Aluminium 3102: Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungsleitfaden für Zustände & Einsatzgebiete

Umfassender Überblick

Die Legierung 3102 gehört zur 3xxx-Serie der Aluminium-Mangan-Legierungen und wird innerhalb der nicht wärmebehandelbaren Gruppe der kaltumgeformten Al-Mn-Legierungen eingeordnet. Die Legierungsphilosophie basiert auf Mangan als primärem Festigkeits- und Verfestigungselement, ergänzt durch geringe Zusätze von Silizium, Eisen und Spurelementen, die das Legierungsverhalten beeinflussen, ohne die Legierung in den wärmebehandelbaren Bereich zu verschieben.

Die Festigkeitssteigerung bei 3102 wird überwiegend durch Lösungseffekte und Kaltverfestigung (Kaltumformung) erzielt, nicht durch ausscheidungshärtende Wärmebehandlung. Typische Merkmale sind eine moderate Festigkeit, die über der von handelsüblichem Reinaluminium liegt, sehr gute Umformeigenschaften in weichen Zuständen sowie eine brauchbare Korrosionsbeständigkeit in vielen atmosphärischen und leicht aggressiven Umgebungen.

3102 wird häufig in Walzprodukten sowie im Automobil- und Baublechbereich eingesetzt, wo Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bei moderater Festigkeit gefordert sind. Konstrukteure wählen 3102, wenn ein ausgewogenes Verhältnis von Duktilität, Oberflächenqualität und einem vernünftigen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis gewünscht wird und die Einfachheit sowie Kostenvorteile einer nicht wärmebehandelbaren Mn-Legierung die höheren Höchstfestigkeiten der wärmebehandelbaren Serien überwiegen.

Im Vergleich zu benachbarten Legierungen wird 3102 gegenüber reineren Legierungen zur Verbesserung der Festigkeit bei Erhalt großer Umformbarkeit bevorzugt, und es wird über stärker verfestigten Legierungen gewählt, wenn eine bessere Oberflächenqualität, ein flacheres Ansprechverhalten in Bezug auf den Zustand (Temper-Klasse) oder spezielle Verarbeitungsverläufe erforderlich sind.

Zustandsvarianten

Zustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht für maximale Duktilität
H12	Mittel-niedrig	Moderat	Sehr gut	Sehr gut	Teilverfestigt, geringe Kaltumformung
H14	Mittel	Moderat-niedrig	Gut	Sehr gut	Typischer Handelszustand für Blechumformung
H16	Mittel-hoch	Niedrig-moderat	Ausreichend	Sehr gut	Höhere Kaltumformung für erhöhte Festigkeit
H18	Hoch	Niedrig	Begrenzt	Sehr gut	Fast maximale Kaltverfestigung für 3xxx-Serie
H111	Variabel	Variabel	Gut	Sehr gut	Leicht kontrollierte Eigenschaften, typisch für Strangpressprofile

Die Temper-Bezeichnung bei 3102 steuert unmittelbar das Verhältnis von Festigkeit zu Duktilität, da die Legierung nicht wärmebehandelbar ist. Mit steigender H-Zahl erhöht sich die Streck- und Zugfestigkeit durch zunehmende Kaltverfestigung, während Dehnung und Umformbarkeit abnehmen, was Auswirkungen auf Rückfedern und minimale Biegeradien hat.

In der Fertigung wählen Ingenieure die Zustände O oder niedrige H-Zahlen für Tiefziehen und komplexes Prägen, während H16–H18 für moderate strukturelle Steifigkeit und verbesserte Dellenbeständigkeit bei geringeren Umformanforderungen bevorzugt werden.

Chemische Zusammensetzung

Element	Prozentbereich	Bemerkungen
Si	0,10–0,50	Verunreinigungskontrolle; verbessert Fließfähigkeit beim Gießen, aber gering in gegossenen Legierungen
Fe	0,40–1,00	Häufige Verunreinigung, die intermetallische Phasen bildet und die Korngröße beeinflusst
Mn	0,60–1,50	Hauptlegierungselement zur Festigkeitssteigerung durch Lösungsfestigung und Kornkontrolle
Mg	0,00–0,10	In der Regel sehr niedrig; bei Vorhandensein leicht festigkeitsfördernd
Cu	0,00–0,20	Niedrig gehalten zur Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit und Vermeidung übermäßiger Härtung
Zn	0,00–0,25	Geringe Anteile; höhere Gehalte bei 7xxx/6xxx-Familien
Cr	0,00–0,10	Spurenelement; unterstützt Kontrolle der Rekristallisation und Kornwachstum
Ti	0,00–0,15	Kornfeinung bei bestimmten Verarbeitungswegen
Andere	Rest (Al)	Reststoffe und absichtlich eingeschränkte Verunreinigungen wie Ni, Pb, Bi

Die Tabelle stellt typische gewerbliche Bereichswerte für kaltumgeformte 3xxx-Aluminium-Mangan-Legierungen dar; tatsächliche Werkspezifikationen können abweichen, und engere Toleranzen sind bei oberflächenkritischen Produkten üblich. Mangan ist das entscheidende Element für Festigkeitssteigerung und Rekristallisationskontrolle, während Eisen und Silizium die wichtigsten Verunreinigungselemente sind, die die Population intermetallischer Partikel sowie Anisotropie beeinflussen.

Elemente wie Titan oder Chrom werden in Spuren zur Kornfeinung und Stabilisierung der Mikrostruktur bei Walz- und anschließenden Glühprozessen eingesetzt, während Kupfer und Magnesium niedrig gehalten werden, um Korrosionsbeständigkeit und vorhersehbare Kaltverfestigung zu gewährleisten.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 3102 zeigt in weichen Zuständen eine relativ flache Spannungs-Dehnungs-Kurve mit hoher gleichmäßiger Dehnung, die mit zunehmender Kaltverfestigung in eine ausgeprägtere Streckgrenze und höhere Festigkeiten übergeht. Streckgrenze und Zugfestigkeit steigen mit höherem H-Zustand an, zu Lasten der Gesamtdehnung und Biegefähigkeit. Die Härte korreliert eng mit Zugfestigkeit und Kaltverfestigung: niedrig im O-Zustand und steigend von H12 bis H18.

Das Ermüdungsverhalten von 3102 entspricht typischen weichen Al-Mn-Legierungen: Dauerfestigkeiten sind nicht scharf definiert, werden aber stark von Oberflächenbeschaffenheit, Eigenspannungen aus der Umformung und Blechdicke beeinflusst. Dünnere Abmessungen zeigen aufgrund von Kaltverfestigung beim Walzen und möglichen Texturwirkungen höhere scheinbare Festigkeiten, während dickere Querschnitte in geglühtem Zustand mehr Duktilität behalten.

Umform- und Fügeverfahren müssen das zustandsspezifische Verhalten beachten: geglühtes Blech ist verzeihend bei Tiefziehprozessen, während H16/H18 engere Werkzeuge und größere Biegeradien erfordern. Schweißen verursacht gewöhnlich keine Rissbildung, jedoch tritt eine lokale Erweichung im Wärmeeinflussgebiet auf, die in der Konstruktion berücksichtigt werden muss.

Eigenschaft	O/Glühen	Schlüssiger Zustand (z. B. H14/H18)	Bemerkungen
Zugfestigkeit (UTS)	80–140 MPa	140–250 MPa	Bereich abhängig von Kaltverfestigung; O am unteren, H18 am oberen Ende
Streckgrenze (0,2 % Dehngrenze)	30–80 MPa	90–180 MPa	Nachweisgrenze steigt mit H-Zahl deutlich an
Dehnung (A5 %)	25–45 %	5–20 %	Hohe Duktilität im O-Zustand; stark reduziert in hohen H-Zuständen
Härte (HB oder HRB)	20–40 HB / 40–65 HRB	40–80 HB / 60–90 HRB	Härte korreliert mit Kaltverfestigung und Zugfestigkeit

Die angegebenen Werte sind typische Bereichswerte für kaltumgeformte 3xxx Aluminium-Mangan-Legierungen und sollten bei konstruktiv kritischen Anwendungen mit Werkszeugnissen abgeglichen werden.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	~2,70 g/cm³	Typisch für Aluminiumlegierungen; wichtig für Massenberechnung
Schmelzbereich	~630–655 °C	Solidus- und Liquidus-Temperatur variiert geringfügig mit Si- und Fe-Gehalt
Wärmeleitfähigkeit	~120–160 W/m·K	Niedriger als bei reinem Aluminium durch Legierungselemente und Streuung
Elektrische Leitfähigkeit	~30–45 % IACS	Reduziert gegenüber handelsüblichem Aluminium; abhängig vom Zustand
Spezifische Wärme	~900 J/kg·K	Typischer Wert nahe Raumtemperatur für Aluminiumlegierungen
Wärmeausdehnung	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Linearer Ausdehnungskoeffizient für übliche Konstruktionsberechnungen

3102 bewahrt die vorteilhafte geringe Dichte und die relativ hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium, was die Legierung besonders attraktiv macht, wenn Gewicht und Wärmeabfuhr eine Rolle spielen. Leitfähigkeit und thermische Eigenschaften sind abhängig vom Zustand, variieren jedoch nicht so stark wie die mechanischen Eigenschaften.

Die Wärmeausdehnung muss bei Baugruppen aus mehreren Werkstoffen berücksichtigt werden; die Ausdehnungsrate ist typisch für Aluminiumlegierungen und erfordert entsprechende Verbindungsdetails, um Spannungen durch Temperaturschwankungen zu vermeiden.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,2–3,0 mm	Konstant; Blechdicke beeinflusst Festigkeit nach der Umformung	O, H12, H14, H16	Weit verbreitet für Verkleidungen, Fassaden und Stanzteile
Platte	3,0–12 mm	Dickeres Material behält mehr geglühte Eigenschaften	O, H111	Weniger gebräuchlich; eingesetzt für konstruktive Blechanwendungen
Strangpressprofil	Profile bis zu großen Querschnitten	Festigkeit variiert mit Profilpassage und Alterung (falls vorhanden)	H111, H14	Manganlegierungen werden für architektonische Profile verwendet
Rohr	Dünnwandig bis konstruktiv	Kaltverformung beim Ziehen erhöht die Festigkeit	O, H12, H14	Eingesetzt in HLK-Systemen, dekorativen und leichten Stahlrohren
Stab/Rundstahl	Durchmesser bis 50 mm	Ähnliches Verhalten wie Platte; begrenzt durch Legierungsanwendung	O, H111	Eingesetzt für bearbeitete Bauteile und Befestigungselemente ohne kritische Anforderungen

Unterschiedliche Produktformen durchlaufen verschiedene Verarbeitungswege, die Mikrostruktur und Anisotropie beeinflussen. Bleche und dünne Güten zeigen stärkere Textur und ausgeprägtere Unterschiede zwischen längs- und quergerichteten Eigenschaften, während Strangpressprofile und gezogene Rohre so verarbeitet werden, dass Kornfluss und Richtungsfestigkeit kontrolliert werden.

Die Auswahl von Form und Zustand sollte die nachgelagerten Prozesse berücksichtigen: Stanzen und Tiefziehen bevorzugen O- oder H12-Zustände, während rollgeformte und konstruktive Anwendungen häufig höhere H-Zustände verwenden, um Steifigkeit und Dellempfindlichkeit zu verbessern.

Äquivalente Werkstoffbezeichnungen

Norm	Werkstoffbezeichnung	Region	Hinweise
AA	3102	USA	In einigen Walzwerkskatalogen als 3xxx-Serie Schmiedelegierung anerkannt
EN AW	3102	Europa	Oft unter der EN AW-Bezeichnung für Beschaffung genannt
JIS	A3102 (oder ähnlich)	Japan	Lokale Normen listen vergleichbare Al-Mn-Zusammensetzungen
GB/T	3102	China	Chinesische Normen haben oft direkt vergleichbare Handelsgüten

Äquivalenzlisten für 3102 variieren je nach Normungsorganisation und Walzwerkspraktiken; manche Regionen verwenden dieselbe numerische Bezeichnung unter EN, JIS oder GB, während andere nur ähnliche Mn-haltige 3xxx-Legierungen identifizieren. Feine Unterschiede entstehen durch zulässige Grenzen für Spurenelemente (Cu, Fe, Si) und abweichende Anforderungen an Walzen und Zustandskontrolle.

Beim Spezifizieren von regionalen Äquivalenten sollten Ingenieure vollständige chemische und mechanische Prüfzeugnisse anfordern und Umformbarkeit sowie Oberflächenklassen bestätigen, um Austauschbarkeit bei kritischen Anwendungen sicherzustellen.

Korrosionsbeständigkeit

3102 zeigt gute allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, charakteristisch für Al-Mn-Legierungen, begünstigt durch die schützende Aluminiumoxidschicht, die sich nach mechanischer Beeinträchtigung schnell regeneriert. In ländlichen und urbanen Atmosphären zeigt die Legierung gute Leistung; galvanische Bedenken entstehen bei Kontakt mit edleren Metallen ohne Isolierung.

In marinen Umgebungen bietet 3102 akzeptable Leistung für Anwendungen oberhalb der Wasserlinie und geschützte Bereiche, jedoch beschleunigen längere Exposition in Spritzwasserzonen und konzentrierten Chloridlösungen Lochfraß und Oberflächenangriffe im Vergleich zu höherlegierten, marinentauglichen Aluminiumlegierungen. Für langzeitige maritime Nutzung sind geeignete Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen zu empfehlen.

Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion ist bei 3xxx Mn-Legierungen gering im Vergleich zu einigen hochfesten wärmebehandelbaren Legierungen, jedoch kann lokale Versprödung auftreten, wenn Eigenspannungen und korrosive Bedingungen kombiniert auftreten. In galvanischen Paarungen korrodiert 3102 bevorzugt gegenüber vielen rostfreien Stählen und Kupferlegierungen bei direktem Kontakt in Elektrolyten; isolierende Materialien oder Schutzbeschichtungen sind üblich.

Im Vergleich zu 5xxx-Magnesiumlegierungen zeigt 3102 typischerweise bessere Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion, kann jedoch je nach genauer Chemie und Zustand leicht reduzierte Lochfraßbeständigkeit in chloridreichen Umgebungen aufweisen.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

3102 lässt sich gut mit gängigen Schmelzverfahren wie TIG und MIG schweißen und weist eine geringe Neigung zu Heißrissen auf, da die Legierung niedrige Anteile an ausgeschwemmten Elementen besitzt. Empfohlene Schweißzusätze sind universelle Al-Mg-Si oder Al-Mn-Drähte, wenn Farbton, Korrosionsbeständigkeit und mechanische Balance wichtig sind; ER4043 oder ER4047 werden häufig für ästhetische Oberflächen verwendet, während Al-Mn-Schweißzusätze die Kompatibilität zum Grundwerkstoff erhalten. Eine Aufweichung im Wärmeeinflussgebiet (HAZ) ist üblich, daher sollten Konstrukteure mit lokaler Festigkeitsminderung in höheren H-Zuständen rechnen.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanung von 3102 ist durch die Duktilität und relativ geringe Festigkeit in üblichen Zuständen moderat einfach, jedoch führt das Fehlen von Spanbrechern in weichen Zuständen zu teils gummiartiger Spanbildung. Hartmetallwerkzeuge mit positivem Spanwinkel und ausreichender Kühlschmierung werden zur Produktivitätssteigerung empfohlen; Schnittgeschwindigkeiten sollten so gewählt werden, dass kein übermäßiger Aufbauschneiden entsteht. Für beste Oberflächengüte sind Halbfertigungsdurchgänge und kontrollierte Vorschübe sinnvoll, um Kaltverfestigung vor der Schneidkante zu reduzieren.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit von 3102 ist in O und niedrigen H-Zuständen ausgezeichnet, was Tiefziehen und komplexe Stanzteile mit geringem Rückspring ermöglicht. Mindestbiegeradien hängen von Zustand und Dicke ab; als Faustregel gilt ein R/t-Verhältnis größer als 1–2 für O-Zustand und 3–4 für H16–H18, um Rissbildung zu vermeiden. Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit, mindert aber die Umformbarkeit, daher ist stufenweises Umformen mit Zwischenglühungen ein gängiges Verfahren für komplexe Geometrien.

Verhalten bei Wärmebehandlung

Als nicht wärmeverfestigende Legierung reagiert 3102 nicht auf Lösungsglühen und künstliches Altern zur Ausscheidungshärtung. Versuche der Wärmebehandlung zur Festigkeitssteigerung bewirken vor allem Glüh- und Weichungseffekte, nicht Ausscheidungshärtung.

Kaltverfestigung ist der Hauptweg zur Festigkeitssteigerung: Kaltwalzen, Ziehen und Stanzen erhöhen die Versetzungsdichte und Streckgrenze. Standardmäßige industrielle Glühprozesse (Erholung und Rekristallisation) werden verwendet, um Material nahe dem O-Zustand zurückzuführen; typische Rekristallisationsglühungen bei Al-Mn-Legierungen erfolgen bei Temperaturen zwischen 300 und 400 °C, mit Dauer abhängig von Abschnittsdicke und vorheriger Kaltverformung.

Kontrollierte Teilglühungen und Zustandsstabilisierung (z. B. H111) werden genutzt, um ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit und Umformbarkeit für spezifische nachfolgende Fertigungsschritte zu erzielen. Für oberflächenkritische Komponenten helfen Glühverfahren mit heller Oberfläche oder kontinuierliche Glühprozesse, Oberflächenqualität zu erhalten und gleichzeitig mechanische Eigenschaften anzupassen.

Leistung bei hohen Temperaturen

3102 behält bei erhöhten Temperaturen eine moderate Festigkeit, verliert jedoch oberhalb von ca. 150–200 °C wegen Erholung und Beginn der Rekristallisation in stark kaltverfestigten Zuständen schnell an Festigkeit. Dauerhafte Anwendung oberhalb von etwa 250 °C führt zu permanentem Erweichen und Verlust der Tragfähigkeit, weshalb Einsatztemperaturen für konstruktive Anwendungen effektiv darunter bleiben müssen.

Die Oxidation von Aluminium ist durch Bildung einer schützenden Aluminiumschicht selbstlimitierend, jedoch können längere Hochtemperatureinwirkung Aussehen verändern, dünne Querschnitte verspröden und Kornwachstum beschleunigen. In geschweißten Baugruppen kann die Wärmeeinflusszone mikrosturkturell verändert sein, was lokale Festigkeitsreduzierung bewirkt, vor allem ohne Nachglühen.

Die Kriechbeständigkeit ist gegenüber Hochtemperaturelementen eingeschränkt; 3102 wird für dauerhafte tragende Anwendungen bei hohen Temperaturen nicht empfohlen. Konstrukteure sollten alternative Legierungssysteme für langanhaltende Hochtemperatureinsätze prüfen oder Kühlung und Wärmemanagement vorsehen, um maximale Einsatztemperaturen zu begrenzen.

Anwendungsbereiche

Industrie	Beispielkomponente	Warum 3102 verwendet wird
Automobilindustrie	Außenbleche, Innenverkleidungen	Exzellente Umformbarkeit, Oberflächenqualität und Korrosionsbeständigkeit
Marine	Leichtbaugehäuse, Innenausstattung	Gute atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, einfache Fertigung
Luftfahrt	Sekundärbauteile, Verkleidungen	Gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis für nicht primäre Strukturen
Elektronik	Chassis und Gehäuse	Wärmeleitfähigkeit und Umformbarkeit für Gehäuse

3102 wird bevorzugt für gewalzte und umgeformte Blechanwendungen eingesetzt, bei denen komplexe Formen, Dellenresistenz (in mittleren H-Zuständen) und Lackierbarkeit bei moderaten Kosten erforderlich sind. Das ausgewogene Eigenschaftsprofil macht die Legierung zu einer bewährten Wahl für architektonische Paneele, HLK-Komponenten und allgemeine Fertigbauteile, bei denen wärmebehandelbare Legierungen nicht notwendig sind.

Auswahlhinweise

3102 ist eine gute Wahl, wenn Ingenieure eine duktil, korrosionsbeständige Blechlegierung benötigen, die sich leicht umformen und schweißen lässt, dabei aber höhere Festigkeiten als reines Aluminium 1100 bietet. Die Legierung gibt einen Teil der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit zugunsten verbesserter mechanischer Eigenschaften auf, behält jedoch eine ausgezeichnete Umformbarkeit.

Im Vergleich zu verfestigten Legierungen wie 3003 und 5052 liegt 3102 typischerweise im mittleren Bereich hinsichtlich Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit; es kann eine bessere Oberflächenqualität und eine bessere Ansprechbarkeit auf den Härtegrad bieten als einige höher-magnesiumhaltige Legierungen, erreicht jedoch in der Regel nicht das gleiche Niveau der Lochfraßbeständigkeit im Meerwasser wie optimierte 5xxx-Güten. Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 weist 3102 eine geringere Höchstfestigkeit auf, verfügt jedoch über eine überlegene Umformbarkeit und einfachere Verarbeitung, was es für volumenstarke Stanzteile bevorzugt, bei denen Kosten oder Verformungen durch Wärmebehandlung problematisch sind.

Wählen Sie 3102, wenn bei der Konstruktion die Umformqualität, Schweißbarkeit und ein gleichbleibender Oberflächenzustand bei moderater Festigkeit im Vordergrund stehen und wenn die Anwendung keine höchste Festigkeit-Gewichts-Relation oder eine dauerhafte Hochtemperaturbeständigkeit erfordert.

Abschließende Zusammenfassung

Aluminium 3102 bleibt als pragmatische Al-Mn-Gusslegierung relevant, die eine praktische Kombination aus Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und durch Kaltverfestigung erreichbarer Festigkeit bietet. Seine gute Verarbeitbarkeit und vorhersehbares Verhalten bei gängigen Produktformen machen es zu einer langlebigen Wahl für viele Automobil-, Architektur- und allgemeine Fertigungsanwendungen, bei denen Einfachheit und Zuverlässigkeit geschätzt werden.