Алюминий 7072: состав, свойства, обозначения состояния и области применения

Обзор

Сплав 7072 относится к серии 7xxx алюминиевых сплавов и представляет собой алюминиево-цинковый облицовочный сплав, разработанный для обеспечения повышенной коррозионной защиты высокопрочных сплавов серии 7xxx. В отличие от основных конструкционных сплавов серии 7xxx (например, 7075), 7072 имеет химический состав, оптимизированный для устойчивости к поверхностной коррозии и удобства обработки, а не для высокой прочности всей массы материала.

Основным легирующим элементом в 7072 является цинк в умеренных количествах, остальная часть включает практически чистый коммерческий алюминий с незначительными добавками кремния, железа и малыми остатками магния и меди. Сплав не предназначен для упрочнения посредством осадочного твердения; 7072 фактически не поддаётся термообработке с целью достижения значительного эффекта упрочнения, а механические свойства контролируются за счёт высокого уровня чистоты и холодной деформации.

Ключевые свойства 7072 включают отличную атмосферную и морскую коррозионную стойкость при использовании в виде облицовочного слоя, высокую пластичность в отожженном состоянии, хорошее качество поверхности и возможность пайки, а также обычно отличную свариваемость как у алюминиевого металла; однако сплав характеризуется относительно низкой прочностью на растяжение по сравнению с конструкционными термообрабатываемыми сплавами. Типичные области применения — аэрокосмическая облицовка конструкционных листов и плит серии 7xxx, морские и прибрежные конструкционные панели, архитектурные облицовочные элементы, а также некоторые электрические и тепловые применения, где требуется чистая алюминиевая поверхность.

Инженеры выбирают 7072, прежде всего, когда необходима коррозионная защита высокопрочного основания без существенного изменения механических характеристик основного сплава; он предпочтительнее других способов облицовки или покрытия, поскольку обеспечивает хорошую металлургическую связь с матрицей серии 7xxx, лучше сохраняет усталостные характеристики по сравнению с многими органическими покрытиями и образует пластичный, жертвенный защитный слой, устойчивый к питтингу и отслаиванию.

Варианты состояния (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (>20%)	Отличная	Отличная	Полное отожжённое состояние, максимальная пластичность для облицовки и формования
H12	Низкий–Средний	Умеренное (10–18%)	Очень хорошая	Очень хорошая	Лёгкая холодная деформация; сохраняет хорошую формуемость для сложных форм
H14	Средний	Умеренное (8–15%)	Хорошая	Очень хорошая	Типичное коммерческое холоднодеформированное состояние для облицованных листов
H18	Средне–Высокий	Низкое (5–10%)	Удовлетворительная	Хорошая	Повышенная прочность за счёт холодной деформации, сниженная формуемость
H24	Средний	Умеренное	Хорошая	Хорошая	Стабилизированное упрочнённое состояние благодаря частичному отжигу после деформации
T6	Не применимо	Н/Д	Плохая	Н/Д	7072 не является осадочно-упрочняемым сплавом; состояние T6 обычно не применяется

Термическая обработка 7072 основана на путях отжига и упрочнения при деформации, а не на циклах старения. Состояние O обеспечивает наилучшую формуемость и чаще всего используется для операций облицовки, в то время как состояния серии H применяются при необходимости некоторого упрочнения облицовочного слоя в ущерб пластичности.

На практике толщина облицовочного слоя и температура основного сплава взаимодействуют: тонкие облицовки в состоянии O обеспечивают отличную повторяемость форм при последующем формовании сплавов серии 7xxx, в то время как более твёрдые состояния H снижают риск поверхностных трещин при прокатке и транспортировке, но могут уменьшать эффективность жертвенной коррозионной защиты.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	≤ 0.25	Примесь; контролирует литейные и прокатные свойства, включения
Fe	≤ 0.40	Остаток; влияет на структуру зерен и дисперсные включения
Cu	≤ 0.05	Минимальное содержание для предотвращения локальной анодной активности с облицовкой
Mn	≤ 0.10	Незначительная примесь; слегка влияет на измельчение зерна
Mg	≤ 0.15	Очень низкое содержание; не предназначен для осадочного твердения
Zn	0.6–1.3	Основной легирующий элемент для регулирования коррозионного поведения
Cr	≤ 0.05	Примесь; ограничивает рекристаллизацию в некоторых состояниях
Ti	≤ 0.05	Возможны добавки для измельчения зерна в литых изделиях
Другие	Остальное Al, каждое ≤ 0.05 в сумме	Остаточные и следовые элементы по спецификации

Состав 7072 ориентирован на достижение высокочистой алюминиевой матрицы с контролируемым содержанием цинка, достаточным для изменения поверхностной электрокислотности, но низким, чтобы избежать значительного старения и хрупкости от водорода. Следы железа и кремния контролируются для снижения содержания крупных межметаллических включений, которые ухудшают качество поверхности и усталостную прочность.

Поскольку сплав используется преимущественно в качестве защитной жертвенной облицовки, его состав оптимизирован для формирования стабильного прочно сцепленного оксидного слоя и минимизации гальванической разности потенциалов с распространёнными основными сплавами. Минимальное содержание меди и магния помогает избежать образования локальных анодных/катодных пар, способствующих ускоренной коррозии.

Механические свойства

Как облицовочный сплав 7072 демонстрирует характеристики прочности и предела текучести ближе к коммерчески чистому алюминию, чем к конструкционным сплавам серии 7xxx; его кривые растяжения характеризуются низким пределом текучести, умеренной временной прочностью и хорошим равномерным удлинением в отожженном состоянии. Темпера O обычно показывает максимальную пластичность и минимальный предел текучести, что делает его пригодным для сложных операций формования. Холодная деформация в состояния серии H повышает предел текучести и временное сопротивление за счёт упрочнения при деформации, при этом несколько снижаются удлинение и ударная вязкость.

Твёрдость 7072 низкая в состоянии O и увеличивается с холодной деформацией до состояний серии H; типичные показатели по Виккерсу или Роквеллу находятся в диапазоне мягких алюминиевых сплавов и не сопоставимы с высокими значениями у термообработанных авиационных алюминиевых сплавов. Усталостные характеристики 7072 в виде тонкой облицовки сильно зависят от состояния основания и качества сцепления; пластичная и хорошо связанная облицовка может повысить устойчивость к инициированию усталостных трещин, вызванных питтингом, но оказывает незначительное влияние на общую нагрузочную способность. Толщина слоя облицовки определяет её механический вклад: тонкие фольги обеспечивают поверхностную защиту при практически нулевом увеличении прочности, в то время как более толстые покрытия могут немного увеличить жёсткость сечения, но по-прежнему уступают по механическим характеристикам основному сплаву.

Свойство	O/Отожженный	Основное состояние (H14)	Примечания
Временное сопротивление растяжению	60–120 MPa	90–150 MPa	Прочность увеличивается с холодной деформацией; значения зависят от толщины и обработки
Предел текучести	25–50 MPa	55–95 MPa	Низкий предел в состоянии O; состояния H приближаются к средним значениям алюминия
Относительное удлинение	20–35%	8–18%	Отожженное состояние обеспечивает высокое равномерное удлинение для формования
Твёрдость	25–40 HV	35–55 HV	Низкая абсолютная твёрдость по сравнению с конструкционными термообработанными сплавами

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.70 г/см³	Типично для алюминиевых сплавов; важно для расчёта массы
Диапазон плавления	643–658 °C	Узкий температурный интервал; температура ликвидуса близка к чистому алюминию
Теплопроводность	~210 Вт/м·К	Немного ниже, чем у чистого алюминия за счёт легирующих элементов; высокая для отвода тепла
Электропроводность	~30–40 % IACS	Ниже, чем у чистого алюминия из-за содержания цинка и остаточных примесей
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Типична для алюминиевых сплавов при умеренных температурах
Коэффициент термического расширения	23.5–24.5 µm/m·K	Показатель теплового расширения близок к другим алюминиевым сплавам

Комплекс физических свойств подтверждает пригодность 7072 для применения в случаях, когда требуется лёгкая, проводящая и термически совместимая поверхность; значения электропроводности позволяют использовать сплав в теплообменных и электрических контактах с защитой от коррозии. Коэффициент теплового расширения близок к популярным основным алюминиевым сплавам, что минимизирует термоциклические напряжения на интерфейсе при эксплуатации.

Температурные показатели плавления и теплопроводности важны для процессов обработки: ковки, пайки и сварки, которые зависят от относительно высокой теплопроводности и узкого интервала плавления, близкого к чистому алюминию.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические свойства	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,1–5,0 мм	Тонкий, низкопрочный поверхностный слой	O, H14, H18	Самая распространённая форма для покрытия листов и плит серии 7xxx
Плита	5–50 мм (толщина покрытия 0,05–0,5 мм)	Защита поверхности; минимальное влияние на прочность сердечника	O, H12	Используется в качестве покрытия на конструкционных пластинах в аэрокосмической отрасли
Экструзия	Ограниченное применение, малые сечения	Низкий вклад в конструкционную прочность	O, H14	Редко применяется; доступно для специализированных профилей и накладок
Труба	Тонкостенная покрытая труба	Защита от поверхностной коррозии	O	Специализированное применение для коррозионно-стойких трубопроводов
Пруток/штанга	Малые диаметры	Низкая массовая прочность	O, H14	Типично используется в металлургическом производстве или в качестве припойных заготовок

Листы и тонкие плиты являются доминирующими коммерческими формами для 7072, поскольку основная функция сплава — защита поверхности, а не обеспечение конструкционной прочности. Покрытие обычно получают методом рулонной сварки, горячей прокатки или непрерывного литья на сердечник из серии 7xxx; качество металлургической связи на границе раздела является критическим параметром и контролируется температурой, степенью деформации и состоянием поверхности.

Экструзионные и прутковые формы встречаются редко и обычно предназначены для специализированных применений, требующих коррозионно-стойкой поверхности на малых профилях; такие изделия изготавливаются с контролируемым химическим составом и состояниями для сохранения пластичности при формовке и соединении.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	7072	США	Обозначение алюминиевой ассоциации для сплава покрытия
EN AW	7072	Европа	EN AW-7072 используется в европейской торговле и стандартах для покрытий
JIS	A7072	Япония	Японское стандартное обозначение, соответствующее химии и применению
GB/T	7072	Китай	Китайский стандарт, часто применяемый для покрытий и поверхностных сплавов

Эквивалентные обозначения по стандартам в целом совпадают, так как использование 7072 в качестве покрывного сплава накладывает жёсткие требования по составу и технологии обработки. Существующие различия обычно связаны с максимально допустимым содержанием примесей, требованиями к качеству поверхности или допустимой толщиной покрытия, а не с фундаментальной металлургией.

При закупках из разных регионов важно сравнивать конкретные допуски стандартов на такие элементы, как железо и кремний, а также подтверждать возможность получения качественного металлургического соединения и допустимую толщину покрытия, если материал будет подвергаться рулонной сварке с конструкционным сердечником.

Коррозионная стойкость

7072 обеспечивает отличную атмосферную коррозионную стойкость и часто выбирается именно за способность образовывать прочную оксидную плёнку, устойчивую к питтинговой и общей коррозии как в сельской, так и в морской атмосферах. При использовании в качестве покрывного слоя на высокопрочных сплавах серии 7xxx он действует жертвенно, замедляя расслоение и межкристаллитную коррозию в агрессивных средах. Целостность покрытия и отсутствие сквозных дефектов имеют решающее значение; любые повреждения покрытия обнажают основу и могут привести к локализованному ускоренному разрушению.

В морских условиях 7072 хорошо показывает себя как наружный слой, обеспечивая хорошую защиту от солевого распыла и циклического увлажнения, которые в противном случае ускоряют анодное растворение высокопрочных сердечников. Гальванические взаимодействия между 7072 и типичными сердечниками обычно благоприятны, так как покрытие предназначено быть немного анодным по отношению к сердечнику, защищая его; тем не менее, проектировщикам следует учитывать крепёж, контактные материалы и условия щелевых контактов, которые могут локализовать коррозию.

Риск возникновения коррозионного растрескивания при напряжениях (SCC) для самого 7072 пренебрежимо низок из-за его невысокой прочности; основное опасение связано с сердечниками серии 7xxx, и постоянное покрытие 7072 может значительно снизить восприимчивость высокопрочных сердечников, контролируя поверхностный состав и препятствуя смачиванию межметаллических зернограниц. По сравнению со сплавами семейства 5xxx и 6xxx, 7072 обеспечивает лучшее жертвенное защитное действие с 7xxx сердечниками, но не придаёт им механических преимуществ, присущих этим семействам.

Свойства при обработке

Свариваемость

7072 хорошо сваривается как алюминиевый сплав, однако сварка требует учёта тонкого покрытия и возможного разбавления материалом сердечника при использовании в качестве покрывной системы. При дуговой сварке покрытие/сердечник обычно применяют присадочные материалы 4043 или 5356, в зависимости от требуемой пластичности и коррозионной стойкости; подбор должен минимизировать гальванический дисбаланс и избегать образования хрупких интерметаллидов. Риск горячих трещин невелик для самого 7072, но возрастает при сварке высокопрочных сердечников серии 7xxx из-за их склонности к растрескиванию; для восстановления коррозионной стойкости сердечника могут потребоваться специальные процедуры сварки и постсварочные обработки.

Обрабатываемость резанием

Обрабатываемость 7072 схожа с коммерчески чистым алюминием; сплав легко обрабатывается с хорошим образованием стружки и низкими усилиями резания, хотя пластичность может приводить к образованию длинных и сплошных стружек в мягких состояниях. Рекомендуемый инструмент — твердосплавный или быстрорежущий металл с умеренно высокими скоростями резания и положительными углами врезания; для контроля налипания стружки и обеспечения качества поверхности обычно используется охлаждение. Индекс обрабатываемости умеренный по сравнению со свинцовыми или висмутовыми алюминиевыми сплавами с улучшенной резкостью; 7072 предпочитают, когда важны целостность поверхности и коррозионная стойкость, а не максимальные скорости съёма металла.

Формуемость

Формуемость 7072 в состоянии O отличная, что позволяет выполнять глубокую вытяжку, гибку и сложное штамповочное формоизменение с малыми радиусами изгиба при использовании подходящей смазки и радиусов инструмента. Рекомендации по радиусам гиба обычно соответствуют рекомендациям для мягких алюминиевых листов — минимальные внутренние радиусы порядка 0,5–1,0× толщины для многих операций, тогда как более высокие состояния H требуют больших радиусов и могут нуждаться в промежуточном отжиге для предотвращения трещин на поверхности. Реакция на холодную деформацию предсказуема: пластичность уменьшается с накоплением деформации, и сплав может быть подвергнут повторному отжигу для восстановления формуемости при многоступенчатом формоизменении.

Поведение при термообработке

7072 фактически не поддаётся упрочнению за счёт природного старения; попытки применять типичные циклы растворения и старения, используемые для конструкционных сплавов серии 7xxx, не приведут к значительному упрочнению, поскольку состав сплава не содержит достаточного количества магния и меди. Растворяющая термообработка не является эффективным способом упрочнения 7072 и может вызвать деформации или чрезмерный рост зерна без пользы. Искусственное старение (состояния T) не характерно для 7072, и сплав обычно регулируется механическими состояниями (H) и отжигом (O).

Укрепление деформацией и отжиг — основные металлургические методы контроля: холодная обработка увеличивает прочность и твёрдость за счёт накопления дислокаций, а отжиг при соответствующих температурах (обычно в диапазоне, используемом для отжига коммерчески чистого алюминия) снижает твёрдость и восстанавливает пластичность. Для покрытых изделий графики отжига должны согласовываться с сердечником, чтобы не нарушать состояние термообработки и механические свойства конструкционного ядра.

Работа при высоких температурах

7072 быстро теряет прочность при повышении температуры, подобно другим низколегированным алюминиевым сплавам, и не рекомендуется для несущих конструкций при температурах выше примерно 150–200 °C в течение длительного времени. Окисление алюминия при высоких температурах в основном ограничивается образованием защитного оксида, но длительное нагревание может изменять внешние свойства поверхности и ухудшать механическую связь с некоторыми основами. Зона термообработки (HAZ) при сварке покрывных систем может локально снижать прочность или вызывать охрупчивание сердечника в зависимости от его состава; сам 7072 не сохраняет значительной прочности при высоких температурах и не может защищать сердечник, подвергающийся большим тепловым нагрузкам.

Конструкции, требующие длительной работы при высоких температурах, должны рассматривать альтернативные сплавы или защитные системы; при кратковременных тепловых воздействиях 7072 сохраняет размерную стабильность и защитные свойства, но не обеспечивает механического усиления.

Области применения

Отрасль	Пример изделия	Почему используется 7072
Аэрокосмическая	Облицовочные листы и алюминиевые пластины для панелей фюзеляжа и крыла	Обеспечивает жертвенную коррозионную защиту и сохраняет качество поверхности для высокопрочного сердечника
Судостроение	Панели палуб, облицовка надстроек	Отличная атмосферная и солеспрейная стойкость для открытых поверхностей
Аэрокосмическая/Оборонная	Фитинги и тонкие покрытия	Хорошая формуемость и адгезия для точных защитных слоёв
Электроника	Поверхности тепловых распределителей, корпуса	Высокая теплопроводность и коррозионно-стойкое покрытие
Архитектура	Фасадные панели и жалюзи	Долговечный внешний вид при хорошем уровне обработки металла

Сплав 7072 предпочтителен там, где требуется высококачественная алюминиевая поверхность поверх прочного конструкционного основания: это классический материал для облицовки 7xxx-серии аэрокосмических пластин, а также для морских или архитектурных панелей, где критичны как внешний вид, так и коррозионная стойкость. Во многих случаях тонкий защитный слой позволяет конструкторам использовать высокую прочность сердечника из 7xxx серии, снижая влияние внешней среды без значительного увеличения массы или изменения способов соединения.

Рекомендации по выбору

Используйте 7072, если основная задача — коррозионная защита высокопрочного основания в сочетании с хорошей формуемостью и качественной отделкой поверхности. Особенно актуален для аэрокосмических и морских систем, где важны сохранение долговечности при нагрузках и предотвращение точечной коррозии, а также требуется металлургическое соединение с сердечником из 7xxx серии. Стоимость и доступность обычно выгодны, так как производство сосредоточено на листах и облицовочных пластинах в рамках налаженных цепочек поставок.

По сравнению с технически чистым алюминием (1100), 7072 уступает в электрической проводимости и абсолютной формуемости, но выигрывает по коррозионной стойкости и лучшей совместимости в качестве облицовки для сердечников 7xxx серии; 1100 выбирают при необходимости максимальной проводимости или высокой вытяжки. По сравнению с упрочненными деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 7072 обладает более низкой базовой прочностью, но обеспечивает превосходную жертвенную защиту при использовании в качестве облицовки на высокопрочных основаниях; 3003/5052 предпочтительны при необходимости большей прочности или специфического поведения при формовании. По сравнению с термообрабатываемыми конструкционными сплавами 6061/6063, 7072 не достигает максимальной прочности, однако выбирается, если решающими являются коррозионная защита поверхности и металлургическая совместимость с сердечниками 7xxx серии, а не максимальные показатели на разрыв.

Итог

Сплав 7072 остаётся специализированным, но важным материалом в современной инженерии, где требуется защитное, пластичное алюминиевое покрытие для сохранения рабочих характеристик высокопрочных оснований. Его сочетание хорошей формуемости, отличной коррозионной стойкости и совместимости с сердечниками 7xxx серии обеспечивает актуальность в аэрокосмической, морской и архитектурной областях, где важна целостность поверхности и защита от усталостных повреждений.