Aluminium 7010: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen

Umfassender Überblick

7010 ist eine hochfeste Aluminiumlegierung der 7xxx-Serie, die hauptsächlich als Al-Zn-Mg-Cu-System charakterisiert wird. Sie gehört zur wärmebehandelbaren Familie der Aluminiumlegierungen, bei denen die Hauptfestigkeitssteigerung durch Ausscheidungshärtung (Alterungshärtung) erfolgt, ergänzt durch geeignete thermo-mechanische Bearbeitung für Platten- und dickwandige Bauteile.

Die wichtigsten Legierungselemente sind Zink (der hauptsächliche Festigkeitsbeitragende), Magnesium (bildet mit Zn härtebildende Ausscheidungen) und Kupfer (erhöht Festigkeit und Härte, kann jedoch die Korrosionsanfälligkeit beeinträchtigen). Spuren von Chrom, Zirkonium oder Titan werden häufig hinzugefügt, um die Kornstruktur, Rekristallisation und Zähigkeit in grob gegliederten Abschnitten für luftfahrttechnische Strukturbauteile zu kontrollieren.

Wesentliche Eigenschaften von 7010 umfassen sehr hohe statische Festigkeit und gute Bruchzähigkeit für eine Legierung der 7xxx-Serie in Plattenform, mäßige bis eingeschränkte allgemeine Korrosionsbeständigkeit ohne Decklage sowie schlechte Schmelzschweißbarkeit im Gipshärtungszustand. Die Umformbarkeit ist in Gipshärtung begrenzt, aber bei lösungsgeglühten und überwälzten Zuständen angemessen; die Zerspanbarkeit ist im Vergleich zu anderen hochfesten Aluminiumlegierungen allgemein gut.

Typische Einsatzbereiche von 7010 sind primäre und sekundäre Strukturen in der Luft- und Raumfahrt, Verteidigungskomponenten, Hochleistungsbaugruppen im Automobil- und Motorsportbereich sowie spezialisierte industrielle Anwendungen, bei denen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und Schadensverträglichkeit entscheidend sind. Ingenieure wählen 7010 gegenüber ähnlichen Legierungen, wenn das Design die Erhaltung der Festigkeit in dicken Abschnitten, eine verbesserte Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion im Vergleich zu manchen 7075-Varianten sowie überlegene Bruchzähigkeit für kritische Bauteile erfordert.

Ausführungszustände (Temper)

Ausführungszustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht, maximale Duktilität für Umformung und Zerspanung
T4	Mäßig (lösungsgeglüht)	Mittel-Hoch	Gut	Schlecht bis mäßig	Lösungsgeglüht und natürlich gealtert, bereit für Kaltumformung
T6	Hoch	Niedrig-Mittel	Eingeschränkt	Schlecht	Gipshärtung für maximale Festigkeit
T651	Hoch (Eigenspannungsarm)	Niedrig-Mittel	Eingeschränkt	Schlecht	T6 mit Spannungsarmglühen durch Dehnen zur Reduktion von Eigenspannungen
T7x (T73/T76)	Mittel-Hoch (überwälzt)	Mittel	Besser als T6	Schlecht	Überwälzen zur Verbesserung der SCC-Beständigkeit und Zähigkeit
Hxx (z. B. H111/H112)	Variabel	Variabel	Variabel	Variabel	Verfestigte Varianten für spezifische Umformprozesse

Der Ausführungszustand verändert die Leistung von 7010 erheblich, indem er Größe, Verteilung und Kohärenz der Zn-Mg-Cu-Ausscheidungen beeinflusst. Gipshärtungszustände (T6, T651) maximieren Zug- und Streckfestigkeit auf Kosten von Duktilität, Zähigkeit bei manchen Geometrien und Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrisskorrosion.

Überwälzte Zustände (T7x) vergrößern absichtlich die Ausscheidungen, um einen kleinen Festigkeitsverlust gegen deutlich bessere SCC-Beständigkeit und verbessertes Risswachstumsverhalten in dicken Abschnitten einzutauschen. Geglühte oder lösungsgeglühte Zustände werden für Umformung und Fertigung vor der Endalterung verwendet.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Bemerkungen
Si	≤ 0,40	Typische Verunreinigung; kontrolliert zur Reduktion von Fe-Si-Intermetallischen Verbindungen
Fe	≤ 0,50	Verunreinigung, die harte Intermetallische Verbindungen bildet und Zähigkeit beeinflusst
Cu	0,80–2,00	Erhöht Festigkeit und Härte; steigert SCC-Empfindlichkeit
Mn	≤ 0,05	Minimal in 7010; höherer Mn-Gehalt untypisch
Mg	1,8–2,8	Wesentlicher Partner mit Zn für alterungshärtende Ausscheidungen
Zn	5,6–6,8	Hauptfestigungselement in der 7xxx-Serie
Cr	0,04–0,35	Mikrolegierung zur Steuerung von Kornstruktur und Rekristallisation
Ti	≤ 0,15	Kornfeiner in Guss- oder Umformprozessen
Andere (Zr, V, Al)	Balance / Spurenelemente	Zr kann für Dispersoidkontrolle hinzugefügt werden; Al Restanteil

Die Zn–Mg–Cu-Kombination bestimmt die Ausscheidungssequenz, die für die hohe Festigkeit von 7010 verantwortlich ist, wobei die η'- und η-Phasen (MgZn2-Typ) während der künstlichen Alterung die Härtung bewirken. Kupfer erhöht Gipshärte und Festigkeit, erhöht jedoch die Anfälligkeit für lokale Korrosion und Spannungsrisskorrosion, sofern nicht durch Ausführungszustände und Mikrolegierungen (Cr, Zr) kompensiert wird, welche die Kornstruktur feiner gestalten und die Matrix stabilisieren.

Mechanische Eigenschaften

7010 zeigt sehr hohe Zug- und Streckgrenzen in gipshärteten Zuständen, verbunden mit guter Bruchzähigkeit im Vergleich zu anderen 7xxx-Legierungen, die für dicke Querschnitte ausgelegt sind. Die Streckgrenze ist oft ein hoher Anteil der Zugfestigkeit, was enge Spannungsbereiche für die Konstruktion bedeutet, aber sorgfältige Kerb- und Bruchbewertungen für schadensverträgliche Strukturen erfordert.

Die Dehnung ist abhängig vom Ausführungszustand und der Blechdicke, wobei geglühte und lösungsgeglühte Materialien höhere Duktilität als T6/T651 aufweisen, die typischerweise geringere Dehnung zeigen und größere Biegeradien benötigen. Die Härte korreliert stark mit dem Alterungszustand; gipshärtete Querschnitte erreichen typische Vickers-/BHN-Bereiche, die für hochbeanspruchte Verbindungen geeignet sind, während überwälzte Zustände die Härte reduzieren, um die Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrisskorrosion zu verbessern.

Das Dauerfestigkeitsverhalten von 7010 ist günstig im Vergleich zu vielen hochfesten Aluminiumlegierungen, sofern Oberflächenbeschaffenheit, Eigenspannungen und Korrosion kontrolliert werden. Dickeneinflüsse sind aufgrund der Abschreckempfindlichkeit und der Ausscheidungsverteilung an der Mittellinie signifikant; dicke Platten erfordern optimiertes Abschrecken und thermo-mechanische Bearbeitung, um blechähnliche Eigenschaften zu erreichen.

Eigenschaft	O/geglüht	Wesentlicher Zustand (z. B. T6 / T651)	Bemerkungen
Zugfestigkeit	~250–320 MPa	~540–610 MPa	T6/T651-Gipshärtebereiche abhängig von Produktform und Dicke
Streckgrenze	~120–200 MPa	~480–560 MPa	Verhältnis Streckgrenze zu Zugfestigkeit variabel; sorgfältige Konstruktion für plastische Reserven erforderlich
Dehnung	~12–20%	~6–12%	Höher bei Dünnblechen und geglühten Zuständen
Härte	~60–90 HB	~150–185 HB	Härte steigt mit Alterung; Überwälzen reduziert Werte

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	2,78–2,82 g/cm³	Typische Dichte von Aluminiumlegierungen; gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
Schmelzbereich	~475–635 °C	Solidus-Liquidus-Bereich abhängig von der Zusammensetzung
Wärmeleitfähigkeit	~110–140 W/m·K	Niedriger als bei reinem Aluminium wegen Legierungselementen; ausreichend für manche Wärmeabfuhranwendungen
Elektrische Leitfähigkeit	~30–40 %IACS	Reduziert gegenüber 1xxx/3xxx-Serie durch Legierungselemente
Spezifische Wärmekapazität	~880–910 J/kg·K	Vergleichbar mit anderen Aluminiumlegierungen
Wärmeausdehnung	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Typischer Bereich für Aluminium; beim Design wegen thermischer Spannungen zu berücksichtigen

Die physikalischen Eigenschaften von 7010 spiegeln die Legierung für Festigkeit statt Leitfähigkeit wider, sodass elektrische und thermische Leitfähigkeiten im Vergleich zu kommerziell reinen Legierungen reduziert sind. Die Dichtevorteile gegenüber Stählen in Kombination mit hohen Zugfestigkeiten machen 7010 attraktiv, wenn Masseneinsparungen entscheidend sind.

Wärmebehandlungen und Alterungsprozesse beeinflussen Wärmeleitfähigkeit und Ausdehnung nur geringfügig, während die Maßhaltigkeit hauptsächlich durch den Ausführungszustand (T651 gegenüber T6) und die Minimierung von Eigenspannungen mittels kontrolliertem Abkühlen und Spannungsarmglühen gesteuert wird.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,5–6 mm	Hohe Festigkeit in dünnen Dicken bei korrekter Ausscheidungshärtung	T6, T651, T73	Verwendet für sekundäre Strukturen; Umformbarkeit ist in Spitzenhärtungen eingeschränkt
Platte	6–200+ mm	Dickenschaftigkeitsabhängige Festigkeit; bearbeitet für durch-dickeigenschaften	T6, T651, T73	Weit verbreitet in Luftfahrtstrukturbauteilen
Strangpressprofil	Profile bis zu großen Querschnitten	Mittlere Festigkeit; im Vergleich zu Platten für manche Formen eingeschränkt	T6, T651	Strangpressteile möglich, jedoch seltener für 7010 als für 6xxx-Legierungen
Rohr	1–50+ mm Wandstärke / verschiedene Durchmesser	Ähnliches Zustandsverhalten wie Strangpressprofile	T6, T651	Verwendung in Hochleistungsrohren, bei denen Festigkeit entscheidend ist
Stab/Rundstahl	Verschiedene Durchmesser	Gute Zerspanbarkeit und hohe Festigkeit in Spitzenzuständen	T6, T651	Verwendet für Verbindungselemente, Befestigungen und betätigte Bauteile

Die Plattenherstellung für 7010 erfordert spezielle Walz- und Abschreckverfahren sowie häufig Mikrolegierungselemente, um eine zentrierte Abschreckungserweichung zu vermeiden. Die Bearbeitung von Blechen und Strangpressprofilen erfordert eine sorgfältige Steuerung der Lösungsglüh- und Alterungsprozesse, um Umformbarkeit mit den Endzuständen in Einklang zu bringen.

Im Einsatz wählen Konstrukteure die Produktform basierend auf Bauteildicke und Lastpfad; dicke Platten werden oft überaltert oder spannungsarm geglüht, um Spannungsrisskorrosion (SCC) zu vermeiden und gleichmäßigere Eigenschaften über die Dicke zu erzielen, während dünnere Bleche in höherfesten Zuständen mit akzeptabler Duktilität eingesetzt werden können.

Äquivalente Güten

Norm	Güte	Region	Hinweise
AA	7010	USA	Bezeichnung der Aluminum Association, häufig in Luftfahrtspezifikationen verwendet
EN AW	7010	Europa	Europäische Guss- und Schmiedebezeichnung; Zusammensetzung und Zustände ähnlich, aber Spezifikationsgrenzen können abweichen
JIS	A7070 (ca.)	Japan	Ähnliche Chemie und Anwendungsbereiche; spezifische JIS-Nummern variieren je nach Produktform
GB/T	7010 (ca.)	China	Landesnormen orientieren sich an AA-Zusammensetzungen, Verarbeitung und Zustandsbezeichnungen können abweichen

Die Tabellen zu äquivalenten Güten sind als Richtwerte zu verstehen; exakte Spezifikationen, Zustandsbezeichnungen und zulässige Toleranzen variieren zwischen Normen und Produktarten. Anwender müssen die jeweilige Norm (AA/AMS/EN/JIS/GB) und Produktspezifikation für Annahmekriterien konsultieren, insbesondere bei Luftfahrtbeschaffungen, wo Rückverfolgbarkeit und Verarbeitungsverlauf vorgeschrieben sind.

Feine Unterschiede ergeben sich bei Verunreinigungsgrenzen, erlaubten Restelementen und vorgeschriebenen mechanischen Prüfungen. Diese Unterschiede können die Grundeigenschaften insbesondere bei dickwandigen Platten beeinflussen, da Abschreck- und Alterungsverhalten empfindlich auf Zusammensetzung und thermomechanische Historie reagieren.

Korrosionsbeständigkeit

7010 bietet eine moderate allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, typisch für hochfeste 7xxx-Legierungen, ist jedoch empfindlicher gegenüber lokaler Korrosion und Lochfrass in aggressiven Umgebungen als viele 5xxx- oder 6xxx-Legierungen. Ohne schützende Verkleidung, Beschichtungen oder entsprechende überalterte Zustände beschleunigt die Exposition im maritimen Umfeld die Korrosionsrate, besonders an beanspruchten oder bearbeiteten Oberflächen.

Spannungsrisskorrosion (SCC) ist eine Hauptsorge bei 7010 im peak-gealterten Zustand durch hohe Eigenspannungen und die Art der ausscheidungs- und verstärkenden Phasen. Überalterung (T7x) und Mikrolegieren (Cr, Zr) sind gängige Strategien, um SCC durch Vergröberung oder Umverteilung der Ausscheidungen und Verringerung elektrochemischer Gradienten zu mildern.

Galvanische Effekte müssen beim Fügen von 7010 mit edleren Materialien wie Edelstahl oder Titan, insbesondere in Gegenwart von Elektrolyten, berücksichtigt werden. Das Aufbringen von Rein-Aluminium-Cladding oder Umwandlungsbeschichtungen, Eloxieren oder Lacksystemen sind übliche technische Maßnahmen zur Verbesserung der Langzeitbeständigkeit in maritimen und Küstenanwendungen.

Im Vergleich zu 6xxx-Legierungen tauscht 7010 Korrosionsbeständigkeit gegen höhere Festigkeit ein; gegenüber 7075 kann gut verarbeitete 7010-Platte ähnlich hohe Festigkeiten mit verbessertem SCC-Schutz bieten, bedingt durch maßgeschneiderte Chemie und thermomechanische Verarbeitung speziell für dickwandige Anwendungen.

Fertigungs-Eigenschaften

Schweißbarkeit

Das Schweißen verringert konventionell die Festigkeit von 7010 aufgrund der Aufweichung im Wärmeeinflussbereich (HAZ) und fördert die Gefahr von Heißrissen beim Schmelzschweißen; deshalb wird das Schmelzschweißen (TIG/MIG) bei strukturellen Anwendungen in Spitzenzuständen generell nicht empfohlen. Reibschweißen (Friction Stir Welding) ist die bevorzugte Fügemethode für viele 7xxx-Bauteile, da es keine Schmelzbildung gibt, Porosität reduziert und mit korrekter Nachbehandlung günstige mechanische Eigenschaften im Schweißzone erhalten werden können.

Schweißzusatzwerkstoffe und -verfahren für 7010 müssen sorgfältig ausgewählt werden; bei Reparaturen oder unwichtigen Verbindungen können unterschiedliche Zusatzwerkstoffe (z. B. der Familie 2319) verwendet werden, aber es ist mit lokalem Festigkeitsverlust und erhöhter Korrosionsanfälligkeit zu rechnen. Nachbehandlung durch Lösungsglühen und künstliches Altern nach dem Schweißen ist bei großen Baugruppen oft nicht praktikabel, daher wird häufig mechanisches Fügen angewandt.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von 7010 ist im Vergleich zu vielen hochfesten Aluminiumlegierungen gut und liefert eine vorhersehbare Spanform sowie gute Oberflächenqualität bei Verwendung von Hartmetallwerkzeugen und stabilen Maschinenaufspannungen. Die Schnittgeschwindigkeiten sollten auf Werkzeugstandzeit und Wärmehaushalt optimiert werden; Schnellarbeitsstahl ist bei hohen Abtragsraten typischerweise ungeeignet.

Um akzeptable Maßtoleranzen in dicken Bauteilen zu erreichen, sind die Residualspannungen aus der Wärmebehandlung zu berücksichtigen; Vorspannungsabbau und Zustandsauswahl für die Bearbeitung sind übliche Maßnahmen. Kühlung und Spanabfuhr sind wichtig, um Anbackungen zu vermeiden und die Oberflächenintegrität bei ermüdungskritischen Anwendungen zu sichern.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit von 7010 in Spitzenzuständen ist eingeschränkt; Rückfederung (Springback) ist ausgeprägt und Mindestbiegeradien sind größer im Vergleich zu 5xxx- und 6xxx-Legierungen. Üblicherweise erfolgt die Umformung in O-, T4- oder überalterten Zuständen, gefolgt von einer Alterung zur Wiederherstellung der Festigkeit falls erforderlich.

Kaltumformungsprozesse sollten empfohlene Biegeradien (oft 3–6× Blechdicke in duktilen Zuständen) einhalten und scharfe Biegungen oder starke Ziehprozesse im T6-Zustand vermeiden. Für komplexe Formen empfiehlt sich das Design zur Nachform-Wärmebehandlung (Lösungsglühen und Ausscheidungshärtung) oder der Einsatz alternativer Legierungen mit besserer Umformbarkeit.

Wärmebehandlungsverhalten

Das Lösungsglühen von 7010 erfolgt üblicherweise bei etwa 470–485 °C, um lösliche Zn–Mg–Cu-Phasen in die Aluminium-Matrix zu lösen vor dem Abschrecken. Rasches Abschrecken (typischerweise Wasserglühen) ist erforderlich, um eine übersättigte feste Lösung zu erhalten; Abschreckgeschwindigkeit und Bauteildicke beeinflussen maßgeblich die nachfolgende Alterungshärte und Eigenschaften im Bauteilzentrum.

Künstliche Alterungsprozesse variieren je nach angestrebtem Zustand: Standard-T6 erfolgt bei etwa 120–125 °C über eine Dauer, die metastabile η'-Phasen zur Spitzenfestigkeit ausscheiden lässt, während T7x-Überalterung höhere Temperaturen oder längere Zyklen nutzt, um stabile η-Phasen zu fördern, welche die SCC-Beständigkeit und Zähigkeit verbessern. T651 bezeichnet T6 gefolgt von kontrollierter Dehnung zur Spannungsarmglühung.

Bei nicht wärmebehandelbaren Legierungen ist die Hauptfestigungsmechanik die Kaltverfestigung; da 7010 wärmebehandelbar ist, sind Glüh- und Lösungsglühverfahren die vorrangigen Fertigungsschritte. Konstruktions- und Prozessingenieure müssen genaue Vorgaben zu Temperatur, Haltezeit, Kühlmedium und Alterungszyklen machen, um die geforderten Eigenschaften zu erreichen, besonders bei dicken Platten, wo Abschreckempfindlichkeit ein limitierender Faktor ist.

Hochtemperatureinsatz

7010 verliert bei Dauereinsatz oberhalb von ca. 100–120 °C deutlich an Festigkeit, bedingt durch Vergröberung der Ausscheidungen und Abnahme der kohärenten Verstärkungsphasen. Die Auslegung für dauerhafte erhöhte Temperaturen erfolgt mit konservativen Grenzwerten; kurzfristige Belastungen bei höheren Temperaturen sind möglich, verändern aber den Alterungszustand und die Restfestigkeit.

Die Oxidationsbeständigkeit entspricht der typischer Aluminiumlegierungen; eine stabile Aluminiumschicht schützt das Grundmaterial vor rascher Oxidation. Wärmeeinflusszonen in geschweißten oder thermisch belasteten Bauteilen können lokale mikrostrukturelle Veränderungen erfahren, die mechanische Eigenschaften mindern und Korrosionsanfälligkeit erhöhen, daher sind thermische Belastungen während Fertigung und Betrieb zu überwachen.

Anwendungen

Branche	Beispielbauteil	Warum 7010 verwendet wird
Luft- und Raumfahrt	Flügel- und Rumpfverbindungen, Gurte, dickwandige Plattenstrukturen	Hohe Festigkeit bezogen auf das Gewicht, gute Bruchzähigkeit, auf die Dicke abgestimmte Leistungsfähigkeit
Verteidigung	Panzerelemente, Raketenstrukturen	Hohe statische Festigkeit und Schadensresistenz
Automobil / Motorsport	Hochbelastete Aufhängungsstreben, Fahrwerksverstärkungen	Außergewöhnliche Festigkeit für gewichtskritische Bauteile
Schiffbau	Hochfeste Tragglieder, Rahmenteile	Im überalterten Zustand oder mit Beschichtung bessere Spannungsrissbeständigkeit als einige 7xxx-Legierungen
Industrie	Hochbelastete Wellen, Werkzeugplatten	Formstabilität und gute Bearbeitbarkeit in den Zuständen T6/T651

7010 wird für Bauteile gewählt, bei denen hoher statischer Festigkeitswert, dickenangepasste Leistung und Bruchzähigkeit im Vordergrund stehen. Für schweißpflichtige Teile ist die Legierung weniger geeignet, sofern nicht alternative Fügeverfahren eingesetzt werden. Deshalb wird in vielen Anwendungen mechanische Verbindungstechnik oder Reibschweißverfahren bevorzugt.

Auswahlhinweise

7010 ist eine spezialisierte Legierung, die gewählt wird, wenn hohe Festigkeit und Schadensresistenz in mittel- bis dickwandigen Querschnitten gefordert sind. Für Konstrukteure, die in nicht geschweißten, tragenden Strukturelementen – insbesondere in Luftfahrt und Verteidigung – die höchstmögliche Festigkeit benötigen, ist 7010 aufgrund seiner abgestimmten Legierungszusammensetzung und Härtungszustände häufig erste Wahl.

Im Vergleich zu reinem Aluminium (1100) geht bei 7010 eine höhere Zug- und Streckfestigkeit zwar zulasten der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie der Umformbarkeit. Gegenüber kaltverfestigten Legierungen wie 3003 oder 5052 bietet 7010 deutlich höhere Festigkeit, jedoch geringere Umformbarkeit und erhöhte Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion in maximal gehärteten Zuständen.

Im Vergleich zu gängigen wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 liefert 7010 typischerweise eine höhere Höchstfestigkeit und bessere Bruchzähigkeit bei dicken Bauteilen, allerdings zu höheren Materialkosten und mit eingeschränkter Schweißbarkeit. Entscheiden Sie sich für 7010, wenn das Verhältnis Festigkeit zu Gewicht und die Integrität dicker Abschnitte wichtiger sind als einfache Schweißbarkeit, umfassende Umformbarkeit und maximale Korrosionsbeständigkeit.

Abschließende Zusammenfassung

7010