7075 Aluminium vs. Stahl: Was ist besser?

Tatsächlich ist 7075 nicht immer fester als alle Stähle, bietet aber ein höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und eignet sich daher besser für Leichtbauanwendungen. AA 7075 ist die stärkste Legierung der 7xxx-Serie und weist ein sehr hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf. Diese Eigenschaft macht sie zu einer Speziallegierung für vielfältige Anwendungen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie, und wirft die Frage nach der Druckfestigkeit von Stählen auf. Stähle lassen sich in verschiedene Unterklassen einteilen, z. B. in unlegierte Stähle, niedriglegierte Stähle, Edelstähle, Werkzeugstähle und ultrahochfeste Stähle, die für spezifische Anwendungen entwickelt wurden.

AA 7075 gilt aufgrund seiner hohen Festigkeit und seines geringen Gewichts in der Luft- und Raumfahrt als beste Alternative zu Stahl. In diesem Artikel finden Sie einen detaillierten technischen Vergleich beider Werkstoffarten hinsichtlich ihrer Eigenschaften, Anwendungsbereiche und Verarbeitung.

AA 7075-Legierung

AA 7075 ist eine Zink-Aluminium-Legierung. Weitere wichtige Legierungselemente sind Magnesium, Kupfer und Chrom. AA 7075 erreicht seine höchste Festigkeit im Zustand T6. Die erforderlichen mechanischen Eigenschaften werden durch ein spezielles Wärmebehandlungsverfahren erzielt. Üblicherweise wird die Legierung bei ca. 460 °C lösungsgeglüht und anschließend in Wasser abgeschreckt. Nach Erreichen der übersättigten festen Lösung wird AA 7075 je nach Größe und Dicke des Bauteils mehrere Stunden lang bei 120–160 °C künstlich gealtert. Dieser Zustand wird als T-6-Zustand bezeichnet und findet vorwiegend Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und im Strukturbau. Weitere Informationen zu den Eigenschaften und anderen Wärmebehandlungszuständen von 7075-Aluminiumlegierungen finden Sie in einem umfassenden Leitfaden .

7075 Aluminiumdichte

Die Dichte ist eine grundlegende Materialeigenschaft und bezeichnet die Masse pro Volumeneinheit. Sie wird üblicherweise in Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) oder Pfund pro Kubikzoll (lb/in³) gemessen. Laut der Aluminum Association beträgt die Dichte von Aluminium 7075 2.81 g/cm³ (0.102 lb/in³).

Wie stark ist 7075 Aluminium?

7075-Aluminium ist für seine außergewöhnliche Festigkeit bekannt und gilt als eine der stärksten verfügbaren Aluminiumlegierungen. Es verfügt über eine hohe Zugfestigkeit und Streckgrenze, die ein Maß für die Fähigkeit des Materials sind, Zugkräften bzw. Verformungen standzuhalten.

Die Zugfestigkeit von Aluminium 7075 liegt typischerweise bei etwa 572 MPa (83,000 psi) und ist damit deutlich höher als bei vielen anderen Aluminiumlegierungen. Dadurch eignet es sich für Anwendungen, bei denen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis entscheidend ist, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigungsindustrie, im Strukturbau und bei Automobilkomponenten.

Die Streckgrenze von 7075-Aluminium beträgt etwa 503 MPa (73,000 psi). Die Streckgrenze bezieht sich auf den Punkt, an dem ein Material unter angelegter Spannung eine dauerhafte Verformung oder ein „Nachgeben“ zeigt. Mit einer hohen Streckgrenze beweist 7075-Aluminium seine Fähigkeit, Verformungen zu widerstehen und seine strukturelle Integrität auch unter erheblichen Belastungen beizubehalten.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Festigkeit von 7075-Aluminium abhängig von Faktoren wie der spezifischen Härte, der Wärmebehandlung und den verwendeten Herstellungsprozessen variieren kann. Hersteller können die Festigkeit der Legierung durch Wärmebehandlungen wie Ausscheidungshärtung weiter erhöhen.

7075-Aluminium ist für seine außergewöhnliche Festigkeit bekannt und daher eine bevorzugte Wahl für Anwendungen, bei denen leichte und dennoch starke Materialien erforderlich sind.

Verschiedene Stahlsorten

Stahl ist eine Materialklasse, bei der die Eigenschaften von reinem Eisen durch verschiedene Arten von Legierungselementen verbessert werden. Zu den wichtigsten Stahlklassen gehören:

1. Normale Kohlenstoffstähle, z. B. 1045
2. Hochfeste niedriglegierte Stähle, z. B. 4340
3. Rostfreie Stähle, z. B. SS 420, SS321, 17-7 Ph usw.
4. Werkzeugstähle z. B. D2, H13, K-105 usw.
5. Ultrahochfeste Stähle, z. B. Maraging 400

Nachfolgend die Tabelle mit den Streckgrenzen und Zugfestigkeiten gängiger Stahlsorten:

Häufig werden niedriggekohlter Stahl, mittelgekohlter Stahl, hochfester Stahl und Werkzeugstahl verwendet, um die Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten mit denen von Aluminium 7075 zu vergleichen.

Jede Stahlklasse hat aufgrund ihrer Eigenschaften ihre eigenen charakteristischen Anwendungen. Im Vergleich zu AA 7075 weist Stahl in der Regel eine sehr hohe Festigkeit und Härte auf. Allerdings schränkt das im Vergleich zu AA7075 geringere Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht seinen Einsatz in bestimmten Anwendungen ein, insbesondere wenn das Gewicht für die Konstrukteure im Vordergrund steht.

Diagramm der Unterschiede zwischen 7075-Aluminium und Stahl

Stähle und AA 7075 weisen aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung, mechanischen Eigenschaften und physikalischen Eigenschaften bemerkenswerte Unterschiede auf.

7075 ist eine Aluminiumlegierung aus Aluminium, Zink, Magnesium und Kupfer, während Stahl ein Eisenmetall ist. Die unterschiedliche chemische Zusammensetzung erklärt die Unterschiede in den physikalischen und mechanischen Eigenschaften. Nachfolgend die chemische Zusammensetzung von 7075-Aluminium und Stahl:

AA 7075 hat eine FCC-Kristallstruktur und kann im Vergleich zu Stahl einfacher in verschiedene Formen gezogen werden. Allerdings ist die Korrosionsbeständigkeit von AA 7075 schlechter als bei vielen anderen Aluminiumlegierungen, aber weitaus besser als bei vielen Stählen, mit Ausnahme einiger rostfreier Stähle.

7075 Chemische Eigenschaften von Aluminium und Stahl

Die chemischen Eigenschaften von AA 7075 und Stählen hängen von ihrer chemischen Zusammensetzung ab. Das Aluminium (Al) ermöglicht es AA 7075, einen Schutzfilm auf der Oberfläche zu bilden, der weitere Oxidation verhindert. Im Gegensatz dazu neigen beispielsweise unlegierter Kohlenstoffstahl und Werkzeugstähle mit Eisenanteil zu starker Oxidation, da sie eine lockere Oxidschicht auf ihrer Oberfläche bilden, die keinen Schutz vor weiterer Oxidation bietet. Edelstähle wie SS 321 und SS 316L sind chemisch stabiler als AA 7075, da sie eine starke Schutzschicht aus Oxid bilden, die weitere Oxidation einschränkt.

7075 Diagramm der physikalischen Eigenschaften von Aluminium und Stahl

Es gibt erhebliche Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften beider Materialtypen. Die wichtigsten Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Signaldichte

Aus der Grafik geht hervor, dass die Dichte von AA 7075 nur 2.81 g/cm³ beträgt, etwa ein Drittel der Dichte von Stahl. Daher ist 7075-Aluminium im Leichtbau die beste Alternative zu Bauteilen aus niedrig- oder mittelgekohltem Stahl, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Robotik und der Automobilindustrie.

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von AA 7075 liegt bei 130–150 W/m·K und ist damit höher als die von Stahl (20–50 W/m·K). Daher eignet sich die Aluminiumlegierung 7075 für Bauteile mit hohen Anforderungen an die Wärmeableitung. Darüber hinaus ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von 7075 ebenfalls höher als der von Stahl. Dies bedeutet, dass Bauteile aus 7075-Aluminium in Umgebungen mit hohen Temperaturen zur Ausdehnung und Verformung neigen.

Elektrische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit von 7075 ist besser als die von Stahl. Daher eignet sich 7075 im Vergleich zu Stahl besser für leichte elektronische Bauteile.

Korrosionsbeständigkeit

Aluminiumlegierungen erfreuen sich aufgrund ihrer außergewöhnlich hohen Korrosionsbeständigkeit großer Beliebtheit. Allerdings ist AA 7075 aufgrund des Kupfergehalts weniger korrosionsbeständig als andere Legierungen seiner Familie. Es kommt zu interkristalliner Korrosion. Manchmal werden bei AA 7075 Schutzbeschichtungen aufgetragen, um es vor korrosiver Umgebung zu schützen.

Stähle, mit Ausnahme von Edelstählen, sind von Natur aus stark korrosiv. Sie bilden auf ihrer Oberfläche eine poröse Oxidschicht, die mit der Zeit abgebaut wird und weitere Korrosion verursacht. Ohne Korrosionsschutz sind sie im Feldeinsatz nicht einsetzbar.

7075 Aluminium vs. Stahl: Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von AA 7075 und Stählen sind bemerkenswert unterschiedlich und finden unterschiedliche Anwendungsbereiche. AA 7075 wird in Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt, bei denen neben geringem Gewicht auch eine hohe Festigkeit erforderlich ist, z. B. bei der Herstellung von Rümpfen, Flügeln, Rotorblättern von Hubschraubern usw.

Die mechanischen Eigenschaften von Stählen hängen ausschließlich von der Stahlsorte ab. Die in der Tabelle genannten breiten Bereiche mechanischer Eigenschaften decken alle Stahlsorten von AISI 1010 bis hin zu ultrahochfesten Stählen ab.

Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht

Wir haben die chemische Zusammensetzung, die physikalischen Eigenschaften und die mechanischen Eigenschaften von 7075-Aluminium und Stahl kennengelernt. Es ist leicht ersichtlich, dass 7075-Aluminium eine geringe Dichte und eine hohe Festigkeit aufweist. Daher wird die spezifische Festigkeit (das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) herangezogen, um die wichtigsten Unterschiede zwischen 7075-Aluminium und Stahl zu vergleichen.

Das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht wird wie folgt berechnet: Spezifische Festigkeit = Zugfestigkeit/Dichte

AA 7075 weist im Vergleich zu Stählen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf. Diese Eigenschaft macht AA 7075 zu einem ernstzunehmenden Konkurrenten von Stählen in Anwendungen, bei denen eine Gewichtsreduzierung unerlässlich ist, z. B. in der Luft- und Raumfahrt. Das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis von AA 7075 hängt ausschließlich von seinem Wärmebehandlungszustand ab. In allen derartigen Anwendungen wird der T6-Zustand verwendet. Stähle hingegen weisen aufgrund ihrer hohen Dichte ein geringeres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf. Die Einheit dieser Eigenschaft ist N/ ^m³.

Ist 7075 Aluminium stärker als Stahl?

Die Antwort ist nein". Obwohl AA 7075 in der Aluminiumfamilie am stärksten ist, sind Stähle in der Regel weitaus stärker als AA 7075, z. B. AISI 1045, SS 420, SS316, 17-7Ph, Maraging-Stahl, SAE 4140, SAE 4340 usw. Es gibt jedoch nur sehr wenige Stahlsorten. deren Zugfestigkeit im geglühten Zustand mit AA 7075 vergleichbar ist, z. B. AISI 1015, AISI 1020 usw. Grundsätzlich kann jedoch festgestellt werden, dass Stähle fester als AA 7075 sind.

Widerstand gegen Verformung

 AA 7075 lässt sich leicht ziehen und kann in verschiedenen Formen geformt werden. Normalerweise wird der Formgebungsprozess dieser Sorte im Lösungsbehandlungszustand (O-Zustand) durchgeführt. Sobald die endgültige Form erreicht ist, wird eine Alterung durchgeführt, um hervorragende mechanische Eigenschaften zu erzielen. Die Verformungsneigung der Legierung AA 7075 ist der von Stählen überlegen.

Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von 7075-Aluminium ist im Vergleich zu anderen Sorten seiner Familie nicht besonders gut. Normalerweise wird es im O-Zustand geschweißt, da es im gealterten Zustand seine Festigkeit im Schweißbereich verliert. Normalerweise werden zum Schweißen Schweißstäbe mit niedrigem Kupfergehalt bevorzugt. Andererseits weisen Stähle mit einem geringeren Kohlenstoffanteil eine weitaus bessere Schweißbarkeit als AA 7075 auf, während Stähle mit hoher Festigkeit und höherem Kohlenstoffanteil eine schlechtere Schweißbarkeit als AA 7075 aufweisen.

Bearbeitbarkeit

AA 7075 weist im Vergleich zu hochfesten Stählen eine mäßig gute Bearbeitbarkeit auf. Allerdings ist die Bearbeitbarkeit im Vergleich zu anderen Aluminiumlegierungen anspruchsvoller.

Aus der Tabelle lässt sich leicht erkennen, dass die Aluminiumlegierung 7075 leichter zu bearbeiten ist als Stahl. Die Bearbeitbarkeit nimmt mit steigender Stahlfestigkeit ab.

Das ist 7075 Aluminium und Stahl teurer

Bei einfachen Stahlsorten wie AISI 1030, AISI 1045 oder SAE 8620 ist AA 7075 teurer als diese Stähle. Allerdings sind einige hochfeste Stahlsorten, die spezielle Veredelungstechniken erfordern, z. B. rostfreie Stähle, 17-7 Ph, Maraging-Stähle, weitaus teurer als AA 7075.

Wann ist ein Fitting aus 7075-Aluminium oder Stahl zu verwenden?

Es kommt ganz auf die Anwendung an. Fittings aus AA 7075-Stahl werden normalerweise dort eingesetzt, wo mäßige Festigkeit, geringes Gewicht, bessere Korrosionsbeständigkeit, gute Schweißbarkeit und nichtmagnetische Eigenschaften von entscheidender Bedeutung sind. Im Gegensatz dazu sind passende Stähle in der Regel kostengünstiger, haben eine hohe Festigkeit, ein hohes Gewicht, magnetische Eigenschaften und eine relativ schlechte Korrosionsbeständigkeit.

Warum sollten Sie Tuofa für kundenspezifische Teile aus 7075-Aluminium und Edelstahl wählen?

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Fazit

Obwohl Stahl für industrielle Anwendungen als besonders fest gilt, erfüllt er nicht die Anforderungen an ein geringes Gewicht. Aluminium 7075 ist die stärkste Aluminiumlegierung. Dank seines geringen Gewichts ist es die ideale Alternative zu Stahlteilen in der Luft- und Raumfahrt, der Robotik, der Medizintechnik und der Automobilindustrie.

Häufig gestellte Fragen

7075 T6 Aluminium vs. Stahl

AA 7075 weist im Vergleich zu Stählen ein außergewöhnlich hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf. Stähle sind jedoch normalerweise stärkere Legierungen als AA 7075.

Welches ist stärkeres Aluminium oder Stahl?

Normalerweise ist Stahl stärker als AA 7075-Stahl. Allerdings ist die Festigkeit einiger Stahlsorten, z. B. AISI 1010, AISI 1015 usw., mit AA 7075 vergleichbar.

Stahl vs. Aluminiumhärte

Beim Vergleich von Stahl und Aluminium gilt Stahl im Allgemeinen als härter als Aluminium. Unter Härte versteht man die Fähigkeit eines Materials, Verformungen, Einkerbungen oder Kratzern zu widerstehen. Stahl ist eine Legierung, die hauptsächlich aus Eisen mit verschiedenen Zusatzelementen, einschließlich Kohlenstoff, besteht und für seine Härte bekannt ist.

Die Härte von Stahl kann je nach Stahlsorte und der durchgeführten Wärmebehandlung variieren. Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt, wie z. B. Werkzeugstähle, können eine hohe Härte erreichen und eignen sich daher für Anwendungen, bei denen Verschleißfestigkeit erforderlich ist. Allerdings geht die Härte oft mit einer verminderten Duktilität einher.

Andererseits ist Aluminium, einschließlich Legierungen wie 7075-Aluminium, im Allgemeinen weicher als Stahl. Aluminium weist aufgrund seiner atomaren Struktur und des Vorhandenseins weicherer Elemente wie Magnesium oder Silizium in bestimmten Legierungen eine geringere Härte auf. Aluminium ist zwar nicht so hart wie Stahl, gleicht dies jedoch durch andere vorteilhafte Eigenschaften aus, wie etwa seine geringe Dichte, hohe Duktilität und hervorragende Korrosionsbeständigkeit.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Stahl in der Regel härter als Aluminium ist, die Wahl zwischen den beiden Materialien sollte jedoch auf den spezifischen Bedürfnissen und Anforderungen der beabsichtigten Anwendung basieren.