Aluminium 7099: Zusammensetzung, Eigenschaften, Härtegradübersicht & Anwendungsbereiche

Umfassender Überblick

7099 ist eine hochfeste Aluminiumlegierung aus der 7xxx-Serie der Al-Zn-Mg(-Cu)-Legierungen. Sie wurde für anspruchsvolle Strukturbauteile entwickelt, bei denen im Vergleich zu Standard-7xxx-Legierungen hohe spezifische Festigkeit, gute Bruchzähigkeit und verbesserte Beständigkeit gegenüber Spannungskorrosionsrissbildung (SCC) erforderlich sind.

Die wichtigsten Legierungselemente in 7099 sind Zink, Magnesium und Kupfer, mit Mikrolegierungszusätzen wie Zirconium sowie geringen Mengen Chrom oder Titan zur Kornstruktur- und Rekristallisationskontrolle. Der Festigkeitsmechanismus basiert hauptsächlich auf Ausscheidungshärtung (wärmebehandelbar) durch Bildung feiner η'- und η (MgZn2)-Ausscheidungen nach Lösungsglühen und künstlichem Altern; die kontrollierte Mikrostruktur bietet zudem eine Korngrenzen-Optimierung zur Minderung der SCC-Anfälligkeit.

Wesentliche Merkmale von 7099 umfassen sehr hohe Zug- und Streckgrenzen in den Spitzenhärtungszuständen, mäßig bis geringe intrinsische Korrosionsbeständigkeit typisch für hoch-Zn-Legierungen (die oft durch Überalterung oder Nachbehandlungen verbessert wird), eingeschränkte direkte Schweißbarkeit im Spitzenzustand und verminderte Umformbarkeit im Vergleich zu 3xxx/5xxx-Legierungen. Typische Einsatzgebiete sind Luft- und Raumfahrt, Hochleistungsfahrzeuge, Verteidigung sowie ausgewählte hochfeste Sportgeräte, bei denen gewichtskritische Strukturbauteile benötigt werden. Ingenieure wählen 7099 anderen Legierungen vor, wenn eine Kombination aus sehr hoher Festigkeit, Bruchzähigkeit und angepasster SCC-Beständigkeit die Kompromisse bei Umformbarkeit, Leitfähigkeit und Schweißbarkeit überwiegt.

Härtungszustände

Temper	Festigkeitsgrad	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht, maximale Duktilität für Umformung
T1	Mittel	Mittel	Gut	Schlecht bis mäßig	Abgekühlt nach Warmumformung, natürlich gealtert
T4	Mittel-Hoch	Mittel	Mäßig	Schlecht	Gelöstemperiert und natürlich gealtert
T6	Sehr hoch	Niedrig-Mittel	Begrenzt	Schlecht	Gelöstemperiert und künstlich gealtert auf Spitzenfestigkeit
T651	Sehr hoch	Niedrig-Mittel	Begrenzt	Schlecht	T6 mit Spannungsarmstrecken nach Abschrecken
T73 / T76	Mittel-Hoch	Mittel	Verbessert	Besser als T6	Überalterte Zustände zur Verbesserung der SCC- und Abschälungsbeständigkeit
H14 / H24	Mittel	Verringert	Begrenzt	Besser als T6	Kaltverfestigte Zustände für Blechanwendungen

Der Härtungszustand beeinflusst maßgeblich das mechanische Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit. Spitzengehärtete Zustände (T6/T651) maximieren statische Festigkeit und Ermüdungswiderstand, schränken jedoch Umformbarkeit ein und erhöhen die Anfälligkeit für SCC; überalterte Zustände (T73/T76) opfern etwas Festigkeit zugunsten verbesserter Zähigkeit und Umweltbeständigkeit.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Bemerkungen
Si	≤ 0,10	Verunreinigungskontrolle; niedrig gehalten, um intermetallische Verbindungen und damit Festigkeitsverlust zu vermeiden
Fe	≤ 0,25–0,50	Verunreinigung; fördert intermetallische Phasen, die als Ermüdungsinitiierung wirken können
Mn	≤ 0,10	Geringfügig, meist begrenzt zur Vermeidung schädlicher Phasen
Mg	~2,0–3,0	Hauptelement für Ausscheidungshärtung (MgZn2-Ausscheidungen)
Cu	~1,2–2,6	Erhöht Festigkeit und trägt zur Alterung bei; beeinflusst Korrosion und SCC
Zn	~6,5–8,5	Hauptelement zur Festigkeitssteigerung durch Mg-Zn-Ausscheidungen
Cr	~0,02–0,25	In Spuren zur Kontrolle der Rekristallisation und Kornfeinung
Ti	≤ 0,10	Kornverfeinerer bei kontrollierter Zugabe
Sonstige	Rest (Al) + Spuren Zr, Ag usw.	Zr und weitere Mikrolegierungselemente zur Dispersoidkontrolle und Hemmung der Rekristallisation

Die oben genannten Elementbereiche repräsentieren übliche Zusammensetzungen hochfester 7xxx-Legierungen und sind als typische Fenster zu verstehen, nicht als exakte Spezifikationswerte. Zink, Magnesium und Kupfer wirken synergetisch zur Bildung feiner Ausscheidungen für hohe Festigkeit; Mikrolegierung mit Zr/Cr/Ti fördert eine stabile, rekristallisationsresistente Subligentstruktur, die Zähigkeit verbessert und SCC-Empfindlichkeit mindert.

Mechanische Eigenschaften

7099 zeigt einen breiten Zugfestigkeitsbereich, stark abhängig vom Härtungszustand; geglühtes Material zeigt zähes Zugverhalten mit erheblicher gleichmäßiger Dehnung, während Spitzenzustände Zugfestigkeiten erreichen, die mit den stärksten Aluminiumlegierungen der Luftfahrt vergleichbar sind. Die Streckgrenzen in T6/T651-Zustand sind so hoch, dass einige Stahlbauteile gewichtsparend substituiert werden können, allerdings sind Dehnung und Biegefähigkeit eingeschränkt. Die Härte korreliert eng mit Zug- und Streckgrenze und dient als nützlicher Indikator für Qualitäts- und Alterungskontrolle.

Die Ermüdungsfestigkeit in optimierten Zuständen ist im Vergleich zu anderen Aluminiumlegierungen gut, begünstigt durch strenge Kontrolle von Einschlüsse und Kornstruktur; die Ermüdungslebensdauer ist jedoch empfindlich gegenüber Oberflächenzustand, Eigenspannungen und Umwelteinflüssen. Dickenabhängige Effekte sind ausgeprägt: Dickere Bauteile sind schwieriger gleichmäßig zu lösungsglühen, können Eigenschaftsgradienten durch die Dicke aufweisen und neigen bei falscher Alterung oder Überalterung eher zu Abschälungs- oder interkristalliner Korrosion.

Korrosionsbedingte Erweichung sowie Wärmebetroffene Zonen (HAZ) durch Schweißen oder lokale Erwärmung können die lokale Festigkeit deutlich reduzieren und die Ermüdungslebensdauer verringern; mechanische Leistung ist daher stets im Zusammenhang mit dem Fertigungsprozess und gewähltem Zustand zu betrachten.

Eigenschaft	O/Geglüht	Wichtiger Zustand (z.B. T6/T651)	Bemerkungen
Zugfestigkeit	~220–300 MPa (typisch)	~540–620 MPa (typisch)	Spitzenwerte hängen von Legierung und Zustand ab; Angaben sind typische Ingenieurwerte
Streckgrenze	~90–150 MPa	~470–560 MPa	Verhältnis Streck- zu Zugfestigkeit variiert mit Zustand und Verarbeitung
Dehnung	~15–25 %	~6–12 %	Duktilität nimmt mit steigender Festigkeit ab; begrenzte Umformbarkeit in hochfesten Zuständen beachten
Härte	~40–80 HB	~150–185 HB	Brinell- oder Vickers-Härte korreliert gut mit Zugfestigkeit für Prozesskontrolle

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	~2,78–2,81 g/cm³	Typisch für hochfeste Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen; ermöglicht hohe spezifische Festigkeit
Schmelzbereich	Solidus ≈ 475–500 °C; Liquidus ≈ 635–655 °C	Legierung senkt Solidustemperatur gegenüber reinem Al; genaue Werte abhängig von Chemie
Wärmeleitfähigkeit	~120–160 W/m·K (Raumtemperatur, circa)	Niedriger als reines Aluminium; Leitfähigkeit sinkt mit stärkerer Legierung
Elektrische Leitfähigkeit	~30–50 %IACS (typisch)	Deutlich reduziert gegenüber reinem Al; abhängig von Zustand und Ausscheidungen
Spezifische Wärmekapazität	~0,85–0,92 J/g·K	Ähnlich wie andere Aluminiumlegierungen; wichtig für thermisches Design
Thermische Ausdehnung	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Typische Ausdehnung von Aluminium; bei Baugruppen mit niedrig expandierenden Materialien beachten

Die oben genannten physikalischen Werte sind ungefähre Ingenieurwerte für vorläufige thermische und Masse-Berechnungen. Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sind wegen Legierung und Ausscheidungen gegenüber reinem Aluminium reduziert; diese Änderungen beeinflussen Wärmeabfuhr und elektromagnetisches Verhalten in Hochleistungsbauteilen.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Gängige Zustände	Hinweise
Blech	0,4–6,0 mm	Gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis in T6/T651; Vollstärken-T73 für verbesserte Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit (SCC)	O, Hx, T6, T651, T73	Weit verbreitet für Verkleidungen und geformte Bleche, bei denen Festigkeit und Steifigkeit erforderlich sind
Platte	6–100+ mm	Eigenschaftsgradienten durch die Dicke möglich; dickere Abschnitte erfordern oft spezielle Lösungsglühtemperaturen	T6, T651, T76	Plattenbearbeitung erfordert größere Öfen und kontrolliertes Abschrecken, um Kern- bzw. Mittenschwächung zu vermeiden
Profile (Strangpressen)	Profile bis zu mehreren hundert mm	Hohe Zugfestigkeit in Spitzenzuständen nach Ausscheidungshärtung; orientierungsabhängige Eigenschaften durch Strangpressrichtung	T6, T651, T73	Stranggepresste Tragprofile profitieren von Mikrolegierungszusätzen zur Kontrolle der Rekristallisation
Rohr	Durchmesser und Wandstärke variabel	Ähnliches Verhalten wie Strangpressprofile; Umfangs- und Längseigenschaften unterscheiden sich	T6, T651	Rohrbauteile benötigen eine Alterung nach dem Strangpressen, um Zielwerte der Eigenschaften zu erreichen
Stab/Rundstahl	Durchmesser von klein bis groß	Eigenschaften abhängig von Ausgangsmaterial und Kühlbedingungen	O, T6, T651	Verwendet für hochfeste bearbeitete Bauteile und Blankteile für Befestigungselemente

Der Verarbeitungsweg beeinflusst die Endeigenschaften stark: Walzen und Strangpressen bewirken erhebliche Verformung und Rekristallisationsprozesse, die durch Mikrolegierungen (Zr, Cr) kontrolliert werden müssen, um eine günstige Subkornstruktur zu erhalten. Platten und Bauteile dickerer Querschnitte erfordern aggressivere Lösungsglühbehandlungen und sorgfältiges Abschrecken, um eine Schwächung in der Kerndicke zu vermeiden. Dünne Bleche lassen sich gleichmäßiger altern und können in weicheren Zuständen vor der Endalterung umgeformt werden.

Äquivalente Werkstoffe

Norm	Werkstoffbezeichnung	Region	Hinweise
AA	7099	USA	Bezeichnung, die in einigen Lieferantenkatalogen und Luftfahrtvorschriften verwendet wird
EN AW	Kein direkter universeller Äquivalent	Europa	Keine einzelne EN-Bezeichnung entspricht 7099 universell; ähnliche Legierungen sind Varianten der EN AW-7075 / EN AW-7050 Familie
JIS	—	Japan	Direktes JIS-Äquivalent ist selten; Material wird häufig unter firmenspezifischen Luftfahrtnormen bezogen
GB/T	—	China	Chinesische Normen listen Zn-Mg-Cu Hochfestlegierungen, direkte Äquivalente erfordern jedoch genaue Übereinstimmung von Zusammensetzung und Temperierung

Direkte Äquivalente für 7099 sind begrenzt, da die Legierung oft proprietär oder nach luftfahrtspezifischen Lieferantenspezifikationen mit kontrollierter Mikrolegierung und thermomechanischer Behandlung hergestellt wird. Beim Austausch sollten Ingenieure vollständige chemische und mechanische Eigenschaftstabellen vergleichen und sich nicht allein auf die nominale Bezeichnung verlassen.

Korrosionsbeständigkeit

Unter atmosphärischen Bedingungen zeigt 7099 bessere Leistungen als einige peak-gealterte hoch-Zn-Legierungen, wenn geeignete Überlagerung oder Schutzbeschichtungen angewendet werden, ist jedoch generell weniger korrosionsbeständig als Legierungen der 5xxx- und 3xxx-Serie. Oberflächenbehandlungen wie Chromatlaugung, Eloxieren und Schutzlackierungen werden häufig verwendet, um eine ausreichende Lebensdauer in exponierten Umgebungen zu gewährleisten und lokale Lochfraßbildung zu minimieren.

Das Verhalten im maritimen Umfeld ist eine kritische Überlegung; Meerwasser begünstigt Lochfraß und interkristalline Angriffe bei hoch-Zn, hoch-Cu Legierungen, sofern sie nicht durch überalterte Zustände (T73/T76), Cladding oder Opferanoden geschützt werden. Der Einsatz in Spritzwasserzonen oder bei längerer Eintauchung erfordert sorgfältige Legierungs- und Zustandsauswahl, Oberflächenvorbereitung und ggfs. kathodischen Schutz.

Spannungsrisskorrosion (SCC) ist ein bekanntes Risiko für hochfeste 7xxx-Legierungen im peak-gealterten Zustand, insbesondere unter dauerhafter Zugbeanspruchung in korrosiven Medien. Legierungsvarianten wie 7099 werden durch Mikrolegierungszusätze und empfohlene Temperierzustände (Überalterung) optimiert, um die SCC-Anfälligkeit zu reduzieren. Konstrukteure sollten galvanische Effekte berücksichtigen, wenn 7099 mit edleren Materialien wie Edelstahl oder Titan kombiniert wird, und darauf achten, Kavitäten und Zug-Ruhedruckspannungen möglichst zu minimieren.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

Das Schweißen von 7099 ist in hochfesten Zuständen anspruchsvoll, da Ausscheidungshärtungsbereiche im Wärmeeinflussbereich (WEZ) und Schweißnahtbereich zu deutlicher Erweichung und mechanischem Eigenschaftsverlust neigen. TIG- und MIG-Schweißen sind für lokale Reparaturen oder Verbindungen möglich, erfordern aber in der Regel eine Nachwärmebehandlung (Post Weld Heat Treatment – PWHT) oder konstruktive Maßnahmen zur Vermeidung hoher Spannungskonzentrationen. Empfohlene Zusatzwerkstoffe stammen meist aus niedrigfester 7xxx-Varianten oder speziell formulierten Schweißdrähten, die Festigkeit und Rissbeständigkeit ausbalancieren. Für Strukturverbindungen werden allerdings oft Überlapp- oder Reibschweißverfahren sowie mechanische Verbindungstechniken bevorzugt, um WEZ-Verschlechterungen zu vermeiden.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von 7099 ist für hochfeste Aluminiumlegierungen generell gut: Im Vergleich zu hochfestem Stahl lässt sich das Material einfacher bearbeiten und ermöglicht hohe Spanvolumenströme. Werkzeuggeometrie und Schneidstoff müssen jedoch die Neigung der Legierung zur Kaltverfestigung und abrasiven Ausscheidungen berücksichtigen. Werkzeugbestückung mit Hartmetall, positiver Schneidengeometrie, hohem Vorschub und moderaten Schnittgeschwindigkeiten bietet die beste Balance. Kühlschmiermittel und effektive Spanabfuhr sind zu empfehlen, um den Anbau von Grat zu verhindern. Der Zerspanbarkeitsindex liegt typischerweise unter dem der 6xxx-Serie, ist aber für komplexe Präzisionsteile mit modernen Werkzeugen akzeptabel.

Umformbarkeit

Die Kaltumformbarkeit ist in peak-gealterten Zuständen eingeschränkt; Mindestbiegeradien sind größer als bei 5xxx- oder 3xxx-Legierungen und das Rückfedern (Springback) ist aufgrund hoher Streckgrenze signifikant. Die beste Vorgehensweise ist das Umformen in weicheren Zuständen (O oder T4/H) und ein abschließendes künstliches Vergüten (T6) nach dem Umformen, sofern möglich. Stretchforming, inkrementelle Umformverfahren und superplastische Techniken können für komplexe Formen eingesetzt werden. Die Wahl des Zustands (z. B. H1x-Serie) kann die Umformbarkeit für begrenzte Verformungsaufgaben verbessern.

Wärmebehandlungsverhalten

Als wärmebehandelbare Legierung folgt 7099 der klassischen Lösungsglühen–Abschrecken–Ausscheidungshärtungsabfolge. Das Lösungsglühen erfolgt typischerweise am oberen Ende des Löslichkeitsbereichs (ca. 470–480 °C, legierungsabhängig), um lösliche Phasen zu lösen, gefolgt von schnellem Abschrecken zur Erhaltung einer übersättigten Festlösung. Die künstliche Alterung erfolgt bei mittleren Temperaturen (gewöhnlich 120–180 °C) über kontrollierte Zeiten, um feine η'-Ausscheidungen zu bilden und Spitzenfestigkeit (T6) zu erreichen.

Das Überaltern (T7x-Zustände) bewirkt das Wachstum der Ausscheidungen und reduziert elektrochemische Potenzialunterschiede an Korngrenzen, was die Widerstandsfähigkeit gegenüber SCC und Schichtabschälung verbessert, jedoch auf Kosten etwas reduzierter Zugfestigkeit. Die Bezeichnung T651 steht für Spannungsarmglühen durch Dehnung nach dem Abschrecken zur Kontrolle von Eigenspannungen und Verzug; dies ist in der Luftfahrt üblich. Genaue Wärmebehandlung, Abschreckgeschwindigkeit und anschließende Alterungsverfahren sind entscheidend für die Erreichung der gewünschten mechanischen und umweltbedingten Eigenschaften.

Nicht-wärmebehandelbare Verhaltensweisen sind für 7099 im klassischen Sinn nicht relevant, da Ausscheidungshärtung die primäre Festigungsmechanik darstellt; dennoch können lokale Rekristallisationsglühungen (z. B. zur Umformung) und Kaltumformungsfolgen genutzt werden, um Zwischenzustände vor der Endalterung zu erzielen.

Hochtemperatureigenschaften

7099 verliert mit steigender Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur progressiv an Festigkeit, da die Stabilität der Ausscheidungen temperaturabhängig ist; Dauerbetrieb über ca. 100–120 °C reduziert Streck- und Zugfestigkeit und beschleunigt das Wachstum der Ausscheidungen. Kurzzeitige höhere Temperaturbelastungen können die Mikrostruktur anlassen oder überaltern, wodurch sich mechanische und korrosive Eigenschaften verändern.

Die Oxidation von Aluminiumlegierungen bei typischen Einsatztemperaturen ist verglichen mit Stählen gering, jedoch müssen Oberflächenoxideigenschaften und Schutzschichten für thermische Zyklen berücksichtigt werden. WEZ-Bereiche beim Schweißen können bei höheren Temperaturen lokale Erweichung und verminderte Zähigkeit erleiden, daher sollte das Design thermische Belastungsspitzen einschränken und Änderungen von Eigenspannungen und Mikrostruktur einplanen.

Anwendungsbereiche

Branche	Beispielkomponente	Warum 7099 verwendet wird
Luftfahrt	Rumpfverstrebungen, Flügelbeschläge, Struktur geschmiedete Bauteile	Hohe spezifische Festigkeit und verbesserte SCC-Beständigkeit in ausgewählten Zuständen
Automobilindustrie	Hochleistungsfahrgestellkomponenten, strukturelle Aufprallträger	Gewichtsreduktion bei vergleichbarer Festigkeit zu niedrigeren Stahlgüten
Marine	Strukturelemente, Außenbordhalterungen (mit Schutzbehandlung)	Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis bei vorhandenen Korrosionsschutzmaßnahmen
Verteidigung	Komponenten für Kleinwaffen, Fahrzeugstrukturteile	Hohe Festigkeit und Zähigkeit für anspruchsvolle Belastungen
Sport / Freizeit	High-End Fahrradrahmen, Rennsportkomponenten	Ausgezeichnetes Steifigkeits-zu-Gewichts-Verhältnis und Ermüdungsleistung

7099 wird für Bauteile ausgewählt, bei denen sehr hohe Festigkeit und Bruchfestigkeit Priorität haben und Fertigungskontrollen (Wärmebehandlung, Schutzoberflächen) zuverlässig umsetzbar sind. Es dient häufig als Ermöglichungsmaterial für gewichtsoptimierte, hochbelastete Konstruktionen.

Auswahlhinweise

7099 sollte gewählt werden, wenn Gewichtsreduzierung bei Konstruktionen sowie hohe statische und Ermüdungsfestigkeit die wichtigsten Designfaktoren sind und wenn die Lieferkette Temperierung und Oberflächenschutz kontrollieren kann. Es ist besonders geeignet, wenn das Design eine begrenzte Umformung nach der Endalterung zulässt oder eine Nachalterung nach der Umformung zur Erreichung der erforderlichen Festigkeit vorsieht.

Im Vergleich zu reinem Aluminium (z. B. 1100) bietet 7099 deutlich höhere Festigkeit bei deutlich geringerer Duktilität und elektrischer Leitfähigkeit, was eine um eine Größenordnung verbesserte Tragfähigkeit ermöglicht; 1100 sollte ausschließlich verwendet werden, wenn exzellente Umformbarkeit und Leitfähigkeit bei nicht kritischer Festigkeit erforderlich sind. Im Vergleich zu kaltverfestigten Legierungen (z. B. 3003 / 5052) liefert 7099 wesentlich höhere Festigkeit auf Kosten der Umformbarkeit und einer einfacheren Korrosionsbeständigkeit; für Umformung und Korrosionsbeständigkeit im maritimen Bereich sind 5052/3003 die bevorzugte Wahl. Im Vergleich zu üblichen wärmebehandelbaren Legierungen (z. B. 6061 / 6063) bietet 7099 deutlich höhere Höchstfestigkeit und bessere Bruchzähigkeit im Höchstzustand, weshalb es bei einem kritischen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bevorzugt wird, auch wenn 6061/6063 einfacher zu schweißen und zu verformen sind und oft kostengünstiger bleiben.

Abschließende Zusammenfassung

7099 bleibt in der modernen Technik relevant, wenn die Kombination aus sehr hoher spezifischer Festigkeit, kontrollierter Bruchzähigkeit und gezieltem Widerstand gegen Spannungsrisskorrosion Designs ermöglicht, die mit niedrigfesten Aluminiumlegierungen nicht realisierbar sind – vorausgesetzt, dass Fertigung, Oberflächenbehandlung und Prüfung auf das temperempfindliche Verhalten der Legierung abgestimmt sind.