Co je slitina hliníku 7021?
7021 je hliníková slitina řady 7000, která využívá zinek (5,0–6,0%) jako primární zpevňující prvek, doplněný hořčíkem (1,2–1,8%) a mědí (1,2–2,0%). Je precipitačně zpevněná — pevnost pochází z řízeného tepelného zpracování, nikoli z tváření za studena. Slitina patří do rodiny Al-Zn-Mg-Cu, stejné skupiny jako 7075, ale její složení je vyladěno pro jiný kompromis: mírně nižší maximální pevnost výměnou za výrazně lepší svařitelnost a přiměřenou houževnatost v tepelně ovlivněné oblasti.
Právě svařitelnost odlišuje 7021 od zbytku řady 7000. Většina slitin 7xxx — zejména 7075 — je v podstatě nesvařitelná tavnými procesy. Slitina 7021 byla vyvinuta speciálně pro aplikace, kde musí být vysoká pevnost kombinována se schopností spojovat součásti svařováním. Cenou je odolnost proti korozi: jako všechny slitiny hliníku bohaté na zinek vyžaduje 7021 ochranný povlak nebo eloxování pro jakékoli venkovní použití nebo prostředí s vysokou vlhkostí. Pokud má být díl svařován a potřebuje pevnost řady 7000, je 7021 jednou z mála slitin, která tuto kombinaci činí praktickou.
Chemické složení a mechanické vlastnosti
Chemické složení
Pevnostní profil slitiny je určen především zinkem a hořčíkem, které během umělého stárnutí tvoří zpevňující precipitáty. Měď přidává sekundární zpevňující účinek a zlepšuje odolnost proti mezikrystalové korozi pod napětím. Zirkonium (0,08–0,18%) hraje strukturální roli: zvyšuje teplotu rekrystalizace, což pomáhá slitině zachovat jemnou zrnitou strukturu během tepelného zpracování a svařovacích cyklů. Chrom (0,10–0,25%) zajišťuje dodatečné ukotvení hranic zrn.
| Prvek | Rozsah složení (% hmotnostně) | Role |
| Hliník (Al) | Zbytek (~90,7–93,7) | Nobelmetal |
| Zinek (Zn) | 5.0–6.0 | Primární zpevňující prvek |
| Hořčík (Mg) | 1.2–1.8 | Tvůrce precipitátů; pevnost + koroze |
| Měď (Cu) | 1.2–2.0 | Sekundární zpevnění; odolnost proti korozi pod napětím |
| Mangan (Mn) | 0.10–0.40 | Řízení zrnité struktury |
| Chrom (Cr) | 0.10–0.25 | Stabilizace hranic zrn |
| Zirkonium (Zr) | 0.08–0.18 | Zvýšení teploty rekrystalizace |
| Křemík (Si) | ≤0,40 | Limit nečistot |
| Železo (Fe) | ≤0,50 | Limit nečistot |
| Titan (Ti) | ≤0,10 | Zjemňovač zrna |
| Ostatní (každý) | ≤0,05 | Stopové prvky |
| Ostatní (celkem) | ≤0,15 | Celkové stopové prvky |
Mechanické vlastnosti (stav T6)
Není-li uvedeno jinak, níže uvedené hodnoty platí pro 7021 ve stavu T6 — roztokově žíháno a uměle stárnuto na maximální pevnost. Toto je základní stav pro konstrukční aplikace.
| Majetek | Hodnota | Poznámky |
| Hustota | 2,78 g/cm³ | Typické pro řadu 7xxx |
| Mez pevnosti v tahu | 470 MPa (68 ksi) | Podélný směr, pokojová teplota |
| Mez kluzu v tahu (0,2 % offset) | 420 MPa (61 ksi) | Návrhová rozhodující hodnota pro konstrukční díly |
| Prodloužení při přetržení | ~10% | Při měrné délce 50 mm |
| Modul pružnosti | 71 GPa (10 300 ksi) | Přibližně jedna třetina oceli |
| Mez únavy (5×10⁸ cyklů) | ~150 MPa (22 ksi) | Hladký vzorek, R = −1 |
| Smyková pevnost | 270 MPa (39 ksi) | Relevantní pro návrh nýtovaných a šroubovaných spojů |
| Tvrdost | ~120 HB | Zatížení 500 kg, kulička 10 mm |
| Tepelná vodivost | 150 W/m·K | Střední; dostatečná pro většinu konstrukčních aplikací |
| Elektrická vodivost | 38% IACS | Typické pro slitiny bohaté na zinek |
| Rozsah tání | 510–630 °C | Solidus až likvidus |
Mez kluzu 420 MPa řadí 7021-T6 výrazně nad 6061-T6 (276 MPa) a pevně do kategorie vysoce pevných hliníkových slitin. Tažnost 10% je nižší než tažnost typická pro slitiny 5xxx nebo 6xxx, což je důležité, pokud díl vyžaduje tváření po výrobě — 7021 ve stavu T6 není tvářecí slitina. Kompromisem je pevnost za tažnost, a pro konstrukční aplikace, kde statická únosnost řídí návrh, je mez kluzu návrhovou rozhodující hodnotou.
Kde se 7021 používá
Definující výhodou slitiny 7021 je kombinace pevnosti a svařitelnosti. Většina aplikací spadá do kategorií, kde by 7075 byla zřejmou volbou z hlediska pevnosti, ale díl musí být spojen svařováním.
1. Svařované konstrukční sestavy
Svařované dopravní konstrukce — rámy nákladních vozidel, podvozky přívěsů, součásti kolejových vozidel — používají 7021 tam, kde jsou vyžadovány jak vysoká pevnost, tak tavné svařování. Odolnost slitiny proti horkému trhlinám je výrazně lepší než u 7075, což ji činí vhodnou pro MIG a TIG s kvalifikovanou výplní řady 5xxx (5356 nebo 5183). Svařovaný spoj zůstává návrhově limitujícím místem.
2. Letecké svařované součásti
V letectví se 7021 vyskytuje ve svařovaných podsestavách — rámy nákladních kontejnerů, výztužné sestavy, sekundární konstrukční konzoly — kde by nesvařitelnost slitiny 7075 vynutila nýtovaný nebo šroubovaný návrh zvyšující hmotnost. Nejedná se o slitinu pro potah trupu nebo nosníky křídel; ty zůstávají doménou slitin 2024 a 7075.
3. Výroba forem a nástrojů
Slitina 7021-T6 se používá pro vstřikovací formy na plasty a nástroje pro vyfukovací formy tam, kde záleží na vysoké pevnosti v tlaku, tepelné vodivosti a obrobitelnosti. Ve srovnání s nástrojovými ocelemi zkracuje hliníkové nástrojové vybavení doby cyklů díky rychlejšímu přenosu tepla a 7021 poskytuje lepší pevnost než 6061 nebo 5083 ve stejné roli.
4. Jeřáby, zdvihací zařízení a těžké svařované konstrukce
Nosníky mostových jeřábů, zdvihací ramena a velké svařované konstrukce těží ze svařitelnosti slitiny 7021 tam, kde je mechanické spojování samo o sobě nepraktické. Materiál zvládá koncentrace napětí kolem svařovaných připojovacích bodů lépe než alternativy řady 6xxx, a to za nižší náklady než titan nebo ocel při ekvivalentní pevnosti.
Možnosti stavů slitiny 7021
Slitina 7021 se nejčastěji dodává ve třech stavech, přičemž každý řeší jiný požadavek na zpracování.
| Temperament | Zpracování | Mez pevnosti (MPa) | MS (MPa) | Prodloužení | Nejlepší pro | Vyhněte se, když |
| T6 | Roztokově žíháno + uměle stárnuto | 470 | 420 | ~10% | Obecné konstrukční díly: pevnost v dodaném stavu bez následného zpracování po svařování | Přesné tváření nebo ohýbání požadované po tepelném zpracování |
| T651 | T6 + relaxace pnutí tahem (1–3%) | 470 | 420 | ~10% | Obráběné součásti, kde musí být zbytkové pnutí uvolněno před odebíráním materiálu | — (funkčně identické s T6 pro většinu neobráběcích aplikací) |
| T62 | Roztokově žíháno + uměle stárnuto z uživatelem provedeného zpracování | ~470 | ~420 | ~10% | Díly, které byly roztokově žíhány a stárnuty jako vyrobená sestava, nikoli jako výchozí polotovar | Objednávání surového materiálu — specifikujte T6 nebo T651 |
T6: Standardní stav
T6 je standardní stav pro většinu aplikací slitiny 7021. Materiál je dodáván plně vytvrzený a připravený k výrobě — svařování, obrábění a montáži. Mez kluzu 420 MPa je návrhovou hodnotou.
T651: Odpružený pro obrábění
Pokud bude díl silně obráběn — hluboké kapsy, asymetrické odebírání materiálu, přísné tolerance rovinnosti — je T651 lepší volbou. Relaxace pnutí tahem redistribuuje zbytková kaličská pnutí přes průřez, čímž snižuje deformace během obrábění. Mechanické vlastnosti jsou identické s T6; T651 poskytuje rozměrovou stabilitu, nikoli vyšší pevnost.
Poznámka k T62
T62 popisuje stav, kdy výrobce nebo zpracovatel provádí roztokové žíhání a stárnutí na tvarované nebo sestavené součásti, nikoli když hutní závod dodává materiál v plně vytvrzeném stavu. T62 není samostatná třída slitiny 7021 — popisuje způsob zpracování. Při objednávání surového materiálu specifikujte T6 (nebo T651 pro obráběné díly). T62 je relevantní, pokud se roztokově žíhá sestava po svařování nebo tváření za účelem obnovení plné pevnosti.
7021 vs 7075 vs 6061
Tyto tři slitiny pokrývají nejběžnější rozhodnutí v oblasti vysoce pevných hliníkových slitin. Níže uvedená tabulka mapuje klíčová výběrová kritéria.
| Majetek | 7021-T6 | 7075-T6 | 6061-T6 |
| Pevnost v tahu (UTS) | 470 MPa | 572 MPa | 310 MPa |
| Pevnost v tahu | 420 MPa | 503 MPa | 276 MPa |
| Prodloužení | ~10% | ~11% | 12–17% |
| Hustota | 2,78 g/cm³ | 2,81 g/cm³ | 2,70 g/cm³ |
| Svařitelnost (tavným svařováním) | Uspokojivá — vyžaduje kvalifikované procesy MIG/TIG | Špatná — nedoporučuje se pro tavné svařování | Výborná — všechny běžné procesy |
| Odolnost proti korozi | Omezená — vyžaduje povlakování nebo eloxování | Omezená — vyžaduje povlakování nebo plátování | Dobrá — použitelná v mnoha prostředích bez ochrany |
| Únavová pevnost | ~150 MPa | ~160 MPa | ~97 MPa |
| Obrobitelnost | Velmi dobrá | Dobrý | Dobrý |
| Typické aplikace | Svařované konstrukce, formy, svařované letecké podsestavy | Vysoce namáhané obráběné součásti, drakové konstrukce | Všeobecná výroba, námořní aplikace, architektura |
Kdy je 7021 správnou volbou
Díl musí být svařován a vyžaduje pevnost řady 7000. Slitina 7075 je v podstatě nesvařitelná — horké trhliny v oblasti svaru a výrazná ztráta pevnosti v tepelně ovlivněné oblasti (HAZ) ji činí nepraktickou pro svařované sestavy. Slitina 7021 byla vyvinuta právě pro toto omezení. Pokud je svařování způsobem spojování a mez kluzu 276 MPa slitiny 6061 nestačí, je 7021 logickým krokem vpřed.
Nástrojové formy, kde je pevnost důležitější než u slitiny 6061. Mez kluzu 420 MPa slitiny 7021 poskytuje nástrojům pro vstřikování plastů a vyfukování vyšší tlakovou odolnost než alternativy 6061 nebo 5083 za srovnatelných nákladů.
Kde je lepší 7075 nebo 6061
Maximální pevnost bez nutnosti svařování. Slitina 7075-T6 poskytuje přibližně o 15–18 % vyšší mez kluzu než 7021. Pro obráběné konstrukční součásti, letecké fitinky a vysoce namáhané díly spojované šrouby nebo nýty je 7075 pevnější volbou. Kompletní údaje o vlastnostech naleznete v průvodci hliníkovou slitinou 7075.
Všeobecná výroba s dobrou korozní odolností. Slitina 6061-T6 je svařitelná, tvářitelná, korozně odolná a široce dostupná. Pro konstrukční výrobu, kde je mez kluzu 276 MPa dostačující a záleží na jednoduchosti svařování, je 6061 standardem. Průvodce hliníkovou slitinou 6061 pokrývá celý profil.
Práce s hliníkovou slitinou 7021
Obrábění
Slitina 7021 se velmi dobře obrábí karbidovými nástroji při vysokých otáčkách vřetena. Tvorba třísky je čistá a kontrola třísky zvládnutelná — lepší než u 6061 a přibližně srovnatelná s 7075. Pokud geometrie dílu zahrnuje hluboké kapsy, asymetrické řezy nebo přísné tolerance rovinnosti, měl by být specifikován stav T651 namísto T6, aby se zabránilo deformaci v důsledku uvolnění zbytkových pnutí. Pro operace na plechu — ořezávání, vrtání, lehké frézování — je T6 stabilní.
Svařování
Tavné svařování slitiny 7021 je možné, ale vyžaduje větší kontrolu procesu než u slitin 5xxx nebo 6xxx. Slitina je ve srovnání s 7075 odolná vůči horkým trhlinám, ale není vůči nim imunní. Klíčové postupy:
- Přídavný materiál. Přídavné materiály řady 5xxx — 5356 nebo 5183 — jsou standardní volbou. Poskytují složení svarové lázně, které odolává trhlinám při tuhnutí při zachování přijatelné pevnosti spoje.
- Kontrola tepelného příkonu. Meziprůchodová teplota by měla zůstat pod 150 °C (300 °F). Nadměrný tepelný příkon zvyšuje šířku tepelně ovlivněné oblasti a výslednou ztrátu pevnosti.
- Tepelné zpracování po svařování. Rozpouštěcí žíhání a opětovné vytvrzení může obnovit významnou část ztráty pevnosti v HAZ, ale přidává celý tepelný cyklus do výrobního postupu a nemusí být praktické pro velké sestavy. Svary by měly být navrženy jako prvek omezující pevnost konstrukce s odpovídajícími průřezy.
- Třecí míchací svařování. Tam, kde to geometrie spoje umožňuje, je třecí míchací svařování preferovaným procesem. Zůstává pod teplotou rozpouštěcího žíhání, čímž zachovává více pevnosti základního materiálu ve spoji. Vyžaduje však specializované zařízení a je omezeno na tupé a přeplátované spoje v plochých nebo válcových geometriích.
Korozní ochrana
Korozní odolnost slitiny 7021 je omezená — vlastnost, kterou sdílí s téměř všemi slitinami řady 7xxx. Hliník bohatý na zinek je náchylný k obecné korozi i k napěťové korozní praskavosti ve vlhkém prostředí nebo v prostředí obsahujícím chloridy. Tři ochranné strategie pokrývají většinu aplikací:
- Eloxování. Eloxování v kyselině sírové (typ II) vytváří řízenou oxidovou bariéru. Vysoký obsah zinku však může vést k méně rovnoměrné anodické vrstvě než u slitin 6xxx a kvalita eloxování se liší v závislosti na podmínkách lázně a šarži slitiny. Tvrdé eloxování (typ III) je možné, ale může snížit únavovou životnost.
- Nátěrové systémy. Epoxidový základní nátěr s polyuretanovým vrchním nátěrem je standardním průmyslovým ochranným systémem. Pro vnitřní nebo zastřešené aplikace může postačovat jednovrstvý systém. Příprava povrchu — chemická konverzní vrstva (Alodine) nebo tenký elox — je nezbytná pro přilnavost nátěru.
- Konstrukce odvodnění. Je třeba se vyhnout místům zachycujícím vodu, štěrbinám a vodorovným plochám, kde se může hromadit vlhkost. Jednoduchá geometrická řešení snižují riziko koroze více než jakýkoli nátěr.
Výhody a omezení na první pohled
| Faktor | Výhoda | Omezení |
| Síla | 470 MPa pevnost v tahu, 420 MPa mez kluzu — v kategorii vysoce pevných hliníkových slitin | Přibližně o 15–18 % nižší než u 7075-T6 pro aplikace, kde rozhoduje mez kluzu |
| Svařitelnost | Jedna z nejsvařitelnějších slitin řady 7xxx; použitelná s kvalifikovaným MIG/TIG | Vyžaduje kontrolu procesu; ztráta pevnosti v HAZ je trvalá bez tepelného zpracování po svařování |
| Obrobitelnost | Velmi dobrá tvorba třísky a kvalita povrchu | Pro těžké obrábění by měl být specifikován stav T651, aby se zabránilo deformaci |
| Odolnost proti korozi | Dostatečná s eloxováním nebo nátěrem | Holá slitina není vhodná pro nechráněné venkovní nebo námořní použití |
| Únava | 150 MPa — solidní pro konstrukční cyklické zatížení | Nižší než u 7075 (160 MPa) a 2024 (140 MPa, ale s lepším chováním při vrubové únavě) |
| Dostupnost | Standardní válcovaný výrobek ve formě desek, tyčí a profilů | Méně běžně skladem než 6061 nebo 7075; před návrhem na tuto slitinu ověřte dostupnost |
| Tvarovatelnost | Dostatečná pro extrudované profily | Nevhodná pro tváření za studena nebo ohýbání ve stavu T6 |
Závěr
Slitina 7021 zaujímá úzkou, ale jasně definovanou pozici v řadě 7000: obětuje přibližně 15–18 % maximální pevnosti slitiny 7075 za schopnost tavného svařování, ale omezená korozní odolnost vyžaduje ochranné ošetření a svařování vyžaduje kvalifikované procesy se správným přídavným materiálem a kontrolou tepla. Slitina 7021 je také méně běžně skladem než 6061 nebo 7075, takže potvrzení dostupnosti a podpora zpracování jsou před návrhem zásadní.
Společnost Linsy Aluminum dodává slitinu 7021 ve formě desek, tyčí, trubek, drátů, svitků, profilů a bloků ve stavech T6 a T651 s dokumentací MTC u každé objednávky, protokoly SGS na vyžádání a vlastním CNC obráběním, svařováním MIG/TIG, laserovým řezáním a povrchovou úpravou; zakázková výroba s nízkým minimálním množstvím objednávky pokrývá nestandardní rozměry s typickou dodací lhůtou 10–60 dní. Zašlete třídu 7021, formu, stav a požadované rozměry pro přezkoumání specifikace a potvrzení dostupnosti.
Často kladené otázky
Čím se 7021 liší od 7075?
Obě slitiny patří do stejné rodiny Al-Zn-Mg-Cu, ale zaměřují se na různé priority. Slitina 7075 je navržena pro maximální pevnost (572 MPa pevnost v tahu, 503 MPa mez kluzu ve stavu T6) za cenu praktické nesvařitelnosti tavnými procesy. Slitina 7021 obětuje přibližně 15–18 % této meze kluzu za praktickou svařitelnost s kvalifikovanými procesy MIG/TIG. Slitina 7021 je vhodnou volbou, pokud musí být díl svařován; 7075 je preferována pro maximální pevnost u šroubovaných, nýtovaných nebo obráběných součástí.
Lze slitinu 7021 svařovat standardním MIG zařízením?
Ano, ale s kontrolami procesu, které přesahují běžnou praxi u slitin 6xxx nebo 5xxx. Přídavné materiály řady 5xxx (5356 nebo 5183) jsou standardní volbou; meziprůchodová teplota by měla zůstat pod 150 °C a spoj by měl být navržen s očekáváním určité ztráty pevnosti v HAZ. Pro kritické konstrukční svary zachovává třecí míchací svařování více pevnosti spoje a mělo by být zváženo, pokud to geometrie dílu umožňuje.
Jaký je rozdíl mezi 7021-T6 a 7021-T651?
Mechanické vlastnosti jsou identické — 470 MPa pevnost v tahu, 420 MPa mez kluzu, ~10 % tažnost. Rozdíl spočívá v kroku uvolnění pnutí tažením (1–3 % prodloužení po ochlazení) aplikovaném ve stavu T651. Tento krok redistribuuje zbytková pnutí z ochlazování přes průřez a snižuje deformaci během obrábění. Pro díly, které budou výrazně obráběny — hluboké kapsy, asymetrické řezy, přísné specifikace rovinnosti — je T651 bezpečnější volbou. Pro všeobecnou výrobu a svařování je standardem T6.
Jak si 7021 stojí ve srovnání s 6061 pro konstrukční výrobu?
Slitina 7021 poskytuje přibližně o 50 % vyšší mez kluzu než 6061-T6 (420 MPa vs. 276 MPa). Kompromisem je horší korozní odolnost, náročnější požadavky na svařování, nižší tažnost a obecně vyšší náklady na materiál. Pokud aplikace může dosáhnout svého pevnostního cíle se slitinou 6061, snadnější výroba a lepší korozní odolnost z ní činí jednodušší volbu. Slitina 7021 je vhodnou volbou, když mez kluzu 276 MPa slitiny 6061 ponechává příliš malou rezervu a svařování je stále vyžadováno — pokud svařování není vyžadováno, může být 7075 lepším pevnostním vylepšením.
Vyžaduje slitina 7021 korozní ochranu v provozu?
Ano — pro jakoukoli aplikaci nad rámec suchého vnitřního prostředí. Holá slitina 7021 bude korodovat ve vlhkých podmínkách a je náchylná k napěťové korozní praskavosti při trvalém tahovém napětí. Eloxování v kyselině sírové nebo plný nátěrový systém (konverzní vrstva + epoxidový základní nátěr + polyuretanový vrchní nátěr) je minimem pro venkovní nebo průmyslová prostředí. Pro námořní nebo chemické prostředí by měla být místo toho zvážena jiná rodina slitin — 5xxx nebo 6xxx.
