Aluminium 4028: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungsgebiete
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Umfassender Überblick
Legierung 4028 gehört zur 4xxx-Serie der Aluminiumlegierungen, deren charakteristisches Merkmal Silizium als hauptsächliche Legierungskomponente ist. Es handelt sich um eine siliziumreiche, mikrolegierte Sorte, die zudem kontrollierte Mengen an Magnesium und Übergangselementen enthält, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit, Schweißbarkeit und Umformbarkeit zu gewährleisten.
Die Legierung erzielt ihre Festigkeitssteigerung durch eine Kombination aus kontrollierten Feststofflösungseffekten, feinen Siliziumdispersoiden und begrenzter Ausscheidung aus Mg-Si-Clustern; in der Praxis verhält sie sich als teilwärmebehandelte Legierung mit guter Ansprechbarkeit auf Lösungsbehandlung und künstliches Altern, reagiert aber auch gut auf Kaltverfestigung. Typische Merkmale sind eine mittlere bis hohe Zugfestigkeit in gealterten Zuständen, gute Korrosionsbeständigkeit in atmosphärischen Umgebungen, ausgezeichnete Schweißbarkeit mit Al-Si-Fügematerialien und günstige Umformbarkeit im weichgeglühten Zustand.
Branchen, die 4028 häufig einsetzen, umfassen strukturelle und Zierteile im Automobilbau, maritime Beschläge und Gehäuse, Haushaltsgeräte sowie einige sekundäre Luftfahrtbauteile, bei denen ein ausgewogenes Verhältnis von Umformbarkeit und Festigkeit-zu-Gewicht erforderlich ist. Die Legierung wird bevorzugt, wenn Konstrukteure eine höhere Festigkeit als bei handelsüblichen Reinaluminium-Legierungen benötigen, ohne dabei Abstriche bei Schweiß- und Strangpressverhalten hinnehmen zu müssen.
4028 wird oft gegenüber Legierungen der 1000er/3000er-Serie gewählt, wenn höhere Festigkeit und maßliche Stabilität verlangt werden, sowie gegenüber 6xxx-Legierungen, wenn bessere Schweißbarkeit und ein siliziumgesteuertes Gieß-/Strangpressverhalten priorisiert werden. Aufgrund ihres teilwärmebehandelten Charakters ist sie besonders attraktiv, wenn eine Nachalterung nach der Fertigung möglich, aber extreme Höchstfestigkeiten nicht erforderlich sind.
Ausführungszustände (Temper)
| Ausführung | Festigkeitsniveau | Bruchdehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch (20–30%) | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Vollständig geglüht, maximale Duktilität und Umformbarkeit |
| H14 | Mittel | Mäßig (12–18%) | Gut | Ausgezeichnet | Kaltverfestigt mit einstufiger Umformung für moderate Steifigkeit |
| H24 | Mittel-Hoch | Mäßig (10–15%) | Gut-Mäßig | Ausgezeichnet | Kaltverfestigt und teilweise stabilisiert, gute Federrückstellung |
| T4 | Mittel | Mäßig (12–18%) | Gut | Ausgezeichnet | Lösungsgeglüht und natürlich gealtert, ausgewogene Eigenschaften |
| T5 | Mittel-Hoch | Niedriger (8–14%) | Mäßig | Sehr gut | Abgekühlt aus erhöhter Temperatur und künstlich gealtert, schnellere Produktionsalterung |
| T6 / T651 | Hoch | Niedriger (8–12%) | Mäßig-Schlecht | Sehr gut | Lösungsgehandhabt und künstlich gealtert für Höchstfestigkeit; T651 beinhaltet Spannungsarmglühen |
Der Ausführungszustand bestimmt direkt das Verhältnis von Festigkeit zu Duktilität bei 4028 und kontrolliert die Umformbarkeit bei Stanz- und Tiefziehprozessen. Der weichgeglühte O-Zustand bietet maximale Dehnung und minimale Streckgrenze, während T6/T651 die höchsten nutzbaren Festigkeiten bei reduzierter Biegbarkeit und erhöhtem Federrückstellverhalten erzielt.
Chemische Zusammensetzung
| Element | %. Bereich | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Si | 0,9–1,8 | Hauptlegierungsbestandteil; verbessert Gießfähigkeit, senkt Schmelzbereich und unterstützt Schweißbarkeit |
| Fe | 0,4–1,0 | Verunreinigung, bildet intermetallische Phase; kontrolliert zur Begrenzung von Duktilitätsverlust |
| Mn | 0,05–0,50 | Kornstrukturoptimierer und Dispersoidbildner für Festigkeit und Zähigkeit |
| Mg | 0,15–0,60 | Ermöglicht begrenzte Ausscheidungshärtung (Mg-Si-Cluster) und erhöht die Festigkeit |
| Cu | 0,02–0,30 | Geringe Konzentrationen zur Festigkeitssteigerung, begrenzt zur Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit |
| Zn | 0,02–0,25 | Geringfügige Zugabe, meist begrenzt zur Vermeidung von Spannungsrisskorrosion |
| Cr | 0,01–0,10 | Steuert Kornstruktur und reduziert Rekristallisation während der Verarbeitung |
| Ti | 0,02–0,12 | Kornfeiner, eingesetzt in der Primärmetallurgie für feine Mikrostruktur |
| Andere | max. 0,05 (jeweils) / 0,15 gesamt | Enthält Spurenelemente wie Zr, Sr; niedrig gehalten zur Vermeidung schädlicher Phasen |
Die Siliziumkonzentration prägt das Verhalten von 4028 wesentlich: Sie verbessert die Gießbarkeit und Kompatibilität mit Schweißzusatzwerkstoffen und reduziert den Erstarrungsbereich. Magnesium und Mangan wirken synergistisch, um eine moderate Alterungshärtung zu ermöglichen und die mikrostruktur nach der Verarbeitung zu verfeinern, während Eisen und andere Verunreinigungen streng kontrolliert werden müssen, um grobe intermetallische Phasen zu vermeiden, die die Duktilität und Dauerfestigkeit mindern.
Mechanische Eigenschaften
Im Zugversuch zeigt 4028 deutliche Unterschiede zwischen weichgeglühten und gealterten Zuständen. Der weichgeglühte (O) Zustand weist eine niedrige Zug- und Streckgrenze, jedoch hohe Dehnung auf, was Tiefziehen und komplexe Umformungen erleichtert; gealterte Zustände (T5/T6) bieten ein engeres Verhältnis von Streck- zu Zugfestigkeit und höhere Zugfestigkeiten, geeignet für Strukturbauteile.
Die Streckgrenze steigt durch Lösungsbehandlung und künstliches Altern erheblich an und erreicht typischerweise 60–70 % der Zugfestigkeit im T6-ähnlichen Zustand. Das Ermüdungsverhalten wird durch Oberflächenzustand und Kaltverfestigung beeinflusst; polierte und gestrahlte Teile zeigen erhöhte Dauerfestigkeit, während grobe intermetallische Phasen durch hohen Eisengehalt als Rissinitiierungspunkte wirken können.
Die Härte korreliert mit dem Ausführungszustand; weichgeglühte Teile sind weich und gut bearbeitbar, während T6-Oberflächen höhere Brinell- oder Vickershärtewerte besitzen, was mit erhöhter Versetzungsdichte und Ausscheidungshärtung einhergeht. Die Dicke beeinflusst sowohl das Ansprechverhalten auf Härten als auch die Abschreckraten bei der Lösungsbehandlung, daher erfordern Bauteile über einigen Millimetern Dicke kontrollierte thermische Zyklen, um gleichmäßige Eigenschaften zu gewährleisten.
| Eigenschaft | O / Weichgeglüht | Wichtiger Zustand (T6/T651) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 95–140 MPa | 210–270 MPa | T6-Werte variieren je nach Querschnittsdicke und Alterungskurve |
| Streckgrenze | 35–60 MPa | 140–200 MPa | Streckgrenze steigt deutlich durch künstliches Altern |
| Bruchdehnung | 20–30% | 8–12% | Dehnung nimmt mit steigender Festigkeit ab |
| Härte (HB) | 25–40 HB | 60–90 HB | Härte folgt Zugfestigkeit und beeinflusst die Zerspanbarkeit |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Dichte | 2,70–2,73 g/cm³ | Typisch für Aluminiumlegierungen, gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis |
| Schmelzbereich | ~570–640 °C | Legierungselemente senken und erweitern den Schmelzbereich gegenüber reinem Al |
| Wärmeleitfähigkeit | 120–150 W/m·K | Niedriger als reines Al; Silizium und Legierungselemente reduzieren Leitfähigkeit moderat |
| Elektrische Leitfähigkeit | ~28–42 % IACS | Abhängig von Ausführung und Legierung; niedriger als bei reinem Al oder 1xxx-Serien |
| Spezifische Wärmekapazität | ~900 J/kg·K | Typischer Wert für Aluminium, wichtig für thermisches Management |
| Wärmeausdehnung | 22–24 µm/m·K (20–100 °C) | Vergleichbar mit anderen Al-Legierungen; relevant für Verbindungsdesign bei Mischmetallen |
Die physikalischen Eigenschaften von 4028 machen die Legierung zu einer guten Wahl für Bauteile, die thermisches Management und Leichtbau erfordern. Die Wärmeleitfähigkeit ist ausreichend für wärmeabführende Anwendungen, während die elektrische Leitfähigkeit gegenüber reinem Aluminium reduziert ist, weshalb sie selten dort eingesetzt wird, wo maximale Leitfähigkeit gefragt ist.
Wärmeausdehnung und Schmelzbereich müssen bei geschweißten Baugruppen und Hochtemperaturprozessen berücksichtigt werden. Konstruktionstoleranzen für unterschiedliche Ausdehnungen sowie eine genaue Steuerung der Heiz- und Abkühlraten während der Wärmebehandlung sind notwendig, um Verzug zu vermeiden.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Übliche Ausführungen | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|
| Blech | 0,2–6,0 mm | Homogen durch Walzen; gute Umformbarkeit in O/T4 | O, H14, T4, T5 | Weit verbreitet für Stanzteile und Gehäuse |
| Platte | 6–50 mm | Geringere Abschreckwirkung; benötigt längere Lösungsbehandlungszyklen | O, T4, T6 (begrenzt) | Schwere Querschnitte benötigen spezielle Alterung zur Erreichung der Zielwerte |
| Strangpressprofil | Profile bis 200 mm | Gute Festigkeit und Maßhaltigkeit nach Alterung | O, T5, T6 | Silizium unterstützt Strangpressfließfähigkeit und Oberflächenqualität |
| Rohr | 0,5–10 mm Wandstärke | Ähnliches Verhalten wie Blech; Biegen und Hydraulikumformen im weichgeglühten Zustand | O, H24, T6 | Häufig verwendet für Fahrgestellkomponenten und Leitungen |
| Stab/Rundstahl | Ø3–100 mm | Gute Zerspanbarkeit im O-Zustand; gealterte Stäbe für Fittings | O, T6 | Gezogen und gerichtet für Präzisionsteile |
Blech und Strangpressprofile profitieren von der ausgewogenen Kombination aus Fließfähigkeit und Festigkeit der Legierung; dünnwandige Teile können lösungsgeglüht und schnell abgeschreckt werden, um ein besseres Alterungsansprechen zu erzielen. Dicke Platten benötigen längere Lösungsbehandlungszyklen und kontrolliertes Abschrecken, um eine mittige Weichzone und ungleichmäßige Eigenschaften zu vermeiden.
Strangpresste Profile nutzen Silizium, um den Werkzeugverschleiß zu reduzieren und die Oberflächenqualität zu verbessern, während Rohre und Stangen häufig in geglühten Zuständen für Umformzwecke oder in ausgehärteten Zuständen für mechanische Bauteile geliefert werden. Die Wahl des Fertigungsverfahrens beeinflusst die endgültige Mikrostruktur und muss an die Bauteilgeometrie sowie den erforderlichen Eigenschaftsprofil angepasst sein.
Gegenüberstellende Werkstoffnummern
| Norm | Werkstoff | Region | Hinweise |
|---|---|---|---|
| AA | 4028 | USA | Industrielle Bezeichnung für geschmiedete 4xxx Mikrolegierungsvariante |
| EN AW | AlSi1MgMn | Europa | Ungefähre chemische Äquivalenz; regionale Anarbeitungskennzeichnungen gelten |
| JIS | A4028 (ca.) | Japan | Regionale Bezeichnungen variieren; wärmebehandlungsspezifische Anpassungen |
| GB/T | 4028 | China | Oft mit ähnlichen Chemien produziert, jedoch mit lokalen Fertigungstoleranzen |
Regionale Normen können unterschiedliche Legierungsnummerierung und Toleranzen verwenden, daher erfordert ein direkter Austausch die Verifikation der genauen chemischen Bereiche und mechanischen Eigenschaftsgarantien. Kleine Unterschiede in Verunreinigungslimits, Kornfeinungspraktiken und zugelassenen Spurelementen können Ermüdungsfestigkeit und Schweißbarkeit beeinflussen, weshalb der technische Abgleich Spezifikationsblätter und Prüfdaten einschließen sollte.
Korrosionsbeständigkeit
In atmosphärischen Umgebungen zeigt 4028 eine gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit, begünstigt durch Silizium und einen niedrigen Kupfergehalt, welche das galvanische Potential gegenüber chloridreichen Umgebungen reduzieren. Ein schützendes Oxid bildet sich leicht aus, und die Legierung widersteht gleichmäßiger Materialabtragung unter typischen Außenbedingungen.
Marine Umgebungen bergen Risiken für Loch- und Spaltkorrosion, besonders in Stagnationszonen oder bei Chloridkonzentration. Die Legierung ist widerstandsfähiger als kupferhaltige Legierungen, benötigt jedoch Oberflächenbehandlungen oder opferanodische Beschichtungen für langfristigen Einsatz in Tauch- oder Spritzwasserzonen.
Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion ist im Vergleich zu hochfesten 2xxx- oder 7xxx-Legierungen gering, aufgrund mäßiger Eigenspannungen sowie begrenztem Kupfer- und Zinkgehalt. Dennoch sollten geschweißte Baugruppen mit Zug-Eigenspannungen und metallurgischer Inhomogenität sorgfältig konstruiert und bearbeitet werden, um das SCC-Risiko zu minimieren.
Galvanische Wechselwirkungen sind bei Kombination von 4028 mit edleren Metallen wie Edelstahl oder Kupfer zu berücksichtigen; Isolierung oder Opferanoden können eine beschleunigte Korrosion verhindern. Im Vergleich zu 5xxx-Serien (Mg-reiche) Legierungen bietet 4028 allgemein bessere Schweißbarkeit und vergleichbare atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, kann jedoch etwas anfälliger für lokal begrenzte Chlorid-Lochkorrosion sein.
Fertigungseigenschaften
Schweißbarkeit
4028 lässt sich hervorragend mittels herkömmlicher Lichtbogen-Schmelzschweißverfahren wie TIG und MIG schweißen und ist gut mit Al-Si Zusatzwerkstoffen (z. B. ER4043 oder ER4047) verbindbar. Die Neigung zu Heißrissen ist gering, da Silizium das Erstarrungsspektrum verkürzt. Falsche Zusatzwerkstoffwahl oder mangelhafte Fügeauslegung können jedoch Porosität und örtliche Anlasserweichung im Wärmeeinflussgebiet (WEG) verursachen. Die Wärmeeinbringung muss kontrolliert werden, um eine Überalterung oder den Verlust mechanischer Eigenschaften am Schweißnahtbereich zu vermeiden.
Zerspanbarkeit
Die Legierung besitzt im geglühten Zustand eine mittlere bis gute Zerspanbarkeit, die sich bei einigen kommerziellen Varianten durch zusatzweise Blei-freie Bearbeitungsverbesserer steigert. Hartmetallwerkzeuge mit positivem Spanwinkel und ausreichender Kühlung gewährleisten eine gleichmäßige Spanbildung und Oberflächengüte. Empfohlene Schnittgeschwindigkeiten sind moderat; höhere Vorschübe reduzieren den Freiflächenverschleiß, können aber bei nicht optimaler Einstellung die Oberflächenrauheit erhöhen.
Umformbarkeit
Die Umformbarkeit ist im O-Zustand ausgezeichnet, was komplexes Stempeln, Tiefziehen und Hydroformen mit engen Radien ermöglicht. Mit steigendem Festigkeitsniveau bei H- und T-Ausführungen erhöhen sich Mindestbiegeradien sowie Rückfederung; T6-Bauteile erfordern typischerweise größere Flansche und Radienfreiräume. Für inkrementelle Umformverfahren kann eine Voralterung im T4-Zustand mit anschließender Endalterung eingesetzt werden, um Umformbarkeit und Endfestigkeit auszubalancieren.
Wärmebehandlungsverhalten
4028 ist teilwärmebehandelbar: Eine kontrollierte Lösungsglühung, gefolgt von schnellem Abschrecken und künstlicher Alterung, führt zu einer signifikanten Festigkeitssteigerung. Die Lösungsglühung erfolgt typischerweise bei 510–540 °C, je nach Bauteildicke, um lösliche Phasen aufzulösen, gefolgt von Wasserabschreckung zur Erhaltung einer übersättigten Feststofflösung.
Die künstliche Alterung wird oft bei 160–190 °C für 4–10 Stunden durchgeführt, um feine Mg-Si Cluster und Si-Dispersoide auszufallen; die Alterungskurven sind schnittmaßabhängig, und Überalterung senkt die Festigkeit bei gleichzeitiger Zunahme der Duktilität. T5 (Abkühlung von erhöhter Temperatur und künstliche Alterung) ist eine produktionsfreundliche Option, wenn eine vollständige Lösungsglühung nicht praktikabel ist.
Für werkstattnahe Anlasstemperierungen und Glühungen wird der O-Zustand durch Erhitzen auf ~370–400 °C zur Spannungsarmglühung oder Weichglühung und kontrolliertem Ofenabkühlen erreicht. Kaltverfestigung bleibt ein effektives Verfahren zur Festigkeitssteigerung, wenn keine Wärmebehandlung verfügbar ist, insbesondere in der H-Serie.
Hochtemperatureigenschaften
Die Einsatzfestigkeit nimmt ab etwa 120–150 °C ab, da die Stabilität der Ausscheidungen abnimmt und die Wechselwirkungen zwischen Versetzungen und Ausscheidungen schwächer werden. Für den Dauerbetrieb wird 4028 typischerweise unter 150 °C begrenzt, um einen wesentlichen Anteil der Raumtemperaturfestigkeit zu erhalten.
Die Oxidationsbeständigkeit entspricht anderen Aluminiumlegierungen; schützende Oxidschichten bilden sich schnell und begrenzen weitergehende Hochtemperaturdegradation unter nicht-aggressiver Atmosphäre. Längere Einwirkung über 200 °C beschleunigt das Grobkorngrenzenwachstum der Ausscheidungen und kann dauerhafte Erweichung sowie dimensionsveränderungen verursachen, besonders in dünnen Querschnitten, wo Kriechen relevant wird.
Das Wärmeeinflussgebiet beim Schweißen ist besonders anfällig für Festigkeitsverlust bei nachträglicher thermischer Belastung; geeignete Nachbehandlungen wie Anlassen oder Lösungsglühen plus Alterung sollten je nach Konstruktionsanforderungen vorgesehen werden.
Anwendungen
| Branche | Beispielbauteil | Warum 4028 verwendet wird |
|---|---|---|
| Automobil | Innenkarosseriebleche, Halterungen | Gute Umformbarkeit im O-Zustand und höhere Festigkeiten im T5/T6 für Fügeverbindungen |
| Marine | Halterungen, Gehäuse, Verkleidungen | Angemessene Chloridbeständigkeit und ausgezeichnete Schweißbarkeit mit Al-Si Zusätzen |
| Luftfahrt | Sekundärbeschläge, Luftkanäle | Gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und gute Extrudierbarkeit komplexer Profile |
| Elektronik | Kühlkörper, Gehäuse | Ausreichende Wärmeleitfähigkeit und dimensionsstabile Eigenschaften nach Alterung |
4028 wird häufig dort spezifiziert, wo Fertigbarkeit und Schweißbarkeit mit höheren mechanischen Leistungen als bei weichen geschmiedeten Legierungen zusammenkommen. Die ausgewogenen Eigenschaften erlauben den Einsatz in verschiedenen Transport- und Industriebranchen, in denen moderate Festigkeiten, gute Korrosionsbeständigkeit und einfache Bearbeitung gleichzeitig gefordert sind.
Wahlempfehlung
Wählen Sie 4028, wenn Konstruktionen höhere Festigkeiten als kommerziell reines Aluminium (1100) erfordern, dabei aber eine wesentliche Umformbarkeit und überlegene Schweißbarkeit erhalten bleiben sollen. Im Vergleich zu 1100 opfert 4028 etwas elektrische und thermische Leitfähigkeit, gewinnt aber deutlich Zug- und Streckfestigkeit.
Im Vergleich zu typischen kaltverfestigten Legierungen wie 3003 oder 5052 bietet 4028 höhere Festigkeit im ausgehärteten Zustand und vergleichbare atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, kann jedoch bei sehr aggressiven Chloridumgebungen etwas weniger schlagzäh sein. Gegenüber typischen wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061/6063 punktet 4028 mit verbesserter Schweißbarkeit und siliziumbedingt besserer Extrudierbarkeit/Formbarkeit, allerdings mit geringerer maximal erreichbarer Höchstfestigkeit.
Bei der Beschaffung sollten Sie 4028 bevorzugen, wenn Fertigungsprozesse Lichtbogenschweißen mit Al-Si Zusatzwerkstoffen umfassen, wenn die Oberflächenqualität der Stränge entscheidend ist oder wenn eine teilwärmebehandelbare Legierung die Produktion vereinfacht ohne die anspruchsvollsten Wärmebehandlungszyklen.
Abschließende Zusammenfassung
Die Legierung 4028 besetzt eine praxisnahe Nische unter den Aluminiumlegierungen, indem sie Silizium-unterstützte Fertigung mit kontrollierten Magnesiumzugaben kombiniert, um ein teilwärmebehandelbares Material zu schaffen, das Umformbarkeit, Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und moderate bis hohe Festigkeit ausgewogen verbindet. Sie bleibt relevant, wenn Konstrukteure zuverlässige Fertigung und Einsatzleistung ohne die Kosten oder Spannungsrisskorrosionsrisiken höherfester kupferhaltiger oder zinkreicher Legierungen benötigen.