Aluminium 7015: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungsbereiche

Umfassender Überblick

Legierung 7015 ist ein Mitglied der 7xxx-Aluminiumlegierungen, einer Familie, bei der Zink das Hauptlegierungselement darstellt und typischerweise durch Magnesium und Kupfer zur Ausscheidungshärtung ergänzt wird. Als wärmebehandelbare, ausscheidungshärtbare Legierung nutzt 7015 eine Zn-Mg-Cu-Chemie, um durch Lösungsglühen, Abschrecken und künstliches Altern eine hohe Festigkeit zu erreichen, anstatt durch Kaltumformung.

Wesentliche Eigenschaften von 7015 sind eine hohe Zug- und Streckgrenze, mäßig bis gute Ermüdungswerte bei entsprechender Behandlung und Inspektion sowie eine brauchbare Korrosionsbeständigkeit, die durch Überalterung oder Cladding verbessert werden kann. Die Legierung ist weniger gut schweißbar als die meisten 5xxx- und 6xxx-Legierungen und erfordert während der Fertigung eine sorgfältige thermische und mechanische Kontrolle; die Umformbarkeit ist im weichgeglühten Zustand und in bestimmten H-Zuständen ausreichend, nimmt jedoch in den peak-gealterten Zuständen deutlich ab.

7015 wird in Luft- und Raumfahrt-Strukturbauteilen, hochfesten Verbindungselementen und Anwendungen eingesetzt, in denen ein optimales Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht wichtiger ist als reine Korrosionsbeständigkeit oder maximale Leitfähigkeit. Ingenieure wählen 7015, wenn eine höhere spezifische Festigkeit als bei 6061/6063 erforderlich ist und Lebensdauer sowie Steifigkeit von einem wärmebehandelbaren Lösungs- und Alterungsprozess profitieren sollen statt von Kaltverfestigung.

Zustandsvarianten

Zustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch (18–30%)	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Volllösungsglüht, am besten für Umformung und mechanische Bearbeitung
F	Sehr niedrig–niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Gut	Unbehandelter Zustand, keine kontrollierten Zustände
H12	Mittel	Niedrig–Mittel (6–10%)	Akzeptabel	Begrenzt	Teilweise kaltverfestigt, eingeschränkte Biegbarkeit
H14	Mittel	Niedrig (6–8%)	Akzeptabel	Begrenzt	Leichte Kaltverfestigung zur moderaten Festigkeitssteigerung
H114	Mittel	Mittel (8–12%)	Gut	Begrenzt	Stabilisierter Zustand für verbesserte Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit (SCC)
T6	Hoch	Niedrig–Mittel (6–10%)	Schlecht–Akzeptabel	Schwierig	Peak-gealtert für maximale Festigkeit, anfällig für SCC
T651	Hoch	Niedrig–Mittel (6–10%)	Schlecht–Akzeptabel	Schwierig	Lösungsglüht, spannungsarm geglüht durch Dehnen, gängiger Luftfahrt-Zustand
T73	Mittel–Hoch	Mittel (8–12%)	Akzeptabel	Moderat	Überaltert für verbesserte Korrosions- und SCC-Beständigkeit
T76 / T77	Mittel	Mittel (8–13%)	Akzeptabel	Moderat	Modifizierte Alterung für bessere Bruchzähigkeit bzw. Spannungsrisskorrosionsverhalten

Die Wahl des Zustands bestimmt die Endleistung: T6/T651-Zustände bieten maximale Festigkeit auf Kosten der Duktilität und erhöhter Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion, während überalterte Zustände (T73/T76) zugunsten besserer Korrosions- und SCC-Beständigkeit etwas Peakfestigkeit opfern. Kaltumformung (H‑Zustände) ermöglicht eine Zwischenfestigkeit ohne Volllösungsglühen, reduziert jedoch die Umformbarkeit und kann heterogene Eigenschaften durch die Plattendicke erzeugen.

Chemische Zusammensetzung

Element	Prozentbereich	Bemerkungen
Si	≤ 0.40	Verunreinigung; kontrolliert zur Begrenzung von Guss- und Korngrenzenphasen
Fe	≤ 0.50	Kontrolliert zur Minimierung von intermetallischen Phasen, die Zähigkeit mindern
Cu	1.0–2.0	Trägt zur Festigkeit und Ausscheidungshärtung bei; erhöht Anfälligkeit für SCC
Mn	≤ 0.10	Geringer Anteil; kann Kornstruktur modifizieren und Zähigkeit leicht verbessern
Mg	1.6–2.6	Hauptfestigungselement zusammen mit Zn durch MgZn₂-Ausscheidungen
Zn	5.0–6.8	Hauptfestigungselement; steuert die Peak-Festigkeit nach Alterung
Cr	0.05–0.25	Mikrolegierung zur Kornstruktur- und Rekristallisationskontrolle
Ti	≤ 0.10	Korngrößenverfeinerer bei Guss- und Strangpressprodukten
Andere (Zr, V, Spuren)	≤ 0.20 Gesamt	Mikrolegierungszusätze zur Kontrolle der Rekristallisation und Verlängerung der Ermüdungslebensdauer

Die Leistung von 7015 wird durch das relative Verhältnis von Zn, Mg und Cu bestimmt, welches das Volumen, die Chemie und Kohärenz der härtenden Ausscheidungen nach dem Altern beeinflusst. Geringe Zugaben wie Cr, Zr oder Ti steuern die Rekristallisation und Korngröße während der thermomechanischen Verarbeitung, verbessern die Zähigkeit und reduzieren die Neigung zu Schuppenbildung oder interkristalliner Korrosion.

Mechanische Eigenschaften

Im Zugverhalten zeigt 7015 in peak-gealtertem Zustand (T6/T651) hohe Zug- und Streckgrenzen, vergleichbar mit anderen hochfesten 7xxx-Legierungen, mit relativ linear-elastischem Verhalten bis zur Streckgrenze und begrenzter einheitlicher Dehnung vor dem plastischen Fließen. Der weichgeglühte Zustand (O) weist wesentlich geringere Festigkeiten, dafür aber deutlich höhere Duktilität auf, was ihn für Kaltumformung oder Tiefziehen vor der Endwärmebehandlung geeignet macht.

Die Härte folgt dem gleichen Trend wie die Zugfestigkeit, mit Brinell- oder Vickers-Härtewerten, die nach der Alterung stark ansteigen und im T6-Zustand ihren Höchstwert erreichen; Härtewerte müssen in Verbindung mit Zustand, Dicke und spezifischem Wärmebehandlungsverlauf interpretiert werden. Das Ermüdungsverhalten ist für eine hochfeste Aluminiumlegierung im Allgemeinen günstig, wenn die Oberflächenqualität kontrolliert und Korrosion vermieden wird; jedoch verschlechtern sich Ermüdungsfestigkeit und Bruchzähigkeit mit zunehmender Festigkeit sowie bei Vorhandensein von Spannungsrissgruben oder intermetallischen Einschlüssen.

Die Dicke hat einen starken Einfluss auf die erreichbaren Eigenschaften, da die Effektivität von Lösungsglühen und Abschrecken mit steigender Plattendicke abnimmt; dickere Abschnitte lassen sich schwerer gleichmäßig abschrecken und zeigen daher niedrigere Streck- und Zugfestigkeiten. Eigenspannungen durch Abschrecken sowie anschließendes Richten oder Spannungsarmglühen (T651) beeinflussen zudem die Maßhaltigkeit und Ermüdungslebensdauer bei Strukturbauteilen.

Eigenschaft	O/Weichgeglüht	Wichtiger Zustand (z.B. T6/T651)	Bemerkungen
Zugfestigkeit	230–320 MPa (typisch)	520–570 MPa (typisch)	Werte variieren mit Dicke und Alterung; T6 erreicht Spitzenfestigkeit
Streckgrenze	110–200 MPa (typisch)	470–520 MPa (typisch)	Streckgrenze steigt deutlich nach Lösungsglühen und Alterung
Dehnung	18–30%	6–10%	Dehnung nimmt mit steigender Festigkeit ab; abhängig von Zustand und Dicke
Härte	60–90 HB	140–160 HB	Ungefähre Brinell-Bereiche, abhängig von Wärmebehandlung und Mikrostruktur

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	≈ 2,80 g/cm³	Etwas höher als reines Aluminium durch Legierungselemente
Schmelzbereich	≈ 475–635 °C	Solidus und Liquidus variieren mit Zusammensetzung und Verunreinigungen
Wärmeleitfähigkeit	≈ 120–140 W/(m·K)	Niedriger als bei reinem Aluminium; abhängig von Zustand und Kaltumformung
Elektrische Leitfähigkeit	≈ 30–40 %IACS	Im Vergleich zu reinem Aluminium aufgrund der Legierung reduziert; variiert mit Zustand
Spezifische Wärmekapazität	≈ 880–910 J/(kg·K)	Typisch für Aluminiumlegierungen nahe Raumtemperatur
Wärmeausdehnungskoeffizient	≈ 23–25 µm/(m·K)	Vergleichbar bei Aluminiumlegierungen; wichtig für thermische Auslegung

Diese physikalischen Eigenschaften verdeutlichen die Kompromisse bei Wärmeführung und Fügeverfahren: Die Wärmeleitfähigkeit reicht für viele Anwendungen zur Wärmeabfuhr aus, ist jedoch niedriger als bei reinem Aluminium und einigen 6xxx-Legierungen. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch die Legierung reduziert und sollte berücksichtigt werden, wenn 7015 für elektrische Anwendungen oder bei Anforderungen an den Kontaktwiderstand ausgewählt wird.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,5–6 mm	Gleichmäßige Festigkeit durch die Dicke bis zu moderaten Stärken	O, H1x, T6, T73	Typisch für leichte Verkleidungen und Luftfahrtbleche; eingeschränkte Tiefziehfähigkeit in T6
Platte	6–200+ mm	Festigkeit kann mit zunehmender Dicke durch Abschreckgrenzen abnehmen	O, T6, T651, T73	dicke Platten erfordern kontrolliertes Abschrecken und häufig T73 für korrosionskritische Bauteile
Strangpressprofil	Variierende Wandstärken	Richtungsabhängige Eigenschaften; Festigkeit hängt von der Wärmebehandlung ab	O, T6, T651	Komplexe Profile möglich, aber Abschreckempfindlichkeit begrenzt sehr große Querschnitte
Rohr	0,5–20 mm Wandstärke	Gute Längsfestigkeit; Enden und Verbindungen erfordern sorgfältige Wärmebehandlung	O, T6	Verwendung für hochfeste Strukturrohre nach entsprechender Wärmebehandlung
Stab/Stange	6–200 mm Durchmesser	Homogen, wenn korrekt verarbeitet und lösungsgeglüht	O, T6, T651	Einsatz für Armaturen, Verbindungselemente und zerspante Bauteile

Verarbeitungsunterschiede beeinflussen maßgeblich die End-Eigenschaften: Bleche und dünne Strangpressprofile lassen sich leichter abschrecken und altern zu Spitzenfestigkeit, während dicke Platten und große Querschnitte oft spezielle Wärmeableiter oder eine Überalterung benötigen, um Maßhaltigkeit und Korrosionsbeständigkeit sicherzustellen. Je nach Formfaktor variieren die Anwendungen: Strangpressprofile für komplexe Profile, Platten für Strukturbauteile und Stäbe für hochfeste zerspante Komponenten.

Äquivalente Qualitäten

Norm	Legierung	Region	Hinweise
AA	7015	USA	Bezeichnung der American Aluminum Association, häufig in Luftfahrtspezifikationen verwendet
EN AW	7015	Europa	Europäische EN-Normenbezeichnung, oft mit spezifischen Zustands-Suffixen kombiniert
JIS	A7015 (ca.)	Japan	Japanische Normen referenzieren ähnliche Zn-Mg-Cu-Legierungen mit lokalen Zustandscodes
GB/T	7015 (ca.)	China	Chinesische Normäquivalente vorhanden, aber Chemie und Toleranzen können werksspezifisch variieren

Feine Unterschiede zwischen regionalen Spezifikationen betreffen gewöhnlich erlaubte Verunreinigungslevels, genaue Bereiche für Zn/Mg/Cu sowie zulässige Mikrolegierungszusätze (Zr/Cr/Ti) und definierte mechanische Grenzwerte bei bestimmten Dicken. Beim Austausch eines Werkstoffs aus einer anderen Region müssen Ingenieure die detaillierten chemischen und mechanischen Tabellen, Alterungspraktiken und Zertifizierungsanforderungen vergleichen und dürfen sich nicht allein auf die Bezeichnung verlassen.

Korrosionsbeständigkeit

Die atmosphärische Korrosionsbeständigkeit von 7015 ist moderat; in unkritischen Umgebungen verhält sich die Legierung akzeptabel, jedoch ist sie in chloridhaltigen oder maritimen Atmosphären anfälliger für Lochfraß und interkristalline Korrosion als viele 5xxx- oder 6xxx-Serienlegierungen. Schutzmaßnahmen wie Anodisieren, Belegen mit reinem Aluminium, Chromat-Konversionsbeschichtungen oder die Verwendung überalterter Zustände (T73/T76) verbessern die Oberflächendauerhaftigkeit deutlich.

Spannungsrisskorrosion (SCC) ist bei 7015 in hochbeanspruchten, korrosiven Anwendungen im Spitzenalterungszustand (T6/T651) kritisch, da die Kombination aus hoher Festigkeit und bestimmten Kornrand-Phasen die SCC-Initiierung begünstigt. Überalterte Zustände und kontrollierte thermomechanische Verfahren reduzieren die SCC-Anfälligkeit durch Vergröberung oder Umverteilung der Ausscheidungen und Spannungsabbau.

Galvanische Wechselwirkungen sind typisch für Aluminiumlegierungen: 7015 ist anodisch gegenüber Edelstahl und einigen kupferbasierten Legierungen, daher werden Isolation oder Opferanoden-Schutz in metallisch gemischten Baugruppen empfohlen. Im Vergleich zu 5xxx-Kaltumformungslegierungen (z. B. 5052) bietet 7015 höhere Festigkeit, aber in der Regel eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit, sofern nicht entsprechend geschützt oder überaltert.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

Das Schweißen von 7015 ist aufgrund des hohen Zn/Mg-Gehalts und des ausscheidungshärtenden Charakters anspruchsvoll; Schmelzschweißverfahren (TIG/MIG) führen oft zum Verlust des Zustands im Wärmeeinflussgebiet (WEZ) und einer erweichten Zone mit deutlich abgesenkter Festigkeit. Empfohlen werden spezielle Zusatzwerkstoffe mit kompatibler Chemie, wenn möglich Nachbehandlung durch Lösungsglühen und Alterung nach dem Schweißen oder im kritischen Bereich mechanische Verbindungstechniken und Kleben. Heißrisse und Porosität treten verstärkt in dicken Querschnitten sowie bei Kontaminierung oder falschen Wärmeeinträgen auf.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von 7015 im geglühten Zustand ist gut bis sehr gut mit stabilem Spanfall und günstigen Schnittkräften; im Spitzenalterungszustand verschlechtert sie sich und der Werkzeugverschleiß nimmt zu. Hartmetallwerkzeuge und steife Maschinenaufbauten werden empfohlen, mit moderat bis hohen Schnittgeschwindigkeiten für Feinbearbeitung und niedrigeren Geschwindigkeiten für groben Spanabtrag. Oberflächenqualität und ermüdungskritische Details sollten in kontrollierten Zuständen bearbeitet werden, um Restschäden zu vermeiden.

Umformbarkeit

Umformen ist am einfachsten in den Zuständen O und einigen H1x-Zuständen, in denen hohe Duktilität und enge Biegeradien möglich sind; im Spitzenalterungszustand T6 ist die Umformbarkeit gering und es kommt zu erheblichem Rückfedern. Typische empfohlene Mindestbiegeradien im T6-Zustand betragen 2–4× die Materialdicke für einfache Biegungen, kleinere Radien sind in O- oder H14-Zuständen möglich; Warmumformen oder Lösungsglühen mit anschließender Alterung wird verwendet, um komplexe Formen vor der Endalterung zu fertigen. Konstrukteure sollten das Umformen vor der Endwärmebehandlung planen oder nachträgliche Stabilisierungsschritte einsetzen, um Verzug zu kontrollieren.

Wärmebehandlungsverhalten

7015 ist eine klassische wärmebehandelbare Legierung, die stark auf Lösungsglühen gefolgt von schnellem Abschrecken und künstlicher Alterung anspricht. Typische Lösungsglühtemperaturen liegen zwischen etwa 470–480 °C, um die primären Legierungselemente in eine übersättigte Matrix zu lösen; ein schnelles Abschrecken (Wasserabschreckung) ist erforderlich, um die übersättigte feste Lösung zu erhalten.

Die Alterungsprogramme variieren je nach gewünschten Eigenschaften: T6 verwendet typischerweise eine niedrigere Alterungstemperatur (z. B. 120–145 °C) über mehrere Stunden, um Spitzenfestigkeit zu erzielen, während T73/T76 eine Überalterung durch höhere Temperaturen oder längere Zeiten nutzt, die Ausscheidungen gröber macht und Korrosions- sowie SCC-Beständigkeit verbessert. Der Übergang zwischen den Zuständen erfordert kontrolliertes Abkühlen, gegebenenfalls Richten/Strecken (T651) und präzise Prozesssteuerung, um reproduzierbare mechanische Eigenschaften sicherzustellen.

Vollständig nicht wärmebehandelbares Verhalten ist begrenzt, da 7015 primär für Ausscheidungshärtung ausgelegt ist; Kaltumformung kann moderate Festigkeitssteigerungen erzeugen, erreicht aber nicht die Vorteile von Lösungsglühen und Alterung. Das Glühen (Zustand O) macht das Material vollständig weich und dient zum Umformen oder zur Bearbeitung vor der Endwärmebehandlung.

Hochtemperatureinsatz

Bei erhöhten Temperaturen zeigt 7015 eine deutliche Reduktion von Streckgrenze und Zugfestigkeit; nützliche strukturelle Leistung ist meist nur bis etwa 120–150 °C gewährleistet. Die Kriechfestigkeit ist im Vergleich zu Hochtemperaturlegierungen eingeschränkt; Dauerbelastungen bei erhöhten Temperaturen fördern Überalterung und Ausscheidungsvergröberung, was Festigkeit und Dauerfestigkeit vermindert.

Die Oxidation von Aluminium bei diesen Einsatztemperaturen ist durch schützende Oxidschichten selbstbegrenzend, allerdings können aggressiv-chemische oder chloridhaltige Hochtemperaturumgebungen die Korrosion von Grundmaterial und Schutzschichten beschleunigen. Das Wärmeeinflussgebiet verschweißter Bauteile ist besonders anfällig für Festigkeitsverlust und mikrostrukturelle Veränderungen bei nachfolgender thermischer Belastung.

Anwendungen

Branche	Beispielkomponente	Warum 7015 verwendet wird
Luftfahrt	Rumpf- und Flügelbeschläge, Struktur Schmiedeteile	Hohe spezifische Festigkeit und Ermüdungsleistung nach geeigneten Zuständen
Schiffbau	Hochfeste Strukturträger, Beschläge	Gute Schadenstoleranz bei Überalterung und Beschichtung; günstiges Festigkeitsgewichtverhältnis
Verteidigung	Panzerbauteile, Waffenlagerungen	Hohe Festigkeit und Steifigkeit bei relativ geringem Gewicht
Automobilindustrie	Leistungstragende Fahrwerkskomponenten	Gewichtsersparnis bei hoher Festigkeit und möglich kleiner Serienfertigung
Elektronik	Strukturrahmen, Wärmeverteiler (eingeschränkt)	Ausreichende Wärmeleitfähigkeit und nützliche Steifigkeit in kompakten Baugruppen

7015 wird gewählt, wenn Konstrukteure eine Legierung benötigen, die luftfahrttaugliche spezifische Festigkeit mit akzeptabler Ermüdungsleistung kombiniert und durch Alterung auf Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit abgestimmt werden kann. Die Fertigungs- und Kostenkomplexität beschränkt den Einsatz üblicherweise auf Anwendungen, bei denen diese Eigenschaften engere Produktionskontrolle rechtfertigen.

Auswahlhinweise

Wählen Sie 7015, wenn ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und kontrollierte Ermüdungsperformance wichtiger sind als einfache Schweißbarkeit oder maximale Korrosionsbeständigkeit. Die Legierung eignet sich für Luftfahrt- und Hochleistungs-Strukturbauteile, bei denen thermomechanische Verarbeitung und nachträgliche Wärmebehandlung nach dem Schweißen möglich sind.

Im Vergleich zu kommerziell reinem Aluminium (z. B. 1100) tauscht 7015 Leitfähigkeit und Formbarkeit gegen eine deutlich höhere Festigkeit und Steifigkeit ein, wodurch es für Anwendungen, bei denen elektrische Leitfähigkeit oder extreme Umformbarkeit im Vordergrund stehen, ungeeignet ist. Im Vergleich zu Kaltumformlegierungen wie 3003 oder 5052 bietet 7015 deutlich höhere Festigkeit, jedoch generell eine schlechtere Umformbarkeit in den Höchstzuständen und erfordert eine präzise Alterungssteuerung; zudem ist es tendenziell empfindlicher gegenüber chloridinduzierter Korrosion. Im Vergleich zu gängigen wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 liefert 7015 eine höhere Höchstfestigkeit und Steifigkeit, häufig jedoch zu höheren Kosten, geringerer Schweißbarkeit und höherem Risiko für spannungsrisskorrosion (SCC); wählen Sie 7015, wenn diese zusätzlichen Festigkeitsreserven und Ermüdungseigenschaften trotz der Kompromisse entscheidend sind.

Abschließende Zusammenfassung

Die Legierung 7015 bleibt eine relevante hochfeste Aluminiumlösung dort, wo luftfahrttechnisch erforderliche spezifische Festigkeit und Ermüdungsleistung gefragt sind und Fertigungsverfahren Wärmebehandlung und Oberflächenschutz kontrollieren können. Ihre chemische Zusammensetzung und Ansprechbarkeit auf den Zustand erlauben es Ingenieuren, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gezielt auszubalancieren, wodurch sie ein Spezialwerkstoff für anspruchsvolle Strukturbauteile ist.