu trúc kim loại – ceramic cho tính chất vật liệu ưu việt.

Silicon phân bố ở dạng hạt hoặc xen kẽ thành mạng dẻ quạt trong ma trận nhôm. Khi làm nguội chậm, Si tạo thành mạng lưới liên tục, tăng độ giòn; khi làm nguội nhanh hoặc thêm chất làm mịn (Ti, B), Si kết tủa thành hạt nhỏ, cải thiện độ dẻo và độ bền va đập.

Hợp kim Al–Si cán thường chứa Si dưới 2 % để duy trì tính dẻo và khả năng gia công nguội, trong khi hợp kim đúc có Si 6–12 % để tối ưu tính chống co ngót và cơ tính. Sự cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo phụ thuộc mật độ pha Si và kích thước hạt trong ma trận Al (ASM Int.).

Thành phần và phân loại

Theo tiêu chuẩn ASTM, hợp kim nhôm–silicon được chia thành các series chính:

• Series 3xx.x (Al–Si đúc): Ví dụ A356 (Si ~7 %, Mg ~0,3 %), A413 (Si ~11 %, Cu ~1 %).
• Series 6xxx.x (Al–Mg–Si cán): Ví dụ 6061 (Si ~1 %, Mg ~1 %), 6082 (Si ~1 %, Mg ~1 %, Mn ~0,7 %).
• Series 1xxx.x (nhôm tinh khiết chứa Si): Si < 0,6 %, sử dụng khi yêu cầu độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao.
• Series 4xxx.x (Al–Si hàn): Dùng làm vật liệu hàn với Si lên đến 13 % để giảm điểm nóng chảy.

Các thành phần phụ khác như Mg, Cu, Fe, Mn, Zn điều chỉnh cơ tính và tính chống ăn mòn. Ví dụ, hợp kim A380 (Si ~8–12 %, Cu ~3–4 %, Ni, Mg) có độ bền cao và chống ăn mòn tốt, phù hợp chi tiết động cơ ô tô (J. Mater. Sci. Technol. 2012).

Tính chất vật lý

Mật độ của hợp kim Al–Si vào khoảng ρ ≈ 2,65 g/cm³, nhẹ hơn nhiều so với thép và đồng. Hệ số dẫn nhiệt k dao động từ 120 đến 150 W/m·K, giúp tản nhiệt nhanh, phù hợp chi tiết chịu nhiệt độ cao như piston và cánh quạt turbine.

Hệ số giãn nở nhiệt α ≈ 20–24×10⁻⁶ K⁻¹, cao hơn thép nhưng chấp nhận được trong ứng dụng kết hợp với nhôm và hợp kim nhôm khác. Nhiệt độ nóng chảy của pha chính bắt đầu khoảng 577 °C, với khoảng đông đặc 577–590 °C, phụ thuộc hàm lượng Si.

Đặc tính	Giá trị	Đơn vị
Mật độ (ρ)	2,65	g/cm³
Dẫn nhiệt (k)	120–150	W/m·K
Giãn nở nhiệt (α)	20–24×10⁻⁶	K⁻¹
Nhiệt độ nóng chảy	577–590	°C

Điện trở suất ρe ≈ 0,03 μΩ·m cho phép ứng dụng trong linh kiện điện tử và các bộ tản nhiệt. Khả năng chống ăn mòn tự nhiên cao, có thể tăng cường thêm qua xử lý bề mặt anodizing hoặc phủ hóa học để ứng dụng ngoài trời và môi trường khắc nghiệt.

Tính chất cơ học

Hợp kim Al–Si sau khi xử lý nhiệt và làm nguội phù hợp đạt độ bền kéo (UTS) từ 180 đến 350 MPa, độ bền chảy (YS) từ 100 đến 260 MPa và độ giãn dài (Elongation) 3–12 %. Phương pháp xử lý T6 (làm già hóa nhân tạo) thường nâng UTS thêm 40–60 % so với trạng thái as-cast.

Độ cứng Brinell (HB) của hợp kim dao động từ 60 đến 120 HB phụ thuộc vào tỷ lệ Si và lượng phụ gia Mg, Cu. Hợp kim có Si ~7 % và Mg ~0,3 % (A356 T6) điển hình đạt ~95 HB, cung cấp độ bền cơ học và khả năng chống mài mòn tốt.

Khả năng va đập (Impact toughness) và độ dẻo (Ductility) của Al–Si được cải thiện khi pha Si mịn hóa. Thêm chất làm mịn (Ti, B) hoặc xử lý siêu âm trong lò chảy giúp tinh thể Si phân tán đều, giảm điểm ứng suất tập trung, tăng khả năng chịu tải động.

Cấu trúc vi mô và pha

Hệ Al–Si có điểm eutectic tại khoảng 12,6 % Si, hình thành pha α-Al và pha Si nguyên chất. Sơ đồ pha cho thấy khi làm nguội qua nhiệt độ eutectic, hỗn hợp đông đặc đồng thời hai pha, tạo cấu trúc đồng nhất hoặc hình dẻ quạt nếu tốc độ làm nguội chậm.

$W_{\alpha} = \frac{C_{Si}^{L} - C_{0}}{C_{Si}^{L} - C_{Si}^{\alpha}}$

Trong ma trận α-Al, pha eutectic phân bố dưới dạng hạt nhỏ hoặc dải mảnh xen kẽ. Kích thước và hình thái pha Si ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính: hạt mịn cải thiện độ dẻo, dải mảnh lớn làm tăng độ giòn.

Yếu tố	Làm nguội chậm	Làm nguội nhanh / Làm mịn
Hình thái Si	Dải mảnh / lưới	Hạt nhỏ, phân tán
Độ dẻo	Thấp	Cao
Độ bền kéo	Trung bình	Cao

Quá trình chế tạo và đúc

Đúc cát truyền thống, đúc áp lực thấp (low-pressure die casting) và đúc trong khuôn kim loại (permanent mold) là các phương pháp phổ biến. Nhiệt độ chảy thường nằm trong khoảng 750–780 °C để đảm bảo pha eutectic hòa tan hoàn toàn.

Quá trình chuẩn bị hợp kim bao gồm khử khí bằng argon hoặc Cl₂ để loại bỏ khí hòa tan, đồng thời thêm chất làm mịn như Al–Ti–B với tỷ lệ ~0,01–0,02 % để làm nhỏ hạt Si. Kiểm soát tốc độ nạp và làm nguội giúp tối ưu cấu trúc vi mô.

• Đúc cát: linh hoạt về hình dạng, chi phí thấp, tốc độ sản xuất chậm.
• Đúc áp lực thấp: chất lượng bề mặt tốt, độ đồng nhất cao, phù hợp sản xuất hàng loạt.
• Đúc trong khuôn kim loại: tái sử dụng khuôn, độ bền cao, chi phí đầu tư lớn.

Ứng dụng công nghiệp

Trong ngành ô tô, Al–Si dùng để chế tạo thân máy (engine block), nắp máy (cylinder head), piston và các chi tiết truyền động nhờ trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng tản nhiệt tốt. Ví dụ, hợp kim A356 T6 có UTS ~280 MPa, đủ sức chịu áp lực và nhiệt độ động cơ ô tô (150–200 °C).

Trong hàng không, hợp kim dạng tấm Al–Si–Mg (series 6xxx.x) dùng cho khung cấu trúc, cánh quạt turbine nhờ cơ tính ưu việt và khả năng gia công kết hợp độ bền mỏi cao. Tấm hợp kim 6082-T6 đạt độ bền kéo ~310 MPa và chống ăn mòn tốt.

Công nghiệp xây dựng và điện tử ứng dụng nhôm–silicon cho cửa nhôm, vỏ tấm, ray, bộ khung cách điện và tản nhiệt nhờ điện trở suất thấp (~0,03 µΩ·m) và dẫn nhiệt cao.

Cải thiện tính chất và biến thể

Xử lý nhiệt T4 (ngâm ướt), T6 (già hóa), T7 (già hóa quá mức) cho phép điều chỉnh độ bền và độ dẻo. Ví dụ, A356-T7 có độ dẻo cao hơn T6 nhưng độ bền kéo giảm nhẹ.

Gia công biến đổi pha (strain-aging) và cold-working giúp tăng độ bền chảy mà không cần xử lý nhiệt. Doping Cu, Zn, Ni cải thiện tính chịu nhiệt và chống ăn mòn trong môi trường hóa chất khắc nghiệt (ASM Int.).

Thử nghiệm và kiểm tra chất lượng

Phân tích thành phần hóa học thực hiện bằng quang phổ tia lửa (OES) hoặc quang phổ phát xạ plasma (ICP-OES). Đo cơ tính theo ASTM E8/E9 cho kéo, nén và uốn, đánh giá UTS, YS và độ giãn dài.

Quan sát cấu trúc vi mô sử dụng kính hiển vi quang học (OM) và SEM để kiểm tra kích thước và phân bố pha Si. X-ray CT cho phép phát hiện rỗ khí, khuyết tật bên trong chi tiết đúc mà không phá hủy mẫu.

1. Thử nhiệt DSC: xác định nhiệt độ pha biến đổi và nhiệt dung.
2. Hardness test (HB, Vickers): đánh giá độ cứng bề mặt.
3. Fatigue test: xác định giới hạn mỏi dưới tải tuần hoàn.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu hợp kim Al–Si nano kết hợp với graphene, sợi carbon và oxit kim loại để tăng cường cơ tính, dẫn nhiệt và chống mài mòn. Vật liệu nano cải thiện tương tác ma trận – pha Si, nâng cao năng suất cơ học.

Công nghệ in 3D hợp kim Al–Si bằng PBF-LB/M (laser powder bed fusion) đang được tối ưu hóa về thông số quang bản ghi, tốc độ quét và công suất laser. Mục tiêu giảm khuyết tật, cải thiện mật độ và cơ tính in thành phẩm (Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2021).

• Phát triển lớp phủ ceramic Al–SiOx trên bề mặt chi tiết đúc để tăng độ cứng và chống mài mòn.
• Ứng dụng mô phỏng CFD và FEA để tối ưu thiết kế khuôn đúc và quá trình làm nguội.
• Khảo sát hiệu ứng lan truyền nhiệt và tự đông đặc trong quá trình in kim loại.