Aluminium 4004: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen

Umfassender Überblick

Alloy 4004 gehört zur 4xxx-Serie von Aluminiumlegierungen, die Silizium-haltige, verformbare Legierungen in der Al-Si-Familie darstellen. Die 4xxx-Serie ist durch Silizium als Hauptlegierungselement gekennzeichnet, das typischerweise mit Spuren von Eisen, Kupfer, Mangan und anderen Verunreinigungen kombiniert wird, um Gießbarkeit und thermische Eigenschaften anzupassen.

Der nominale Erhärtungsmechanismus von 4004 basiert hauptsächlich auf der Lösungshärtung durch Silizium und der Dispersion intermetallischer Si-reicher Phasen; diese Legierung ist weitgehend nicht wärmebehandelbar und stützt sich auf Kaltverfestigung (H-Temperzustände) und kontrollierte Abkühlung zur Einstellung der Eigenschaften. Wesentliche Merkmale von 4004 sind ein moderates bis gutes Festigkeitsniveau für eine nicht wärmebehandelbare Legierung, verbesserte Verschleiß- und thermische Stabilität im Vergleich zu sehr reinen Qualitäten, gute Korrosionsbeständigkeit in vielen Atmosphären sowie generell günstige Schweißbarkeit und Umformbarkeit.

Branchen, die häufig Legierungen der 4xxx-Serie wie 4004 verwenden, sind die Automobilindustrie (Karosserieteile und Schweißzusätze), Haushaltsgeräte, Wärmeaustausch und Elektronik (wo thermische Leitfähigkeit und Gießbarkeit wichtig sind) sowie der Transportsektor, wo eine Balance aus Umformbarkeit und erhöhter thermischer Leistung erforderlich ist. Ingenieure wählen 4004, wenn sie bessere dimensionsstabile Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen oder thermische Eigenschaften benötigen als handelsübliches reines Aluminium, aber ohne die Kosten oder Verarbeitungs-Komplexität höherfester wärmebehandelbarer Legierungen.

4004 wird oft gegenüber weniger legierten Qualitäten bevorzugt, weil es einen pragmatischen Kompromiss bietet: Ein erhöhter Siliziumgehalt verbessert die Stabilität bei hohen Temperaturen und reduziert die thermische Ausdehnung, während gleichzeitig gutes Kaltumformverhalten und Schweißbarkeit erhalten bleiben. Es wird bevorzugt eingesetzt, wenn das Design moderate Festigkeit in Kombination mit thermischer Leitfähigkeit, verringerter Heißsprödigkeit beim Schweißen oder Löten sowie gleichbleibender Leistung bei Umform- und Fügevorgängen fordert.

Temperzustände

Temperzustand	Festigkeitsgrad	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht für maximale Duktilität
H12	Niedrig-Mittel	Mittel	Sehr gut	Sehr gut	Leicht kaltverfestigt, begrenzte Rückfederung beim Umformen
H14	Mittel	Mittel-Niedrig	Gut	Sehr gut	Gängiger Kaltverfestigungszustand für Blechanwendungen
H18	Hoch	Niedrig	Schlecht	Gut	Vollvergütet, verwendet wenn Federwirkung erforderlich ist
T4*	Niedrig-Mittel	Mittel	Sehr gut	Sehr gut	Begrenzter lösungsgealterter Zustand; Anwendbarkeit abhängig von exakter Chemie
T5*	Mittel	Mittel-Niedrig	Gut	Gut	Künstlich ausgereift nach Abschrecken vom Gusszustand; begrenztes Erhärtungspotential
T6*	Mittel	Mittel-Niedrig	Moderate	Moderate	Einige 4xxx-Legierungen zeigen begrenzten Ausscheidungsansatz; Vorteile sind moderat

Nach der Tabelle konzentriert sich die Auswahl des Tempers für 4004 hauptsächlich auf Kaltverfestigung gegenüber geglühten Zuständen, wobei O maximale Duktilität bietet und die H-Temperzustände schrittweise die Streck- und Zugfestigkeitswerte erhöhen. Wo eine geringe Wärmebehandlung (T-Zustände) spezifiziert ist, ist die erreichbare Erhärtung im Vergleich zu wärmebehandelbaren 2xxx- oder 6xxx-Legierungen begrenzt und dient hauptsächlich der Mikrostrukturstabilisierung oder der Spannungsarmglühung, nicht der signifikanten Festigkeitssteigerung.

Chemische Zusammensetzung

Element	Prozentbereich	Bemerkungen
Si	0,7–1,6	Hauptlegierungselement; steuert Lösungshärtung und thermisches Verhalten
Fe	0,2–0,8	Verunreinigungselement; bildet intermetallische Phasen, beeinflusst Festigkeit und Zerspanbarkeit
Mn	0,05–0,5	Kornstrukturmodifikator; verbessert Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit geringfügig
Mg	0,02–0,25	Niedrige Gehalte können Kaltverfestigungsreaktion verbessern; begrenzte Ausscheidungshärtung
Cu	0,02–0,25	Kleine Zusätze erhöhen Festigkeit, können aber Korrosionsbeständigkeit verringern wenn hoch
Zn	0,02–0,15	Generell niedrig gehalten, um Versprödung und Spannungsrisskorrosion zu vermeiden
Cr	0,01–0,10	Spurenelement zur Kornstrukturkontrolle und Rekristallisation in Tempers
Ti	0,01–0,10	Kornverfeinerer in kleinen Mengen, besonders bei Guss- oder Brammenprozessen
Andere	Rest Al	Restliche und Verunreinigungselemente kontrolliert zur Einhaltung mechanischer und korrosiver Spezifikationen

Die Kombination aus Silizium mit moderaten Eisen- und Mangangehalten definiert das mechanische und thermische Verhalten der Legierung 4004; Silizium senkt lokal die Schmelztemperatur und erhöht die Festigkeit durch Lösungshärtung und Bildung intermetallischer Phasen. Spurenelemente wie Ti und Cr dienen zur Kornfeinung, was Zähigkeit und Umformbarkeit verbessert, während höhere Kupfer- oder Zinkgehalte absichtlich niedrig gehalten werden, um Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit nicht zu beeinträchtigen.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 4004 entspricht dem einer nicht wärmebehandelbaren Al-Si-Legierung: Es bietet moderate Zug- und Streckgrenzen, die durch Kaltumformung gesteigert werden können, aber nicht die Spitzenwerte wärmebehandelbarer Legierungen erreichen. Die Dehnung im geglühten Zustand ist hoch, was komplexe Umformungen ermöglicht, und nimmt mit steigendem H-Temperzustand vorhersehbar ab. Härte und Zugwerte werden von Blechdicke, Verarbeitungsgeschichte und dem Vorhandensein siliziumreicher intermetallischer Phasen beeinflusst, die einerseits verstärken, andererseits jedoch als Rissinitiierungsstellen bei zyklischer Belastung wirken können.

Das Dauerfestigkeitsverhalten ist für viele Struktur-Anwendungen ausreichend, jedoch sollten Ingenieure bei Hochzyklusbelastungen Vorsicht walten lassen, insbesondere bei Bearbeitungskerben oder Schweißfehlern, da Silizium-Intermetallische Spannungen lokal konzentrieren können. Dickeneinflüsse sind signifikant: Dünnere Bleche werden gleichmäßiger kaltverfestigt und erreichen höhere relative Festigkeitswerte bei gegebenem Temperzustand, während dickere Querschnitte tendenziell weichere Kerne behalten und reduzierte Duktilität bei Biege- oder Tiefziehvorgängen zeigen.

Eigenschaft	O/Geglüht	Schlüsseltemper (z.B. H14)	Bemerkungen
Zugfestigkeit (MPa)	90–140	140–220	Zugfestigkeitsbereiche hängen von Kaltverfestigung und Dicke ab; Werte für Blechformen näherungsweise
Streckgrenze (MPa)	40–80	80–160	Streckgrenze steigt deutlich mit H-Temper; H14 typisch für Strukturbleche
Dehnung (%)	20–35	6–18	Geglühter Zustand zeigt maximale Duktilität; H-Temper reduziert Duktilität zugunsten Festigkeit
Härte (HB)	20–40	40–90	Brinell/Vickers-Härte steigt mit Kaltverfestigung; Härte korreliert mit Zugfestigkeit

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	2,68–2,71 g/cm³	Typische Dichte einer Aluminiumlegierung, leicht abhängig vom Legierungsgehalt
Schmelzbereich	~577–652 °C	Silizium senkt lokale Schmelztemperaturen gegenüber reinem Al; Solidus-Liquidus-Bereich variiert mit Si-Gehalt
Wärmeleitfähigkeit	120–165 W/m·K	Niedriger als bei reinem Aluminium, aber im Vergleich zu Stahl hoch; günstig für Wärmeableitung
Elektrische Leitfähigkeit	30–45 %IACS	Reduziert gegenüber reinem Aluminium (60 % und mehr IACS) durch Legierungszusätze
Spezifische Wärmekapazität	~0,88–0,90 J/g·K	Vergleichbar mit anderen Aluminiumlegierungen; nützlich für thermische Massenberechnungen
Thermische Ausdehnung	22–24 µm/m·K	Leicht geringer als bei reinem Al in Al-Si-Legierungen, verbessert dimensionsstabile Eigenschaften bei Temperaturänderungen

Diese physikalischen Eigenschaften machen 4004 attraktiv für Anwendungen, die ein Gleichgewicht aus geringem Gewicht, Wärmeleitung und vernünftiger elektrischer Leitfähigkeit erfordern. Die Wärmeleitfähigkeit bleibt hoch genug für viele Kühler- und Wärmeverteileranwendungen, während die reduzierte thermische Ausdehnung und verbesserten Erstarrungseigenschaften die Legierung besonders gut für geschweißte oder gelötete Baugruppen geeignet machen, bei denen Verzug kontrolliert werden muss.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,3–6,0 mm	Zeigt stark dickenabhängige Eigenschaften; Blech härtet bei Umformung vorhersehbar auf	O, H14, H18	Hauptform für Karosserieaußenhaut, Wärmetauscher und Gerätegehäuse
Platte	6–50+ mm	Dickere Querschnitte behalten oft weichere Kerne, es sei denn, sie sind stark beansprucht	O, H12, H14	Verwendet, wenn erhöhte Steifigkeit gefordert ist; eingeschränkte Tiefziehbarkeit
Extrusion	2–80+ mm Querschnitt	Extrudierte Profile können altersbeständig gemacht und nachträglich kaltverformt werden	O, H11, H22	Häufig für Strukturprofile und Rahmen
Rohr	Ø 6–300 mm	Geschweißte oder nahtlose Rohre; Festigkeit hängt von Wanddicke und Zustand ab	O, H14, H18	Verwendet im Fluidtransport und für leichte Rahmenkonstruktionen
Stab/Rundstahl	Ø 3–100+ mm	Stäbe können durch Kaltziehen in der Festigkeit erhöht werden; gute Zerspanbarkeit	O, H12, H14	Verwendet für bearbeitete Bauteile und Schraubenrohlinge

Blech- und Extrusionsprodukte sind die gebräuchlichsten Lieferformen für 4004, wobei deren Verarbeitung – Walzen, Glühen, Kaltverformung und Streckrichten – die finalen mechanischen Eigenschaften bestimmen. Platten und schwerere Querschnitte sind weniger formbar und erfordern oft Vormaterialbearbeitung oder stufenweises Umformen, während Extrusionen von kontrollierter Kühlung und Rohlingvorbereitung profitieren, um Kornverlauf und Oberflächenqualität zu steuern.

Äquivalente Werkstoffbezeichnungen

Norm	Bezeichnung	Region	Hinweise
AA	4004	USA	Aluminum Association Bezeichnung; in einigen regionalen Katalogen verwendet
EN AW	4xxx (ca.)	Europa	EN-Bezeichnungen fassen Al-Si Legierungen allgemein zusammen; genaue Nummerierungen können variieren
JIS	A4xxx (ca.)	Japan	Japanische Normen listen Al-Si-Familienmitglieder mit ähnlichen Chemien
GB/T	4xxx (ca.)	China	Chinesische Normen umfassen mehrere Al-Si-Werkstoffe mit überlappenden Eigenschaften

Äquivalenz zwischen den Normen ist mit Vorsicht zu behandeln, da die 4xxx-Familie eine breite Palette an Siliziumanteilen und geringen Legierungszusätzen umfasst, die das Leistungsprofil verändern. Ein direkter Austausch ohne genaue Prüfung der chemischen Bereiche und Zustandsdefinitionen kann zu unerwarteten Unterschieden in Formbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit führen.

Korrosionsbeständigkeit

Die atmosphärische Beständigkeit von 4004 ist generell gut für typische Innenraum- und leicht belastete Außenumgebungen; der relativ geringe Kupfer- und Zinkgehalt begrenzt galvanisch beschleunigte Korrosion. Die Anwesenheit von Silizium- und Eisen-Intermetallischen Phasen kann unter aggressiven Bedingungen lokale kathodische Stellen erzeugen, doch bildet die Legierung insgesamt eine stabile, passive Oxidschicht, die vor gleichmäßiger Korrosion schützt.

In maritimen und chloridhaltigen Umgebungen zeigt 4004 eine bessere Leistung als kupferhaltige Legierungen, ist aber gegenüber punktueller Lochfraßbildung an mechanisch beschädigten Stellen oder Schweißnahtunterbrechungen empfindlicher als hochmagnesiumhaltige 5xxx-Serien. Geeignete Oberflächenbehandlungen, Dichtstoffe und konstruktive Maßnahmen zur Entwässerung werden empfohlen, um Spalt- und Lochfraß in exponierten maritimen Anwendungen zu minimieren.

Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) bei 4004 ist relativ gering im Vergleich zu hochfesten wärmebehandelbaren Legierungen; jedoch können lokale Eigenspannungen durch Schweißen oder Kaltverformung in Kombination mit korrosivem Umfeld das Risiko erhöhen. Beim Entwurf von Baugruppen mit Kontakt zu ungleichen Metallen müssen galvanische Effekte berücksichtigt werden – Aluminium 4004 ist anodisch gegenüber Edelstahl und Edelmetallen, daher sind Isolierung oder Opferschutzmaßnahmen zur Vermeidung beschleunigter Angriffe erforderlich.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

4004 zeigt gute Fügeschweißbarkeit mit gängigen Verfahren wie MIG, TIG und Widerstandsschweißen, da der Siliziumgehalt die Neigung zu Heißrissen reduziert. Die Wahl geeigneter Schweißzusätze erfolgt meist mit Al-Si-kompatiblen Werkstoffen (z. B. Al-5Si) zur Steuerung der Erstarrung und Minimierung von Porosität; Vorwärmen und kontrollierte Wärmeeinbringung verbessern die Nahtqualität. Der Wärmeeinflussbereich kann Erweichungen zeigen, wenn das Grundmaterial vorgedehnt war, weshalb nachträgliche mechanische Behandlung oder konstruktive Kompensation oft notwendig sind.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von 4004 wird im Vergleich zu weicherem handelsüblichem Aluminium als mittel bis gut bewertet; Silizium und kleine Intermetallische Partikel fördern Spanbruch, verursachen jedoch im Vergleich zu reinen Legierungen höheren Werkzeugverschleiß. Hartmetallwerkzeuge mit positivem Spanwinkel und Hochgeschwindigkeitsfähigkeit liefern beste Produktivität, während mittlere bis hohe Schnittgeschwindigkeiten bei ausreichender Kühlung Aufbauschneiden reduzieren. Bohren und Gewindeschneiden erfordern angepasste Vorschübe, um Werkzeugvibrationen zu vermeiden; Feinbearbeitungsdurchgänge helfen, die Oberflächenintegrität besonders bei Beanspruchung durch Ermüdung zu sichern.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit im Zustand O und leichten H-Zuständen ist gut, unterstützt Tiefziehen und komplexes Biegen bei angemessener Federungsrückstellungskontrolle. Minimale Biegeradien hängen vom Zustand und der Dicke ab; geglühtes Blech erlaubt engere Radien (≈1–2× Blechdicke), während H18 oder stark beanspruchte Zustände größere Radien (≥3–6× Dicke) erfordern. Für starke Umformungen empfiehlt sich der Einsatz von O oder H12-Zuständen mit anschließender Alterungsstabilisierung und Spannungsarmglühzyklen zur Optimierung der Maßhaltigkeit und Vermeidung von Rissbildung.

Wärmebehandlungsverhalten

Als typische 4xxx-Legierung gilt 4004 als weitgehend nicht wärmebehandelbar; sie spricht auf konventionelle Lösungsglüht- und künstliche Alterungsprozesse nicht mit den gleichen Festigkeitssteigerungen wie 2xxx- oder 6xxx-Legierungen an. Versuche mit T6-ähnlichen Behandlungen erzielen nur moderate Verbesserungen, weshalb Wärmebehandlungen hauptsächlich zur Homogenisierung von Gussgefüge, Spannungsabbau oder geringfügiger Duktilitätsanpassung eingesetzt werden, nicht aber für erhebliche Festigkeitszunahmen.

Der hauptsächliche Festigkeitsaufbau erfolgt durch Kaltverfestigung: Kontrollierte Kaltumformung und Verfestigungszustände (H1x/H2x/H3x) ermöglichen planbare schrittweise Steigerungen von Streck- und Zugfestigkeit. Vollständiges Glühen stellt einen duktilen Zustand wieder her und wird oft vor Umformprozessen angewendet; Stabilitätswärmebehandlungen (z. B. Niedertemperaturalterung) können nach Umformen oder Schweißen eingesetzt werden, um Eigenschaftsdrift zu minimieren.

Hochtemperatureinsatz

Bei erhöhten Temperaturen zeigt 4004 eine allmähliche Abnahme der Streck- und Zugfestigkeit, da sich siliziumreiche Phasen vergröbern und Festigkeitsbeiträge aus Mischkristallverfestigung abnehmen; nützliche strukturelle Leistungsfähigkeit besteht typischerweise bis moderat erhöhte Einsatztemperaturen (etwa bis ~150–200 °C), abhängig von Belastung und Umgebung. Oxidation ist im Vergleich zu Eisenwerkstoffen gering, jedoch können Langzeitbelastung bei hohen Temperaturen zu Erweichung und Maßänderungen führen; Konstrukteure sollten Kriechbeanspruchungen bei Dauerbelastung berücksichtigen.

Schweißverbindungen können durch Hochtemperatureinwirkung empfindlich sein, da Eigenspannungen und lokale Gefügeänderungen zu Zonen verminderter Festigkeit führen; nachträgliche Wärmebehandlungen oder konstruktive Lastumlagerungen sind gängige Maßnahmen. Für thermische Zyklusanwendungen reduziert 4004 durch relativ stabile Wärmeausdehnung und gute Wärmeleitfähigkeit thermische Gradienten, wobei besondere Aufmerksamkeit auf thermische Ermüdungsinitiierung an Spannungskonzentratoren gerichtet sein sollte.

Anwendungsbereiche

Branche	Beispielkomponente	Warum 4004 verwendet wird
Automobil	Innenbleche, Hitzeschilde	Ausgewogene Umformbarkeit, thermische Stabilität und Schweißbarkeit
Marine	Nicht tragende Bauteile, Dekorleisten	Gute Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit in maritimer Atmosphäre
Luftfahrt	Sekundärbefestigungen, Verkleidungen	Günstiges Verhältnis Festigkeit zu Gewicht und thermische Dimensionsstabilität
Elektronik	Wärmeverteiler, Gehäuse	Hohe Wärmeleitfähigkeit bei besserer Umformbarkeit als gegossene Al-Si-Legierungen

4004 wird oft dort spezifiziert, wo das Design eine Kombination aus guter Umformbarkeit, angemessener Festigkeit und verbessertem thermischen Verhalten gegenüber sehr reinen oder kupferreichen Legierungen erfordert. Der Einsatz in der Automobil- und Elektronikindustrie spiegelt den Bedarf an guter Fertigbarkeit (Umformen, Fügen) bei gleichzeitig guten thermischen und korrosiven Eigenschaften wider.

Auswahlhinweise

Eine schnelle Auswahlhilfe: Wählen Sie 4004, wenn moderate Festigkeit mit überlegener Umformbarkeit und thermischen Eigenschaften gegenüber handelsüblichem Aluminium gefordert sind und Schweißbarkeit sowie geringe Heißrissneigung wichtig sind. Besonders empfehlenswert, wenn Wärmeleitfähigkeit und dimensionsstabile Temperaturwechselbeanspruchung konstruktive Anforderungen sind.

Im Vergleich zu 1100 (handelsübliches reines Aluminium) tauscht 4004 etwas elektrische Leitfähigkeit und leicht bessere Umformbarkeit gegen erhebliche Festigkeits- und Wärmebeständigkeitssteigerungen ein. Gegenüber Kaltverfestigten Legierungen wie 3003 oder 5052 bietet 4004 in der Regel vergleichbare oder teils höhere thermische Leistungen und ähnliche Umformbarkeit, jedoch eine etwas geringere Korrosionsbeständigkeit in stark chloridhaltigen Umgebungen verglichen mit 5xxx Magnesiumlegierungen. Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 besitzt 4004 meist geringere Höchstfestigkeit, jedoch bessere Schweißbarkeit und thermisches Verhalten; wählen Sie sie, wenn maximale Festigkeit durch Alterung nicht erforderlich ist und einfaches Fügen und Umformen wichtiger sind als Spitzenzugfestigkeiten.

Abschließende Zusammenfassung

Legierung 4004 bleibt relevant, da sie eine praktische Nische bedient: ein siliziumverstärktes, nicht wärmebehandelbares Aluminium, das gute Umformbarkeit, zuverlässige Schweißbarkeit und günstige thermische Eigenschaften für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen vereint. Ihr ausgewogenes Eigenschaftsprofil und das vorhersehbare Fertigungsverhalten machen sie zu einer robusten Wahl für Konstrukteure, die herstellbare, thermisch stabile Aluminiumlösungen suchen.