Aluminium 2014: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen
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Umfassender Überblick
Die Legierung 2014 gehört zur 2xxx-Serie der gewalzten Aluminium-Kupfer-Legierungen, wobei Kupfer das hauptsächliche Legierungselement ist, das durch Ausscheidungshärtung die Festigkeit erhöht. Es handelt sich um eine wärmebehandelbare Legierung, die stark auf Lösungsglühen, Abschrecken und künstliches Altern reagiert, um im Vergleich zu vielen anderen Aluminiumlegierungen eine hohe Festigkeit zu entwickeln.
Hauptlegierungselemente sind Kupfer (typischerweise ~3,9–5,0 Gew.-%), ergänzt durch geringere Anteile von Mangan, Magnesium und Chrom zur Steuerung der Kornstruktur und Festigkeit. Die Legierung erreicht ihre mechanischen Eigenschaften durch die Bildung feiner Al2Cu (θ) Ausscheidungen während des Alterungsprozesses, kombiniert mit Kaltumformung, wo zutreffend, was hohe Zug- und Streckgrenzen auf Kosten von etwas Duktilität und Korrosionsbeständigkeit erzeugt.
Wesentliche Merkmale sind die sehr hohe Festigkeit für eine gewalzte Aluminiumlegierung, mäßige bis schlechte Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Umgebungen, begrenzte Schweißbarkeit ohne spezielle Verfahren sowie eine moderate Umformbarkeit in weicheren Zuständen. Typische Anwendungsbereiche für 2014 sind die Luft- und Raumfahrt für Strukturbauteile und Schmiedeteile, Verteidigung und militärische Hardware, hochfeste Komponenten im Transportwesen sowie spezialisierte Bearbeitungsanwendungen, bei denen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis entscheidend ist.
Konstrukteure wählen 2014, wenn Festigkeit und Dauerfestigkeit (im wärmebehandelten Zustand) Vorrang vor einfacher Umformbarkeit und elektrischer Leitfähigkeit haben oder wenn eine Kombination aus hoher statischer Festigkeit und Bearbeitbarkeit erforderlich ist. Die Kompromisse sind eine geringere allgemeine Korrosionsbeständigkeit und verminderte Schweißleistungen im Vergleich zu Legierungen der 5xxx- und 6xxx-Serie, wodurch die Auswahl kontextabhängig ist.
Zustandsvarianten
| Zustand | Festigkeitsniveau | Dehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Hinweise |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | vollständig weichgeglüht; am einfachsten zu formen und zu verbinden, niedrigste Festigkeit |
| H14 | Mittel | Mittel | Gut (begrenzt) | Schwierig | Kaltverfestigt; mittlere Festigkeit durch Kaltumformung |
| T5 | Mittel-Hoch | Mittel-Niedrig | Akzeptabel | Schlecht bis mäßig | Vom Warmumformen abgeschreckt und künstlich gealtert; gute Maßhaltigkeit |
| T6 | Hoch | Niedrig | Begrenzt | Schlecht | Lösungsglühen und künstliches Altern; Spitzenfestigkeit |
| T651 | Hoch | Niedrig | Begrenzt | Schlecht | T6 mit streckdehnungsrelaxierter Spannung; gebräuchlich für Luftfahrtschmiedeteile |
Die Zustandsbezeichnung hat einen wesentlichen Einfluss auf das mechanische Verhalten und die Fertigungseigenschaften von 2014: Weichgeglühtes Material (O) ist duktil und lässt sich leicht umformen, während T6/T651-Zustände die Festigkeit auf Kosten von Dehnung und Umformbarkeit maximieren. Schweiß- und hochtemperaturbasierte Verbindungstechniken erzeugen eher weiche Zonen und mikrostrukturelle Veränderungen in peak-gealterten Zuständen, weshalb Konstruktion und Nachbehandlung nach dem Schweißen sorgfältig geplant werden müssen.
Chemische Zusammensetzung
| Element | % Bereich | Hinweise |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0,5 | Geringer Verunreinigungsanteil; niedriges Si fördert Zähigkeit |
| Fe | ≤ 0,7 | Übliche Verunreinigung; zu viel Fe kann intermetallische Phasen bilden, die die Duktilität vermindern |
| Mn | 0,4–1,2 | Verfeinert die Kornstruktur und verbessert Festigkeit und Zähigkeit |
| Mg | 0,2–0,8 | Trägt in Verbindung mit Cu zur Alterungshärtung bei |
| Cu | 3,9–5,0 | Hauptlegierungselement zur Festigkeitssteigerung (bildet Al2Cu Ausscheidungen) |
| Zn | ≤ 0,25 | Gering; höherer Zinkanteil untypisch für 2xxx-Serie |
| Cr | 0,1–0,4 | Steuert Rekristallisation und Kornwachstum bei thermischer Behandlung |
| Ti | ≤ 0,15 | Kornverfeinerer für Guss- und gewalzte Produkte |
| Andere | ≤ 0,15 (jeweils) | Umfasst Spurenelemente und Reststoffe; Rest Aluminium |
Kupfer ist das entscheidende Element, das die Alterungshärtung durch die Bildung feinverteilter Al2Cu Ausscheidungen bewirkt. Mangan und Chrom wirken hauptsächlich als Mikrolegierungszusätze zur Kornstrukturkontrolle und zur Verringerung der Erweichung bei thermischer Beanspruchung. Die Kombination dieser Elemente sorgt für einen Ausgleich zwischen härtbarer Mikrostruktur und Bearbeitbarkeit, verringert jedoch die Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu reineren Aluminiumlegierungen.
Mechanische Eigenschaften
Das Zugverhalten der Legierung ist stark vom Zustand abhängig: Weichgeglühtes 2014 (O) zeigt duktile Zugkurven mit moderater Zugfestigkeit (UTS), während T6/T651 hohe UTS und ausgeprägte Streckgrenzen aufweist. Die Bruchdehnung sinkt signifikant in peak-gealterten Zuständen, typischerweise von mittleren zweistelligen Prozentwerten im Zustand O auf einstellige Werte bei T6. Blechdicke und vorherige Verarbeitung (Strangpressen, Walzen, Schmieden) beeinflussen ferner das Kaltverfestigungsverhalten und Festigkeitsgradienten quer zur Querschnittsfläche.
Die Härte folgt dem gleichen Trend wie die Zugfestigkeit; Brinell- oder Rockwell-Härtewerte sind in den Zuständen T6/T651 deutlich höher als in den weichgeglühten (O) oder H-Zuständen. Die Dauerfestigkeit von 2014 im T6-Zustand ist für Aluminiumlegierungen allgemein gut, wenn Oberflächen gut bearbeitet und Druckeigenspannungen vorhanden sind; jedoch können Korrosionsermüdung und Spannungsrisskorrosion die Lebensdauer im Einsatz begrenzen. Dickere Bauteile können höhere Restfestigkeiten im Betrieb bewahren, aber Eigenspannungen und mikrostrukturelle Inhomogenitäten können auch Bruchzähigkeit und Rissausbreitung beeinflussen.
| Eigenschaft | O/Weichgeglüht | Wesentlicher Zustand (T6/T651) | Hinweise |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | 180–260 MPa | 420–480 MPa | Zugfestigkeit steigt erheblich durch Lösungsglühen und Alterung |
| Streckgrenze (0,2 % Dehngrenze) | 70–150 MPa | 340–410 MPa | Streckgrenze in T6 erreicht mittlere bis hohe Hunderter MPa |
| Dehnung (A%) | 20–30 % | 4–10 % | Duktilität wird zugunsten von Festigkeit in wärmebehandelten Zuständen geopfert |
| Härte (HB) | 40–70 HB | 120–150 HB | Härte korreliert mit Ausscheidungsdichte und Zustand |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Hinweise |
|---|---|---|
| Dichte | 2,78 g/cm³ | Typisch für Al-Cu-Guss- und gewalzte Legierungen |
| Schmelzbereich | Solidus ~500–515°C; Liquidus ~635–645°C | Legierung verschiebt den Solidus gegenüber reinem Aluminium nach unten |
| Wärmeleitfähigkeit | ~120–150 W/m·K | Niedriger als bei reinem Aluminium aufgrund der Legierung; abhängig von Zustand und Korngröße |
| Elektrische Leitfähigkeit | ~30–40 % IACS | Reduziert durch Kupfer und andere Legierungselemente im Vergleich zu reinem Aluminium |
| Spezifische Wärmekapazität | ~880 J/kg·K (0,88 J/g·K) | Typischer Wert für Aluminium |
| Wärmeausdehnung | ~23,5–24,0 µm/m·K | Ähnlicher Ausdehnungskoeffizient wie bei anderen Aluminiumlegierungen; Auslegung für differentielle Ausdehnung erforderlich |
Die physikalischen Eigenschaften spiegeln den Kompromiss durch Legierung zur Festigkeitssteigerung wider. Thermische und elektrische Leitfähigkeit sind gegenüber reinem Aluminium deutlich reduziert, weshalb 2014 nicht typischerweise für Hauptleiter oder Hochleistungs-Wärmeableiter verwendet wird, sofern nicht die mechanische Festigkeit überwiegt. Die Dichte bleibt im Vergleich zu Stählen niedrig, was zu einem hohen spezifischen Festigkeitsmaß führt, das in Luftfahrt- und Transportanwendungen wertvoll ist.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Übliche Zustände | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Blech | 0,3–6,0 mm | Walzen erzeugt starke, gleichmäßige Eigenschaften | O, H14, T3, T6 | Dünnblech, verwendet wenn auf Umformen eine Bearbeitung folgt |
| Platte | 6–100+ mm | Dicke Querschnitte sind empfindlich gegenüber Abschreckgeschwindigkeit und Eigenspannungen | T6, T651 | Dicke Platte erfordert sorgfältige Lösungsglühung und Abschreckkontrolle |
| Strangpressprofil | Querschnitte bis mehrere hundert mm² | Strangpressfluss beeinflusst Ausscheidungsverteilung | O, T5, T6 (nach Wärmebehandlung) | Komplexe Profile möglich, Wärmebehandlung dickerer Profile ist jedoch aufwendig |
| Rohr | Außendurchmesser bis einige hundert mm | Schweiß- und Nahtqualität wichtig für Druckanwendungen | O, T6 | Gezogene oder geschweißte Rohre; Festigkeit variiert mit Wandstärke |
| Stab/Rundstahl | Durchmesser 5–200 mm | Bearbeitbarkeit und Festigkeitsausgleich für Verbindungselemente/Schmiedeteile | O, T6, T651 | Häufig für bearbeitete Bauteile und geschmiedete Formstücke |
Die Form beeinflusst die erzielbaren Eigenschaften: Dünnere Produkte kühlen beim Abschrecken schneller ab, was eine vollständigere Erhaltung der übersättigten Legierungselemente ermöglicht und somit eine höhere Ansprechbarkeit auf künstliches Altern bewirkt. Platten und schwere Schmiedestücke sind empfindlicher gegenüber Querschnittsgröße und Abschreckgeschwindigkeit und erfordern häufig T651 (gespannt und gealtert), um Eigenspannungen zu kontrollieren. Stranggepresste und gezogene Formen können vor der Wärmebehandlung nahezu in Endform gebracht werden, um Verzugserscheinungen während Abschreck- und Alterungsprozessen zu minimieren.
Äquivalente Legierungen
| Norm | Legierung | Region | Hinweise |
|---|---|---|---|
| AA | 2014 | USA | Bezeichnung der American Aluminum Association, häufig in Spezifikationen verwendet |
| EN AW | 2014 | Europa | EN AW-2014 entspricht AA2014 mit ähnlicher Zusammensetzung und Zuständen |
| JIS | A2014 | Japan | Japanische Bezeichnung A2014 entspricht weitgehend den AA2014-Normen |
| GB/T | 2A14 | China | Chinesischer Standard 2A14 entspricht den chemischen und mechanischen Grenzwerten von AA2014 |
Die Äquivalenz zwischen Normen ist hinsichtlich chemischer Spezifikation und Zustandsbezeichnungen meist eng, jedoch können zulässige Toleranzen, Prüfverfahren und mechanische Grenzwerte leicht variieren. Einkäufer sollten bei internationaler Beschaffung die Wärmebehandlungszustände (z. B. geringfügige Unterschiede in Akzeptanzkriterien von T6 vs. T651) und Prüfanforderungen prüfen, um Diskrepanzen in den Eigenschaftserwartungen zu vermeiden.
Korrosionsbeständigkeit
Im atmosphärischen Einsatz zeigt 2014 eine moderate Korrosionsbeständigkeit; es verhält sich in geschützten, mild korrosiven Umgebungen akzeptabel, ist jedoch weniger korrosionsbeständig als Al-Mg-Legierungen der 5xxx-Reihe und Al-Mg-Si-Legierungen der 6xxx-Reihe. Der hohe Kupferanteil steigert die galvanische Aktivität und die Bildung lokaler Zellen, weshalb ein Lack- oder Kladden-Schutz bei längerem Aufenthalt im Freien empfohlen wird. Oberflächenbehandlungen, Kladden (zum Beispiel Alclad) und inhibitorische Beschichtungen werden häufig eingesetzt, um allgemeine Korrosion zu verringern.
In marinen oder chloridreichen Umgebungen ist die Legierung 2014 anfälliger für Loch- und Spaltkorrosion im Vergleich zu 5xxx- und 6xxx-Legierungen. Spannungsrisskorrosion (SCC) stellt bei kupferhaltigen 2xxx-Aluminiumlegierungen unter Zugbelastung und korrosiven Medien ein Problem dar; peak-gealterte Zustände (T6/T651) sind besonders empfindlich und erfordern konservative Konstruktionsprinzipien sowie Inspektionen in aggressiven Umgebungen. Schutzkonzepte, Materialwahl und kathodische/anodische Maßnahmen sind erforderlich, wenn 2014 für marine Nähe spezifiziert wird.
Galvanische Wechselwirkungen sind zu beachten, da 2014 durch den höheren Kupfergehalt eine höhere Ruhespannung aufweist, wodurch es gegenüber vielen reinen Aluminiumlegierungen kathodisch und gegenüber Edelstahl je nach Elektrolyt anodisch sein kann. Beim Kombinieren mit anderen Metallen sollten isolierende Materialien und kompatible Verbindungselemente oder Schutzbeschichtungen verwendet werden, um Risiken zu minimieren. Im Vergleich mit hochfesten Legierungen der 7xxx-Reihe zeigt 2014 in der Regel eine bessere Zähigkeit, besitzt aber eine vergleichbare oder leicht schlechtere Korrosionsbeständigkeit, weshalb die Auswahl meist eine Abwägung zwischen Festigkeit, Korrosionsschutz und Fertigungseigenschaften darstellt.
Fertigungseigenschaften
Schweißbarkeit
Das Schweißen von 2014 ist aufgrund des hohen Kupfergehalts und der ausscheidungshärtenden Mikrostruktur schwierig; Lichtbogenschweißen (MIG/TIG) führt oft zu einer Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) und kann unter ungünstigen Bedingungen Heißrisse verursachen. Für geschweißte Baugruppen wird häufig mechanisches Fügen oder Kleben bevorzugt; wenn Schweißen unvermeidlich ist, kommen spezielle Zusatzwerkstoffe sowie Vor- und Nachwärmbehandlungen zum Einsatz, um die Eigenschaften wiederherzustellen. Widerstands-schweißen und Löten sind alternative Fügeverfahren, erfordern aber jeweils eine Qualifikation bezüglich Spannungsrisskorrosion und Korrosionsverhalten.
Bearbeitbarkeit
Legierung 2014 gehört zu den besser zerspanbaren hochfesten Aluminiumlegierungen; in den Zuständen T6 und T651 lässt sie sich sauber mit hoher Oberflächengüte und guter Maßhaltigkeit bearbeiten. Werkzeugstähle wie Hartmetall oder beschichteter Hartmetall werden bei moderaten Schnittgeschwindigkeiten mit positiv gestellten Schneidgeometrien verwendet, um Spanfluss zu kontrollieren und Aufbauschneiden zu vermeiden. Die vergleichsweise geringe Kaltverfestigung und stabile Spanbildung fördern die Produktivität, Kühlung und Spanabfuhr sind jedoch wichtig, um Werkzeugstandzeit und Oberflächenqualität zu erhalten.
Umformbarkeit
Die Umformbarkeit ist am besten in den O- und weicheren H-Zuständen; peak-gealterte Zustände weisen begrenzte Biegefähigkeit auf und erfordern größere Radien, um Risse zu vermeiden. Typische empfohlene Mindest-Biegeradien für T6-Blech liegen im Bereich von 3–6× Blechdicke, abhängig von Biegerichtung und Werkzeug, während O-Zustand in vielen Fällen 1–3× Blechdicke ermöglicht. Warmumformen und inkrementelle Umformverfahren können die Ergebnisse verbessern, doch ist anzuraten, vor der finalen Wärmebehandlung zu formen, wenn hohe Festigkeit benötigt wird.
Wärmebehandlungsverhalten
Als wärmebehandelbare Legierung wird 2014 durch Lösungsglühen, Abschrecken und künstliches Altern auf Höchstfestigkeit eingestellt. Typische Lösungsglühtemperaturen liegen bei etwa 495–505°C (abhängig vom Querschnitt), wobei kupferhaltige Phasen in eine übersättigte feste Lösung übergehen; schnelles Abschrecken auf Raumtemperatur ist notwendig, um das Legierungselement in Lösung zu halten vor dem Altern. Unzureichende Abschreckgeschwindigkeit in dicken Querschnitten kann zu inhomogenen Eigenschaften wegen teilweiser Ausscheidung während des Abkühlens führen.
Künstliches Altern (T6) erfolgt meist bei etwa 160–190°C für mehrere Stunden, um fein verteilte Al2Cu-Phasen auszuscheiden, die die Festigkeit maximieren. Der Zustand T5 (abgekühlt nach Warmumformung und künstlich gealtert) bietet gute Maßhaltigkeit ohne vollständiges Lösungsglühen. T651 bedeutet lösungsgeglüht, durch Strecken entspannter und anschließend künstlich gealtert zur Verbesserung der Geradheit und Verringerung von Eigenspannungen; dieser Zustand ist üblich in der Luftfahrt und bei präzisionsbearbeiteten Bauteilen.
Überalterung reduziert die Festigkeit, kann aber Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessern; Konstrukteure spezifizieren manchmal Unter- oder Überalterungszustände, wenn Spannungsrisskorrosion oder Spannungsrelaxation relevant sind. Da die WEZ beim Schweißen durch Lösungsglühen und Alterungsreaktionen erweicht wird, sind oft Nachwärmebehandlungen oder mechanische Reparaturen erforderlich, um die ursprünglichen mechanischen Eigenschaften wiederherzustellen.
Hochtemperatureigenschaften
2014 verliert mit steigender Temperatur zunehmend Zug- und Streckgrenze, da Ausscheidungen wachsen und die feste Lösung erweicht; die nutzbare Festigkeit nimmt oberhalb von etwa 150–200°C je nach Zustand und Verweildauer deutlich ab. Langzeitbelastung bei erhöhten Temperaturen führt zu signifikanter Überalterung und Festigkeitsverlust, weshalb die zulässige Dauereinsatztemperatur für strukturelle Anwendungen moderat begrenzt ist.
Die Oxidation von Aluminiumlegierungen bei hohen Temperaturen ist im Vergleich zu Stählen relativ gering, jedoch können schützende Oxidfilme durch Legierungselemente und thermische Beanspruchung beeinträchtigt werden. Die Wärmeeinflusszone in Schweißnähten erfährt bei thermischen Belastungen mikrostrukturelle Veränderungen, die die Rissinitiierung unter zyklischer oder mechanischer Beanspruchung begünstigen können. Für hochtemperaturfeste Strukturbauteile werden in der Regel Speziallegierungen mit besserer Festigkeitserhaltung bei Temperatur bevorzugt gegenüber 2014.
Anwendungsgebiete
| Branche | Beispielkomponente | Warum 2014 verwendet wird |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Fittings, Schmiedeteile, Flügelholme | Hohes Festigkeits-zu-Gewicht-Verhältnis und gute Ermüdungsbeständigkeit in T6/T651 |
| Automobilindustrie | Hochfeste bearbeitete Halterungen, Struktureinsätze | Festigkeit und Bearbeitbarkeit für sicherheitskritische Bauteile |
| Verteidigung | Panzermontagen, Waffenhalterungen | Hohe statische Festigkeit und Belastungsbeständigkeit |
| Elektronik | Strukturrahmen und hochfeste Gehäuse | Dimensionsstabilität und Bearbeitbarkeit für Präzisionsteile |
2014 bleibt wertvoll dort, wo hochfester umgearbeiteter Aluminiumwerkstoff benötigt wird und eine bearbeitete Oberfläche, Dimensionsstabilität sowie Ermüdungsbeständigkeit wichtiger sind als überlegene Korrosionsbeständigkeit. Die Kombination aus ausscheidungshärtbarer Legierung und guter Bearbeitbarkeit macht es zu einem Arbeitspferd für präzise Strukturbauteile, insbesondere in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung.
Auswahlhinweise
Verwenden Sie 2014, wenn im Design hohe Streck- und Zugfestigkeit in Kombination mit guter Bearbeitbarkeit Priorität haben und eine nachfolgende Wärmebehandlung oder enge Maßtoleranzen akzeptabel sind. O- oder H-Legierungen sollten nur spezifiziert werden, wenn vor dem endgültigen Härten oder der Bearbeitung umfangreiches Umformen erforderlich ist.
Im Vergleich zu kommerziell reinem Aluminium (z. B. 1100): Tauscht 2014 elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie gute Umformbarkeit gegen deutlich höhere Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit ein. Im Vergleich zu üblichen kaltverfestigten Legierungen (z. B. 3003 / 5052): Bietet 2014 deutlich höhere Höchstfestigkeit, jedoch typischerweise geringere Korrosionsbeständigkeit und etwas erschwerte Umformbarkeit. Im Vergleich zu gängigen ausscheidungshärtbaren Legierungen (z. B. 6061 / 6063): Liefert 2014 häufig höhere Festigkeiten im Zustand T6/T651 für spezifische Anwendungen, aber auf Kosten reduzierter Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit; wählen Sie 2014, wenn Festigkeit und Bearbeitbarkeit diese Nachteile überwiegen.
Praktische Auswahlkriterien: Berücksichtigen Sie das Einsatzumfeld (Korrosions- und Spannungsrisskorrosionsrisiko), erforderliche Fügeverfahren (Schweißen vs. mechanische Verbindung) sowie die Möglichkeit von nachgelagerter Wärmebehandlung oder Oberflächenbeschichtung. Für globalen Einkauf bestätigen Sie Legierungszustand und Normäquivalenzen, um sicherzustellen, dass das gelieferte Material die geforderte mechanische Festigkeit und Korrosionsleistung erfüllt.
Zusammenfassung
Die Legierung 2014 bleibt eine hochwertige Wahl für Anwendungen, die eine Kombination aus hoher Festigkeit, guter Bearbeitbarkeit und stabilen Alterungseigenschaften erfordern, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigungstechnik. Die kupferbasierte Ausscheidungshärtung ermöglicht eine strukturelle Leistung, die viele Standardlegierungen übertrifft, erfordert jedoch eine sorgfältige Steuerung von Korrosionsschutz, Schweißverfahren und Wärmebehandlung, um eine optimale Lebensdauer zu gewährleisten.