Aluminium 3003: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen

Umfassender Überblick

3003 ist ein Mitglied der 3xxx-Serie von schmiedbaren Aluminiumlegierungen, die durch Mangan als Hauptelement zur Legierungszufuhr gekennzeichnet ist. Die 3xxx-Familie ist nicht wärmebehandelbar und wird hauptsächlich durch Lösungshärtung und Kaltverfestigung gestärkt, wobei 3003 auf Mn-Zusätze setzt, um einen Ausgleich zwischen Festigkeit und Umformbarkeit zu bieten.

Das Legierungsgemisch wird von Mangan (ca. 1,0–1,5 %) dominiert, mit einem kontrollierten Kupfergehalt und niedrigen Anteilen an Silizium und Eisen. Diese Zusammensetzung erzeugt eine mäßige Festigkeit oberhalb von kommerziell reinem Aluminium, gute Korrosionsbeständigkeit, ausgezeichnete Umformbarkeit in weichen Zuständen und zuverlässige Schweißbarkeit, wodurch es eine Allzwecklegierung für Blech- und Strangpressanwendungen ist.

3003 wird häufig im Bereich Klima- und Lüftungstechnik (HVAC), Kochgeschirr, Chemikalienhandling, architektonische Verkleidungen und allgemeine Blechbearbeitung eingesetzt, wo Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit entscheidend sind. Ingenieure wählen 3003, wenn eine stärkere Alternative zu 1000er-Reinalu ohne erforderliche wärmebehandelbare Festigkeitssteigerung benötigt wird und Fertigungsverfahren wie Biegen, Stanzen und Schweißen zum Einsatz kommen.

Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen verzichtet 3003 auf Spitzenwerte bei Zug- und Streckgrenze, gewinnt aber an gleichbleibender Verarbeitbarkeit und geringerer Anfälligkeit gegenüber Verzugserscheinungen durch Abschrecken. Die breite Verfügbarkeit und der niedrige Preis gegenüber Speziallegierungen fördern die Spezifikation vor allem in Großserien- und Standardanwendungen.

Ausführungen/Zustände

Zustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Hinweise
O	Gering	Hoch (20–40 %)	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht, optimal für Tiefziehen und Umformen
H12	Moderat	Moderat (10–20 %)	Gut	Ausgezeichnet	Leichte Kaltumformung, leichte Festigkeitssteigerung gegenüber O
H14	Mittel	Moderat bis gering (6–12 %)	Gut	Ausgezeichnet	Viertelhart; üblich für Stanzen und moderate Umformung
H16	Mittel-hoch	Niedrig (4–8 %)	Befriedigend	Ausgezeichnet	Halbhart; eingesetzt, wenn höhere Steifigkeit gefordert ist
H18	Hoch	Niedrig (1–6 %)	Begrenzt	Ausgezeichnet	Volle Härte; verwendet für Anwendungen mit hoher Steifigkeit

Der Zustand beeinflusst die Eigenschaften von 3003 maßgeblich durch Kaltverfestigung und nicht durch Ausscheidungshärtung. Geglühtes Material (O) bietet maximale Duktilität und Umformbarkeit für Tiefzieh- und Biegeprozesse, während H-Zustände eine erhöhte Festigkeit durch Kaltverfestigung auf Kosten der Dehnung und eingeschränkter Umformbarkeit erzeugen.

Die Wahl des Zustands ist ein direkter Kompromiss zwischen einfacher Fertigung und Anforderungen an Endfestigkeit oder Steifigkeit. Die Schweißbarkeit bleibt über alle Zustände hinweg sehr gut, da die Festigkeitssteigerung nicht auf Wärmebehandlung beruht, jedoch kann durch lokale Erweichung im Wärmeeinflussbereich die Festigkeit in schweißnahen Zonen leicht vermindert sein.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Hinweise
Si	≤ 0,6	Kontrolliert zur Begrenzung spröder Zwischenphasen und zur Erhaltung der Umformbarkeit
Fe	≤ 0,7	Häufige Verunreinigung; Überschuss vermindert Duktilität und erhöht Anisotropie
Mn	1,0–1,5	Hauptelement zur Festigkeitssteigerung durch Kaltverfestigung
Mg	≤ 0,1	Üblicherweise Restgehalt, kein bedeutendes Festigungselement in 3003
Cu	0,05–0,20	Kleine Zugabe zur Erhöhung der Festigkeit und Änderung des mechanischen Verhaltens
Zn	≤ 0,1	Gering gehalten, um ungünstiges galvanisches Verhalten und Sprödigkeit zu vermeiden
Cr	≤ 0,05	Üblicherweise Restgehalt; Einfluss auf Kornstruktur möglich
Ti	≤ 0,15	Verunreinigung oder Entoxidationsmittel; kann in Spuren vorkommen
Andere (jeweils)	≤ 0,05	Restgehalte; Aluminium-Balance durch Differenz

Mangan ist das gezielt eingesetzte Legierungselement, das durch Lösungshärtung und verfeinerte Kornstruktur eine höhere Festigkeit stabilisiert. Kupfer erhöht moderat die Festigkeit und kann die Korrosionsbeständigkeit leicht verringern, wenn es im oberen Spezifikationsbereich vorliegt.

Silizium und Eisen werden kontrolliert, um spröde Phasen zu minimieren und eine gute Oberflächenqualität sowie gutes Umformverhalten zu gewährleisten. Die Zusammensetzung ist auf eine gute Kaltverfestigungsreaktion ausgelegt und nicht auf wärmebehandelbare Ausscheidungshärtung.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 3003 entspricht typisch einer kaltverfestigten, nicht wärmebehandelbaren Legierung: Eigenschaften variieren mit dem Zustand und dem Ausmaß der Kaltverfestigung. Im geglühten Zustand zeigt die Legierung niedrige Streckgrenze und moderate Zugfestigkeit bei hoher Dehnung, was Tiefziehen und komplexe Umformung ermöglicht. Mit zunehmendem Härtezustand von H12 bis H18 steigen Zug- und Streckgrenzen, während Dehnung und Biegbarkeit wie erwartet abnehmen.

Die Härte nimmt mit steigender Kaltverfestigung zu und korreliert mit den Zugkennwerten; in O ist die Härte niedrig und steigt mit den H-Zuständen an. Die Ermüdungsfestigkeit ist moderat und stark abhängig von Oberflächenbeschaffenheit, Kaltverfestigung und verbleibenden Eigenspannungen durch Umformen und Schweißen. Dickere Querschnitte können eine leicht verbesserte Ermüdungslebensdauer durch geringere Kerbempfindlichkeit aufweisen, sind aber schwerer zu formen und zu stanzen.

Die Kaltverfestigungsrate und Blechdicke beeinflussen die finale Duktilität und das Rückfederungsverhalten. Dünne Bleche lassen sich leichter mit kleinen Radien umformen, während dickere Platten oder schwere Strangpressprofile sich dem Umformen stärker widersetzen und mehr Kraft oder härtere Zustände erfordern. Schweißen führt zu lokal weichen Zonen, verursacht aber keine nennenswerte Versprödung, da keine Ausscheidungshärtung vorliegt.

Eigenschaft	O/Geglüht	Hauptzustand (H14)	Hinweise
Zugfestigkeit	110–155 MPa (16–22 ksi)	160–220 MPa (23–32 ksi)	Zugfestigkeit steigt mit Kaltverfestigung; Werte typisch für gängige Zustände
Streckgrenze	35–70 MPa (5–10 ksi)	120–170 MPa (17–25 ksi)	Streckgrenze steigt signifikant in H-Zuständen durch Kaltverfestigung
Dehnung	20–40 %	6–12 %	Duktilität nimmt mit zunehmender Kaltverfestigung deutlich ab
Härte (HB)	25–45	40–80	Härte korreliert ungefähr mit Zugfestigkeit und Zustand

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Hinweise
Dichte	2,73 g/cm³	Typisch für Aluminiumlegierungen; relevant für Masse- und Gewichtskalkulationen
Schmelzbereich	~ 645–660 °C	Schmaler Schmelzbereich ohne ausgeprägten Eutektikum; wichtig für Löten/Schweißen
Wärmeleitfähigkeit	~ 120–160 W/m·K	Niedriger als bei reinem Aluminium, aber immer noch ausgezeichnet für Wärmeableitung
Elektrische Leitfähigkeit	~ 30–40 % IACS	Reduziert gegenüber 1000er-Reinheitsklassen durch Legierung; ausreichend für Niederstromanwendungen
Spezifische Wärme	~ 900 J/kg·K	Ähnlich wie andere Aluminiumlegierungen; wichtig für thermische Massenberechnungen
Wärmeausdehnung	~ 23–24 µm/m·K	Typischer Ausdehnungskoeffizient für Aluminium; bei Konstruktion thermische Spannungen berücksichtigen

Die Dichte und thermischen Eigenschaften machen 3003 attraktiv für Anwendungen mit geringem Gewicht und guter Wärmeleitung, wie Wärmetauscher und Kochgeschirr. Die elektrische Leitfähigkeit ist gegenüber kommerziell reinem Aluminium vermindert, bleibt jedoch für bestimmte elektrische und EMI-Anwendungen geeignet, bei denen mechanische Festigkeit im Vordergrund steht.

Die Wärmeausdehnung muss in Verbindungen mit unterschiedlichen Materialien berücksichtigt werden, um Verzerrungen oder Dichtheitsverluste zu vermeiden. Schmelzbereich und Wärmeleitfähigkeit beeinflussen außerdem die Schweißpraxis und die Kontrollen der Wärmeeinbringung, um eine Erweichung im Wärmeeinflussbereich zu begrenzen.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Bemerkungen
Blech	0,2–6,0 mm	Festigkeit skaliert mit dem Zustand; dünne Stärken lassen sich leicht umformen	O, H14, H16	Weit verbreitet für Verkleidungen, Dachabdeckungen und Haushaltsgeräte
Platte	>6,0 mm	Weniger umformbar; höhere Restfestigkeit in H-Zuständen	H16, H18	Verwendet, wenn Steifigkeit und Verschleißfestigkeit erforderlich sind
Strangpressprofil	Profile bis zu mehreren Metern	Festigkeit abhängig von Strangpress- und Härtungs-/Kaltumformungsgrad	O, H12, H14	Komplexe Querschnitte für Architektur- und Konstruktionselemente
Rohr	Durchmesser von klein bis groß	Wandstärke beeinflusst Steifigkeit und Stabilitätsresistenz	O, H14	Verwendet für Klima-, Lüftungs- und leichte Tragkonstruktionen
Stab/Rundstahl	Durchmesser 3–100 mm	Typische warmgewalzte Festigkeit mit variierendem Kaltarbeitsgrad	H14, H18	Genutzt für zerspante Bauteile und Befestigungselemente, wenn Umformbarkeit weniger wichtig ist

Bleche sind das gebräuchlichste Handelsprodukt für 3003, geliefert als Coils und Zuschnitte für Stanz- und Rollformprozesse. Stranggepresste Profile werden verwendet, wenn kundenspezifische Profile benötigt werden, und können in weicheren Zuständen geliefert werden, um die Nachbearbeitung durch Umformen zu ermöglichen.

Platten und schwere Profile sind wegen eingeschränkter Umformbarkeit und höherer Verarbeitungskosten weniger verbreitet, werden jedoch ausgewählt, wenn strukturelle Steifigkeit oder Zerspanung und Fügetechnik im Vordergrund stehen. Rohre und Stäbe dienen spezialisierten mechanischen und fluidtechnischen Anwendungen, bei denen Korrosionsbeständigkeit und moderate Festigkeiten gefragt sind.

Äquivalente Legierungen

Norm	Legierung	Region	Bemerkungen
AA	3003	USA	ASTM/AA-Bezeichnung; übliche Referenz in Nordamerika
EN AW	3003	Europa	EN AW-3003 weitgehend äquivalent; lokale Zustände und Toleranzen prüfen
JIS	A3003	Japan	Oft als A3003 bezeichnet; Verunreinigungsgrenzen im Vergleich zur AA-Spezifikation prüfen
GB/T	3A21 (ca.)	China	3A21 wird häufig als chinesisches Äquivalent genutzt, mit geringfügigen Differenzen in der Zusammensetzung

Die Äquivalenz der Bezeichnungen über Normen hinweg spiegelt in der Regel die Legierungschemie wider, jedoch können Unterschiede bei Verunreinigungsgrenzen, Zustandsdefinitionen und Oberflächenanforderungen die Austauschbarkeit beeinflussen. Ingenieure sollten mechanische Eigenschaftstabellen und Spezifikationsgrenzen der jeweiligen Norm für Materialersatz aus unterschiedlichen Regionen genau prüfen.

Die Beschaffung und Zertifizierungsanforderungen in Verträgen sollten die anwendbare Norm und erforderliche mechanische/chemische Prüfungen spezifizieren, um subtile Abweichungen zwischen regionalen Varianten zu vermeiden.

Korrosionsbeständigkeit

3003 weist eine gute allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit auf, bedingt durch die Aluminiumoxidschutzschicht und den relativ niedrigen Kupfer- und Zinkgehalt. Es widersteht oxidierenden Umgebungen und städtischer Atmosphäre effektiv, was es zu einer gängigen Wahl für Gebäudeverkleidungen, Lüftungskanäle und Außengehäuse macht.

In maritimen Umgebungen ist 3003 für viele strukturelle und dekorative Anwendungen geeignet, jedoch nicht so korrosionsbeständig wie hochlegierte, speziell für den maritimen Einsatz entwickelte Legierungen wie 5083 oder 5086. Längere Tauchzeiten in Meerwasser oder chloridreichen Umgebungen können Lochfraß verursachen; daher sind Schutzbeschichtungen oder Opferanoden für den Langzeitbetrieb zu empfehlen.

Spannungsrisskorrosion ist bei 3003 kein großes Problem, da es sich nicht um eine wärmebehandelbare Hochfestlegierung handelt; dennoch können hohe Eigenspannungen in Verbindung mit aggressiven Umgebungen lokale Schäden verursachen. Galvanische Wechselwirkungen mit unterschiedlich metallischen Werkstoffen sind zu berücksichtigen, da Aluminium gegenüber gängigen Stählen und Kupfer anodisch ist und daher Isolation oder Beschichtung zum Schutz vor beschleunigter Korrosion erforderlich sind.

Verglichen mit Legierungen der 1xxx-Reihe bietet 3003 höhere Festigkeiten bei vergleichbarer Korrosionsbeständigkeit. Im Vergleich zu 5xxx- und 6xxx-Reihen ist die Festigkeit bei 3003 typischerweise niedriger, die marine Korrosionsbeständigkeit ist ähnlich oder etwas geringer, abhängig von der genauen Legierung und Umgebung.

Verarbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

3003 lässt sich gut mit TIG, MIG (GMAW) und Widerstandsschweißverfahren verarbeiten, da es nicht ausscheidungshärtend ist. Übliche Aluminiumschweißzusätze wie ER4043 (Al-Si) oder ER5356 (Al-Mg) werden verwendet; ER4043 bietet ausgezeichnete Fließfähigkeit und minimiert Porositätsrisiko, ER5356 erhöht die Festigkeit in der Schweißzone. Heißrissbildung ist gering, aber kann bei schlechter Reinigung, starker Festhaltung der Fügepartner oder falscher Zusatzwerkstoffwahl zunehmen; Steuerung der Wärmeeinbringung und Sauberkeit ist wichtig zur Porositätsminimierung.

Im Wärmeeinflussbereich beim Schweißen weichen H-Zustände gegenüber O auf, es treten jedoch keine Ausscheidungshärtungseffekte auf. Die mechanischen Eigenschaften nach dem Schweißen werden vornehmlich durch den Grundwerkstoffzustand und die Auswahl des Zusatzwerkstoffs bestimmt; bei sicherheitskritischen Anwendungen sind mechanische Prüfungen von Schweißproben zu berücksichtigen.

Zerspanbarkeit

3003 weist eine mäßige Zerspanbarkeit auf, gilt jedoch nicht als besonders gut zerspanbare Legierung; Schnittgeschwindigkeiten sind moderat und profitieren von steifen Vorrichtungen und scharfen Hartmetallwerkzeugen. Es entstehen duktile, kontinuierliche Späne, die bei ungeeigneten Schnittparametern an Werkzeugen haften können; Spänebrecher und positive Anschliffe helfen, Spanabfuhr zu verbessern.

Werkzeugverschleiß ist wegen Aluminiumanhaftung moderat; der Einsatz von Kühlschmierstoffen, beschichtetem Hartmetall oder Schnellarbeitsstahl mit passenden Geometrien verlängert die Standzeit. Bohr- und Fräsgeschwindigkeiten sollten für Aluminium mit hohen Vorschüben und relativ niedrigen Drehzahlen gewählt werden, um Anbackungen zu vermeiden.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit ist eine der Hauptstärken von 3003, insbesondere im O-Zustand, wo Tiefziehen und Biegen bis zu engen Radien gut möglich sind. Minimale Biegeradien hängen von Dicke und Zustand ab; im O-Zustand sind häufig Radien von 0,5–1,0× Dicke erreichbar, während bei H14/H16 größere Radien erforderlich sind und für starke Umformungen gegebenenfalls eine Wärmebehandlung (Rekristallisationsglühen) nötig ist.

Kaltumformung erhöht die Festigkeit bei gleichzeitigem Verlust an Duktilität; Zwischenlösungen (O) können die Umformbarkeit nach starker Verformung wiederherstellen. Für komplexe Stanzfolgen ist eine angemessene Federhinter compensation entsprechend Zustand und Stärke einzuplanen.

Verhalten bei Wärmebehandlung

3003 ist eine nicht wärmebehandelbare Legierung und spricht daher nicht auf Lösungsbehandlung und künstliches Altern zur Festigkeitssteigerung an. Versuche, typische Lösungs- und Alterungszyklen der 6xxx- oder 7xxx-Reihen anzuwenden, führen bei 3003 nicht zu Ausscheidungshärtung; die Eigenschaften werden durch Legierungszusammensetzung und Kaltverfestigung bestimmt.

Die Steuerung der Eigenschaften erfolgt über Kaltumformung und Glühzyklen. Das Vollglühen (Zustand O) wird durch Erhitzen auf einen definierten Temperaturbereich und anschließendes kontrolliertes Abkühlen erreicht, um Duktilität wiederherzustellen. Zwischenzustände (H12–H18) entstehen durch festgelegte Kaltumformgrade und teilweise Stabilisierungsglühen wie H112.

Da die Festigkeitssteigerung mechanisch und nicht metallurgisch erfolgt, werden Bauteile, die eine lokale Härtung oder selektive Verstärkung erfordern, meist durch Kaltarbeit oder örtliche mechanische Maßnahmen anstatt durch globale Wärmebehandlung verarbeitet.

Hochtemperatureigenschaften

3003 zeigt den für Aluminiumlegierungen typischen allmählichen Festigkeitsverlust mit steigender Temperatur; über ca. 150–200 °C nehmen Streck- und Zugfestigkeiten messbar ab. Eine langfristige Belastung über 200 °C wird für tragende Anwendungen generell nicht empfohlen, da Kriechen und Erweichung zunehmen.

Oxidation bei hohen Temperaturen ist durch die schützende Aluminiumschicht begrenzt, jedoch können Oberflächenverfärbungen und Oxidschichten bei hohen Temperaturen oder aggressiven Atmosphären auftreten. Schweißnähte können eine Erweichung im Wärmeeinflussbereich zeigen, durchlaufen aber keine Zustandsänderungen wie bei wärmebehandelbaren Legierungen.

Thermische Zyklen und unterschiedliche Wärmeausdehnung mit angrenzenden Fremdmaterialien sollten im Konstruktionsprozess berücksichtigt werden, um Ermüdung und Verbindungslockerungen zu vermeiden. Für dauerhafte Hochtemperatureinsätze sind speziell für hohe Temperaturfestigkeit ausgelegte Legierungen zu wählen.

Anwendungen

Industrie	Beispielkomponente	Warum 3003 verwendet wird
Klima-, Lüftungs- und Klimatechnik (HVAC)	Lüftungskanäle und Coils	Gute Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit für Luftführungssysteme
Haushaltsgeräte	Kochgeschirr, Ofenverkleidungen	Wärmeleitfähigkeit und Umformbarkeit für tiefgezogene Formen
Bau- und Architektur	Verkleidungen, Unterdächer	Witterungsbeständigkeit und leichte Fertigung
Chemie- und Verfahrenstechnik	Behälter, Rohrleitungskomponenten	Korrosionsbeständigkeit gegen viele Chemikalien und gute Schweißbarkeit
Elektrotechnik/Wärmeübertragung	Kühlkörper, Heizkörper	Wärmeleitfähigkeit kombiniert mit ausreichend Festigkeit

3003 bleibt in vielen Branchen eine bewährte Legierung aufgrund seiner ausgewogenen Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wirtschaftlichkeit. Seine vorhersehbare Kaltarbeitsreaktion und die weitverbreitete Verfügbarkeit in Blech, Coil und stranggepressten Formen machen es zur kostengünstigen Wahl für großvolumige Fertigung.

Auswahlhinweise

Wählen Sie 3003, wenn Sie eine bessere Festigkeit als bei reinstem Aluminium der 1000er-Serie benötigen und gleichzeitig eine hervorragende Umformbarkeit sowie Korrosionsbeständigkeit beibehalten möchten. Im Vergleich zu 1100 tauscht 3003 eine etwas geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit gegen eine spürbare Steigerung der mechanischen Festigkeit und eine verbesserte Verformungsbeständigkeit beim Umformen ein.

Im Vergleich zu nahe verwandten, durch Kaltverfestigung härtbaren Legierungen wie 5052 bietet 3003 in der Regel eine einfachere Umformbarkeit sowie vergleichbare Korrosionsbeständigkeit bei niedrigerer Festigkeit; 5052 wird bevorzugt, wenn höhere Festigkeit und bessere marine Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind. Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 wird 3003 für Fertigungsprozesse gewählt, die umfangreiche Umformung und Schweißen erfordern, wobei die maximale Festigkeit nicht im Vordergrund steht und Kosten sowie Duktilität priorisiert werden.

Für die Beschaffung sollte bei kritischer Umformbarkeit oder Schweißfestigkeit die Auswahl des Zustands und die Zertifizierung des Lieferanten vor der nominalen Legierungsnummer Priorität haben. Wird nach der Umformung eine höhere Festigkeit benötigt, sind mechanische Kaltumformungen oder der Wechsel zu einer Legierung mit höherer intrinsischer Festigkeit und akzeptablen Fertigungskomponenten in Betracht zu ziehen.

Zusammenfassung

3003 ist eine vielseitige, mit Mangan legierte Aluminiumlegierung, die die Lücke zwischen reinem Aluminium und höherfesten, wärmebehandelbaren Legierungen schließt, indem sie eine ausgewogene Festigkeit, hervorragende Umformbarkeit sowie zuverlässige Korrosionsbeständigkeit bietet. Ihre Nicht-Wärmebehandelbarkeit vereinfacht die Fertigungsoptionen und macht sie zu einem kosteneffizienten, breit verfügbaren Werkstoff für Blech, Strangpressprofile und umgeformte Bauteile in zahlreichen Industriezweigen.