Nhôm AlZnMgCu: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ và Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim AlZnMgCu thuộc nhóm hợp kim nhôm 7xxx, trong đó kẽm là nguyên tố hợp kim chính, còn magiê và đồng là các nguyên tố phụ quan trọng. Các hợp kim này có thể xử lý nhiệt và sức bền chủ yếu dựa trên quá trình làm cứng kết tủa qua các bước xử lý hòa tan, làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo. Các loại hợp kim có độ bền cao tiêu biểu trong nhóm này, như AA 7075, cung cấp tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao nhất trong số các hợp kim nhôm dạng thanh rèn, mặc dù khả năng chống ăn mòn tuyệt đối và tính dễ hàn thấp hơn so với các loại hợp kim có độ bền thấp hơn. Chúng được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, quân sự, thể thao hiệu năng cao và một số ứng dụng kết cấu ô tô đòi hỏi độ bền tĩnh hoặc độ bền mỏi cao là yếu tố quyết định thiết kế.

Nguyên tố hợp kim chính trong hệ Al–Zn–Mg–Cu là kẽm (thúc đẩy sự kết tủa làm cứng), magiê (hình thành kết tủa tăng cường cùng với kẽm) và đồng (tăng cường độ nhưng có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn và tăng độ nhạy với ăn mòn ứng suất SCC). Các nguyên tố phụ như crôm và zirconi được thêm vào để tinh chỉnh cấu trúc hạt và kiểm soát tái kết tinh nhằm duy trì độ bền trong các dạng sản phẩm đã xử lý cơ - nhiệt. Các hợp kim này được lựa chọn thay cho dòng 6xxx hoặc 5xxx khi ưu tiên độ bền tối đa và độ dẻo dai trên đơn vị khối lượng, và thay cho thép không gỉ khi cần giảm trọng lượng với độ cứng và hiệu suất mỏi tương đương. Việc chọn lựa thường là sự đánh đổi giữa hiệu suất cơ học (độ bền, độ cứng, độ mỏi) và nhu cầu áp dụng biện pháp chống ăn mòn như phủ lớp, mạ hoặc lão hóa quá mức.

Các yếu tố về sản xuất ảnh hưởng mạnh đến việc chọn cấp và trạng thái ứng suất của hợp kim AlZnMgCu cụ thể. Khả năng xử lý nhiệt, dạng sản phẩm có sẵn (tấm, lá, biên dạng ép đùn) và khả năng thực hiện xử lý sau hàn hoặc định hình quyết định liệu chi tiết có thể phát huy tối đa tiềm năng của hợp kim hay không. Sự kết hợp giữa độ bền cao, tính gia công hợp lý và khả năng thích ứng với các quy trình nối và hoàn thiện nhôm tiêu chuẩn khiến hợp kim AlZnMgCu trở thành lựa chọn thực tế cho các kết cấu kỹ thuật khi hiệu quả trọng lượng là ưu tiên hàng đầu.

Nhà thiết kế cũng phải cân nhắc các giới hạn môi trường và vòng đời trong khi quy định sử dụng AlZnMgCu. Các chiến lược bảo vệ chống ăn mòn, tính nhạy cảm với ăn mòn ứng suất (SCC) dưới ứng suất kéo và trạng thái ứng suất cụ thể, cũng như sự ảnh hưởng của độ dày và lịch sử nhiệt đến tính chất đều là các yếu tố tác động đến việc lựa chọn vật liệu, quy trình chế tạo và kế hoạch bảo trì trong quá trình vận hành. Kết quả tổng thể là một họ hợp kim hiệu suất cao không thể thiếu khi mục tiêu thiết kế ưu tiên giảm trọng lượng và đã có biện pháp xử lý phù hợp với chống ăn mòn và tính hàn.

Biến thể trạng thái ứng suất

Trạng thái ứng suất	Cấp độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Tính hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Đã ủ mềm hoàn toàn; độ dẻo và khả năng tạo hình tối đa
T4	Thấp – Trung bình	Trung bình	Khá	Khá	Đã xử lý hòa tan và lão hóa tự nhiên; trạng thái trung gian
T6	Cao	Thấp – Trung bình	Khá	Kém – Khá	Đã xử lý hòa tan và lão hóa nhân tạo để đạt độ bền cao nhất
T73 / T76	Trung bình – Cao	Trung bình	Cải thiện	Tốt hơn T6	Trạng thái lão hóa quá mức để nâng cao khả năng chống ăn mòn ứng suất và độ dẻo dai
T651	Cao	Thấp – Trung bình	Khá	Kém – Khá	T6 có xử lý giảm ứng suất bằng kéo giãn hoặc nén
H112 / H116	Thay đổi	Thay đổi	Thay đổi	Thay đổi	Trạng thái ứng suất kiểm soát thương mại để điều chỉnh một phần tính chất
H14	Trung bình	Thấp	Khá	Kém – Khá	Đã làm cứng do biến dạng và ủ một phần; dùng cho thanh đùn và tấm

Trạng thái ứng suất ảnh hưởng chủ yếu đến hiệu suất cơ học, khả năng chống ăn mòn và cách vật liệu hình thành của hợp kim AlZnMgCu. Trạng thái lão hóa đạt đỉnh như T6 tối đa hóa giới hạn bền kéo và giới hạn chảy nhưng giảm đáng kể độ dẻo và làm cho quá trình tạo hình, hàn trở nên khó khăn hơn nếu không có phục hồi sau xử lý.

Lão hóa quá mức ở trạng thái T73/T76 giảm lực tác động gây ăn mòn ứng suất và cải thiện khả năng chống tấn công lột lớp và ăn mòn hạt, đổi lại làm giảm đáng kể giới hạn chảy và giới hạn bền kéo tối đa. Vì vậy, việc chọn trạng thái ứng suất là sự cân bằng giữa độ bền tối đa yêu cầu và độ bền bỉ trong môi trường làm việc.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.40	Tạp chất; thúc đẩy tính chảy lỏng trong đúc và có thể tạo hợp chất liên kim làm giảm độ dai
Fe	≤ 0.50	Tạp chất; tạo hợp chất liên kim giòn ảnh hưởng tiêu cực đến độ dẻo và khả năng chống ăn mòn
Mn	≤ 0.30	Chất điều chỉnh cấu trúc hạt nhỏ; giới hạn trong 7xxx để tránh tạo hợp kim liên kim có hại
Mg	1.5 – 3.0	Yếu tố tăng cường độ; tạo kết tủa MgZn2 cùng kẽm trong quá trình lão hóa
Cu	0.5 – 2.5	Tăng cường độ và độ dai, nhưng làm tăng tính ăn mòn và mức độ nhạy cảm với ăn mòn ứng suất (SCC)
Zn	3.5 – 8.0	Nguyên tố chính để tăng cường độ; hàm lượng Zn cao giúp tăng cường độ đỉnh thông qua kết tủa
Cr	0.04 – 0.35	Kiểm soát tái kết tinh và cấu trúc hạt, nâng cao độ dai và khả năng chống tăng trưởng hạt
Ti	≤ 0.20	Chất mịn hạt trong quá trình đông đặc và xử lý cơ - nhiệt
Khác	Cân bằng Al + các chất vết	Các chất vết và tạp dư (ví dụ: Zr) dùng để kiểm soát hạt và điều chỉnh cấu trúc

Thành phần hóa học của hợp kim Al–Zn–Mg–Cu được tối ưu để thúc đẩy hình thành vùng GP và các kết tủa MgZn2 (η′/η) mịn trong quá trình lão hóa, đây là các yếu tố làm cứng chính. Đồng điều chỉnh quá trình kết tủa và góp phần tăng cường độ đỉnh cũng như độ dai, nhưng đồng thời làm thay đổi hành vi điện hóa và tăng khả năng ăn mòn cục bộ và ăn mòn ứng suất nếu không được kiểm soát bằng lựa chọn trạng thái ứng suất hoặc phủ lớp bảo vệ.

Các nguyên tố vi lượng như crôm và zirconi là các nguyên tố hợp kim vi lượng được thêm có chủ ý để cố định biên giới hạt và kiểm soát tái kết tinh trong quá trình gia công nóng và chu trình nhiệt. Việc kiểm soát tạp chất như sắt và silic rất quan trọng vì các pha liên kim này là vùng có nguy cơ khởi phát vết nứt và ăn mòn cục bộ trong các trạng thái ứng suất cao.

Tính chất cơ học

Hợp kim AlZnMgCu thể hiện phạm vi rộng các hành vi cơ học tùy thuộc vào trạng thái ứng suất, dạng sản phẩm và độ dày. Ở trạng thái T6 lão hóa đỉnh, hợp kim này có giới hạn bền kéo và giới hạn chảy cao, đồng thời độ dẻo thường nằm trong khoảng đơn số đến hai chữ số thấp. Ở trạng thái ủ hoặc xử lý hòa tan, cùng hợp kim sẽ có độ dãn dài cao hơn nhiều và giới hạn chảy thấp hơn, cho phép các thao tác tạo hình mà trạng thái T6 không thể thực hiện.

Hành vi mỏi thường rất tốt với AlZnMgCu khi được sản xuất có kiểm soát cấu trúc hạt và khuyết tật bề mặt tối thiểu, làm cho vật liệu phù hợp với các ứng dụng chịu tải chu kỳ. Tuy nhiên, độ dẻo dai mỏi và độ bền kháng gãy bị ảnh hưởng bởi ứng suất kéo dư và sự không đồng nhất cấu trúc vi mô; lão hóa quá mức (T73/T76) có thể cải thiện khả năng làm chậm phát triển vết nứt mỏi với sự đánh đổi là giảm độ bền tĩnh. Ảnh hưởng độ dày rất rõ ràng: các tiết diện dày thường có độ bền thấp do tốc độ làm nguội chậm hơn và sự phân bố kết tủa thô hơn, cần các biện pháp kiểm soát công đoạn như giảm làm nguội hoặc chu trình lão hóa đặc biệt.

Độ cứng phản ánh hành vi kéo, với các trạng thái lão hóa đỉnh có giá trị độ cứng cao hơn hẳn so với trạng thái ủ hoặc lão hóa tự nhiên. Lượng nhiệt tạo ra trong hàn hoặc quá trình nhiệt cục bộ sẽ làm mất kết tủa tăng cường ở vùng nhiệt ảnh hưởng (HAZ), dẫn đến giảm giới hạn chảy và độ bền mỏi cục bộ, thường đòi hỏi xử lý nhiệt sau hàn hoặc thiết kế điều chỉnh.

Tính chất	O/Ướt (Annealed)	Độ Cứng Chính (ví dụ: T6/T651)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	250 – 350 MPa	480 – 620 MPa	Phạm vi rộng tùy thuộc biến thể hợp kim và chiều dày; T6 gần giá trị cực đại
Giới hạn chảy	120 – 300 MPa	410 – 540 MPa	Giới hạn chảy tăng đáng kể với quá trình lão hóa; tỷ lệ giới hạn chảy/giới hạn bền kéo biến đổi theo trạng thái xử lý nhiệt
Độ dãn dài	12 – 20%	5 – 15%	Độ dẻo giảm ở trạng thái lão hóa đỉnh; dễ tạo hình hơn ở trạng thái O/T4
Độ cứng	60 – 95 HB	135 – 165 HB	Độ cứng tương ứng với mật độ kết tủa và trạng thái nhiệt luyện; giá trị đo chịu ảnh hưởng của bề mặt

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.78 – 2.82 g/cm³	Nhẹ hơn thép một chút; hiệu quả khối lượng cao cho chi tiết kết cấu
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~480 – 635 °C	Khoảng nóng chảy rắn–lỏng phụ thuộc hàm lượng kẽm và đồng; tránh vận hành gần nhiệt độ nóng chảy hỗn hợp
Độ dẫn nhiệt	120 – 160 W/m·K	Thấp hơn nhôm nguyên chất nhưng vẫn cao so với thép; lợi thế trong thiết kế đường dẫn nhiệt
Độ dẫn điện	20 – 35 % IACS	Giảm so với nhôm nguyên chất do hợp kim; chiều dày và trạng thái xử lý ảnh hưởng nhỏ
Nhiệt dung riêng	~870 – 910 J/kg·K	Giá trị gần đúng tại nhiệt độ phòng cho thiết kế khối nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Giãn nở điển hình của nhôm; quan trọng trong thiết kế mối ghép đa vật liệu

Hợp kim AlZnMgCu giữ nhiều đặc tính vật lý ưu việt của nhôm, đặc biệt là mật độ thấp và độ dẫn nhiệt tương đối cao so với vật liệu ferrous. Những tính chất này làm cho hợp kim thích hợp cho các ứng dụng cần quản lý nhiệt và chi tiết kết cấu nhẹ, nhưng người thiết kế cần lưu ý độ dẫn điện thấp hơn nhôm tinh khiết khi lựa chọn cho ứng dụng điện.

Độ ổn định nhiệt và đặc tính nóng chảy xác định giới hạn thực tế đối với việc tiếp xúc nhiệt trong gia công và vận hành. Cấu trúc vi mô được tăng cường bằng kết tủa rất nhạy cảm với nhiệt độ: tiếp xúc lâu dài trên khoảng một phần ba đến một nửa nhiệt độ nóng chảy (theo thang tuyệt đối) sẽ gây giảm cứng và mất tính toàn vẹn cơ học, điều này đặc biệt quan trọng khi hàn, hàn đắp và sử dụng ở nhiệt độ cao.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Đặc điểm giới hạn bền	Trạng thái nhiệt luyện phổ biến	Ghi chú
Tấm (Sheet)	0.4 – 6.0 mm	Kiểm soát độ đồng đều qua độ dày tốt cần thiết cho tấm dày	T6, T651, T73	Thường dùng làm lớp vỏ kết cấu và tấm; nhạy với quá trình làm nguội nhanh vùng dày
Tấm dày (Plate)	6 – 200 mm	Giới hạn bền có thể giảm theo chiều dày do làm nguội chậm hơn	T6, T651, T73	Tấm nặng đòi hỏi kiểm soát làm nguội và nhiệt luyện để giữ tính chất
Đùn (Extrusion)	Hồ sơ phức tạp, đa dạng độ dày thành	Cấu trúc vi mô đùn có lợi khi được lão hóa sau đùn	T6, T73, H112	Dùng cho thanh cấu trúc có cường độ cao và phụ kiện
Ống (Tube)	Đường kính thành mỏng đến dày	Hàn và uốn ảnh hưởng tính chất cục bộ; khả năng chịu áp suất cao ở T6	T6, T73	Dùng trong bộ trao đổi nhiệt và ống kết cấu đòi hỏi tỷ số cường độ trên trọng lượng cao
Thanh tròn/Thanh dẹt (Bar/Rod)	Đường kính đến vài trăm mm	Gia công cơ tốt; đoạn lớn cần xử lý nhiệt	T6, O, T73	Dùng cho chi tiết rèn, gia công và phụ kiện hàng không vũ trụ

Quy trình xử lý khác nhau tùy dạng sản phẩm: tấm và bản thường được xử lý nhiệt dung dịch trên quy mô sản xuất rồi làm nguội nhanh và lão hóa, trong khi đùn cần kiểm soát chặt tốc độ làm nguội và đôi khi lão hóa trực tiếp để đạt tổ hợp tính chất mong muốn. Độ dày tấm và khả năng làm nguội là yếu tố thiết kế quan trọng; khi yêu cầu độ ổn định trạng thái tối đa, có thể chỉ định tiết diện mỏng hơn hoặc đồng nhất hóa sau gia công.

Ứng dụng ảnh hưởng đến lựa chọn dạng sản phẩm và trạng thái nhiệt luyện; ví dụ, lớp vỏ kết cấu hàng không sử dụng tấm cán ở trạng thái T6/T651 với lớp phủ hoặc bảo vệ chống ăn mòn, trong khi chi tiết kết cấu biển thường sử dụng trạng thái già hóa quá mức hoặc xử lý bề mặt. Khoảng gia công và kiểm soát biến dạng cũng phụ thuộc vào lựa chọn dạng sản phẩm và trạng thái nhiệt luyện.

Các mác tương đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	7075 / AlZnMgCu	Mỹ	7075 là đại diện thương mại phổ biến nhất của các hợp kim Al–Zn–Mg–Cu có cường độ cao
EN AW	7075	Châu Âu	EN AW-7075 tuân thủ quy cách số hợp kim của châu Âu; thành phần hóa học và trạng thái nhiệt tương tự
JIS	A7075	Nhật Bản	Ký hiệu Nhật cho dòng 7075 với dung sai xử lý đặc thù khu vực
GB/T	7075	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc bao gồm tương đương và quy định xử lý nhiệt 7075

Sự khác biệt nhỏ giữa các tiêu chuẩn phát sinh từ dung sai nguyên tố tạp, giới hạn thành phần chính xác và phạm vi tính chất cơ học cho từng trạng thái nhiệt. Đối với thành phần hàng không hoặc an toàn quan trọng, đặc điểm kỹ thuật mua hàng sẽ tham chiếu tiêu chuẩn và trạng thái cụ thể kèm yêu cầu kiểm tra và chứng nhận để đảm bảo khả năng thay thế và hiệu suất tái sản xuất.

Phương pháp xử lý nhiệt theo vùng và trạng thái cho phép (ví dụ, T651 so với T6511 hay T73) có thể tạo khác biệt trong kiểm soát ứng suất dư và mục tiêu độ dãn dài ngay cả với hợp kim có thành phần hóa học gần như tương đương. Luôn đối chiếu ký hiệu bản vẽ với chứng nhận và báo cáo kiểm tra của nhà cung cấp.

Khả năng chống ăn mòn

Hợp kim AlZnMgCu cho thấy khả năng chống ăn mòn tổng thể vừa phải trong môi trường khí quyển, nhưng dễ bị ăn mòn cục bộ (ăn mòn điểm, bong tróc) và nứt ăn mòn ứng suất hơn so với hợp kim seri 5xxx và một số loại seri 6xxx. Sự có mặt của đồng và tỷ lệ Zn:Mg cao làm tăng tính không đồng nhất điện hóa và thúc đẩy ăn mòn cục bộ khi tiếp xúc với môi trường chứa clo, khiến việc sử dụng lớp phủ bảo vệ, mạ Alclad hoặc biện pháp anot hy sinh phổ biến trong ứng dụng hàng hải và ven biển. Quá trình già hóa quá mức ở T73/T76 hoặc mạ lớp nhôm tinh khiết cao cải thiện đáng kể khả năng chống bong tróc và nứt ăn mòn ứng suất, tuy nhiên làm giảm cường độ đỉnh đạt được.

Tiếp xúc hải dương đòi hỏi biện pháp giảm thiểu cẩn trọng: trong môi trường nước biển và vùng bắn tóe, hợp kim AlZnMgCu cường độ cao không được bảo vệ có thể mất nhanh hiệu suất do ăn mòn điểm và nứt ăn mòn ứng suất nếu chịu ứng suất kéo. Phương pháp thiết kế bao gồm sử dụng lớp phủ hy sinh, bảo vệ cực âm, lựa chọn trạng thái già hóa quá mức và tránh hình học tạo khe hở. Bu lông và cụm chi tiết thường được cách ly khỏi kim loại khác hoặc dùng phần cứng chống ăn mòn để ngăn tăng tốc ăn mòn điện hóa của nhôm.

Nứt ăn mòn ứng suất là chế độ hỏng đặc trưng đối với trạng thái nhiệt luyện cường độ cao dưới ứng suất kéo bền vững trong môi trường chứa clo ăn mòn. Độ nhạy có thể giảm bằng cách hạ thấp giới hạn chảy (già hóa quá mức), tạo ứng suất nén bề mặt (gõ) hoặc thay đổi thành phần hợp kim. So với hợp kim seri 6xxx (ví dụ 6061), hợp kim seri 7xxx có cường độ cao hơn nhưng đòi hỏi kiểm soát môi trường và thiết kế nghiêm ngặt hơn để tránh hỏng do nứt ăn mòn ứng suất.

Khả năng gia công

Khả năng hàn

Hàn hợp kim AlZnMgCu trong trạng thái lão hóa đỉnh rất khó khăn do nhiệt lượng gây tan rã hoặc làm coalescence các kết tủa tăng cường, tạo vùng ảnh hưởng nhiệt mềm với giới hạn chảy và độ bền mỏi giảm đáng kể. Các phương pháp hàn nóng chảy như TIG và MIG có thể áp dụng cho sửa chữa và chế tạo, nhưng kim loại hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt thường yếu hơn đáng kể so với vật liệu gốc T6 nếu không xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa sau hàn, điều này thường không khả thi đối với kết cấu đã lắp ráp. Hợp kim hàn như 5356 hoặc 4043 thường được dùng; tuy nhiên, 5356 (Al–Mg) cho cường độ tốt hơn, còn hợp kim hàn đặc biệt cho 7xxx có thể được sử dụng để giảm chênh lệch điện hóa và cơ học. Rủi ro nứt nóng tăng khi hàn hợp kim chứa nhiều kẽm, vì vậy chuẩn bị trước hàn, thiết kế mối ghép và kiểm soát nhiệt lượng rất quan trọng.

Khả năng gia công

Khả năng gia công của AlZnMgCu thường tốt hơn thép, với sự tạo phoi dự đoán được và nhiệt độ cắt thấp, nhưng cường độ và độ cứng cao của trạng thái lão hóa làm tăng mài mòn dao so với các hợp kim nhôm mềm hơn. Dụng cụ bằng cacbua với góc lưỡi sắc và góc xẻ dương được ưu tiên để kiểm soát phoi và giảm cạnh bám; tốc độ cắt lớn hơn so với thép nhưng phải hạn chế để tránh nhiệt độ bề mặt cao làm thay đổi trạng thái nhiệt cục bộ. Với chi tiết hàng không có dung sai chặt chẽ, cần chừa biên gia công giảm ứng suất và kiểm soát biến dạng trong quá trình gia công và hoàn thiện để giữ ổn định kích thước và hiệu suất cơ học.

Khả năng tạo hình

Gia công nguội hiệu quả nhất đối với các trạng thái O, T4 hoặc trạng thái được tôi ủ một phần, nơi độ dẻo đủ để thực hiện các thao tác uốn và dập sâu, trong khi trạng thái T6 và H14 ít khả năng tạo hình hơn và dễ bị nứt trong các thao tác uốn nghiêm ngặt. Bán kính uốn tối thiểu được quy định bởi trạng thái và độ dày; quy tắc an toàn cho tấm T6 là sử dụng bán kính uốn trong tối thiểu bằng 1–2× độ dày, trong khi các trạng thái mềm hơn có thể cho phép bán kính gần hoặc nhỏ hơn 1× độ dày tùy theo dụng cụ và lực giữ phôi. Khi yêu cầu các hình dạng phức tạp, nên gia công ở trạng thái mềm hơn sau đó xử lý nhiệt kiểm soát để phục hồi độ bền, hoặc thiết kế với các kỹ thuật gấp mép và gia công từng bước để tránh hỏng hóc chi tiết.

Hành vi xử lý nhiệt

Hợp kim AlZnMgCu là các hợp kim điển hình có thể xử lý nhiệt; các bước xử lý nhiệt chính bao gồm tôi dung dịch, làm nguội nhanh, và lão hóa nhân tạo. Tôi dung dịch thường được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 470–480 °C để hòa tan Zn và Mg có thể hòa tan vào dung dịch rắn quá bão hòa, tiếp theo là làm nguội nhanh (bằng nước hoặc polymer) để giữ lại trạng thái quá bão hòa đó. Lão hóa nhân tạo (T6) được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 120–160 °C trong khoảng thời gian xác định để tạo các pha kết tủa mịn η′ và loại GP-zone mang lại độ cứng và độ bền cực đại.

Lão hóa tự nhiên (T4) có thể cung cấp độ bền trung gian và là điểm khởi đầu cho một số chu trình chế tạo, trong khi các quá trình quá lão hóa (T7/T73/T76) làm kết tủa trở nên thô hơn nhằm giảm tính nhạy cảm với ăn mòn ứng suất và cải thiện độ dai va đập cũng như ổn định kích thước. Ký hiệu T651 chỉ trạng thái T6 đã qua xử lý giảm ứng suất có kiểm soát (kéo dãn hoặc ép nén) sau khi làm nguội, giúp giảm biến dạng cho các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao. Kiểm soát tốc độ làm nguội là yếu tố quan trọng; các tiết diện dày làm nguội chậm có thể không đạt được trạng thái quá bão hòa tương đương và do đó có sức bền thấp hơn.

Hành vi không xử lý nhiệt trong trạng thái H liên quan đến sự làm cứng ứng suất do biến dạng; tuy nhiên, nhóm hợp kim AlZnMgCu có độ bền cao thường được thiết kế dựa trên xử lý nhiệt hơn là làm cứng biến dạng để phát triển độ bền. Tôi ủ phục hồi độ dẻo thông qua quá trình tái kết tinh và hòa tan các pha làm cứng, cho phép thực hiện các thao tác tạo hình trước khi lão hóa lại.

Hiệu suất ở nhiệt độ cao

Độ bền ở nhiệt độ cao của hợp kim AlZnMgCu giảm nhanh khi nhiệt độ tăng; mất độ bền đáng kể được quan sát ở nhiệt độ trên khoảng 100 °C, và khả năng sử dụng cho các ứng dụng chịu tải trên 150 °C thường bị giới hạn. Các pha kết tủa chịu trách nhiệm làm cứng sẽ thô hoặc tan ra ở nhiệt độ cao, gây ra giảm độ cứng và giảm giới hạn chảy cũng như khả năng chống mỏi. Quá trình oxy hóa ở nhiệt độ vừa phải đối với nhôm là tối thiểu so với thép, nhưng lớp màng oxit bảo vệ không ngăn được quá trình thô của cấu trúc vi mô.

Đối với các chi tiết hàn, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) ở nhiệt độ cao là mối quan tâm chính: quá lão hóa cục bộ hoặc tan các pha kết tủa làm cứng tạo ra các vùng mềm dai kéo dài, có thể gây hỏng trong các chu trình nhiệt độ cao hoặc ứng dụng chịu creep. Thiết kế cho môi trường nhiệt độ cao đòi hỏi lựa chọn các hợp kim có tính ổn định nhiệt cao hơn hoặc kết hợp các lớp chắn nhiệt và các khoảng thời gian kiểm tra định kỳ.

Ứng dụng

Công nghiệp	Ví dụ thành phần	Lý do sử dụng AlZnMgCu
Hàng không vũ trụ	Bề mặt cánh, khung thân máy bay, phụ kiện	Độ bền trên trọng lượng vượt trội và độ dai va đập cao trong các chi tiết kết cấu
Hàng hải	Phụ kiện thân tàu chịu lực cao, cột buồm	Độ bền tĩnh cao với các biện pháp chống ăn mòn; tiết kiệm trọng lượng rất quan trọng
Ô tô	Thành phần khung gầm hiệu suất cao, bộ phận treo	Giảm trọng lượng và tăng độ cứng giúp cải thiện động học
Quân sự	Vỏ giáp, thân tên lửa	Giải pháp kết cấu nhẹ và bền cho hiệu quả tải trọng cao
Thể thao & Giải trí	Khung xe đạp cao cấp, thiết bị leo núi	Độ bền đặc hiệu cao và khả năng chống mỏi cho thiết bị hiệu suất

Hợp kim AlZnMgCu vẫn là lựa chọn hàng đầu khi mục tiêu thiết kế đặt trọng tâm vào hiệu quả cấu trúc tối đa trên mỗi đơn vị trọng lượng và khi có thể áp dụng các quy trình chế tạo và biện pháp chống ăn mòn kiểm soát. Nhóm hợp kim này hỗ trợ các chi tiết quan trọng trong nhiều ngành mà tải tĩnh và tải mỏi chiếm ưu thế trong yêu cầu thiết kế.

Những lưu ý khi lựa chọn

Khi chọn hợp kim AlZnMgCu cho một chi tiết, ưu tiên sử dụng khi yêu cầu chính là độ bền trên trọng lượng và khả năng chống mỏi, cũng như khi quy trình chế tạo cho phép xử lý nhiệt và bảo vệ chống ăn mòn. Nếu ưu tiên độ dẻo tối đa, độ dẫn điện và khả năng hàn đơn giản, nhôm thương mại tinh khiết (ví dụ 1100) sẽ vượt trội AlZnMgCu ở các chỉ tiêu đó nhưng sẽ đánh đổi khả năng chịu lực kết cấu.

So với các hợp kim làm cứng biến dạng như 3003 hoặc 5052, AlZnMgCu có độ bền tĩnh và mỏi cao hơn nhiều nhưng thường yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn nghiêm ngặt hơn và giảm tính tạo hình ở các trạng thái lão hóa cực đại. So với các hợp kim xử lý nhiệt phổ biến như 6061 hoặc 6063, AlZnMgCu thường cung cấp độ bền cực đại cao hơn và thường hiệu suất mỏi tốt hơn, nhưng có thể đắt hơn, khó hàn hơn nếu không xử lý sau hàn và nhạy cảm hơn với ăn mòn ứng suất nếu không xử lý quá lão hóa hoặc có biện pháp bảo vệ phù hợp.

Sử dụng AlZnMgCu khi tuổi thọ thiết kế dưới tải chu kỳ, tỉ số cứng trên khối lượng và tối thiểu trọng lượng chi tiết là ưu tiên hàng đầu so với chi phí hoàn thiện và kiểm soát ăn mòn tăng thêm. Lựa chọn các biến thể quá lão hóa hoặc hợp kim lớp phủ cho môi trường ăn mòn khắc nghiệt, và giữ các trạng thái lão hóa cực đại cho chi tiết có điều kiện làm việc hạn chế hoặc kiểm soát tốt sự ăn mòn.

Tóm tắt cuối

Hợp kim AlZnMgCu kết hợp một số đặc tính độ bền cao và khả năng chịu mỏi ưu việt nhất trong các hợp kim nhôm đúc nguội, làm cho chúng không thể thiếu trong các ứng dụng kỹ thuật hiệu suất cao và trọng lượng quan trọng. Việc sử dụng hợp lý yêu cầu chú ý lựa chọn trạng thái nhiệt luyện, xử lý chống ăn mòn và kiểm soát chế tạo để phát huy tối đa hiệu năng hợp kim mà không làm giảm độ bền khi phục vụ.