Nhôm 7049: Thành phần hóa học, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt luyện và Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

7049 là hợp kim nhôm cường độ cao thuộc nhóm 7xxx, là các hợp kim Al-Zn-Mg(-Cu) chủ yếu được sử dụng khi yêu cầu độ bền riêng rất cao. Thành phần hóa học tập trung vào kẽm như nguyên tố hợp kim chính, kết hợp với magiê và đồng đáng kể để cho phép tăng cường cơ bằng phương pháp kết tủa trong xử lý nhiệt.

Cơ chế gia cường cho 7049 là cứng hóa kết tủa thông qua xử lý nhiệt (ủ hòa tan, làm nguội nhanh và lão hóa), kết hợp kiểm soát vi cấu trúc bằng việc thêm các nguyên tố vi lượng (Zr, Ti) và xử lý cơ-lý nhiệt để tinh chế cấu trúc hạt và làm chậm quá trình tái kết tinh. Các đặc tính chính bao gồm độ bền kéo và giới hạn chảy cực cao ở các trạng thái-tempers lão hóa tối ưu, độ dẻo từ trung bình tới thấp trong điều kiện độ bền cao nhất, tính hàn hạn chế kèm rủi ro làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), và độ dễ tạo hình giảm so với các dòng hợp kim nhôm 5xxx và 6xxx.

7049 thường được sử dụng trong kết cấu chính và phụ của ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng, các chi tiết phụ cường độ cao, và những ứng dụng đòi hỏi tỷ số bền trên trọng lượng và độ dai va đập cao. Các kỹ sư thiết kế lựa chọn 7049 thay vì các hợp kim khác khi cần kết hợp độ bền tĩnh cao và khả năng chống ăn mòn ứng suất nứt (SCC)/tách lớp cải thiện trong trạng thái lão hóa quá mức, đồng thời chấp nhận những đánh đổi về khả năng tạo hình và tính dễ hàn.

Các Biến Thể Temper

Temper	Mức Độ Bền	Độ Dài Ra	Khả Năng Tạo Hình	Tính Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Ủ mềm hoàn toàn, độ dễ tạo hình tốt nhất
T4	Trung bình	Trung bình	Tốt	Kém - Trung bình	Lão hóa tự nhiên sau xử lý hòa tan
T6 / T651	Cao	Thấp - Trung bình	Kém	Kém	Lão hóa tối ưu cho độ bền tối đa; T651 có xử lý giảm ứng suất
T7 / T76 / T7651	Trung bình - Cao	Trung bình	Trung bình	Kém	Lão hóa quá mức để cải thiện khả năng chống SCC và tách lớp
H14 / H24	Trung bình	Thấp - Trung bình	Trung bình	Kém	Bị làm cứng lạnh hoặc cứng lạnh rồi ủ một phần, dùng cho sản phẩm tấm

Temper chi phối mạnh mẽ sự đánh đổi giữa độ bền và độ dai so với độ dẻo và khả năng chống ăn mòn. Các trạng thái lão hóa tối ưu như T6/T651 mang lại độ bền kéo và giới hạn chảy tối đa nhưng đánh đổi bằng sự giảm độ dẻo, độ dễ tạo hình, và tăng khả năng bị nứt do ăn mòn ứng suất trong một số điều kiện.

Các dạng lão hóa quá mức (gia đình T7, T76) đánh đổi một phần độ bền cực đại để tăng cường khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất và tách lớp một cách rõ rệt. Các temper này thường được chỉ định cho các chi tiết kết cấu hàng không nơi độ bền và độ bền dài hạn trong môi trường làm việc được ưu tiên.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	≤ 0.30 (điển hình)	Tạp chất; giúp cải thiện tính chảy trong đúc, thường thấp
Fe	≤ 0.40 (điển hình)	Tạp chất; có thể tạo liên kim ảnh hưởng đến độ dai
Mn	≤ 0.10 (điển hình)	Nhỏ; kiểm soát cấu trúc hạt trong một số biến thể
Mg	2.0 – 3.0 (xấp xỉ)	Đồng yếu tố chính tạo cứng cùng Zn qua kết tủa MgZn2
Cu	1.4 – 2.6 (xấp xỉ)	Cải thiện độ bền và khả năng cứng hóa; có thể giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	6.5 – 9.0 (xấp xỉ)	Nguyên tố hợp kim chủ yếu để đạt độ bền cao (kết tủa giàu Zn)
Cr	≤ 0.25 (điển hình)	Kiểm soát tái kết tinh, cải thiện độ dai
Ti	≤ 0.10 (điển hình)	Tinh chế hạt trong sản phẩm đúc/đùn
Khác (bao gồm Zr, B)	0.05 – 0.25 tổng (điển hình)	Zr thường dùng làm chất phân tán để tinh chế hạt và hạn chế tái kết tinh

Thành phần các nguyên tố trong 7049 được cân bằng để tối ưu hóa cứng hóa kết tủa (Zn-Mg ± Cu) trong khi giảm thiểu các liên kim thô có hại. Các nguyên tố vi lượng như Zr hoặc Cr tạo ra các phân tán mịn, định vị ranh giới hạt và giảm sự phát triển hạt trong xử lý hòa tan, giúp tăng độ dai va đập và khả năng chống mỏi trong các tiết diện dày.

Tính Chất Cơ Học

7049 thể hiện sự phụ thuộc rõ rệt của giá trị giới hạn bền kéo và chảy vào temper, chiều dày tiết diện và quá trình xử lý. Ở các temper lão hóa tối ưu, hợp kim đạt độ bền kéo và giới hạn chảy rất cao nhờ mật độ kết tủa MgZn2 dày đặc, trong khi trạng thái ủ mềm hoặc lão hóa tự nhiên có độ bền thấp hơn rất nhiều và độ dẻo cao hơn đáng kể.

Hiệu suất mỏi nói chung rất tốt trong dòng hợp kim này khi kiểm soát cấu trúc hạt và giảm các khuyết tật bề mặt. Tuy nhiên, độ bền mỏi nhạy cảm với tổn thương vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sau hàn và ăn mòn bề mặt; do đó, bề mặt kết thúc và lớp phủ bảo vệ ảnh hưởng mạnh đến khả năng chịu mỏi trong thực tế vận hành.

Tính Chất	O/Ủ mềm	Temper Chính (ví dụ T6/T651)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	~220–300 MPa (điển hình)	~540–600 MPa (điển hình)	Trạng thái lão hóa tối ưu có độ bền gấp hơn 2 lần so với ủ mềm
Giới Hạn Chảy	~110–180 MPa (điển hình)	~470–520 MPa (điển hình)	Giới hạn chảy có độ nhạy tương tự với độ bền kéo theo temper
Độ Dài Ra	~14–22%	~6–12%	Độ dẻo giảm rõ rệt ở trạng thái độ bền cao
Độ Cứng (HB)	~40–85 HB	~140–165 HB	Độ cứng Brinell là chỉ số thực tế cho mức temper

Khi thiết kế sử dụng 7049, cần lưu ý mất độ bền phụ thuộc chiều dày ở các tiết diện lớn do tốc độ làm nguội chậm hơn và sự phân bố kết tủa thô hơn. Kỹ sư cũng nên tính đến các thao tác giảm ứng suất (như T651, kéo giãn) và các quy trình lão hóa kiểm soát được sử dụng phổ biến để tinh chỉnh ứng suất dư và độ ổn định kích thước.

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2.78–2.82 g/cm³	Điển hình cho nhóm hợp kim Al-Zn-Mg cường độ cao
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~480–635 °C (vùng rắn-chảy)	Hợp kim làm rộng biên dạng nóng chảy so với nhôm tinh khiết
Độ Dẫn Nhiệt	~120–140 W/m·K (xấp xỉ)	Thấp hơn nhôm tinh khiết; thay đổi theo temper và thành phần
Độ Dẫn Điện	~28–36 % IACS (xấp xỉ)	Giảm so với nhôm độ tinh khiết thương mại
Nhiệt Dung Riêng	~0.88–0.92 J/g·K	Nhiệt dung riêng điển hình của hợp kim nhôm ở điều kiện môi trường
Hệ Số Nở Nhiệt	~23.5 – 24.5 µm/m·K	Hệ số giãn nở nhiệt tương đương các hợp kim nhôm khác

Hợp kim giữ được độ dẫn nhiệt cao so với thép và nhiều kim loại kỹ thuật khác, giúp 7049 được chấp nhận sử dụng cho các chi tiết kết cấu cần khả năng tản nhiệt nhất định. Độ dẫn điện và dẫn nhiệt thấp hơn so với các hợp kim 1xxx và một số hợp kim 6xxx do hàm lượng nguyên tố hòa tan và mật độ kết tủa cao hơn.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Hành Vi Độ Bền	Temper Phổ Biến	Ghi Chú
Tấm	0.5 – 6.0 mm	Độ bền bị giới hạn bởi làm nguội lạnh và temper	O, T4, T6, T7	Dùng cho vỏ, panel; cần chọn temper và quy trình tạo hình cẩn thận
Đĩa (Plate)	6 – 250 mm	Độ bền và độ dai phụ thuộc chiều dày	T6, T651, T76	Đĩa dày cần kiểm soát quá trình làm nguội để tránh lõi mềm
Đùn (Extrusion)	Hình dáng mặt cắt đa dạng	Độ bền thay đổi theo tiết diện và làm nguội	T6, T651	Đùn phức tạp cần xử lý đồng nhất và hòa tan
Ống	Kích thước ngoài tương đương thanh	Độ bền vòng tốt ở temper lão hóa tối ưu	T6, T76	Ống gia công và hoàn thiện nguội dùng trong kết cấu
Thanh Tròn/Thanh Thẳng	Đường kính 6 – 200 mm	Độ bền phụ thuộc đường kính và lão hóa	T6, T651	Phổ biến cho chi tiết gia công và chi tiết khoá

Quy trình gia công ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cuối cùng: tấm và các sản phẩm đùn dày dễ bị làm mềm lõi do quá trình làm nguội không đủ nhanh, thường cần thiết bị gia công đặc biệt cho ủ hòa tan/làm nguội và quy trình lão hóa kiểm soát. Các sản phẩm tấm và mỏng có thể được tạo hình nguội ở temper mềm hơn rồi xử lý hòa tan và lão hóa để đạt tính chất gần tối ưu khi cần thiết.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	7049	USA	Định danh tiêu chuẩn Mỹ cho hợp kim Al-Zn-Mg(-Cu) cường độ cao này
EN AW	7049	Europe	EN AW-7049 chỉ họ thành phần tương tự; các tiêu chuẩn châu Âu quy định về nhiệt luyện và dạng sản phẩm
JIS	A7049 (xấp xỉ)	Japan	Tiêu chuẩn Nhật thường dùng định danh số tương tự; chi tiết hoàn thiện và kiểm tra có thể khác nhau
GB/T	AlZn7.5MgCu (xấp xỉ)	China	Danh pháp GB/T Trung Quốc thường mô tả hàm lượng hợp kim chính (Zn, Mg, Cu) hơn là số hiệu AA chính xác

Định danh tương đương giữa các tiêu chuẩn thể hiện thành phần hóa học và đặc tả sản phẩm nhưng có thể khác biệt về giới hạn tạp chất, phương pháp xác nhận tính cơ học và định nghĩa nhiệt luyện. Kỹ sư nên tham khảo phiếu dữ liệu tiêu chuẩn cụ thể (AA, EN, JIS, GB/T) và kiểm tra nhiệt luyện, yêu cầu cơ học và kiểm tra phù hợp với ứng dụng thay vì chỉ dựa vào số hiệu mác hợp kim.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

7049 thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển ở mức trung bình trong các trạng thái quá lão hóa, nhưng khi ở điều kiện đạt độ bền đỉnh thì dễ bị ăn mòn cục bộ và nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) trong môi trường ăn mòn mạnh. Họ hợp kim này dễ xảy ra ăn mòn lớp ngoài dạng bong tróc trên dạng tấm trừ khi được gia công cẩn thận, xử lý quá lão hóa hoặc phủ bề mặt bảo vệ.

Trong môi trường biển, 7049 cần các biện pháp bảo vệ như phủ lớp cladding, anode hóa hoặc sơn phủ hữu cơ để đạt hiệu suất hợp lý. Phơi nhiễm với muối biển làm tăng tốc độ ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở nếu hợp kim không được xử lý nhiệt luyện thích hợp (như các trạng thái T76/T7 chống SCC) hoặc không có lớp bảo vệ vững chắc.

Tương tác galvanic với kim loại khác có thể rất nghiêm trọng bởi 7049 là vật liệu cathodic so với thép và nhiều hợp kim đồng; việc thiết kế lớp cách điện hoặc anode hy sinh rất cần thiết trong lắp ráp. So với các hợp kim dòng 5xxx (ví dụ 5052), 7049 đánh đổi khả năng chịu ăn mòn hy sinh lấy cường độ cao hơn, và so với nhiều hợp kim dòng 6xxx thì nó nhạy cảm hơn với ăn mòn cục bộ trừ khi được xử lý quá lão hóa.

Tính Chất Gia Công

Khả Năng Hàn

Hàn truyền thống (TIG/MIG) thường làm giảm đáng kể tính chất cơ học của 7049 do sự hòa tan các pha tạo rắn làm cứng và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị làm mềm. Nguy cơ nứt nóng cao với các hợp kim Zn-Mg-Cu cường độ cao; kim loại phụ hàn thông thường hiếm khi phục hồi được độ bền cơ bản và tính chịu mỏi.

Hàn ma sát khuấy (FSW) thường là phương pháp nối ưu tiên vì hạn chế cơ chế nóng chảy, giảm nguy cơ nứt nóng và tạo cấu trúc vi mô thuận lợi hơn vùng mối hàn. Khi bắt buộc phải hàn truyền thống, cần dùng kim loại phụ chuyên dụng, quy trình xử lý nhiệt sau hàn và kiểm tra chấp nhận nghiêm ngặt.

Khả Năng Gia Công Cơ Khí

Gia công của 7049 thuộc mức trung bình đến tốt trong các trạng thái quá lão hóa hoặc đã giảm ứng suất; trạng thái đạt độ bền đỉnh thì gây mài mòn dao cụ nhanh hơn do độ cứng và hiện tượng làm cứng khi gia công. Dụng cụ cacbua với thiết kế góc cắt tích cực, máy gia công cứng vững và hệ thống làm mát áp suất cao sẽ cho thành phẩm bề mặt tốt và tuổi thọ dao dài nhất.

Tốc độ cắt thấp hơn so với các hợp kim mềm hơn dòng 6xxx hoặc 1xxx, và cần chú ý quản lý mảnh vụn vì có thể dây dài trong trạng thái mềm hoặc vỡ thành hạt mài mòn trong trạng thái cứng. Gia công thô ở trạng thái mềm sau đó xử lý nhiệt là chiến lược phổ biến trong sản xuất.

Khả Năng Tạo Hình

Có thể tạo hình trong trạng thái ủ mềm (O) hoặc đã xử lý dung dịch và lão hóa một phần, nhưng bị hạn chế khi ở trạng thái đạt bền đỉnh. Bán kính uốn tối thiểu lớn hơn ở trạng thái T6 so với O; lực đàn hồi hồi phục lớn và phải được tính đến khi thiết kế khuôn.

Một lộ trình điển hình là gia công nguội sau đó xử lý dung dịch và lão hóa để tạo hình phức tạp với độ bền hoàn thiện cao nhưng cần kiểm soát biến dạng và ổn định kích thước cẩn thận trong quá trình nhiệt luyện.

Đặc Tính Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim Al-Zn-Mg-Cu có thể xử lý nhiệt, 7049 theo chu trình cổ điển: xử lý dung dịch - làm lạnh nhanh - lão hóa với khoảng nhiệt độ xử lý dung dịch ~470–480 °C để hòa tan các pha hòa tan, tiếp theo là làm nguội nhanh nhằm giữ dung dịch rắn bão hòa quá mức.

Lão hóa nhân tạo thực hiện ở nhiệt độ trung bình (thường 120–160 °C) để tạo pha làm cứng; thời gian và nhiệt độ lão hóa quyết định bền đỉnh và mức độ quá lão hóa. Trạng thái quá lão hóa (gia đình T7/T76) dùng nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian lâu hơn để thu phóng các pha tạo cứng, cải thiện khả năng chống SCC và ăn mòn bong tróc, đổi lại chịu giảm một phần bền đỉnh.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

7049 mất đáng kể phần độ bền ở nhiệt độ phòng khi nhiệt độ làm việc vượt quá khoảng nhiệt lão hóa điển hình, bắt đầu làm mềm rõ rệt trên ~120 °C. Không khuyến cáo sử dụng liên tục ở nhiệt độ cao (>125–150 °C) cho các ứng dụng cần cường độ cao vì sự thu phóng pha làm giảm giới hạn chảy và khả năng chịu mỏi.

Quá trình oxy hóa hợp kim nhôm diễn ra chậm hơn so với thép; tuy nhiên, sự suy giảm cơ học do pha tạo cứng bị thu phóng và thư giãn ứng suất dư trong vùng ảnh hưởng nhiệt là mối quan tâm chính ở nhiệt độ cao. Nhà thiết kế nên hạn chế phơi nhiễm nhiệt độ cao hoặc lựa chọn hợp kim khác thiết kế riêng cho môi trường nhiệt độ cao nếu cần.

Ứng Dụng

Ngành Công Nghiệp	Ví Dụ Linh Kiện	Lý Do Sử Dụng 7049
Hàng Không	Phụ kiện cấu trúc, chi tiết càng hạ cánh	Cường độ trên trọng lượng cao và độ dai gãy tốt ở các trạng thái nhiệt luyện tối ưu
Quốc Phòng	Thân tên lửa, chi tiết kết cấu hiệu suất cao	Độ bền tĩnh nâng cao và độ dai được điều chỉnh phù hợp
Hàng Hải	Giá đỡ và phụ kiện cường độ cao	Cường độ cải thiện với trạng thái quá lão hóa để tăng khả năng chống ăn mòn
Điện Tử	Khung kết cấu, vỏ tản nhiệt	Khả năng truyền nhiệt tốt kết hợp độ cứng cao

7049 được chọn khi yêu cầu cường độ tĩnh cao, tính chịu mỏi hợp lý và khả năng chống ăn mòn được điều chỉnh, đặc biệt trong hàng không và quốc phòng nơi tiết kiệm trọng lượng rất quan trọng. Hợp kim ít phổ biến trong thị trường hàng hóa đại trà do chi phí, giới hạn khả năng hàn và tạo hình, nhưng vẫn là vật liệu hàng đầu cho các chi tiết kết cấu cao cấp.

Gợi Ý Lựa Chọn

7049 phù hợp khi cần độ bền đặc trưng tối đa và độ dai gãy được tối ưu, và khi thiết kế có thể chấp nhận khả năng tạo hình hạn chế cùng khó khăn khi hàn. Chọn trạng thái quá lão hóa (T7/T76) khi cần khả năng chống ăn mòn ứng suất và độ bền lâu dài trong môi trường ăn mòn mạnh, chấp nhận giảm bớt độ bền đỉnh.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 7049 cung cấp độ bền vượt trội nhưng đánh đổi khả năng dẫn điện và truyền nhiệt cũng như giảm đáng kể khả năng tạo hình. So với các hợp kim làm cứng cơ học như 3003 và 5052, 7049 có độ bền cao hơn nhiều nhưng thường khó tạo hình hơn và hiệu suất chống ăn mòn trong môi trường biển tương đương hoặc kém hơn trừ khi đã qua xử lý quá lão hóa.

So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt phổ biến như 6061, 7049 đạt độ bền đỉnh và độ dai gãy cao hơn ở nhiều trạng thái nhiệt luyện, lý giải việc được dùng trong các phụ kiện hàng không mặc dù chi phí vật liệu cao hơn và khả năng hàn thấp hơn. Lựa chọn 7049 khi hiệu suất kết cấu quan trọng hơn sự tiện lợi trong liên kết và tạo hình.

Tóm Tắt

7049 vẫn là lựa chọn nhôm hiệu suất cao cho hàng không, quốc phòng và các ứng dụng kết cấu đòi hỏi tỷ số cường độ trên trọng lượng vượt trội và khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất điều chỉnh. Việc lựa chọn hợp kim yêu cầu chú ý kỹ đến nhiệt luyện, kích thước chi tiết, phương pháp liên kết và các biện pháp bảo vệ bề mặt, nhưng khi xử lý đúng, nó cung cấp sự kết hợp đặc tính mà rất ít hợp kim nhôm khác có thể sánh kịp.