Aluminium 2118: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungsgebiete

Umfassender Überblick

Legierung 2118 gehört zur 2xxx-Serie der Aluminium-Kupfer-Legierungen, deren Hauptlegierungselement Kupfer ist. Diese Familie ist wärmebehandelbar und wurde entwickelt, um durch Ausscheidungshärtung erhöhte Festigkeiten zu erzielen, wobei Kupfer und geringe Legierungszusätze so abgestimmt sind, dass während der Alterung härtende Ausscheidungen gebildet werden.

Die wichtigsten Legierungselemente in 2118 sind Kupfer sowie zusätzlich Magnesium, Mangan und Spurenelemente wie Eisen, Silizium, Chrom und Titan. Die Kombination erzeugt eine hohe spezifische Festigkeit und gute Ermüdungsbeständigkeit im Vergleich zu nicht wärmebehandelbaren und handelsüblichen reinen Aluminiumqualitäten.

Die Verstärkung wird hauptsächlich durch Lösungsglühen, Abschrecken und künstliche Alterung erreicht, um feine Al2Cu-basierte Ausscheidungen zu entwickeln; dies führt zu höheren Höchstfestigkeiten als bei durch Kaltverformung gehärteten Legierungen, macht jedoch die Eigenschaften empfindlicher gegenüber thermischer Beanspruchung. Wichtige Merkmale sind hohe Zug- und Ermüdungsfestigkeit, mäßige Korrosionsbeständigkeit, die typischerweise Schutzbeschichtungen für raue Umgebungen erfordert, sowie eine eingeschränkte Schweißbarkeit im Vergleich zu 5xxx/6xxx-Legierungen, sofern nicht geeignete Verfahren und Zusatzwerkstoffe verwendet werden.

Typische Branchen, die 2118 verwenden, sind Luft- und Raumfahrt für Strukturbefestigungen und Verbindungselemente, Hochleistungs-Automobilbau, sowie spezialisierte Marine- und Verteidigungsanwendungen, bei denen das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und die Ermüdungslebensdauer entscheidend sind. Konstrukteure wählen 2118, wenn höhere Festigkeit und Ermüdungsleistung als bei gebräuchlichen Legierungen wie 1100, 3003 oder 5052 erforderlich sind, gleichzeitig aber nicht die überlegene Höchstfestigkeit der 7xxx-Legierungen benötigt wird oder wenn Zähigkeit und Bruchverhalten von 2xxx-Legierungen bevorzugt werden.

Wärmebehandlungszustände

Zustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht, maximale Duktilität und Umformbarkeit
H14	Mittel-Niedrig	Mittel	Gut	Akzeptabel	Kaltverfestigt auf moderate Festigkeit für Ziehanwendungen
T4	Mittel	Mittel-Hoch	Gut	Akzeptabel	Gelöstemperaturbehandelt und natürlich gealtert; guter Kompromiss für weitere Umformung
T5	Mittel-Hoch	Mittel	Akzeptabel-Gut	Akzeptabel	Von erhöhter Temperatur abgeschreckt und künstlich gealtert zur Festigkeitsentwicklung
T6	Hoch	Niedrig-Mittel	Begrenzt	Schlecht-Akzeptabel	Gelöstemperaturbehandelt und künstlich gealtert für Höchstfestigkeit; üblicher Engineering-Zustand
T651	Hoch	Niedrig-Mittel	Begrenzt	Schlecht-Akzeptabel	Gelöstemperaturbehandelt, durch Dehnen spannungsarm geglüht, dann kunstlich gealtert für verbesserte Maßhaltigkeit

Der Wärmebehandlungszustand beeinflusst maßgeblich das Verhältnis von Festigkeit zu Umformbarkeit bei 2118, da die Wärmebehandlung die Größe, Verteilung und Kohärenz der Ausscheidungen steuert. O- und H-Zustände werden verwendet, wenn Umformen oder Ziehen Priorität haben, während T6/T651 gewählt werden, wenn Festigkeit und Ermüdungsleistung primäre Designkriterien sind.

Chemische Zusammensetzung

Element	Bereich in %	Bemerkungen
Si	max. 0,2	Kontrolliert gering, um spröde Intermetallische Verbindungen zu begrenzen und Zähigkeit zu erhalten
Fe	max. 0,5	Verunreinigung, die intermetallische Partikel bildet und Bearbeitbarkeit sowie Ermüdungsbeständigkeit beeinflusst
Mn	0,3–0,9	Verbessert Festigkeit, Kornstruktur und Widerstand gegen Rekristallisation
Mg	0,2–1,0	Trägt zur Ausscheidungshärtung mit Cu bei und verbessert Zähigkeit
Cu	3,5–5,0	Hauptlegierungselement zur Steuerung der Ausscheidungshärtung
Zn	max. 0,25	Geringer Anteil, um übermäßige Komplexität der Altersverfestigung zu vermeiden
Cr	0,05–0,25	Mikrolagerzusatz zur Feinkornbildung und Stabilisierung der Eigenschaften bei Erwärmung
Ti	0,02–0,12	Kornfeiner, verwendet zur Kontrolle der Gusskornstruktur in Barren und Strangpressprofilen
Sonstige (jeweils)	max. 0,05	Spurenelemente und Rückstände; Begrenzungen gewährleisten vorhersehbare Ausscheidungsverhalten

Der Kupferanteil dominiert die Ausscheidungshärtung, indem während der Alterung Al2Cu und verwandte Phasen gebildet werden, die Festigkeit erhöhen und Duktilität reduzieren. Magnesium und Mangan modifizieren die Ausscheidungschemie und die Wechselwirkung mit der Matrix; Mangan unterdrückt Kornwachstum und verbessert Zähigkeit, während Magnesium die Altersverfestigung in Verbindung mit Kupfer verstärken kann. Strikte Grenzwerte bei Eisen, Silizium und Zink werden eingehalten, um Duktilität, Bruchverhalten und Korrosionsanfälligkeit zu kontrollieren.

Mechanische Eigenschaften

Unter Zugbeanspruchung zeigt 2118 in den Zuständen T6/T651 hohe Zugfestigkeit und gute Streckgrenzenerhaltung im Vergleich zu vielen gängigen Aluminiumlegierungen. Im peak-gealterten Zustand entsteht eine Mikrostruktur fein verteilter Ausscheidungen, welche die Versetzungsbewegung einschränken und so hohe Streckgrenzen sowie gute Ermüdungsbeständigkeit gewährleisten. Die Dehnung ist in den maximal gealterten Zuständen gegenüber geglühten Zuständen reduziert, weshalb Konstrukteure bei der Umformung sowie bei Crash- oder Überlastsituationen die geringere Duktilität berücksichtigen müssen.

Die Ermüdungsleistung von 2118 ist für eine 2xxx-Serie allgemein günstig, da die Kombination aus hoher statischer Festigkeit und durch Ausscheidungen kontrollierten Ermüdungsrissinitiierungsschwellen besteht; jedoch ist die Ermüdungslebensdauer empfindlich gegenüber Oberflächenbeschaffenheit, Kerbgeometrien und lokaler Korrosion. Dickenabhängige Effekte sind wichtig: Dünnere Blechdicken können meist gleichmäßiger gealtert werden und erreichen häufig eine höhere wirksame Festigkeit bei gegebenem Zustand, während dickere Querschnitte längere Lösungsglühanalgen erfordern und geringere Zähigkeit sowie leicht reduzierte Festigkeit aufweisen können.

Eigenschaft	O/Geglüht	Hauptzustand (T6/T651)	Bemerkungen
Zugfestigkeit	150–260 MPa	400–480 MPa	Großer Bereich abhängig von exakter Zusammensetzung, Dicke und Alterungszyklus
Streckgrenze	60–150 MPa	320–380 MPa	Streckgrenze steigt signifikant bei T6/T651-Behandlung
Dehnung	15–25 %	7–14 %	Duktilität sinkt bei peak-gealterten Zuständen; bei Umformung zu berücksichtigen
Härte (HB)	40–80 HB	120–160 HB	Brinell-Bereich; Härte korreliert mit Zug- und Streckgrenze

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	2,78 g/cm³	Typisch für Al-Cu-Legierungen; gutes spezifisches Festigkeitsverhältnis gegenüber Stahl
Schmelzbereich	~500–640 °C	Die Legierung erweitert das Solidus-Liquidus-Intervall gegenüber reinem Al
Wärmeleitfähigkeit	120–150 W/m·K	Deutlich geringer als bei reinem Al durch Cu-Anteil, aber weiterhin hoch
Elektrische Leitfähigkeit	25–40 % IACS	Niedriger als reines Al; Leitfähigkeit verschlechtert sich durch Legierung und Kaltverformung
Spezifische Wärmekapazität	~0,88 J/g·K (880 J/kg·K)	Typisch für Aluminiumlegierungen; wichtig für thermische Berechnungen
Wärmeausdehnung	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Mäßiger Ausdehnungskoeffizient; maßliche Änderungen müssen bei Baugruppen berücksichtigt werden

2118 behält viele der günstigen Eigenschaften von Aluminium hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit und geringer Dichte bei, was zu einem guten Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis und effektiver Wärmeabfuhr für viele Bauteile führt. Die elektrische Leitfähigkeit ist gegenüber handelsüblichem reinem Aluminium deutlich vermindert, weshalb 2118 typischerweise nicht dort eingesetzt wird, wo Leitfähigkeit im Vordergrund steht.

Der Schmelzbereich und das thermische Ausdehnungsverhalten bedeuten, dass die Wärmeeinbringung beim Schweißen sowie thermische Zyklen im Betrieb die Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften wesentlich beeinflussen; diese Faktoren müssen beim Fügen, der Wärmebehandlung und der Auslegung für thermische Belastung berücksichtigt werden.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Bemerkungen
Blech	0,3–6 mm	Dünne Bleche reagieren gut auf T5/T6 Ausscheidungshärtung; bessere Gleichmäßigkeit bei dünnen Stärken	O, H14, T4, T5, T6	Verwendung für geformte Elemente und angepasste Strukturen
Platte	6–50+ mm	Dicke Querschnitte erfordern längere Lösungsglüh- und Alterungszyklen; können geringere Zähigkeit zeigen	O, T6, T651	Schwere Bauteile und Anschlüsse
Strangpressprofil	Wandstärken 1–20 mm	Strangpresste Profile ermöglichen gerichtete Festigkeit; Wärmebehandlung erfolgt nach dem Strangpressen	O, T4, T6	Komplexe Profile für tragende Bauteile
Rohr	Außendurchmesser 6–200 mm	Leistung hängt von Wandstärke und Abschreckungsrate ab; wechselbeanspruchungskritische Anwendungen in T6	O, T4, T6	Leichtbau-Strukturrohre
Stab/Stange	Durchmesser bis 100 mm	Stäbe können wärmebehandelt und ausgehärtet werden; geeignet für zerspanendes Bearbeitungsmaterial	O, T6	Schrauben, Bolzen und zerspante Bauteile

Blech- und dünnwandige Produkte werden häufig bevorzugt, wenn Umformbarkeit und gleichmäßige Altersverfestigung erforderlich sind, während Platten und schwere Strangpressprofile auf angepasste thermische Zyklen angewiesen sind aufgrund langsamerer Abkühlraten. Strangpress- und Walzverfahren beeinflussen außerdem die Kornstruktur; Strangpressprofile erlauben komplexe Querschnitte, erfordern aber sorgfältige Abschreck- und Alterungsverfahren, um die Ziel-Eigenschaften zu erreichen.

Hersteller wählen die Formate basierend auf den nachfolgenden Prozessen: Bleche für Tiefziehen und Umformen, Strangpressprofile für integrierte Profile und Stäbe für zerspante Bauteile. Jede Produktform bestimmt auch die Wahl des Zustands, um das erforderliche Gleichgewicht zwischen Umformbarkeit und Festigkeit zu erzielen.

Äquivalente Werkstoffgüten

Norm	Güte	Region	Bemerkungen
AA	2118	USA	Bezeichnung in ANSI/AA Listen für diese Al-Cu Legierung
EN AW	Kein exakter Wert	Europa	Kein direkter EN AW Gegenpart; am ähnlichsten im Verhalten zu EN AW-2014/2024 Familien
JIS	Kein exakter Wert	Japan	JIS führt Al-Cu Legierungen (A2017/A2024) mit ähnlichen Eigenschaften, aber abweichenden Grenzwerten
GB/T	Kein exakter Wert	China	Chinesische Normen haben vergleichbare Al-Cu Legierungen, jedoch keine direkte Eins-zu-eins Entsprechung zu AA 2118

Es gibt keine universelle Norm, die 2118 direkt in eine EN-, JIS- oder GB/T-Nummer übersetzt; Äquivalente sind als „nahezu vergleichbare“ Werkstoffe zu betrachten und nicht als direkte Ersatztypen. Unterschiede in zulässigen Spurenelementen, Wärmebehandlung und Zustandsbezeichnungen bedeuten, dass Konstrukteure bei Normersatz spezifische Datenblätter konsultieren und Qualifizierungstests durchführen sollten.

Korrosionsbeständigkeit

2118 bietet eine moderate atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, typisch für wärmebehandelbare Al-Cu Legierungen; Schutzbeschichtungen, Anodisieren oder Ummantelungen werden oft für Langzeitanwendungen eingesetzt. In neutralen bis leicht korrosiven Atmosphären verhält sich die Legierung zufriedenstellend, jedoch kann lokale Korrosion durch kupferreiche Intermetallische Verbindungen und mangelhafte Oberflächenqualität begünstigt werden.

In maritimen oder stark chloridhaltigen Umgebungen ist 2118 weniger widerstandsfähig als magnesiumhaltige 5xxx-Legierungen oder korrosionsbeständige 6xxx Serien; deshalb sind üblicherweise Ummantelungen, opferanodische Beschichtungen oder kathodischer Schutz für strukturelle Marineeinsätze erforderlich. Lochfraß und interkristalline Korrosion können auftreten, wenn sich nach unsachgemäßer Wärmebehandlung oder langer thermischer Belastung ausscheidungsfreie Zonen (PFZ) an Korngrenzen bilden.

Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion ist bei 2xxx-Serien höher als bei vielen nicht wärmebehandelbaren Legierungen, insbesondere unter Zugspannung und korrosiven Bedingungen. Galvanische Wechselwirkungen erfordern Aufmerksamkeit: 2118 verhält sich gegenüber Stählen anodischer, gegenüber reinem Aluminium jedoch kathodischer, abhängig von der Oberflächenbehandlung; Isolierung oder passende Verbindungselemente und Beschichtungen sind oft notwendig. Im Vergleich zu 6xxx Serien wird bei 2118 Korrosionsbeständigkeit gegen höhere Festigkeit und Ermüdungswiderstand abgewogen, sodass die Auswahl Umweltbedingungen und mechanische Anforderungen balanciert.

Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

Das Schweißen von 2118 ist im Vergleich zu vielen anderen Aluminiumfamilien anspruchsvoll, da der Kupfergehalt Heißrisse und Erweichung im Wärmeeinflussgebiet (WEZ) fördert. Verfahrensarten wie Wolfram-Inertgasschweißen (WIG/TIG) und Metall-Inertgasschweißen (MIG) sind mit strenger Kontrolle des Wärmeeintrags, Vorheiz- und Abschreckmaßnahmen sowie passender Auswahl von Zusatzwerkstoffen (Al-Cu-Mg oder schwächer festige 4043/2319 Typen) möglich, um Rissrisiken zu minimieren. Nachbehandlung durch Wärmebehandlung kann Teilfestigkeit zurückgewinnen, vollständige Wiederherstellung von T6-Werten ist jedoch wegen Auflösung und Aufkornung der Ausscheidungen im WEZ schwierig.

Zerspanbarkeit

2118 lässt sich in weichgeglühtem und bestimmten Zwischenzuständen gut zerspanen, mit guter Spanbildung und moderatem Werkzeugverschleiß durch Kupfer- und Mangansedimente. Hartmetallwerkzeuge mit positivem Spanwinkel, feste Spannmittel und Überflutungskühlung gewährleisten eine konstante Oberflächenqualität und enge Maßtoleranzen; Schnittgeschwindigkeiten sollten bei Spitzenzuständen vorsichtig gewählt werden, um schnellen Werkzeugverschleiß zu vermeiden. Der Zerspanbarkeitsindex ist meist besser als bei hochfesten Al-Zn-Mg Legierungen, aber schlechter als bei zerspanbaren 2011 oder reinheitsgrad 1100.

Umformbarkeit

Umformen gelingt am besten in O-, H14- oder T4-Zuständen, wo die Duktilität für Stanz-, Biege- und Ziehprozesse ausreichend ist. Minimale Biegeradien hängen vom Zustand und der Dicke ab, wobei Konstrukteure typischerweise 2–3× Materialdicke für enge Biegungen im Zwischenzustand und größere Radien für T6 verwenden. Kaltumformung erhöht die Festigkeit durch Kaltverformung, kann jedoch Eigenspannungen einführen, die mit nachfolgenden Wärmebehandlungen interagieren; Warmumformen oder Voralterung können angewandt werden, um Endeigenschaften zu optimieren.

Wärmebehandlungsverhalten

Als wärmebehandelbare Legierung reagiert 2118 auf gängige Lösungsglüh-, Abschreck- und Alterungszyklen für Al-Cu Legierungen. Typische Lösungsglühtemperaturen liegen bei 495–505 °C, um kupferreiche Phasen in den Grundwerkstoff zu lösen, gefolgt von schnellem Abschrecken zur Erhaltung der übersättigten festen Lösung. Die künstliche Alterung erfolgt üblicherweise bei 160–190 °C über einige Stunden, um feine Ausscheidungen zu erzeugen und T5-/T6-Zustände zu erreichen; Alterungszeit und -temperatur sind ein Kompromiss zwischen maximaler Festigkeit sowie Zähigkeit und Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit.

Der Übergang zwischen Zuständen ist unkompliziert: Lösungsglühenes Material kann natürlich gealtert (T4) oder künstlich gealtert (T5/T6) werden; T651 umfasst Lösungsglühen, Streckdehnen zum Abbau von Eigenspannungen und anschließend künstliche Alterung. Überalterung bei höheren Temperaturen oder langen Zeiten vergrößert die Ausscheidungen und reduziert die Festigkeit, während Duktilität und Korrosionsbeständigkeit steigen, weshalb präzise Zykluskontrolle wichtig für das Erreichen des gewünschten Eigenschaftsprofils ist.

Leistungen bei hohen Temperaturen

2118 zeigt deutlich nachlassende Festigkeit bei Temperaturerhöhung; dauerhafte Belastung über ~120–150 °C vermindert die Ausscheidungshärtung und senkt Streck- und Zugfestigkeit progressiv. Oxidation ist bei inerten Atmosphären begrenzt, aber Oberflächenskala und Mikrostrukturveränderungen treten auf, wenn Temperaturen den Lösungsglühbereich erreichen, was mechanische Eigenschaften irreversibel beeinträchtigen kann.

Im Wärmeeinflussgebiet während des Schweißens tritt Erweichung durch Ausscheidungsauflösung und Aufkornung auf, und die Eigenschafts-Wiederherstellung durch Nachbehandlung ist durch abschreckungsbedingte Defekte und Eigenspannungen limitiert. Für diskontinuierliche Anwendungen bei erhöhten Temperaturen sollten zulässige Spannungen herabgesetzt und alternative Legierungen mit verbesserter Hochtemperaturstabilität erwogen werden, falls die Betriebstemperaturen häufig über 100 °C liegen.

Anwendungen

Branche	Beispielkomponente	Warum 2118 verwendet wird
Luft- und Raumfahrt	Anschlüsse, Halterungen und nicht tragende Strukturteile	Hohe spezifische Festigkeit und gute Ermüdungsfestigkeit für gewichtsoptimierte Bauteile
Automobilindustrie	Hochleistungsfederbeine und strukturelle Halterungen	Günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Ermüdungslebensdauer für Performance-Fahrzeuge
Marine	Kleine strukturelle Elemente und zerspante Verbindungsteile	Gute Festigkeit und Zerspanbarkeit; benötigt Schutzbeschichtungen gegen Korrosion
Verteidigung	Raketenteile und Munitionsbefestigungen	Hohe Festigkeit und Bearbeitbarkeit für Präzisionsbauteile
Elektronik	Tragrahmen und Wärmeverteiler	Gute Wärmeleitfähigkeit und Steifigkeit bezogen auf Gewicht für Baugruppen

2118 wird typischerweise ausgewählt, wenn eine Kombination aus hoher statischer und Ermüdungsfestigkeit, akzeptabler Zerspanbarkeit und vernünftiger Wärmeleitfähigkeit gefordert ist. Der Bedarf an Schutzmaßnahmen in rauen Umgebungen wird durch die mechanischen Vorteile in vielen luftfahrt- und leistungsingenieurtechnischen Anwendungen überkompensiert.

Auswahlhinweise

Wählen Sie 2118, wenn erhöhte Festigkeit und Ermüdungswiderstand primäre Konstruktionsziele sind und wenn Korrosionsschutz sowie Fertigungsparameter kontrolliert werden können. Die Legierung ist besonders attraktiv für zerspante oder umgeformte Bauteile, die von wärmebehandelbarer Festigkeitssteigerung profitieren und bei denen höherfeste 7xxx-Legierungen entweder unnötig sind oder unerwünschte Sprödigkeit beziehungsweise Verarbeitungsprobleme verursachen.

Im Vergleich zu handelsüblichem Reinaluminium (1100) verzichtet die Legierung 2118 auf elektrische Leitfähigkeit und Umformbarkeit zugunsten deutlich höherer Festigkeit und Ermüdungslebensdauer. Im Vergleich zu häufig verwendeten, kalthärtbaren Legierungen wie 3003 oder 5052 bietet 2118 eine wesentlich höhere Festigkeit auf Kosten der Schweißbarkeit und der inhärenten Korrosionsbeständigkeit. Daher wird 2118 gewählt, wenn die tragende Leistung wichtiger ist als einfache Fügebarkeit oder Umformbarkeit. Im Vergleich zu wärmebehandelbaren 6xxx-Legierungen (z. B. 6061/6063) liefert 2118 bei bestimmten Zuständen oft eine bessere Ermüdungsfestigkeit und höhere Spitzenfestigkeit, erfordert jedoch in der Regel sorgfältigere Korrosionsschutz- und Schweißmaßnahmen; 2118 sollte ausgewählt werden, wenn sein Ermüdungs- und Festigkeitsprofil zur Anwendung passt und die Fertigungskette seine Wärmebehandlungs- und Schutzanforderungen erfüllen kann.

Abschließende Zusammenfassung

Die Legierung 2118 bleibt ein relevantes Konstruktionsaluminium, wenn ein wärmebehandelbares Gleichgewicht aus hoher Festigkeit, guter Ermüdungsleistung und akzeptabler Zerspanbarkeit verlangt wird. Ihr Einsatz ist dann optimal, wenn Ingenieure die abhängige Duktilität vom Zustand, den Korrosionsschutzbedarf und die Fertigungsempfindlichkeiten berücksichtigen, sodass Bauteile und Strukturen eine hohe Leistung bei einem günstigen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis erreichen.