Vom Smartphone in der Hosentasche bis zu den Flugzeugen am Himmel – Aluminium spielt eine bedeutende Rolle in der modernen Technik und Fertigung. Es bietet zahlreiche Vorteile wie geringes Gewicht, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Doch Aluminium ist nicht gleich Aluminium. Das Metall wird üblicherweise mit anderen Elementen zu Legierungen vermischt, die jeweils spezifische Eigenschaften aufweisen. Dieser Leitfaden erläutert die verschiedenen Aluminiumarten in der Rapid-Prototyping-Industrie.
Aluminiumarten: Geschmiedetes und gegossenes Aluminium
Alle Aluminiumlegierungen lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: gewalztes und gegossenes Aluminium. Der Unterschied liegt in der Art ihrer Verarbeitung bis zur endgültigen Form.
Geschmiedetes Aluminium
Knetlegierungen werden mechanisch bearbeitet, gewalzt, extrudiert oder geschmiedet, um die gewünschte Form und verbesserte mechanische Eigenschaften zu erzielen. Durch diese Bearbeitung wird das Korngefüge des Metalls ausgerichtet, was im Vergleich zu gegossenen Aluminiumlegierungen zu einer höheren Zugfestigkeit und Duktilität führt. Knetlegierungen sind die gebräuchlichste Art und machen den Großteil der Aluminiumprodukte aus.
Sie werden durch ein 4-stelliges Nummerierungssystem (z. B. 7075, 6061) identifiziert, das von der Aluminum Association festgelegt wurde.
- Erste Ziffer: Gibt das wichtigste Legierungselement oder die wichtigste Legierungsreihe an.
- Zweite Ziffer: Kennzeichnet eine Modifikation der ursprünglichen Legierung.
- Dritte und vierte Ziffer: Identifizieren Sie die spezifische Legierung innerhalb der Reihe.
Gegossenes Aluminium
Gusslegierungen werden hergestellt, indem Aluminium geschmolzen und in eine Form gegossen wird, um eine bestimmte Form zu erhalten. Dieses Verfahren eignet sich gut für die Fertigung komplexer Geometrien wie Motorblöcke oder Getriebegehäuse. Obwohl sie eine geringere Zugfestigkeit als gewalzte Aluminiumlegierungen aufweisen, sind sie für die Massenproduktion kostengünstig.
Sie werden durch ein dreistelliges System mit Dezimalpunkt identifiziert (z. B. 356.0).
- Erste Ziffer: Gibt die Legierungsreihe an.
- Zweite und dritte Ziffer: Geben Sie die genaue Legierung an.
- Ziffer nach dem Komma: Gibt die Form an (Gussstück oder Barren).
| Funktion | Geschmiedetes Aluminium | Aluminium-Guss |
| Produktionsmethode | Mechanisch bearbeitet (gewalzt, extrudiert, geschmiedet) | Geschmolzen und in eine Form gegossen |
| Zugfestigkeit | Höher | Senken |
| Formbarkeit | Ausgezeichnet | Senken |
| Oberflächengüte | Glatter und gleichmäßiger | Kann ohne Nachbearbeitung rauer sein. |
| Komplexität der Form | Besser geeignet für einfachere, einheitliche Formen | Hervorragend geeignet für komplexe, filigrane Formen |
| Kosten | Kann bei komplexen Teilen höher sein. | Kostengünstiger für große Stückzahlen und komplexe Teile |
| Typische Anwendungen | Strukturbauteile, Bleche, Strangpressprofile | Motorblöcke, Kolben, Maschinengehäuse |
Sorten von Aluminium-Knetlegierungen
Die Reihe der Knetlegierungen ist die umfangreichste und wird nach dem primären Legierungselement unterteilt, das die Kerneigenschaften des Materials bestimmt.
1000 Serie
Diese Legierungen bestehen zu mindestens 99 % aus reinem Aluminium, wobei Spuren von Eisen und Silizium die Hauptverunreinigungen darstellen. Sie lassen sich nicht durch Wärmebehandlung, sondern nur durch Kaltverfestigung oder Kaltumformung härten. Ihre Reinheit verleiht ihnen eine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber chemischen Einflüssen und Witterungseinflüssen sowie eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit. Aluminium 1100 ist eine handelsübliche Reinstlegierung, die für ihre ausgezeichnete Verarbeitbarkeit bekannt ist und sich daher ideal für die Herstellung komplexer Formen eignet. Sie findet breite Anwendung in der chemischen Industrie und der Lebensmittelverarbeitung für Lagertanks und Behälter. Aluminium 1350 ist eine spezielle Legierung mit kontrollierter Reinheit, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit gewährleistet und daher der Standard für Stromschienen und Leitungen ist.
Vorteile:
- Außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit: Durch seine hohe Reinheit ist es äußerst beständig gegen chemische Angriffe und Witterungseinflüsse.
- Hervorragende Verarbeitbarkeit: Es ist sehr weich und dehnbar, wodurch es sich leicht in komplexe Formen bringen lässt.
- Hohe Leitfähigkeit: Es besitzt eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit und ist daher ideal für entsprechende Anwendungen geeignet.
Nachteile:
- Sehr geringe Festigkeit: Es besitzt die geringste mechanische Festigkeit aller Aluminiumlegierungen, was seinen Einsatz im konstruktiven Bereich einschränkt.
- Nicht wärmebehandelbar: Seine Festigkeit kann nur durch Kaltverformung (Kaltverfestigung) erhöht werden.
- Schlechte Bearbeitbarkeit: Aufgrund seiner Weichheit kann es „klebrig“ werden und lässt sich nur schwer sauber bearbeiten.
2000 Serie
Kupfer ist das wichtigste Legierungselement dieser Reihe und verleiht den Legierungen durch Lösungsglühen und Ausscheidungshärtung eine hohe Festigkeit. Sie weisen eines der besten Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse aller Aluminiumlegierungen auf und sind mit dem von Baustahl vergleichbar. Aufgrund des Kupferanteils sind sie jedoch korrosionsanfälliger, weshalb häufig eine Schutzbeschichtung oder -plattierung aus einer reineren Aluminiumlegierung (Alclad) erforderlich ist. Zudem sind sie bekanntermaßen schwer mit Schmelzschweißverfahren zu schweißen, da dies zu Rissen führen kann. Aluminium 2024 ist die ideale Flugzeuglegierung und wird aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ausgezeichneten Dauerfestigkeit geschätzt. Sie ist das bevorzugte Material für zugbeanspruchte Strukturen wie Rümpfe und Flügelbeplankungen. Aluminium 2011, mit Zusätzen von Blei und Wismut, ist als Automatenlegierung bekannt und für die Herstellung komplexer Teile auf automatischen Drehmaschinen konzipiert.
Vorteile:
- Sehr hohe Festigkeit: Nach der Wärmebehandlung kann seine Festigkeit mit der von Baustahl vergleichbar sein.
- Ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Es bietet eine hohe Festigkeit bei sehr geringem Gewicht, was für die Luft- und Raumfahrt von entscheidender Bedeutung ist.
- Hohe Dauerfestigkeit: Es hält wiederholten Belastungszyklen stand, ohne zu versagen, und ist daher langlebig.
Nachteile:
- Schlechte Korrosionsbeständigkeit: Durch das Vorhandensein von Kupfer ist das Material anfällig für Korrosion, weshalb häufig Schutzbeschichtungen erforderlich sind.
- Schlechte Schweißbarkeit: Es ist schwierig, es mit Schmelzverfahren zu schweißen, da es anfällig für Rissbildung ist.
- Höhere Kosten: Es handelt sich um spezielle Hochleistungslegierungen, die teurer sind als Allzwecklegierungen.
3000 Serie
Mangan ist das wichtigste Legierungselement dieser Reihe und sorgt für eine moderate Festigkeitssteigerung gegenüber der 1000er-Reihe. Diese Legierungen sind nicht wärmebehandelbar und erreichen ihre Festigkeit durch Kaltverfestigung. Sie behalten die hervorragende Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit von Reinaluminium bei und sind daher eine beliebte Wahl für allgemeine Anwendungen. Aluminium 3003 ist die am weitesten verbreitete aller Aluminiumlegierungen. Es ist etwa 20 % fester als die Sorte 1100 und somit ein praktisches und wirtschaftliches Material für Kochgeschirr, Lagertanks und Wärmetauscher. Aluminium 3004, mit Magnesiumzusatz, ist fester als 3003 und die Hauptlegierung für die Herstellung von Aluminium-Getränkedosen.
Vorteile:
- Gute Formbarkeit: Es ist sehr gut verarbeitbar und kann leicht in verschiedene Formen gebracht werden.
- Gute Korrosionsbeständigkeit: Es behält einen Großteil der Korrosionsbeständigkeit von Reinaluminium bei.
- Wirtschaftlich: Es bietet ein gutes Verhältnis von Eigenschaften zu relativ niedrigen Kosten für den allgemeinen Gebrauch.
Nachteile:
- Mittlere Stärke: Ihre Stärke ist nur geringfügig höher als die der 1xxx-Serie.
- Nicht wärmebehandelbar: Wie die 1xxx-Serie kann es nur durch Kaltverformung gehärtet werden.
4000 Serie
Die Zugabe von Silizium senkt den Schmelzpunkt von Aluminium deutlich und erhöht seine Fließfähigkeit im geschmolzenen Zustand, ohne das Metall spröde zu machen. Diese einzigartige Eigenschaft macht die Legierungen der 4000er-Serie ideal für Fügeanwendungen. Die meisten Legierungen dieser Serie sind nicht wärmebehandelbar, einige mit Kupfer- oder Magnesiumzusatz können jedoch wärmebehandelt werden.
Die Legierung 4043 zählt zu den beliebtesten Schweißzusatzwerkstoffen, insbesondere zum Verbinden von Legierungen der 6xxx-Serie. Ihre hervorragenden Fließeigenschaften gewährleisten eine saubere und feste Verbindung. Die Legierung 4032, die zusätzlich Magnesium und Nickel enthält, ist wärmebehandelbar und weist einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch sie sich besonders für geschmiedete Hochleistungsmotorkolben eignet.
Vorteile:
- Hervorragend geeignet zum Schweißen/Löten: Durch seinen niedrigen Schmelzpunkt ist es ein ideales Füllmaterial zum Verbinden anderer Aluminiumlegierungen.
- Gute Fließfähigkeit: Im geschmolzenen Zustand fließt es sehr gut und gewährleistet so eine vollständige und starke Verbindung.
- Geringe Wärmeausdehnung: Bestimmte Legierungen dieser Reihe (wie 4032) werden wegen ihrer Dimensionsstabilität bei hohen Temperaturen geschätzt.
Nachteile:
- Nicht für tragende Konstruktionen geeignet: Es wird im Allgemeinen nicht für primäre tragende Bauteile verwendet.
- Geringe Duktilität: Es ist spröder als viele andere Aluminiumlegierungen.
- Mangelhaftes Anodisierungsergebnis: Der hohe Siliziumgehalt kann dazu führen, dass die Oberfläche nach dem Anodisieren dunkelgrau oder schwarz wird.
5000 Serie
Magnesium ist das wichtigste Legierungselement und sorgt für eine optimale Kombination aus Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit. Diese Legierungen werden durch Kaltverfestigung und Mischkristallverfestigung verstärkt und weisen die höchste Festigkeit aller nicht wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen auf. Sie sind besonders korrosionsbeständig in maritimen Umgebungen.
Aluminium 5052 ist ein äußerst vielseitiger Werkstoff mit hervorragender Umformbarkeit und Haltbarkeit. Er ist ein bevorzugtes Material für Anwendungen im Schiffbau, für Treibstofftanks und die allgemeine Blechbearbeitung. Aluminium 5083 bietet eine noch höhere Festigkeit und wird für anspruchsvollere Anwendungen wie den Schiffbau, den Schienenfahrzeugbau und den Druckbehälterbau eingesetzt.
Vorteile:
- Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit: Es ist äußerst beständig gegen Korrosion, insbesondere in Salzwasserumgebungen.
- Hohe Festigkeit (nicht wärmebehandelbar): Es besitzt die höchste Festigkeit aller nicht wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen.
- Gute Schweißbarkeit: Es lässt sich problemlos schweißen und behält dabei einen Großteil seiner Festigkeit in der Schweißzone.
Nachteile:
- Anfällig für Spannungsrisskorrosion (SCC): Längere Einwirkung von Temperaturen über 150°F (65°C) kann es anfällig für SCC machen.
- Nicht wärmebehandelbar: Die Festigkeit kann nur durch Kaltverfestigung erhöht werden.
- Schwieriger zu extrudieren: Im Vergleich zur 6xxx-Serie eignet es sich weniger für die Herstellung komplexer extrudierter Formen.
6000 Serie
Diese Legierungsreihe enthält Magnesium und Silizium, die zusammen Magnesiumsilicid bilden. Diese Verbindung ermöglicht es den Legierungen, durch Lösungsglühen und künstliche Alterung (Ausscheidungshärtung) ihre Streckgrenze deutlich zu erhöhen. Diese Legierungen zeichnen sich durch hervorragende Strangpressbarkeit, gute Festigkeit, Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Allerdings können sie beim Schweißen zu Rissbildung neigen. Aluminium 6061 ist eine der vielseitigsten und am weitesten verbreiteten wärmebehandelbaren Legierungen. Es bietet eine hervorragende Kombination mechanischer Eigenschaften und wird für eine Vielzahl von Produkten eingesetzt, darunter Fahrradrahmen, Bauteile und Tauchflaschen. Aluminium 6063 ist aufgrund seiner überlegenen Oberflächengüte und hohen Korrosionsbeständigkeit als „Architekturlegierung“ bekannt und eignet sich daher ideal für Strangpressprofile wie Fenster- und Türrahmen.
Vorteile:
- Wärmebehandelbar: Durch Wärmebehandlung kann seine Festigkeit deutlich erhöht werden.
- Hervorragend für Extrusionen geeignet: Es handelt sich um die am einfachsten zu extrudierende Legierungsserie für komplexe Formen, und sie weist eine hervorragende Oberflächengüte auf.
Nachteile:
- Mittlere Stärke: Sie ist nicht so stark wie die Serien 2xxx und 7xxx.
- Verminderte Festigkeit nach dem Schweißen: Der Bereich um eine Schweißnaht verliert einen erheblichen Teil seiner Festigkeit, bis er erneut wärmebehandelt wird.
- Neigung zur Rissbildung: Bestimmte Schweißverfahren können zu Rissen führen, wenn sie nicht ordnungsgemäß durchgeführt werden.
7000 Serie
Zink ist das wichtigste Legierungselement dieser Serie, oft in Kombination mit Magnesium und Kupfer. Durch diese Zusätze erreichen die Legierungen der 7xxx-Serie die höchsten Festigkeiten aller Aluminiumlegierungen. Ihr außergewöhnliches Festigkeits-Gewichts-Verhältnis macht sie unverzichtbar für Hochleistungsanwendungen. Diese hohe Festigkeit geht jedoch mit einer geringeren Bruchzähigkeit und schlechter Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion einher, obwohl neuere Härteverfahren diese Eigenschaften verbessert haben. Zudem sind sie schwer schweißbar. Aluminium 7075 gilt als Referenzlegierung für Flugzeugbauteile und wird für hochbelastete Bauteile wie Tragflächenholme und Fahrwerke verwendet. Aluminium 7050 ist eine weiterentwickelte Legierung, die ein besseres Verhältnis von Festigkeit, Bruchzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bietet, insbesondere in dicken Querschnitten. Dadurch eignet sie sich ideal für Flugzeugrümpfe und Spanten.
Vorteile:
- Höchste Festigkeit: Dies sind die stärksten aller Aluminiumlegierungen, mit Festigkeitswerten, die einige Stahlsorten übertreffen können.
- Ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Es bietet die beste Leistung für Anwendungen, bei denen Gewicht und Festigkeit entscheidend sind.
- Gute Bearbeitbarkeit: Es kann mit sehr hoher Präzision und Oberflächengüte bearbeitet werden.
Nachteile:
- Schlechte Schweißbarkeit: Es ist sehr schwer zu schweißen und wird für Schmelzschweißverfahren nicht empfohlen.
- Höhere Kosten: Aufgrund der Legierungselemente und der Verarbeitungsanforderungen zählt sie zu den teuersten Aluminiumlegierungen.
- Geringere Korrosionsbeständigkeit: Es ist anfälliger für Korrosion und Spannungsrisskorrosion als die Serien 5xxx und 6xxx.
Gängige Güteklassen für die CNC-Bearbeitung
Bei der computergesteuerten numerischen Bearbeitung (CNC) müssen die Eigenschaften einer Legierung es ermöglichen, dass sie sauber und ohne übermäßigen Werkzeugverschleiß geschnitten werden kann.
| Legierung | Relative Strength | Bearbeitbarkeit | Korrosionsbeständigkeit | Schweißbarkeit | Typische Anwendung |
| 6061-T6 | Hoch | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Gut | Allgemeine Struktur- und Bearbeitungsteile |
| 7075-T6 | Höchste | Gut | Fair | schlecht | Luft- und Raumfahrt, hochbelastete Komponenten |
| 2024-T4 | Sehr hoch | Gut | schlecht | schlecht | Flugzeugstrukturen, hochermüdungsbeanspruchte Teile |
| 5052-H32 | Medium | Fair | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Marinekomponenten, elektronisches Chassis |
| MIC-6 | Niedrig | Ausgezeichnet | Gut | Fair | Hochpräzisionswerkzeuge, Grundplatten |
Gängige Werkstoffgüten für die Blechbearbeitung
Bei der Blechbearbeitung, die Biegen und Umformen umfasst, ist die Duktilität einer Legierung von größter Bedeutung, um Risse zu vermeiden.
| Legierung | Relative Strength | Formbarkeit | Korrosionsbeständigkeit | Schweißbarkeit | Typische Anwendung |
| 5052-H32 | Medium | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Schiffsteile, Gehäuse, Tanks |
| 6061-T6 | Hoch | Fair | Ausgezeichnet | Gut | Strukturelle Anwendungen, die ein Biegen erfordern |
Welche Aluminiumsorte ist die stärkste?
Im Allgemeinen zählen die Legierungen der 7000er-Serie zu den stärksten handelsüblichen Aluminiumlegierungen. Aluminium 7075-T6 (nach einer speziellen Wärmebehandlung) weist eine Zugfestigkeit auf, die viele Stahlsorten übertrifft, und das bei nur einem Drittel des Gewichts.
Allerdings bedeutet „am stärksten“ nicht immer „am besten“. Die extreme Festigkeit von Legierungen der 7000er-Serie hat ihren Preis:
- Geringere Korrosionsbeständigkeit: Sie sind anfälliger für Korrosion als 5000er oder 6000er Legierungen.
- Schlechte Schweißbarkeit: Sie sind mit herkömmlichen Methoden schwer zu schweißen.
- Höhere Kosten: Sie sind teurer in der Herstellung.
Die Wahl der Legierung ist stets eine ingenieurtechnische Entscheidung, bei der die erforderliche Festigkeit mit anderen kritischen Faktoren wie Haltbarkeit, Herstellbarkeit und Kosten in Einklang gebracht werden muss.
