Aluminium 7050: Zusammensetzung, Eigenschaften, Härtegrade & Anwendungsbereiche

Umfassender Überblick

7050 ist eine Legierung der 7xxx-Reihe der Aluminiummetalle, die durch Zink als Hauptelement gekennzeichnet ist und primär als wärmebehandelbarer, ausscheidungshärtbarer Aluminiumwerkstoff konzipiert wurde. Sie wurde für hochfeste Strukturbauteile entwickelt, bei denen eine Kombination aus hoher statischer Festigkeit, Bruchzähigkeit und verbesserter Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit im Vergleich zu frühen hochfesten Zn–Mg–Cu-Legierungen erforderlich ist.

Die Hauptlegierungselemente in 7050 sind Zink, Magnesium und Kupfer, mit kleinen Zusätzen von Zirkonium oder Titan, die zur Kornstrukturkontrolle und zur Hemmung der Rekristallisation während der thermomechanischen Verarbeitung eingesetzt werden. Der Festigkeitsmechanismus ist klassische Alterungshärtung: Lösungsglühen, schnelles Abschrecken, um eine übersättigte Festlösung zu erhalten, sowie kontrolliertes künstliches Altern zur Ausscheidung feiner MgZn2 (η′/η)-Phasen, die für die Ausscheidungshärtung verantwortlich sind.

Wesentliche Merkmale sind sehr hohe Streck- und Zugfestigkeiten in Spitzenalterszuständen, gute Bruchzähigkeit bei dickwandigen Zuständen sowie eine verbesserte Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion (SCC), wenn der Werkstoff entsprechend behandelt und zu SCC-beständigen Zuständen (z. B. T7451, T76) gealtert wird. Einschränkungen sind gegenüber den 5xxx- und 6xxx-Serien geringere Duktilität und Umformbarkeit sowie eine eingeschränktere Schweißbarkeit im Spitzenalterszustand. Typische Anwendungsbereiche sind Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung (primäre Flugzeugstruktur, Flügelbeplankungen, Holmgurte, Rumpfstege), Spezialtransport sowie Hochleistungsbauteile, bei denen das Verhältnis Festigkeit zu Gewicht und Schadensresistenz maßgeblich die Werkstoffwahl beeinflussen.

Ingenieure wählen 7050 vor anderen Legierungen, wenn eine Kombination aus sehr hoher statischer Festigkeit, guter Bruchzähigkeit bei dicken Querschnitten und verbesserter Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit benötigt wird; sie wird häufig gegenüber 7075 bevorzugt, wenn das Verhältnis von SCC-Beständigkeit und Bruchzähigkeit wichtiger als die absolute Spitzenfestigkeit ist. Kosten und Lieferkettenfaktoren beeinflussen ebenfalls die Auswahl, da 7050 eine spezielle, kostspieligere Legierung im Vergleich zu gebräuchlicheren Strukturwerkstoffen ist.

Ausführungen (Temper)

Temper	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Hinweise
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglühter Zustand, verwendet für Umformen und Tiefziehen
T5	Mittel	Moderat	Ausreichend	Begrenzt	Abgekühlt von erhöhter Temperatur und künstlich gealtert; verwendet für Strangpressprofile
T6	Sehr hoch	Niedrig bis moderat	Schlecht bis ausreichend	Schlecht	Spitzenfestigkeit durch künstliches Altern nach Lösungsglühen erreicht
T651	Sehr hoch	Niedrig bis moderat	Schlecht bis ausreichend	Schlecht	T6 mit Vorspannung (Dehnung) zur Spannungsrelaxation; üblich für Platten zur Verzugsreduzierung
T7451	Hoch	Moderat	Ausreichend	Schlecht	Überalterter Zustand für verbesserte Spannungsrisskorrosions- und Zähigkeitswerte
T76 / T77	Mittel bis hoch	Moderat	Ausreichend	Besser als T6	Überalterte Zustände, die etwas Festigkeit gegen verbesserte Korrosions-/SCC-Beständigkeit tauschen
H14	Mittel	Moderat	Ausreichend	Begrenzt	Verfestigt und dann teilweise geglüht; bei 7050 weniger gebräuchlich

Der gewählte Temper hat einen starken, vorhersagbaren Einfluss auf das mechanische Verhalten und die Korrosionsleistung von 7050. Spitzenalterszustände (T6/T651) maximieren Streck- und Zugfestigkeit, reduzieren jedoch Duktilität und Umformbarkeit und erhöhen die Empfindlichkeit gegenüber Korrosion und Spannungsrisskorrosion. Überalterte Zustände (T7451, T76) verringern die Spitzenfestigkeit leicht zugunsten besserer Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit und Zähigkeit.

Umformungen werden in der Regel im O- oder weichen Zustand ausgeführt, gefolgt von Lösungsglühen und Alterung – diese Abfolge bewahrt die Umformbarkeit und ermöglicht dennoch hohe Endfestigkeiten. Das Schweißen von 7050 im Spitzenalterszustand wird aufgrund erheblicher Zonenweicherung (HAZ) allgemein nicht empfohlen; falls geschweißt wird, sind Nachwärmebehandlungen oder die Auswahl von weicheren Tempern und geeigneten Fülldrahtlegierungen erforderlich.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Hinweise
Si	≤ 0.12	Typische Verunreinigung; niedriger Wert zur Erhaltung der Zähigkeit
Fe	≤ 0.12	Eisengehalte werden niedrig gehalten, um intermetallische Phasen und Anisotropie zu minimieren
Cu	2.0–2.6	Erhöht die Festigkeit und beeinflusst das Ausscheidungsverhalten; wirkt sich auf Korrosion aus
Mn	≤ 0.10	Niedrig; spielt eine untergeordnete Rolle bei der Kornstrukturkontrolle
Mg	2.3–2.6	Beteiligt an Bildung von MgZn2-Ausscheidungen, entscheidend für die Festigkeit
Zn	6.0–6.8	Hauptstärkeelement; hohe Anteile ermöglichen Alterungshärtung
Cr	≤ 0.04	Kein primäres Legierungselement in Standard-7050; geringe Mengen möglich
Ti	≤ 0.05	Kornfeiner in Gussformen oder Spuren in gewalzten Produkten
Zr / Andere	0.04–0.20 Zr typisch	Zr wird häufig zugesetzt zur Steuerung der Rekristallisation und zur Verbesserung der Kornstruktur in Platten- und Strangpressprodukten

Das Verhältnis von Zn, Mg und Cu steuert die Volumenfraktion und Morphologie der η′/η (MgZn2)-Ausscheidungen, die für die hohe Festigkeit von 7050 verantwortlich sind. Kleine Zr-Zusätze wirken als Kornfeiner und verzögern die Rekristallisation während der thermomechanischen Bearbeitung, verbessern die Zähigkeit und sorgen für stabilere mechanische Eigenschaften in dicken Querschnitten. Eine enge Kontrolle verunreinigender Elemente wie Fe und Si ist erforderlich, um grobe intermetallische Partikel zu vermeiden, die Ermüdung, Bruchzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit verschlechtern.

Mechanische Eigenschaften

7050 zeigt hohe Zug- und Streckfestigkeiten in spitalterten Zuständen mit relativ kleinem Unterschied zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit aufgrund der starken Ausscheidungshärtung. Die Dehnung ist in hochfesten Zuständen reduziert, besonders bei dicken Querschnitten, wo Einschränkungen durch den Querschnitt und den Fertigungsprozess (z. B. Walzen, Abschrecken) die Duktilität weiter einschränken. Die Härte korreliert mit dem Temper: Spitzenalterszustände weisen hohe Härtewerte auf (bedingt durch dichte Ausscheidungsdichte), während überalterte Zustände die Härte senken, dafür aber Zähigkeit und SCC-Beständigkeit verbessern.

Die Ermüdungsleistung von 7050 ist im Allgemeinen sehr gut bei feiner und homogener Mikrostruktur sowie glatten, korrosionsfreien Oberflächen. Die Ermüdungslebensdauer ist jedoch empfindlich gegenüber Dicke, Eigenspannungen und Homogenität der Wärmebehandlung; dicke Querschnitte erfordern eine sorgfältige Kontrolle von Abschreck- und Alterungsprozessen, um weiche Zonen und verminderte Ermüdungsfestigkeit zu vermeiden. Thermische und dickeabhängige Einflüsse verändern die erreichbare Festigkeit: Dickere Platten kühlen nach dem Lösungsglühen langsamer ab, was zu heterogenen Ausscheidungen und geringeren Eigenschaften führen kann; thermomechanische Verarbeitung und spezialisierte Temper (T7451, T76) werden zur Beherrschung dieser Effekte eingesetzt.

Eigenschaft	O/geglüht	Wichtige Temper (T6 / T651 / T7451)	Hinweise
Zugfestigkeit (UTS)	~240–320 MPa	~500–570 MPa	UTS abhängig vom Temper und der Dicke; T6/T651 sind Spitzenfestigkeitsbereiche, T7451 etwas niedriger
Streckgrenze (0,2 % Dehnung)	~120–200 MPa	~430–510 MPa	Streckwerte variieren je nach Temper; T651 häufig für Strukturplatten spezifiziert
Dehnung (in %)	~20–30%	~6–12%	Höher im O-Zustand; Dehnung nimmt mit steigender Festigkeit und Dicke ab
Härte (Brinell)	~40–70 HB	~120–155 HB	Ungefähre Härtewerte; Umrechnung aus Zugfestigkeit abhängig von Mikrostruktur und Temper

Die angegebenen Werte stellen repräsentative Bereiche für gewalzte 7050-Produkte dar und variieren mit genauer Chemie, Herstellungsweg, Querschnittsdicke und Wärmebehandlungsablauf. Konstruktionsingenieure sollten Werkszeugnisse konsultieren und anwendungsspezifische Prüfungen für sicherheitskritische Strukturbauteile durchführen.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Hinweise
Dichte	2,83 g/cm³	Typische Dichte für hochfeste Al–Zn–Mg–Cu-Walzlegierungen
Schmelzbereich	~477–635 °C	Solidus–Liquidus-Bereich variiert leicht je nach Zusammensetzung; Überhitzung bei thermischer Verarbeitung vermeiden
Wärmeleitfähigkeit	~120–150 W/m·K	Niedriger als bei reinem Aluminium; Wärmeleitfähigkeit sinkt mit Legierung und Alterung
Elektrische Leitfähigkeit	~30–40 % IACS	Legierung reduziert Leitfähigkeit deutlich gegenüber reinem Al
Spezifische Wärme	~0,90 kJ/kg·K	Ungefährer Wert nahe Raumtemperatur
Thermische Ausdehnung	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Vergleichbar mit anderen hochfesten Aluminiumlegierungen; wichtig für Passgenauigkeit und Spannungsdesign

Die physikalischen Eigenschaften machen 7050 attraktiv für Leichtbau-Strukturen, bei denen das Wärmemanagement weniger anspruchsvoll ist als bei elektronischen Kühlkörperanwendungen. Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit sind gegenüber reinem Aluminium aufgrund des hohen Gehalts an Legierungselementen und dichter Ausscheidungsverteilungen reduziert. Der Schmelz-/Solidus-Bereich sowie der Wärmeausdehnungskoeffizient sind wichtige Parameter bei Schweiß-, Löt- und Wärmebehandlungsprozessen, um Verzug und thermische Risse zu verhindern.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,5–6,4 mm	Festigkeit wird durch Zustand und Walzen beeinflusst; dünnere Stärken erreichen nahezu Spitzenwerte	T6, T651, T7451, O	Weit verbreitet für Rumpfbleche und Paneele in Luftfahrtqualitäten mit hoher Festigkeit
Platte	6,4–200+ mm	Festigkeit und Zähigkeit variieren mit Dicke; spezielle Verarbeitung dicker Platten zur Kühlkontrolle	T651, T7451, T76	Hauptanwendung: dicke Flügelbleche, Holme, Strukturplatten mit hoher Zähigkeit
Strangpressprofil	Variiert je Profil	Alterungshärtung nach Formgebung möglich; mechanische Anisotropie muss berücksichtigt werden	T5, T6	Strangpressprofile für komplexe Strukturen; Wärmebehandlung beeinflusst Verzug
Rohr	Durchmesser von klein bis groß	Ähnliches Verhalten wie Stab/Strangpressprofil; Wanddicke beeinflusst Eigenschaftsgradienten	T6, T651	Verwendung dort, wo hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis gefordert ist; Fügetechniken und Umformmöglichkeiten variieren
Stab/Rundstahl	Durchmesser bis ca. 200 mm	Homogene Eigenschaften bei Warmumformung; Größe beeinträchtigt Abschreckwirkung	T6, T651	Schmiedeteile und Stäbe für Armaturen, bearbeitete Strukturbauteile

Unterschiede in der Verarbeitung bestimmen die Eignung: Blech- und Plattenproduktion erfordern kontrolliertes Walzen, Abschrecken und Alterung zur Erzielung homogener mechanischer Eigenschaften über die Dicke. Strangpressprofile und Schmiedeteile werden häufig mit T5- oder T6-Zuständen behandelt, die an die Geometrie angepasst sind, um Verzug und Eigenspannungen zu steuern. Die Plattenherstellung für die Luftfahrt umfasst oft Zr-Zusätze und spezielle Abschreck- und Alterungszyklen, um stabile Mikrostrukturen in dicken Querschnitten zu erreichen.

Äquivalente Werkstoffnummern

Norm	Werkstoffnummer	Region	Hinweise
AA	7050	USA	Primäre Bezeichnung nach Aluminum Association für Walzlegierung
EN AW	7050 (AlZn6.2MgCu)	Europa	EN-Bezeichnung entspricht meist AA-Chemie; Materialspezifikationen sind für Luftfahrt abgestimmt
JIS	Kein direktes Äquivalent	Japan	Keine einzelne JIS-Grade; A7075 und ähnliche hochfeste Legierungen werden manchmal als Vergleich herangezogen
GB/T	7050	China	Chinesische Normen verweisen oft direkt auf 7050; chemische und mechanische Eigenschaften sind eng abgestimmt

Obwohl mehrere internationale Normen 7050 oder chemisch äquivalente Bezeichnungen listen, können kleine Unterschiede bei zulässigen Verunreinigungen, Spuren-Elementen (Zr, Ti) und Verfahrensanforderungen messbare Unterschiede in Zähigkeit, Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit (SCC) und Alterungsreaktion bewirken. Ingenieure sollten spezifische Werkszeugnisse und gültige Normrevisionen vergleichen, wenn Werkstoffe zwischen Regionen ausgetauscht werden.

Korrosionsbeständigkeit

Die atmosphärische Korrosionsbeständigkeit von 7050 ist für eine hochfeste Al–Zn–Mg–Cu-Legierung moderat; die Legierung zeigt akzeptable Leistung in vielen Umgebungen, ist jedoch anfälliger für lokale Korrosion (Lochfraß) als 5xxx- und viele 6xxx-Reihen-Legierungen. Überalterte Zustände (T76, T7451) und geeignete Oberflächenbehandlungen (Chromat-Konversion, Eloxieren, ggf. Beschichtung) verbessern die allgemeine Korrosionsbeständigkeit und die Langzeitdauerhaftigkeit im Einsatz.

In marinen oder hochsalzhaltigen Umgebungen erfordert 7050 sorgfältige Zustandsauswahl und oft Schutzbeschichtungen, da chloridinduzierte Lochfraß- und interkristalline Angriffe Ermüdungsrisse auslösen können. Die Legierung zeigt eine bessere SCC-Beständigkeit als ältere 7xxx-Reihen, wenn auf SCC-beständige Zustände gealtert, ist aber immer noch anfälliger als viele 5xxx-Legierungen; Planer müssen Umwelt, Spannungslevel und Schutzmaßnahmen berücksichtigen.

Galvanische Kopplung mit ungleichen Metallen (z.B. Edelstahl, Baustahl) kann lokale Aluminiumkorrosion beschleunigen – geeignete Isolation, Beschichtungen und Verbindungsdesign reduzieren galvanische Ströme. Verglichen mit 6xxx-Reihen tauscht 7050 Korrosionsbeständigkeit gegen höhere Festigkeit ein; gegenüber 7075 bietet 7050 in der Regel verbesserte SCC-Beständigkeit und Zähigkeit, was es in primären Strukturbauteilen der Luftfahrt bevorzugt einsetzbar macht, wo Korrosions- und Bruchverhalten kritisch sind.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

Das Schweißen von 7050 ist anspruchsvoll, insbesondere in peak-gealterten Zuständen, da Wärmeeintrag eine Wärmeeinflusszone (HAZ) erzeugt, in der Ausscheidungen überaltern und die Festigkeit lokal reduziert wird. Lichtbogenschweißen (TIG/MIG) birgt Gefahr von Heißrissen und erheblichem Festigkeitsverlust in der HAZ; Schweißzusätze mit kompatibler Festigkeit und Schutz gegen Ausscheidungssprödigkeit (z.B. Al–Zn–Mg–Cu- oder spezielle 7xxx-Reihe-Fügematerialien) werden manchmal eingesetzt, aber vollständige Wiederherstellung der Spitzenfestigkeiten durch Nachbehandlung ist bei großen Bauteilen schwierig.

Widerstandsschweißen und Reibschweißverfahren (FSW) sind häufige Alternativen: FSW erzeugt lokal vorteilhaftere Mikrostrukturen mit geringerer Erweichung gegenüber Lichtbogenschweißen und wird oft für große Strukturelemente verwendet. Ist Lichtbogenschweißen unvermeidbar, sollten Konstrukteure mit lokal reduzierten mechanischen Eigenschaften rechnen, Nachbehandlungen je nach Geometrie vorsehen und erforderlichenfalls Nieten oder mechanische Verbindungen verwenden.

Zerspanbarkeit

7050 gilt als mäßig zerspanbar für hochfeste Aluminiumlegierungen, aber Zerspanungskennwerte sind niedriger als bei weicheren Al-Legierungen wegen hoher Festigkeit und zunehmender Verfestigung. Hartmetallwerkzeuge mit positivem Spanwinkel, steife Aufspannung und moderate bis hohe Schnittgeschwindigkeiten mit ausreichender Kühlung werden empfohlen, um Anbackungen und Spanbildung zu kontrollieren. Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit sind exzellent bei scharfen Werkzeugen und optimierten Vorschüben; jedoch erfordern stark unterbrochene Schnitte oder dünnwandige Bereiche besondere Beachtung bezüglich Schwingungen und Spannvorrichtungs-Design.

Bei Bohren und Gewindeschneiden in hochfesten Zuständen kann es zur Verfestigung um die Bohrlöcher kommen; Vorbohren in weicheren Zuständen oder Einsatz von Peck-Bohrzyklen verbessert Lochqualität. Nachbearbeitung mit Spannungsarmglühen kann für ermüdungskritische Bauteile erforderlich sein.

Umformbarkeit

Das Umformen von 7050 gelingt am besten in weichen Zuständen (O) oder durch Prozesse mit nachfolgender Wärmebehandlung zur endgültigen Alterung. Kaltumformen in hochfesten Zuständen führt zu Rückfederung und potenziellen Rissen; minimale Biegeradien sind größer als bei 5xxx- und 6xxx-Legierungen wegen geringerer Duktilität. Typische empfohlene Innenbiegeradien für Luftfahrtsbleche betragen mehrere Male der Blechdicke, abhängig vom Zustand; für kritische Bauteile werden Werkzeuge und Umformabläufe gezielt auf geringe lokale Dehnung konzipiert.

Heißumformen oder Vorwärmen kann manche Profile besser umformbar machen, aber anschließendes Lösungsglühen, Abschrecken und Altern müssen so ausgelegt sein, dass Verzug vermieden und Ziel-Festigkeiten erreicht werden. Bei komplexen Umformungen empfiehlt sich Umformen im O-Zustand mit anschließender Lösungsglüh- und Alterungsbehandlung zur Wiederherstellung der Festigkeit.

Wärmebehandlungsverhalten

Das Lösungsglühen von 7050 erfolgt typischerweise bei ca. 470–480 °C, um Ausscheidungen in eine übersättigte feste Lösung aufzulösen; genaue Temperatur- und Zeitvorgaben hängen von Querschnittsdicke und Produktform ab. Schnelles Abschrecken aus der Lösungstemperatur ist entscheidend, um gelöste Legierungselemente zu speichern und eine effiziente Alterung zu ermöglichen; unzureichende Abschreckgeschwindigkeiten in dicken Querschnitten führen zu weichen Zonen und reduzierter Festigkeit.

Künstliche Alterungszyklen variieren je nach gewünschtem Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit (SCC). Peak-Age-Zyklen (T6) erreichen die höchste Festigkeit durch Alterung bei Temperaturen typischerweise im Bereich von 120–135 °C über mehrere Stunden; Überalterungsbehandlungen (T7451, T76) verwenden höhere Alterungstemperaturen oder mehrstufige Alterungssequenzen, um Ausscheidungen leicht zu vergrößern, interne Spannungen zu reduzieren und die SCC-Leistung zu verbessern. Der Übergang zwischen T-Walzbedingungen (z. B. von T6 zu T7451) ist durch erneutes Altern möglich, erfordert jedoch kontrolliertes Erwärmen, um eine gleichmäßige Reaktion sicherzustellen.

Um konsistente Eigenschaften in dickem Blech zu erzielen, ist auf die thermomechanische Historie zu achten: Zr-haltige Varianten, kontrollierte Abschreckmedien und Temperaturüberwachung während der Alterung helfen, Gradienten durch die Dicke zu reduzieren. Bei nicht wärmebehandelbaren Legierungen ist der Hauptweg zur Festigkeitssteigerung die Kaltverfestigung, jedoch ist 7050 absichtlich wärmebehandelbar und sollte entsprechend verarbeitet werden.

Verhalten bei hohen Temperaturen

Bei erhöhten Einsatztemperaturen (über etwa 150–200 °C) erfährt 7050 einen fortschreitenden Verlust der Streck- und Zugfestigkeit, da sich die Ausscheidungsverteilung vergrößert und überaltert. Die langfristige statische Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei moderaten Temperaturen sind im Vergleich zu spezialisierten Hochtemperaturlegierungen geringer, weshalb Entwickler die Dauerbetriebstemperaturen begrenzen sollten, wenn Maßhaltigkeit und Festigkeitserhalt gefordert sind.

Die Oxidation ist unter typischen atmosphärischen Bedingungen bis zu moderaten Temperaturen durch die schützende Aluminiumschicht begrenzt; bei hohen Temperaturen oder zyklischer thermischer Belastung kann die Legierung jedoch an Skalenbildung und Mikrostrukturveränderungen leiden, die die mechanische Leistung verringern. Das Verhalten der HAZ (Wärmeeinflusszone) in geschweißten Verbindungen ist besonders empfindlich gegenüber thermischer Belastung; Härtegrad und Nachbearbeitung nach dem Schweißen müssen Risiken wie Aufweichung und Versprödung minimieren.

Anwendungen

Branche	Beispielkomponente	Warum 7050 verwendet wird
Luft- und Raumfahrt	Flügelschalen, Holme, Rumpfstege	Hoher Festigkeits-zu-Gewichts-Wert, gute Bruchzähigkeit und SCC-beständige Zustände für Hauptstrukturen
Verteidigung	Strukturteile von Raketen- und Waffensystemen	Hohe statische Festigkeit und Zähigkeit für dynamische Belastungen
Schiffbau	Hochleistungsstrukturteile	Günstige Festigkeit und überalterte Zustände bieten verbessertes Korrosions- und SCC-Verhalten
Automobilindustrie	Hochleistungsfahrwerkkomponenten