Wärmeausdehnungskoeffizienten für CNC-Werkstoffe

CTE-Werte für 22 CNC-Werkstoffe in µm/m·°C mit dem jeweils abgedeckten Temperaturbereich sowie durchgerechnete Beispiele dafür, was die Unterschiede bei Passungen und Prüfung bewirken.

Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) nach Werkstoff und Temperaturbereich

Werkstoff (Sorte)	CTE (µm/m·°C)	Temperaturbereich	Konstruktionsrelevante Bedeutung	Quelle
Aluminum 1060 (commercially pure)	23.6	20–100 °C	Höchster CTE unter den gängigen CNC-Metallen; Sammelschienen- und Kühlkörperkonstruktionen müssen Ausdehnungsspielräume vorsehen	ASM Handbook Vol. 2 via matmake.com
Aluminum 6061-T6	23.6	20–100 °C	Am häufigsten bearbeitete Aluminiumlegierung; CTE ist unabhängig vom Aushärtungszustand (O, T4, T6 und T651 alle 23.6)	ASM Handbook Vol. 2, 10th ed.; MIL-HDBK-5J
Aluminum 6061-T6	24.6	20–200 °C	Der Mittelwert bei erhöhter Temperatur steigt um ~4%; oberhalb von 150 °C einen bereichsspezifischen CTE verwenden	MIL-HDBK-5J; ASM Handbook Vol. 2
Aluminum 7075-T6	23.6	20–100 °C	Luft- und Raumfahrtqualität; derselbe CTE wie 6061 trotz doppelter Streckgrenze — vereinfacht die Vorrichtungskonstruktion mit Legierungsmix	matmake.com; arcuscnc.com
Copper C11000 (ETP)	17.0	20–100 °C	Sammelschienen- und Verbinderwerkstoff; die CTE-Abweichung gegenüber Aluminium (23.6) treibt die Verbindungsermüdung bei bimetallischen Kabelschuhen an	fabdigit.com (C11000-O properties)
Copper C11000 (ETP)	17.0	20–300 °C	Mittlerer CTE über einen weiten Bereich; Wert aus dem Herstellerdatenblatt	jtcopper.com C11000 datasheet
Brass C36000 (free-cutting)	20.5	20–100 °C (approx.)	Kupferlegierung mit bester Zerspanbarkeit; CTE zwischen Kupfer und Aluminium — relevant für Messing-Einsätze in Aluminiumgehäusen	mechcodex.com C36000 thermal table
Carbon steel AISI 1045 (annealed)	11.6	0–100 °C	Referenzstahl für Wellen und Zahnräder; CTE etwa die Hälfte von Aluminium — Al-Stahl-Schraubverbindungen entwickeln bei ΔT = 100 °C je 100 mm 0.12 mm Differenz	theworldmaterial.com AISI 1045 physical properties
Carbon steel AISI 1045 (annealed)	12.3	0–200 °C	Mittelwert bei erhöhter Temperatur; steigt mit dem Temperaturbereich	theworldmaterial.com AISI 1045
Alloy steel AISI 4140 (normalized)	12.3	20–100 °C	Hochfester Wellen- und Achsstahl; CTE ähnlich wie 1045 — in thermischen Spannungsberechnungen austauschbar	ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com
Stainless steel 304/304L	17.3	0–100 °C	Austenitischer Edelstahl dehnt sich ~44% mehr aus als Kohlenstoffstahl; kritisch für Rohr-Bodenblech-Verbindungen in Wärmetauschern	jnalloys.com CTE comparison table
Stainless steel 316/316L	15.9	0–100 °C	Niedrigerer CTE als 304 trotz ähnlicher austenitischer Struktur (Molybdän-Zusatz); bevorzugt für die Ausdehnungsauslegung von Rohrleitungen in der Schifffahrt	jnalloys.com CTE comparison table
Stainless steel 17-4PH (H900)	10.8	0–100 °C	Martensitischer PH-Stahl; CTE unter den Edelstahlsorten am nächsten an Kohlenstoffstahl — ideal für Präzisions-Fittings in der Luft- und Raumfahrt, die mit Stahlkonstruktionen zusammenpassen	xometry.com; alloy-materials.com (20–100 °C)
Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5)	8.6	20–100 °C	Niedrigster CTE der gängigen Strukturmetalle; gute Passung zu CFK (0–2) in hybriden Luft- und Raumfahrtverbindungen	arcuscnc.com CTE comparison
Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5)	8.8	20–100 °C (approx.)	Alternativ veröffentlichter Wert; die Differenz liegt innerhalb der Messunsicherheit (±2%)	mechcodex.com Ti-6Al-4V properties
Tool steel P20 (pre-hardened, 28–32 HRC)	11.7	20–100 °C	Formkastenstahl; der CTE muss zu den Einsatzstählen passen, um thermische Spannungsrisse in Spritzgussformen bei Temperaturwechseln zu vermeiden	ASM Handbook Vol. 1; firstmold.com (P20 context)
Tool steel H13 (hot-work, 44–52 HRC)	12.0	20–200 °C	Stahl für Druckguss- und Schmiedewerkzeuge; läuft bei 500–650 °C Oberflächentemperatur, daher zählt der CTE des erhöhten Bereichs für die Passungen der Werkzeugeinsätze	ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com
Delrin / POM (acetal homopolymer)	110	23–60 °C	Etwa 5× Stahl; Kunststoff-Metall-Presspassungen lockern sich mit steigender Temperatur — das Übermaß bei der maximalen Betriebstemperatur auslegen	firstmold.com; DuPont Delrin 500P datasheet
Nylon 6/6 (unfilled, dry-as-molded)	80	23–60 °C	Feuchtigkeitsaufnahme fügt zum thermischen Anteil hygroskopische Ausdehnung hinzu; 50% relative Luftfeuchtigkeit erhöht die wirksame Maßänderung um ~0.2%	DuPont Zytel 101L datasheet; ASM Handbook Vol. 21
PEEK (unfilled, e.g. Victrex 450G)	47	23–100 °C	Niedrigster CTE unter den unverstärkten technischen Kunststoffen; nähert sich bei erhöhter Temperatur Aluminium an — geeignet für Metallersatz in Umgebungen mit Temperaturwechseln	makerstage.com (citing Victrex); criterionprecision.com (45–55)
PEEK (30% glass-filled, GF30)	27	23–100 °C	Glasfaserverstärkung senkt den CTE um ~43%; gewählt, wenn Maßhaltigkeit unter Temperaturwechseln kritisch ist	makerstage.com PEEK grade comparison (Victrex)
ABS (general purpose, unfilled)	90	23–60 °C	Hoher CTE begrenzt die Verwendung in Präzisionsbaugruppen; akzeptabel für Gehäuse von Konsumgütern mit großzügigem Spiel	firstmold.com; Cycolac/Terlux datasheets

So lesen Sie diese Tabelle. Wo zwei Quellen abweichen, sind beide Zeilen aufgeführt (Ti-6Al-4V erscheint mit 8.6 und 8.8). Temperaturbereiche werden wie veröffentlicht angegeben und nicht auf einen gemeinsamen Bereich normiert — verwenden Sie stets die CTE-Zeile, deren Bereich Ihre tatsächliche Temperaturspanne abdeckt.

Wenn der Unterschied zum Maß wird

Fünf Berechnungen aus der Praxis, jeweils mit ΔL = α × L × ΔT und Werten aus der obigen Tabelle. Sie sind der Grund, warum zwei Werkstoffe mit unterschiedlichen CTE-Werten in einer Präzisionsbaugruppe nicht als austauschbar behandelt werden können.

Fall	Berechnung	Ergebnis	Konstruktionsmaßnahme
6061-T6-Gehäuse (CTE 23.6) auf einem 1045-Stahlsockel (CTE 11.6) verschraubt, Lochbild 200 mm, ΔT = 50 °C	ΔL(Al) = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50	0.236 mm vs 0.116 mm — 0.120 mm differential	Mit nur 0.1 mm Schraubspiel klemmt die Verbindung bei ΔT = 50 °C. Verwenden Sie Langlöcher, ein Spiel ≥ 0.3 mm oder nachgiebige Unterlegscheiben; für Präzisionsvorrichtungen Aluminium mit Aluminium oder Stahl mit Stahl kombinieren.
Stahlkonstruktion (CTE 12.0) direkt auf eine CFK-Platte (CTE ~1.0 in Faserrichtung) verschraubt, Stützweite 300 mm, ΔT = 80 °C	(12.0 − 1.0) × 10⁻⁶ × 300 × 80	0.264 mm relative slip per cycle	Ein Ti-6Al-4V-Einsatz (CTE 8.6) reduziert die Abweichung beidseitig auf 7.6 µm/m·°C und verringert die Differentialbewegung um ~30% — der Grund, warum Titan-Fittings Luft- und Raumfahrtkonstruktionen mit Verbundwerkstoffverbindungen dominieren.
Delrin-Buchse (CTE 110), mit Presspassung in ein Stahlgehäuse (CTE 11.6) eingefügt: 25 mm Außendurchmesser, 0.05 mm Übermaß bei 20 °C, Betrieb bei 80 °C	ΔL(POM) = 110 × 10⁻⁶ × 25 × 60; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 25 × 60	0.165 mm vs 0.017 mm — 0.148 mm of interference lost (−0.098 mm, i.e. clearance)	Die Presspassung wird bei 80 °C zur Schiebung. Berechnen Sie das Übermaß bei der maximalen Betriebstemperatur, halten Sie POM mechanisch (Sicherungsringe, Rändelung) oder wechseln Sie zu PEEK (CTE 47) oder glasfaserverstärktem PEEK (CTE 27).
Ein 500-mm-6061-Teil, bearbeitet bei 30 °C Werkstattemperatur, geprüft bei 20 °C (Bezugstemperatur nach ISO 1)	23.6 × 10⁻⁶ × 500 × 10	0.118 mm — reads 500.000 mm at 30 °C, 499.882 mm at 20 °C	Bei ±0.05-mm-Arbeiten ist dieser Fehler das 2.4-Fache des Toleranzbandes: Teile vor der Endprüfung auf 20 °C ± 1 °C temperieren oder eine prozessbegleitende Kompensation anwenden.
P20-Formkasten (CTE 11.7) mit einem H13-Kerneinsatz (CTE 12.0), Einsatzdurchmesser 100 mm, ΔT = 60 °C, konstruiertes Spiel 0.02 mm	12.0 × 10⁻⁶ × 100 × 60; 11.7 × 10⁻⁶ × 100 × 60	0.072 mm vs 0.070 mm — clearance grows only 0.002 mm	P20 mit H13 ist thermisch verträglich (Abweichung 0.3 µm/m·°C). Ein Berylliumkupfer-Einsatz (CTE 16.6) gegen P20 verliert bei demselben ΔT 0.029 mm Spiel — BeCu-Einsätze mit Wachstumszuschlag auslegen.

So verwenden Sie diese Zahlen

Der CTE ist hier in µm/(m·°C), gleichbedeutend mit 10⁻⁶/K oder ppm/°C. Wählen Sie die Zeile, deren Temperaturbereich zur Anwendung passt — dieselbe Legierung weist über unterschiedliche Spannen unterschiedliche Mittelwerte aus (6061: 23.6 über 20–100 °C, 24.6 über 20–200 °C).
Eine Wärmebehandlung ändert den CTE von Aluminium nicht: 6061 zeigt in jedem Aushärtungszustand (O, T4, T6, T651) 23.6 µm/m·°C. Nur der Temperaturbereich verschiebt den wirksamen Wert.
Wo Quellen abweichen, bleiben beide Werte erhalten: Ti-6Al-4V erscheint mit 8.6 und 8.8 µm/m·°C, eine Spreizung innerhalb der typischen Messunsicherheit (±2%). Für Edelstahl 304 verwenden wir 17.3 — eine Rechner-Tabelle zeigt 10.8, was der 17-4PH-Wert und ein Eingabefehler ist.
Der Kunststoff-CTE hängt stark von Füllstoff, Kristallinität und Feuchtigkeit ab. Die Nylon-6/6-Zeile gilt für den spritzgegossenen Trockenzustand (80); im Gleichgewicht bei 50% relativer Luftfeuchtigkeit steigt die wirksame Maßänderung um ~0.2% zusätzlich zum thermischen Anteil.
Die Prüffalle: Teile wachsen durch Schnittwärme und schrumpfen auf dem KMG. Ein 300-mm-6061-Teil, das bei 40 °C gefertigt wurde, schrumpft bis 20 °C um 0.14 mm — nach thermischem Ausgleich messen oder die Verschiebung in die Toleranz einplanen.

Häufig gestellte Fragen

Um wie viel wächst ein 200-mm-Aluminium-6061-Stab von 20 °C auf 60 °C?
Etwa 0.19 mm. ΔL = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 40 = 0.189 mm.

Warum messen meine Aluminiumteile nach der CNC-Bearbeitung zu klein?
Thermische Kontraktion durch Schnittwärme. Ein 300-mm-6061-Teil, das bei 40 °C gefertigt wurde, schrumpft bei 20 °C um 0.14 mm (23.6 × 10⁻⁶ × 300 × 20). Temperieren Sie das Teil vor der Endmessung auf 20 °C.

Wie groß ist der CTE-Unterschied zwischen Aluminium und Edelstahl 304?
6.3 µm/m·°C (23.6 gegenüber 17.3). Über 100 mm bei ΔT = 50 °C sind das 0.032 mm Differentialbewegung.

Kann ich eine Delrin-Buchse für eine Anwendung bei 80 °C mit Presspassung in ein Stahlgehäuse einfügen?
Nicht mit Übermaß allein. Der POM-CTE (110) liegt beim 9.5-Fachen von Stahl (11.6): Ein Übermaß von 0.05 mm bei 20 °C auf einem 25-mm-Durchmesser wird bei etwa 50 °C zum Spiel. Verwenden Sie mechanische Halterung oder wechseln Sie zu glasfaserverstärktem PEEK (CTE 27).

Welches Metall hat die niedrigste Wärmeausdehnung für Präzisionsvorrichtungen?
Titan Ti-6Al-4V mit 8.6 µm/m·°C — niedriger als jeder gängige Stahl (11.6–12.3) und weniger als die Hälfte von Aluminium (23.6). Für eine Struktur mit ultraniedriger Ausdehnung ist Invar (FeNi36) mit 1.2 µm/m·°C die Extremoption, kostet aber das 10–20-Fache.

Um wie viel dehnt sich ein 1-Meter-Stahlträger bei einer Erwärmung um 40 °C aus?
Etwa 0.46 mm für Kohlenstoffstahl 1045 (11.6 × 10⁻⁶ × 1000 × 40 = 0.464 mm). Für Edelstahl 304: 0.69 mm — der Grund, warum lange Konstruktionen Dehnungsfugen benötigen.

Ändert eine Wärmebehandlung (T6 gegenüber T4) den CTE von Aluminium 6061?
Nein. Der CTE beträgt in jedem Aushärtungszustand (O, T4, T6, T651) 23.6 µm/m·°C. Er wird durch das Aluminiumgitter bestimmt, nicht durch die Ausscheidungsdichte; nur der Temperaturbereich ändert den wirksamen Wert.

Welchen CTE sollte ich für PEEK in einem Medizinprodukt bei Körpertemperatur verwenden?
Verwenden Sie 47 µm/m·°C (unverstärkt, Bereich 23–100 °C). Bei ΔT = 17 °C (20 → 37 °C) wächst ein 50-mm-Bauteil nur um 0.040 mm — innerhalb einer typischen Bearbeitungstoleranz von ±0.025 mm, sofern bei 20 °C gemessen wird.

Normen und Quellen

ASM Handbook Vol. 2, 10. Aufl. (1990) — CTE-Werte von Aluminiumlegierungen und Unabhängigkeit vom Aushärtungszustand
MIL-HDBK-5J (U.S. DoD, 2003) — temperaturabhängiger CTE für 6061 (20–100/200/300/400 °C)
ASM Handbook Vol. 1 — AISI 4140 = 12.3; P20 = 11.7; H13 = 12.0 µm/m·°C
DuPont-Datenblätter Delrin 500P und Zytel 101L — POM 110 µm/m·°C (23–60 °C), Nylon 6/6 80 µm/m·°C (spritzgegossen, trocken)
Victrex-PEEK-Daten über makerstage.com — unverstärkt 47, GF30 27 µm/m·°C; criterionprecision.com nennt 45–55
jnalloys.com CTE-Vergleich — 304/304L = 17.3, 316/316L = 15.9 µm/m·K (0–100 °C)
xometry.com und alloy-materials.com — 17-4PH = 10.8 µm/m·°C (20–100 °C)
arcuscnc.com — Ti-6Al-4V = 8.6; matmake.com (ASM-Daten) — Tabelle der Aluminiumlegierungen; mechcodex.com — C36000 = 20.5, Ti-6Al-4V = 8.8
theworldmaterial.com — AISI 1045 = 11.6 (0–100 °C) und 12.3 (0–200 °C); fabdigit.com — C11000 = 17 (20–100 °C); jtcopper.com — C11000 = 17.0 (20–300 °C)
Wo Quellen sich widersprechen, sind beide Zeilen aufgeführt und die Abweichung in den Anwendungshinweisen dokumentiert