Aluminium 3A21: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungsbereiche

Umfassender Überblick

3A21 ist ein Mitglied der 3xxx-Reihe von Aluminiumlegierungen, einer Al–Mn-Familie, bei der Mangan das Hauptlegierungselement darstellt. Es wird als nicht wärmebehandelbare, durch Kaltverfestigung härtbare Legierung klassifiziert, bei der die Festigung durch Kaltumformung (Kaltverfestigung) und nicht durch Lösungsglühen oder Ausscheidungshärtung erreicht wird.

Typische Zusammensetzungen weisen Mangan in einem Bereich auf, der Festigkeitssteigerung durch Festlösungsstärkung und Dispersoidbildung fördert, mit moderaten Anteilen an Fe, Si und Spurenelementen, welche die Umformbarkeit und das Korrosionsverhalten subtil beeinflussen. Die Legierung bietet eine ausgewogene Kombination aus moderater Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit sowie ausgezeichneter Umform- und Schweißeignung, was sie attraktiv für Bleche und geformte Komponenten macht.

Branchen, die 3A21 häufig einsetzen, sind allgemeine Fertigung, Automobilzierleisten, HLK-Systeme, Konsumgeräte sowie leichte Anwendungen im Schiffsbau, bei denen moderate Festigkeit und gute Umformbarkeit gefordert sind. Ingenieure wählen 3A21, wenn die Kombination aus Kaltumformbarkeit, angemessener Festigkeit, niedrigeren Kosten und guter atmosphärischer Korrosionsbeständigkeit wichtiger ist als die höheren Spitzenfestigkeiten von wärmebehandelbaren Legierungen.

Härtezustände

Härtezustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißeignung	Hinweise
O	Niedrig	Hoch (20–40%)	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht, maximale Duktilität für komplexe Umformungen
H12	Niedrig–Mittel	Moderat (10–25%)	Sehr gut	Ausgezeichnet	Leichte Kaltverfestigung, erhält gute Umformbarkeit
H14	Mittel	Moderat (8–18%)	Gut	Ausgezeichnet	Typischer kommerzieller Zustand für moderate Festigkeit und Umformbarkeit
H16	Mittel–Hoch	Niedriger (6–14%)	Ausreichend–Gut	Ausgezeichnet	Stärkere Kaltverfestigung, höhere Streckgrenze für geformte Bauteile
H18	Hoch	Gering (3–10%)	Reduziert	Ausgezeichnet	Nahe der maximalen kommerziellen Verfestigung durch Kaltumformung
H111	Niedrig–Mittel	Variabel	Gut	Ausgezeichnet	Leicht kaltverfestigt; eingesetzt, wenn milde Festigkeitssteigerung bei guter Umformung erforderlich ist
H112	Mittel	Moderat	Gut	Ausgezeichnet	Alternative kommerzielle kaltverfestigte Bedingung

Die Härtebehandlung bei Legierungen der 3xxx-Serie erfolgt durch Steuerung des Kaltverfestigungsgrads; eine ausscheidungshärtende Wirkung wie bei konventionellen T6/T651-Behandlungen tritt nicht auf. Der Übergang von O- zu H-Härten erhöht Streck- und Zugfestigkeit, reduziert jedoch die einheitliche Dehnung und Gesamtdehnung, sodass Konstrukteure einen Kompromiss zwischen Umformbarkeit und den Anforderungen an die Gebrauchslast finden müssen.

Die Schweißeignung bleibt in diesen Härtezuständen durchgehend ausgezeichnet, da die Legierung nicht wärmebehandelbar ist. Allerdings können kaltverfestigte Bereiche in der Wärmeeinflusszone des Schweißens eine lokale Erweichung zeigen, und die Umformbarkeit nach dem Schweißen hängt von der Wahl der Nachbehandlung (Kaltumformung oder Glühen) ab.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Hinweise
Si	0.1–0.6	Verunreinigungskontrolle; höhere Si-Anteile verbessern Gießeignung, können jedoch Duktilität reduzieren
Fe	0.2–0.7	Typische Verunreinigung; bildet intermetallische Phasen, die Duktilität und Oberflächenqualität mindern können
Mn	0.6–1.5	Hauptfestigungselement; verbessert Widerstand gegen Rekristallisation und Korrosion
Mg	0.05–0.20	Geringer Anteil; kann Festigkeit leicht erhöhen, wird jedoch niedrig gehalten, um Schweißeignung zu erhalten
Cu	0.05–0.3	Geringe Mengen können Festigkeit steigern, beeinträchtigen jedoch die Korrosionsbeständigkeit
Zn	0.05–0.25	Üblicherweise niedrig; höhere Zn-Anteile würden das Legierungsverhalten in Richtung 7xxx Serie verschieben
Cr	0.05–0.20	Mikroliga-Element zur Kornsteuerung und Verbesserung der Zähigkeit
Ti	0.01–0.10	Sauerstoffbinder/Korngrenzenverfeinerer in einigen Produkten
Sonstige	Rest Al, Rückstände ≤0.15	Spurenelemente und Verunreinigungen werden gering gehalten zur Kontrolle der Eigenschaften

Der Mn-Gehalt dominiert das mikrostrukturelle Verhalten durch Bildung von Dispersoiden und Begrenzung der Rekristallisation während thermischer Zyklen, wodurch die Festigkeit nach Umformung und mäßiger thermischer Belastung erhalten bleibt. Kontrollierte Mengen an Fe und Si sind unvermeidbar und beeinflussen die Endoberfläche sowie Umformcharakteristik, während Spurenelemente wie Cr und Ti für Kornkontrolle beim Gießen und Warmbearbeiten nützlich sind.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 3A21 ist repräsentativ für nicht wärmebehandelbare Aluminium-Mangan-Legierungen: duktil im geglühten Zustand mit relativ niedriger Streckgrenze und ansteigender Festigkeit als Funktion des Kaltverfestigungsgrades. Die Streckgrenzenkennlinie ist im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen moderat ausgeprägt, und die Spannungs-Dehnungs-Kurven zeigen eine beträchtliche gleichmäßige Dehnung im O-Zustand und zunehmend verminderte Duktilität bei höheren H-Zuständen. Die Dauerfestigkeit ist für Bauteile mit glatten Oberflächen generell gut, aber das Vorhandensein intermetallischer Partikel und rauer Oberflächen kann die Ermüdungsgrenze mindern.

Die Härte steigt mit zunehmender Kaltverfestigung; im geglühten Zustand ist sie gering und nimmt mit höheren kommerziellen H-Zuständen vorhersehbar zu. Die Blechdicke hat einen deutlichen Einfluss: Dünnere Bleche kaltverfestigen gleichmäßiger und erreichen nach Verformung höhere scheinbare Festigkeiten, während dickere Abschnitte oft geringere Kaltverfestigungssteifigkeit und reduzierte Umformbarkeit zeigen. Die Legierung zeigt typischerweise moderate Kerbschlagempfindlichkeit und profitiert bei ermüdungskritischen Teilen von einer geeigneten Oberflächenbearbeitung.

Eigenschaft	O/Geglüht	Typischer Härtezustand (z. B. H14/H16)	Hinweise
Zugfestigkeit	~80–140 MPa	~140–210 MPa	Werte variieren mit Kaltverfestigung und Dicke; H16/H18 erreichen obere Bereiche
Streckgrenze	~30–70 MPa	~80–160 MPa	Streckgrenze steigt deutlich mit Härtegrad; für Konstruktionen härtespezifische Werte berücksichtigen
Dehnung	~25–40%	~5–18%	Duktilität nimmt mit steigender Kaltverfestigung ab
Härte (HB)	~20–40 HB	~40–90 HB	Brinell- oder Vickers-Härte steigt mit H-Zustand und Kaltverfestigung

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Hinweise
Dichte	2,70–2,73 g/cm³	Leicht legiert gegenüber reinem Al (2,70 g/cm³)
Schmelzbereich	~630–655 °C	Solidus- und Liquidusbereich abhängig von geringfügigen Legierungselementen
Wärmeleitfähigkeit	~120–150 W/m·K	Leicht niedriger als reines Al; ausreichend für Wärmeverteilung
Elektrische Leitfähigkeit	~28–38 % IACS	Niedriger als bei reinem Al und einigen 1xxx-Legierungen aufgrund von Mn und Verunreinigungen
Spezifische Wärme	~880–910 J/kg·K	Vergleichbar mit anderen Aluminiumlegierungen im allgemeinen Maschinenbau
Thermische Ausdehnung	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Typische thermische Ausdehnung von Aluminium; bei Baugruppen mit unterschiedlichen Werkstoffen beachten

Die Kombination aus relativ hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger Dichte macht 3A21 nützlich, wo leichtes thermisches Management benötigt wird, aber die höchste Wärmeleitfähigkeit nicht erforderlich ist. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch Legierungselemente und Kaltverfestigung verringert; für vorrangige elektrische Anwendung sind reine 1xxx-Legierungen vorzuziehen. Die thermische Ausdehnung sollte bei multiwerkstofflichen Baugruppen berücksichtigt werden.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Bemerkungen
Blech	0,2–6,0 mm	Kann in O- oder H-Zuständen geliefert werden, Festigkeit steigt mit dem Zustand	O, H14, H16, H18	Weit verbreitet für Umformteile und Verkleidungen
Platte	6–25 mm	Geringerer Kaltverfestigungseffekt, grobkörnig wenn nicht weiterverarbeitet	O, H111	Wird für Bauteile mit stärkerem Querschnitt oder zur Zerspanung verwendet
Extrusion	Durchmesser bis mehrere hundert mm	Festigkeit abhängig von Nachkühlung und Kaltverfestigung nach dem Pressen	O, H112	Begrenzte Umformbarkeit für komplexe dünnwandige Profile im Vergleich zu 6xxx-Legierungen
Rohr	0,5–6,0 mm Wandstärke	Verhält sich ähnlich wie Blech unter dünnwandigen Bedingungen	O, H14	Häufig für Lüftungskanäle und leichte Strukturrohre verwendet
Stab/Rundstahl	Ø6–150 mm	Kaltverfestigung kann die Festigkeit bei gezogenen Stäben erhöhen	H12–H18	Verwendet für leichte Strukturteile und Komponenten

Die Verarbeitungsunterschiede sind erheblich: Blech und dünnwandige Produkte lassen sich leicht durch Kaltverfestigung auf die gewünschten Eigenschaften bringen, während Platten und dicke Extrusionen geringere Verfestigungszuwächse aufweisen und möglicherweise eine mechanische oder thermische Nachbehandlung für gleichmäßige Eigenschaften benötigen. Die Wahl der Form sollte daher den erreichbaren Zustand sowie die erforderliche Festigkeit und Umformbarkeit im Einsatz berücksichtigen.

Äquivalente Werkstoffbezeichnungen

Norm	Bezeichnung	Region	Bemerkungen
AA	3003 (ca.)	USA	Nächstliegender Aluminum Association-Äquivalent bezüglich Zusammensetzung und Verhalten
EN AW	3.0517 / AW-3003	Europa	Ähnliche Al–Mn-Spezifikation für allgemeine Blechanwendungen
JIS	A3003	Japan	Vergleichbare manganbasierte Allgemeinlegierung
GB/T	3A21	China	Inländische Bezeichnung; entspricht den Eigenschaften der 3xxx-Serie Al–Mn

Feine Unterschiede zwischen den Spezifikationen ergeben sich meist aus strengeren Anforderungen bezüglich Verunreinigungen, zulässigem Kupfergehalt oder abweichenden Grenzwerten bei Spurenelementen, welche Umformbarkeit und Oberflächenqualität beeinflussen. Bei der Materialauswahl für internationale Lieferungen sollten Ingenieure chemische und mechanische Prüfzertifikate anfordern, um die genaue Zusammensetzung und den Zustand zu bestätigen, anstatt sich ausschließlich auf Namensähnlichkeiten zu verlassen.

Korrosionsbeständigkeit

3A21 zeigt eine gute, allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, wie sie für die 3xxx-Familie typisch ist. Es bildet einen stabilen Oxidfilm, der vor milden Industrie- und ländlichen Umgebungen schützt; in küstennahen oder chloridreichen Atmosphären zeigt es gute Leistungen, erfordert jedoch beim Design Aufmerksamkeit bezüglich Spaltkorrosion und Salzansammlungen.

Die Legierung weist eine gute Beständigkeit gegen Gleichmäßigkorrosion auf und zeigt eine begrenzte Anfälligkeit für Lochfraß unter aggressiver Meeresexposition im Vergleich zu höherfesten Al–Zn-Legierungen. Spannungsrisskorrosion ist bei 3xxx-Legierungen kein häufiges Versagensbild. Das Hauptkorrosionsrisiko liegt in lokal begrenztem Angriff in belasteten oder chloridreichen Umgebungen.

Die galvanische Wechselwirkung mit unterschiedlichen Metallen sollte berücksichtigt werden: Wird 3A21 in feuchter Umgebung mit edleren Werkstoffen (z. B. Kupfer, Edelstahl) gekoppelt, kann es als anodischer Partner bevorzugt korrodieren, sofern keine Trennung vorhanden ist. Gegenüber unedleren Materialien fungiert es meist als kathodischer Partner und wird geschützt. Übliche Schutzmaßnahmen umfassen Beschichtungen, Barrieren und Opferdesign.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

Das Schweißverhalten von 3A21 ist mit konventionellen Schmelzverfahren wie TIG und MIG ausgezeichnet. Empfohlene Zusatzwerkstoffe sind Al–Si-Legierungen (z. B. 4043) und Al–Mg-Legierungen (z. B. 5356), abhängig von gewünschter Duktilität und Korrosionsbeständigkeit im Schweißgut; 4043 wird häufig verwendet, um Rissgefahr zu minimieren und gute Benetzbarkeit zu gewährleisten. Die Empfindlichkeit gegenüber Heißrissen ist gering im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen, jedoch sind eine saubere Fuge und eine gute Passgenauigkeit zur Vermeidung von Porosität und Einschlüssen wichtig.

Zerspanbarkeit

Die Bearbeitbarkeit von 3A21 ist mittelmäßig; sie ist generell zäher als leicht zerspanbare Aluminiumlegierungen und profitiert von scharfen Hartmetallwerkzeugen und geeigneter Kühlung. Die Zerspanbarkeit liegt unter der von Al–Cu 2xxx- und Al–Si 3xx-Gusslegierungen; Vorschub und Schnittgeschwindigkeiten sollten so gewählt werden, dass Aufbauschneiden vermieden und Spanbildung kontrolliert werden. Die Werkzeugstandzeit ist mit beschichtetem Hartmetall und Hochgeschwindigkeitsstrategien akzeptabel und auf die Erzeugung von kontinuierlichen Spänen mit ausreichender Spanabfuhr ausgelegt.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit gehört zu den Stärken von 3A21 im weichgeglühten (O) Zustand, was tiefes Ziehen und komplexe Stanzoperationen erlaubt. Die minimalen Biegeradien hängen von der Blechdicke und dem Zustand ab, wobei der O-Zustand meist sehr enge Radien zulässt (z. B. R ≤ 0,5t in vielen Fällen), während H-Zustände größere Radien zur Rissvermeidung erfordern. Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit, vermindert jedoch die Duktilität, weshalb Umformfolgen häufig Glüh- oder kontrollierte Vorverformungsschritte vorsehen, um die geforderte Geometrie und Leistung zu erreichen.

Verhalten bei Wärmebehandlung

Als nicht wärmeverfestigbare Legierung spricht 3A21 nicht auf Lösungsglühen und Ausscheidungshärtung an, um signifikante Festigkeitssteigerungen zu erzielen. Wärmebehandlungen beeinflussen hauptsächlich die Kornstruktur, entlasten Spannungen oder glühen den Werkstoff, anstatt Ausscheidungshärtung zu bewirken. Lösungsglühen mit anschließendem Abschrecken hat nur einen geringen positiven Effekt und kann zu Kornwachstum oder unerwünschter Erweichung führen.

Kaltverfestigung durch Kaltumformung ist das primäre Mittel zur Festigkeitssteigerung; dieser Prozess ist stabil und gut steuerbar, sodass Konstrukteure H-Zustände für gewünschte Streckgrenzen wählen können. Reversionsglühprozesse (Vollglühen zurück in den O-Zustand) dienen der Wiederherstellung der Umformbarkeit zwischen Fertigungsschritten oder zur Spannungsreduzierung nach Schweißen und Bearbeitung.

Verhalten bei erhöhten Temperaturen

Bei erhöhten Temperaturen zeigt 3A21 einen fortschreitenden Festigkeitsverlust, der weit unterhalb des Schmelzbereichs beginnt; oberhalb von ca. 150–200 °C kommt es zu deutlicher Erweichung. Die Kriechfestigkeit ist gegenüber wärmebeständigen Aluminiumlegierungen und Stählen begrenzt, sodass ein Dauerbetrieb unter Last bei hohen Temperaturen nicht empfohlen wird. Oxidation ist bei üblichen Einsatztemperaturen wegen des schützenden Aluminiumoxids minimal, jedoch kann eine längere Temperaturbeanspruchung Oberfläche und mechanische Eigenschaften verändern.

In wärmebeeinflussten Zonen angrenzend an Schweißnähte tritt keine Ausscheidungshärtung auf, es kann aber zu lokalem Glühen und Kornwachstum durch thermische Zyklen kommen, was die örtliche Festigkeit mindert. Für Anwendungen bei höheren Temperaturen sollten alternative, auf thermische Stabilität ausgelegte Aluminiumlegierungen oder nicht-aluminiumhaltige Werkstoffe in Betracht gezogen werden.

Anwendungsbereiche

Branche	Beispielkomponente	Warum 3A21 verwendet wird
Automobilindustrie	Zierleisten, Kanäle, Innenverkleidungen	Gute Umformbarkeit, vernünftige Festigkeit, kosteneffizient
Schiffbau/Marine	Leichte Strukturhalterungen, Leitungen	Ausreichende Korrosionsbeständigkeit und einfache Fertigung
Luft- und Raumfahrt	Nicht-kritische Bauteile, Verkleidungen	Gutes Festigkeitsgewichtverhältnis für sekundäre Strukturen
Elektronik	Gehäuse, Wärmeverteiler	Gute thermische Leitfähigkeit und einfache Verarbeitung
Haushaltsgeräte	Kochgeschirr, Verkleidungen	Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit für lebensmittelkontaktgeeignete und außen liegende Bauteile

3A21 wird häufig dort eingesetzt, wo eine Kombination aus Umformbarkeit, Schweißbarkeit, moderater Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ohne die Komplexität oder Kosten wärmebehandelbarer Legierungen erforderlich ist. Das ausgewogene Eigenschaftsprofil ermöglicht effiziente Fertigung und zuverlässige Leistungsfähigkeit im Einsatz für viele Standard- und semi-strukturelle Komponenten.

Auswahlhinweise

Verwenden Sie 3A21, wenn eine robuste, kostengünstige Al–Mn-Legierung mit ausgezeichneter Umformbarkeit und Schweißbarkeit benötigt wird und keine hohen, wärmebehandelbaren Spitzenfestigkeiten erforderlich sind. Besonders geeignet ist sie für gestanzte und gezogene Blechteile, leichte Strukturkomponenten und Anwendungen in atmosphärischen Umgebungen.

Im Vergleich zu handelsüblichem Reinaluminium (z. B. 1100) tauscht 3A21 eine leicht geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit gegen deutlich verbesserte Festigkeit und höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer Verformung im Einsatz ein. Im Vergleich zu anderen kaltverfestigten Legierungen wie 3003/5052 liegt 3A21 in einer ähnlichen Leistungsklasse, kann aber bevorzugt werden, wenn spezifische Mn-gesteuerte Eigenschaften oder bestimmte Zustände gefordert sind; 5052 bietet höhere Festigkeit und bessere marine Korrosionsbeständigkeit durch Mg, aber eine geringere Umformbarkeit gegenüber vollgeglühtem 3A21.

Im Vergleich zu gängigen wärmebehandelbaren Legierungen (z. B. 6061) bietet 3A21 überlegene Umformbarkeit und einfachere Fügbarkeit zu geringeren Kosten, erreicht aber nicht die höheren Spitzenfestigkeiten der 6xxx-Legierungen; wählen Sie 3A21 für komplexe Umformprozesse oder wenn Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit wichtiger sind als maximale Festigkeit.

Abschließende Zusammenfassung

3A21 bleibt eine praxisbewährte und weitverbreitete Al–Mn-Legierung für den modernen Maschinenbau, wenn eine zuverlässige Kombination aus Umformbarkeit, Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wirtschaftlichkeit gefordert wird; sein vorhersehbares Kaltverfestigungsverhalten und seine guten Verarbeitungseigenschaften sorgen dafür, dass es für seriengefertigte und halbstrukturelle Bauteile weiterhin relevant bleibt.