Nhôm 7079: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

7079 là hợp kim nhôm nhiệt luyện có cường độ cao thuộc dòng 7xxx, đặc trưng bởi kẽm là nguyên tố hợp kim chính cùng với lượng đáng kể magie và đồng. Hợp kim này nằm trong nhóm hợp kim nhôm rèn có cường độ cao và được thiết kế cho các ứng dụng kết cấu yêu cầu tỷ số cường độ trên trọng lượng tối ưu.

Hợp kim đạt được độ bền thông qua quá trình xử lý nhiệt hòa tan sau đó là già hóa nhân tạo (tôi kết tủa), tạo ra các kết tủa MgZn2 và các kết tủa chứa đồng nhỏ ngăn cản chuyển động của mạng dịch chuyển. Các đặc tính chính bao gồm cường độ rất cao, khả năng chống ăn mòn nội tại từ trung bình đến kém so với các hợp kim dòng 5xxx và 6xxx, khả năng hàn giới hạn trong trạng thái lão hóa cực đại, và tính tạo hình thay đổi theo trạng thái nhiệt luyện, cải thiện khi ở các trạng thái mềm hơn.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 7079 gồm kết cấu chính và phụ trong hàng không vũ trụ, thiết bị thể thao hiệu suất cao, linh kiện quốc phòng, và các ứng dụng chuyên dụng trong ô tô và hàng hải đòi hỏi độ bền tĩnh cao. Kỹ sư chọn 7079 thay cho các hợp kim khác khi cần sự kết hợp ưu việt giữa giới hạn chảy và độ bền kéo trong khi vẫn duy trì khả năng hàn hoặc tạo hình thông qua kiểm soát quy trình, hoặc khi các phương pháp xử lý nhiệt/lão hóa đặc biệt được sử dụng để cân bằng khả năng chống ăn mòn ứng suất (SCC).

7079 thường được lựa chọn thay thế cho 7075 hoặc 7050 khi các hóa học hoặc quy trình chế tạo đặc biệt cải thiện tính chất xuyên chiều dày hoặc khi các biến thể nhiệt luyện cụ thể (ví dụ: kéo kiểm soát, lão hóa vượt mức) tạo ra sự kết hợp mong muốn giữa khả năng kháng ăn mòn ứng suất và độ bền giữ lại. Hợp kim này được ưu tiên hơn so với các dòng 6xxx phổ biến khi ưu tiên cường độ kết cấu cực đại hơn tính dẫn điện hoặc độ dễ tạo hình.

Các Biến Thể Nhiệt Luyện

Nhiệt Luyện	Cấp Độ Cường Độ	Độ Dãn 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
H12	Trung bình-Thấp	Trung bình	Tốt	Tốt	Làm cứng biến dạng một phần, gia tăng cường độ hạn chế
H14	Trung bình	Trung bình	Khá	Khá	Làm cứng nhẹ cho các tiết diện mỏng
T5	Trung bình-Cao	Trung bình	Khá	Kém (giảm cường độ sau hàn)	Làm nguội sau định hình ở nhiệt độ cao và lão hóa nhân tạo
T6	Cao	Thấp-Trung bình	Kém	Kém	Trạng thái lão hóa cực đại, cường độ tối đa
T651	Cao	Thấp-Trung bình	Kém	Kém	Ủ hòa tan, giảm ứng suất bằng cách kéo giãn, lão hóa nhân tạo
T76	Trung bình-Cao	Trung bình	Khá	Kém	Lão hóa vượt mức để cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất
H112	Trung bình-Cao	Trung bình	Khá	Kém	Trạng thái ổn định sau xử lý nhiệt

Việc lựa chọn nhiệt luyện ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học và chống ăn mòn cuối cùng của 7079; trạng thái ủ O cho phép tạo hình sâu và uốn cong trong khi T6/T651 mang lại hiệu suất kết cấu tối đa. Các trạng thái lão hóa vượt mức như T76 giảm thiểu nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất nhưng đánh đổi một phần độ bền kéo/giới hạn chảy, làm cho chúng có giá trị trong môi trường khắc nghiệt.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	0,10 tối đa	Tạp chất; lượng nhỏ chấp nhận được cho đúc, ảnh hưởng làm cứng hạn chế
Fe	0,50 tối đa	Tạo các hợp chất intermetallic; Fe cao làm giảm độ dai va đập và tuổi mỏi
Cu	1,0–2,0	Tăng cường độ, ảnh hưởng đến sự kết tủa và độ dai va đập
Mn	0,30 tối đa	Thay đổi cấu trúc hạt, tác dụng làm cứng hạn chế
Mg	2,0–3,0	Đối tác làm cứng chính với Zn tạo kết tủa MgZn2
Zn	6,0–7,5	Nguyên tố làm cứng chính; điều khiển hóa học kết tủa và cường độ cực đại
Cr	0,18–0,35	Kiểm soát cấu trúc hạt và cải thiện khả năng chống tái kết tinh
Ti	0,10–0,25	Tinh chế hạt, dùng với lượng nhỏ để kiểm soát kích thước hạt đúc/ingot
Khác (từng loại)	Dư lượng	Nguyên tố vết và dư lượng được kiểm soát để duy trì độ dai và khả năng gia công

Hiệu suất của 7079 chủ yếu được kiểm soát bởi hệ Zn–Mg–Cu; Zn và Mg kết hợp hình thành kết tủa MgZn2 là nguyên nhân làm cứng chính, trong khi Cu thay đổi hình thái kết tủa và làm dịch chuyển tốc độ lão hóa. Cr và Ti được thêm với lượng nhỏ để tinh chế cấu trúc hạt và chống tái kết tinh trong quá trình xử lý nhiệt, cải thiện độ dai và tính chất xuyên chiều dày.

Tính Chất Cơ Học

Trong kéo, 7079 biểu hiện sự phụ thuộc mạnh vào nhiệt luyện và độ dày. Ở trạng thái ủ (O), độ bền kéo tương đối thấp và độ dãn dài cao, phù hợp cho gia công tạo hình và làm nguội. Ở các trạng thái lão hóa cực đại (T6/T651), độ bền kéo và độ bền chảy đạt giá trị đặc trưng cho hợp kim 7xxx cường độ cao nhưng độ dẻo giảm; độ dãn dài thường nằm trong khoảng một chữ số đến hai chữ số thấp đối với độ dày kết cấu.

Độ cứng tương ứng với độ bền, tăng rõ rệt từ trạng thái ủ đến T6; độ cứng điển hình ở trạng thái T6 gần với phạm vi sử dụng cho các linh kiện nhôm kết cấu và tương quan với hiệu suất mỏi thường tốt ở các vật liệu được xử lý tốt. Hành vi mỏi rất nhạy cảm với lớp hoàn thiện bề mặt, trạng thái ứng suất dư, và sự có mặt của các hạt intermetallic thô hoặc lỗ rỗng phát sinh trong quá trình gia công; xử lý bắn bi và các biện pháp xử lý bề mặt phổ biến được áp dụng để kéo dài tuổi thọ mỏi.

Độ dày ảnh hưởng đến cả độ bền đạt được và tính chất gãy vì hiệu quả xử lý nhiệt và làm nguội giảm khi tăng phần cắt ngang, và vì ứng suất dư cũng như cấu trúc kim loại xuyên chiều dày thay đổi theo kích thước tiết diện. Các tấm dày có thể cho tính chất cơ học thấp hơn và dễ bị ăn mòn bóc tách hoặc ăn mòn giữa các hạt cao hơn so với tấm mỏng.

Tính Chất	O/Ủ Mềm	Nhiệt Luyện Chính (ví dụ T6/T651)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	200–320 MPa	520–640 MPa	T6 đạt độ bền kéo cực đại; phạm vi phụ thuộc độ dày và kiểm soát nhiệt luyện
Giới Hạn Chảy	90–160 MPa	430–560 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh nhờ làm già hóa và kéo giãn
Độ Dãn Dài	12–22%	6–12%	Trạng thái ủ mềm có độ dẻo cao; trạng thái lão hóa cực đại giảm dẻo cho uốn cong
Độ Cứng	~50–80 HB	~150–190 HB	Độ cứng tương quan với trạng thái kết tủa; lão hóa vượt mức giảm độ cứng một cách vừa phải

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2,78–2,82 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al–Zn–Mg–Cu cường độ cao; giá trị tùy thuộc thành phần chính xác
Phạm Vi Nhiệt Độ Nấu Chảy	~480–640 °C	Phạm vi điểm nóng chảy rắn/lỏng chịu ảnh hưởng bởi Zn/Cu; cần kiểm soát nhiệt cẩn thận khi đúc/hàn
Độ Dẫn Nhiệt	120–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim và kết tủa làm giảm tính dẫn điện nhiệt
Độ Dẫn Điện	~30–35 %IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do ảnh hưởng của tạp chất và kết tủa gây tán xạ electron
Nhiệt Dung Riêng	~0,88–0,90 J/g·K	Tương tự các hợp kim nhôm khác ở nhiệt độ phòng
Hệ Số Nở Nhiệt	23–24 x10^-6 /K	Cùng khoảng với các hợp kim dòng 7xxx khác; quan trọng khi thiết kế mối ghép với vật liệu khác loại

Tính chất vật lý của 7079 phản ánh sự cân bằng giữa ma trận nhôm kim loại và mật độ kết tủa cao. Độ dẫn nhiệt và dẫn điện ở mức trung bình và giảm khi hàm lượng hợp kim và kết tủa tăng; nhà thiết kế cần xem xét khả năng tản nhiệt giảm so với nhôm tinh khiết hoặc hợp kim thấp cấp dòng 1xxx/3xxx.

Hệ số nở nhiệt và nhiệt dung riêng gần với các giá trị nhôm điển hình, và các chiến lược quản lý nhiệt nên xem xét độ dẫn nhiệt thấp hơn của hợp kim khi sử dụng cho các ứng dụng tản nhiệt hoặc trong môi trường có độ chênh nhiệt cao.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi độ bền	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.5–6.0 mm	Phạm vi đầy đủ từ thấp (O) đến cao (T6/T651)	O, T5, T6, T651, T76	Phổ biến dùng làm vỏ ngoài và các chi tiết kết cấu phụ
Thép tấm dày (Plate)	6–150 mm	Độ bền giảm ở các đoạn dày; nhạy cảm với quá trình tôi	T6, T651, T76	Tấm dày cần gia công tiết diện lớn và kiểm soát quá trình tôi
Đùn	Tiết diện cỡ tới ~200 mm	Độ bền theo chiều dọc tốt, phụ thuộc độ cứng	T5, T6, T651	Hợp kim đùn cần khuôn và quá trình tôi tối ưu để tránh không đồng nhất pha T
Ống	Đường kính thông thường cho ống kết cấu	Độ bền tương tự tấm trong ống mỏng	T5, T6	Dùng kéo nguội và xử lý nhiệt để đạt tính chất cuối cùng
Thanh/Trục	Đường kính/tiết diện dùng cho bulong và phụ kiện	Đạt độ bền trục cao	O, T6	Dễ gia công ở trạng thái O và tăng cường độ bền đạt cực đại sau tôi ở T6

Dạng sản phẩm và quy trình gia công ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất đạt được: đùn và ống kéo tạo kết cấu hướng đặc trưng ảnh hưởng đến tính dị hướng và kiểu gãy. Độ dày tấm giới hạn thực tế cho việc đạt được tính chất T6 đầy đủ do tốc độ làm nguội chậm hơn và tăng nguy cơ ứng suất dư tôi và biến dạng.

Các dạng sản phẩm khác nhau cũng quyết định bước gia công phụ trợ: tấm thường cần xử lý hòa tan và già hóa trong lò lớn đi kèm với quá trình làm nguội và căn chỉnh cẩn thận, trong khi đùn thường được già hóa ngay sau khi đùn để đạt độ cứng mong muốn với biến dạng tối thiểu.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	7079	USA	Chỉ định chính theo tiêu chuẩn Aluminum Association
EN AW	7079	Châu Âu	Chỉ định tương đương EN, thường dùng cho sản phẩm rèn
JIS	A7079	Nhật Bản	Danh pháp JIS tương thích hóa học và cơ học với AA
GB/T	7079	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc thường tham chiếu hóa học và độ cứng tương tự

Bảng quy đổi phản ánh hóa học và chỉ định độ cứng tương tự nhưng có thể có khác biệt nhỏ về giới hạn tạp chất, yêu cầu gia công và đảm bảo tính chất giữa các tiêu chuẩn. Khi chỉ định thành phần 7079 quốc tế, kỹ sư nên kiểm tra chính xác tiêu chuẩn áp dụng, dung sai cho phép và thử nghiệm chấp nhận để đảm bảo khả năng thay thế lẫn nhau.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

7079 có khả năng chống ăn mòn chung và ăn mòn điểm kém hơn so với hợp kim 5xxx và nhiều hợp kim 6xxx do hàm lượng Zn và Cu cao thúc đẩy quá trình hòa tan anod và ăn mòn giữa các hạt trong môi trường nhất định. Trong không khí trung tính, hợp kim hoạt động chấp nhận được, nhưng môi trường biển và chứa chloride làm tăng tốc cơ chế ăn mòn cục bộ.

Ăn mòn nứt do ứng suất (SCC) là mối quan ngại đáng chú ý cho hợp kim 7xxx cường độ cao, độ nhạy tăng với độ cứng cao như T6; quá già hóa (ví dụ T76) và kiểm soát giảm ứng suất dư có thể giảm thiểu đáng kể rủi ro SCC. Các biện pháp bảo vệ bao gồm mạ lớp phủ, anode hóa, phủ chuyển hóa chromate, bảo vệ catốt và lựa chọn độ cứng cũng như giải ứng lực sau gia công.

Tương tác điện hóa đối với vật liệu quý hơn (thép không gỉ, titan) sẽ gây hòa tan anod nhanh của 7079 trong dung dịch điện ly; nhà thiết kế nên cách ly kim loại khác loại hoặc phủ lớp bảo vệ, cách điện tránh ăn mòn điện hóa. So sánh thì hợp kim 7xxx cho độ bền cao hơn nhưng khả năng chống ăn mòn kém hơn so với 5xxx và nhiều 6xxx, những hợp kim sau ưu tiên tăng khả năng chống ăn mòn hơn là độ bền.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 7079 khá khó: hàn nóng chảy (TIG/MIG) thường gây giảm mạnh độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt và có nguy cơ nứt nóng, rỗ khí. Lựa chọn vật liệu điền đầy rất quan trọng, thợ hàn thường dùng vật liệu Al–Si hoặc Al–Mg (ví dụ họ 4043 hoặc 5356) tuỳ theo yêu cầu dịch vụ, nhưng mối hàn hiếm khi đạt độ bền vật liệu cơ bản, xử lý nhiệt sau hàn cũng khó hồi phục toàn bộ tính chất đỉnh. Phương pháp liên kết cơ khí, dán keo hoặc hàn khuấy ma sát thường được ưu tiên; hàn khuấy ma sát cho mối nối vượt trội và giảm nhạy cảm SCC đáng kể.

Gia công cơ khí

Độ gia công của 7079 ở mức trung bình; độ cứng đạt cực đại làm mòn dụng cụ nhanh và tạo mảnh cắt ngắn trong khi vật liệu tôi mềm hơn dễ gia công và tạo mảnh cắt dài. Dụng cụ carbide với góc nghiêng dương và làm mát áp lực cao được khuyến nghị để kéo dài tuổi thọ dao và đảm bảo bề mặt, cùng với điều chỉnh tốc độ và tiến dao phù hợp theo độ cứng và kích thước tiết diện. Mảnh vụn và các hạt liên kim kẹt ảnh hưởng đến bề mặt, chi tiết chịu mỏi cần giải ứng lực sau gia công cẩn thận.

Khả năng tạo hình

Gia công tạo hình tốt nhất ở trạng thái mềm (O hoặc H1x) nơi kéo dài và độ dẻo uốn tối đa; trạng thái T6 và T651 hạn chế khả năng tạo hình nguội, yêu cầu bán kính uốn lớn hơn và máy uốn đặc biệt. Có thể dùng phương pháp tạo hình gia tăng, tạo hình nóng hoặc tiền ủ để đạt hình dạng phức tạp. Nhà thiết kế nên tuân thủ bán kính uốn tối thiểu và tránh góc sắc nhọn ở trạng thái T6 để tránh nứt; xử lý nhiệt hòa tan và già hóa sau tạo hình có thể áp dụng nếu dung sai hình học và độ biến dạng cho phép.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Như một hợp kim xử lý nhiệt, 7079 đáp ứng mạnh mẽ với quá trình nhiệt luyện bao gồm hòa tan, tôi và già hóa nhân tạo. Nhiệt độ hòa tan điển hình khoảng 470–480 °C, giữ đủ lâu để đồng nhất các pha giàu chất hòa tan, sau đó làm nguội nhanh giữ dung dịch rắn quá bão hòa. Quá trình già hóa nhân tạo sau đó ở nhiệt độ 120–170 °C kết tủa các pha MgZn2 tinh thể mịn và pha chứa Cu để đạt độ bền cực đại (T6).

Chu trình quá già hóa (ví dụ T76) làm phối tử lớn hơn nhằm cải thiện khả năng chống ăn mòn nứt ứng suất và bong tróc, nhưng giảm độ bền đỉnh. T651 biểu thị vật liệu được hòa tan, già hóa nhân tạo đến T6 và giải ứng lực bằng cách kéo dãn; kéo dãn giúp giảm ứng suất dư do tôi và hạn chế biến dạng cho chi tiết chính xác.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

7079 giảm độ bền đáng kể khi nhiệt độ tăng; mềm đáng kể trên khoảng 120–150 °C, nhà thiết kế nên giới hạn nhiệt độ làm việc liên tục phù hợp. Với các môi trường nhiệt độ cao ngắn hạn, hợp kim vẫn giữ một phần khả năng chịu tải, nhưng khả năng chống creep kém hơn so với hợp kim chịu nhiệt cao và giảm nhanh theo nhiệt độ và ứng suất.

Quá trình oxy hóa được kiểm soát bởi lớp oxit nhôm tự nhiên, nhưng nhiệt độ cao đẩy nhanh sự ăn mòn môi trường và có thể làm xấu đi sự suy thoái liên quan đến đường ranh giới hạt. Vùng ảnh hưởng nhiệt hàn có thể bị suy giảm tính chất cục bộ và vấn đề ổn định lâu dài nếu chịu tải nhiệt hoặc cơ học chu kỳ.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ thành phần	Lý do sử dụng 7079
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, giá đỡ, bộ phận quan trọng	Tỷ lệ độ bền-trọng lượng cao, độ dai gãy tốt khi gia công
Hàng hải	Khung kết cấu và spar	Độ bền tĩnh cao và có thể quá già hóa để chống SCC
Ô tô	Khung xe hiệu suất cao và chi tiết treo	Tiết kiệm trọng lượng với giới hạn chảy cao cho chi tiết an toàn
Quốc phòng	Giá gắn vũ khí, chi tiết kết cấu	Độ bền cao và khả năng chống đạn/va đập trong thiết kế kỹ thuật
Thiết bị thể thao	Khung xe đạp, chi tiết hiệu năng cao	Giải pháp nhẹ, bền cao cho thiết bị thi đấu

7079 được dùng khi nhà thiết kế cần sự kết hợp tối ưu giữa độ bền tĩnh cao và độ dai chấp nhận được, cùng tùy chọn điều chỉnh khả năng chống ăn mòn qua xử lý nhiệt và bề mặt. Vai trò của hợp kim đặc biệt rõ ở thiết bị giảm trọng lượng mà không làm giảm tính toàn vẹn kết cấu.

Gợi Ý Lựa Chọn

7079 là lựa chọn cường độ cao khi ưu tiên hiệu suất giới hạn chảy và bền kéo; cần chấp nhận đánh đổi về chống ăn mòn, khả năng hàn và tạo hình. Sử dụng trạng thái tôi mềm để gia công tạo hình và trạng thái tôi cứng cực đại hoặc quá già hóa cho các chi tiết kết cấu hoàn thiện, cân bằng giữa khả năng chống SCC và yêu cầu độ bền cực đại.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 7079 đánh đổi độ dẫn điện và khả năng tạo hình lấy độ bền và độ cứng cao hơn nhiều. So với hợp kim làm cứng nguội như 3003 hoặc 5052, 7079 cung cấp độ bền tĩnh vượt trội nhưng khả năng chống ăn mòn và tạo hình nguội kém hơn. So với hợp kim xử lý nhiệt phổ biến như 6061/6063, 7079 cho độ bền cực đại cao hơn nhưng thường đi kèm chi phí cao hơn, nhạy SCC hơn và yêu cầu nghiêm ngặt hơn về hàn và tạo hình.

Khi lựa chọn 7079, cần xem xét tính sẵn có, chi phí của các trạng thái tôi luyện và chu trình xử lý nhiệt, cũng như nhu cầu gia công tiếp theo; nếu yêu cầu dễ hàn hoặc khả năng chống ăn mòn vượt trội, các lựa chọn thay thế nhóm 6xxx hoặc 5xxx có thể phù hợp hơn. Sử dụng 7079 khi các yêu cầu kết cấu và hiệu suất trên trọng lượng cụ thể đòi hỏi các quá trình gia công và biện pháp bảo vệ bổ sung.

Tổng kết

7079 vẫn giữ vị trí là hợp kim nhôm cường độ cao chuyên dụng, cho phép thiết kế kết cấu trọng lượng quan trọng, trong đó hiệu suất kéo và giới hạn chảy là ưu tiên hàng đầu. Giá trị của nó nằm ở khả năng tùy chỉnh độ bền và khả năng chống ăn mòn thông qua việc lựa chọn trạng thái tôi luyện và xử lý nhiệt có kiểm soát, khiến 7079 trở thành hợp kim được ưa chuộng cho các ứng dụng hàng không vũ trụ, quốc phòng và kỹ thuật hiệu suất cao đầy thách thức.