Aluminium 7175: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen
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Umfassender Überblick
7175 ist eine hochfeste Aluminiumlegierung aus der 7xxx-Serie, die sich durch Zink als Hauptlegierungselement auszeichnet. Sie ist hauptsächlich für Luft- und Raumfahrt sowie hochbelastete Strukturbauteile konzipiert, bei denen das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Ermüdungsbeständigkeit entscheidend sind.
Die wesentlichen Legierungselemente sind Zink, Magnesium und Kupfer, mit Spurenelementen wie Chrom, Titan oder Zirkonium zur Kornstruktur- und Rekristallisationskontrolle. Diese Elemente erzeugen eine ausscheidungshärtbare Mikrostruktur; 7175 ist eine wärmebehandelbare Legierung, die durch Lösungsglühen, Abschrecken und künstliches Altern feine η (MgZn2)-artige Ausscheidungen zur Festigkeitssteigerung bildet.
Wesentliche Merkmale von 7175 sind sehr hohe statische Festigkeit und gute Ermüdungsleistung für diese Werkstoffklasse, mäßige bis geringe korrosive Beständigkeit im Vergleich zu 5xxx/6xxx-Legierungen, eingeschränkte Schweißbarkeit und verringerte Umformbarkeit in den Höchstzuständen. Typische Einsatzbereiche sind primäre und sekundäre Luft- und Raumfahrtstrukturen, Verteidigungsausrüstung sowie hochbelastete Verbindungselemente, bei denen maximale strukturelle Effizienz im Vordergrund steht. Ingenieure wählen 7175 gegenüber anderen Legierungen, wenn Höchstwerte bei Zug- und Streckgrenze sowie Ermüdungsrisswachstumswiderstand wichtiger sind als einfache Fügbarkeit, Umformbarkeit oder minimale Materialkosten.
Härtezustände
| Härtezustand | Festigkeitsniveau | Streckung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch (20–30%) | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Vollständig geglüht für Umformung und Spannungsabbau |
| H112 | Mittel | Mittel (10–15%) | Gut | Befriedigend | Verfestigt, für begrenzte Umformung und Stabilisierung verwendet |
| T6 | Sehr hoch | Mittel (6–12%) | Begrenzt | Gering | Lösungsglühen und künstliches Altern für Höchstfestigkeit |
| T651 | Sehr hoch | Mittel (6–12%) | Begrenzt | Gering | T6 mit durch Dehnen erzieltem Spannungsabbau; üblich für Luftfahrtbleche |
| T73 | Hoch (aber niedriger als T6) | Verbessert (8–14%) | Mittel | Gering | Überalterungszustand zur Verbesserung der Korrosions- und Rissbeständigkeit (SCC) |
| T7651 | Hoch | Mittel | Begrenzt | Gering | Gesteuertes Voraltern und Stabilisierung für bessere Zähigkeit |
Der Härtezustand hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Leistung von 7175: Höchstalterszustände (T6/T651) maximieren Zug- und Streckgrenze, reduzieren jedoch Duktilität und Umformbarkeit und erhöhen die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion. Überalterungsbehandlungen wie T73 reduzieren gezielt die Höchstfestigkeit und verbessern signifikant die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion sowie die Bruchzähigkeit, wodurch ein Kompromiss zwischen Festigkeit und Umweltbeständigkeit entsteht.
Die Auswahl des Härtezustands in der Produktion erfolgt anhand der erforderlichen Endwerte, nachfolgender Umform- oder Zerspanungsprozesse sowie des vorgesehenen Einsatzklimas; beispielsweise wird für Bleche, die hohe statische Festigkeit bei minimalen Eigenspannungen behalten müssen, häufig T651 verwendet, während Bauteile in korrosiven Umgebungen oft mit T73 oder chemisch behandelten Oberflächen spezifiziert werden.
Chemische Zusammensetzung
| Element | % Bereich | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.10 | Verunreinigung; minimiert Intermetallische Verbindungen und verbessert Gießsauberkeit |
| Fe | ≤ 0.15 | Verunreinigung; Überschuss reduziert Zähigkeit und erhöht Einschlüsse |
| Mn | ≤ 0.10 | Niedrig; kein wesentlicher Festigkeitsbeitrag in 7xxx-Legierungen |
| Mg | 2.0–2.9 | Bildet mit Zn härtende MgZn2-Ausscheidungen |
| Cu | 1.2–2.0 | Steigert Festigkeit und Härtbarkeit, kann Korrosionsbeständigkeit mindern |
| Zn | 6.0–7.5 | Hauptfestigkeitselement durch Mg–Zn-Ausscheidungen |
| Cr | 0.10–0.30 | Kontrolliert Kornstruktur und Rekristallisation, verbessert Zähigkeit |
| Ti | ≤ 0.05 | Kornveredler, genutzt in Guss- und Barrenverarbeitung |
| Sonstige (Zr, V, Rest Al) | Spuren / Rest | Zr oder andere Mikrolegierungselemente zur Mikrostrukturstabilisierung |
Das kombinierte Zn–Mg–Cu-System ist verantwortlich für die Ausscheidungshärtung bei 7175; Zink und Magnesium bilden η-Phasen-Ausscheidungen, die primär die Festigkeit steigern, während Kupfer die Festigkeit erhöht und die Morphologie der Ausscheidungen sowie das elektrochemische Verhalten beeinflusst. Chrom sowie Spuren von Zirkonium oder Titan hemmen das Kornwachstum während der Verarbeitung und steuern die Rekristallisation, was essentiell für die Erhaltung von Zähigkeit und Ermüdungswiderstand in dicken Querschnitten ist.
Mechanische Eigenschaften
7175 zeigt sehr hohe Zug- und Streckgrenzen in höchstgealterten Zuständen, wobei die Zugfestigkeitskurven einen ausgeprägten Streckpunkt mit begrenzter gleichmäßiger Verformung aufweisen. Die Legierung bietet hervorragende Ermüdungsfestigkeit und günstige Rissinitiierungsresistenz bei gesteuerter Mikrostruktur und geringem Einschlussgehalt, was sie ideal für zyklisch belastete Strukturbauteile macht.
Streckgrenze und Dehnung sind stark vom Härtezustand abhängig; T6/T651 erreicht die höchsten Streckgrenzen, allerdings mit verringerter Duktilität und Zähigkeit, während T73 die Streckgrenze etwas vermindert, dafür jedoch die Bruchzähigkeit und die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion verbessert. Die Härte folgt dem selben Trend wie die Festigkeit, mit deutlich höheren Brinell- oder Rockwellwerten in gealtertem Zustand im Vergleich zum geglühten Zustand.
Dicke und Produktform beeinflussen die Eigenschaften aufgrund unterschiedlicher Abkühlraten, Eigenspannungen und Kornstrukturen; dicke Bleche und Schmiedestücke erfordern oft spezielle thermo-mechanische Prozess- und Alterungszyklen, um gleichmäßige Eigenschaften durch den Querschnitt sicherzustellen und Abschreckverzug sowie Restspannungen zu minimieren.
| Eigenschaft | O/Geglüht | Wichtiger Härtezustand (T6 / T651) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | ~240–320 MPa | ~540–590 MPa | Typische Höchstzugfestigkeit für luftfahrttaugliche 7xxx-Legierungen |
| Streckgrenze | ~120–220 MPa | ~470–520 MPa | Streckgrenze steigt deutlich mit Alterung; Werte variieren je nach Produktform |
| Dehnung | 20–30% | 6–12% | Duktilität ist bei hochfesten Zuständen reduziert |
| Härte (HB) | ~60–80 HB | ~150–165 HB | Härte korreliert mit dem Ausscheidungsfestigkeitsniveau |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Dichte | 2.80–2.82 g/cm³ | Typisch für hochfeste Aluminiumlegierungen |
| Schmelzbereich | ~477–635 °C | Solidus ~477–490 °C, Liquidus nahe reinem Al bei ~635 °C |
| Wärmeleitfähigkeit | ~120–140 W/(m·K) | Niedriger als reines Aluminium aufgrund Legierungselementen; dennoch hoch verglichen mit Stählen |
| Elektrische Leitfähigkeit | ~30–40 % IACS | Verminderte Leitfähigkeit gegenüber niedriglegiertem Aluminium durch gelöste Atome |
| Spezifische Wärmekapazität | ~0.90 kJ/(kg·K) | ~900 J/(kg·K) bei Raumtemperatur |
| Wärmeausdehnung | ~23–24 µm/(m·K) | Ähnlicher Koeffizient wie bei anderen Aluminiumlegierungen; bei Verschraubungen zu beachten |
Trotz starker Legierung weist 7175 im Vergleich zu Stählen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, was in manchen Anwendungen moderate Wärmeableitung ermöglicht, obwohl die Wärmeleistung unter der von reinem Aluminium liegt. Die elektrische Leitfähigkeit ist durch Streuung an Legierungsatomen reduziert; 7175 wird nicht gewählt, wenn elektrische Leitfähigkeit die Hauptanforderung ist. Die Kombination aus relativ geringer Dichte und hoher Festigkeit erzeugt ein ausgezeichnetes Festigkeits-zu-Gewicht-Verhältnis, das der Hauptgrund für die Auswahl in hochbelasteten Strukturbauteilen ist.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Übliche Zustände | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|
| Blech | 0,5–6 mm | Gut bei dünnen Stärken; kann durch Umformbarkeit begrenzt sein | O, H112, T6 | Wird für Sekundärstrukturen verwendet; nicht ideal für starke Tiefziehprozesse im T6-Zustand |
| Platte | 6–150+ mm | Festigkeit variiert mit Dicke aufgrund der Abschreckempfindlichkeit | T651, T73 | Luftfahrtstrukturplatte mit kontrolliertem Abschrecken und Auslagern |
| Strangpressprofil | Begrenzt | Begrenzte kommerzielle Verfügbarkeit; Festigkeit abhängig vom Querschnitt | T6, T73 (selten) | 7xxx-Strangpressprofile sind weniger verbreitet; benötigen sorgfältige Homogenisierung |
| Rohr | Variabel | Hohe Festigkeit möglich in gezogenen/verarbeiteten Rohren | T6, T651 (gefertigt) | Verwendet für hochbelastete Rohrverbindungen; Schweißen und Fügen sind eingeschränkt |
| Stab/Rundstahl | Ø bis 200 mm | Gute axiale Eigenschaften bei korrekter Wärmebehandlung | T6, T73 | Verwendet für Schmiedeteile, bearbeitete Komponenten und hochbelastete Bolzen oder Verbindungen |
Unterschiedliche Fertigungsverfahren beeinflussen die erreichbare Mikrostruktur: Platte und Blech werden typischerweise durch Walzen hergestellt und benötigen präzise Abschreckkontrolle, um Überalterung oder Weichzonen zu vermeiden, während Schmiedestücke und Stäbe unterschiedliche Homogenisierungs- und Lösungsglühprofile zur Kornfeinung nutzen können. Strangpressprofile und komplexe Profile sind für 7175 wegen Neigung zu Heißrissen und Rekristallisation weniger gängig; für komplexe stranggepresste Formen sind Legierungen der 6xxx-Serie vorzuziehen.
Äquivalente Werkstoffe
| Norm | Werkstoff | Region | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| AA | 7175 | USA | Designation der Aluminum Association für die Legierungschemie |
| EN AW | 7175 | Europa | EN AW-7175 wird in europäischen Spezifikationen verwendet; Fertigungsursprung beeinflusst Eigenschaften |
| JIS | A7175 | Japan | Ähnliche Zusammensetzung; JIS enthält oft weitergehende Produktionskontrollen |
| GB/T | 2A7175 / 7175 | China | Chinesische Normen referenzieren vergleichbare chemische und mechanische Bereiche wie AA 7175 |
Feinere Unterschiede zwischen regionalen Normen betreffen meist zulässige Toleranzen in der Zusammensetzung, festgelegte Zustände und Prüfverfahren, nicht aber die Grundchemie. Fertigungsprozesse (Barrenmetallurgie vs. kontinuierlich gegossene und homogenisierte Blöcke) sowie nationale Wärmebehandlungspraxen können geringfügige Abweichungen bei Verunreinigungen, Kornstrukturanpassung und typischen mechanischen Eigenschaften bewirken; Ingenieure sollten mechanische und umweltbedingte Anforderungen präzise definieren, statt sich allein auf Werkstoffbezeichnungen zu verlassen.
Korrosionsbeständigkeit
Unter atmosphärischer Beanspruchung zeigt 7175 moderate Korrosionsbeständigkeit, schneidet jedoch aufgrund des höheren Kupfergehalts, der die elektrochemische Aktivität erhöht, schlechter ab als 5xxx- und viele 6xxx-Legierungen. In sauberen, lackierten oder anderweitig geschützten Umgebungen ist die Leistung für viele Strukturverwendungen ausreichend, doch profitiert die Legierung von Beschichtetem (alclad) oder robusten Umwandlungsbeschichtungen bei erwarteter Langzeitexposition.
Marine- oder Salznebelumgebungen beschleunigen Lochfraß und interkristalline Korrosion in hochfesten 7xxx-Legierungen; 7175 ist anfällig für lokalisierte Angriffe, sofern nicht überaltert (T73) oder mit Schutzbeschichtungen und Dichtmitteln behandelt. Verbindungselemente und Verbindungsstellen müssen Spalte minimieren und Opfer- oder Isoliermaterialien einsetzen, wenn unterschiedliche Metalle zusammenkommen.
Spannungsrisskorrosion (SCC) ist ein bekanntes Risiko für hochfeste Zustände der 7xxx-Legierungen, besonders bei Zug-Residualspannungen und korrosiven Medien. Überalterung, Nachwärmebehandlung nach dem Schweißen sowie strenge Kontrolle der Oberflächen und chemischen Zusammensetzung sind übliche Gegenmaßnahmen. Galvanische Wechselwirkungen mit Stahl oder kupferhaltigen Legierungen wirken sich nachteilig aus; direkte Kontakte mit edleren Materialien sollten vermieden oder isoliert werden.
Fertigbarkeit
Schweißbarkeit
Das Schweißen von 7175 ist anspruchsvoll; Schmelzschweißen (TIG/MIG) führt typischerweise zu erheblichem Festigkeitsverlust im Wärmeeinflussgebiet und hohem Risiko für Heißrisse. Wenn Schweißen unumgänglich ist, können spezialisierte Zusatzwerkstoffe und strenge thermische Vor-/Nachbehandlungen eingesetzt werden, doch werden vernietete, verschraubte oder verklebte Verbindungen bevorzugt, um strukturelle Integrität zu erhalten. Das Erweichen im Wärmeeinflussgebiet erfordert oft lokale mechanische Verstärkung oder Nachbehandlungen, die schwer anzuwenden sind, ohne andere Eigenschaften zu mindern.
Zerspanbarkeit
Im Höchstzustand lässt sich 7175 wegen seiner niedrigen Dichte und guten Spanbrechanregung im Vergleich zu vielen Stählen gut bearbeiten, aber Werkzeugverschleiß wird durch hohe Härte und Kaltverfestigung beeinflusst. Hartmetallwerkzeuge, starre Spannmittel und konservative Vorschübe mit positivem Spanwinkel werden empfohlen; Kühlung ist wichtig für Maßhaltigkeit und Verringerung des Aufbauchens. Bearbeitbarkeitsindizes liegen meist unter denen der 2xxx-Aluminiumlegierungen, sind aber konkurrenzfähig mit anderen 7xxx-Werkstoffen.
Umformbarkeit
Die Umformung gelingt am besten in angeglühten (O) oder kaltverfestigten (H) Zuständen; Tiefziehen und komplexes Stempeln sind im T6/T651-Zustand ohne vorheriges Glühen oder Warmumformungsverfahren nicht praktikabel. Biegeradien müssen gegenüber weicheren Legierungen größer gewählt werden, und der Rückfederungswinkel ist aufgrund höherer Streckgrenzen ausgeprägter. Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit weiter und kann in Kombination mit geeigneten Auslagerzyklen zur Zielerreichung mechanischer Eigenschaften eingesetzt werden.
Verhalten bei Wärmebehandlung
Die Lösungsglühtemperatur für 7175 liegt typischerweise im Bereich 470–480 °C, um die ausscheidungsgehärteten Phasen in den festen Zustand aufzulösen; Aufenthaltsdauer und Bauteildicke bestimmen die Homogenisierung. Schnelles Abschrecken ist erforderlich, um die Legierungselemente im übersättigten festen Zustand zu halten; unzureichende Abschreckgeschwindigkeit führt zu groben Ausscheidungen und mindert die Höchstfestigkeit und Zähigkeit.
Das künstliche Auslagern für T6 erfolgt meist bei ca. 120–140 °C, mit Zeiten abhängig von der Bauteildicke, um eine feine Dispergierung der η-Phase zu erreichen und die Festigkeit zu maximieren. Überalterungsbehandlungen (T73) verwenden höhere Temperaturen oder längere Zeiten, um Ausscheidungen zu vergrößern und so Festigkeit zugunsten verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und Zähigkeit zu tauschen.
T-Zustände reagieren empfindlich auf vorherige Kaltumformung, Abschreckgeschwindigkeit und Verunreinigungen; kontrolliertes Dehnen (für T651) reduziert Spannungseigenspannungen und verbessert Maßhaltigkeit, erfordert jedoch enge Prozesskontrolle, um gewünschte mechanische Eigenschaften sicherzustellen. Nachbehandlungen und definierte Lösungsglüh-/Auslagerpläne sind für kritische Luftfahrtsanwendungen üblich.
Hochtemperaturverhalten
7175 verliert bei steigender Temperatur deutlich an Festigkeit; ab ca. 120 °C verschlechtert sich die Ausscheidungshärtung, wodurch Streckgrenze und Zugfestigkeit stark sinken. Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen ist gegenüber wärmebeständigen Legierungen eingeschränkt; Langzeitbelastungen über 100–125 °C müssen auf Maßhaltigkeit und Lebensdauer geprüft werden.
Oxidation stellt bei typischen Einsatztemperaturen kein Hauptausfallrisiko dar, aber thermische Beanspruchung beschleunigt die Überalterung und verändert Ausscheidungsverteilungen, was Lebensdauer gegen Ermüdung und Widerstand gegen Spannungsrisskorrosion verringern kann. In geschweißten Bauteilen sind Wärmeeinflussgebiete besonders anfällig für Festigkeitsverluste und sollten bei hochtemperaturbelasteten Elementen vermieden werden.
Anwendungen
| Branche | Beispielkomponente | Warum 7175 verwendet wird |
|---|---|---|
| Luftfahrt | Rumpfaufnahmen, Tragflächen-Durchführungen | Hervorragendes spezifisches Festigkeits-/Gewichtsverhältnis und Ermüdungsbeständigkeit für Primärstruktur |
| Verteidigung | Hochbelastete Struktur-Schmiedeteile und Waffenhalterungen | Hohe statische Festigkeit und Zähigkeit bei anspruchsvollen Lastfällen |
| Automobil | Performance-Fahrwerkkomponenten (begrenzter Einsatz) | Festigkeit-Gewicht-Verhältnis für Renn- und Performanceanwendungen |
| Marine | Strukturelle Halterungen und Anschlüsse (geschützt) | Gutes Festigkeit-Gewicht-Verhältnis bei vorhandenen Korrosionsschutzmaßnahmen |
| Elektronik | Tragrahmen | Hoher Elastizitätsmodul und Steifigkeit für leichte Rahmen (begrenzte thermische Auslastung) |
7175 wird ausgewählt, wenn strukturelle Effizienz, Ermüdungslebensdauer und Bruchzähigkeit bei hohen statischen Belastungen die entscheidenden Anforderungen sind; der Einsatz konzentriert sich auf Luftfahrt und Verteidigung, wo Materialkosten durch Leistung gerechtfertigt sind. Schutzbeschichtungen und konservative Auslegung gegen Spannungsrisskorrosion sind Standard, wenn die Legierung außerhalb kontrollierter Umgebungen verwendet wird.
Auswahlhinweise
Verwenden Sie 7175, wenn maximale erreichbare Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit die Hauptkonstruktionskriterien sind und geeignete Fertigungs- sowie Korrosionsschutzstrategien vorhanden sind, um die Verbindungs- und Umgebungsbeschränkungen zu managen. Spezifizieren Sie T6/T651 für höchste statische Festigkeit und T73 oder andere überalterte Zustände, wenn Umweltbeständigkeit und SCC-Widerstand kritisch sind.
Im Vergleich zu reinem Aluminium (z. B. 1100) bietet 7175 eine deutlich höhere Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, geht jedoch mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit und schlechterer Umformbarkeit einher; wählen Sie 1100, wenn Leitfähigkeit und Tiefziehfähigkeit essenziell sind und die Belastungen gering bleiben. Im Vergleich zu kaltverfestigten Legierungen wie 3003 oder 5052 bietet 7175 eine deutlich höhere Festigkeit, jedoch in der Regel schlechtere Umformbarkeit und potenziell ungünstigeres Korrosionsverhalten in chloridhaltigen Umgebungen; wählen Sie 5052/3003 für umformintensive Bauteile oder maritime, nicht-strukturelle Anwendungen. Im Vergleich zu wärmebehandelbaren 6xxx-Legierungen wie 6061/6063 liefert 7175 eine höhere Höchstfestigkeit und bessere Ermüdungsleistung, verursacht jedoch höhere Kosten und schlechtere Schweißbarkeit; bevorzugen Sie 6061, wenn Schweißbarkeit, Wirtschaftlichkeit und moderate Festigkeit ausreichen.
Abschließende Zusammenfassung
7175 bleibt ein Schlüsselwerkstoff für leistungsstarke Strukturbauteile, bei denen ein erstklassiges Verhältnis aus Festigkeit zu Gewicht und hohe Ermüdungsbeständigkeit gefordert sind und bei denen Fertigungsverfahren die eingeschränkte Schweißbarkeit und Korrosionsanfälligkeit berücksichtigen können. Mit geeigneter Festigkeitsauswahl, Oberflächenschutz und konstruktionstechnischer Beachtung von Verbindungen und Spannungskonzentrationen bietet 7175 eine Kombination mechanischer Eigenschaften, die mit weniger legierten oder nicht wärmebehandelbaren Aluminiumqualitäten nur schwer zu erreichen ist.