Nhôm 7042: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

7042 là hợp kim nhôm dòng 7xxx trong nhóm Al-Zn-Mg, thuộc loại có độ bền trung bình đến cao thông qua quá trình làm cứng kết tủa. Các nguyên tố hợp kim chính là kẽm và magiê, có thêm đồng và các nguyên tố vi lượng nhằm kiểm soát cấu trúc hạt và độ dai va đập.

Cơ chế làm cứng của 7042 là làm cứng kết tủa có thể xử lý nhiệt cổ điển: xử lý nhiệt hòa tan sau đó làm nguội nhanh và già hóa nhân tạo tạo thành các pha kết tủa mịn loại η (MgZn2) làm cản trở chuyển động của dislocation. Trong thực tế, hợp kim này cũng có thể được cung cấp ở tình trạng quá già hoặc ổn định nhiệt để đánh đổi một phần độ bền tối đa lấy độ dai gãy và khả năng chống ăn mòn do ứng suất tốt hơn.

Đặc điểm chính của 7042 bao gồm độ bền riêng cao, hiệu suất chịu mỏi ở mức trung bình đến tốt khi được già hóa đúng cách, và khả năng gia công hợp lý đối với hợp kim Al-Zn-Mg có độ bền cao. Khả năng chống ăn mòn nhìn chung tốt hơn một số hợp kim 7xxx chứa đồng cao nhưng kém hơn so với nhóm 5xxx hoặc 6xxx trừ khi được bảo vệ bằng mạ phủ hoặc lớp cladding.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 7042 là kết cấu và phụ kiện hàng không vũ trụ, linh kiện ô tô hiệu suất cao, thiết bị quốc phòng và vũ khí, cùng một số cấu kiện kết cấu hàng hải chọn lọc. Kỹ sư ưu tiên lựa chọn 7042 khi cần kết hợp độ bền cao, độ dai và khả năng chống ăn mòn hợp lý trong khi yêu cầu tiết kiệm trọng lượng quan trọng.

Các trạng thái xử lý nhiệt (Temper)

Temper	Cấp độ bền	Độ giãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Ủ mềm hoàn toàn; độ dẻo tối đa cho gia công tạo hình
T4	Trung bình	Trung bình	Tốt	Kém đến trung bình	Xử lý nhiệt hòa tan và già hóa tự nhiên; điểm khởi đầu cho quá trình già hóa nhân tạo
T6	Cao	Thấp đến trung bình	Hạn chế	Kém	Xử lý nhiệt hòa tan và già hóa nhân tạo đạt đỉnh; độ bền thực tế cao nhất
T651	Cao	Thấp đến trung bình	Hạn chế	Kém	T6 có giảm ứng suất bằng cách kéo giãn sau làm nguội; thường dùng cho hàng không
T7	Trung bình	Trung bình	Trung bình	Kém	Ổn định nhiệt/quá già hóa để cải thiện kháng nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) đánh đổi độ bền đỉnh
H1x / H2x (gia công biến dạng)	Thay đổi	Thấp hơn	Thay đổi	Tốt	Kết hợp làm cứng biến dạng và xử lý nhiệt một phần cho ứng dụng đặc thù

Trạng thái xử lý nhiệt ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất cơ học, khả năng chống gãy và tính tạo hình. Temper già hóa đỉnh như T6 tối đa hóa giới hạn bền kéo và độ cứng nhưng làm giảm độ giãn dài và khả năng tạo hình nguội, tạo ra sự phân bố tính chất lớn ở vùng ảnh hưởng nhiệt quanh mối hàn.

Temper quá già hoặc chọn T7/T651 đánh đổi độ bền lấy khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất (SCC) cải thiện và tính ổn định tính chất trong quá trình sử dụng; đây là lựa chọn thiết kế phổ biến cho chi tiết kết cấu hàng không khi môi trường làm việc trong dịch vụ cần được lưu ý.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.25	Kiểm soát tạp chất; quá nhiều làm giảm độ dai
Fe	≤ 0.5	Tạp chất tạo hợp chất intermetallic; tăng cao giảm dẻo dai
Mn	≤ 0.1	Kiểm soát cấu trúc hạt ở mức thấp
Mg	1.0 – 2.0	Nguyên tố làm cứng chính phối hợp với Zn; hình thành kết tủa MgZn2
Cu	0.05 – 0.30	Thông thường thấp hơn hợp kim 7075; Cu thấp cải thiện khả năng chống SCC
Zn	4.0 – 6.0	Nguyên tố hợp kim chính tạo độ bền; hàm lượng Zn cao nâng độ bền tối đa
Cr	≤ 0.25	Kiểm soát quá trình kết tinh lại và cấu trúc hạt
Ti	≤ 0.15	Chất tinh chế hạt khi được bổ sung có chủ ý
Khác (mỗi loại)	≤ 0.05	Nguyên tố vi lượng và tạp chất còn lại; tổng các nguyên tố khác có giới hạn

Cân bằng hợp kim chủ yếu là nhôm với kẽm và magiê làm động lực chính cho quá trình làm cứng kết tủa; hàm lượng đồng được giữ tương đối thấp so với một số biến thể 7xxx để giảm nguy cơ nứt ăn mòn do ứng suất. Các nguyên tố phụ như crôm và titan hoạt động như các phụ gia vi hợp kim nhằm ổn định kích thước hạt và ngăn ngừa kết tinh lại quá mức trong quá trình gia công nhiệt-động học.

Tính chất cơ học

Về tính năng chịu kéo, 7042 thể hiện phạm vi rộng tùy thuộc vào temper: vật liệu ở trạng thái ủ mềm có độ dẻo cao cùng độ bền kéo trung bình, trong khi các temper già hóa đỉnh cho thấy sự tăng đáng kể cả giới hạn chảy và độ bền kéo cuối cùng. Các giá trị giới hạn chảy và bền kéo phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và temper, trong đó T6/T651 cung cấp giới hạn chảy cao nhất đánh đổi bằng độ giãn dài giảm.

Độ cứng liên quan chặt chẽ đến điều kiện già hóa và trạng thái kết tủa; độ cứng tăng đáng kể từ trạng thái O đến T6. Hiệu suất chịu mỏi được cải thiện nhờ kết tủa mịn, phân bố đồng đều và kiểm soát kỹ lưỡng ứng suất dư; các bộ phận đúc rèn và đùn với quy trình già hóa và xử lý nhiệt tối ưu cho độ bền chống khởi phát vết nứt tốt hơn.

Độ dày và kích thước tiết diện ảnh hưởng đến sự đồng đều làm nguội nhanh, do đó ảnh hưởng đến khả năng đạt được tính chất mong muốn; các tiết diện dày khó đạt được xử lý nhiệt hòa tan và làm nguội nhanh đồng đều mà không gây mềm hoặc quá già vùng lõi. Nhà thiết kế phải tính đến việc mềm vùng ảnh hưởng nhiệt xung quanh mối hàn và giảm tính chất đỉnh ở các chi tiết đúc rèn hoặc tấm dày có tốc độ làm nguội thấp.

Tính chất	Trạng thái O/Ủ mềm	Temper chính (T6 / T651)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	~200–260 MPa (tiêu chuẩn)	~420–510 MPa (tiêu chuẩn)	Phạm vi rộng phụ thuộc temper và độ dày tiết diện
Giới hạn chảy	~90–160 MPa	~350–470 MPa	T651 thường được chỉ định để kiểm soát ứng suất dư tốt hơn
Độ giãn dài	~15–25%	~6–12%	Độ giãn dài giảm trong trạng thái già hóa đỉnh
Độ cứng (Brinell)	~40–70 HB	~120–160 HB	Giá trị phụ thuộc điều kiện già hóa và kích thước tiết diện

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	~2.78 g/cm³	Cao hơn một chút so với nhôm tinh khiết do bổ sung Zn/Mg
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~500–640 °C (khoảng nhiệt độ từ solidus đến liquidus)	Nhiệt độ bắt đầu nóng chảy của hợp kim thấp hơn nhôm tinh khiết; phạm vi thay đổi tùy thành phần
Độ dẫn nhiệt	~120–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết và một số hợp kim 6xxx do tán xạ electron bởi nguyên tử hòa tan
Độ dẫn điện	~28–40 % IACS	Bị giảm do hợp kim; thay đổi tùy temper (nguyên tử hòa tan giảm dẫn điện)
Nhiệt dung riêng	~0.88–0.90 J/g·K	Tiêu chuẩn cho hợp kim nhôm gần nhiệt độ phòng
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Tương đương các hợp kim nhôm có độ bền cao khác

Tính chất vật lý của 7042 làm nó hấp dẫn khi cần tỷ lệ độ bền trên trọng lượng thuận lợi và hiệu suất nhiệt hợp lý. Độ dẫn nhiệt và điện bị giảm so với nhôm tinh khiết hoặc hợp kim thấp do hiện tượng tán xạ electron và phonon bởi các nguyên tử hòa tan và kết tủa.

Phạm vi nhiệt độ nóng chảy solidus/liquidus đòi hỏi chú ý trong quy trình đúc và hàn; nhiệt độ quá cao cục bộ có thể gây ra sự nóng chảy eutectic ở điểm thấp, làm tăng nguy cơ nứt nóng hoặc vùng mềm nếu không kiểm soát tốt.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/kích thước tiêu biểu	Hành vi độ bền	Các trạng thái temper phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.5 – 6 mm	Độ bền đồng đều ở vật liệu mỏng nếu xử lý nhiệt tốt	O, T4, T6, T651	Phổ biến cho vỏ và tấm cho hàng không
Đĩa/plate	6 – 150+ mm	Độ bền có thể biến đổi qua độ dày do làm nguội không đồng đều	T6, T651, T7	Tấm dày cần làm nguội tối ưu hoặc xử lý nhiệt bổ sung sau làm nguội
Đùn	Hồ sơ lên đến vài trăm mm	Độ bền theo phương hướng tốt; T6 đạt được trên tiết diện hạn chế	T4, T6	Thiết kế khuôn đùn và khả năng làm nguội giới hạn tính chất đỉnh
Ống	Độ dày thành 1 – 50 mm	Hành vi tương tự đùn; kéo nguội dùng để đạt độ chính xác	O, T6	Dùng cho kết cấu và thủy lực với xử lý nhiệt phù hợp
Thanh/cây	Đường kính đến 200 mm	Tính chất phụ thuộc làm nguội; đúc rèn đảm bảo độ dai vượt trội	O, T6	Thanh rèn dùng phổ biến cho phụ kiện và chi tiết chịu tải trọng quan trọng

Sự khác biệt trong gia công giữa tấm, đĩa và đúc chủ yếu liên quan đến độ dày và tốc độ làm nguội có thể đạt được. Tấm mỏng và đùn nhỏ làm nguội nhanh và đạt tính chất đỉnh sau già hóa tiêu chuẩn, trong khi tấm dày và đúc rèn yêu cầu quy trình làm nguội phức tạp hoặc chu trình giãn nở/già hóa sau làm nguội để tránh lõi mềm và biến dạng.

Khả năng tạo hình và gia công cũng thay đổi theo dạng sản phẩm; tấm cán cung cấp khả năng tạo hình nguội tốt nhất ở trạng thái ủ mềm trong khi đùn và thanh rèn tạo ra tính chất theo phương hướng tối ưu cho chi tiết chịu tải trọng.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	7042	USA	Chỉ định của American Aluminum Association; tương ứng với nhóm Al-Zn-Mg
EN AW	7042	Châu Âu	EN AW-7042 thường được trích dẫn; thành phần hóa học và điều kiện giao hàng có thể khác biệt nhẹ
JIS	A7042 (xấp xỉ)	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật có thể liệt kê các hợp kim Al–Zn–Mg tương tự dưới các ký hiệu liên quan
GB/T	7042	Trung Quốc	Có quy định tiêu chuẩn hóa tại Trung Quốc; giới hạn hóa học và các trạng thái tôi luyện có thể khác nhau

Sự khác biệt giữa các tiêu chuẩn chủ yếu nằm ở mức tạp chất cho phép, giới hạn chính xác cho đồng và các nguyên tố phụ khác, cùng các giá trị cơ tính tiêu chuẩn theo trạng thái tôi luyện. Khi chỉ định 7042 ở phạm vi quốc tế, kỹ sư cần xác định rõ tiêu chuẩn áp dụng và trạng thái tôi luyện, đồng thời phải kiểm tra bảng thành phần hóa học và cơ tính để đảm bảo khả năng hoán đổi trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

7042 có khả năng chống ăn mòn khí quyển ở mức trung bình, thường tốt hơn các hợp kim 7xxx có hàm lượng đồng cao nhất nhưng kém hơn so với các hợp kim 5xxx (Al-Mg) và hầu hết nhóm 6xxx (Al-Mg-Si). Các cấu trúc vi mô giàu kẽm và sự phân bố không đồng đều của các pha kết tủa tạo thành các vị trí anot/cacốt thúc đẩy sự ăn mòn điểm trong môi trường ăn mòn mạnh trừ khi bề mặt được xử lý bảo vệ.

Trong môi trường biển và nước mặn, 7042 chưa xử lý bề mặt sẽ dễ bị ăn mòn cục bộ hơn các hợp kim 5xxx, do đó thường yêu cầu anode hóa, phủ lớp bảo vệ hoặc mạ kim loại để phục vụ lâu dài. Việc phủ lớp bảo vệ hoặc chuyển đổi bề mặt khôi phục hiệu suất chấp nhận được cho các ứng dụng kết cấu gần bờ biển.

Nguy cơ nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) là yếu tố thiết kế quan trọng với hợp kim 7xxx; hàm lượng đồng thấp hơn của 7042 làm giảm độ nhạy với SCC so với 7075 nhưng không loại bỏ hoàn toàn. Tương tác điện hóa với kim loại khác (thép, đồng) có thể thúc đẩy ăn mòn cục bộ – nhà thiết kế nên cách ly các mối nối và sử dụng bu lông đai ốc phù hợp hoặc rào chắn bảo vệ.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn chảy 7042 khá khó khăn; hàn TIG/MIG truyền thống thường gây mất cường độ đáng kể trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và có thể xuất hiện nứt nóng do eutectic có nhiệt độ nóng chảy thấp. Phương pháp nối ưu tiên cho ứng dụng kết cấu bao gồm hàn ma sát khuấy (FSW) và hàn chùm điện tử, tạo vùng HAZ hẹp hơn và giữ được nhiều tính chất cơ học hơn. Khi phải hàn chảy, nên dùng kim loại phụ ít nhạy cảm và kết hợp xử lý nhiệt sau hàn khi khả thi, dù khôi phục hoàn toàn tính chất đỉnh ban đầu là điều khó đạt được.

Khả năng gia công

7042 có khả năng gia công từ trung bình đến tốt đối với hợp kim Al-Zn-Mg cường độ cao; các trạng thái tôi luyện cường độ cao sẽ tăng lực cắt và mòn dụng cụ hơn so với hợp kim nhóm 6xxx. Dụng cụ hợp kim cacbua, cố định chắc chắn và gia công tốc độ cao với làm mát dồi dào cho kết quả tốt nhất; thường sinh ra phoi ngắn và không liên tục trong nhiều thao tác. Bề mặt hoàn thiện và kiểm soát kích thước thường rất tốt khi duy trì thông số cắt ổn định.

Khả năng tạo hình

Tạo hình rất tốt ở trạng thái ủ (O), cho phép uốn gấp chặt và dập sâu trên các tấm mỏng. Nhóm trạng thái làm già (T6/T651) giới hạn khả năng tạo hình nguội, thường được tạo phôi ở trạng thái mềm sau đó xử lý dung dịch và lão hóa sau khi tạo hình. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào trạng thái và độ dày; thiết kế nên dùng dung lượng uốn dựa trên trạng thái O hoặc T4 để tránh nứt.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Với vai trò là hợp kim Al-Zn-Mg có thể xử lý nhiệt, 7042 được xử lý qua bước xử lý dung dịch, làm nguội nhanh và lão hóa để phát triển cường độ cao đặc trưng. Nhiệt độ xử lý dung dịch thường trong khoảng 470–490 °C, thời gian phụ thuộc vào độ dày để hòa tan các pha giàu Zn/Mg. Cần làm nguội nhanh để giữ nguyên các nguyên tử hòa tan trong dung dịch rắn và kích hoạt quá trình kết tủa sau này trong lão hóa.

Lão hóa nhân tạo (T6) thường thực hiện ở nhiệt độ khoảng 120–160 °C với thời gian điều chỉnh để đạt sự cân bằng mong muốn giữa độ bền kéo và độ dai va đập. Lão hóa quá mức (T7) dùng nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn khiến các pha kết tủa to ra, cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất với một phần giảm cường độ đỉnh. Sự chuyển đổi trạng thái (T4→T6→T7) được điều khiển qua lịch trình lão hóa; quá trình lão hóa tự nhiên tại nhiệt độ phòng cũng ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng nếu không được tính đến.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

7042 thích hợp cho ứng dụng ở nhiệt độ môi trường hoặc hơi cao; cơ tính giảm khi nhiệt độ tăng và sự suy giảm cường độ rõ ràng xuất hiện trên khoảng 100–150 °C. Khả năng chống creep hạn chế so với các hợp kim chịu nhiệt, do đó nên tránh tải trọng liên tục ở nhiệt độ cao.

Oxy hóa không phải là vấn đề lớn so với hợp kim ferrous, nhưng tiếp xúc nhiệt độ cao kéo dài sẽ thúc đẩy sự phát triển pha kết tủa thô gây mất cường độ; độ ổn định nhiệt là yếu tố hạn chế cho các ứng dụng lâu dài ở nhiệt độ cao. Trong kết cấu hàn, sự làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt kết hợp tiếp xúc nhiệt càng làm giảm khả năng chịu tải.

Ứng Dụng

Ngành	Chi tiết ví dụ	Lý do chọn 7042
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện kết cấu và phôi đúc rèn	Cường độ cao trên trọng lượng và độ dai tốt khi được tôi luyện đúng
Hàng hải	Khung và giá đỡ kết cấu không chính	Chống ăn mòn ở mức trung bình và tỷ lệ cường độ/trọng lượng thuận lợi
Ô tô	Chi tiết hệ thống treo, giá đỡ lắp đặt	Cường độ cao với mật độ thấp giúp giảm trọng lượng
Quân sự	Giá đỡ, chân đế vũ khí, thân kết nối	Hiệu năng chịu mỏi và chịu tải chu kỳ tốt
Điện tử	Vỏ bảo vệ kết cấu và tản nhiệt	Kết hợp độ cứng và khả năng gia công với chi tiết phức tạp

7042 thường được lựa chọn khi cần kết hợp cường độ cao, khả năng chống ăn mòn hợp lý và dễ gia công trong một giải pháp nhẹ. Nó làm cầu nối giữa nhóm hợp kim 7xxx có cường độ cao nhất nhưng dễ bị SCC và nhóm 5xxx/6xxx chịu ăn mòn tốt hơn nhưng cường độ thấp hơn.

Những Lưu Ý Khi Lựa Chọn

Chọn 7042 khi cần cường độ cao hơn các hợp kim làm cứng bề mặt thường dùng nhưng mong muốn khả năng chống SCC tốt hơn các hợp kim 7xxx giàu đồng; đây là lựa chọn hợp lý cho các chi tiết kết cấu yêu cầu cường độ riêng cao. So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 7042 hy sinh khả năng dẫn điện và tạo hình để đổi lấy cường độ và độ cứng tăng đáng kể, nên không phù hợp khi tính dẫn điện hoặc nhiệt là ưu tiên chính.

So với các hợp kim làm cứng bề mặt như 3003 hoặc 5052, 7042 có cường độ tĩnh và tuổi mòn cải thiện rõ rệt, nhưng giảm một phần khả năng chống ăn mòn và tạo hình nguội; nên dùng 5052/3003 khi ưu tiên tạo hình và khả năng chống ăn mòn biển. So với các hợp kim Al-Mg-Si có thể xử lý nhiệt như 6061/6063, 7042 cung cấp cường độ đỉnh cao hơn cho các chi tiết kết cấu tải trọng nặng, nhưng 6061 cho khả năng hàn và chống ăn mòn tốt hơn trong nhiều môi trường; chọn 7042 khi ưu tiên tỷ lệ cường độ trên trọng lượng và độ cứng hơn là tiện lợi hàn và tính sẵn có phổ biến.

Tổng Kết Cuối

7042 vẫn là hợp kim kỹ thuật phù hợp khi cần nhôm có cường độ cao và khả năng xử lý nhiệt với hiệu suất chống nứt ăn mòn ứng suất tốt hơn các hợp kim 7xxx có cường độ cao nhất. Thành phần hóa học cân bằng cùng các lựa chọn trạng thái cho phép kỹ sư điều chỉnh cường độ, độ dai và khả năng chống ăn mòn cho các ứng dụng kết cấu yêu cầu cao trong khi vẫn giữ được trọng lượng nhẹ vốn là ưu điểm của nhôm.