Aluminium 3004: Zusammensetzung, Eigenschaften, Anlasstemperatur-Leitfaden & Anwendungsbereiche

Umfassender Überblick

Die Legierung 3004 gehört zur 3xxx-Serie der unlegierten Aluminium-Gusslegierungen und ist speziell innerhalb der 3xxx Mn-Mg-Gruppe klassifiziert. Die Hauptlegierungselemente sind Mangan (Mn) und Magnesium (Mg), mit kleinen kontrollierten Mengen an Eisen, Silizium und Spurenelementen.

3004 ist eine nicht wärmebehandelbare, durch Kaltverformung gehärtete Legierung; die Festigkeitssteigerung erfolgt hauptsächlich durch Kaltverfestigung (Kaltumformung) und nicht durch Ausscheidungshärtung. Dieser Mechanismus ermöglicht wählbare Kombinationen aus Festigkeit und Duktilität durch Variation des Zustands (Grad der Verformung und/oder Glühbehandlung).

Wesentliche Eigenschaften von 3004 sind eine moderate bis gute Festigkeit für eine 3xxx-Legierung, verbesserte Umformbarkeit im geglühten Zustand, akzeptable Korrosionsbeständigkeit unter typischen atmosphärischen Bedingungen und generell gute Fügeeigenschaften. Es wird häufig für Getränkedosenkörper, Wärmetauscher, architektonische Bleche und andere Blechanwendungen verwendet, bei denen ein ausgewogenes Verhältnis von Umformbarkeit und Festigkeit erforderlich ist.

Ingenieure wählen 3004, wenn eine Steigerung der Festigkeit gegenüber 3003 erforderlich ist, ohne die Tiefzieh- und Umformeigenschaften der 3xxx-Familie aufzugeben. Es wird gegenüber höherfesten, wärmebehandelbaren Legierungen bevorzugt, wenn starke Umformungen oder kostenbewusst herstellbare Bleche gefragt sind.

Ausführungen (Temper-Zustände)

Temper-Zustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch (20–30%)	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht für maximale Umformbarkeit
H14	Mittel	Niedrig bis Mittel (6–12%)	Gut	Gut	Kaltverfestigt, ein viertelgehärtet; gebräuchlich für gezogene/geformte Teile
H18	Hoch	Niedrig (3–8%)	Begrenzt	Gut	Vollständig gehärtet; verwendet, wenn höhere Festigkeit und Steifigkeit gefordert sind
H24	Mittel	Mäßig (10–18%)	Gut	Gut	Kaltverfestigt und anschließend teilweise geglüht; ausgewogenes Verhältnis von Umformbarkeit und Festigkeit
H26	Mittel-Hoch	Mäßig (8–14%)	Eingeschränkt	Gut	Zweistufiger Zustand zur Erreichung mittlerer mechanischer Eigenschaften
H28	Hoch	Niedrig (4–10%)	Begrenzt	Gut	Stärkere Kaltumformung für höhere Streck- und Zugfestigkeit

Der Temperzustand hat einen ausgeprägten Einfluss auf die Eigenschaften von 3004, da die Legierung ihre Festigkeit durch Verformung erzielt. Der Übergang vom O-Zustand zur H-Serie erhöht die Streck- und Zugfestigkeit, reduziert dabei jedoch die Duktilität und die Dehnungsumformbarkeit, was bei Tiefzieh- oder komplexen Biegeprozessen berücksichtigt werden muss.

Die Schweißbarkeit bleibt über die meisten Temperzustände robust, da 3004 nicht wärmebehandelbar ist; allerdings sollte bei der Konstruktion von Schweißverbindungen die lokale Glühung im Wärmeeinflussbereich sowie die geringere Festigkeit nach dem Schweißen bei kaltverfestigten Zuständen berücksichtigt werden.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Bemerkungen
Si	0,05–0,6	Kontrolliert, um spröde Intermetallische Verbindungen zu begrenzen; höherer Si-Gehalt verbessert Gießbarkeit bei anderen Legierungen.
Fe	0,2–0,7	Häufige Verunreinigung; höhere Fe-Gehalte bilden intermetallische Partikel, die die Duktilität leicht vermindern.
Mn	1,0–1,5	Hauptfestiger; fördert Korngrößenstabilität und erhöht die Kaltverfestigungskapazität.
Mg	0,8–1,3	Trägt zur Kaltverfestigung und zu einer moderaten Mischkristallverfestigung bei.
Cu	0,05–0,2	Wird niedrig gehalten, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhalten; kleine Mengen erhöhen geringfügig die Festigkeit.
Zn	0,05–0,2	Geringfügig; begrenzter Einfluss auf diesem Niveau, überwacht zur Vermeidung von interkristalliner Korrosion.
Cr	0,05–0,20	Spurenelemente können das Korn verfeinern und die Korrosionsbeständigkeit leicht verbessern.
Ti	≤ 0,15	Entoxidationsmittel und Kornverfeinerer in einigen Walzpraktiken; kleine Mengen kontrollieren die Korngröße.
Sonstige	≤ 0,05 je, ≤ 0,15 gesamt	Reststoffe und Spuren; Aluminium-Balance (~96,2–98,8%).

Mangan und Magnesium sind die Hauptleistungsfaktoren: Mn stabilisiert und verfeinert die Mikrostruktur und verbessert die Rekristallisationsbeständigkeit, während Mg die Kaltverfestigung verstärkt und eine moderate Mischkristallverfestigung bewirkt. Verunreinigungselemente wie Eisen und Silizium bilden intermetallische Phasen, die die Duktilität vermindern und das Oberflächenbild beeinflussen können; eine enge Kontrolle dieser Elemente ist insbesondere bei blechgeeigneten Werkstoffen für Tiefziehen oder dekorative Oberflächen wichtig.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 3004 ist typisch für kaltverfestigte, nicht wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen. Im geglühten Zustand weist die Legierung relativ niedrige Streckgrenze und Zugfestigkeit mit hoher gleichmäßiger Dehnung auf, was Tiefziehen und Umformen ermöglicht; nach mäßiger Kaltverformung steigt die Streckgrenze deutlich an und die Dehnung fällt, wodurch ein nützliches Festigkeitsfenster für strukturelle Blechteile entsteht.

Streckgrenze und Zugfestigkeit sind temperatur- und stärkeabhängig. Dünnere Bleche zeigen meist höhere scheinbare Streckgrenzen durch Oberflächenkaltverfestigung und verarbeitungstypische Textur; dickere Platten oder Extrusionen können entsprechend geringere Kaltverfestigungsraten und etwas niedrigere Festigkeiten bei vergleichbarem Temperzustand aufweisen.

Die Ermüdungsleistung ist moderat und abhängig von Oberflächenbeschaffenheit und Eigenspannungen aus Umformung oder Schweißen; Oberflächenkratzer und Kerben reduzieren die Lebensdauer deutlich. Die Härte folgt dem Zugverhalten und ist als schneller Feldparameter zur Kontrolle des Temperzustands und Grad der Kaltverfestigung nützlich.

Eigenschaft	O/Geglüht	Haupt-Temper (H14)	Bemerkungen
Zugfestigkeit (UTS)	110–145 MPa	170–230 MPa	Stärkebereich abhängig von Dicke, Verarbeitungsverlauf und genauem Temperzustand.
Streckgrenze (0,2 % Dehngrenze)	35–75 MPa	120–170 MPa	H14 zeigt deutlichen Anstieg gegenüber dem geglühten Zustand durch Kaltverfestigung.
Dehnung (A50 mm)	20–30 %	6–12 %	Dehnung nimmt mit zunehmender Kaltverfestigung stark ab.
Härte (Brinell, ca.)	30–45 HB	55–85 HB	Härte korreliert mit dem Temperzustand; hilfreich für Qualitätskontrolle und Service-Checks.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	2,70–2,73 g/cm³	Typisch für gewalzte Aluminiumlegierungen; beeinflusst Masse- und Steifigkeitsberechnungen.
Schmelzbereich	~640–650 °C	Solidus und Liquidus liegen dicht beieinander; ähnliches Schmelzverhalten wie handelsübliche Al-Legierungen.
Wärmeleitfähigkeit	~120–160 W/m·K	Geringer als reines Aluminium aufgrund der Legierungselemente; dennoch gut für Wärmeübertragungsanwendungen.
Elektrische Leitfähigkeit	~30–40 % IACS (~17–23 MS/m)	Reduziert gegenüber reinem Al; beim Entwurf elektrischer Schaltungen sollte der erhöhte Widerstand berücksichtigt werden.
Spezifische Wärme	~900 J/kg·K	Typischer Wert für Aluminiumlegierungen, der in thermischen Modellen verwendet wird.
Wärmeausdehnung	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Relativ hoher Ausdehnungskoeffizient; wichtig für die Verbindungstechnik mit unterschiedlichen Werkstoffen.

Diese physikalischen Konstanten spiegeln den Einsatzbereich von 3004 wider, wo thermischer Transport und geringe Dichte wichtig sind, jedoch keine extrem hohe Temperaturbeständigkeit erforderlich ist. Die thermische und elektrische Leitfähigkeit sind gegenüber reinem Aluminium reduziert, bleiben aber im Vergleich zu vielen Stählen vorteilhaft, was 3004 für Wärmetauscherlamellen und leitfähige Gehäuse mit Anforderungen an Festigkeit und Umformbarkeit geeignet macht.

Daten zur Wärmeausdehnung und Leitfähigkeit sind entscheidend für Baugruppen mit mehreren Werkstoffen; Konstrukteure sollten unterschiedliche Ausdehnungen beim Verkleben oder mechanischem Befestigen von 3004 an Metalle mit stark abweichenden Koeffizienten berücksichtigen.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,2–4,0 mm	Gute Kaltverfestigung; dünne Bleche lassen sich leicht umformen	O, H14, H24	Weit verbreitet für Getränkedosenblech und architektonische Verkleidungen.
Platte	>4,0 mm bis ca. 12 mm	Geringere Kaltverfestigung pro Dicke; kann spannungsarm geglüht werden	O, H18, H26	Platten werden eingesetzt, wenn größere Flächen oder flachgezogene Bauteile akzeptabel sind.
Strangpressprofil	Profile mit moderaten Querschnitten	Weniger Kaltverfestigung als geschmiedetes Blech; Nachbehandlung nach dem Strangpressen erforderlich	H14, H26	Weniger üblich als bei anderen Legierungen für komplexe Profile; gut geeignet für einfachere Profile.
Rohr	Typischer Außendurchmesser 6–200 mm	Kaltziehen und Glühen steuern Wanddickeigenschaften	O, H14	Verwendung in Wärmetauscherrohren und strukturellen Anwendungen; Korrosionsverhalten ist wichtig.
Stab/Rundstahl	Durchmesser bis ca. 100 mm	Festigkeit steigt durch Kaltziehen; Bearbeitbarkeit variiert	H14, H18	Einsatz für gefertigte Fittings und mechanische Bauteile mit mittlerer Festigkeit.

Die Auswahl der Form richtet sich nach der Kaltverfestigungsempfindlichkeit der Legierung und den geplanten Umformprozessen. Blech und dünne Stärken dominieren, da sie die hervorragende Umformbarkeit von 3004 im geglühten Zustand sowie die kontrollierbare Festigkeitssteigerung durch Kaltverfestigung optimal nutzen.

Dickere Produkte wie Platten und Stäbe erfordern oft unterschiedliche Bearbeitungsverfahren (Warmwalzen, Lösungsglühen/Weichglühen), um gleichmäßige Eigenschaften zu erzielen; diese Formen werden gewählt, wenn Geometrie- und Steifigkeitsanforderungen die tiefe Umformbarkeit überwiegen.

Äquivalente Güten

Norm	Güte	Region	Hinweise
AA	3004	USA	Aluminum Association Bezeichnung, häufig in der Beschaffung verwendet.
EN AW	3004	Europa	EN AW-3004 Äquivalent; chemische Toleranzen und mechanische Prüfverfahren entsprechen EN-Normen.
JIS	A3004 (oder ähnlich)	Japan	Japanische Normen listen Aluminium-Mangan-Magnesium-Legierungen mit geringfügigen Namensabweichungen.
GB/T	3A04 / 3004	China	Chinesische Bezeichnung meist als 3A04; Zusammensetzungstoleranzen können leicht abweichen.

Äquivalente Normen sind weitgehend interoperabel, können aber hinsichtlich erlaubter Verunreinigungen, spezifizierter Zustände und Prüfverfahren variieren. Käufer sollten stets die konkrete Norm (AA, EN, JIS, GB/T) sowie die Härtezertifizierung anfordern, da mechanische Eigenschaften und Blechdickenbereiche zwischen Regionen abweichen können.

Walzprozesse (Walzpläne, Glühparameter, Oberflächenbehandlungen) können ebenfalls messbare Unterschiede in Struktur und Umformbarkeit bewirken, selbst wenn die chemische Zusammensetzung der nominalen Güte entspricht.

Korrosionsbeständigkeit

Im atmosphärischen Einsatz zeigt 3004 eine gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit vergleichbar mit anderen Al-Mn-Legierungen; es bildet eine selbstheilende Oxidschicht, die das Grundmetall unter normalen Umweltbedingungen schützt. Magnesium im Legierungsgefüge beeinflusst lokal begrenzte Korrosionserscheinungen leicht, beeinträchtigt aber nicht wesentlich die allgemeine atmosphärische Leistung für Anwendungen wie architektonische Verkleidungen oder Getränkedosenbleche.

In marinen oder chloridhaltigen Umgebungen ist 3004 anfälliger für Loch- und Spaltkorrosion als Al-Mg (5xxx) Legierungen; exponierte Schnittkanten, Schweißnähte und Spalten erfordern sorgfältige Konstruktion und gegebenenfalls Schutzbeschichtungen oder Eloxierung. Für längere marine Anwendungen werden meist Legierungen mit höherem Magnesiumgehalt (z. B. 5052) oder Schutzbeschichtungen bevorzugt.

Spannungsrisskorrosion (SCC) stellt bei 3004 im Vergleich zu hochfesten, wärmebehandelbaren Legierungen kein großes Risiko dar; die nicht wärmebehandelbare Natur und die relativ geringe Festigkeit reduzieren die SCC-Anfälligkeit. In galvanischer Kopplung ist 3004 anodisch gegenüber Edelstahl und edlen Metallen reaktiv, deshalb sind elektrische Isolierungen oder kompatible Befestigungen und Beschichtungen zur Minderung von galvanischer Korrosion ratsam.

Im Vergleich zu 1xxx-Einkarbonaluminium tauscht 3004 etwas geringere elektrische Leitfähigkeit gegen höhere Festigkeit bei ähnlichem allgemeinem Korrosionsverhalten. Im Vergleich zu 5xxx-Legierungen weist 3004 meist eine niedrigere Lochbildungsbeständigkeit, jedoch eine bessere Umformbarkeit im geglühten Zustand auf.

Füge- und Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

3004 lässt sich gut mit gängigen Lichtbogenschweißverfahren wie GTAW (WIG) und GMAW (MIG) schweißen; auch Widerstandspunkt- und Rollnahtschweißen sind für Blechkonstruktionen möglich. Typische Schweißzusätze sind Al-Mg-Si- oder Al-Si-Draht (z. B. ER4043 oder ER5356), um eine ausgewogene Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanische Kompatibilität mit dem Grundwerkstoff zu gewährleisten.

Heiße Risse treten weniger häufig als bei hochfesten, wärmebehandelbaren Legierungen auf, jedoch ist auf konstruktive Gestaltung und Wärmeeintrag zu achten, um übermäßiges localisiertes Glühen von Kaltverfestigten Zuständen zu vermeiden. Die mechanischen Eigenschaften im Wärmeeinflussgebiet reduzieren sich bei kaltverfestigten Werkstoffen; Planer sollten eine lokale Streckgrenzenminderung bei stark bearbeiteten Teilen berücksichtigen.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von 3004 ist mittelmäßig und generell geringer als bei Aluminiumlegierungen mit Blei- oder Wismut-Schneidzusätzen. Die Legierung neigt zu höherer Streckbarkeit und bildet lange, fadenförmige Späne, es sei denn, diese werden durch Werkzeuggeometrie und unterbrochene Schnitte gebrochen. Einsatz von Hartmetallwerkzeugen mit positivem Spanwinkel und Spanbrechern wird empfohlen.

Vorschub und Schnittgeschwindigkeit sind auf den gewählten Zustandsgrad und Querschnitt anzupassen; Schmierstoffe und Überspülen verbessern Werkzeugstandzeiten und Oberflächengüte. Für Präzisionsbauteile mit hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten sind wärmebehandelbare Legierungen mit speziell modifizierter Zerspanbarkeit oft die bessere Wahl.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit zählt zu den Stärken von 3004 im geglühten O-Zustand, was tiefes Ziehen, Streckrichten und komplexe Stanzverfahren ermöglicht, wie sie in der Behälterfertigung üblich sind. Mindest-Biegeradien innen hängen von Zustand und Dicke ab; im O-Zustand sind Radien von 1–2× Dicke (t) üblich, während kaltverfestigte H14-Zustände größere Radien von 2–4×t benötigen, um Risse zu vermeiden.

Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit, verringert jedoch die Dehnung; Rückfederung ist moderat und muss bei der Werkzeugkonstruktion berücksichtigt werden. Verfahren wie Zwischen-Glühen, kontrollierte Schmierung und Stauchumformen verbessern die Ergebnisse bei komplexen Geometrien.

Wärmebehandlungsverhalten

3004 ist nicht wärmebehandelbar und spricht nicht auf Lösungsglühen und künstliches Altern zu wie 6xxx- oder 7xxx-Legierungen. Versuche mit Lösungsglühen führen nur zu begrenzter Festigkeitssteigerung, da Mn und Mg hauptsächlich zur Kaltverfestigung und Mischkristallfestigkeit beitragen und kaum ausscheidungshärtende Phasen bilden.

Die Eigenschaftssteuerung erfolgt über Kaltverfestigung und Glühzyklen: Vollglühen (O-Zustand) geschieht durch Erhitzen auf geeignete Temperaturen (oft im Bereich 300–420 °C je nach Herstellprozess), Halten zur Rekristallisation und anschließendes Abschrecken für maximale Duktilität. Teilglühungen (H2x, H3x) werden genutzt, um nach der Kaltverformung ein mittleres Verhältnis von Festigkeit zu Duktilität einzustellen.

Die T-Zustandsbezeichnung (z. B. T5/T6) ist für 3004 nicht sinnvoll oder wirksam, da Ausscheidungshärtung minimal ist; daher sollten nur H- und O-Zustände zur Spezifizierung verwendet werden, um vorhersagbare Eigenschaften zu erzielen.

Hochtemperaturverhalten

Die Festigkeit von 3004 nimmt mit steigender Temperatur ab, und es tritt deutliche Erweichung weit unterhalb der Schmelztemperatur der Legierung auf; oberhalb von ca. 100–150 °C sinkt die Dauerfestigkeit spürbar, und Kriechen bekommt Bedeutung. Für kurzzeitige Einsätze bei erhöhten Temperaturen ist 3004 geeignet, eine dauerhafte Nutzung bei Temperaturen über ~150 °C wird jedoch nicht empfohlen.

Oxidation ist bei üblichen erhöhten Einsatztemperaturen gering, da Aluminium eine schützende Oxidschicht bildet; jedoch sind Schutzbeschichtungen und Dichtungen empfehlenswert bei längerer Einwirkung von heißer Feuchte oder aggressiven Atmosphären. Thermische Einwirkungen können Kaltverfestigung rückgängig machen und mechanische Eigenschaften in vorgedehnten Zuständen verändern, weshalb die thermische Vorgeschichte bei Bauteilen nahe der Grenztemperatur berücksichtigt werden muss.

Die Wärmeeinflusszone beim Schweißen zeigt lokales Erweichen, wenn zuvor kaltverfestigtes Material vorlag; diese örtliche Festigkeitsminderung ist bei der Auslegung von Schweißkonstruktionen für erhöhte Temperaturen zu beachten.

Anwendungen

Industrie	Beispielbauteil	Warum 3004 verwendet wird
Verpackung / Getränke	Dosenkörper und Dosenhülsen	Ausgezeichnete Tiefziehbarkeit und idealer Festigkeitsausgleich für die Herstellung von Dünnblechdosen
HKL / Wärmeaustausch	Lamellen, Spulen, Rohrleitungen	Gute Wärmeleitfähigkeit und Umformbarkeit für Lamellenbleche und Rohre
Architektur	Verkleidungen, Deckenuntersichten (Soffitte)	Gute Umformbarkeit, Oberflächenqualität und moderate Korrosionsbeständigkeit
Automobil	Innenverkleidungen, nicht-strukturelle Zierteile	Gute Umformbarkeit und Gewichtsersparnis bei Stanzteilen
Elektronik	Wärmeverteiler, Gehäuse	Thermisches Management kombiniert mit guter Fertigbarkeit und Kosteneffizienz

3004 wird häufig eingesetzt, wenn eine gute Umformbarkeit von Blechen sowie eine moderate Festigkeitssteigerung gegenüber 3003 erforderlich sind, ohne dabei die Fertigbarkeit einzuschränken oder die Kosten signifikant zu erhöhen. Die Verwendung in Getränkedosen exemplifiziert eine anspruchsvolle Fertigungsumgebung, in der konstante Ziehfähigkeit, Oberflächenqualität und Kosten pro Kilogramm entscheidend sind.

Für Bauteile, die eine höhere Korrosionsbeständigkeit oder eine höhere Dauerfestigkeit bei erhöhten Temperaturen erfordern, können andere Legierungsgruppen gewählt werden. Für hochvolumige, umgeformte Blechanwendungen bleibt 3004 jedoch eine kosteneffiziente und robuste Wahl.

Auswahlhinweise

Wählen Sie 3004, wenn Sie eine höhere umformbare Festigkeit als bei handelsüblichem Aluminium (1100) benötigen und gleichzeitig viel von der Verarbeitbarkeit und der überlegenen Oberflächenqualität von 1100 erhalten möchten. Im Vergleich zu 1100 geht 3004 auf Kosten einer etwas geringeren elektrischen Leitfähigkeit und maximalen Duktilität, bietet dafür aber eine verbesserte Streck- und Zugfestigkeit, die dünnere Blechstärken bei umgeformten Bauteilen ermöglicht.

Im Vergleich zu nahe verwandten Kaltarbeitslegierungen wie 3003 und 5052 liegt 3004 dazwischen: Es bietet eine höhere Festigkeit als 3003 bei ähnlichen Umformprozessen und in der Regel eine bessere allgemeine Korrosionsbeständigkeit als manche 3003-Lots, während 5052 eine überlegene Meereskorrosionsbeständigkeit und höhere Festigkeit zulasten der Ziehfähigkeit bietet. Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 wird 3004 dann gewählt, wenn Umformbarkeit und kostengünstige Blechproduktion Priorität haben und keine maximale Spitzfestigkeit erforderlich ist; es eignet sich besonders für tiefgezogene Bauteile und kontinuierliche Fertigungsläufe, bei denen Wärmebehandlungen unpraktisch wären.

Abschließende Zusammenfassung

Die Legierung 3004 bleibt relevant, da sie eine praktische Nische bedient: eine kaltverfestigbare Al-Mn-Mg-Legierung, die eine zuverlässige Tiefziehformbarkeit mit einer nützlichen Festigkeitssteigerung gegenüber einfachen 3xxx-Legierungen verbindet. Ihre ausgewogene Korrosionsbeständigkeit, gute Fügeeignung und günstige Produktionsökonomie machen sie zu einem festen Bestandteil bei Getränkebehältern, HKL-Komponenten und umgeformten Architekturblechen, wo Fertigbarkeit und Kostenkontrolle im Vordergrund stehen.