Aluminium 7042: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsleitfaden & Anwendungen
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Umfassender Überblick
7042 ist eine Aluminiumlegierung der 7xxx-Serie innerhalb der Al-Zn-Mg-Familie, die mittels Ausscheidungshärtung zu mittelhoher Festigkeit neigt. Die Hauptlegierungselemente sind Zink und Magnesium mit geringem Kupferanteil und Spurenelementen zur Kornstruktur- und Zähigkeitskontrolle.
Der Festigkeitsmechanismus von 7042 beruht auf klassischer wärmebehandelbarer Ausscheidungshärtung: Lösungsglühen, gefolgt von Abschrecken und künstlicher Alterung, erzeugt feine η (MgZn2)-artige Ausscheidungen, die die Versetzungsbewegung hemmen. Praktisch kann diese Legierung auch in überalterten oder thermisch stabilisierten Zuständen geliefert werden, um einen Teil der Höchstfestigkeit gegen verbesserte Bruchzähigkeit und Spannungsrissbeständigkeit einzutauschen.
Wesentliche Eigenschaften von 7042 sind eine hohe spezifische Festigkeit, eine moderate bis gute Dauerfestigkeit bei korrekter Alterung sowie eine vernünftige Zerspanbarkeit für eine hochfeste Al-Zn-Mg-Legierung. Die Korrosionsbeständigkeit ist im Allgemeinen besser als bei einigen hochkupferhaltigen 7xxx-Legierungen, aber schlechter als bei 5xxx- oder 6xxx-Familien, sofern keine Schutzschichten oder Beschichtungen angewendet werden.
Typische Einsatzbereiche für 7042 sind Luft- und Raumfahrtstrukturen und -beschläge, Hochleistungs-Automobilkomponenten, Verteidigungs- und Munitionsteile sowie ausgewählte Marinebauteile. Ingenieure wählen 7042, wenn eine Kombination aus hoher Festigkeit, Zähigkeit und vertretbarer Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitigem Gewichtseinsparpotenzial gefordert ist.
Ausführungen
| Ausführung | Festigkeitsniveau | Dehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Vollständig geglüht; maximale Duktilität für Umformung |
| T4 | Moderat | Moderat | Gut | Gering bis mäßig | Lösungsglühen und natürlich gealtert; Ausgangspunkt für künstliche Alterung |
| T6 | Hoch | Niedrig bis moderat | Begrenzt | Schlecht | Lösungsglühen und künstlich gleitend gealtert; höchste praktische Festigkeit |
| T651 | Hoch | Niedrig bis moderat | Begrenzt | Schlecht | T6 mit Spannungsarmglühen durch Dehnung nach Abschrecken; häufig in der Luftfahrt angewendet |
| T7 | Moderat | Moderat | Mäßig | Schlecht | Stabilisiert/überaltert zur Verbesserung der Spannungsrissbeständigkeit bei verminderter Höchstfestigkeit |
| H1x / H2x (kaltverfestigt) | Variabel | Niedriger | Variabel | Gut | Kombination aus Kaltverfestigung und teilweiser Wärmebehandlung für spezielle Anwendungen |
Die Ausführung hat einen starken Einfluss auf mechanisches Verhalten, Bruchwiderstand und Umformbarkeit. Höchstgealterte Zustände wie T6 maximieren Zugfestigkeit und Härte, reduzieren jedoch Dehnung und Kaltumformbarkeit, was zu großen Eigenschaftsgradienten in Schweiß- oder wärmebetroffenen Zonen führt.
Überalterung oder die Wahl von T7/T651 tauschen Festigkeit gegen verbesserte Spannungsrissbeständigkeit und stabilere Eigenschaften im Einsatz; dies ist eine verbreitete Konstruktionsentscheidung für strukturelle Luftfahrtbauteile bei kritischer Umwelteinwirkung.
Chemische Zusammensetzung
| Element | % Bereich | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0,25 | Verunreinigungsbegrenzung; zu viel vermindert die Zähigkeit |
| Fe | ≤ 0,5 | Intermetallische Verbindungen bildendes Verunreinigungselement; verringert Duktilität bei hohem Gehalt |
| Mn | ≤ 0,1 | Kontrolle der Kornstruktur bei niedrigen Gehalten |
| Mg | 1,0 – 2,0 | Hauptverstärkungselement zusammen mit Zn; bildet MgZn2-Ausscheidungen |
| Cu | 0,05 – 0,30 | Typischerweise niedrig in 7042 im Vergleich zu 7075; weniger Cu verbessert Spannungsrissbeständigkeit |
| Zn | 4,0 – 6,0 | Hauptlegierungselement für Festigkeit; höherer Zn-Gehalt erhöht Höchstfestigkeit |
| Cr | ≤ 0,25 | Steuert Rekristallisation und Kornstruktur |
| Ti | ≤ 0,15 | Kornfeinungselement bei gezielter Zugabe |
| Sonstige (jeweils) | ≤ 0,05 | Spurenelemente und Rückstände; Gesamtmenge beschränkt |
Die Basis der Legierung ist Aluminium, wobei Zink und Magnesium die Ausscheidungshärtung antreiben; Kupfer wird bewusst relativ niedrig gehalten im Vergleich zu einigen 7xxx-Varianten, um die Anfälligkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion zu mindern. Nebenbestandteile wie Chrom und Titan wirken als Mikrolegierungselemente zur Stabilisierung der Korngröße und zur Verhinderung übermäßiger Rekristallisation bei thermomechanischer Verarbeitung.
Mechanische Eigenschaften
Im Zugversuch zeigt 7042 je nach Ausführung ein breites Spektrum: das geglühte Material ist duktil bei moderater Zugfestigkeit, während höchstgealterte Zustände deutliche Steigerungen der Streckgrenze und Zugfestigkeit aufweisen. Streck- und Zugfestigkeit sind typischerweise temperatur- und ausführungsabhängig, wobei T6/T651-Ausführungen die höchste Streckgrenze bei Einbußen in der Dehnung liefern.
Die Härte korreliert stark mit Alterungszustand und Ausscheidungsstatus; die Härte steigt deutlich von O bis T6 an. Die Dauerfestigkeit profitiert von feinen, gleichmäßig verteilten Ausscheidungen und sorgfältiger Kontrolle von Eigenspannungen; Schmiedeteile und Strangpressprofile mit optimierter Alterung und Wärmebehandlung zeigen verbesserte Rissinitiierungsresistenz.
Dicke und Querschnittsgröße beeinflussen die Abschreckgleichmäßigkeit und damit erreichbare Eigenschaften; dickere Querschnitte sind schwieriger lösungsglühen und abzuschrecken, ohne dass es zu Weichkernen oder Überalterung im Kernbereich kommt. Konstrukteure müssen die HAZ-Erweichung um Schweißnähte und reduzierte Höchstwerte bei dicken Schmiedeteilen oder Blechen mit geringer Abschreckgeschwindigkeit berücksichtigen.
| Eigenschaft | O/geglüht | Wichtige Ausführung (T6 / T651) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | ~200–260 MPa (typisch) | ~420–510 MPa (typisch) | Breites Spektrum abhängig von Ausführung und Abschnittsdicke |
| Streckgrenze | ~90–160 MPa | ~350–470 MPa | T651 wird häufig wegen verbesserter Eigenspannungskontrolle spezifiziert |
| Dehnung | ~15–25 % | ~6–12 % | Dehnung reduziert in höchstgealterten Zuständen |
| Härte (Brinell) | ~40–70 HB | ~120–160 HB | Werte abhängig von Alterungsparametern und Querschnittsgröße |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Dichte | ~2,78 g/cm³ | Etwas höher als reines Al durch Zn/Mg-Zusätze |
| Schmelzbereich | ~500–640 °C (Solidus–Liquidus) | Legierungsschmelzpunkt tiefer als reines Al; genaue Werte abhängig von Zusammensetzung |
| Wärmeleitfähigkeit | ~120–150 W/m·K | Niedriger als reines Al und einige 6xxx-Legierungen wegen Streuung durch Legierungselemente |
| Elektrische Leitfähigkeit | ~28–40 % IACS | Durch Legierung gesenkt; variiert mit Ausführung (legierte Atome in Lösung verringern Leitfähigkeit) |
| Spezifische Wärme | ~0,88–0,90 J/g·K | Typisch für Al-Legierungen nahe Raumtemperatur |
| Thermische Ausdehnung | ~23–24 µm/m·K (20–100 °C) | Vergleichbar mit anderen hochfesten Al-Legierungen |
Die physikalischen Eigenschaften von 7042 machen die Legierung attraktiv, wenn ein günstiges Festigkeits-zu-Gewicht-Verhältnis und vernünftige thermische Leistungen gefordert sind. Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sind im Vergleich zu niedrig legiertem oder reinem Aluminium aufgrund von Legierungsatomen und Ausscheidungen, die Elektronen und Phononen streuen, reduziert.
Der Schmelz-/Solidusbereich verlangt bei Gieß- und Schweißprozessen Vorsicht; lokale Überhitzung fördert die Ausscheidung von niedrig schmelzenden Eutektika, was das Risiko von Heißrissen oder Weichzonen erhöht, wenn nicht kontrolliert.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Gängige Ausführungen | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|
| Blech | 0,5 – 6 mm | In dünnen Stärken bei richtiger Wärmebehandlung homogen | O, T4, T6, T651 | Häufig für Luftfahrtschalen und -paneele |
| Platte | 6 – 150+ mm | Festigkeit kann durch Querschärung variieren | T6, T651, T7 | Dicke Platten erfordern optimiertes Abschrecken oder Nachwärmen |
| Strangpressprofil | Profile bis mehrere hundert mm | Gute richtungsabhängige Festigkeit; T6 auf begrenzten Querschnitten erreichbar | T4, T6 | Strangpresswerkzeug-Design und Abschreckkapazität begrenzen Höchstwerte |
| Rohr | 1 – 50 mm Wandstärke | Ähnliches Verhalten wie Strangpressprofile; für Präzision wird kaltes Ziehen eingesetzt | O, T6 | Verwendet für strukturelle und hydraulische Anwendungen mit entsprechender Wärmebehandlung |
| Stab/Rundstahl | Durchmesser bis 200 mm | Eigenschaften abhängig von Abkühlung; Schmiedeteile bieten bessere Zähigkeit | O, T6 | Geschmiedete Stäbe häufig für kritische Beschläge und Befestigungen |
Verarbeitungsunterschiede bei Blech, Platte und Schmiedeteilen betreffen vor allem Querschnittsdicke und erreichbare Abschreckgeschwindigkeiten. Dünne Bleche und kleine Strangpressprofile kühlen schnell ab und erreichen nach Standardalterung nahezu Höchstwerte, während dickere Platten und Schmiedeteile aufwendigere Abschreck- oder Nachbehandlungszyklen (Nachglühen/Dehnung/Alterung) benötigen, um einen Weichkern und Verzug zu vermeiden.
Umformung und Zerspanung variieren ebenfalls mit der Produktform; gewalztes Blech bietet in geglühtem Zustand die beste Kaltumformbarkeit, während Strangpressprofile und Schmiedestangen richtungsoptimierte Eigenschaften für tragende Komponenten bereitstellen.
Äquivalente Güten
| Norm | Güte | Region | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| AA | 7042 | USA | Bezeichnung der American Aluminum Association; entspricht der Al-Zn-Mg-Klasse |
| EN AW | 7042 | Europa | EN AW-7042 wird häufig genannt; Zusammensetzung und Lieferbedingungen können leicht variieren |
| JIS | A7042 (ca.) | Japan | Japanische Normen listen ähnliche Al–Zn–Mg-Zusammensetzungen unter verwandten Bezeichnungen |
| GB/T | 7042 | China | Normierte chinesische Bezeichnung vorhanden; chemische Grenzwerte und Zustände können abweichen |
Unterschiede zwischen den Normen liegen meist in zulässigen Verunreinigungshöchstgrenzen, exakten Grenzwerten für Kupfer und andere Spurenelemente sowie den mechanischen Grundeigenschaften der jeweiligen Zustände. Bei internationaler Spezifikation von 7042 müssen Ingenieure die maßgebliche Norm und den Zustand eindeutig benennen und Chemie- sowie mechanische Eigenschaftstabellen prüfen, um die Austauschbarkeit in sicherheitskritischen Anwendungen zu gewährleisten.
Korrosionsbeständigkeit
7042 bietet eine moderate atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, die in der Regel besser ist als bei den hochfesten, kupferreichen 7xxx-Legierungen, aber schlechter als bei 5xxx (Al-Mg) und den meisten 6xxx (Al-Mg-Si) Legierungen. Zinkreiche Mikrostrukturen und heterogene Ausscheidungsverteilungen können anodische und kathodische Bereiche bilden, die Lochfraß in aggressiven Umgebungen fördern, sofern die Oberflächen nicht behandelt sind.
In maritimen und salzhaltigen Umgebungen zeigt unbehandeltes 7042 mehr lokalisierte Korrosion als 5xxx-Legierungen und benötigt daher für Langzeitanwendungen meist eine Eloxalschicht, Beschichtung oder schützende Überzüge. Beschichtungen oder schützende Umwandlungsschichten stellen eine akzeptable Leistung für den Küstennahe Einsatz wieder her.
Spannungsrisskorrosion (SCC) ist ein wichtiger Konstruktionsfaktor bei 7xxx-Legierungen; der vergleichsweise geringere Kupfergehalt von 7042 reduziert die Anfälligkeit gegenüber 7075, eliminiert sie jedoch nicht. Galvanische Wechselwirkungen mit unähnlichen Metallen (Stahl, Kupfer) können lokale Angriffe beschleunigen – Konstrukteure sollten Fugen isolieren und kompatible Befestiger oder Schutzbarrieren verwenden.
Fertigungseigenschaften
Schweißbarkeit
Das Schmelzschweißen von 7042 ist anspruchsvoll; konventionelles TIG/MIG-Schweißen führt häufig zu erheblichem Festigkeitsverlust im Wärmeeinflussbereich (HAZ) und kann durch niedrigschmelzende Eutektoide Heißrisse verursachen. Bevorzugte Fügeverfahren für Strukturbauteile sind das Reibreibschweißen (FSW) und das Elektronenstrahlschweißen, da sie engere HAZ und bessere Eigenschaftserhaltung bieten. Wenn Schmelzschweißen unvermeidbar ist, sollten füllende Legierungen mit geringer Anfälligkeit eingesetzt und wenn möglich Nachbehandlungs-Wärmebehandlungen vorgenommen werden, obwohl die vollständige Wiederherstellung der ursprünglichen Spitzenwerte selten erreicht wird.
Zerspanbarkeit
Die Zerspanbarkeit von 7042 ist für eine hochfeste Al-Zn-Mg-Legierung mäßig bis gut; stärkere Zustände erfordern höhere Schnittkräfte und führen zu stärkerem Werkzeugverschleiß als 6xxx-Legierungen. Hartmetallwerkzeuge, eine starre Werkstückspannung und Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit reichlich Kühlung erzielen die besten Resultate; bei vielen Bearbeitungen sind kurze, unterbrochene Späne zu erwarten. Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit sind in der Regel ausgezeichnet, sofern stabile Schnittparameter eingehalten werden.
Umformbarkeit
Die Umformbarkeit ist im weichgeglühten (O) Zustand hervorragend, was enge Biegeradien und tiefe Ziehungen bei dünnen Blechstärken ermöglicht. Spitzenzustände (T6/T651) sind für Kaltumformung eingeschränkt und werden üblicherweise in weicherem Zustand geformt und anschließend lösungsgeglüht und ausgehärtet. Typische Mindestbiegradien hängen von Zustand und Dicke ab; Konstrukteure sollten Biegeradien gemäß O- oder T4-Zuständen ansetzen, um Rissbildung zu vermeiden.
Wärmebehandlungsverhalten
Als wärmebehandelbare Al-Zn-Mg-Legierung wird 7042 durch Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern gehärtet, um seine charakteristische hohe Festigkeit zu erreichen. Typische Lösungsglüh-Temperaturen liegen im Bereich von 470–490 °C, mit der Dauer abhängig von der Werkstückdicke, um die Zn/Mg-reichen Phasen aufzulösen. Schnelles Abschrecken ist erforderlich, um die Legierungselemente in fester Lösung zu halten und so das Ausfällen von Ausscheidungen im anschließenden Auslagern zu ermöglichen.
Künstliches Auslagern (T6) erfolgt üblicherweise bei etwa 120–160 °C für Zeiten, die auf das gewünschte Gleichgewicht aus Zugfestigkeit und Zähigkeit abgestimmt sind. Überlagerungszustände (T7) nutzen höhere Temperaturen oder längere Zeiten, um Ausscheidungen grobkörniger werden zu lassen, was die Spannungsrissbeständigkeit verbessert, jedoch Spitzenfestigkeit mindert. Der Übergang zwischen Zuständen (T4→T6→T7) wird über die Variationen der Auslagerungszyklen gesteuert; natürliche Auslagerung kann auch bei Raumtemperatur erfolgen und die Endeigenschaften beeinflussen, wenn sie nicht berücksichtigt wird.
Hochtemperaturverhalten
7042 ist für den Einsatz bei Umgebungstemperaturen bis zu mäßig erhöhten Temperaturen konzipiert; seine mechanischen Eigenschaften verschlechtern sich mit steigender Temperatur, und oberhalb von etwa 100–150 °C ist eine deutliche Festigkeitsminderung erkennbar. Die Kriechfestigkeit ist im Vergleich zu hitzebeständigen Legierungen begrenzt, weshalb Konstrukteure Dauerbelastungen bei erhöhten Temperaturen vermeiden sollten.
Oxidation stellt im Vergleich zu ferritischen Werkstoffen kein primäres Problem dar, aber längere thermische Belastungen können die Ausscheidungen grobkörnig werden lassen und die Festigkeit verringern; die thermische Stabilität begrenzt damit die Langzeitanwendung bei hohen Temperaturen. In geschweißten Strukturen führt die Erweichung im Wärmeeinflussbereich kombiniert mit thermischer Belastung zu weiterer Abminderung der Tragfähigkeit.
Anwendungen
| Industrie | Beispielkomponente | Warum 7042 verwendet wird |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Strukturelle Beschläge und Schmiedeteile | Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und gute Bruchzähigkeit bei korrekter Auslagerung |
| Marine | Nicht-haupttragende Rahmen und Halterungen | Moderate Korrosionsbeständigkeit und günstiges Festigkeits-Gewichts-Verhältnis |
| Automobilindustrie | Fahrwerkskomponenten, Montagehalterungen | Hohe Festigkeit bei geringer Dichte zur Gewichtsreduzierung |
| Verteidigung | Querträger, Waffenhalterungen, Steckverbindergehäuse | Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit unter zyklischen Lasten |
| Elektronik | Strukturelle Gehäuse und Wärmeverteiler | Kombination aus Steifigkeit und Bearbeitbarkeit für komplexe Bauteile |
7042 wird häufig dort eingesetzt, wo eine Kombination aus erhöhter Festigkeit, angemessener Korrosionsbeständigkeit und guter Zerspanbarkeit in einem leichten Material gefragt ist. Es überbrückt die Lücke zwischen den höchstfesten, aber SCC-anfälligen 7xxx-Legierungen und den korrosionsbeständigeren, aber weniger festen 5xxx/6xxx-Familien.
Auswahlhinweise
Wählen Sie 7042, wenn Sie eine höhere Festigkeit als bei üblichen Kaltumformlegierungen wünschen und gleichzeitig eine bessere Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit als bei kupferreichen 7xxx-Legierungen benötigen; es ist eine gut ausgewogene Legierung für Strukturteile mit hoher spezifischer Festigkeit. Im Vergleich zu technisch reinem Aluminium (1100) tauscht 7042 Leitfähigkeit und Umformbarkeit gegen deutlich höhere Festigkeit und Härte ein, weshalb es ungeeignet ist, wenn elektrische oder thermische Leitfähigkeit im Vordergrund steht.
Im Vergleich zu kaltumgeformten Legierungen wie 3003 oder 5052 bietet 7042 deutlich höhere statische Festigkeit und verbesserte Ermüdungsfestigkeit, verliert jedoch etwas an Korrosionsbeständigkeit und Kaltumformbarkeit; 5052/3003 sind die bessere Wahl bei hoher Umformbarkeit und Meerwasserbeständigkeit. Gegenüber wärmebehandelbaren Al-Mg-Si-Legierungen wie 6061/6063 liefert 7042 eine höhere Spitzenfestigkeit für hochbelastete Strukturbauteile, doch 6061 bietet bessere Schweißbarkeit und Korrosionsverhalten in vielen Einsatzumgebungen; wählen Sie 7042, wenn das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und Steifigkeit wichtiger sind als einfache Schweißbarkeit und Verfügbarkeit.
Abschließende Zusammenfassung
7042 bleibt eine relevante Konstruktionslegierung, wenn ein hochfester, wärmebehandelbarer Aluminiumwerkstoff mit besserer Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit als bei den stärksten 7xxx-Legierungen erforderlich ist. Die ausgewogene Chemie und die Zustandsoptionen erlauben es Ingenieuren, Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsverhalten für anspruchsvolle Strukturaufgaben zu optimieren, während das geringe Gewicht den typischen Vorteil von Aluminium bewahrt.