Nhôm 7012: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

7012 thuộc nhóm hợp kim nhôm 7xxx, một họ hợp kim có kẽm là nguyên tố hợp kim chính, với magiê và đồng là các thành phần phụ. Các hợp kim này thường được pha chế để đạt độ bền cao thông qua quá trình làm cứng lão hóa kết tủa và được phân loại trong nhóm hợp kim nhôm có thể xử lý nhiệt thay vì các loại chỉ được làm cứng cơ học.

Nguyên tố hợp kim chính trong 7012 gồm kẽm (Zn), magiê (Mg) và đồng (Cu), thường đi kèm với các lượng kiểm soát của crôm (Cr), titan (Ti) và lượng rất nhỏ sắt (Fe) cùng silic (Si) để kiểm soát quá trình. Cơ chế tăng cường chủ yếu là làm cứng lão hóa (kết tủa MgZn2 và các pha liên quan) sau khi tôi dung dịch và các chu trình lão hóa được kiểm soát; kiểm soát kích thước hạt và phân tán các phân tử từ các phần tử vi lượng hỗ trợ độ bền va đập và kiểm soát quá trình tái kết tinh.

Các đặc điểm chính của 7012 gồm độ bền riêng cao, hiệu suất mỏi từ trung bình đến tốt và độ dai có thể đạt được khi gia công đúng quy trình; khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình và nhạy cảm với tình trạng xử lý nhiệt cũng như địa phương hóa cấu trúc vi mô, trong khi tính hàn có thể bị hạn chế do hiện tượng làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và dễ nứt nóng trong một số điều kiện. Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng hợp kim 7xxx như 7012 gồm chi tiết kết cấu hàng không, quân sự, thiết bị thể thao hiệu suất cao, và các bộ phận ô tô hoặc thủy sản đặc chủng nơi yêu cầu tỷ lệ bền trên khối lượng cao.

Kỹ sư lựa chọn 7012 thay vì các hợp kim khác khi cần sự cân bằng giữa độ bền tĩnh cao, khả năng chịu mỏi tốt và độ dai được tùy chỉnh, đồng thời khi yêu cầu thiết kế vượt trội hơn khả năng tạo hình và hàn đơn giản của các hợp kim cường độ thấp hơn. 7012 được ưu tiên hơn biến thể 7075 có độ bền cao hơn nhưng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất (SCC), khi cần cải thiện hiệu suất chống ăn mòn và duy trì độ dẻo trong các trạng thái xử lý nhiệt cụ thể.

Các biến thể trạng thái nhiệt

Trạng thái nhiệt	Mức độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–30%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn ủ mềm, tốt nhất cho tạo hình và hàn trước xử lý nhiệt cuối cùng
H14	Trung bình	Trung bình (10–18%)	Tốt (hạn chế kéo sâu)	Tốt	Làm cứng biến dạng, dùng cho các chi tiết tăng cường bằng làm cứng cơ học
T5	Trung bình-cao	Trung bình (8–14%)	Khá	Bị hạn chế	Làm lạnh từ nhiệt độ cao và được lão hóa nhân tạo; quy trình nhanh hơn
T6	Cao	Trung bình (6–12%)	Hạn chế	Hạn chế (làm mềm vùng HAZ khi hàn)	Được xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa nhân tạo đạt độ bền cực đại
T651	Cao	Trung bình (6–12%)	Hạn chế	Hạn chế	Trạng thái T6 kèm giảm ứng suất bằng kéo giãn sau làm nguội; dùng cho các chi tiết cấu trúc quan trọng

Trạng thái nhiệt ảnh hưởng mạnh đến sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo của 7012, với sản phẩm ủ mềm (O) cho khả năng tạo hình tối đa và T6/T651 đạt độ bền cơ học cao nhất nhưng đánh đổi với độ giãn dài. Chuỗi gia công thực tế thường bao gồm tạo hình trạng thái O rồi xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa, hoặc áp dụng lão hóa tiền kiểm soát (T5) khi cần ổn định kích thước mà không cần xử lý dung dịch hoàn toàn.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	0.10–0.40	Giới hạn tạp chất điển hình để tránh các pha liên kim giòn
Fe	0.10–0.50	Mức tạp chất; thúc đẩy hạt liên kim thô nếu không kiểm soát
Mn	0.05–0.30	Thêm nhỏ để cải thiện cấu trúc hạt và độ dai va đập
Mg	1.0–2.5	Thành phần chính tăng cường cùng với Zn qua kết tủa Mg-Zn
Cu	0.2–2.0	Tăng cường độ bền và độ cứng tối đa nhưng có thể giảm khả năng chống ăn mòn ứng suất SCC
Zn	3.5–6.5	Nhân tố chính tạo bền qua kết tủa MgZn2 trong quá trình lão hóa
Cr	0.05–0.25	Kiểm soát vi cấu trúc nhằm ngăn tái kết tinh và cải thiện độ dai
Ti	0.02–0.15	Chất tinh chỉnh hạt dùng trong sản phẩm đúc và rèn
Khác	Cân bằng Al, tạp chất vi lượng	Cân bằng nhôm với kiểm soát chặt các nguyên tố tạo pha có nhiệt độ nóng chảy thấp

Tỷ lệ tương đối giữa Zn, Mg và Cu quyết định động học kết tủa và độ bền cực đại có thể đạt được so với độ dai và khả năng chống ăn mòn. Các nguyên tố vi lượng và tạp chất ảnh hưởng đến kích thước hạt, hành vi tái kết tinh, hình thành các phần tử phân tán và tính nhạy cảm với ăn mòn cục bộ hoặc nứt nóng trong quá trình gia công.

Tính chất cơ học

Trong điều kiện chịu kéo, 7012 cho thấy giới hạn bền kéo cao ở các trạng thái lão hóa thích hợp, với giới hạn chảy thường gần với giới hạn bền do ma trận được làm cứng bởi kết tủa. Độ giãn dài đến phá hủy giảm khi độ bền tăng; các trạng thái kiểu T6 có độ dẻo trung bình đủ cho nhiều chi tiết kết cấu nhưng đòi hỏi thiết kế cẩn trọng với các ứng dụng chịu biến dạng lớn.

Độ cứng tương quan với mức độ lão hóa; trạng thái đạt đỉnh lão hóa cho độ cứng và độ bền tĩnh cao nhất, trong khi quá lão hóa đánh đổi độ bền để cải thiện độ dai va đập và khả năng chống ăn mòn. Hiệu suất mỏi của hợp kim 7xxx nói chung tốt khi vi cấu trúc được tối ưu hóa và bề mặt kiểm soát tốt, nhưng tuổi thọ mỏi nhạy cảm với các khuyết tật vi cấu trúc và vết xước bề mặt.

Chiều dày ảnh hưởng mạnh tới các tính chất cơ học có thể đạt được do tốc độ làm nguội và ứng suất còn lại thay đổi theo độ dày; các tiết diện dày khó xử lý nhiệt dung dịch và làm nguội hoàn toàn, làm giảm độ bền đạt được và có thể làm tăng nguy cơ biến dạng do làm nguội.

Tính chất	Trạng thái O/Ủ mềm	Trạng thái chính (ví dụ T6/T651)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	~120–200 MPa	~450–560 MPa	Độ bền đạt đỉnh kiểu T6 phổ biến cho hợp kim 7xxx giàu kẽm
Giới hạn chảy	~40–110 MPa	~380–500 MPa	Giới hạn chảy gần bằng giới hạn bền ở trạng thái cường độ cao; thiết kế tương ứng
Độ giãn dài	20–30%	6–12%	Độ dẻo giảm ở trạng thái đạt đỉnh; phụ thuộc chiều dày
Độ cứng (HB)	30–60 HB	120–170 HB	Độ cứng phản ánh trạng thái kết tủa; quá lão hóa giảm cứng nhưng cải thiện độ dai

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	~2.78 g/cm³	Cao hơn nhôm tinh khiết do có thêm nguyên tố hợp kim
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~475–635 °C	Điển hình cho dòng 7xxx; nhiệt độ rắn lỏng tùy thành phần
Độ dẫn nhiệt	~120–160 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết; giảm khi tăng nguyên tố hợp kim
Độ dẫn điện	~30–45% IACS	Giảm do tán xạ điện tử từ hợp kim; thay đổi theo trạng thái nhiệt và thành phần
Nhiệt dung riêng	~0.88–0.95 J/g·K	So sánh với các hợp kim nhôm khác; hữu ích cho tính toán khối nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt	~23.5 ×10⁻⁶ /K	Giống các hợp kim nhôm rèn khác trong vùng nhiệt độ môi trường

Hành vi vật lý của 7012 làm cho hợp kim này hấp dẫn khi cần tỷ lệ bền trên khối lượng cao trong khi vẫn giữ được độ dẫn nhiệt phù hợp cho một số bộ phận quản lý nhiệt. Sự kết hợp giữa độ dẫn nhiệt trung bình và mật độ tương đối thấp có lợi cho ứng dụng yêu cầu trọng lượng nhẹ và hiệu suất nhiệt cùng kết cấu.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi bền	Trạng thái nhiệt phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Đồng đều tốt ở mỏng	O, T5, T6	Thông dụng cho tấm panel và chi tiết tạo hình; làm nguội nhanh hiệu quả với độ dày mỏng
Đố tấm	6–200 mm	Độ bền tối đa thấp hơn ở tiết diện dày	T6 (hạn chế), T651	Tiết diện dày bị giới hạn trạng thái do tốc độ làm nguội và biến dạng
Thanh định hình (extrusion)	Hình dạng dài vài mét	Bền tốt theo chiều dài thanh; phụ thuộc tiết diện	T6, T5	Được tạo hình tiết diện phức tạp; quản lý làm nguội quan trọng
Ống	Đường kính ngoài 6–200 mm	Độ bền phụ thuộc vào độ dày thành và quy trình	T6, T651	Dùng cho ống kết cấu độ bền cao; có thể hàn và ERW
Thanh tròn/đặc	Đường kính 5–200 mm	Đặc tính đồng nhất nếu gia công đúng	O, T6	Dùng cho chi tiết gia công và bulông; tôi lão hóa sau khi tạo hình

Tấm và thanh định hình mỏng thường được sử dụng nhiều nhất để đạt độ bền cực đại sau làm nguội nhanh; đố tấm và thanh định hình dày cần thiết kế quy trình cẩn trọng để giảm thiểu mất độ bền do làm nguội và biến dạng. Lựa chọn dạng sản phẩm phụ thuộc yêu cầu tính chất cơ học, dung sai kích thước và gia công sau (tiện, hàn, xử lý nhiệt).

Các mác tương đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	7012	USA	Được công nhận là hợp kim dạng rèn thuộc dòng 7xxx trong một số danh mục nhà cung cấp
EN AW	Không có tương đương trực tiếp	Châu Âu	Không có tương đương EN AW chính xác; có tính chất tương tự các hợp kim Al-Zn-Mg cường độ cao hơn
JIS	Không có tương đương trực tiếp	Nhật Bản	Thông số khu vực khác nhau; thiết kế dựa trên thành phần hóa học thay vì thay thế trực tiếp mác
GB/T	Không có tương đương trực tiếp	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc có thể cung cấp tương đương chức năng trong các dòng 7xxx thương mại

Không phổ biến để có tương đương một-một trực tiếp cho 7012; các kỹ sư thường đối chiếu dựa trên thành phần hóa học và ma trận tính chất cơ học hơn là tên mác chính xác. Khi quy định cho mua hàng quốc tế, cần xác minh dải thành phần và đảm bảo thuộc tính cơ học thay vì chỉ dựa vào tên mác.

Khả năng chống ăn mòn

Khả năng chống ăn mòn khí quyển của 7012 ở mức trung bình và phụ thuộc nhiều vào temper, trạng thái bề mặt và thành phần hợp kim. Trong trạng thái lão hóa đạt đỉnh, sự kết hợp của Zn và Cu có thể làm tăng độ nhạy cảm với ăn mòn cục bộ so với các hợp kim 5xxx hoặc 6xxx có hàm lượng hợp kim thấp hơn, đặc biệt nếu lớp film bề mặt bị tổn hại.

Trong môi trường biển, 7012 cần các biện pháp bảo vệ như lớp phủ cladding, anode hóa hoặc lớp phủ chuyên dụng để đạt hiệu suất lâu dài tương đương các hợp kim có khả năng chống ăn mòn cao hơn; nếu không có bảo vệ, hiện tượng pitting và ăn mòn giữa các hạt (intergranular) có thể xảy ra trong môi trường clorua ăn mòn mạnh. Rủi ro nứt ăn mòn ứng suất (SCC) tồn tại trên các temper cường độ cao và bị ảnh hưởng bởi hàm lượng Cu, xử lý nhiệt, ứng suất còn lại và môi trường làm việc; các biện pháp giảm thiểu gồm lão hóa quá mức (overaging), bảo vệ cathodic và thiết kế hợp lý để giảm ứng suất kéo còn lại.

Tương tác điện hóa với kim loại quý hơn (thép không gỉ, đồng) có thể tăng tốc ăn mòn cục bộ; 7012 nên được cách điện khi ghép nối với các vật liệu này trong môi trường biển hoặc ẩm ướt. So với các hợp kim 5xxx (giàu Mg), 7012 thường có cường độ tĩnh cao hơn nhưng khả năng chống ăn mòn tổng thể kém hơn và cần các chiến lược bảo vệ ăn mòn mạnh hơn trong điều kiện chứa clorua.

Tính chất gia công

Khả năng hàn

Hàn 7012 gặp khó khăn đối với các temper cường độ cao do vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sẽ mất cứng do hòa tan và phát triển kết tủa làm cứng. Hàn hồ quang khí Tungsten (TIG) hoặc hồ quang khí kim loại (MIG) có thể thực hiện với các loại kim loại phụ thích hợp (ví dụ: hợp kim 5xxx cường độ thấp hơn hoặc kim loại phụ dòng 7xxx đặc biệt), nhưng thiết kế mối hàn phải tính đến giảm cường độ vùng HAZ và nguy cơ nứt nóng; xử lý trước và sau hàn có thể giảm một số vấn đề.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của 7012 nói chung tốt trong trạng thái lão hóa quá mức hoặc ủ, nhưng trở nên khó hơn trong các temper đạt đỉnh do tăng độ cứng và cường độ. Nên sử dụng dụng cụ carbide, gá cố định chắc chắn và tốc độ ăn dao bảo thủ để kiểm soát mài mòn dụng cụ; quá trình tạo phoi thường tạo phoi ngắn phân đoạn nếu tối ưu tốc độ ăn và hình dạng dụng cụ.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình tốt nhất ở trạng thái ủ (O) và giảm nhanh khi temper gia tăng. Bán kính uốn tối thiểu và giới hạn kéo nên tham khảo dữ liệu nhà cung cấp; khi cần tạo hình cho chi tiết sẽ xử lý cường độ, thực hiện tạo hình trong trạng thái O sau đó xử lý dung dịch và lão hóa hoặc dùng temper lão hóa trước (T5) cho tạo hình vừa phải với ít mất tính chất hơn.

Hành vi xử lý nhiệt

7012 có thể xử lý nhiệt theo phương pháp làm cứng kết tủa cổ điển: xử lý dung dịch, làm nguội nhanh, lão hóa nhân tạo. Nhiệt độ xử lý dung dịch thường trong khoảng 470–500 °C tùy kích thước tiết diện và thành phần, giữ đủ lâu để hòa tan các pha tan và đồng nhất cấu trúc vi mô.

Quenching phải nhanh để giữ dung dịch rắn quá bão hòa; làm nguội bằng nước hoặc polymer phổ biến cho các tiết diện mỏng, trong khi tiết diện dày cần kiểm soát cẩn thận để tránh biến dạng do làm nguội và biến động tính chất. Lão hóa nhân tạo thực hiện ở nhiệt độ vừa phải (thường 120–170 °C) để tạo pha MgZn2 kết tủa làm cứng; trạng thái lão hóa đỉnh (T6) cho cường độ tối đa trong khi lão hóa quá mức (T7) tăng độ dai và khả năng chống ăn mòn.

Chuyển đổi temper T liên quan đến cân bằng giữa gia công làm cứng (temper H) và lão hóa nhiệt; T651 cụ thể là temper T6 có giảm ứng suất bằng cách kéo dài sau làm nguội trước khi lão hóa để giảm biến dạng còn lại. Cửa sổ xử lý nhiệt hẹp hơn nhiều so với các hợp kim 6xxx, đòi hỏi kiểm soát quy trình chặt chẽ để đảm bảo tính nhất quán.

Hiệu suất nhiệt độ cao

Cường độ cơ học của 7012 giảm theo nhiệt độ, giảm đáng kể trên khoảng 100 °C và giảm mạnh hơn khi đến 150–200 °C. Khả năng chống creep ở nhiệt độ cao hạn chế so với các hợp kim chuyên dụng chịu nhiệt, nên vận hành liên tục thường giới hạn ở nhiệt độ vừa phải để duy trì cường độ đủ.

Oxy hóa không thường là yếu tố giới hạn ở nhiệt độ làm việc thông thường, nhưng thay đổi cấu trúc do phơi nhiễm nhiệt lâu dài (lão hóa quá mức, kết tủa phát triển) làm giảm cường độ tĩnh và mỏi. Vùng HAZ sau hàn đặc biệt nhạy cảm với suy giảm tính chất khi chịu nhiệt độ cao, cần lưu ý khi sử dụng trong điều kiện nhiệt độ dao động hoặc chịu nhiệt lâu dài.

Ứng dụng

Ngành	Ví dụ linh kiện	Lý do chọn 7012
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, giá đỡ	Cường độ trên trọng lượng cao và hiệu suất chịu mỏi tốt
Hàng hải	Giá đỡ kết cấu	Cân bằng cường độ và quy trình bảo trì chống ăn mòn có thể sửa chữa
Ô tô	Chi tiết kết cấu trọng lượng nhẹ	Tăng cường độ tĩnh cho chi tiết cần nhẹ
Quân sự	Giá treo vũ khí, chi tiết kết cấu nhỏ	Cường độ cao với độ dai tùy chỉnh
Điện tử	Khung kết cấu, bộ tản nhiệt	Độ cứng kết cấu và dẫn nhiệt chấp nhận được

7012 được sử dụng khi người thiết kế cần sự kết hợp giữa cường độ tĩnh cao và tính chịu mỏi tốt, đồng thời chấp nhận đánh đổi về khả năng tạo hình và hàn. Thường được hướng đến các chi tiết mà giảm trọng lượng là yếu tố quan trọng và có thể áp dụng xử lý nhiệt sau tạo hình một cách kinh tế.

Gợi ý lựa chọn

Nên chọn 7012 khi cần một hợp kim nhôm cường độ cao, xử lý nhiệt được với khả năng chống mỏi hợp lý và khi người thiết kế có thể kiểm soát quy trình và bảo vệ chống ăn mòn. Đây là lựa chọn cho các chi tiết hưởng lợi từ làm cứng kết tủa và ổn định kích thước có thể đạt được nhờ xử lý kiểu T651.

So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ 1100), 7012 đánh đổi khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt thấp hơn cũng như kém tạo hình hơn để đổi lấy cường độ tĩnh và khả năng chịu mỏi cao hơn nhiều. So với các hợp kim làm việc ăn mòn phổ biến (ví dụ 3003, 5052), 7012 cung cấp cường độ lớn hơn đáng kể nhưng thường phải dùng lớp phủ hoặc cladding để đạt hiệu suất chống ăn mòn tương đương. So với các hợp kim xử lý nhiệt phổ biến như 6061 hoặc 6063, 7012 có cường độ đỉnh cao hơn nhiều temper nhưng ít được chọn hơn khi ưu tiên khả năng chống ăn mòn tối đa, khả năng hàn hoặc dễ đùn ép.

Kỹ sư nên cân nhắc nhu cầu về cường độ, tuổi thọ mỏi, chiến lược chống ăn mòn, năng lực xử lý nhiệt và chi phí/khả năng cung ứng khi lựa chọn 7012 so với các dòng hợp kim lân cận.

Tóm tắt cuối

7012 vẫn duy trì vị thế là hợp kim nhôm đặc biệt cường độ cao, mang lại tỷ lệ cường độ trên trọng lượng hấp dẫn và hiệu suất chịu mỏi tốt khi được xử lý nhiệt và gia công theo kiểm soát chặt chẽ. Việc sử dụng được biện minh trong các ứng dụng mà hiệu suất kết cấu quan trọng hơn các hạn chế về tạo hình, hàn và phơi nhiễm ăn mòn, đồng thời kiểm soát công nghệ kim loại học kỹ càng để tối ưu cả cơ học lẫn độ bền bỉ.