Aluminium 3100: Zusammensetzung, Eigenschaften, Härtegrade & Anwendungsbereiche

Umfassender Überblick

3100 ist ein Mitglied der 3xxx-Serie von Aluminiumlegierungen, einer Familie, bei der Mangan das Hauptlegierungselement darstellt. Es gehört zu den nicht wärmebehandelbaren Knetlegierungen, bei denen die Erhöhung der mechanischen Eigenschaften hauptsächlich durch kontrollierte Kaltverformung und nicht durch ausscheidungshärtende Wärmebehandlungen erreicht wird.

Die wichtigsten Legierungselemente in 3100 sind Mangan (primär), mit geringen Gehalten an Silizium, Eisen sowie Spuren von Magnesium, Chrom und Titan. Der Mangangehalt sorgt für eine feste Lösungshärtung und eine verbesserte Kaltverfestigung bei gleichzeitig ausgezeichneter Duktilität und Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu höherfesten, wärmebehandelbaren Legierungen.

Der Verstärkungsmechanismus bei 3100 beruht im Wesentlichen auf Kaltverfestigung (Verformungshärtung) und mikrostruktureller Steuerung durch thermomechanische Verarbeitung; eine nennenswerte Ausscheidungshärtung findet nicht statt. Wichtige Eigenschaften sind gute Umformbarkeit im weichen (weichgeglühten) Zustand, moderate Festigkeit nach Kaltverformung, sehr gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit und solide Schweißbarkeit bei üblichen Fusionsverfahren mit geringer HAZ-Empfindlichkeit.

Typische Branchen, die 3100 einsetzen, umfassen Architektur- und Bauelemente, Wärmetauscher- und HVAC-Komponenten, leichte Strukturtafeln sowie allgemeine Anwendungen mit Blech und Band, bei denen eine ausgewogene Kombination aus Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und moderater Festigkeit gefordert ist. Konstrukteure wählen 3100, wenn Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit Vorrang vor maximaler Festigkeit haben und eine wirtschaftliche, nicht wärmebehandelbare Legierung benötigt wird.

Temperzustände

Temperzustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Hinweise
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig weichgeglüht, maximale Duktilität für Umformungen
H12	Niedrig-Moderate	Moderat	Sehr Gut	Sehr Gut	Teilweise Kaltverfestigung, gut für Tiefziehteile
H14	Moderat	Moderat-Niedrig	Gut	Sehr Gut	Gängiger Handelszustand für moderate Festigkeit
H18	Hoch	Niedrig	Befriedigend	Gut	Stark kaltverfestigt für höhere Festigkeit
H24	Moderat-Hoch	Moderat	Gut	Sehr Gut	Lösungsgeglüht + partielle Erholung durch niederer Temperaturverformung
H22	Moderat	Moderat	Sehr Gut	Sehr Gut	Kontrollierte Dehnung und Kaltverfestigung für Teile mit Federrückstellungskontrolle

Der Temperzustand beeinflusst direkt das Verhältnis von Festigkeit zu Duktilität; weichgeglühter O-Zustand bietet die höchste Dehnung und beste Umformbarkeit, während die H-Zustände progressiv die Streckgrenze und Zugfestigkeit auf Kosten der Dehnung erhöhen. Die Wahl des Temperzustands richtet sich nach dem Umformverfahren und der Verwendung: Tiefziehen und starke Umformung bevorzugen O/H12, während Bauteile und Aussteifungen mit höherer statischer Festigkeit H14/H18 bevorzugen.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Hinweise
Si	≤ 0,6	Typische Verunreinigung aus dem Schmelzprozess, geringer Einfluss auf die Festigkeit
Fe	≤ 0,7	Häufige Verunreinigung, kann intermetallische Phasen bilden, die die Duktilität beeinflussen
Mn	0,8 – 1,5	Hauptlegierungselement, sorgt für feste Lösungshärtung
Mg	≤ 0,5	Geringfügig; verbessert leicht die Festigkeit und trägt zur Kaltverfestigung bei
Cu	≤ 0,2	Niedrig gehalten, um Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit zu erhalten
Zn	≤ 0,2	Niedrig, um galvanische Empfindlichkeit zu vermeiden
Cr	≤ 0,1	Spurzusatz zur Kornstrukturkontrolle und Verbesserung der Zähigkeit
Ti	≤ 0,15	Kornfeiner bei Guss-/Halbkontinuierlicher Verarbeitung
Sonstige (jeweils)	≤ 0,05	Reststoffe und Spurenelemente, kontrolliert zur Sicherstellung der Qualität

Der Mangangehalt ist der dominierende Einflussfaktor auf die mechanische Leistung, erhöht die Zugfestigkeit und ermöglicht höhere Kaltverfestigungsraten, ohne die Duktilität stark zu beeinträchtigen. Eisen und Silizium sind typische Reststoffe, die Dispersoid- und intermetallische Partikel bilden; ihre Behandlung ist wichtig für Umformbarkeit und Oberflächenqualität. Geringfügige Legierungszusätze wie Chrom und Titan dienen zur Rekristallisationssteuerung, Kornfeinung und zur Stabilisierung der Eigenschaften während thermischer Zyklen.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 3100 entspricht dem klassischen Verhalten nicht wärmebehandelbarer Aluminiumlegierungen: relativ niedrige Festigkeit im weichgeglühten Zustand mit erheblicher Steigerung durch Kaltverfestigung. Die Streckgrenze im Verhältnis zur Zugfestigkeit ist meist moderat (Streckgrenze oft im Bereich von 30–60 % der Zugfestigkeit bei stark kaltverfestigten Zuständen) und das Material behält im weichgeglühten Zustand gute Duktilität, was tiefes Ziehen und komplexes Stanzen erleichtert.

Die Härte korreliert eng mit dem Temperzustand und dem Grad der Kaltverfestigung; Rockwell- und Vickers-Härten zeigen beide progressive Zunahmen von O- bis H18-Zustand. Die Dauerfestigkeit entspricht typischerweise der von geschmiedetem Aluminium mit Dauerfestigkeitswerten, die stark von Oberflächenfinish, Eigenspannungen aus der Umformung und dem Vorhandensein von Einschlüsse oder Oberflächenfehlern abhängen. Es gibt deutliche Dickeneinflüsse: Dünnere Bleche erreichen höhere Umformbarkeit und geringere innere Fehlerpopulationen, dickere Abschnitte zeigen oft niedrigere Duktilität und erfordern andere Umformwerkzeuge und -strategien.

Die wärmebeeinflusste Zone (HAZ) beim Schweißen führt nur zu einer lokalen mechanischen Weichung durch den Abbau der Kaltverfestigung; da 3100 nicht ausscheidungshärtend ist, sind Festigkeitsverluste in der HAZ moderat und meist durch Nachbehandlung mechanisch reversibel. Das Bruchverhalten der Legierung ist duktil mit signifikanter Einschnürung bei Zugversuchen im weichgeglühten Zustand und wechselt zu einem stärker schubdominierten Bruch mit zunehmender Kaltverfestigung.

Eigenschaft	O/Weichgeglüht	Typischer Temper (z. B. H14/H18)	Hinweise
Zugfestigkeit	90 – 140 MPa	160 – 260 MPa	Werte abhängig von Verarbeitung, Dicke und Lieferant; Bereiche sind indikativ
Streckgrenze	30 – 60 MPa	110 – 200 MPa	Streckgrenze steigt stark mit Grad der Kaltverfestigung
Dehnung	30 – 45 %	5 – 20 %	Höher bei dünnen Blechdicken und weichgeglühten Zuständen; fällt bei H18 stark ab
Härte (HV)	20 – 40 HV	45 – 90 HV	Härte korreliert mit Temperzustand und Kaltverfestigungsgrad

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Hinweise
Dichte	2,70 g/cm³	Typisch für geschmiedete Al–Mn-Legierungen
Schmelzbereich	640 – 660 °C	Solidus/liquidus fast reiner Aluminium-Matrix
Wärmeleitfähigkeit	140 – 160 W/m·K	Leicht reduziert gegenüber reinem Aluminium durch Legierung
Elektrische Leitfähigkeit	30 – 45 % IACS	Niedriger als reines Aluminium; beeinflusst durch Mn- und Fe-Gehalt
Spezifische Wärme	~900 J/kg·K	Etwa vergleichbar mit anderen gebräuchlichen Aluminiumlegierungen
Wärmeausdehnung	23 – 24 µm/m·K (20–100 °C)	Typischer Ausdehnungskoeffizient für Aluminiumlegierungen

Die Dichte und thermischen Eigenschaften von 3100 liegen sehr nahe bei anderen 3xxx-Legierungen, was die Legierung für Anwendungen attraktiv macht, bei denen Gewichtseinsparungen und thermische Leistung zusammen gefordert sind. Die Wärmeleitfähigkeit bleibt im Vergleich zu Stahl und vielen Legierungen hoch, was Bauteile für Wärmeverteilung und Wärmetauscher begünstigt.

Die elektrische Leitfähigkeit ist moderat und für einige Schienen- und Leitpaneel-Anwendungen ausreichend, jedoch wird 3100 nicht für Anwendungen ausgewählt, bei denen maximale Leitfähigkeit kritisch ist; dort werden handelsreine Qualitäten oder niedrig legierte Elektrolegerungen bevorzugt. Die Wärmeausdehnung ist typisch für Aluminium und muss bei Baugruppen mit unterschiedlichen Werkstoffen berücksichtigt werden.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Anmerkungen
Blech	0,2 – 6,0 mm	Gut im O/H12; steigt bei H14–H18	O, H12, H14, H18	Weit verbreitet; verwendet für Verkleidungen und Paneele
Platte	6,0 – 25 mm	Geringere Umformbarkeit, höhere Biegefestigkeit	O, H22, H24	Dicke Querschnitte erfordern spezielle Umform- und Schweißverfahren
Profil-Extrusion	Profile bis 200 mm	Festigkeit abhängig vom Extrusionsverhältnis und Auslagern	O, H12, H14	Weniger verbreitet als Blech, aber für kundenspezifische Profile geeignet
Rohr	Durchmesser variabel	Verhalten ähnlich wie gezogene/kaltumgeformte Rohre	O, H14	Häufig verwendet in Lüftung, Heizung und Transportleitungen
Stab/Rundstahl	Ø2 – 50 mm	Festigkeitszunahme durch Kaltziehen	H12, H14, H18	Verwendet für Verbindungselemente, Bolzen und allgemeines Maschinenmaterial

Blech und Band sind die dominierenden Produktformen für 3100 aufgrund des Legierungsfokus auf Umformbarkeit und Oberflächenqualität. Platten und dickere Querschnitte werden eingesetzt, wenn Steifigkeit und strukturelle Dicke gefordert sind, erfordern jedoch sorgfältige thermische und mechanische Verarbeitung zur Erhaltung der Zähigkeit. Profile und Rohre werden gefertigt, wenn komplexe Querschnitte oder offene Dünnwandgeometrien benötigt werden, und finden Verwendung in HVAC, Bauwesen und Architekturprofilen.

Verarbeitungsunterschiede beeinflussen die Endeigenschaften: Walzpläne und Glühprofile bestimmen Rekristallisation und Kornstruktur, während Kaltziehen und Tiefziehen die Streckgrenze und Restspannungszustände definieren. Die Wahl der Anwendung wird oft davon bestimmt, ob maximale Umformbarkeit (Blech im O-Zustand) oder höhere Festigkeit im angebenden Zustand (H14/H18) Priorität hat.

Äquivalente Werkstoffnummern

Norm	Werkstoff	Region	Anmerkungen
AA	3100	USA	Registriert als eine gewalzte Al–Mn-Legierung in der 3xxx-Familie
EN AW	3100	Europa	Üblich als EN AW-3100 in europäischen Normen bezeichnet
JIS	A3100	Japan	JIS-Äquivalente folgen ähnlichen Zusammensetzungslimits
GB/T	3100	China	Chinesische Normen stimmen typischerweise zusammensetzungsmäßig überein

Die äquivalenten Werkstoffnummern sind in der Regel hinsichtlich der Zusammensetzung eng aneinander angeglichen, können allerdings in zulässigen Verunreinigungen, Zustandsbezeichnungen und Produkttoleranzen differieren. Lieferanten aus verschiedenen Regionen können leicht abweichende garantiert mechanische Werte und Oberflächenklassen anbieten. Ingenieure sollten für kritische Anwendungen zertifizierte Werkstoffprüfberichte anfordern. Kleine Unterschiede bei den Verunreinigungsgrenzen (Fe, Si) wirken sich auf Umformbarkeit und Oberflächenqualität aus; diese Details sind bei der Substitution eines regionalen Äquivalents zu beachten.

Korrosionsbeständigkeit

3100 weist eine gute allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit auf, typisch für Al–Mn-Legierungen, da es eine schützende Aluminiumoxidschicht ausbildet. In ländlichen und industriellen Umgebungen überzeugt die Legierung durch Zuverlässigkeit, und mit geeigneten Oberflächenbehandlungen oder Lackierungen eignet sie sich für langfristigen Einsatz ohne signifikanten Wartungsaufwand.

In maritimen Umgebungen zeigt die Legierung moderate Beständigkeit gegen Lochfraß- und Spaltkorrosion, doch Chloridbelastung beschleunigt lokale Angriffe im Vergleich zu niedriglegierten, stark korrosionsbeständigen Werkstoffen wie den 5xxx Magnesiumlegierungen oder speziellen Marinelegierungen. Für langzeitige Anwendungen im Meerwasserbereich sind entsprechende Konstruktionsdetails, Beschichtungen und das Vermeiden von stehenden Wasserfallen erforderlich.

Spannungsrisskorrosion (SCC) ist bei 3100 im Vergleich zu hochfesten, wärmebehandelbaren Legierungen kein großes Problem; die niedrigen bis mittleren Festigkeitsniveaus und das Fehlen von ausscheidungshärtenden Mikrostrukturen reduzieren die Anfälligkeit für SCC. Allerdings müssen galvanische Wechselwirkungen mit edleren Metallen durch Isolationsmaterialien oder passende Verbindungselemente kontrolliert werden, um eine beschleunigte anodische Auflösung in gekoppelten Baugruppen zu vermeiden.

Im Vergleich zu 1xxx-Reihe (kommerziell reines Aluminium) tauscht 3100 eine leicht reduzierte elektrische/thermische Leitfähigkeit gegen verbesserte mechanische Festigkeit bei ähnlichem Korrosionsverhalten. Im Vergleich zu 5xxx- oder 6xxx-Familien ist 3100 weniger korrosionsbeständig als speziell formulierte Marinelegierungen und nicht so stark wie wärmebehandelbare Legierungen, daher wird es bevorzugt dort eingesetzt, wo ausgewogene Eigenschaften und Kosteneffizienz im Vordergrund stehen.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

3100 lässt sich problemlos mit TIG- und MIG-Lichtbogenschweißen verbinden, benötigt kaum spezielle Vorbereitung und ist wenig anfällig für Heißrisse, da keine eutektischen legierungsmäßigen Elemente vorhanden sind. Empfohlene Zusatzwerkstoffe sind gängige Füllerlegierungen für Al–Mn-Systeme oder allgemeine 4043/5356 zur Erzielung der gewünschten Duktilität und Korrosionsbeständigkeit. Das Wärmeeinflussgebiet zeigt eine gewisse Erweichung bei vorheriger Verfestigung, jedoch erzeugt das Fehlen von Ausscheidungshärtung keine starke lokale Versprödung in der Schweißnaht.

Zerspanbarkeit

Die Bearbeitung von 3100 ist moderat; die Legierung lässt sich leichter bearbeiten als viele hochfeste Legierungen, jedoch nicht so spanbruchfreundlich wie bestimmte bleihaltige oder spezialisierte zerspanbare Aluminiumqualitäten. Hartmetallwerkzeuge mit positiver Freiwinkelgeometrie und geeigneten Beschichtungen (TiN/TiAlN) werden für Serienfertigung empfohlen, moderate Schnittgeschwindigkeiten mit guter Kühlmittelzufuhr gewährleisten beste Oberflächenqualität. Die Spanbildung ist eher langfaserig; Spanbrecher oder unterbrochene Schnitte können Werkzeugverstopfungen verhindern.

Umformbarkeit

3100 ist im geglühten O-Zustand hochumformbar und behält gute Ziehfähigkeit in milden H-Zuständen wie H12. Typische Mindestbiegeradien sind für dünne Bleche klein (z. B. ≤1t für Blech im O-Zustand), steigen jedoch mit zunehmendem Zustand zu H14/H18 an. Die Legierung spricht gut auf Kaltumformung an; Rückfederung ist vorhersagbar und kann durch Streckziehen oder Vorverformung kontrolliert werden.

Wärmebehandlungsverhalten

Als nicht wärmebehandelbare Legierung profitiert 3100 nicht von Lösungsglühen und Ausscheidungshärten zur Festigkeitssteigerung. Die Fertigungsstärke wird durch Kaltverfestigung erreicht, und thermische Behandlung nahe oder oberhalb der Rekristallisationstemperatur reduziert die Festigkeit durch Abbau der Verfestigung.

Volles Weichglühen (O-Zustand) erfolgt durch Erhitzen im Temperaturbereich von 350–415 °C, abhängig von Werkstückdicke und Haltezeit, gefolgt von kontrolliertem Abkühlen zur Erlangung einer vollständig rekristallisierten, weichen Struktur für die Umformung. Teilweiches Glühen und Spannungsarmglühen werden zur Steuerung von Restspannungen und Rückfederung ohne vollständiges Erweichen eingesetzt.

Für Anwendungen, die Eigenschaftsrestaurierung nach Umformung oder Schweißen erfordern, sind kontrollierte Glühprozesse und anschließende mechanische Bearbeitung zu den gewünschten H-Zuständen gebräuchlich. Da künstliches Altern keine nennenswerte Festigkeitssteigerung erzeugt, erfolgt die Zustandsbezeichnung und Eigenschaftskontrolle über mechanische Verformung, nicht über zeit-temperaturgeführte Alterung.

Hochtemperatureinsatz

3100 behält bei mäßig erhöhten Temperaturen brauchbare mechanische Eigenschaften, jedoch nimmt die Festigkeit ab ca. 100–150 °C progressiv ab. Für dauerhafte Einsätze oberhalb von ca. 150–200 °C werden Kriechen und Tragfähigkeitsverlust relevant; alternative Hochtemperaturlegierungen sind dann empfehlenswert.

Die Oxidation an der Luft ist bei üblichen Einsatztemperaturen minimal dank stabiler Al2O3-Oberflächenschicht, jedoch beschleunigt längere Wärmeeinwirkung das Kornwachstum und vermindert die Kaltverfestigungsfestigkeit. Das Wärmeeinflussgebiet an Schweißnähten kann durch Erholung und begrenzte Rekristallisation weiter erweichen, weshalb geschweißte Bauteile im thermo-mechanischen Einsatz konservativ ausgelegt werden sollten.

Kurzfristige Temperaturbelastung nahe der Schmelztemperatur führt nicht zu Phasenumwandlungen, die Festigkeit erhöhen; stattdessen reduziert Wärme die Kaltverfestigungsfestigkeit und erhöht die Duktilität. Für wärmebeanspruchte Bauteile müssen Konstrukteure Restspannungsabbau und Maßhaltigkeit nach thermischen Zyklen prüfen.

Anwendungsbeispiele

Industrie	Beispielkomponente	Warum 3100 verwendet wird
Automobil	Innenverkleidungen und Stanzteile	Exzellente Umformbarkeit und Oberflächenqualität für komplexe Geometrien
Marine	Lüftungskanäle und nicht tragende Beschläge	Ausgewogene Korrosionsbeständigkeit und einfache Fertigung
Luft- und Raumfahrt	Sekundärstrukturen und Verkleidungen	Leicht bei guter Umformbarkeit für nicht-kritische Bauteile
Elektronik	Wärmeverteiler und Gehäuse	Hohe Wärmeleitfähigkeit kombiniert mit einfacher Umformbarkeit

3100 wird für Bauteile gewählt, die wirtschaftliche Fertigung, gute Oberflächenqualität und die Fähigkeit zu Tiefziehen, Biegen und Schweißen ohne Probleme mit ausscheidungshärtenden Legierungen erfordern. Es ist besonders verbreitet, wenn Blech- und Bandoperationen dominieren und Korrosionsbeständigkeit sowie moderate Festigkeit ausreichend sind.

Auswahlhinweise

3100 ist eine praktische Wahl, wenn Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kosten im Vordergrund stehen. Wählen Sie geglühten O-Zustand für Tiefziehen und komplexe Formen; wählen Sie H14/H18, wenn höhere Festigkeit im Fertigzustand gewünscht wird und geringere Dehnung akzeptabel ist.

Im Vergleich zu handelsüblichem reinem Aluminium (1100) bietet 3100 eine höhere Festigkeit und eine bessere Kaltverfestigung bei nur geringfügigen Einbußen in der Leitfähigkeit und Umformbarkeit. Im Vergleich zu gängigen kaltverfestigten Legierungen wie 3003 oder 5052 verhält sich 3100 meist ähnlich wie 3003 – es bietet eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit, wird jedoch aufgrund spezieller Walzprozesse oder Oberflächenanforderungen ausgewählt. Gegenüber wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061/6063 wird 3100 bevorzugt eingesetzt, wenn außergewöhnliche Umformbarkeit und gute Schweißbarkeit gefordert sind, obwohl die maximale Festigkeit niedriger ist; 6061 sollte verwendet werden, wenn eine höhere statische Festigkeit oder spezielle Ermüdungs-/Kriechleistung notwendig ist.

Abschließende Zusammenfassung

3100 bleibt als ausgewogene Al–Mn-Legierung für Bleche, Bänder und umgeformte Bauteile relevant, wenn Duktilität und Korrosionsbeständigkeit gegenüber maximaler Festigkeit im Vordergrund stehen. Sein vorhersehbares Kaltverfestigungsverhalten, die breite Verfügbarkeit in gängigen Produktformen sowie die zuverlässige Schweißbarkeit machen es zu einer bevorzugten Wahl für Architekten, Fertiger und Ingenieure, die kosteneffiziente, gut umformbare Aluminiumlösungen suchen.