Aluminium 3N21: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen

Umfassender Überblick

3N21 ist eine Aluminiumlegierung der 3xxx-Serie, die zur manganverstärkten Familie der Knetlegierungen gehört. Sie ist hauptsächlich mit Mangan als dem wesentlichen legierenden Element verstärkt und enthält geringe Mengen an Silizium, Eisen, Kupfer, Magnesium, Zink sowie Spurenelemente zur Steuerung der Kornstruktur und des Verarbeitungsverhaltens. Die Legierung ist nicht wärmebehandlungsfähig und erreicht ihre Festigkeit durch Kaltverformung und sorgfältige Mikrostrukturkontrolle; sie bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen moderater Zugfestigkeit und sehr guter Korrosionsbeständigkeit. Typische Eigenschaften umfassen gute Umformbarkeit, ausgezeichnete Schweißbarkeit in gängigen Zuständen, angemessene Ermüdungsfestigkeit für diese Legierungsfamilie und ein Korrosionsverhalten, das vielen kupfer- oder zinkhaltigen Legierungen überlegen ist, was sie besonders attraktiv für marine und architektonische Anwendungen macht.

Branchen, die 3N21 häufig einsetzen, sind die Transportindustrie (Karosseriebleche, leichte Strukturbauteile), Schiffbau und Offshore-Fertigung, Gebäudefassaden und Komponenten sowie einige elektronische Gehäuse, bei denen moderate Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund stehen. Ingenieure wählen 3N21 gegenüber reineren Legierungen, wenn eine höhere mechanische Leistung ohne Nachteile der Wärmebehandlung erforderlich ist, und gegenüber höherfesten wärmebehandlungsfähigen Legierungen, wenn überlegene Umformbarkeit und Schweißbarkeit entscheidend sind. Die Legierung wird bevorzugt eingesetzt, wenn eine Kombination aus Fertigbarkeit (Tiefziehen, Biegen, Schweißen) und Umweltbeständigkeit benötigt wird und stellt so eine kosteneffiziente Wahl für mittelbeanspruchte Strukturelemente dar.

Zustandsvarianten

Zustand	Festigkeitsgrad	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Hinweise
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht, maximale Duktilität und Umformbarkeit
H12	Moderat	Moderat	Sehr gut	Ausgezeichnet	Teilgehärtet durch Kaltverformung; moderate Festigkeitssteigerung
H14	Moderat-Hoch	Moderat	Gut	Ausgezeichnet	Gängiger Kaltverfestigungszustand für mäßig feste Bleche
H16	Hoch	Niedriger	Akzeptabel	Ausgezeichnet	Stärkere Kaltverformung, verwendet bei höherem Festigkeitsbedarf
H18	Sehr hoch	Niedrig	Begrenzt	Ausgezeichnet	Maximale kommerzielle Kaltverfestigung für 3xxx-Serien
H111	Variabel	Variabel	Gut	Ausgezeichnet	Im Wesentlichen mit einem gewissen Grad der Kaltverformung nach der Fertigung

Der Zustand hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Eigenschaften von 3N21: zunehmende Kaltverfestigung erhöht Streck- und Zugfestigkeit bei gleichzeitiger Verringerung von Dehnung und Umformbarkeit. Typische Fertigungsverfahren verwenden O-Zustand für das Tiefziehen und H1x-Zustände als Kompromiss zwischen Umformbarkeit und Festigkeit für Stanz- oder Strukturbauteile.

Chemische Zusammensetzung

Element	Prozentbereich	Hinweise
Si	≤ 0,6	Kontrolliert, um Guss- und Ausscheidungsfehler zu reduzieren und die Duktilität zu erhalten
Fe	≤ 0,7	Häufiges Verunreinigungselement; Überschuss mindert Duktilität und Korrosionsbeständigkeit
Mn	0,8 – 1,8	Hauptlegierungselement, das Festigkeitssteigerung durch Mischkristall- und Dispersionseffekte bietet
Mg	≤ 0,5	Kleine Zusätze verbessern Festigkeit und Kaltverfestigungsverhalten
Cu	≤ 0,20	Begrenzt, um Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit zu erhalten
Zn	≤ 0,30	Gering gehalten, um Festigkeit und galvanische Korrosion in Balance zu halten
Cr	≤ 0,10	Spurenzusätze steuern Kornstruktur und Rekristallisation
Ti	≤ 0,15	Kornfeiner für Guss- und Strangpressrohstoffe, geringer Einfluss auf Eigenschaften
Andere (jeweils)	≤ 0,05	Kontrolle von Verunreinigungen (Ni, Pb, Bi, Sn) ist wichtig für Duktilität und Schweißbarkeit

Die Zusammensetzung legt den Schwerpunkt auf Mangan als Hauptlegierungselement mit konservativen Grenzwerten für Kupfer, Zink und Magnesium zur Aufrechterhaltung guter Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit. Minderbestandteile und Kontrolle von Verunreinigungen beeinflussen primär das Rekristallisationsverhalten, die Korngröße und das Kaltverfestigungsverhalten, welche zusammen Umform- und Ermüdungseigenschaften bestimmen.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 3N21 ist charakteristisch für manganhaltige, nicht wärmebehandlungsfähige Legierungen: relativ geringe Festigkeit im geglühten Zustand mit einem ausgeprägten Anstieg durch Kaltverformung. Die Streckgrenze steigt deutlich mit H-Zuständen; bei starker Kaltverfestigung erreicht die Legierung Zugfestigkeitswerte im oberen bis hohen Bereich struktureller Aluminiumlegierungen, während die Duktilität proportional abnimmt. Die Härte korreliert mit dem Zustand und kann als schneller Indikator für den Kaltverfestigungsgrad vor Ort genutzt werden; die Härte steigt annähernd linear mit dem kumulierten Kaltverformungsgrad bis zu den praktischen Umformgrenzen.

Die Ermüdungsfestigkeit ist im Allgemeinen günstiger als bei Legierungen mit hohem Kupfer- oder Zinkgehalt, da die manganbasierte Mischkristall-Verfestigung die Anfälligkeit für lokal korrosionsunterstützte Rissbildung reduziert. Die Dicke beeinflusst die Festigkeit hauptsächlich über die Effektivität der Kaltverfestigung und den Zustand der Eigenspannungen; dickere Querschnitte lassen sich weniger gleichmäßig kaltverfestigen und können bei gleichem Zustand eine höhere Duktilität behalten. Das Schweißen führt in kaltverfestigten Zuständen zu örtlicher Erweichung, verursacht jedoch normalerweise keine Versprödung; Ermüdungslebensdauer in Schweißnähe muss hinsichtlich Spannungskonzentrationen und Zustand der Wärmeeinflusszone bewertet werden.

Eigenschaft	O/Geglüht	Wichtiger Zustand (H14/H18)	Hinweise
Zugfestigkeit (MPa)	100 – 140	190 – 260	Typische Werte für Blech; abhängig von Kaltverformung und Dicke
Streckgrenze (MPa)	30 – 70	120 – 220	Deutliche Steigerung bei Kaltverfestigung; Werte orientieren sich am Zustandskennzeichen
Dehnung (%)	20 – 35	5 – 15	Im geglühten Zustand hohe Duktilität; starke Kaltverfestigung reduziert Dehnung deutlich
Härte (HV)	30 – 50	60 – 95	Härteanstieg spiegelt den Kaltverfestigungsgrad wider; ungefähre Vickers-Werte

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Hinweise
Dichte	2,68 – 2,70 g/cm³	Typisch für Al-Mn-Legierungen; nach Masse deutlich niedriger als viele Stahlsorten
Schmelzbereich	640 – 653 °C	Schmelzintervall abhängig von geringfügigen Legierungselementen; Standardtypisch für Aluminiumlegierungen
Wärmeleitfähigkeit	140 – 170 W/(m·K)	Niedriger als reines Aluminium durch Legierungseffekte; immer noch gut für Wärmeverteilung
Elektrische Leitfähigkeit	~30 – 45 % IACS	Reduziert im Vergleich zu reinem Aluminium; Leitfähigkeit steht in umgekehrtem Verhältnis zum Legierungsanteil
Spezifische Wärme	~0,90 J/(g·K)	Ungefährer Wert; relevant für thermische Managementberechnungen
Wärmeausdehnung	23 – 24 ×10⁻⁶ /K	Vergleichbar mit vielen Aluminiumlegierungen; wichtig für thermische Spannungen und Passungsberechnungen

Die physikalischen Konstanten klassifizieren 3N21 als leichte metallische Werkstoffe für Strukturbauteile, geeignet für Anwendungen, die niedrige Dichte sowie vernünftige Wärmekonduktivität und elektrische Leitfähigkeit erfordern. Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit sind ausreichend für viele wärmeabführende oder leitfähigkeitsbegrenzte Aufgaben, müssen aber bei Bedarf mit Werten für reines Aluminium verglichen werden. Die Wärmeausdehnung entspricht typischen Aluminiumlegierungen und muss bei gemischten Werkstoffbaugruppen berücksichtigt werden, um thermische Spannungen zu vermeiden.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,3 – 6,0 mm	Festigkeit durch Kaltverformung; dünnere Bleche leichter kaltumformbar	O, H14, H16	Weit verbreitet für Paneele, Fassaden und tiefgezogene Bauteile
Platte	6 – 25 mm	Begrenzt industriell genutzt; wegen Umformbarkeitsgrenzen weniger üblich	O, H18	Dickere Bereiche sind schwerer gleichmäßig kaltzuverfestigen
Strangpressprofil	Profile bis 200 mm	Kann als Zustand lösungsgeglüht hergestellt und später kaltverfestigt werden	O, H112/H116	Strangpressblöcke sind kornfeinbearbeitet für dimensionsstabile Profile
Rohr	Außendurchmesser 6 – 100 mm	Mechanische Eigenschaften abhängig vom Ziehen und Zustand	O, H14	Verwendet für Strukturrohre und Leitungen, bei denen Korrosionsbeständigkeit wichtig ist
Stab/Rundstahl	Ø 4 – 60 mm	Festigkeit abhängig vom gezogenen/kaltverfestigten Zustand	O, H12/H14	Typischerweise für Zerspanung oder kleine Strukturelemente geliefert

Die Form beeinflusst das mechanische Verhalten, da die Kaltverformung beim Umformen den Endzustand und die Anisotropie der Eigenschaften steuert. Blech und dünne Strangpressprofile sind die wirtschaftlichsten Verarbeitungsformen für 3N21, während dickere Platten zwar hergestellt, jedoch mit begrenzter Umformbarkeit und spezieller Prozesskontrolle für mechanische Homogenität versehen werden müssen. Die Wahl der Produktform muss die nachfolgenden Bearbeitungsschritte berücksichtigen: Tiefziehen und Stanzen bevorzugen dünnes Blech im O- oder H1x-Zustand, während Strukturbauteile oft kaltverfestigte H-Zustände für höhere Tragfähigkeit verwenden.

Äquivalente Werkstoffnummern

Norm	Werkstoffnummer	Region	Bemerkungen
AA	3N21	USA	Bezeichnung, die in einigen Lieferantenkatalogen verwendet wird; entspricht den 3xxx Mn-Seriennormen
EN AW	3003 / 3N21-ähnlich	Europa	Keine direkte 1:1 Entsprechung; EN AW-3003 ist in der Praxis die am nächsten liegende gängige Entsprechung
JIS	A3003-ähnlich	Japan	JIS-Zusammensetzung und Zustände sind ähnlich; direkte Gegenüberstellung erfordert chemische Überprüfung
GB/T	3N21	China	Chinesische Norm verwendet 3N21-Bezeichnung in bestimmten Werkstoffspezifikationen

Eine direkte Äquivalenz zwischen den Normen erfordert eine sorgfältige chemische und eigenschaftsbezogene Gegenüberstellung; einige Normen fassen eng verwandte Mn-Legierungen unter gemeinsamen Nummern zusammen (z. B. 3003). Feine Unterschiede ergeben sich aus Reinheitsgrenzen, Streck- und Zugfestigkeitszielen sowie zulässigen Verarbeitungsverläufen, daher werden für kritische Anwendungen eine Kreuzqualifikation und Lieferantenzertifizierung empfohlen. Beim Ersatz oder Bezug von 3N21 aus verschiedenen Regionen sollte die Zustandserfassung (Temper) und mechanische Abnahmekriterien validiert werden, anstatt sich allein auf die Bezeichnung zu verlassen.

Korrosionsbeständigkeit

3N21 zeigt eine gute allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, typisch für manganhaltige Aluminiumlegierungen mit geringem Kupfergehalt. Es bildet eine schützende, haftende Oxidschicht, die weitere Zersetzung verlangsamt. In maritimen Umgebungen verhält sich die Legierung im Vergleich zu vielen höherfesten wärmebehandelbaren Legierungen aufgrund des eingeschränkten Kupfer- und Zinkgehalts gut, doch erfordern längere Eintauchzeiten und Chloridexposition dennoch konstruktive Maßnahmen wie Beschichtungen, kathodischen Schutz oder Opferanoden. Spannungsrisskorrosion (SCC) ist kein primärer Versagensmodus bei manganbasierten nicht-wärmebehandelbaren Legierungen, jedoch kann lokaler Angriff an Schweißnähten, Spalten oder unter Ablagerungen Lochfraß fördern und so Ermüdungsrisse beschleunigen.

Galvanische Wechselwirkungen mit unterschiedlichen Metallen sollten berücksichtigt werden: 3N21 ist anodisch gegenüber Edelstahl und Kupferlegierungen, sodass bei Kontakt Aluminium bevorzugt korrodiert, sofern keine elektrische Isolierung vorliegt oder das System galvanische Ströme berücksichtigt. Im Vergleich zu 5xxx-Serie Magnesiumlegierungen zeigt 3N21 oft eine vergleichbare oder leicht bessere Schweißbarkeit sowie ähnliche Korrosionsbeständigkeit, während 5xxx-Legierungen höhere Festigkeiten bieten, sofern Schweißen weniger kritisch ist. Im Vergleich zu 6xxx wärmebehandelbaren Legierungen tauscht 3N21 maximale erreichbare Festigkeit gegen verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen bestimmte Formen der lokalen Korrosion sowie einfachere Schweiß- und Umformbarkeit ein.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

Das Schweißen von 3N21 mittels MIG (GMAW), TIG (GTAW) und Widerstandsschweißen ist in den meisten Zuständen unproblematisch, da Kupfer- und Verunreinigungsanteile niedrig sind. Die Schweißnähte weisen gute Duktilität auf. Empfohlene Zusatzwerkstoffe sind Aluminium-Mn/Cu- niedriglegierte Drähte (z. B. AlSi-basierte Zusatzwerkstoffe in manchen Fällen), die hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Anforderungen der Verbindung ausgewählt werden. Das Risiko von Heißrissen ist im Vergleich zu hochkupferhaltigen Legierungen gering, jedoch kommt es häufig zu Eigenspannungsanweichungen (HAZ-Erweichung) bei kaltverfestigten Zuständen, was bei der Verbindungsgestaltung und Nachbearbeitung berücksichtigt werden muss.

Mechanische Bearbeitbarkeit

Die Zerspanbarkeit von 3N21 entspricht der typischer Al-Mn-Legierungen: gute Spänebildung, niedrige Schnittkräfte und günstige Oberflächenqualität bei Einsatz von Hartmetallwerkzeugen. Ein Zerspanbarkeitsindex liegt im mittleren Bereich verglichen mit besser zerspanbaren Sorten; Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe sollten auf Zustand und Querschnitt angepasst werden, um Aufbauschneiden und Gratbildung zu vermeiden. Kühlung oder Luftstrom sind bei stärkeren Schnitten zur Spanabfuhr und Steuerung der thermischen Ausdehnung empfehlenswert.

Umformbarkeit

Kaltumformung gehört zu den wichtigsten Vorteilen von 3N21 im Zustand O und leichten H-Zuständen; enge Biegeradien und tiefes Tiefziehen sind mit entsprechender Schmierung und progressiven Werkzeugen möglich. Empfohlene minimale Biegeradien hängen von Zustand und Blechdicke ab, doch kann der Zustand O viele geprägte Bauteile mit Radien von 1 – 2× Blechdicke verarbeiten, während H18 größere Radien benötigt, um Rissbildung zu vermeiden. Bei komplexer Umformung ist ein Start in O oder H12 und kontrollierte Kaltverfestigungsschritte ratsam, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.

Verhalten bei der Wärmebehandlung

3N21 ist eine nicht wärmebehandelbare Legierung und profitiert daher nicht von lösungswärmebehandlungs- und künstlichen Alterungsprozessen wie bei 6xxx oder 7xxx Legierungen. Seine Festigkeitssteigerung beruht auf Kaltverfestigung (H-Zustände), Verfestigung durch Formänderung und gegebenenfalls Stabilisierung zur Steuerung der Korngröße und Rekristallisationsreaktionen. Weichglühzyklen stellen bei O-Zustand durch Rekristallisation die Duktilität wieder her; industrielles Glühen wird bei Coils oder Bauteilen mit anschließendem Tiefziehen eingesetzt. Thermische Beanspruchung während Betrieb oder Fertigung (z. B. Schweißen) kann zu lokalen Weichphasen und teilweiser Rekristallisation führen, was Eigenspannungen und Maßhaltigkeiten beeinflusst.

Hochtemperatureinsatz

Bei erhöhten Temperaturen nimmt die Festigkeit von 3N21 kontinuierlich ab, weshalb es für dauerhafte Lasten über ca. 150 – 200 °C nicht empfohlen wird. Die Oxidation wird durch die Aluminiumoxidschicht begrenzt, jedoch beschleunigen erhöhte Temperaturen Diffusionsprozesse und mikrostrukturelle Erholungsphänomene, die unsere Kaltverfestigungssituation und damit die Festigkeit mindern. Der Wärmeeinflussbereich (HAZ) angrenzend an Schweißnähte kann bei moderaten Temperaturen eine Art Überglühen erfahren; somit sollte Kriecheigenschaft und Relaxationsverhalten bei Bauteilen mit zyklischer thermischer Belastung überprüft werden. Für kurzzeitige Temperaturspitzen ist die Performance akzeptabel, langfristig sind jedoch legierungen mit speziell ausgelegter Hochtemperaturstabilität vorzuziehen.

Anwendungsgebiete

Branche	Beispielbauteil	Warum 3N21 verwendet wird
Automobilindustrie	Karosseriebleche, innere Verstärkungen	Kombination aus Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und moderater Festigkeit
Schiffbau/Marine	Aufbauten, Zierteile	Gute Chloridbeständigkeit und Schweißbarkeit bei der Fertigung
Luftfahrt	Sekundäre Befestigungen, nichtkritische Strukturbauteile	Vorteilhaftes Verhältnis aus Festigkeit zu Gewicht und Ermüdungseigenschaften für Sekundärstrukturen
Elektronik	Gehäuse, Halterungen, Wärmeverteiler	Ausgewogene thermische Leitfähigkeit, Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit

3N21 wird bevorzugt in Anwendungen eingesetzt, die ein wirtschaftliches Gleichgewicht zwischen Fertigungseffizienz und Dauerhaftigkeit unter Umwelteinflüssen erfordern, anstatt maximale Festigkeit. Die Kombination aus Umformbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsleistung macht es zu einem bewährten Werkstoff für Blechteile, bei denen häufige Umformung und Verbindungsvorgänge notwendig sind. Die Legierung ist besonders attraktiv, wenn Konstrukteure wärmebehandelte Prozesse vermeiden möchten, aber höhere strukturelle Leistungsfähigkeit als bei rein kommerziell reinen Sorten benötigen.

Auswahlempfehlungen

Für eine allgemeine Auswahl empfiehlt sich 3N21, wenn eine nicht wärmebehandelbare Legierung mit besserer Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit als kommerziell reines Aluminium benötigt wird und dabei hervorragende Umform- und Schweißeigenschaften erhalten bleiben sollen. Im Vergleich zu 1100 opfert 3N21 etwas elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie reine Metallzähigkeit zugunsten deutlich höherer Streck- und Zugfestigkeit. Gegenüber kaltumgeformten Legierungen wie 3003 und 5052 liegt 3N21 meist auf ähnlichem oder leicht höherem Festigkeitsniveau bei vergleichbarer Korrosionsbeständigkeit, was es dort bevorzugt, wo ein mittlerer Festigkeitszuwachs ohne Wärmebehandlung erwünscht ist.

Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 erreicht 3N21 nicht dieselbe Höchstfestigkeit, bietet aber einfachere Verarbeitung (kein Lösungs- und Alterungsprozess) sowie überlegene Umform- und Schweißbarkeit bei vielen geschweißten oder gebogenen Bauteilen. 3N21 sollte bevorzugt eingesetzt werden, wenn Umform- und Verbindungseffizienz, gleichbleibende Korrosionsperformance und moderate Strukturfestigkeit wichtiger sind als maximale Festigkeit pro Gewichtseinheit.

Zusammenfassung

3N21 bleibt relevant, weil es die praktischen Vorteile der 3xxx-Manganlegierungsfamilie vereint: gute Korrosionsbeständigkeit, hervorragende Umformbarkeit und einfache Schweißbarkeit kombiniert mit einem wirtschaftlichen Weg zu moderater Strukturfestigkeit durch Kaltverfestigung. Das ausgewogene Eigenschaftsprofil und die Flexibilität bei der Verarbeitung machen es zu einer pragmatischen Wahl für zahlreiche Anwendungen im Transportwesen, Schiffbau, Architektur und der leichten Luftfahrt, wo Fertigungseffizienz und Umwelthaltbarkeit entscheidend sind.