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Aluminiumlegierung

Aluminiumlegierungen entstehen durch Legieren von Aluminium mit anderen Metallen, vorwiegend Mangan, Magnesium, Kupfer, Silicium, Nickel, Zink und Beryllium. Als Basismaterial dient in den meisten Fällen Al99,5 (EN AW-1050A). Auf diese Weise lassen sich die Festigkeitswerte in weiten Grenzen erhöhen und auch andere Eigenschaften beeinflussen.

Je nachdem, ob die gewünschte Festigkeitssteigerung nur durch Legierungselemente sowie Kaltverfestigung oder aber vornehmlich durch eine Aushärtebehandlung (Wärmebehandlung) erreicht wird, unterscheidet man zwischen den aushärtbaren und den nichtaushärtbaren (naturharten) Legierungen.

Eine weitere Unterscheidung ergibt sich aus der Art der Verarbeitung: Knet- oder Gußwerkstoffe. Zu den Knetwerkstoffen zählen außer Reinst- und Reinaluminium im wesentlichen die naturharten Legierungen vom Typ AlMn, AlMg und AlMgMn sowie die aushärtbaren Legierungen der Gattungen AlCuMg, AlCuSiMn, AlMgSi, AlZnMg und AlZnMgCu. Sie werden zu Halbzeugen in Form von Bändern, Blechen und Ronden, Rohren, Stangen und Drähten, Strangpreßprofilen sowie Schmiedestücken verarbeitet. Zu den Gußwerkstoffen gehören die Legierungen der Gattung AlSi, AlSiMg, AlSiCu, AlMg, AlMgSi, AlCuTi, AlCuTiMg.

Aluminiumknetlegierungen

Als Aluminiumknetlegierung werden alle Aluminiumlegierungen bezeichnet, welche vor allem durch Umformen (Walzen, Strangpressen) bearbeitet werden.

Bereits geringe Zusätze der Legierungselemente Magnesium, Silicium, Kupfer, Zink, Nickel und Mangan ändern sehr stark die Eigenschaften des reinen Aluminiums. Insbesondere werden Festigkeit und Härte gesteigert, die elektrische Leitfähigkeit gesenkt, während die Umformbarkeit nur gering nachlässt. Diese Legierungen zeigen eine hohe Duktilität, man nennt sie deshalb Aluminiumknetlegierungen. Aluminiumknetlegierungen werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit und geringen Dichte als Werkstoffe für Transportbehälter sowie Konstruktionsteile im Fahrzeugbau, Flugzeugbau, und Schiffbau verwendet.

Aluminiumknetlegierungen werden in der Regel statt mit ihrer Werkstoffnummer mit einem von der Aluminum Association erstellten vierstelligen Zahlensystem bezeichnet. Dabei gibt die erste Ziffer das Hauptlegierungselement und damit die Legierungsgruppe an. Die restlichen Ziffern sind mehr oder weniger Zählnummern, die chronologisch oder in Anlehnung an bereits bestehende Legierungen vergeben werden.

Überblick über das Bezeichnungssystem von Aluminiumknetlegierungen nach EN 573-3/4
Gruppe Hauptelement Härtbarkeit Festigkeit
in N/mm2		 Bemerkungen
1xxx mind. 99 % Aluminium naturhart 70 - 190 auch Reinaluminium genannt; schweißbar; sehr korrosionsbeständig; Verwendung für Aluminiumfolie, chemische Tanks und Rohre; hohe elektrische Leitfähigkeit.
2xxx Kupfer aushärtbar 190 - 570 0,7 bis 6,8 % Cu - Verwendung in Flugzeug und Raumfahrt - hohe Festigkeit - großer Temperaturbereich. Manche Legierungen gelten aufgrund der Rissneigung beim Schweißen als nicht schweißbar - Schweißzusatz meistens 2xxx, manchmal auch 4xxx.
3xxx Mangan naturhart 100 - 350 hohe Korrosionsbeständigkeit - gute Formbarkeit - geeignet auch für höhere Temperaturen - Einsatzgebiet von Kochtöpfen über Kühler in Fahrzeugen (hier oft mit 4xxx plattiert) bis zum Kraftwerksbau. Schweißzusatz 1xxx, 4xxx und 5xxx.
4xxx Silicium aushärtbare und naturharte Legierungen 170 - 380 0,6 bis 21,5 % Si - einzige Serie, die aushärtbare und nicht aushärtbare Legierungen enthält - für die Aushärtung> ist zusätzlich die Anwesenheit von Magnesium erforderlich. Silicium reduziert den Schmelzpunkt und macht die Schmelze dünnflüssiger - ideal für Schweiß- und Lötzusätze.
5xxx Magnesium naturhart 100 - 450 0,2 bis 6,2 % Mg - höchste Festigkeiten unter den nicht aushärtbaren Aluminiumlegierungen - schweißbar - Verwendung im Schiffbau, Transport, Druckkessel, Brücken und Gebäuden. Schweißzusatz muss nach Magnesiumgehalt bestimmt werden. Aluminium aus dieser Serie mit mehr als 3,0 % Mg ist für Temperaturen über 65° nicht geeignet (Spannungsrisskorrosion) - Materialien mit weniger als ca. 2,5 % Mg können oft erfolgreich mit 5xxx oder 4xxx Schweißzusätzen geschweißt werden. 5032 wird meist als das Material mit dem höchsten Mg-Gehalt genannt, das gerade noch mit 4xxx schweißbar ist.
6xxx Magnesium und Silicium aushärtbar 100 - 450 Si und Mg um die 1 % - sehr beliebt bei Schweißkonstruktionen - Verwendung vorwiegend als Strangpressprofile - kann gut wärmebehandelt werden - sollte nicht ohne Schweißzusatz geschweißt werden (Warmrisse) - Schweißzusätze 4xxx und 5xxx.
7xxx Zink aushärtbar 220 - 700 0,8 bis 12,0 % Zn - Verwendung in Flugzeugbau, Raumfahrt, Sportgeräte; manche Legierungen sind nicht mit Lichtbogen schweißbar; Legierungen 7005 und 7020 sind gut mit 5xxx-Schweißzusätzen schweißbar, da diese beiden Legierungen kein Kupfer enthalten;
8xxx andere Elemente unterschiedlich unterschiedlich z.B. Aluminium-Lithium-Legierungen der ersten Generation.

Aufstellung typischer Aluminiumlegierungen, die in der Industrie Verwendung finden:

Aluminiumgusslegierungen

Für Gusslegierungen gilt folgende Einordnung:

Die wichtigste Aluminium-Gusssorte ist die eutektische Legierung von Aluminium und Silicium. Ihr Eutektikum liegt bei etwa 12 % Silicium und hat einen Schmelzpunkt von 576° Celsius. Diese Aluminium-Silicium-Legierung besitzt hervorragende Gießeigenschaften (Dünnflüssigkeit, geringe Schwindung) und hat hohe Festigkeit. Sie lässt sich im allgemeinen gut schweißen und ist korrosionsbeständig. Anteile an Magnesium und Kupfer erhöhen die Festigkeit, Kupfer verringert jedoch die Korrosionsbeständigkeit.

Aluminiumgusslegierungen mit diesen Elementen werden als Werkstoffe beispielsweise für Motorengehäuse und Getriebegehäuse im Fahrzeug- und Flugzeugbau verwendet.

Anwendungen

Teile der Mig-29 bestehen aus einer Al-Sc-Legierung.

Luft- und Raumfahrtlegierungen

Aluminium-Scandium

Durch den Zusatz von Scandium zu Aluminium entstehen nanoskalige Al3Sc-Niederschläge, die das übermäßige Kornwachstum in der Wärmeeinflusszone von geschweißten Aluminiumbauteilen begrenzen. Dies hat zwei vorteilhafte Effekte:

Ein zusätzlicher Vorteil von Scandium-Zusätzen zu Aluminium besteht darin, dass die nanoskaligen Al3Sc-Präzipitate, die der Legierung ihre Festigkeit verleihen, bei relativ hohen Temperaturen (~ 350 ° C) vergröberungsbeständig sind. Dies steht im Gegensatz zu typischen handelsüblichen 2xxx- und 6xxx-Legierungen, die bei Temperaturen über 250 ° C aufgrund der raschen Vergröberung ihrer festigenden Niederschläge schnell an Festigkeit verlieren.

Mit Scandiumzusätzen verstärkte Aluminiumlegierungen sind im Prinzip den herkömmlichen Superlegierungen auf Nickelbasis sehr ähnlich , da beide durch kohärente, vergröberungsbeständige Niederschläge mit einer geordneten L12-Struktur verstärkt werden. Al-Sc-Legierungen enthalten jedoch einen viel geringeren Volumenanteil an Präzipitaten, und der Abstand zwischen den Präzipitaten ist viel geringer als bei ihren Gegenstücken auf Nickelbasis. In beiden Fällen ermöglichen die gegen Vergröberung beständigen Niederschläge jedoch, dass die Legierungen ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen behalten.

Die erhöhte Betriebstemperatur von Al-Sc-Legierungen hat erhebliche Auswirkungen auf energieeffiziente Anwendungen, insbesondere in der Automobilindustrie. Diese Legierungen können dichtere Materialien wie Stahl und Titan ersetzen , die in Umgebungen mit 250 bis 350 ° C verwendet werden, z. B. in oder in der Nähe von Motoren. Der Ersatz dieser Materialien durch leichtere Aluminiumlegierungen führt zu Gewichtsreduzierungen, die wiederum zu einer erhöhten Kraftstoffeffizienz führen.


 
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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 02.02. 2024