Nhôm 2007: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

2007 là một thành viên của hợp kim nhôm series 2xxx, nhóm hợp kim có đồng làm nguyên tố hợp kim chính. Các hợp kim trong series này được phân loại là hợp kim nhôm đồng(-magie/mangan) có thể xử lý nhiệt và được thiết kế để đạt độ bền cao thông qua tôi lại tạo kết tủa thay vì chỉ gia công lạnh.

Nguyên tố chính trong 2007 là đồng (yếu tố tạo cường độ chính), kết hợp với lượng kiểm soát magie và mangan để điều chỉnh tốc độ kết tủa và cấu trúc hạt; sắt, silic, crôm và titan xuất hiện dưới dạng tạp chất kiểm soát hoặc bổ sung vi hợp kim. Cơ chế tăng cường là tôi già - xử lý nhiệt dung dịch, làm nguội nhanh và già hóa nhân tạo tạo ra các pha kết tủa theta (Al2Cu) và các pha liên quan làm tăng đáng kể giới hạn chảy và giới hạn bền kéo.

Đặc tính chính của 2007 bao gồm tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao, khả năng gia công cơ khí vừa phải và tính dẫn nhiệt khá so với các hợp kim 2xxx khác. Khả năng chống ăn mòn kém hơn so với hợp kim series 5xxx và 6xxx, và tính hàn bị giới hạn nếu không sử dụng vật liệu hàn đặc biệt và xử lý sau hàn; khả năng tạo hình tốt khi ở trạng thái ủ mềm và già hóa tự nhiên nhưng giảm dần khi nâng cao độ bền nhờ già hóa nhân tạo.

Các ngành công nghiệp sử dụng 2007 điển hình bao gồm cấu kiện phụ trợ và phụ kiện trong hàng không đòi hỏi độ bền cao và khả năng chống mỏi, các hệ thống quốc phòng và vũ khí cho các bộ phận kết cấu, cùng các ứng dụng ô tô đặc chủng cần cải thiện cục bộ về độ bền. Kỹ sư chọn 2007 khi cần sự kết hợp giữa độ bền tĩnh và chống mỏi khá mà không muốn chi phí cao hay xử lý phức tạp của hợp kim nhôm-lithi hoặc các hợp kim 7xxx có độ bền cao hơn.

Biến thể trạng thái nhiệt

Trạng thái	Cấp độ cường độ	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Trạng thái ủ mềm hoàn toàn, độ dẻo tối đa phục vụ tạo hình
H14	Trung bình	Thấp – Trung bình	Kém – Trung bình	Trung bình	Dùng gia công biến dạng để tăng cường độ vừa phải; giới hạn uốn cong
T4	Trung bình	Trung bình	Tốt	Trung bình	Đã xử lý dung dịch và già hóa tự nhiên; cân bằng giữa cường độ và khả năng tạo hình
T5	Trung bình – Cao	Thấp – Trung bình	Trung bình	Trung bình	Làm nguội từ nhiệt độ cao và già hóa nhân tạo
T6	Cao	Thấp	Kém – Trung bình	Khó khăn	Đã xử lý dung dịch và già hóa nhân tạo đạt độ bền tối đa
T651	Cao	Thấp	Kém – Trung bình	Khó khăn	T6 có thêm kéo giãn để giảm ứng suất dư

Trạng thái nhiệt được chọn cho 2007 quyết định sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo. Các trạng thái ủ mềm (O) và già hóa tự nhiên (T4) cho phép kéo sâu và tạo hình phức tạp, trong khi các trạng thái già hóa nhân tạo (T5/T6/T651) đem lại độ bền tĩnh và chống mỏi cao nhất nhưng ảnh hưởng đến khả năng uốn và kiểm soát hồi xuân.

Xử lý nhiệt và cơ học cũng ảnh hưởng đến tính hàn và ứng suất dư. Các trạng thái có độ bền cao thường bị làm mềm ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và có thể cần xử lý già hóa sau hàn hoặc gia cố cục bộ để khôi phục khả năng chịu tải.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	% Thành phần	Ghi chú
Si	≤ 0.5	Silic kiểm soát nhằm hạn chế các pha kết tinh/gây khuyết tật; Si cao làm giảm độ dẻo
Fe	≤ 0.5	Sắt là tạp chất; Fe quá mức tạo pha giòn intermetallic
Mn	0.3–1.0	Kiểm soát cấu trúc hạt, tạo phân tán; cải thiện độ dai và quá trình tái kết tinh
Mg	0.2–1.0	Hỗ trợ quá trình tạo kết tủa và tăng cường độ khi phối hợp với Cu
Cu	3.5–5.0	Nguyên tố chính tạo cường độ qua kết tủa Al2Cu
Zn	≤ 0.25	Ít; hàm lượng cao không phổ biến trong series 2xxx
Cr	≤ 0.25	Vi hợp kim kiểm soát sinh trưởng hạt và giảm nhạy cảm khi làm nguội
Ti	≤ 0.15	Tinh luyện hạt khi được bổ sung có chủ đích
Khác (mỗi thứ)	≤ 0.05–0.15	Nguyên tố vết và cân bằng nhôm đến 100%

Phần còn lại là nhôm, với các nguyên tố trên được điều chỉnh để đạt mục tiêu cơ học và tính gia công. Hàm lượng đồng quyết định trực tiếp khả năng tôi già và cường độ tối đa, trong khi magie và mangan điều chỉnh tốc độ kết tủa và khả năng chống tái kết tinh trong quá trình xử lý nhiệt và cơ.

Tính chất cơ học

Khi xử lý đến trạng thái già hóa tối ưu (T6/T651), 2007 cho thấy giới hạn bền kéo và chảy cao, tương đương với các hợp kim 2xxx cường độ cao khác. Đường cong kéo thường có đoạn bằng hay gia công biến dạng dần phụ thuộc vào trạng thái nhiệt và dạng sản phẩm. Độ dãn dài tỉ lệ nghịch với cường độ; tấm hoặc phiến đạt trạng thái già hóa có độ dãn thấp hơn đáng kể so với trạng thái ủ mềm.

Độ cứng tương quan với quá trình già hóa và là chỉ số kiểm soát thực tiễn trong sản xuất; độ cứng Rockwell hoặc Brinell tăng rõ rệt từ trạng thái ủ mềm lên T6. Hành vi chống mỏi nhìn chung tốt hơn so với các hợp kim cường độ thấp trong cùng dạng sản phẩm, nhưng tuổi thọ mỏi nhạy cảm với điều kiện bề mặt, tập trung ứng suất cục bộ và môi trường ăn mòn. Độ dày và dạng sản phẩm cũng ảnh hưởng cơ học qua độ nhạy làm nguội; tiết diện dày thường đạt độ bền tối đa thấp hơn và chịu ứng suất dư do làm nguội nhanh lớn hơn.

Tính chất	Trạng thái O/Ủ mềm	Trạng thái chính (T6 / T651)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo (MPa)	180–260	400–480	Giá trị tối đa phụ thuộc độ dày và chu trình già hóa
Giới hạn chảy (MPa)	70–140	300–370	Giới hạn chảy 0.2%; chịu ảnh hưởng của lịch sử gia công và trạng thái nhiệt
Độ dãn dài (%)	20–35	8–15	Tăng cao khi ở trạng thái O/T4; trạng thái T6 đánh đổi độ dãn lấy độ bền
Độ cứng (HB)	35–80	110–160	Phạm vi Brinell; độ cứng phụ thuộc mạng phân bố các pha kết tủa

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.78 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al-Cu; hơi cao hơn nhôm nguyên chất do hợp kim hóa
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~500–650 °C	Nhiệt độ nóng chảy rắn/lỏng thay đổi theo thành phần và tạp chất
Độ dẫn nhiệt	120–160 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết do sự có mặt của đồng và các nguyên tố hòa tan khác
Độ dẫn điện	25–40 %IACS	Giảm so với nhôm 100%; thay đổi theo trạng thái nhiệt và mức gia công lạnh
Nhiệt dung riêng	~880–900 J/kg·K	Giá trị gần đúng ở nhiệt độ môi trường
Hệ số giãn nhiệt	22–24 µm/m·K	Giá trị nằm trong phạm vi chung của hợp kim nhôm

Tính chất vật lý phản ánh sự đánh đổi giữa việc bổ sung đồng để tăng cường độ và duy trì hiệu suất nhiệt, điện trong phạm vi sử dụng được. Độ dẫn nhiệt vẫn cao hơn nhiều so với thép, giúp ứng dụng trong quản lý nhiệt, nhưng cần lưu ý giảm dẫn nhiệt so với hợp kim 6xxx hoặc 1xxx khi thiết kế yêu cầu truyền nhiệt tối đa.

Hệ số giãn nở nhiệt tương tự như các hợp kim nhôm khác, giúp 2007 tương thích với các lắp ráp nhôm nhưng cần lưu ý khi ghép nối với vật liệu khác loại. Phạm vi nóng chảy và rắn-lỏng đòi hỏi quy trình hàn và hàn kiểu brazing được kiểm soát để tránh chảy cục bộ và hóa lỏng tại ranh giới hạt.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Điển Hình	Đặc Tính Cơ Lực	Dạng Ứng Xử Lý Nhiệt Thông Dụng	Ghi Chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Tốt ở độ dày mỏng; độ nhạy lạnh tôi ít nghiêm trọng	O, T4, T6	Được sử dụng rộng rãi cho các chi tiết tạo hình và tấm bọc
Đĩa (Plate)	6–100+ mm	Độ bền có thể giảm ở tiết diện dày do quá trình làm nguội chậm	T4, T6	Đĩa dày cần kiểm soát quá trình làm nguội và có thể cần tôi già sau đó
Đùn	Tiết diện thay đổi	Tính chất cơ học phụ thuộc độ dày tiết diện và xử lý tôi tôi	T4, T5, T6	Đùn cho phép tạo hình profile phức tạp; kiểm soát phân bố kết tủa rất quan trọng
Ống	Đường kính ngoài OD và độ dày thành ống thay đổi	Tương tự tính chất vật liệu đùn; cần quản lý vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ và biến dạng	O, T4, T6	Ống liền mạch hoặc hàn sử dụng cho các kết cấu chịu lực
Thanh/Trục	Đường kính ≤ 200 mm	Thông thường tính chất trục dọc tốt; độ đồng đều tôi già quan trọng	O, T4, T6	Phù hợp để rèn hoặc gia công chi tiết

Các dạng sản phẩm khác nhau đặt ra giới hạn riêng cho quá trình xử lý nhiệt và tốc độ làm nguội. Tấm mỏng và phần tiết diện đùn nhỏ có thể làm nguội nhanh chóng và đạt được độ bền tôi già tối đa một cách ổn định, trong khi đĩa dày hoặc đùn tiết diện lớn có thể cần quá trình làm nguội gián đoạn, giảm mục tiêu lực bền tối đa hoặc kéo dài thời gian tôi già nhân tạo để đạt được tính chất cân bằng trong toàn tiết diện.

Quy trình chế biến cũng quyết định sự phù hợp ứng dụng cuối cùng: tấm và đĩa thường dùng khi cần dập và tạo hình trước khi tôi già cuối cùng, trong khi đùn và thanh thường được xử lý tôi tôi/già để tận dụng đặc tính cơ học theo hướng. Hàn các dạng sản phẩm khác nhau có thể yêu cầu lựa chọn vật liệu hàn và kiểm soát nhiệt khu vực ảnh hưởng để giảm thiểu làm mềm HAZ.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	2007	Hoa Kỳ	Được công nhận trong phân loại hợp kim nhôm; thành phần có thể thay đổi với các biến thể phụ
EN AW	2007 (hoặc loại 2xxx)	Châu Âu	Thường liệt kê trong họ EN AW-2007 hoặc EN AW-2xxx; kiểm tra datasheet quốc gia
JIS	A2007 (hoặc tương tự)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật có thể có hợp kim gần tương đương với giới hạn tạp chất hơi khác biệt
GB/T	2007	Trung Quốc	Ký hiệu công nghiệp Trung Quốc bao gồm các biến thể 2007 và 2007A; dung sai hóa học có thể khác

Phù hợp chính xác phụ thuộc vào biến thể cụ thể và tiêu chuẩn kiểm soát; một số khu vực liệt kê 2007A hoặc 2007S với sự khác biệt tinh tế về đồng, magiê và mangan. Khi thay thế giữa các tiêu chuẩn, cần xác minh tính chất cơ học, quy trình xử lý nhiệt và giới hạn tạp chất cho phép chứ không chỉ dựa vào tên mác.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Khả năng chống ăn mòn khí quyển của 2007 ở mức trung bình đến kém so với dòng hợp kim không tôi tôi; đồng làm tăng độ nhạy với ăn mòn tổng thể và ăn mòn cục bộ so với các hợp kim 5xxx và 6xxx. Các lớp phủ bảo vệ, lớp phủ Alclad hoặc các xử lý chuyển đổi bề mặt thường được sử dụng nhằm giảm tác động môi trường trong các ứng dụng ngoài trời.

Môi trường biển là mối quan tâm: môi trường có độ mặn cao làm tăng tốc độ ăn mòn hốc và ăn mòn khe ở hợp kim chứa đồng, và 2007 không được bảo vệ thường không khuyến nghị dùng làm thành kết cấu chính của thân tàu trong môi trường biển. Biện pháp bảo vệ cathodic và cách ly vật liệu tránh hiện tượng điện hóa là các phương pháp phổ biến khi phải sử dụng 2007 gần các kim loại khác.

Ứng suất ăn mòn (SCC) có thể xảy ra với hợp kim 2xxx cường độ cao khi chịu ứng suất kéo trong môi trường chứa chloride ăn mòn. Sự kết hợp của ứng suất dư kéo, cấu trúc vi mô dễ bị tổn thương và môi trường ăn mòn thúc đẩy ăn mòn hạt và SCC; thực tiễn thiết kế thường tránh duy trì ứng suất kéo cao trong môi trường ăn mòn hoặc yêu cầu các biện pháp bảo vệ.

Tương tác điện hóa với các kim loại khác phải được kiểm soát: 2007 kết hợp với thép không gỉ có thể chấp nhận được nếu được cách điện, nhưng tiếp xúc trực tiếp với kim loại quý hơn mà không ngăn cách sẽ thúc đẩy sự hòa tan nhôm. So với các dòng hợp kim khác, 2007 có độ bền ưu việt nhưng cần chiến lược bảo vệ ăn mòn mạnh mẽ hơn so với hợp kim nhôm 5xxx và 6xxx.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 2007 cần thận trọng vì hàm lượng đồng cao làm tăng nguy cơ nứt nóng và giảm độ bền hàn trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Thường tránh hàn kết cấu xuyên thấu hoàn toàn khi có thể; nếu phải hàn, nên sử dụng vật liệu hàn hòa hợp Al-Cu (ví dụ vật liệu hàn Al-Cu-Mn như 2319) và kiểm soát nhiệt đầu vào, cũng như xử lý nhiệt trước và sau hàn. Dự kiến có làm mềm vùng HAZ trong trạng thái T6 và tương tự; cần xử lý tôi tôi lại sau hàn và tôi già lại hoặc tăng cường cục bộ để hồi phục tính chất kim loại gốc.

Khả năng tiện gia công

Gia công 2007 nhìn chung tốt so với nhiều hợp kim nhôm hàng không do độ bền tương đối cao và khả năng tạo phoi kiểm soát; máy gọt sạch hơn so với một số hợp kim có hàm lượng silic cao nhưng không dễ gia công bằng như các biến thể 2xxx có khả năng tiện tự do (free-machining). Đề nghị dùng dao carbide góc cắt dương và lượng mát lớn; bề mặt đạt được ở tốc độ cắt vừa đến cao, với tốc độ tiến dao để tạo phoi ngắn dễ kiểm soát và tránh tạo bavia hoặc phoi bám.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình phụ thuộc mạnh vào trạng thái tôi: trạng thái O và T4 cung cấp độ dẻo uốn và kéo tốt nhất, trong khi T6 và các trạng thái tôi cứng biến dạng có khả năng tạo hình ở nhiệt độ phòng hạn chế. Bán kính uốn tối thiểu nên dựa trên trạng thái tôi và độ dày; nói chung, tấm tôi tôi hoàn toàn (annealed) có thể uốn với bán kính từ 1–2 lần độ dày cho nhiều thao tác, trong khi T6 có thể cần bán kính lớn hơn hoặc tạo hình ở nhiệt độ ấm để tránh nứt. Uốn gián đoạn và sử dụng dụng cụ bán kính phù hợp giúp giảm hiện tượng nứt tại chỗ ở các trạng thái cường độ cao.

Đặc Tính Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim có thể xử lý nhiệt, 2007 đáp ứng tốt chu kỳ xử lý tôi tôi và tôi già cổ điển. Quá trình tôi tôi thường thực hiện ở khoảng 495–520 °C (phụ thuộc kích thước tiết diện và biến thể cụ thể) để hòa tan các pha chứa đồng vào ma trận, tiếp theo là làm nguội nhanh để duy trì giải pháp rắn quá bão hòa. Tốc độ làm nguội rất quan trọng: làm nguội không đủ nhanh sẽ cho kết tủa thô, làm giảm độ bền tối đa đạt được và tăng độ nhạy với làm nguội ở tiết diện dày.

Quá trình tôi già nhân tạo cho trạng thái T6 thường dùng nhiệt độ trong khoảng 150–190 °C với thời gian phụ thuộc độ dày tiết diện và sự cân bằng tính chất mong muốn; xử lý nhiệt độ thấp thời gian dài làm giảm độ nhạy lạnh tôi và cải thiện độ dai va đập nhưng đổi lấy độ bền tối đa thấp hơn đôi chút. T4 (tôi già tự nhiên) cho độ bền ở mức trung bình và khả năng tạo hình tốt hơn nhờ kết tủa kiểm soát ở nhiệt độ phòng; T5 dùng khi chi tiết được làm nguội từ quá trình gia công nhiệt độ cao rồi tôi già đến độ cứng định sẵn.

Với quá trình không xử lý nhiệt (cứng biến dạng), kiểm soát biến dạng lạnh và nhiệt độ tôi tôi được dùng để thiết lập tính chất trung gian. Chu kỳ tôi tôi hoàn toàn làm mềm vật liệu đạt trạng thái O, cho phép thực hiện các thao tác tạo hình trước khi tôi già cuối cùng để đạt hiệu suất tối ưu.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

2007 mất dần độ bền khi nhiệt độ tăng do các hạt kết tủa lớn lên và ma trận mềm hơn; nhiệt độ làm việc trên khoảng 120–150 °C sẽ làm giảm đáng kể giới hạn chảy và giới hạn bền kéo so với điều kiện nhiệt độ phòng. Với chịu tải ngắn hạn hoặc gián đoạn đến ~200 °C, nhiều tính chất vẫn được giữ lại, nhưng tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao làm tăng quá trình quá già và kết cấu vi mô thô.

Khả năng chống oxy hóa tương tự các hợp kim nhôm khác — lớp phim Al2O3 bảo vệ hình thành nhanh chóng ở nhiệt độ cao — nhưng yếu tố giới hạn cơ tính là sự không ổn định cấu trúc vi mô bên trong hơn là oxy hóa bề mặt. Hành vi vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ trong quá trình gia công nhiệt hoặc hàn cần chú ý, vì làm mềm cục bộ có thể gây tập trung ứng suất và giảm tuổi mỏi vật liệu.

Ứng dụng

Ngành công nghiệp	Ví dụ về chi tiết	Lý do sử dụng 2007
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, giá đỡ, khung phụ	Độ bền trên trọng lượng cao và khả năng chống mỏi cho các phụ kiện quan trọng
Ô tô	Gia cố kết cấu, thành phần khung xe	Độ bền cục bộ cao khi cần giảm trọng lượng
Hàng hải	Phụ kiện kết cấu chuyên dụng (đã phủ bảo vệ)	Độ bền tốt khi được bảo vệ; sử dụng cho phụ kiện hải quân không quan trọng
Quốc phòng	Vỏ vũ khí, chi tiết kết cấu	Độ bền tĩnh cao và khả năng gia công chính xác cho chi tiết cơ khí
Điện tử	Tản nhiệt, giá đỡ cơ khí	Khả năng dẫn nhiệt và độ cứng kết hợp với khả năng gia công

Hợp kim 2007 thường được lựa chọn cho các chi tiết yêu cầu độ bền cao hơn so với các hợp kim nhóm 6xxx phổ biến nhưng vẫn giữ được mật độ thấp và khả năng gia công của nhôm. Các biện pháp xử lý bề mặt và dự phòng thiết kế thường được áp dụng khi dự kiến có tiếp xúc với môi trường ăn mòn.

Thông tin lựa chọn

Sử dụng 2007 khi thiết kế của bạn ưu tiên độ bền cao và khả năng chống mỏi tốt trong nhôm, đồng thời có tính chất gia công chấp nhận được và kiểm soát được sự ăn mòn bằng cách phủ hoặc mạ bảo vệ. Đây là vật liệu phù hợp nhất khi cần làm cứng theo thời gian (age-hardening) để đạt được mục tiêu độ bền cụ thể sau khi tạo hình hoặc gia công.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 2007 đánh đổi khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cũng như độ dẻo để đạt độ bền cao hơn đáng kể và cải thiện hiệu suất chống mỏi. So với các hợp kim làm cứng do biến dạng như 3003 hay 5052, 2007 mang lại độ bền cực đại cao hơn rõ rệt nhưng đòi hỏi bảo vệ chống ăn mòn nghiêm ngặt hơn và ít phù hợp cho chế tạo sâu ở trạng thái T6. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt phổ biến như 6061 hoặc 6063, 2007 cung cấp độ bền cao hơn ở nhiều trạng thái nhưng độ bền ăn mòn kém hơn và yêu cầu kỹ thuật hàn phức tạp hơn; chọn 2007 khi độ bền và khả năng chống mỏi quan trọng hơn các yếu tố hàn và ăn mòn.

Tóm tắt

2007 vẫn rất phù hợp khi cần kết hợp mật độ thấp của nhôm với khả năng chịu lực và chống mỏi cao, đặc biệt trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, quốc phòng và một số ứng dụng ô tô chọn lọc. Việc sử dụng hiệu quả 2007 phụ thuộc vào việc lựa chọn trạng thái vật liệu phù hợp, kiểm soát quy trình xử lý nhiệt và chiến lược bảo vệ chống ăn mòn nhằm cân bằng ưu điểm độ bền cao với hạn chế về khả năng hàn và độ nhạy môi trường.