Aluminiumlegierungen werden in drei Hauptkategorien unterteilt: Aluminium-Knetlegierungen, Aluminium-Gusslegierungen und Aluminium-Schmiedelegierungen. Zu den Knetlegierungen gehören die Serien 1xxx bis 7xxx, wobei unterschiedliche Legierungselemente einzigartige Eigenschaften wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Bearbeitbarkeit und Oberflächenqualität verleihen. Gängige Sorten wie 6061, 5052, 7075 und 2024 finden breite Anwendung im Maschinenbau und in der Fertigung. Aluminiumgusslegierungen eignen sich für Bauteile mit komplexen Formen, während geschmiedete Aluminiumlegierungen hohe Festigkeit und Gewichtsvorteile für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie sowie im Bauwesen bieten. Die Wahl der richtigen Aluminiumlegierung hängt von den mechanischen Anforderungen, den Fertigungsverfahren und den Einsatzbedingungen ab.
Aluminiumlegierungen lassen sich im Allgemeinen anhand ihres Herstellungsverfahrens und ihrer Materialeigenschaften in drei Hauptkategorien einteilen: Aluminium-Knetlegierungen, Aluminium-Gusslegierungen und Aluminium-Schmiedelegierungen.
Jede Kategorie umfasst mehrere Legierungsserien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Oberflächenbehandlungseigenschaften und typischen Anwendungsbereichen.
Umgeformte Aluminiumlegierungen sind Aluminiumlegierungen, die durch Walzen, Strangpressen, Ziehen oder Schmieden mechanisch zu Produkten wie Blechen, Platten, Stangen, Rohren und Strangpressprofilen verarbeitet werden.
Je nach ihren Hauptlegierungselementen werden Aluminiumknetlegierungen üblicherweise in die Serien 1xxx bis 7xxx unterteilt.
Die 1xxx-Serie besteht hauptsächlich aus handelsüblichem reinem Aluminium. Diese Legierungen weisen in der Regel einen sehr hohen Aluminiumanteil auf und zeichnen sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, relativ geringe mechanische Festigkeit sowie ausgezeichnete Duktilität und Formbarkeit aus.
Allerdings ist ihre Dreh- und Fräsleistung relativ gering, da das Material weich ist und während der Bearbeitung dazu neigen kann, an den Schneidwerkzeugen zu haften. Ihre Festigkeit lässt sich durch Kaltverfestigung mäßig erhöhen.
Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen Anlagen für die chemische Verarbeitung, Reflektoren, Wärmetauscher, elektrische Leiter, Kondensatoren, Verpackungsfolien, Bauteile für den Architekturbereich sowie Zierleisten.
Handelsübliches reines Aluminium weist im Allgemeinen hervorragende Eigenschaften beim Texturätzen auf. Mit sauren oder alkalischen Ätzsystemen lassen sich gute Oberflächenstrukturen erzielen.
Für Anwendungen, bei denen eine höhere Oberflächenrauheit erforderlich ist, lässt sich durch ein zweistufiges Säure-Alkali-Ätzverfahren eine äußerst gleichmäßige Oberflächenstruktur erzielen.
Unter den gängigen Werkstoffen weist koreanisches Aluminium in der Regel eine feine Struktur auf, während Werkstoffe aus Taiwan und China häufig ein feines und gleichmäßiges gebürstetes Erscheinungsbild bieten. Hochglänzendes Reinaluminium von Sumitomo aus Japan kann nach dem Ätzen eine deutlich sichtbare gebürstete Struktur entwickeln. Auch bestimmte deutsche Reinaluminiumwerkstoffe lassen sich mit ähnlichen gebürsteten Oberflächen versehen.
Handelsübliches reines Aluminium lässt sich zudem gut chemisch und elektrolytisch polieren und erreicht nach der Eloxierung eine hochglänzende Oberfläche.
Kupfer ist das wichtigste Legierungselement in Aluminiumlegierungen der 2xxx-Reihe. Magnesium und Mangan werden ebenfalls häufig als sekundäre Legierungselemente zugesetzt.
Zu den typischen Legierungssystemen zählen Aluminium-Kupfer-Magnesium, Aluminium-Kupfer-Magnesium-Mangan, Aluminium-Kupfer-Magnesium-Eisen-Nickel sowie Aluminium-Kupfer-Mangan.
Diese Legierungen sind wärmebehandelbar und zeichnen sich durch ihre hohe Festigkeit aus, weshalb sie oft als hochfeste Aluminiumlegierungen oder Legierungen vom Duralumintyp bezeichnet werden.
Sie zeichnen sich durch eine gute Hitzebeständigkeit und eine hervorragende Zerspanbarkeit aus. Ihre Korrosionsbeständigkeit ist jedoch relativ gering, und einige Sorten können anfällig für interkristalline Korrosion sein.
Aus diesem Grund werden Aluminiumbleche der 2xxx-Reihe häufig mit hochreinem Aluminium oder einer Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung der 6xxx-Reihe plattiert, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Aluminiumlegierungen der 2xxx-Serie eignen sich besonders für Bauteile, bei denen ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erforderlich ist.
Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen Radkomponenten für Lkw und Flugzeuge, Fahrwerkskomponenten für Lkw, Rumpfverkleidungen für Flugzeuge sowie Strukturbauteile, die bei Temperaturen von bis zu etwa 150 °C (302 °F) eine hohe Festigkeit aufweisen müssen.
Mit Ausnahme der Legierung 2219 weisen die meisten Legierungen dieser Baureihe eine eingeschränkte Schweißbarkeit auf. Viele Legierungen der 2xxx-Baureihe zeichnen sich jedoch durch eine hervorragende Zerspanbarkeit aus.
Eine der am häufigsten verwendeten Sorten dieser Baureihe ist die Aluminiumlegierung 2024, die in etwa der chinesischen Sorte 2A12 entspricht.
Nach einem einstufigen alkalischen Texturätzvorgang erreicht das Aluminiumblech der Sorte 2024 eine Oberflächenrauheit von mehr als Ra 1,5 und behält dabei seine hervorragende Helligkeit und Oberflächengleichmäßigkeit bei.
Die Eloxierbarkeit von Aluminium der 2xxx-Reihe ist relativ schlecht. Wenn die anodische Oxidschicht dicker wird, kann die Oberfläche einen gelblichen Farbton annehmen, wodurch sich diese Legierungen weniger für helle Dekorfärbungen eignen.
Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt wird nach der Entfettung im Allgemeinen kein alkalisches Ätzen empfohlen. Zur Entfernung der passiven Oberflächenschicht wird eine Säurebehandlung bevorzugt.
Häufig wird eine Anodisierung mit Borsäure-Schwefelsäure-Lösung oder Chromsäure durchgeführt, gefolgt von einer Versiegelung mit verdünnter Chromsäure. Wenn eine helle Färbung erforderlich ist, kann ein modifiziertes Anodisierungsverfahren mit Borsäure-Schwefelsäure-Lösung angewendet werden.
Mangan ist das wichtigste Legierungselement in der 3xxx-Reihe.
Diese Legierungen sind in der Regel nicht wärmebehandelbar, ihre Festigkeit liegt jedoch um etwa 20% über der von Aluminium der 1xxx-Reihe.
Da Aluminium nur in begrenzten Mengen – typischerweise etwa 1,51 TP33T – wirksam mit Mangan legiert werden kann, wird Mangan nur in einer relativ geringen Anzahl kommerzieller Legierungen als Hauptlegierungselement verwendet.
Die drei am häufigsten verwendeten Allzwecklegierungen dieser Serie sind 3003, 3004 und 3105. Die chinesische Güteklasse 3A21 entspricht in etwa der Güteklasse 3003.
Aluminiumlegierungen der 3xxx-Reihe weisen eine höhere mechanische Festigkeit auf als Legierungen der 1xxx-Reihe und behalten dabei eine gute Duktilität und Schweißbarkeit bei. Ihre Korrosionsbeständigkeit ist nur geringfügig geringer als die von handelsüblichem reinem Aluminium.
Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen Getränkedosen, Kochgeschirr, Wärmetauscher, Lagertanks, Markisen, Möbel, Verkehrsschilder, Dachplatten und Fassadenplatten.
Nach dem Strukturieren weist Aluminium der 3xxx-Serie häufig eine Kombination aus einer matten, sandartigen Struktur und einer gebürsteten, linearen Struktur auf.
Das einstufige Ätzen mit alkalischer Textur liefert gute dekorative Ergebnisse und wird häufig als Vorbehandlung für Typenschilder und Platten vor dem Siebdruck eingesetzt.
Bei Anwendungen, die eine höhere Oberflächenrauheit erfordern, lassen sich durch ein zweistufiges Säure-Alkali-Ätzverfahren in der Regel sowohl sandartige als auch gebürstete Strukturen erzielen.
Aufgrund unterschiedlicher Verarbeitungsverfahren der einzelnen Hersteller können einige ähnliche Aluminiumlegierungen nach dem Säure-Alkali-Ätzen jedoch vorwiegend eine sandartige Oberfläche aufweisen, wobei die gebürstete Struktur kaum sichtbar ist.
Silizium ist das wichtigste Legierungselement der 4xxx-Reihe und kann Aluminium in relativ hohen Mengen beigemischt werden, wobei der Gehalt manchmal etwa 12% erreicht.
Diese Legierungen sind in der Regel nicht wärmebehandelbar und werden häufig als Schweißdraht und Hartlötzusatzwerkstoff für Aluminiumprodukte verwendet.
Beim Eloxieren nehmen Legierungen der 4xxx-Reihe in der Regel ein dunkelgraues bis anthrazit-schwarzes Oberflächenbild an.
Die Legierung 4032 zeichnet sich durch einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Verschleißfestigkeit aus, wodurch sie sich besonders für geschmiedete Motorkolben und andere Bauteile eignet, die bei erhöhten Temperaturen Formstabilität erfordern.
Magnesium ist das wichtigste Legierungselement in der 5xxx-Reihe.
Wird Magnesium als Hauptlegierungselement verwendet – entweder allein oder zusammen mit Mangan –, entstehen dadurch verformungshärtbare Legierungen mit mittlerer bis hoher Festigkeit.
Diese Legierungen zeichnen sich durch eine gute Schweißbarkeit, eine hervorragende Ermüdungsfestigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus, insbesondere in marinen Umgebungen.
Aluminiumlegierungen der 5xxx-Reihe sind nicht wärmebehandelbar, weisen jedoch im Allgemeinen eine höhere Festigkeit auf als Legierungen der 1xxx- und 3xxx-Reihe.
Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen Baustoffe, architektonische und dekorative Verkleidungen, Dosen und Dosenböden, Haushaltsgeräte, Komponenten für Straßenbeleuchtung, Schiffsbauelemente, Kryogen-Kraftstofftanks, Krankomponenten sowie Strukturteile für die Automobilindustrie.
Die Eigenschaften beim Texturätzen von Aluminium der 5xxx-Reihe ähneln denen der Legierungen der 3xxx-Reihe.
Zudem weisen sie gute Eloxaleigenschaften auf. Bestimmte Sorten lassen sich nach einer entsprechenden Oberflächenbehandlung zu einer glänzenden, spiegelartigen Oberfläche veredeln, wodurch sie sich für dekorative Bauteile in der Automobilindustrie eignen.
Aluminiumlegierungen der 6xxx-Reihe enthalten Magnesium und Silizium als Hauptlegierungselemente und sind wärmebehandelbar.
Diese Legierungen weisen eine mittlere Festigkeit auf, auch wenn ihre Festigkeit im Allgemeinen geringer ist als die der meisten Legierungen der Serien 2xxx und 7xxx.
Einer der Hauptvorteile der 6xxx-Serie ist ihre ausgewogene Kombination aus Formbarkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Festigkeit.
Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen Baustoffe, Fahrradrahmen, Transportausrüstung, Brückengeländer, Schweißkonstruktionen, Maschinenbauteile und stranggepresste Aluminiumprofile.
Die am häufigsten verwendeten Legierungen dieser Serie sind 6061 und 6063.
Aluminium 6061 wird aufgrund seiner guten Festigkeit, Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Allround-Eigenschaften häufig für mechanische Bauteile und Konstruktionsteile ausgewählt.
Aluminium 6063 wird aufgrund seiner hervorragenden Extrusionseigenschaften und seiner ansprechenden eloxierten Optik häufig für Strangpressprofile und architektonische Bauteile verwendet.
Die Legierung 6463 wurde für Anwendungen wie stranggepresste Zierleisten für Kraftfahrzeuge, Gehäuse für digitale Geräte und Einfassungen für Fernsehgeräte entwickelt. Nach dem Eloxieren lässt sich bei 6463 eine glänzende, spiegelglatte Oberfläche erzielen.
Der Gehalt an Eisenverunreinigungen im Aluminium sollte jedoch so gering wie möglich gehalten werden. Ein zu hoher Eisengehalt kann die Oberflächenhelligkeit nach dem Eloxieren erheblich verringern.
Zink ist das wichtigste Legierungselement in Aluminiumlegierungen der 7xxx-Reihe, wobei der Gehalt in der Regel zwischen etwa 1% und 8% liegt.
Diese Legierungen sind wärmebehandelbar und können Festigkeitswerte von mittel bis extrem hoch aufweisen.
Aufgrund ihres hervorragenden Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses werden Aluminiumlegierungen der 7xxx-Reihe häufig in stark beanspruchten Bauteilen eingesetzt.
Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen Strukturbauteile für Flugzeuge, mobile Ausrüstung, Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, hochfeste mechanische Bauteile sowie weitere Anwendungen, die hohen Belastungen und Beanspruchungen ausgesetzt sind.
Aluminiumgusslegierungen wurden speziell für die Herstellung von Bauteilen im Gussverfahren entwickelt.
Je nach ihren Hauptlegierungselementen lassen sich Aluminiumgusslegierungen im Allgemeinen in vier Hauptkategorien einteilen:
In verschiedenen Ländern werden unterschiedliche Bezeichnungssysteme für Legierungen verwendet.
In China werden Aluminiumgusslegierungen üblicherweise mit den Buchstaben bezeichnet ZL gefolgt von drei Ziffern.
Die erste Ziffer gibt das Hauptlegierungssystem an:
Die zweite und dritte Ziffer geben die jeweilige Legierung innerhalb dieser Baureihe an.
Um hochwertige Präzisionsgussteile in einer Vielzahl von Formen und Größen herzustellen, weisen Aluminiumgusslegierungen in der Regel mehrere wichtige Eigenschaften auf.
Aluminiumgusslegierungen bieten hervorragende Gussergebnisse und eignen sich zur Herstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien.
Darüber hinaus bieten sie Vorteile wie Materialeinsparungen, geringere Herstellungskosten, kürzere Produktionszeiten und einen geringeren Bedarf an zusätzlicher Fertigungsausrüstung.
Daher finden Aluminiumgusslegierungen breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, im Maschinenbau sowie in der allgemeinen Industrie.
Zu den typischen Produkten zählen Träger, Gasturbinenschaufeln, Pumpengehäuse, Halterungen, Räder, Einlasslippen und Motorgehäuse.
Sie werden außerdem häufig zur Herstellung von Zylinderköpfen für Kraftfahrzeuge, Getriebegehäusen, Kolben, Instrumentengehäusen und Gehäusen für Kompressorpumpen verwendet.
Geschmiedete Aluminiumlegierungen sind so konzipiert, dass sie bei erhöhten Temperaturen eine gute Plastizität und Formbarkeit aufweisen, wodurch sie sich für Schmiedeverfahren eignen.
Viele Aluminiumlegierungen für die Schmiedetechnik basieren auf Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungssystemen und können zudem Kupfer, Magnesium und Silizium als wichtige Legierungselemente enthalten.
Ihr Hauptvorteil ist die hervorragende Warmumformbarkeit, die die Herstellung großer, komplexer und hochfester Schmiedeteile ermöglicht.
Durch den Ersatz bestimmter Stahlkomponenten durch Aluminiumlegierungen lässt sich das Gesamtgewicht mechanischer Produkte erheblich reduzieren, ohne dass dabei die strukturelle Leistungsfähigkeit beeinträchtigt wird.
Aufgrund ihres hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht sind Aluminium und Aluminiumlegierungen zu unverzichtbaren Werkstoffen in der Raumfahrt, der Luftfahrt, der Automobilindustrie und der Verteidigungsindustrie geworden.
In Flugzeugen kommen beispielsweise zahlreiche geschmiedete Aluminiumkomponenten zum Einsatz.
Aluminium findet zudem breite Anwendung im Bauwesen, im Automobilbau und in der Verpackungsindustrie – drei Bereiche, die sich zu den wichtigsten Anwendungsgebieten für Aluminium in der modernen Industrie entwickelt haben.
In den letzten Jahren haben sich Aluminiumschmiedeteile für die Automobilindustrie rasant weiterentwickelt.
Die globale Erwärmung, Energieknappheit, strengere Anforderungen an die Kraftstoffeffizienz sowie steigende Erwartungen der Verbraucher hinsichtlich Fahrkomfort und Fahrverhalten haben die Entwicklung von Leichtbau-Fahrzeugstrukturen beschleunigt.
Durch eine Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs um etwa 10% lässt sich der Kraftstoffverbrauch um etwa 6% bis 8% senken.
Nach den vorliegenden Branchenangaben beläuft sich der Einsatz von Aluminiumlegierungen in geschmiedeten und gestanzten Automobilbauteilen in den Vereinigten Staaten auf etwa 36,3%, während der Aluminiumanteil bei in Europa und Japan hergestellten Fahrzeugen mehr als 15% des Gesamtfahrzeuggewichts ausmachen kann.
In der Vergangenheit wurde in den in China hergestellten Fahrzeugen ein relativ geringer Anteil an Aluminiumlegierungen verwendet.
Experten der Automobilindustrie gehen davon aus, dass im Zuge der fortschreitenden Gewichtsreduzierung bei Fahrzeugen immer mehr Schmiedeteile aus Aluminiumlegierungen die herkömmlichen Stahlschmiedeteile ersetzen werden.
Die verschiedenen Aluminiumlegierungsserien zeichnen sich durch sehr unterschiedliche Kombinationen aus Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Bearbeitbarkeit, Schweißbarkeit, Eignung für Oberflächenbehandlungen und Fertigungseigenschaften aus.
Handelsübliche, reine Aluminiumlegierungen der 1xxx-Reihe eignen sich ideal für Anwendungen, bei denen hohe Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit gefragt sind, während Legierungen der 2xxx- und 7xxx-Reihe für hochfeste Konstruktionsanwendungen bevorzugt werden.
Legierungen der Serien 3xxx und 5xxx zeichnen sich durch gute Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit aus, während Aluminium der Serie 6xxx eine der besten Gesamtkombinationen aus Festigkeit, Bearbeitbarkeit, Schweißbarkeit, Eloxierbarkeit und Kosten bietet.
Aluminiumgusslegierungen eignen sich für die effiziente Herstellung komplexer Formen, während geschmiedete Aluminiumlegierungen besonders für hochbelastete Bauteile geeignet sind, bei denen Festigkeit und Gewichtsreduzierung entscheidend sind.
Die Auswahl der richtigen Aluminiumlegierung sollte stets auf der Grundlage der erforderlichen mechanischen Eigenschaften, des Fertigungsverfahrens, der Oberflächenbeschaffenheit, der Korrosionsbeständigkeit, der Einsatzumgebung und der Gesamtkosten des fertigen Bauteils erfolgen.
Teilen Sie uns Ihre Zeichnung, Ihr Material, Ihr Toleranzziel oder Ihre Anwendungsfrage mit. Unser Ingenieurteam kann Ihnen helfen, den Bearbeitungsweg zu prüfen und einen praktischen nächsten Schritt vorzuschlagen.
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