Aluminium 3B21: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen

Umfassender Überblick

3B21 ist eine Legierung aus der 3xxx-Reihe der Aluminiumlegierungen, die hauptsächlich durch manganbasierte Legierungselemente gekennzeichnet ist und zur nicht wärmebehandelbaren Familie gehört. Sie ist so formuliert, dass sie die Festigkeitssteigerung durch Mischkristallverfestigung von Mn und in einigen Varianten bescheidene Mg-Zusätze nutzt; die Festigkeitssteigerung erfolgt überwiegend durch Kaltverformung und nicht durch ausscheidungshärtende Wärmebehandlung.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von 3B21 zählen eine moderate bis gute Festigkeit im Vergleich zu reinem Aluminium, ausgezeichnete Umformbarkeit im geglühten Zustand, gute Beständigkeit gegen allgemeine atmosphärische Korrosion sowie eine einfache Schweißbarkeit mit Standard-Aluminium-Schweißverfahren. Typische Einsatzbereiche von 3B21 reichen von Transport- und Fahrzeugaußenverkleidungen bis hin zu Konsumgütern und einigen maritimen Sekundärstrukturen, bei denen ein Gleichgewicht zwischen Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit gefordert ist.

Ingenieure wählen 3B21, wenn eine Kombination aus Duktilität für Umformprozesse und bessere mechanische Eigenschaften als bei handelsüblichem Reinaluminium ohne die Komplexität einer Wärmebehandlung benötigt wird. Die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Legierungen beruht auf geringer Dichte, vorhersehbarer Kaltverformungsantwort und relativ niedrigen Produktions- und Fertigungskosten.

Die Auswahl fällt oft zugunsten von 3B21 gegenüber höherfesten, wärmebehandelbaren Legierungen, wenn komplexe Umformprozesse und gute Oberflächenqualität erhalten bleiben müssen, sowie gegenüber reinem Al oder weicheren Legierungen, wenn zusätzliche strukturelle Kapazität und Dellempfindlichkeit reduziert werden sollen.

Ausführungen (Temper)

Ausführung	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Anmerkungen
O	Niedrig	Hoch (30–45%)	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht, ideal für Tiefziehen und Umformen
H12	Niedrig-Mittel	Mittel-Hoch (20–30%)	Sehr gut	Sehr gut	Leicht kaltverfestigt durch partielle mechanische Bearbeitung
H14	Mittel	Mittel (10–20%)	Gut	Sehr gut	Übliche kommerzielle Kaltverfestigung für Blech; höhere Streckgrenze
H16	Mittel-Hoch	Mittel (8–15%)	Reduziert	Gut	Stärkere Kaltverfestigung für verbesserte Steifigkeit
H18	Hoch	Niedrig-Mittel (6–12%)	Begrenzt	Gut	Stärker kaltverfestigt, erhöhte Festigkeit für Strukturbleche
H24	Mittel-Hoch	Mittel (10–18%)	Gut	Sehr gut	Kaltverfestigt und stabilisiert; behält gewisse Umformbarkeit bei
T3 (wo angewendet)	N/V	N/V	N/V	N/V	Nicht der Hauptprozess – 3xxx-Legierungen sind nicht wärmebehandelbar; T-Bezeichnungen werden zur Stabilisierung nach Lösungsglühen nach einigen Spezifikationen verwendet

Die Ausführungskennzeichnung für 3B21 folgt der konventionellen Handhabung der 3xxx-Serie: weich geglüht (O) für maximale Umformbarkeit und eine Vielzahl von H-Ausführungen für abgestufte Festigkeitssteigerungen durch Kaltverfestigung. Die Wahl einer Ausführung balanciert Umformkomplexität, Rückfederungskontrolle und erforderliche Einsatzsteifigkeit; Schweißreparaturen und das Fügen nach dem Umformen müssen eventuell lokal auftretende Erweichungen in geschweißten, kaltverfestigten Bauteilen berücksichtigen.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Anmerkungen
Si	≤ 0,6	Typische Verunreinigung; Überschuss verringert Duktilität und fördert Intermetallische Phasen
Fe	≤ 0,7	Häufige Verunreinigung; beeinflusst Kornstruktur und kann spröde Phasen bilden
Mn	0,8–1,5	Hauptlegierungselement der 3xxx-Familie; erhöht Festigkeit und hemmt Rekristallisation
Mg	0,1–0,6	Kleine Zugabe in einigen Varianten; steigert Mischkristallverfestigung und verbessert Kaltverfestigung
Cu	≤ 0,2	Geringe Mengen möglich; verbessern leicht die Festigkeit, senken aber die Korrosionsbeständigkeit
Zn	≤ 0,25	Üblicherweise niedrig; höhere Gehalte untypisch für 3xxx-Familie
Cr	≤ 0,10	Spuren zur Kornkontrolle und Verbesserung der Ausführungsstabilität
Ti	≤ 0,15	Kleine Zugaben zur Kornfeinung bei Guss- oder Walzprodukten
Sonstige (jeweils)	≤ 0,05–0,15	Andere Reste (Ni, Pb, Sn) auf niedrigem Niveau gehalten, um Versprödung oder schädliche Phasen zu vermeiden

Die Legierungschemie von 3B21 ist auf ein mangan-dominantes Gleichgewicht ausgerichtet, das eine stabile Kaltverfestigung und robuste Duktilität liefert. Mn reduziert die Rekristallisation und bildet feine Dispersoide, die die Kornstabilität während der Umformung und bei moderaten thermischen Belastungen erhalten. Mg, wenn in mäßigen Mengen vorhanden, erhöht die Festigkeit durch Mischkristallverfestigung und verbessert die Kaltverfestigungsfähigkeit, muss jedoch begrenzt werden, um die Empfindlichkeit gegenüber Eigenschaftseinbußen wie bei höher Mg-haltigen 5xxx-Legierungen zu vermeiden.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 3B21 folgt den klassischen Trends der 3xxx-Serie: Der geglühete Zustand (O) zeigt vergleichsweise niedrige Streck- und Zugfestigkeiten mit hoher gleichmäßiger Dehnung, die starke Umformung ermöglicht. Kaltverfestigung (H-Ausführungen) führt zu signifikanten Steigerungen in Streck- und Zugfestigkeit auf Kosten von Duktilität und Biegbarkeit, wobei die Rückfederung mit zunehmender Kaltverfestigung steigt. Dicke und Fertigungshistorie beeinflussen die gemessenen Eigenschaften stark; dünnere Blechdicken weisen wegen der Kaltwalzverfestigung im Herstellprozess häufig höhere scheinbare Festigkeiten auf.

Die Härte korreliert eng mit der Ausführung: Rockwell- oder Brinell-Härte nimmt mit steigendem H-Zahl vorhersehbar zu. Die Dauerfestigkeit von 3B21 ist moderat – besser als reines Aluminium aufgrund der höheren Grundfestigkeit, aber schlechter als einige wärmebehandelbare Legierungen; Oberflächenqualität, Eigenspannungen aus der Umformung und Kerbwirkung dominieren die Lebensdauer. Das Verhältnis von Streck- zu Zugfestigkeit ist moderat; lokale Wärmeeinwirkung (z.B. Schweißen) kann eine Erweichung im Wärmeeinflussbereich (HAZ) verursachen, insbesondere bei stark kaltverfestigten Ausführungen.

Die Grenzen der Kaltumformung werden durch Ausführung und Korngröße bestimmt; O-Ausführung erlaubt Tiefziehradien bis an empfindliche Toleranzen von Blechen heran, während H18 größere Biegeradien und schrittweise Umformungsprozesse erfordert. Die unten angegebenen typischen Werte repräsentieren mittlere Bereiche für übliche Blechdicken und geläufige Ausführungen.

Eigenschaft	O/Geglüht	Wichtige Ausführung (z.B. H14)	Anmerkungen
Zugfestigkeit	90–130 MPa	150–220 MPa	Werte variieren mit Dicke und genauer Legierungscharge; H14 typisch für mittelfeste Strukturbleche
Streckgrenze	30–70 MPa	100–160 MPa	Streckgrenze steigt erheblich mit Kaltverfestigung; O-Zustand gering
Dehnung	30–45%	8–20%	Dehnung hängt von Ausführung und Dehnweg während der Umformung ab
Härte (HB)	25–45 HB	50–85 HB	Härte nimmt mit H-Ausführung zu; Umrechnung in HRC/HRB variiert

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Anmerkungen
Dichte	~2,70 g/cm³	Typisch für gewalzte Aluminiumlegierungen; vorteilhaft für Festigkeit zu Gewicht
Schmelzbereich	~640–655 °C	Legierungselemente senken den Solidus gegenüber reinem Al (660 °C) leicht ab
Wärmeleitfähigkeit	~120–150 W/m·K	Niedriger als reines Al; dennoch hoch für Anwendungen mit Wärmeableitung
Elektrische Leitfähigkeit	~28–40% IACS	Reduziert gegenüber 1xxx-Serie durch Legierung; abhängig von Mn/Mg-Gehalt
Spezifische Wärmekapazität	~0,88–0,91 J/g·K	Typisch für Aluminiumlegierungen bei Raumtemperatur
Wärmeausdehnung	~23–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C)	Ähnlich wie bei anderen Al-Legierungen; wichtig für thermische Lastzyklen im Design

3B21 behält die thermischen und elektrischen Vorteile von Aluminium bei und akzeptiert dabei moderate Einbußen durch die Legierungselemente. Die Wärmeleitfähigkeit bleibt hoch genug für wärmeverteilende Bauteile und thermisches Management bei Konsumgütern. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist vergleichbar mit anderen Al-Legierungen und muss bei materialkombinierten Verbindungen berücksichtigt werden, um thermische Spannungen zu kontrollieren.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,2–6,0 mm	Festigkeit variiert mit dem Zustand; dünne Stärken sind häufig etwas härter	O, H14, H24	Weit verbreitet für Verkleidungen, Gehäuse und geformte Teile
Platte	>6 mm bis 25 mm	Geringerer Kaltverfestigungsanteil bei dickerer Platte	O, H18	Verwendet, wenn größere Querschnitte erforderlich sind; Berücksichtigung der Bearbeitung/Formgebung
Profil	Profile bis mehrere Meter	Festigkeit abhängig von der Querschnittskühlung; moderat	O, H112	Extrudierte Formen nutzen Mn zur Kornstabilisierung während des Strangpressens
Rohr	Durchmesser von klein bis groß	Wandstärke und Zustand bestimmen Steifigkeit	O, H16	Gezogene oder extrudierte Rohre für leichte Rahmenkonstruktionen
Stab/Rundstahl	Durchmesser und Flachstähle	In weichgeglühtem Zustand typischerweise weicher; kann kaltgezogen werden	O, H12	Herstellung von bearbeiteten Bauteilen und Verbindungselementen, falls passend

Die Wahl der Produktform richtet sich nach Umform- und Fertigungsverfahren: Walzbleche bieten eine überlegene Oberflächenqualität und enge Dickenkontrolle für sichtbare Verkleidungen, während Strangpressprofile komplexe Querschnitte ermöglichen, aber auf Alterungs- und Kaltverfestigungseffekte geachtet werden muss. Platten und dickere Sektionen erfordern oft andere Umformverfahren (inkrementelle Umformung, Warmumformung), um vergleichbare Formen zu erzielen. Geschweißte Baugruppen müssen lokale Zustandserweichung und mögliche Verzugseffekte bei dünnen Bauteilen berücksichtigen.

Äquivalente Werkstoffbezeichnungen

Norm	Grade	Region	Hinweise
AA	3B21	USA	Bezeichnung in einigen Lieferantenkatalogen; nicht flächendeckend standardisiert in allen AA-Listen
EN AW	3003 / 3xxx-Familie	Europa	Nächstliegende europäische gewalzte Äquivalente sind in der 3xxx AW-Reihe; direkte Eins-zu-eins-Äquivalenz erfordert Prüfung der Zusammensetzung
JIS	A3003 / A3xxx	Japan	Japanische 3xxx-Serien weisen ähnliche Mn-basierte Chemie und Eigenschaften auf
GB/T	3B21	China	Chinesische Bezeichnung 3B21 entspricht lokalen Legierungsnummern und Zusammensetzungskontrollen

Direkte Vergleiche zwischen Normen müssen anhand der Zusammensetzung und der mechanischen Anforderungen erfolgen, nicht nur nach Bezeichnung. Geringfügige Unterschiede bei zulässigen Verunreinigungen, Mg-Gehalt und Glühpraxis können messbare Eigenschaftsunterschiede bewirken; für qualitätskritische Anwendungen sollten daher Werksprüfzeugnisse angefordert und Vergleichstests durchgeführt werden, statt sich nur auf nominale Äquivalenztabellen zu verlassen.

Korrosionsbeständigkeit

3B21 bietet eine gute allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, typisch für Mn-haltige 3xxx-Legierungen; es bildet sich schnell ein Oxidfilm, der die Matrix in den meisten nicht-aggressiven Umgebungen schützt. In städtischer und industrieller Atmosphäre zeigt die Legierung gute Beständigkeit und wird oft gegenüber reinem Al bevorzugt, wenn eine moderate Steigerung der mechanischen Festigkeit ohne Einschränkung des Korrosionsverhaltens gewünscht ist.

In marinen Umgebungen bietet 3B21 eine angemessene Beständigkeit gegen gleichmäßige Korrosion, ist jedoch gegenüber lokalem Angriff (Lochfraß) und Schichtabplatzungen in hochchloridreichen Bedingungen anfälliger als einige Al-Mg-Legierungen (5xxx) oder speziell beschichtete Werkstoffe. Oberflächenfinish, Beschichtung (Cladding) und Legierungsreinheit (reduzierter Fe- und Cu-Gehalt) beeinflussen die Leistung im Meerwassereinsatz wesentlich.

Die Anfälligkeit für Spannungskorrosionsrisse bei 3xxx Mn-Legierungen ist im Allgemeinen gering im Vergleich zu Cu-haltigen oder hoch-Mg-Legierungen; jedoch fördern galvanische Wechselwirkungen mit edleren Werkstoffen (Edelstahl, Kupfer) eine beschleunigte Korrosion des Aluminiums bei Elektrolytkontakt. Konstrukteure müssen Opferanoden und elektrische Isolierung berücksichtigen, um galvanische Zersetzung in Mischmetall-Baugruppen zu verhindern.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißungen in 3B21 sind mit gängigen Verfahren wie TIG und MIG bei Argon-Schutzgas und Standardvorbereitung gut ausführbar. Die Auswahl der Zusatzwerkstoffe bevorzugt typischerweise Al-Mn- oder Al-Si-Legierungen, um mechanische Kompatibilität zu gewährleisten und Heißrisse zu minimieren; 4043 (Al-Si) und 5356 (Al-Mg) werden häufig je nach gewünschter Duktilität und Festigkeitsbalance verwendet. Stark kaltverfestigte Zustände zeigen eine Erweichung im Wärmeeinflussbereich (HAZ) und mögliche lokale Eigenschaftsminderungen; Vor- und Nachbehandlung sollte geplant werden.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit ist moderat und schlechter als bei zerspanungsoptimierten Cu-Legierungen oder Stählen, aber mit geeigneten Werkzeugen gut bearbeitbar. Hartmetall-Wendeschneidplatten mit positivem Spanwinkel, hohe Vorschübe und Flutenkühlung bieten das beste Verhältnis von Werkzeugstandzeit und Oberflächengüte. Späne sind meist kontinuierlich und duktil; zur Serienbearbeitung empfiehlt sich Kontrolle von Spanansatz und passende Spanbrechergeometrien.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit ist im O-Zustand ausgezeichnet und bleibt in niedrigen H-Zuständen für die meisten üblichen Stanz- und Ziehvorgänge gut. Typische Mindestbiegeradien im O-Zustand liegen bei 0,5–1,0T für einfache Biegungen; jedoch sind Federhübe und Wanddünnungen bei Tiefziehen zu berücksichtigen. Kaltverfestigte Zustände (H16–H18) benötigen größere Radien und mehrstufige Umformungen zur Rissvermeidung; Glühen stellt die Umformbarkeit bei Bedarf wieder her.

Wärmebehandlungsverhalten

Als überwiegend nicht wärmebehandelbare Legierung spricht 3B21 nicht auf Lösungsbehandlung und Auslagerung an, um signifikante Festigkeitssteigerungen zu erzielen. Versuche mit konventionellen Lösung und Alterungszyklen führen nicht zu vergleichbaren Ergebnissen wie bei 6xxx/7xxx-Familien. Die Kontrolle der mechanischen Eigenschaften erfolgt stattdessen durch Kaltverfestigung (Dehnverfestigung) und kontrolliertes Glühen.

Zum Wiedererlangen der Duktilität wird üblicherweise bei Aluminium-typischen Temperaturen geglüht, meist zwischen etwa 300–420 °C, abhängig von Blechdicke und gewünschter Kornstruktur, gefolgt von kontrollierter Abkühlung. Übermäßiges Glühen kann zu grobkörniger Struktur und verminderter Umformbarkeit führen; stablie H-Zustände (z. B. H24) nutzen moderate thermische Stabilisierung oder geringfügige Spannungsrelaxation, um Eigenschaftsschwankungen zu minimieren.

Für Anwendungen, die höhere Festigkeiten als durch Kaltverfestigung erreichbar erfordern, sollten wärmebehandelbare Alternativen geprüft werden; ansonsten sind Kaltumformsequenzen, progressive Werkzeuge und Verfestigungsstrategien übliche Verfahren für 3B21.

Hochtemperatureigenschaften

3B21 hält nützliche Eigenschaften bei moderat erhöhten Temperaturen, verliert aber zunehmend Festigkeit oberhalb von etwa 100–150 °C, mit deutlichen Einbußen bei Streckgrenze und Kriechfestigkeit bei höheren Temperaturen. Für dauerhaft hohe Temperaturen oder bei Kriechbeanspruchung werden typischerweise hitzebeständige Legierungen oder Edelstähle bevorzugt.

Oxidation stellt bei kurzzeitiger Aussetzung in Luft aufgrund der schützenden Aluminiumoxidschicht kein großes Problem dar; jedoch führen längere Einwirkung unter aggressiven oxidierenden oder chloridreichen Atmosphären bei erhöhten Temperaturen zum Abbau der Schutzschichten und beschleunigtem Angriff. Die Schweiß-Wärmeeinflusszonen können verminderte mechanische Kapazitäten und örtliche Erweichungen aufweisen, was bei thermischer Beanspruchung oder hohen Temperaturbelastungen zu berücksichtigen ist.

Anwendungsbereiche

Industrie	Beispielbauteil	Warum 3B21 verwendet wird
Automobil	Innen-/Außenkarosseriebleche, Zierleisten	Gute Umformbarkeit für komplexe Stanzteile und moderate Festigkeit für Dellenbeständigkeit
Marine	Sekundärstrukturen, Zierleisten	Ausreichende Korrosionsbeständigkeit und einfache Fertigung; geringes Gewicht
Luftfahrt	Nicht-kritische Beschläge, Verkleidungen	Günstiges Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und gute Umformbarkeit für geformte Bleche
Elektronik	Gehäuse, Wärmeverteiler	Hohe Wärmeleitfähigkeit und einfache Oberflächenbearbeitung

3B21 wird häufig eingesetzt, wenn ein ausgewogenes Verhältnis von Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und moderater Tragfähigkeit bei geringem Kostenaufwand gefordert ist. Seine Vielseitigkeit in Blech- und Strangpressprodukten macht es zu einem praxisgerechten Werkstoff für sichtbare Bleche, geformte Gehäuse und sekundäre Strukturbauteile, bei denen Gewichtsersparnis und Fertigungsökonomie im Vordergrund stehen.

Auswahlhinweise

Bei der Auswahl von 3B21 sollten Anwendungen priorisiert werden, die hervorragende Umformbarkeit und gute Korrosionsperformance bei moderater Festigkeit verlangen. Für Tiefziehen und komplexe Geometrien empfiehlt sich der O-Zustand; H-Zustände bieten verbesserte Steifigkeit oder Dellenbeständigkeit ohne die Komplexität der Wärmebehandlung.

Im Vergleich zu handelsüblichem Reinaluminium (1100) tauscht 3B21 etwas geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit gegen deutlich höhere Festigkeit und bessere Kaltverfestigungsfähigkeit ein. Im Vergleich zu üblichen kaltverfestigten Legierungen wie 3003 oder 5052 liegt 3B21 meist im Mittelfeld: stärker als reines Al, aber mit vergleichbarer oder leicht verbesserter Korrosionsbeständigkeit gegenüber höher-Mg 5xxx-Legierungen. Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 bietet 3B21 im geglühten Zustand bessere Umformbarkeit und einfachere Fertigung, jedoch geringere Höchstfestigkeit; 3B21 ist vorzuziehen, wenn Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit wichtiger als maximale Festigkeit sind.

Abschließende Zusammenfassung

3B21 bleibt ein praxisbewährter, manganbasierter, gewalzter Aluminiumwerkstoff, der ausgezeichnete Umformbarkeit, zuverlässige Korrosionsbeständigkeit und eine vorhersehbare Kaltverfestigung für eine breite Palette leichter Struktur- und Formanwendungen vereint. Sein ausgewogenes Eigenschaftsprofil und die unkomplizierte Fertigung machen ihn zu einer kosteneffizienten Wahl, wenn moderate Festigkeit und hohe Herstellbarkeit im Vordergrund der Konstruktion stehen.