Aluminium 7051: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen
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Umfassender Überblick
7051 ist ein Mitglied der 7xxx-Serie der gewalzten Aluminiumlegierungen und gehört zur Gruppe der hochfesten, zinkhaltigen Al-Zn-Mg-Cu-Systeme. Die Legierung ist für hohe spezifische Festigkeit und Leistungsfähigkeit konzipiert, insbesondere dort, wo das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und die Ermüdungsbeständigkeit wichtiger sind als maximale Korrosionsbeständigkeit oder einfache Fügbarkeit.
Die Hauptlegierungselemente in 7051 sind Zink und Magnesium mit kontrollierten Zusätzen von Kupfer sowie Spuren von Chrom und Titan zur Korn- und Rekristallisationskontrolle. Die Legierung ist wärmebehandelbar: Die Spitzenwerte werden durch Lösungsglühen, schnelles Abschrecken und kontrolliertes künstliches Altern zur Ausscheidung feiner metastabiler Mg-Zn-Phasen erreicht, die die Ausscheidungshärtung bewirken.
Wesentliche Merkmale sind sehr hohe Zug- und Streckgrenze im Vergleich zu gängigen konstruktiven Aluminiumqualitäten, mäßige bis schlechte allgemeine Korrosionsbeständigkeit gegenüber den 5xxx-/6xxx-Familien, sofern nicht überaltert, sowie eingeschränkte Schweißbarkeit und Umformbarkeit in Spitzenhärten. Typische Anwendungsbereiche von 7051 sind Luft- und Raumfahrt sowie Hochleistungsstrukturen im Verteidigungsbereich, Motorsport und ausgewählte hochwertige Transportsektoren, die optimierte Festigkeit, Steifigkeit und Ermüdungsleistung erfordern.
Ingenieure wählen 7051 gegenüber anderen Legierungen, wenn eine Gewichtsreduzierung auf Bauteilebene und dauerhafte Hochspannungsfähigkeit erforderlich sind und wenn Fertigungsprozesse Wärmebehandlung und spezielle Korrosionsschutzmaßnahmen zulassen. Die Legierung ist bevorzugt, wenn höherfeste 7xxx-Varianten (z. B. 7075) die geforderte Aushärtungsstabilität nicht erreichen oder wenn die spezifische Zn/Mg/Cu-Mischung und Mikrostrukturkontrolle von 7051 bessere Ermüdungsverhalten mit Rissarrest bewirken.
Ausführungen (Temperzustände)
| Temperzustand | Festigkeitsniveau | Dehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Vollständig entspannt, maximale Duktilität |
| T6 | Hoch | Niedrig–Mittel | Akzeptabel–Schlecht | Schlecht | Lösungsglühen und künstliches Altern für Spitzfestigkeit |
| T651 | Hoch | Niedrig–Mittel | Akzeptabel–Schlecht | Schlecht | T6 plus spannungsfreies Dehnen zur Reduzierung von Eigenspannungen |
| T73 / T76 / T7x | Mittel | Mittel | Akzeptabel | Schlecht–Mittel | Überalterte Zustände für verbesserte Spannungsrisskorrosions- (SCC) und allgemeine Korrosionsbeständigkeit |
| Hxx (z.B. H111, H116) | Variabel | Variabel | Variabel | Mittel | Kaltverfestigt oder kaltverfestigt + teilweise geglüht für Zwischenwerte |
Wärmebehandlung und Ausführung bestimmen, ob 7051 auf maximale Festigkeit (T6/T651) oder auf höhere Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und verbesserte Zähigkeit (T7x/T73/T76) abgestimmt ist. Der O-Zustand wird bei Umformprozessen und der Vorbehandlung vor der endgültigen Wärmebehandlung verwendet, während überalterte Zustände eine gewisse Spitzenfestigkeit opfern, um deutlich verbesserte Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit und Stabilität bei Temperaturschwankungen zu erzielen.
Chemische Zusammensetzung
| Element | Gehaltsbereich [%] | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0,40 | Verunreinigung aus Guss-/Verarbeitungsprozess; niedrig gehalten, um spröde Phasen zu vermeiden |
| Fe | ≤ 0,50 | Verunreinigung; hohe Werte mindern Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit |
| Mn | ≤ 0,10 | Typisch niedrig in 7xxx-Serie; begrenzter Einfluss auf Festigkeit |
| Mg | 2,0–3,0 | Bildet mit Zn Ausscheidungen zur Festigkeitssteigerung |
| Cu | 1,2–2,0 | Erhöht Festigkeit, beeinflusst Korrosionsanfälligkeit |
| Zn | 6,0–8,0 | Hauptfestigungselement in der 7xxx-Familie |
| Cr | 0,04–0,35 | Steuert Kornstruktur, verbessert Rekristallisationsbeständigkeit |
| Ti | ≤ 0,15 | Kornfeinung bei Guss- und bestimmten gewalzten Erzeugnissen |
| Andere (jeweils) | ≤ 0,05 | Spurenelemente; Rest zu Al |
Zink und Magnesium bilden die dominierende Festigungskombination, indem sie beim Altern metastabile eta-Phasen (MgZn₂) ausbilden, die Versetzungen blockieren und Streck- sowie Zugfestigkeit erhöhen. Kupfer steigert die Festigkeit zusätzlich, neigt jedoch dazu, Korrosionsbeständigkeit zu senken und die Anfälligkeit für lokalen Angriff sowie Spannungsrisskorrosion zu erhöhen. Geringe Mengen Chrom und Titan steuern die Kornstruktur und verbessern die Zähigkeit bei thermomechanischer Bearbeitung.
Mechanische Eigenschaften
7051 zeigt eine starke Abhängigkeit der Zugfestigkeit vom Temperzustand. In lösungsgeglühten und künstlich gealterten Zuständen (T6/T651) erreicht die Legierung sehr hohe Zug- und Streckgrenzen bei gleichzeitiger Reduzierung der Dehnung; überalterte Zustände tauschen Spitzenfestigkeit gegen bessere Zähigkeit und höhere Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrisskorrosion. Im entspannten Zustand ist das Material duktil und gut umformbar, erreicht jedoch erst nach Wärmebehandlung die für viele luftfahrttechnische Strukturbauteile erforderlichen hohen Festigkeiten.
Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung sind abhängig von Blechdicke und Temperzustand; dünnere Produktformen erzielen meist höhere Festigkeiten nach dem Altern aufgrund schnellerer Abschreckraten und feinerer Ausscheidungsverteilungen. Die Härte korreliert mit dem Alterungszustand: Spitzengealterte Zustände zeigen erhöhte Härtewerte, die unter Überalterung oder im Wärmeeinflussgebiet beim Schweißen abnehmen. Die Ermüdungsleistung ist für kontrollierte Mikrostrukturen allgemein ausgezeichnet, jedoch empfindlich gegenüber Oberflächenzustand, Eigenspannungen und lokaler Korrosion. Eine sachgerechte Behandlung und detaillierte Auslegung sind entscheidend zur Maximierung der Ermüdungslebensdauer.
| Eigenschaft | O/Entspannt | Wichtiger Temper (T6 / T651) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 200–300 MPa (typisch) | 480–600 MPa (typischer Bereich) | Festigkeit variiert mit Dicke, Abschreckrate und genauem Temper |
| Streckgrenze | 60–140 MPa (typisch) | 430–540 MPa (typischer Bereich) | Streckgrenze steigt stark mit Ausscheidungshärtung |
| Dehnung | 15–30 % | 6–12 % | Duktilität stark reduziert in Spitzenzuständen |
| Härte | 30–55 HRB | 85–120 HRB (ca.) | Härte folgt dem Alterungsgrad; Überalterung reduziert Härte, verbessert SCC-Beständigkeit |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Dichte | ~2,80–2,82 g/cm³ | Typisch für hochfeste Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen |
| Schmelzbereich | Solidus ~480–500 °C, Liquidus ~635–650 °C | Legierung zeigt breites Schmelzintervall durch Legierungselemente |
| Wärmeleitfähigkeit | ~120–150 W/m·K (bei 20 °C, typisch) | Niedriger als reines Al, beeinflusst durch Legierungen und Temper |
| Elektrische Leitfähigkeit | ~30–40 % IACS (typisch) | Reduziert gegenüber handelsüblichem reinen Aluminium durch gelöste Legierungselemente |
| Spezifische Wärme | ~0,88–0,92 J/g·K | Ähnlich wie bei anderen gewalzten Aluminiumlegierungen |
| Thermische Ausdehnung | ~23–25 ×10^-6 /°C | Ähnlicher Koeffizient wie andere Aluminiumlegierungen, wichtig für thermisches Design |
Die physikalischen Eigenschaften von 7051 bewahren viele Aluminiumvorteile – niedrige Dichte und gute Wärmeleitfähigkeit – tauschen dabei jedoch etwas elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitung gegen gesteigerte mechanische Leistung ein. Das Schmelz- und Erstarrungsverhalten erfordert besondere Vorsicht bei Prozessen mit erhöhten Temperaturen, wie Löten und Schweißen, um unerwünschte mikrostrukturelle Veränderungen zu vermeiden.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Übliche Temper | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|
| Blech | 0,5–6 mm | Hoch bei Spitzenalterung; Verhalten abhängig von Abschreckung | O, T6, T651, T73 | Verbreitet für strukturelle Außenhaut und höherfeste Paneele |
| Platte | 6–150+ mm | Festigkeit kann in dickeren Sektionen aufgrund Abschreckempfindlichkeit sinken | T651, T73, T76 | Dicke Platten erfordern enge Abschreckkontrolle und oft überalterte Zustände |
| Strangpressprofil | Profile variieren | Festigkeit wird von Querschnittsdicke und Abkühlrate beeinflusst | T6, T651 | Komplexe Querschnitte möglich, Abschreckkontrolle ist kritisch |
| Rohr | Rohr- und Luftfahrtrohr-Durchmesser | Ähnliche Trends bei Wandstärke; ermüdungsempfindlich | T6/T651 | Eingesetzt, wo hohe axiale und Umfangsspannung erforderlich sind |
| Stab/Stange | Durchmesser bis zu großen Schmiedeteilen | Festigkeit skaliert mit Querschnitt und Temper | O, T6 | Verwendet für Fittings, Schrauben und Schmiedeteile nach Lösungsglühen/Altern |
Dünnwandige Produkte erreichen höhere Spitzenfestigkeiten durch schnellere effektive Abschreckraten, während schwere Sektionen anfälliger für Erweichung durch langsamere Abkühlung und gröbere Ausscheidungsverteilung sind. Die Prozesswege unterscheiden sich: Blech und Platte werden häufig gewalzt und in kontrollierten Öfen lösungsglüht, während Strangpressprofile ein Werkzeugdesign erfordern, das Abschreckwege berücksichtigt. Die Bauteilauswahl sollte den erreichbaren Temperzustand bei der vorgesehenen Bauteildicke berücksichtigen.
Äquivalente Legierungen
| Standard | Legierung | Region | Hinweise |
|---|---|---|---|
| AA | 7051 | USA | Bezeichnung in der Aluminum Association; Geschmiedete Legierung |
| EN AW | Kein direktes Eins-zu-eins | Europa | Kein exaktes EN-Äquivalent; Mitglieder der 7075/7050-Familie am ähnlichsten |
| JIS | Kein direktes Äquivalent | Japan | Übliche Praxis ist Bezugnahme auf die nächstgelegene 7xxx-Familienlegierung |
| GB/T | Kein direktes Äquivalent | China | Chinesische Normen enthalten hochfeste Zn-Mg-Cu-Legierungen, aber die Bezeichnungen unterscheiden sich |
7051 hat nicht in jedem nationalen Standard eine strikte Eins-zu-eins-Bezeichnung und kann in verschiedenen Regionen durch proprietäre oder eng verwandte Legierungen repräsentiert werden. Ingenieure müssen Chemie, Anlaszustand und mechanische Anforderungen bestätigen, wenn sie von 7075, 7050 oder anderen 7xxx-Familienlegierungen substituieren, da geringfügige Unterschiede in der Zusammensetzung und Toleranzen der Spezifikation bedeutende Änderungen in der Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit (SCC) und Alterungsreaktion verursachen.
Korrosionsbeständigkeit
In atmosphärischen Umgebungen zeigt 7051 eine mäßige Beständigkeit, die stark vom Anlaszustand und der Nachbehandlung abhängt. Anlaszustände mit Höchstfestigkeit und höherem Kupfergehalt sind anfälliger für lokale Korrosion und Lochfraß als überalterte Zustände, während korrekt angewendete Dichtungen und Eloxalschichten die Oberflächendauerhaftigkeit deutlich verbessern können.
In marinen und chloridhaltigen Umgebungen sind Schutzmaßnahmen für 7051 erforderlich, da hochfeste 7xxx-Legierungen anfällig für interkristalline Angriffe und Spannungsrisskorrosion unter Zugspannung sind. Überalterung auf T7x-Zustände und der Einsatz von Nach-Eloxal-Versiegelungen oder Beschichtungen verringern die Anfälligkeit und sind gängige Maßnahmen bei maritimen Anwendungen.
Spannungsrisskorrosion ist eine wesentliche Konstruktionsüberlegung: Die Anfälligkeit korreliert mit Zug-Eigenspannungen, lokalen metallurgischen Zuständen und aggressiver Umgebung. Galvanische Wechselwirkungen sind relevant – 7051 ist anodisch gegenüber Edelstahl, aber kathodisch gegenüber gebräuchlichen Stählen und Kupferlegierungen; die Konstruktion sollte direkte Kopplungen vermeiden oder Isolationsbarrieren und Beschichtungen verwenden. Im Vergleich zu 5xxx- und 6xxx-Familien bietet 7051 deutlich höhere Festigkeit auf Kosten der nativen Korrosionsbeständigkeit und erhöhten SCC-Anfälligkeit, sofern diese Schwächen nicht gezielt kompensiert werden.
Fertigungseigenschaften
Schweißbarkeit
Das Schweißen von 7051 ist in Höchstfestigkeitszuständen herausfordernd, da die Wärmeeinbringung die härtebestimmenden Ausscheidungen auflöst und eine weichere Wärmeeinflusszone (WEZ) erzeugt, die lokal die Festigkeit stark reduziert. Lichtbogenschweißverfahren (TIG/MIG) führen typischerweise zu WEZ-Erweichung und hohen Eigenspannungen; Schweißzusatzwerkstoffe, die für 7xxx-Serien entwickelt sind, sind verfügbar, aber Schweißnähte erfordern oft eine nachträgliche Wärmebehandlung oder Anpassungen im mechanischen Design. Festkörper-Schweißverfahren wie Reibschweißen sind häufig bevorzugt, da sie die Spitzen-Temperaturen begrenzen, die Mikrostruktur kontrollieren und gegenüber dem Lichtbogenschweißen für diese Legierungsfamilie überlegene Verbindungsqualität bieten.
Zerspanbarkeit
7051 ist allgemein mit Vorsicht zerspanbar; es verhält sich ähnlich wie andere hochfeste 7xxx-Legierungen mit moderatem Werkzeugverschleiß und Neigung zu Aufbauschneiden bei falschen Vorschub- oder Schnittgeschwindigkeiten. Hartmetallwerkzeuge mit positivem Spanwinkel und hoher Steifigkeit werden empfohlen, und konservative Schnittgeschwindigkeiten im Vergleich zu weicheren Aluminiumlegierungen reduzieren thermisches Verfestigen und fördern kontinuierliche Spanbildung. Oberflächenqualität und Eigenspannungsmanagement sind kritisch bei Bauteilen mit Ermüdungs- oder SCC-Anforderungen, daher kommen Nachbearbeitungsläufe und Spannungsarmglühen häufig zum Einsatz.
Umformbarkeit
Im geglühten Zustand O ist 7051 gut umformbar und kann tiefgezogen oder gebogen werden (moderate Radien), jedoch nimmt die Umformbarkeit nach Wärmebehandlung zu hohen Festigkeitszuständen deutlich ab und der Rückfedereffekt steigt. Biegeradien sollten in T6-/T651-Zuständen konservativ gehalten werden und Umformungen erfolgen meist im O- oder teilgeglühten Zustand vor der endgültigen Lösungsglühung und Auslagerung. Für komplexe Geometrien können Warmumformung oder superplastische Verfahren kombiniert mit geeigneten Vor- und Nachwärmebehandlungen eingesetzt werden, was jedoch die Prozesskomplexität und Kosten erhöht.
Wärmebehandlungsverhalten
7051 ist eine wärmebehandelbare Legierung, die dem klassischen Lösungsbehandlungs-, Abschreck- und Auslagerungsprozess folgt, um Höchstfestigkeit zu erreichen. Typische Lösungsglühtemperaturen liegen bei etwa 470–480 °C mit schnellem Abschrecken, um eine übersättigte feste Lösung zu erhalten; die Abschreckempfindlichkeit nimmt mit zunehmender Bauteildicke zu, sodass dickwandige Teile spezielle Abschreckmedien oder unterbrochene Abschreckverfahren erfordern können.
Die künstliche Alterung zur Erreichung von T6-ähnlichen Höchstfestigkeitsbedingungen erfolgt üblicherweise bei 120–180 °C über mehrere Stunden, um feine Mg-Zn-Ausscheidungen zu bilden. Überalterung (T7x/T73/T76-Serie) nutzt höhere Temperaturen oder längere Zeiten, um Ausscheidungen zu vergrößern und die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und thermische Stabilität zu verbessern, zulasten etwas geringerer Zugfestigkeit. Die Bezeichnung T651 kennzeichnet Spannungsarmglühen durch Dehnen nach dem Abschrecken; dies wird häufig in Luft- und Raumfahrtanwendungen gefordert, in denen Dimensionsstabilität und reduzierte Eigenspannungen wichtig sind.
Hochtemperatureigenschaften
7051 zeigt bei erhöhten Temperaturen einen erheblichen Festigkeitsverlust; oberhalb von ca. 120–150 °C beginnt die alterungshärtende Mikrostruktur zu überaltern und die mechanischen Eigenschaften nehmen ab. Dauerhafte Temperaturbelastung beschleunigt das Wachstum der Ausscheidungen und verringert Streckgrenze sowie Ermüdungsfestigkeit, weshalb typische maximale Einsatztemperaturen für Dauerbelastung unter ~120 °C liegen.
Die Oxidation ist im Vergleich zu hochtemperaturbeständigen Legierungen wie Stählen oder Titan gering, jedoch treten bei höheren Temperaturen Oberflächendegradation und Farbänderungen auf. Die Wärmeeinflusszone durch Schweißen oder hohe Temperaturbelastung zeigt verschlechterte Eigenschaften, solange keine nachfolgenden thermischen Behandlungen oder Überalterungen erfolgen. Die thermische Beanspruchung während der Fertigung muss daher genau kontrolliert werden, um die Konstruktionsleistung zu erhalten.
Anwendungen
| Branche | Beispiel-Komponente | Warum 7051 verwendet wird |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Rumpfbeschläge, hochfeste Halterungen | Hoher Festigkeits-zu-Gewicht-Wert, gute Ermüdungsfestigkeit |
| Verteidigung | Raketenteile und ballistische Strukturen | Reduziertes Gewicht bei Erhalt der Tragfähigkeit |
| Motorsport / Hochleistungsfahrzeuge | Fahrwerksträger, Strukturbauteile | Hohe spezifische Festigkeit zur Gewichtsreduzierung in kritischen Bauteilen |
| Marine | Hochleistungs-Strukturelemente | In Kombination mit T7x-Zuständen und Beschichtungen für SCC-Beständigkeit |
| Elektronik / Wärmeführung | Strukturrahmen bei hoher Steifigkeit | Gute Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Stählen bei niedrigerem Gewicht |
7051 wird vor allem dort eingesetzt, wo die Bauteilmasse minimiert werden muss und gleichzeitig anspruchsvolle statische sowie Ermüdungsbelastungen erfüllt werden, sowie bei Fertigungsumgebungen mit kontrollierter Wärmebehandlung und Korrosionsschutz. Die Verwendung der Legierung ist vorwiegend in Branchen mit akzeptierten höheren Material- und Fertigungskosten bei gleichzeitigem Leistungsgewinn konzentriert.
Auswahlhinweise
Ingenieure sollten 7051 bevorzugen, wenn hohe Streck- und Zugfestigkeit gepaart mit guter Ermüdungsbeständigkeit entscheidend sind und Fertigungsprozesse (Wärmebehandlung, Abschreckung, Beschichtungen) präzise kontrolliert werden können. Überalterte T7x-Zustände eignen sich, wenn Spannungsrisskorrosion oder marine Umgebung kritisch sind und in Kauf genommen wird, dass etwas Festigkeit für höhere Dauerhaftigkeit geopfert wird.
Im Vergleich zu kommerziell reinem Aluminium (1100) tauscht 7051 elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie Umformbarkeit gegen große Zuwächse in Festigkeit und Steifigkeit ein. Im Vergleich zu erkaltgehärteten Legierungen wie 3003 oder 5052 besitzt 7051 wesentlich höhere Festigkeit, aber typischerweise geringere Korrosionsbeständigkeit und deutlich schlechtere Kaltumformbarkeit in Höchstzuständen. Gegenüber gängigen wärmebehandelbaren Strukturlegierungen wie 6061 liefert 7051 in der Regel höhere Streck- und Zugfestigkeit, allerdings auf Kosten erhöhter SCC-Anfälligkeit und strengeren Anforderungen an Wärmebehandlung und Fügeverfahren; 7051 ist zu wählen, wenn maximale Festigkeit und Ermüdungsleistung diese Kompromisse überwiegen.
Abschließende Zusammenfassung
7051 bleibt relevant für moderne Ingenieuranwendungen, bei denen außergewöhnlich hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse, Ermüdungsfähigkeit und maßgeschneiderte Anlasstabilität gefordert sind und bei denen Fertigungsprozesse präzise thermische Abläufe und Korrosionsschutz erlauben. Sein Einsatz in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Hochleistungsstrukturen unterstreicht den fortwährenden Wert sorgfältig entwickelter 7xxx-Serien-Legierungen für anspruchsvolle Strukturkonstruktionen.