Die Dichte von festem Aluminium bei Raumtemperatur beträgt etwa 2,70 g/cm³. Das entspricht 2.700 kg/m³, 0,0975 lb/in³ oder 168,6 lb/ft³. Die Royal Society of Chemistry gibt für das Element bei Raumtemperatur 2,70 g/cm³ an.
Verwenden Sie 2,70 g/cm³ für eine erste Gewichtsschätzung, wenn die Legierung unbekannt ist. Für eine freigegebene Zeichnung, Versandplanung oder eine massenkritische Konstruktion sollten Sie einen legierungsspezifischen Wert verwenden. Die unten ausgewählten gängigen Legierungen reichen von 2,66 bis 2,81 g/cm³.
Die Dichte ist nur eine Eingangsgröße. Sie belegt weder eine bestimmte Legierung noch sagt sie allein die Festigkeit voraus. Die Masse des Fertigteils hängt außerdem von Nettogeometrie, Hohlräumen, Beschichtungen, Einsätzen und prozessbedingter Porosität ab.
Kurzübersicht zur Dichte von Aluminium
| Einheit | Typischer Wert für festes Aluminium bei Raumtemperatur |
|---|---|
| g/cm³ | 2.70 |
| kg/m³ | 2,700 |
| kg/L | 2.70 |
| g/mm³ | 0.00270 |
| lb/in³ | 0.0975 |
| lb/ft³ | 168.6 |
Diese Werte sind Umrechnungen desselben gerundeten Ausgangswerts. Es handelt sich nicht um getrennte Messungen.
Dichte und spezifisches Gewicht hängen zusammen, sind jedoch nicht dieselbe Größe. Die Dichte besitzt Einheiten. Das spezifische Gewicht ist ein dimensionsloses Verhältnis zu einer Referenzflüssigkeit, üblicherweise Wasser. Unter üblichen Referenzbedingungen beträgt das nominelle spezifische Gewicht von Aluminium etwa 2,7.
Achten Sie auf die kubische Einheit. Aluminium hat eine Dichte von 2.700 kg/m³, nicht 2,70 kg/m³. Ein fehlender Faktor 1.000 verursacht einen erheblichen Massenfehler.
Warum nennen Quellen 2,6989, 2,70, 2,71 oder 2,712 g/cm³?
Die Zahlen können voneinander abweichen, ohne einen echten Widerspruch zu beschreiben. Prüfen Sie zunächst, welches Material und welcher Zustand in der Quelle gemeint sind.
Die NIST-STAR-Seite zur Zusammensetzung führt für elementares Aluminium 2,69890 g/cm³ auf. Auf drei signifikante Stellen gerundet ergibt sich 2,70 g/cm³. Viele technische Referenzen verwenden diesen praktischen Wert.
Ein Wert von 2,71 g/cm³ kann sich auf eine handelsübliche Reinheitsgüte, eine bestimmte Tabelle oder eine andere Rundung beziehen. Die nachstehende Legierungstabelle nennt beispielsweise für Aluminium 1100 einen Wert von 2,71 g/cm³. Ein allgemeiner Wert von 2,712 g/cm³ darf nicht automatisch auf jede Aluminiumlegierung angewendet werden.
Vier Aspekte erklären die meisten Unterschiede:
- Materialumfang: Elementares Aluminium, handelsüblich reines Aluminium und eine Legierung sind nicht identisch.
- Legierungszusammensetzung: Magnesiumreiche Sorten können unter 2,70 g/cm³ liegen. Kupfer- oder zinkhaltige Sorten liegen häufig darüber.
- Temperatur und Zustand: Die Wärmeausdehnung verändert das Volumen, und der Werkstoffzustand kann einen präzisen Wert verschieben.
- Rundung: 2,69890, 2,699 und 2,70 können derselbe Ausgangswert mit unterschiedlicher Genauigkeit sein.
Passen Sie bei Schätzungen die Anzahl der signifikanten Stellen an die Qualität der Eingabedaten an. Eine Dichte mit sechs Nachkommastellen verbessert keine Massenschätzung, die auf groben Abmessungen beruht.
Dichte gängiger Aluminiumlegierungen
Die folgenden Werte stammen aus Tabelle 7 des vom NIST bereitgestellten ASM-Handbook-Kapitels über Aluminium-Halbzeuge. Es handelt sich um Nenndichten für den weichgeglühten Zustand O.
| Knetlegierung | Nenndichte (g/cm³) | Nenndichte (kg/m³) | Praktische Einordnung |
|---|---|---|---|
| 1050 | 2.705 | 2,705 | Handelsüblich rein; nahe an elementarem Aluminium |
| 1100 | 2.71 | 2,710 | Handelsüblich reine Universalgüte |
| 2024 | 2.78 | 2,780 | Kupferhaltige Legierung; oberhalb der 6xxx-Werte |
| 3003 | 2.73 | 2,730 | Manganhaltige Blechlegierung |
| 5052 | 2.68 | 2,680 | Magnesiumhaltige Blechlegierung |
| 5083 | 2.66 | 2,660 | Seewasserbeständige Legierung mit höherem Magnesiumgehalt |
| 6061 | 2.70 | 2,700 | Gängige Konstruktions- und Zerspanungslegierung |
| 6063 | 2.70 | 2,700 | Gängige Architektur-Strangpresslegierung |
| 7075 | 2.81 | 2,810 | Hochfeste zink- und kupferhaltige Legierung |
Die Tabelle zeigt außerdem, warum sich nicht jede Legierung anhand der Dichte bestimmen lässt. Sowohl 6061 als auch 6063 werden mit 2,70 g/cm³ angegeben. Ihre tatsächlichen konstruktiven Unterschiede liegen in Chemie, Zustand, Festigkeit, Strangpressverhalten, Oberfläche und weiteren Eigenschaften.
Auch zwischen 5052 und 6061 entscheidet die Dichte nur selten. Ihre Nennwerte unterscheiden sich um weniger als ein Prozent. Produktform und Fertigungsverfahren sind in der Regel wichtiger, wie dieser Auswahlleitfaden 5052 versus 6061 erläutert.
Einfluss von Zusammensetzung und Temperatur auf die Aluminiumdichte
Legieren verändert sowohl die Masse als auch die atomare Anordnung innerhalb eines gegebenen Volumens. Die Wirkung hängt von der vollständigen Zusammensetzung und dem Phasenzustand ab. Elementdichten dürfen nicht mit einem einfachen arithmetischen Mittel kombiniert werden.
Zur Orientierung ist das Muster dennoch nützlich. Die 5xxx-Legierungen in der Tabelle liegen zwischen 2,66 und 2,68 g/cm³. Die kupferhaltige Legierung 2024 liegt bei 2,78 g/cm³, während 7075 2,81 g/cm³ erreicht. Verwenden Sie den Wert der konkreten Legierung statt einer Annahme für die gesamte Serie.
Die Temperatur verändert die Dichte durch Wärmeausdehnung. Beim Erwärmen nimmt das Volumen von Aluminium zu, während seine Masse konstant bleibt. Die Dichte sinkt daher. Bei üblichen Schwankungen um Raumtemperatur ist die Änderung gering, für Präzisionsmesstechnik und Hochtemperaturprozesse jedoch relevant.
Der Raumtemperaturwert gilt auch nicht für geschmolzenes Aluminium. Die Flüssigdichte hängt von Legierung und Schmelztemperatur ab. Gießereiberechnungen sollten Daten für den tatsächlichen Schmelzzustand verwenden und nicht standardmäßig 2,70 g/cm³.
Eine Wärmebehandlung kann die Phasenverteilung und damit einen präzisen Dichtewert verändern. Für die übliche Gewichtsplanung reicht der Nennwert der Legierung meist aus. Bei einer kontrollierten Dichtemessung muss die Quelle zu Legierung, Zustand, Temperatur und Produktzustand passen.
So berechnen Sie das Gewicht eines Aluminiumbauteils
Verwenden Sie die Beziehung:
Masse = Dichte × Volumen
Halten Sie die Einheiten konsistent. Wird die Dichte in g/cm³ angegeben, muss das Volumen in cm³ eingesetzt werden; das Ergebnis ist dann in Gramm. Bei kg/m³ muss das Volumen in m³ vorliegen, und das Ergebnis wird in Kilogramm angegeben.
Gängige Volumenformeln sind:
- Platte oder Rechteckstab: Länge × Breite × Dicke
- Rundstab: π × Durchmesser² ÷ 4 × Länge
- Rohr: π × (Außendurchmesser² – Innendurchmesser²) ÷ 4 × Länge
- Komplexes bearbeitetes Bauteil: das Nettovolumen des Festkörpers aus einem geprüften CAD-Modell verwenden
Rechenbeispiel: Aluminiumplatte 6061
Angenommen, eine rechteckige Platte misst 500 mm × 300 mm × 10 mm.
- Volumen = 500 × 300 × 10 = 1.500.000 mm³.
- Volumen umrechnen: 1.500.000 mm³ = 1.500 cm³.
- Nenndichte von 6061 verwenden: 2,70 g/cm³.
- Masse = 1.500 × 2,70 = 4.050 g = 4,05 kg.
Das Ergebnis von 4,05 kg entspricht dem unbearbeiteten rechteckigen Volumen. Bohrungen, Taschen, Schlitze und Fasen verringern es. Einsätze und Beschichtungen erhöhen die Masse. Für die Schätzung eines Fertigteils sollte das CAD-Nettovolumen verwendet und alle nicht aus Aluminium bestehenden Komponenten separat modelliert werden.
Prüfen Sie vier Punkte, bevor Sie eine CAD-Masse übernehmen:
- Das zugewiesene Material entspricht der angegebenen Legierung.
- Das Modell verwendet die Endgeometrie und nicht die Rohteilkontur.
- Unterdrückte Hohlräume, Gewinde und Mustermerkmale sind enthalten.
- Das CAD-Einheitensystem stimmt mit der Dichteeinheit überein.
Trennen Sie für die Logistik außerdem die Nettomasse des Bauteils von Verpackung, Paletten, Kühlschmierstoffresten und Stau- beziehungsweise Polstermaterial.
Vergleich von Aluminium mit anderen Metallen
Diese Tabelle verwendet typische Raumtemperaturwerte für eine Vorauswahl. Die konkreten Werkstoffsorten können abweichen.
Die Elementwerte beruhen auf den RSC-Angaben bei Raumtemperatur für Magnesium, Aluminium, Titanund Kupfer. Die Stahlwerte sind allgemeine Orientierungswerte aus gängigen technischen Dichtetabellen, da beide Zeilen ganze Legierungsfamilien abdecken.
| Werkstoff | Typische Dichte (g/cm³) | Masse im Vergleich zu gleichvolumigem Aluminium |
|---|---|---|
| Magnesium | 1.74 | 0.64× |
| Aluminium | 2.70 | 1.00× |
| Titan | 4.51 | 1.67× |
| Kohlenstoffstahl | 7.85 | 2.91× |
| Edelstahl | 7.5-8.0 | 2.78-2.96× |
| Kupfer | 8.96 | 3.32× |
Bei gleichem Volumen beträgt die Masse eines Aluminiumobjekts etwa 34 % der Masse eines typischen Kohlenstoffstahlobjekts. Das bestätigt den bekannten Vergleich „etwa ein Drittel“.
Gleiches Volumen bedeutet nicht gleiche Funktion. Ein Ersatz durch Aluminium kann eine andere Wandstärke, Verrippung, Querschnittsform oder Fügeverbindung erfordern. Vergleichen Sie vor einem Werkstoffwechsel Steifigkeit, Festigkeit, Ermüdung, Korrosion, Temperatur, Verfahren und Kosten. Aus der Dichte allein lässt sich die endgültige Gewichtseinsparung nicht ableiten. Siehe den separaten Leitfaden zur Zugfestigkeit von Aluminium für die Abgrenzung dieser Eigenschaft.
So messen Sie die Dichte eines unregelmäßig geformten Aluminiumteils
Bei einem massiven Teil mit komplexer Geometrie vermeidet das archimedische Verfahren eine manuelle Volumenberechnung. Nach dem Verfahren der kanadischen Regierung wird das Objekt zunächst in Luft und anschließend nochmals hängend in Wasser gewogen.
Verwenden Sie diese Gleichung:
Dichte des Objekts = Masse in Luft ÷ (Masse in Luft – scheinbare Masse in Wasser) × Dichte von Wasser
Bei 20 °C verwendet das Verfahren eine Wasserdichte von 0,998 g/cm³. Eine Probe wiegt 110,18 g in Luft und 69,45 g in Wasser. Die berechnete Dichte beträgt etwa 2,70 g/cm³.
Für eine aussagekräftige Prüfung:
- Probe reinigen und trocknen, anschließend ihre Masse in Luft erfassen.
- Die Probe vollständig in Wasser eintauchen, ohne dass sie den Behälter berührt.
- Sichtbare Luftblasen von Probe und Aufhängungsfaden entfernen.
- Wassertemperatur und scheinbare eingetauchte Masse erfassen.
- Messung wiederholen und Verfahren sowie Genauigkeit angeben.
Beschichtungen, Hohlprofile, eingeschlossene Luft und offene Poren können eine einfache Interpretation ungültig machen. Dringt Wasser in oberflächenverbundene Poren ein, kann das verdrängte Volumen zu klein erscheinen. Die berechnete Dichte erscheint dann zu hoch.
Eine NIST-Studie zur Porositätsmessung in der additiven Metallfertigung beschreibt diesen Infiltrationsmechanismus bei porösen Metallproben. Das untersuchte Material war Kobalt-Chrom, nicht Aluminium. Übertragbar ist der messtechnische Warnhinweis, nicht das Zahlenmaterial.
Wenn eine Massenschätzung zur Fertigungsfrage wird
Definieren Sie bei einer strengen Massenvorgabe zunächst Legierung, Zustand, Nettovolumen, Beschichtung, Einsätze und Abnahmebedingung. Gehen Sie ebenso vor, wenn die gemessene Masse nicht mit dem CAD-Modell übereinstimmt. Anschließend senden Sie Zeichnung und Anforderungen an Zheng Ji Aluminum für eine gezielte fertigungstechnische Prüfung.
Häufig gestellte Fragen
Welche Dichte sollte ich für Aluminium 6061-T6 verwenden?
Verwenden Sie 2,70 g/cm³ oder 2.700 kg/m³ für eine normale technische Massenschätzung. Die zitierte Handbuchtabelle nennt für 6061 im Zustand O 2,70 g/cm³. Wenn die Dichte eine kontrollierte Anforderung ist, verwenden Sie ein zustandsspezifisches Datenblatt des Lieferanten.
Wie hoch ist die Dichte von Aluminium 7075?
Das zitierte Handbuch nennt einen Nennwert von 2,81 g/cm³ beziehungsweise 2.810 kg/m³. Bei gleichem Volumen liegt dieser Wert etwa 4 % über dem von 6061.
Hat geschmolzenes Aluminium ebenfalls eine Dichte von 2,70 g/cm³?
Nein. Schmelzen und weiteres Erwärmen vergrößern das Volumen, sodass flüssiges Aluminium weniger dicht ist als der Feststoff bei Raumtemperatur. Verwenden Sie für Schmelzberechnungen legierungs- und temperaturspezifische Gießereidaten.
Warum weicht die berechnete Masse von der Waagenanzeige ab?
Häufige Ursachen sind ein falscher Legierungswert, falsche CAD-Einheiten, nicht berücksichtigte Bohrungen oder die Masse von Beschichtungen und Einsätzen. Auch unvollständige Bearbeitung, eingeschlossene Flüssigkeit, Waagenfehler und Porosität können eine Rolle spielen. Prüfen Sie Geometrie und Bauteilzustand, bevor Sie die Abweichung als Werkstoffproblem einstufen.
