Nhôm 7015: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 7015 là thành viên của dòng hợp kim nhôm 7xxx, nhóm hợp kim có kẽm là nguyên tố hợp kim chính, thường được bổ sung magiê và đồng để tăng cường độ cứng kết tủa. Là hợp kim có thể xử lý nhiệt và làm cứng kết tủa, 7015 sử dụng thành phần Zn-Mg-Cu để đạt được độ bền cao thông qua xử lý nhiệt hòa tan, tôi nhanh và lão hóa nhân tạo thay vì bằng làm lạnh nguội.

Những đặc tính chính của 7015 bao gồm giới hạn bền kéo và giới hạn chảy cao, tính chất mỏi từ trung bình đến tốt khi được xử lý và kiểm tra đúng cách, cùng khả năng chống ăn mòn có thể được cải thiện bằng cách lão hóa quá mức hoặc mạ lớp bề mặt. Hợp kim này có tính hàn kém hơn hầu hết các hợp kim 5xxx và 6xxx, đòi hỏi kiểm soát nhiệt và cơ học cẩn thận trong quá trình gia công; khả năng tạo hình đủ tốt ở trạng thái ủ mềm và một số trạng thái tôi khác (H-tempers) nhưng giảm rõ rệt ở trạng thái lão hóa đỉnh.

Hợp kim 7015 được sử dụng trong các thành phần kết cấu hàng không vũ trụ, bu lông chịu lực cao và các ứng dụng ưu tiên tỷ số độ bền trên khối lượng hơn khả năng chống ăn mòn hoặc độ dẫn điện tối đa. Kỹ sư lựa chọn 7015 khi cần độ bền riêng cao hơn so với 6061/6063 và khi tuổi thọ thiết kế cùng độ cứng được ưu tiên nhờ đường xử lý nhiệt tôi và lão hóa thay vì làm cứng bằng biến dạng nguội.

Biến thể trạng thái tôi

Trạng thái	Mức độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (18–30%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn ủ mềm, tốt nhất cho uốn và gia công
F	Rất thấp–thấp	Cao	Xuất sắc	Tốt	Theo trạng thái gia công, không kiểm soát nhiệt độ
H12	Trung bình	Thấp–Trung bình (6–10%)	Khá	Hạn chế	Được làm cứng một phần bằng biến dạng, khả năng uốn hạn chế
H14	Trung bình	Thấp (6–8%)	Khá	Hạn chế	Biến dạng nhẹ để tăng cường độ vừa phải
H114	Trung bình	Trung bình (8–12%)	Tốt	Hạn chế	Trạng thái ổn định nhằm cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất (SCC)
T6	Cao	Thấp–Trung bình (6–10%)	Yếu–Khá	Khó	Lão hóa đỉnh đạt độ bền tối đa, dễ bị nứt ăn mòn ứng suất
T651	Cao	Thấp–Trung bình (6–10%)	Yếu–Khá	Khó	Xử lý nhiệt hòa tan, giảm ứng suất bằng kéo căng, trạng thái phổ biến trong hàng không
T73	Trung bình–Cao	Trung bình (8–12%)	Khá	Trung bình	Lão hóa quá mức để cải thiện khả năng chống ăn mòn và nứt SCC
T76 / T77	Trung bình	Trung bình (8–13%)	Khá	Trung bình	Lão hóa điều chỉnh để tăng khả năng chịu đứt gãy hoặc cải thiện tính chống ăn mòn ứng suất

Việc lựa chọn trạng thái tôi ảnh hưởng lớn đến hiệu suất cuối cùng: trạng thái T6/T651 cung cấp độ bền tối đa nhưng đánh đổi bằng độ dẻo và tăng nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất, trong khi các trạng thái lão hóa quá mức (T73/T76) giảm một phần độ bền cực đại để cải thiện khả năng chống ăn mòn và SCC. Làm cứng nguội (các trạng thái H) cung cấp độ bền trung gian mà không cần xử lý nhiệt hoàn toàn nhưng làm giảm khả năng tạo hình và có thể tạo ra tính chất không đồng nhất theo chiều dày.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0,40	Tạp chất; kiểm soát để giới hạn pha đúc và pha biên hạt
Fe	≤ 0,50	Kiểm soát để giảm số lượng hợp kim có tính giòn, làm tăng độ dai
Cu	1,0–2,0	Góp phần tăng độ bền và tốc độ làm cứng theo tuổi; tăng nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất
Mn	≤ 0,10	Yếu tố phụ; có thể thay đổi cấu trúc tinh thể và cải thiện độ dai nhẹ
Mg	1,6–2,6	Nguyên tố gia cường chính cùng với Zn qua pha MgZn2 kết tủa
Zn	5,0–6,8	Nguyên tố gia cường chủ đạo; kiểm soát độ bền ở trạng thái lão hóa đỉnh
Cr	0,05–0,25	Hợp kim vi lượng để kiểm soát cấu trúc hạt và tái kết tinh
Ti	≤ 0,10	Chất mịn hạt trong sản phẩm đúc và đùn
Khác (Zr, V, vi lượng)	≤ 0,20 tổng	Các hợp kim vi lượng bổ sung để kiểm soát tái kết tinh và cải thiện tuổi thọ mỏi

Hiệu suất của 7015 phụ thuộc vào tỷ lệ cân đối giữa Zn, Mg và Cu, quyết định thể tích, thành phần hóa học và tính kết hợp của các pha kết tủa gia cường sau quá trình lão hóa. Các thành phần phụ như Cr, Zr hoặc Ti giúp điều khiển quá trình tái kết tinh và kích thước hạt trong quá trình gia công nhiệt - cơ, nâng cao độ dai và giảm khả năng ăn mòn tách lớp hay ăn mòn giữa các hạt.

Tính chất cơ học

Về tính chất kéo, 7015 ở trạng thái lão hóa đỉnh (T6/T651) thể hiện giới hạn bền và giới hạn chảy cao, tương đương với các hợp kim 7xxx khác có độ bền cao, phản ứng đàn hồi tuyến tính đến giới hạn chảy và giới hạn dãn đều thấp trước khi chuyển sang biến dạng dẻo. Ở trạng thái ủ mềm (O) có độ bền thấp hơn nhiều nhưng khả năng dẻo dai cao giúp thuận lợi cho quá trình tạo hình nguội hoặc dập sâu trước khi xử lý nhiệt cuối cùng.

Độ cứng theo xu hướng tương tự các tính chất kéo, giá trị độ cứng Brinell hoặc Vickers tăng mạnh sau lão hóa và đạt đỉnh ở trạng thái T6; dữ liệu độ cứng phải được đánh giá kèm theo trạng thái tôi, độ dày và quy trình xử lý nhiệt cụ thể. Tính chống mỏi nhìn chung tốt đối với hợp kim nhôm có độ bền cao nếu bề mặt được kiểm soát và khả năng ăn mòn được hạn chế; tuy nhiên, tính chống mỏi và độ dai chịu đứt gãy suy giảm khi độ bền tăng và khi tồn tại các vết nứt ăn mòn ứng suất hoặc tạp chất kim loại không hòa hợp.

Độ dày ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất đạt được do hiệu quả xử lý nhiệt hòa tan và tôi nhanh giảm theo độ dày tấm; các phần dày khó tôi đồng đều và có thể dẫn đến giới hạn chảy và giới hạn bền kéo thấp hơn. Ứng suất dư từ quá trình tôi và làm thẳng hoặc giảm ứng suất bằng kéo căng (T651) cũng ảnh hưởng đến ổn định kích thước và tuổi thọ mỏi trong ứng dụng kết cấu.

Tính chất	Trạng thái O/Ủ mềm	Trạng thái chính (ví dụ T6/T651)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	230–320 MPa (điển hình)	520–570 MPa (điển hình)	Giá trị thay đổi theo độ dày và lão hóa; T6 đạt độ bền cực đại
Giới hạn chảy	110–200 MPa (điển hình)	470–520 MPa (điển hình)	Giới hạn chảy tăng rõ rệt sau xử lý nhiệt hòa tan và lão hóa
Độ dãn dài	18–30%	6–10%	Độ dãn giảm khi độ bền tăng; phụ thuộc trạng thái tôi và độ dày
Độ cứng	60–90 HB	140–160 HB	Phạm vi độ cứng Brinell ước lượng, phụ thuộc nhiệt xử lý và vi cấu trúc

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	≈ 2,80 g/cm³	Hơi cao hơn nhôm tinh khiết do thành phần hợp kim
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	≈ 475–635 °C	Giới hạn rắn - lỏng phụ thuộc thành phần và tạp chất
Độ dẫn nhiệt	≈ 120–140 W/(m·K)	Thấp hơn nhôm tinh khiết; phụ thuộc trạng thái tôi và làm lạnh nguội
Độ dẫn điện	≈ 30–40 %IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do hợp kim; thay đổi theo trạng thái tôi
Nhiệt dung riêng	≈ 880–910 J/(kg·K)	Giá trị điển hình cho hợp kim nhôm quanh nhiệt độ phòng
Hệ số giãn nở nhiệt	≈ 23–25 µm/(m·K)	So sánh tương đương giữa các hợp kim nhôm; quan trọng trong thiết kế chịu chu kỳ nhiệt

Các tính chất vật lý này phản ánh sự đánh đổi trong quản lý nhiệt và công nghệ ghép nối: độ dẫn nhiệt đủ xài cho nhiều ứng dụng tản nhiệt nhưng thấp hơn nhôm tinh khiết và một số hợp kim 6xxx. Độ dẫn điện giảm do hợp kim cần được cân nhắc khi lựa chọn 7015 cho các ứng dụng điện hoặc nơi điện trở tiếp xúc ảnh hưởng quan trọng.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Tính Chất Cơ Lý	Độ Cứng Thông Thường	Ghi Chú
Tấm	0.5–6 mm	Độ bền đồng đều xuyên suốt chiều dày đến kích thước trung bình	O, H1x, T6, T73	Phổ biến cho các tấm nhẹ và vỏ máy bay; độ dày sâu hạn chế ở trạng thái T6
Đĩa (Plate)	6–200+ mm	Độ bền có thể giảm khi tăng độ dày do giới hạn tôi	O, T6, T651, T73	Đĩa dày cần quá trình làm nguội kiểm soát và thường sử dụng T73 cho các chi tiết yêu cầu chống ăn mòn cao
Đùn (Extrusion)	Độ dày thành biến đổi	Tính chất theo phương hướng; độ bền phụ thuộc vào xử lý nhiệt	O, T6, T651	Có thể tạo biên dạng phức tạp nhưng độ nhạy với làm nguội hạn chế tiết diện lớn
Ống	Thành 0.5–20 mm	Độ bền dọc tốt; đầu ống và mối hàn cần xử lý nhiệt cẩn thận	O, T6	Sử dụng cho ống kết cấu chịu lực cao sau xử lý nhiệt phù hợp
Thanh/Cây	Đường kính 6–200 mm	Đồng nhất nếu gia công và xử lý dung dịch đúng cách	O, T6, T651	Dùng cho phụ kiện, bu lông, và các chi tiết gia công cơ khí

Sự khác biệt trong quá trình gia công ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cuối cùng: tấm và đùn mỏng dễ làm nguội và xử lý tạo độ bền cực đại, trong khi đĩa dày và tiết diện lớn thường cần bộ tản nhiệt đặc biệt hoặc quá trình lão hóa vượt mức để đảm bảo ổn định kích thước và khả năng chống ăn mòn. Ứng dụng thay đổi theo dạng sản phẩm: đùn cho biên dạng phức tạp, đĩa cho chi tiết kết cấu, thanh cho chi tiết gia công chịu lực cao.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Vùng	Ghi Chú
AA	7015	USA	Tiêu chuẩn của Hiệp hội Nhôm Mỹ thường dùng trong ngành hàng không vũ trụ
EN AW	7015	Châu Âu	Tiêu chuẩn EN châu Âu, thường kết hợp với hậu tố độ cứng cụ thể
JIS	A7015 (xấp xỉ)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật tham chiếu hợp kim Zn-Mg-Cu tương tự với mã độ cứng địa phương
GB/T	7015 (xấp xỉ)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc có thể khác biệt về thành phần hóa học và dung sai theo nhà máy

Sự khác biệt tinh tế giữa các tiêu chuẩn khu vực thường liên quan đến mức độ tạp chất cho phép, phạm vi chính xác của Zn/Mg/Cu và các thành phần vi hợp kim bổ sung (Zr/Cr/Ti), cùng giới hạn cơ học định rõ ở các độ dày cụ thể. Khi thay thế một mác từ khu vực khác, kỹ sư cần so sánh kỹ bảng hóa học và cơ lý, quy trình lão hóa và yêu cầu chứng nhận thay vì chỉ dựa vào ký hiệu.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Khả năng chống ăn mòn khí quyển của 7015 ở mức trung bình; trong môi trường nhẹ nhàng hợp kim hoạt động chấp nhận được, nhưng trong môi trường chứa chloride hoặc biển thì dễ bị ăn mòn lỗ và ăn mòn hạt hơn so với các hợp kim series 5xxx hoặc 6xxx. Các biện pháp bảo vệ như anode hóa, phủ nhôm tinh khiết, phủ chromate hoặc sử dụng trạng thái quá lão hóa (T73/T76) cải thiện đáng kể độ bền bề mặt.

Nứt ăn mòn ứng suất (SCC) là yếu tố quan trọng đối với 7015 khi chịu tải lớn và môi trường ăn mòn trong trạng thái lão hóa đỉnh (T6/T651), vì sự kết hợp giữa độ bền cao và các kết tủa ở ranh giới hạt thúc đẩy khởi đầu nứt SCC. Trạng thái quá lão hóa và gia công nhiệt - cơ học kiểm soát làm giảm nguy cơ SCC bằng cách làm kết tủa thô hơn hoặc phân bố lại và giảm ứng suất nội.

Tương tác điện hóa thường gặp ở hợp kim nhôm: 7015 là anode đối với thép không gỉ và một số hợp kim đồng nên cần cách ly hoặc bảo vệ hy sinh trong các cụm lắp ghép kim loại hỗn hợp. So với các hợp kim 5xxx làm cứng bề mặt (ví dụ 5052), 7015 cho độ bền cao hơn nhưng khả năng chống ăn mòn thường kém hơn nếu không được bảo vệ hay quá lão hóa phù hợp.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 7015 gặp khó khăn do hàm lượng kẽm/magie cao và bản chất làm cứng kết tủa; hàn nóng chảy (TIG/MIG) thường gây mất độ cứng ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và tạo vùng mềm giảm đáng kể độ bền. Khuyến nghị sử dụng vật liệu hàn đặc biệt có thành phần tương thích, xử lý nhiệt giải dung dịch và lão hóa sau hàn nếu được, hoặc ưu tiên liên kết cơ học và keo dán cho kết cấu quan trọng. Nguy cơ nứt nóng và rỗ khí tăng cao ở tiết diện dày và khi có nhiễm bẩn hoặc nhập nhiệt không đúng.

Khả năng gia công cơ khí

Gia công 7015 ở trạng thái ủ mềm có khả năng tốt đến rất tốt với việc hình thành phoi ổn định và lực cắt thuận lợi; ở trạng thái lão hóa đỉnh gia công khó hơn và mòn dao nhanh hơn. Khuyến nghị dụng cụ cacbua và kết cấu máy cứng vững, tốc độ cắt trung bình đến cao để hoàn thiện và tốc độ thấp để cắt thô. Bề mặt gia công và các chi tiết chịu mỏi cần thực hiện trong các trạng thái được kiểm soát để tránh hư hại dư.

Khả năng tạo hình

Tạo hình dễ nhất ở trạng thái O và một số trạng thái H1x với độ dẻo cao và bán kính uốn nhỏ; trong trạng thái T6 độ tạo hình kém và có hiện tượng đàn hồi trở lại đáng kể. Bán kính uốn tối thiểu khuyến nghị cho T6 là 2–4×độ dày cho uốn đơn giản, với bán kính nhỏ hơn khả thi ở trạng thái O hoặc H14; tạo hình nóng hoặc chu kỳ giải dung dịch và lão hóa được sử dụng để tạo hình các hình dạng phức tạp trước khi lão hóa cuối. Người thiết kế nên lên kế hoạch tạo hình trước xử lý nhiệt cuối hoặc sử dụng xử lý ổn định sau tạo hình để kiểm soát biến dạng.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

7015 là hợp kim điển hình có thể xử lý nhiệt với phản ứng mạnh qua giải dung dịch rồi làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo. Nhiệt độ giải dung dịch thường từ khoảng 470–480 °C để hòa tan các nguyên tố hợp kim chính vào ma trận bão hòa quá mức; làm nguội nhanh (làm nguội nước) cần thiết để giữ dung dịch rắn quá bão hòa.

Lịch trình lão hóa nhân tạo thay đổi tùy thuộc tính chất mong muốn: T6 thường dùng nhiệt độ thấp hơn (ví dụ 120–145 °C) trong vài giờ để đạt độ bền cực đại, trong khi T73/T76 quá lão hóa dùng nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn để làm thô kết tủa và cải thiện khả năng chống ăn mòn/SCC. Việc chuyển đổi giữa các trạng thái yêu cầu làm nguội kiểm soát, có thể thẳng hoặc kéo giãn (T651), và kiểm soát quá trình chặt chẽ để đạt tính chất cơ học lặp lại.

Để đầy đủ, hành vi không xử lý nhiệt bị hạn chế vì 7015 chủ yếu thiết kế cho làm cứng kết tủa; làm cứng biến dạng có thể tăng độ bền vừa phải nhưng không bằng hiệu quả của giải dung dịch và lão hóa. Ủ mềm (O) làm mềm hoàn toàn vật liệu và được dùng để tạo hình hoặc gia công trước xử lý nhiệt cuối.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Ở nhiệt độ cao, 7015 bị giảm mạnh giới hạn chảy và giới hạn bền kéo, với hiệu suất kết cấu hữu dụng thường giới hạn ở dưới khoảng 120–150 °C. Khả năng chống creep kém so với các hợp kim chịu nhiệt cao; tải trọng duy trì ở nhiệt độ cao thúc đẩy quá lão hóa và kết tủa thô hơn, làm giảm cả độ bền và tuổi thọ mỏi.

Quá trình oxy hóa nhôm ở nhiệt độ dịch vụ này thường tự giới hạn nhờ lớp oxit bảo vệ, nhưng môi trường nhiệt độ cao có tính hóa học ăn mòn hoặc chứa chloride có thể làm tăng tốc độ ăn mòn cả vật liệu và lớp phủ bảo vệ. Vùng ảnh hưởng nhiệt trong các chi tiết hàn đặc biệt dễ mất độ bền và biến đổi vi cấu trúc khi tiếp xúc nhiệt về sau.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 7015
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện thân máy bay và cánh, các chi tiết rèn kết cấu	Độ bền trên trọng lượng cao và hiệu suất mỏi sau các trạng thái nhiệt phù hợp
Hàng hải	Chi tiết kết cấu chịu lực cao, phụ kiện	Khả năng chịu tổn thương tốt khi quá lão hóa và phủ lớp bảo vệ; lợi ích tỉ lệ bền/trọng lượng
Quân sự	Chi tiết giáp, giá đỡ vũ khí	Độ bền và độ cứng cao với khối lượng riêng thấp tương đối
Ô tô	Chi tiết khung xe hiệu năng cao	Tiết kiệm trọng lượng khi độ bền là ưu tiên và sản xuất với khối lượng thấp khả thi
Điện tử	Khung kết cấu, bộ tản nhiệt (giới hạn)	Độ dẫn nhiệt đủ và độ cứng hữu ích trong các cụm nhỏ gọn

7015 được lựa chọn khi thiết kế cần hợp kim kết hợp độ bền riêng chuẩn hàng không vũ trụ với hiệu suất mỏi chấp nhận được và khả năng tùy chỉnh qua quá trình lão hóa để ưu tiên độ bền hoặc chống ăn mòn. Độ phức tạp và chi phí gia công thường giới hạn trong các ứng dụng mà các đặc tính này biện minh cho việc kiểm soát sản xuất chặt chẽ hơn.

Gợi Ý Lựa Chọn

Chọn 7015 khi ưu tiên tỷ lệ bền/trọng lượng cao và kiểm soát hiệu suất mỏi vượt trội hơn so với dễ hàn và khả năng chống ăn mòn tối ưu. Phù hợp cho các chi tiết kết cấu hàng không vũ trụ và hiệu năng cao có thể áp dụng gia công nhiệt - cơ và xử lý nhiệt sau hàn.

So với nhôm thương phẩm tinh khiết (ví dụ, 1100), 7015 đánh đổi độ dẫn điện và khả năng tạo hình để có độ bền và độ cứng cao hơn đáng kể, khiến nó không phù hợp khi yêu cầu chính là dẫn điện hoặc khả năng tạo hình cực cao. So với các hợp kim đã được làm cứng bề mặt như 3003 hoặc 5052, 7015 cung cấp độ bền cao hơn nhiều nhưng thường có khả năng tạo hình kém hơn ở các trạng thái nhiệt luyện cao điểm và đòi hỏi kiểm soát quá trình già hóa; nó cũng nhạy cảm hơn với ăn mòn do chlorua. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt phổ biến như 6061 hoặc 6063, 7015 mang lại độ bền và độ cứng đỉnh cao hơn, nhưng thường đi kèm chi phí cao hơn, tính hàn thấp hơn và nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất (SCC) cao hơn; lựa chọn 7015 khi các biên độ độ bền và đặc tính mỏi vượt trội là yếu tố quyết định mặc dù có một số đánh đổi.

Tóm tắt chung

Hợp kim 7015 vẫn là một giải pháp nhôm cường độ cao phù hợp trong các ứng dụng yêu cầu độ bền đặc hiệu và hiệu suất mỏi đạt tiêu chuẩn ngành hàng không vũ trụ, cũng như khi quy trình sản xuất có thể kiểm soát chặt chẽ xử lý nhiệt và bảo vệ bề mặt. Thành phần hóa học và sự linh hoạt trong trạng thái nhiệt cho phép kỹ sư điều chỉnh tỷ lệ giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn, biến đây thành vật liệu chuyên dụng cho các ứng dụng kết cấu đòi hỏi cao.