Aluminium 3203: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht und Anwendungen

Umfassender Überblick

3203 ist ein Vertreter der 3xxx-Reihe von Aluminiumlegierungen, einer Familie, bei der Mangan als Hauptlegierungselement definiert ist. Diese Reihe wird als nicht wärmebehandelbar eingestuft und gewinnt ihre Festigkeit hauptsächlich durch Festlösungs- und Kaltverfestigung (Kaltumformung) statt durch Ausscheidungshärtung.

Die Hauptlegierungselemente in 3203 sind Mangan mit kontrollierten Zusatzmengen von Eisen und Spurenelementen wie Kupfer, Magnesium, Chrom und Titan zur gezielten Einstellung von Festigkeit und Umformbarkeit. Der Verfestigungsmechanismus beruht überwiegend auf Kaltverfestigung kombiniert mit Festlösungsfestigung durch Mn und kleinere Legierungselemente; konventionelle Ausscheidungshärtungsverfahren (T-Temper) führen bei dieser Legierung zu kaum nennenswerter zusätzlicher Festigkeit.

Zentrale Eigenschaften von 3203 umfassen eine ausgewogene Kombination aus moderater Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit in vielen atmosphärischen und mild korrosiven Umgebungen sowie sehr guter Umformbarkeit im weichgeglühten Zustand. Die Schweißbarkeit ist für Al-Mn-Legierungen generell ausgezeichnet, und 3203 wird häufig für Anwendungen gewählt, die Tiefziehen, komplexe Umformungen oder geschweißte Baugruppen erfordern, wobei eine nicht wärmebehandelbare Legierung bevorzugt wird.

Typische Anwendungsbereiche für 3203 sind Karosserielblechkomponenten, architektonische Fassaden, Haushaltsgeräte und Konsumgüter sowie bestimmte Marine- und Transportunterbaugruppen. Konstrukteure bevorzugen 3203 gegenüber reineren, handelsüblichen Aluminiumlegierungen (wegen höherer Festigkeit) oder wärmebehandelbaren 6xxx-/7xxx-Legierungen (für bessere Umformbarkeit und Schweißbarkeit ohne Wärmebehandlung), wenn eine Balance aus Kaltumformbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit gefordert ist.

Temper-Varianten

Temper	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Hinweise
O	Niedrig	Hoch (≥25%)	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht; höchste Duktilität für Tiefziehen
H14	Mittel-Hoch	Niedrig–Mittel (6–12%)	Gut	Gut	Halbverfestigt durch Kaltumformung; gebräuchlich für geformte Bleche
H18	Hoch	Niedrig (3–7%)	Begrenzt	Gut	Vollverfestigt durch Kaltwalzen; eingesetzt, wenn Steifigkeit/Festigkeit erforderlich sind
H24	Mittel	Mittel (10–18%)	Gut	Gut	Spannungsarmgeglühter Zustand; verbesserte Umformbarkeit nach begrenzter Kaltverfestigung
T5 / T6 / T651	Nicht anwendbar	Nicht anwendbar	Nicht anwendbar	Nicht anwendbar	3203 ist nicht wärmebehandelbar; T-Temperierungen erzeugen keine Ausscheidungshärtung

Der Temper hat einen primären Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von 3203, da die Legierung hauptsächlich durch Kaltverfestigung gehärtet wird. Der Übergang von O zu H-Temperierungen führt zu einer signifikanten Steigerung von Streckgrenze und Zugfestigkeit bei gleichzeitigem Rückgang der Dehnung und des Umformbereichs.

In der Praxis werden O-Temperierungen für komplexe Umformprozesse und tiefgezogene Bauteile spezifiziert, H14/H18 für fertige Produkte mit Anforderungen an Maßhaltigkeit und Steifigkeit und H24, wenn ein Kompromiss zwischen Umformbarkeit und Restfestigkeit (nach Tempern) gewünscht ist.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Hinweise
Si	0,10–0,40	Kontrolliert, um spröde intermetallische Verbindungen zu minimieren; Silizium verbessert die Gießbarkeit bei höheren Konzentrationen.
Fe	0,20–0,70	Typischer Verunreinigungsgehalt; erhöhter Eisenanteil bildet intermetallische Teilchen, die Oberflächenqualität und Duktilität beeinflussen können.
Mn	0,6–1,5	Hauptlegierungselement; trägt zur Festlösungsfestigung und verbesserten Kornstruktur bei.
Mg	0,05–0,25	Geringfügiger Festigkeitsbeitrag; zu viel Mg kann Korrosionsbeständigkeit vermindern.
Cu	0,05–0,25	Kleine Zusätze erhöhen die Festigkeit, können aber bei Übermaß Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit verschlechtern.
Zn	≤0,25	Wird niedrig gehalten, um Versprödung zu vermeiden und Umformbarkeit sowie Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.
Cr	0,03–0,20	Hilft, die Kornstruktur zu kontrollieren und verbessert die Festigkeit nach thermomechanischer Bearbeitung.
Ti	≤0,10	Körnerverfeinerer während Gießen und Erstarrung; unterstützt eine feine Mikrostruktur.
Andere (je)	≤0,05	Umfasst Spurenelemente wie V, Zr; Rest ist Aluminium (Bilanz).

Der Mangangehalt ist der primäre Stellhebel zur Einstellung der Festigkeit bei 3xxx-Legierungen, während Eisen und Silizium als Restelemente die Teilchenbildung und Oberflächenqualität beeinflussen. Kleine Mengen Cu und Mg liefern zusätzliche Festigkeit, müssen jedoch kontrolliert werden, um die Korrosionsbeständigkeit und das Herstellungsverhalten nicht zu beeinträchtigen.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 3203 ist stark temperaturabhängig: Im weichgeglühten (O) Zustand zeigt die Legierung relativ niedrige Streck- und Zugfestigkeit bei hoher Dehnung und hervorragender Einschnürungsbeständigkeit, während kaltverfestigte Temper deutlich höhere Streckgrenzen bei verringerter Duktilität erreichen. Streckgrenze und Zugfestigkeit steigen mit dem Grad der Kaltverfestigung an und können je nach Blechdicke durch über die Dicke verlaufende Kaltverfestigungsgradienten stark variieren.

Die Härte folgt dem Zugverhalten und ist ein nützlicher Indikator zur Schätzung des Kaltverfestigungsgrads während der Fertigung. Die Ermüdungsfestigkeit wird durch Oberflächenqualität, mittlere Zugspannung und das Vorhandensein intermetallischer Partikel beeinflusst; sorgfältig bearbeitete Oberflächen und konservative Konstruktionsdetails ermöglichen eine robuste Ermüdungslebensdauer, vergleichbar mit anderen 3xxx-Legierungen.

Dicke und Verarbeitungsgeschichte sind wichtig: Dünnere Blechstärken erreichen durch Kaltwalzen höhere Festigkeiten und geringere Duktilität, während dickere Querschnitte mehr Duktilität nach gleicher Kaltverfestigung bewahren können. Geschweißte Baugruppen können bei kaltverfestigten Tempern lokale Aufweichungen im Wärmeeinflussbereich zeigen, die in der Konstruktion berücksichtigt werden müssen.

Eigenschaft	O/Geglüht	Wichtigster Temper (H14)	Hinweise
Zugfestigkeit	110–140 MPa	180–240 MPa	Typische Bereiche; Endwerte hängen von Dicke und Kaltverfestigung ab.
Streckgrenze	35–60 MPa	120–190 MPa	Streckgrenze steigt mit Kaltverfestigung deutlich an; H14 häufig für geformte Teile spezifiziert.
Dehnung	25–35%	6–12%	Duktilität nimmt mit härteren Tempern stark ab; O wird für Tiefziehen verwendet.
Härte (HB)	30–45 HB	60–95 HB	Härte korreliert mit Temper und gibt schnelle Rückmeldung im Qualitätsmanagement.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Hinweise
Dichte	2,70 g/cm³	Typisch für Aluminium-Mangan-Legierungen; nützlich für Massenberechnungen.
Schmelzbereich	~600–650 °C	Solidus/Liquidus variieren leicht mit der Zusammensetzung; enges Spektrum gegenüber Gusslegierungen.
Wärmeleitfähigkeit	120–160 W/m·K (25 °C)	Etwas niedriger als reines Al durch Legierung; gut für Wärmemanagement.
Elektrische Leitfähigkeit	~30–45 % IACS	Reduziert gegenüber reinem Aluminium; Leitfähigkeit nimmt mit Kaltverfestigung ab.
Spezifische Wärme	~0,90 J/g·K (900 J/kg·K)	Typischer Wert für Aluminium, verwendet in thermischen Berechnungen.
Thermische Ausdehnung	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich anderer Al-Legierungen; relevant für Fügen mit unterschiedlichen Metallen.

Die Kombination aus relativ hoher Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit bei geringer Dichte macht 3203 attraktiv für gewichtsoptimierte thermische Anwendungen, bei denen keine extrem hohe Leitfähigkeit erforderlich ist. Werte für Wärmeausdehnung und Leitfähigkeit sollten bei der Konstruktion von Baugruppen mit unterschiedlichen Werkstoffen berücksichtigt werden, um Spannungskonzentrationen oder thermische Unverträglichkeiten zu vermeiden.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Bemerkungen
Blech	0,3–4,0 mm	Kaltwalzung führt zu Kaltverfestigung; dünnere Stärken erreichen höhere Zustände	O, H14, H24	Weit verbreitet für Bleche und geformte Teile; Tiefziehen im O-Zustand möglich.
Platte	4–25+ mm	Eingeschränkte Kaltumformbarkeit sehr dicker Querschnitte	O, H24	Verwendung für Strukturbauteile bei benötigter Dicke; Umformbarkeit nimmt mit Dicke ab.
Strangpressprofil	Profile bis 1000 mm	Mechanische Eigenschaften abhängig vom Strangpressverhältnis und anschließendem Kaltverfestigen	O, H12/H14	Stranggepresste Profile für architektonische Rahmen und Kanäle.
Rohr	0,5–6,0 mm Wandstärke	Festigkeit abhängig von Fertigungsart (Schweißnahtrohr vs. nahtlos)	O, H14	Häufig in HLK- und Niederdruck-Flüssigkeitssystemen.
Stab/Rundstahl	3–50 mm	Massive Stäbe behalten annealierte Eigenschaften, solange sie nicht kaltgezogen sind	O, H18	Verwendung für bearbeitete Bauteile, Befestigungselemente und Umformrohstoff.

Verarbeitungsunterschiede bestimmen die Einsatzgebiete: Blech ist am gebräuchlichsten und profitiert von Coilverarbeitung, Platte und Profile benötigen längere thermische Zyklen und weniger Kaltverfestigung. Geschweißte Baugruppen basieren häufig auf O- oder H24-Material, das anschließend zur finalen Maßgenauigkeit kaltverfestigt wird.

Äquivalente Werkstoffgüten

Norm	Güte	Region	Bemerkungen
AA	3203	USA	Bezeichnung dieser Legierung im Aluminium Association System.
EN AW	— (nächste EN AW-3003 / EN AW-3105)	Europa	Kein exakter EN-Gegenwert; 3003/3105 sind die nächstliegenden kommerziellen Entsprechungen hinsichtlich Zusammensetzung und Verhalten.
JIS	A3003 (ca.)	Japan	Japanische Normen listen 3203 meist nicht gesondert; A3003 ist zusammensetzungsähnlich.
GB/T	3xxx-Serie (nächste 3003)	China	Chinesische Bezeichnungen entsprechen der allgemeinen Chemie der 3xxx-Legierungen; direkte 3203-Äquivalente sind selten.

Feine Unterschiede zwischen den Normen resultieren aus zulässigen Verunreinigungsgrenzen und spezifischen Spurenbeimischungen wie Cr oder Ti, die Kornstruktur und Umformbarkeit beeinflussen. Beim Ersatz müssen Ingenieure die genauen zertifizierten chemischen Bereiche, mechanischen Eigenschaftstabellen und Zustände vergleichen; ein direkter 1:1-Ersatz ist bei kritischen Anwendungen nicht immer zulässig.

Korrosionsbeständigkeit

3203 zeigt eine gute allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, typisch für Al-Mn-Legierungen, indem eine stabile und haftfähige Oxidschicht gebildet wird, die das Substrat in vielen städtischen und industriellen Umgebungen schützt. Die Legierung toleriert gut periodische Nass-/Trockenzyklen, und gängige Oberflächenbehandlungen wie Anodisieren verbessern sowohl Aussehen als auch Korrosionsschutz.

In maritimer oder stark chloridhaltiger Atmosphäre ist 3203 für viele strukturelle und nicht-strukturelle Anwendungen ausreichend beständig, erreicht jedoch nicht die Korrosionsresistenz der hochmagnesiumhaltigen 5xxx-Legierungsserie bei starkem Salzwasserkontakt. Lokale Lochkorrosion kann auf exponierten Flächen ohne Schutzbeschichtungen oder anodische Behandlung auftreten, und Schweißnähte sollten geschützt werden, um Spaltkorrosion an Verbindungen zu vermeiden.

Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) ist relativ gering im Vergleich zu einigen hochfesten wärmebehandelbaren Legierungen, dennoch sollten Konstrukteure Zug-Eigenspannungen und scharfe Kerbwirkungen bei Bauteilen für aggressive Umgebungen minimieren. Galvanische Wechselwirkungen folgen den üblichen Aluminiumregeln: direkter Kontakt mit edlen Metallen ohne Isolierung vermeiden; Opferanoden oder Isoliermaterialien verwenden, wenn Kontakt zu Stahl oder Kupfer besteht, um beschleunigte Korrosion zu verhindern.

Verarbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

3203 ist gut schweißbar mit herkömmlichen Schmelzverfahren wie TIG (GTAW) und MIG (GMAW), erzielt duktiles Schweißgut und gute Verschmelzung bei sauberer Schweißnahtvorbereitung und passgenauem Fügen. Typische Zusatzwerkstoffe sind 4043 (Al-Si) und 5356 (Al-Mg), je nach erforderlicher Duktilität und Korrosionsbeständigkeit; 4043 wird häufig verwendet, um die Gefahr von Heißrissen zu minimieren. Heißrissneigung ist bei Al-Mn-Legierungen gering, dennoch sind Schweißnahtgestaltung, Wärmeeintrag und Verzugssteuerung wichtig; kaltverfestigte Zustände zeigen eine Erwärmung im Wärmeeinflussbereich (HAZ), die bei Konstruktionen zu berücksichtigen ist.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von 3203 ist mäßig und meist schlechter als bei hochsiliziumhaltigen, spanabhebend bearbeitbaren Aluminiumlegierungen; die Legierung lässt sich mit Hartmetallwerkzeugen und stabilen Aufspannungen gut bearbeiten. Empfohlen werden höhere Schnittgeschwindigkeiten als bei Stählen, aber niedriger als bei spanabhebend bearbeitbaren Aluminiumlegierungen, starker Einsatz von positiv geneigten Wendeschneidplatten sowie reichlich Kühlung oder Luftstrom, um Freiflächenbildung und lange Späne zu vermeiden. Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit sind meist sehr gut, wenn Späne kontrolliert und Werkzeugverschleiß minimiert wird.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit ist im O-Zustand ausgezeichnet, die Legierung unterstützt Tiefziehen, Streckumformen und komplexe Biegevorgänge mit minimaler Rissneigung. Für Biegearbeiten werden minimale Innenbiegeradien von etwa 1–2× Blechdicke im O-Zustand sowie 3–4× Blechdicke in H14/H18-Zuständen empfohlen, um Risse zu vermeiden. Rückspring (Elastizitätsverhalten) ist moderat und muss bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden; manche Konstruktionen verwenden Zwischenglühen zur Wiederherstellung der Duktilität nach starker Kaltverfestigung.

Wärmebehandlungsverhalten

Als nicht wärmebehandelbare Legierung spricht 3203 nicht auf Lösungsglühen und Ausscheidungshärtung wie 6xxx- oder 7xxx-Legierungen an; künstliches Altern führt zu vernachlässigbarer Ausscheidungshärtung. Versuche, die Legierung bei typischen T-Zustands-Temperaturen zu altern, bewirken nicht die markante Festigkeitssteigerung wie bei wärmebehandelbaren Serien.

Das Glühen (Rekristallisation) und kontrollierte Glühzyklen sind die wichtigsten Wärmebehandlungen zur Wiederherstellung der Duktilität nach Kaltverformung. Typische Vollglühtemperaturen liegen im Bereich von 350–415 °C mit kontrolliertem Abkühlen zur Erzielung des O-Zustands; Teilglühungen und Spannungsabbauzyklen werden genutzt, um H24- oder spannungsentlastete Zustände zu erhalten, ohne das Material vollständig zu erweichen.

Hochtemperatureigenschaften

Mit zunehmender Temperatur zeigt 3203 einen fortschreitenden Festigkeitsabfall; Langzeitbetrieb über etwa 100–150 °C führt zu messbaren Einbußen bei Streckgrenze und Zugfestigkeit. Kurzzeitiger Einsatz bei bis zu ca. 200 °C ist für intermittierenden Betrieb möglich, jedoch müssen Konstrukteure reduzierte Elastizitätsmodule, Kriechverhalten und potenzielle mikrostrukturielle Erholung bei kaltverfestigten Zuständen berücksichtigen.

Die Oxidationsbeständigkeit entspricht dem üblichen Niveau von Aluminiumlegierungen: Eine dünne Oxidschicht bildet sich schnell und hemmt weitere Oxidation, wobei Oberflächenskalierung bei den für 3203 typischen Anwendungen relevanten Temperaturen kein bedeutendes Problem darstellt. Schweißwärmeeinflusszonen (HAZ) und kaltverfestigte Bereiche sind die temperaturanfälligsten Zonen und können durch Erweichung oder verminderte mechanische Fähigkeiten beeinflusst werden, wenn