Aluminium 2124: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungsgebiete

Umfassender Überblick

2124 ist eine Aluminium-Kupfer-Legierung aus der 2xxx-Serie, die durch Kupfer als Hauptlegierungselement sowie Magnesium und Mangan als wichtige Sekundärelemente gekennzeichnet ist. Es handelt sich um eine wärmebehandelbare Legierung, die ihre hohe Festigkeit primär durch Lösungsglühen, Abschrecken und künstliche Alterung entwickelt; zusätzliche Festigkeitssteigerungen können durch kontrollierte Kaltverformung erzielt werden, wenn die spezifizierten Zustände dies erfordern.

Die Legierung zeigt hohe statische Festigkeit und gute Bruchzähigkeit für eine kupferhaltige Aluminiumlegierung, opfert dabei jedoch etwas allgemeine Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit im Vergleich zu den 5xxx- und 6xxx-Familien. Die Umformbarkeit im geglühten Zustand ist akzeptabel, während harte Zustände die Duktilität erheblich reduzieren; die Zerspanbarkeit ist für die im Luftfahrtbereich eingesetzten Halbzeuge im Allgemeinen gut.

Typische Anwendungsbereiche, die 2124 spezifizieren, umfassen primäre und sekundäre Strukturen in der Luftfahrt, hochfeste Beschläge sowie einige Verteidigungskomponenten, bei denen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und Ermüdungsfestigkeit im Vordergrund stehen. Ingenieure wählen 2124 gegenüber anderen Legierungen, wenn eine Kombination aus hoher Festigkeit, Schadenstoleranz und vorhersagbarem Alterungsverhalten gefordert ist und wenn Beschichtungen oder Schutzmaßnahmen dessen Korrosionsanfälligkeit kompensieren können.

Wärmebehandlungszustände

Zustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht, maximale Duktilität für Umformprozesse
H14	Mittel	Niedrig bis Mittel	Ausreichend	Schlecht	Kaltverfestigt mit begrenzter Duktilität
T3	Mittel bis Hoch	Mittel	Ausreichend	Schlecht	Lösungsglühen, Kaltverformt, natürlich gealtert
T4	Mittel	Mittel	Ausreichend	Schlecht	Lösungsglühen und natürliche Alterung
T6	Hoch	Niedrig	Begrenzt	Schlecht	Lösungsglühen und künstliche Alterung für maximale Festigkeit
T8	Hoch	Niedrig	Begrenzt	Schlecht	Lösungsglühen, Kaltverformt und künstlich gealtert
T351	Mittel bis Hoch	Mittel	Ausreichend	Schlecht	Lösungsglühen, spannungsarm geglüht durch Dehnen
T851	Hoch	Niedrig bis Mittel	Begrenzt	Schlecht	Lösungsglühen, spannungsarm geglüht (gedehnt) und künstlich gealtert; gebräuchlicher Luftfahrtzustand

Die Wärmebehandlung bestimmt maßgeblich die Kompromisse zwischen Festigkeit, Duktilität und Ermüdungsfestigkeit bei 2124. Geglühtes Material (O) wird bevorzugt für Umformprozesse verwendet, während T6/T851-Zustände für höchste statische Festigkeit und stabile Eigenschaftserhaltung bei Raumtemperatur gewählt werden.

Kaltverfestigung und anschließende künstliche Alterung (z. B. T8) ermöglichen eine gezielte Einstellung von Streckgrenze gegenüber Zähigkeit, reduzieren allerdings signifikant die Umformbarkeit und machen das Schweißen aufgrund von Weichzonen (HAZ) und Neigung zu Heißrissen unpraktisch.

Chemische Zusammensetzung

Element	Prozentbereich	Bemerkungen
Si	≤ 0,50	Verunreinigung; kontrolliert zur Reduzierung von Gussfehlern und Erhaltung der Duktilität
Fe	≤ 0,50	Verunreinigung; Überschuss mindert Korrosionsbeständigkeit und kann intermetallische Phasen bilden
Cu	3,8 – 4,9	Hauptlegierungselement zur Förderung der Ausscheidungshärtung
Mn	0,20 – 0,50	Steuert Kornstruktur und Rekristallisation; verbessert Zähigkeit
Mg	1,2 – 1,8	Synergistisch mit Cu zur Ausscheidungshärtung und Härtefähigkeit
Zn	≤ 0,25	Geringfügig; typischerweise niedrig und ohne wesentliche Härtungsfunktion
Cr	≤ 0,10	Kontrolle der Kornstruktur und Begrenzung der Rekristallisation
Ti	≤ 0,15	Kornfeinung beim Block- und Gussprozess
Andere	≤ 0,15 gesamt	Spurenelemente und Rückstände; niedrig gehalten zur Erhaltung vorhersagbaren Alterungsverhaltens

Kupfer und Magnesium sind die Schlüsselelemente zur Ausscheidungshärtung bei 2124; Kupfer bildet CuAl2-Phasen, die während der Alterung ausscheiden. Mangan sowie geringe Mengen Chrom und Titan verfeinern die Kornstruktur und stabilisieren die Eigenschaften, während Silizium und Eisen kontrolliert werden, um spröde intermetallische Phasen zu vermeiden, die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit mindern.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 2124 hängt stark vom Wärmebehandlungszustand ab, mit erheblichen Steigerungen von Streckgrenze und Zugfestigkeit in ausscheidungshärtbaren Zuständen. Peak-gealterte Zustände wie T6 oder T851 zeigen hohe Streckgrenze-zu-Zugfestigkeits-Verhältnisse und relativ niedrige gleichmäßige Dehnungen; diese Zustände erhöhen auch die Härte und verringern die Kerbschlagzähigkeit im Vergleich zum geglühten Material. Ermüdungsfestigkeit ist für hochfeste Al-Cu-Legierungen generell gut, sofern Oberflächenqualität und Eigenspannungen kontrolliert werden und Korrosion durch Schutzbehandlungen oder Verkleidungen gemindert wird.

Dicke und Produktform beeinflussen die mechanischen Kennwerte aufgrund der durch die Quenchgeschwindigkeit bedingten Eigenschaftsprofile im Querschnitt und der Möglichkeit differenzieller Alterung; dünne Bauteile erreichen gleichmäßigere Spitzenfestigkeiten als dicke Platten. Die Dehnung nimmt mit zunehmender Festigkeit ab und wird in stark kaltverformten Zuständen weiter reduziert; die Auslegung auf Duktilität muss verfügbare Zustände und Umformprozesse berücksichtigen. Die Härte korreliert eng mit den Zugfestigkeiten, jedoch kann lokale Weichung in Schweißnähten oder Wärmeeinflusszonen (HAZ) die Gebrauchseigenschaften erheblich beeinträchtigen, wenn dies nicht berücksichtigt wird.

Eigenschaft	O/Geglüht	Wichtiger Zustand (T851/T6)	Bemerkungen
Zugfestigkeit (UTS)	~200–300 MPa	~470–520 MPa	Werte abhängig von Blechdicke und Bearbeitung; Luftfartspezifikationen meist im oberen Bereich
Streckgrenze (0,2 % Rp0,2)	~80–220 MPa	~350–470 MPa	Streckgrenze steigt stark mit Alterung; T851 erreicht häufig höhere Streckgrenzen als T6 bei bestimmten Bearbeitungsarten
Dehnung (bei 50 mm)	~18–26 %	~6–12 %	Dehnung sinkt mit zunehmender Alterung und Kaltverfestigung
Härte (Brinell HB)	~30–60 HB	~120–160 HB	Härte entspricht Zugfestigkeit und Alterungszustand; Oberflächenbehandlungen beeinflussen Gebrauchshärte

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	2,78 g/cm³	Typisch für hochfeste Aluminiumlegierungen, von Vorteil für Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
Schmelzbereich	~500–640 °C	Solidus-/Liquidusbereich abhängig von Kupfer und weiteren Legierungselementen
Wärmeleitfähigkeit	~120 W/m·K	Niedriger als reines Aluminium, aber dennoch gut für viele thermische Anwendungen
Elektrische Leitfähigkeit	~30–40 %IACS	Reduziert durch Legierungselemente; nicht ausgewählt, wenn hohe Leitfähigkeit erforderlich ist
Spezifische Wärmekapazität	~0,90 J/g·K (900 J/kg·K)	Typisch für Aluminiumlegierungen bei Raumtemperatur
Wärmeausdehnung	~23–24 µm/m·K	Wärmeausdehnungskoeffizient vergleichbar mit anderen Aluminiumlegierungen

Dichte und thermische Eigenschaften machen 2124 attraktiv für Anwendungen mit geringem Gewicht und moderater Wärmeleitung bei gleichzeitig hoher mechanischer Leistungsfähigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch den Kupferanteil deutlich reduziert, weshalb 2124 nicht als Ersatz für elektrisch leitfähiges Aluminium eingesetzt wird, wenn Leitfähigkeit ein Konstruktionsmerkmal ist.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Gängige Zustände	Bemerkungen
Blech	0,5 – 6 mm	Gute Gleichmäßigkeit bei dünnen Dicken	O, T3, T6, T851	Gängige Haut- und Plattendicken im Luftfahrtbau; Verkleidung möglich
Platte	6 – 200 mm	Eigenschaftsgradienten durch Dicke möglich	O, T6, T851	Dicke Platten erfordern kontrolliertes Abschrecken, um weichen Kern zu vermeiden
Strangpressprofil	Profile bis zu großen Querschnitten	Abhängig von Abkühlgeschwindigkeit	T6 (ausscheidungshärtbar) nach Lösungsglühen	Weniger verbreitet als Blech/Platte; gut für komplexe Verstärker
Rohr	Variabler Außendurchmesser und Wandstärke	Mechanische Grenzen durch Wandstärke bestimmt	T3, T6	Verwendung in Beschlägen und strukturellen Luftfahrtsrohren
Stab/ Rundstahl	Durchmesser bis zu 200 mm	Homogen bei kleineren Durchmessern	O, T6	Verwendet für bearbeitete Beschläge und Schmiedeteile

Unterschiede im Herstellungsprozess führen zu spezifischen Eigenschaftsausprägungen: Bleche und dünne Profile quenchkühlen rasch und erzielen eine gleichmäßigere Alterung, während dicke Platten spezielle Abschreckverfahren und möglicherweise nachträgliche Alterungszyklen benötigen. Die Produktwahl sollte erforderliche nachfolgende Wärmebehandlungen, mögliche Verkleidungen sowie Bearbeitungs- oder Schweißprozesse berücksichtigen.

Entsprechende Werkstoffe

Norm	Werkstoff	Region	Hinweise
AA	2124	USA	Primäre Bezeichnung unter der Aluminum Association
EN AW	2124	Europa	Oft als EN AW-2124 in europäischen Normen mit ähnlicher Chemie bezeichnet
JIS	A2618/A?	Japan	Kein exakt entsprechender JIS-Werkstoff; ähnliche hochfeste Al-Cu-Legierungen vorhanden
GB/T	AlCu4Mg1 / 2124 analog	China	Chinesische Normen führen Zusammensetzungen oft unter beschreibenden Bezeichnungen statt identischer Legierungsnummern auf

2124 ist primär in AA/ASTM kodifiziert und in der EN-Nomenklatur als AW-2124 anerkannt; jedoch verwenden einige Regionen eng verwandte Legierungen mit leicht unterschiedlichen Verunreinigungsgrenzen und Zuständen. Kleine Unterschiede bei zulässigen Spurenelementen oder bei der Chargenabnahme können zu geringfügigen Abweichungen der mechanischen Eigenschaften führen, weshalb bei einem Werkstoffaustausch zwischen Regionen ein Abgleich der mechanischen Spezifikationen und der Chargenzertifikate unerlässlich ist.

Korrosionsbeständigkeit

In atmosphärischen Umgebungen ist 2124 weniger korrosionsbeständig als 5xxx- und 6xxx-Legierungen, da kupferhaltige Ausscheidungen lokal Korrosionsinien fördern können. Bei Feuchtigkeit oder leicht korrosiven Atmosphären profitiert 2124 von schützender Auftragung durch Ummantelungen oder Chromat-Konversionsbeschichtungen, wie sie in der Luftfahrt gängig sind. Alclad-Ummantelung wird häufig für Außenhaut-Anwendungen verwendet, um eine opferanodische reine Aluminium-Barriere zu schaffen und die Beständigkeit gegen Lochfraß und Schuppenbildung zu verbessern.

In maritimen Umgebungen ist die Legierung anfällig für Lochfraß und interkristalline Korrosion, sofern sie nicht durch Beschichtungen, Ummantelungen oder kathodischen Schutz geschützt ist; ständige Salznebel-Exposition beschleunigt die Angriffe an kupferreichen Ausscheidungsbereichen. Spannungsrisskorrosion (SCC) kann in chloridhaltigen Umgebungen und bei Zugbeanspruchungen auftreten, insbesondere im gekühlten Spitzenalterungszustand und wenn Zugreste durch Umformung oder Bearbeitung verbleiben.

Galvanische Wechselwirkungen sind signifikant, wenn 2124 mit edleren Metallen wie Edelstahl oder Kupfer in Kontakt kommt; Aluminium wirkt anodisch und korrodiert bevorzugt, wenn keine elektrische Isolierung oder Schutzmaßnahmen vorhanden sind. Im Vergleich zu 6xxx-Legierungen (Al-Mg-Si) tauscht 2124 eine etwas geringere Korrosionsbeständigkeit gegen eine höhere Festigkeit, und gegenüber 5xxx-Legierungen ist es deutlich weniger tolerant gegenüber mariner Chlorid-Exposition.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

Das Schweißen von 2124 ist schwierig und wird für Anwendungen mit vollem strukturellem Anspruch in der Regel nicht empfohlen, da hohe Neigung zu Heißrissen und Verminderung der Härte im Wärmeeinflussbereich (HAZ) besteht. Falls Schweißen erforderlich ist, werden üblicherweise Verfahren wie TIG oder MIG mit passenden Al-Cu- Zusatzwerkstoffen (z. B. 2319 oder speziell formulierte Varianten von 4047/5356) eingesetzt, um Risse zu minimieren und Duktilität im Schweißgut zu verbessern. Eine Nachbehandlung durch Wärmebehandlung kann den ursprünglichen Spitzenalterungszustand in der Schweißzone nicht vollständig wiederherstellen, weshalb kritisch belastete Bauteile meist nicht geschweißt werden.

Zerspanbarkeit

2124 gilt im Vergleich zu vielen hochfesten Aluminiumlegierungen als relativ gut zerspanbar; es lässt sich mit Schnellarbeitsstahl oder Hartmetall-Werkzeugen bei geeigneten Schnittparametern gut bearbeiten. Die Spanbildung ist häufig kontinuierlich und duktil; Kühlschmierstoffe und starre Spannvorrichtungen verbessern Oberflächengüte und Maßhaltigkeit. Die Werkzeugstandzeit kann länger als bei manchen kupferfreien Legierungen sein, da die Spanform günstig ist, allerdings erhöhen die hohen Festigkeiten die Schnittkräfte und erfordern entsprechende Maschinenkapazitäten.

Umformbarkeit

Die Umformung erfolgt am besten in geglühtem (O) oder wenig beanspruchtem Zustand; harte Zustände wie T6/T851 weisen geringe Umformbarkeit und hohe Rissanfälligkeit auf. Die empfohlenen Mindestbiegeradien und Tiefziehwerte sind bei hochfesten Zuständen konservativ einzuhalten. Warmumformung oder Lösungsglühen mit anschließender Alterung ermöglichen komplexe Formgebung. Bei hochfesten Zuständen ist Federhärte ausgeprägt und muss bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden.

Wärmebehandlungsverhalten

Das Lösungsglühen von 2124 findet typischerweise bei 495–505 °C statt, um kupfer- und magnesiumhaltige Phasen in eine übersättigte feste Lösung aufzulösen. Das schnelle Abschrecken, meist Wasserabschreckung ab Lösungstemperatur, ist notwendig, um die Legierungselemente in Übersättigung zu erhalten und eine wirksame Ausscheidung beim künstlichen Altern zu ermöglichen. Die künstlichen Alterungszyklen für T6-ähnliche Zustände liegen üblicherweise bei 160–190 °C für einige Stunden, um ein ausgewogenes Verhältnis aus Festigkeit und Zähigkeit mit reproduzierbaren Ausscheidungssequenzen zu erreichen.

T851 und ähnliche luftfahrtspezifische Zustände beinhalten einen kontrollierten Dehnungsschritt (Spannungsabbau) nach dem Abschrecken und vor dem Altern, um Eigenspannungen zu reduzieren und die Maßhaltigkeit zu verbessern. Übertalung kann gezielt eingesetzt werden, um die Spannungsrissbeständigkeit auf Kosten der Spitzenfestigkeit zu erhöhen; kontrolliertes Nachaldern oder Reparaturaldern ist nach begrenzten thermischen Lasten möglich. Nicht wärmebehandelbares Verhalten trifft auf 2124 nicht zu, da die primäre Festigkeitssteigerung ausscheidungsgestützt und nicht rein durch Kaltverfestigung erfolgt.

Hochtemperatureinsatz

2124 verliert mit steigender Temperatur progressiv an Festigkeit, mit deutlichen Abnahmen oberhalb von 100–150 °C und signifikanter Erweichung beim Erreichen typischer künstlicher Alterungstemperaturen. Langzeitbelastung bei erhöhten Temperaturen fördert Übertalung und Kornwachstum der Ausscheidungen, was Streckgrenze und Dauerfestigkeit reduziert. Oxidation ist bei Aluminium in trockener Luft bei diesen Temperaturen minimal, die mechanischen Eigenschaften begrenzen jedoch den Hochtemperatureinsatz.

Wärmeeinflusszonen beim Schweißen zeigen lokale Erweichung und mikrostrukturelle Veränderungen, die die Belastbarkeit senken, besonders bei Temperaturen, an denen Ausscheidungsvergröberung beschleunigt abläuft. Für zyklisch oder kriechempfindliche Anwendungen begrenzen Konstrukteure üblicherweise die Einsatztemperaturen unterhalb des Beginns signifikanter Kornwachstumsprozesse und verlangen schützende Beschichtungen zur Begrenzung von Umwelteinflüssen.

Anwendungsbeispiele

Branche	Beispielkomponente	Warum 2124 verwendet wird
Luftfahrt	Flügelbeschläge, Verbindungsplatten, hochbelastete Strukturhalter	Hohe Festigkeit bei geringem Gewicht sowie gute Ermüdungs- und Bruchfestigkeit
Marine	Hochfeste Strukturbauteile (geschützt oder ummantelt)	Festigkeit und Zähigkeit bei kontrollierter Korrosion
Verteidigung	Panzerkomponenten, Raketengehäuse, Struktur-Schmiedeteile	Hohe statische Festigkeit kombiniert mit niedrigem Gewicht
Elektronik	Strukturhalter, Chassis-Bauteile	Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit bei hoher Festigkeit

2124 wird vor allem dort eingesetzt, wo hohe spezifische Festigkeit und vorhersehbares Alterungsverhalten gefragt sind und wo Korrosionsschutzmaßnahmen das Risiko minimieren. Es bleibt eine bevorzugte Legierung für luftfahrtspezifische Strukturelemente, bei denen Gewichtsersparnis und Schadensfestigkeit systemweite Vorteile bieten.

Auswahlhinweise

2124 ist die Wahl, wenn hohe Streckgrenze und Zugfestigkeit bei guter Ermüdungs- und Bruchfestigkeit erforderlich sind und wenn Korrosionsrisiken durch Beschichtungen, Ummantelungen oder kontrollierte Umgebungen minimiert werden. Für luftfahrtspezifische Maßhaltigkeit und hohe Festigkeiten empfehlen sich T851 oder ähnliche gedehnte und gealterte Zustände; für Umformprozesse vor der Endwärmebehandlung sind geglühte (O) oder weniger gealterte Zustände zu wählen.

Im Vergleich zu reinem Aluminium (1100) tauscht 2124 elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie bessere Umformbarkeit gegen deutlich höhere Festigkeit und verbesserte Ermüdungsleistung. Gegenüber häufig angewandten kaltverfestigten Legierungen wie 3003 oder 5052 bietet 2124 wesentlich höhere Festigkeit, aber geringere allgemeine Korrosionsbeständigkeit und schlechtere Schweißbarkeit. Im Vergleich zu weit verbreiteten wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 erreicht 2124 oft höhere Streckgrenzen und überlegene Bruchzähigkeit für anspruchsvolle Strukturaufgaben, allerdings zu Lasten der Korrosionsresistenz und leichteren Schweiß-/Reparaturfähigkeit; 2124 wählen, wenn Festigkeit und Ermüdungseffizienz diese Kompromisse überwiegen.

Zusammenfassung

2124 bleibt eine relevante hochfeste Aluminiumlegierung im modernen Engineering, insbesondere in Luftfahrt und Verteidigung, wo hohe spezifische Festigkeit und zuverlässige ausscheidungshärtende Eigenschaften gefordert sind. Die Auswahl muss von geeigneten Korrosionsschutzmaßnahmen, temperkontrollierter Verarbeitung und durchdachter Fertigungsplanung begleitet sein, um die mechanischen Vorteile voll auszuschöpfen.