Aluminium 4040: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen

Umfassender Überblick

4040 ist eine Aluminium-Silizium-Legierung aus der 4xxx-Familie, bei der Silizium das Hauptelement der Legierung darstellt. Die 4xxx-Serie ist bekannt für eine durch Silizium verbesserte Fließfähigkeit und Schweißbarkeit, nicht jedoch für eine Spitzenfestigkeit durch Ausscheidungshärtung.

Wesentliche Legierungselemente in 4040 sind Silizium als dominierende Zugabe, kontrollierte Mengen an Eisen, Mangan sowie Spuren von Chrom und Titan zur Feinkornbildung und Steuerung des Korngeschehens. Die Legierung wird primär durch Mischkristallverfestigung durch Silizium und durch Kaltverfestigung gestärkt; eine klassische wärmebehandelbare Ausscheidungshärtung ist nicht möglich.

Wichtige Eigenschaften von 4040 sind mittlere Festigkeitswerte kombiniert mit guter Schweißbarkeit, akzeptabler Wärmeleitfähigkeit und verbesserter Fließfähigkeit für Schweiß- und Lötanwendungen. Die Korrosionsbeständigkeit in typischen atmosphärischen Umgebungen ist mäßig bis gut; die Umformbarkeit im weichgeglühten Zustand ist ausgezeichnet, während kaltverfestigte Zustände erhöhte Festigkeit auf Kosten der Duktilität bieten.

Typische Einsatzbereiche von 4040 sind die Automobilindustrie (insbesondere Fülldraht und strukturelle Profile), der Transportsektor, Konsumgüter sowie gefertigte Baugruppen, die zuverlässige Schweißbarkeit und gute Oberflächenqualität erfordern. Ingenieure wählen 4040, wenn eine Kombination aus Schweißnahtleistung, Wärmeleitfähigkeit und moderater Festigkeit gewünscht ist, ohne die höhere Festigkeit wärmebehandelbarer Legierungen zu benötigen.

Ausführungen / Zustände

Zustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch (20–35%)	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht für maximale Duktilität
H12	Mittel-niedrig	Moderat (12–18%)	Gut	Ausgezeichnet	Viertelhart, behält gute Umformbarkeit für leichte Ziehanwendungen
H14	Mittel	Niedrig-moderat (8–12%)	Gut	Ausgezeichnet	Halbhart als Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität
H16	Mittel-hoch	Niedrig (6–10%)	Ausreichend	Ausgezeichnet	Dreiviertelhart für erhöhte Steifigkeit
H18	Hoch	Niedrig (4–8%)	Begrenzt	Ausgezeichnet	Vollhartiger Zustand für höchste Festigkeit durch Kaltverfestigung
H24	Mittel	Moderat (10–15%)	Gut	Ausgezeichnet	Kaltverfestigt und teilweise geglüht für ausgewogenes Form- und Fertigungsverhalten

Die Zustände bei 4040 sind fast ausschließlich Kaltverfestigungszustände (H-Serie) oder vollständig geglüht (O-Serie), da die Legierung nicht auf klassische T-Typ Ausscheidungshärtung anspricht. Die Wahl eines härteren H-Zustands erhöht Streck- und Zugfestigkeit, reduziert jedoch Dehnung und Kaltumformbarkeit; der O-Zustand wird dort eingesetzt, wo Tiefziehen und Biegen erforderlich sind. Die Schweißbarkeit bleibt über die meisten H-Zustände erhalten, was auf den günstigen Einfluss von Silizium auf die Schmelzfließfähigkeit und die verminderte Rissneigung beim Schweißen zurückzuführen ist.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Bemerkungen
Si	0,6 – 1,2	Hauptelement; verbessert Fließfähigkeit, verringert Schmelzbereich und erhöht die Mischkristallverfestigung
Fe	0,3 – 0,9	Häufige Verunreinigung; bildet intermetallische Phasen, die Zähigkeit und Oberflächenqualität beeinflussen können
Mn	0,2 – 0,8	Korngrößenverfeinerer und Festigkeitsbeiträger durch disperse Partikel; verbessert leicht die Korrosionsbeständigkeit
Mg	0,02 – 0,20	Niedriger Gehalt; geringe Auswirkungen auf Festigkeit und Kaltverfestigungsverhalten
Cu	≤ 0,20	Kontrollierte niedrige Zugabe; höhere Mengen reduzieren Korrosionsbeständigkeit und werden minimiert
Zn	≤ 0,10	Gering gehalten, um unerwünschte Festigkeitssteigerung und reduzierte Korrosionsbeständigkeit zu vermeiden
Cr	0,02 – 0,20	Steuert Kornwachstum und verbessert Stabilität der Mikrostruktur bei erhöhten Temperaturen
Ti	0,01 – 0,10	Mikrolegierungselement zur Kornfeinung bei Guss- und Walzprodukten
Sonstige (jeweils)	≤ 0,05	Spurenelemente und Rückstände; Rest Aluminium

Silizium dominiert die Leistungsfähigkeit von 4040: Es reduziert die Schmelztemperaturspanne, verbessert die Gießbarkeit und die Schweißbadfließfähigkeit und trägt moderat zur Mischkristallverfestigung bei. Eisen und Mangan bilden intermetallische Phasen, welche Festigkeit, Ermüdungsrissinitiierung und Oberflächeneigenschaften beeinflussen; die genaue Kontrolle dieser Elemente ist entscheidend für Extrusionsqualität und Umformverhalten.

Mechanische Eigenschaften

Im weichgeglühten Zustand (O) zeigt 4040 vergleichsweise niedrige Streck- und Zugfestigkeiten bei hoher Duktilität, was es für Tiefziehen und komplexe Umformungen prädestiniert. Durch Kaltverfestigung auf H-Zustände steigen die Zug- und Streckfestigkeit erheblich durch Versetzungsakkumulation; jedoch nehmen Duktilität und Zähigkeit ab und die Neigung zu lokalem Dünnerwerden nimmt zu. Die Härte korreliert eng mit dem Zustand: Das geglühte Material ist weich und gut zu bearbeiten oder zu umformen, während H18 deutlich härter ist, höhere Steifigkeit bietet, aber geringere Umformbarkeit aufweist.

Die Ermüdungsfestigkeit von 4040 ist moderat und stark abhängig von Oberflächenqualität, Zustandszustand und dem Vorhandensein von Guss- oder Extrusionsfehlern; Kaltumformung in H-Zustände kann die Hochzyklus-ermüdungsfestigkeit verbessern, erhöht jedoch die Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentratoren. Die Dicke hat starken Einfluss auf das mechanische Verhalten: Dünne Bleche erreichen in H-Zuständen oft höhere scheinbare Festigkeiten aufgrund der Spannungsverteilung bei der Kaltumformung, während dickere Abschnitte bei vergleichbaren Zuständen mehr Duktilität behalten.

Eigenschaft	O / Weichgeglüht	Wichtige Zustände (H14 / H18)	Bemerkungen
Zugfestigkeit	95 – 130 MPa	170 – 230 MPa	H14 ca. 180–200 MPa typisch; Werte variieren mit Kaltverfestigung und Materialdicke
Streckgrenze	30 – 55 MPa	120 – 170 MPa	H18 erreicht obere Bereiche; Streckgrenze steigt schnell mit Kaltverfestigung
Dehnung	25 – 35%	4 – 12%	Dehnung nimmt mit höheren H-Zahlen deutlich ab
Härte (HB)	20 – 35 HB	55 – 85 HB	Brinellhärte steigt mit H-Zustand und korreliert mit Zugfestigkeit

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	2,70 g/cm³	Typisch für geschmiedete Aluminiumlegierungen; relevant für Masse- und Steifigkeitsberechnungen
Schmelzbereich (Solidus–Liquidus)	~575 – 650 °C	Silizium senkt den Solidus gegenüber reinem Aluminium; exakter Bereich abhängig von Si- und Spurenelementgehalten
Wärmeleitfähigkeit	130 – 170 W/m·K (25 °C)	Guter Wärmeleiter; leicht vermindert gegenüber reinem Aluminium durch Legierungsanteile
Elektrische Leitfähigkeit	~40 – 50 % IACS	Niedriger als bei reinem Aluminium; Legierung und Kaltverfestigung reduzieren Leitfähigkeit
Spezifische Wärmekapazität	~0,90 J/g·K (900 J/kg·K)	Relevant für Berechnungen thermischer Transienten und Wärmesenken
Wärmeausdehnung	23 – 24 µm/m·K	Typischer linearer Ausdehnungskoeffizient von Aluminiumlegierungen; bei der Konstruktion mit anderen Werkstoffen thermische Spannungen zu berücksichtigen

Die Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität von 4040 machen die Legierung ideal für wärmeableitende Bauteile, bei denen auch Schweißbarkeit erforderlich ist. Dichte und Wärmeausdehnungskoeffizient entsprechen den üblichen Aluminiumwerkstoffen und erlauben den Einsatz in gewichtssensitiven Konstruktionen mit vorhersehbarem thermischen Ausdehnungsverhalten.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,3 – 6,0 mm	Dünne Blechstärken zeigen in H‑Zuständen höhere scheinbare Festigkeit	O, H12, H14	Verwendung für Karosseriebleche, Kühlkörper und geschweißte Baugruppen
Platte	6 – 25 mm	Beibehaltung der Duktilität im O-Zustand; H‑Zustände für steife Platten	O, H14, H18	Dicke Querschnitte erfordern sorgfältige Kontrolle der Eigenspannungen
Strangpressprofil	Profile bis mehrere hundert mm	Festigkeit variiert mit Profilwandstärke und Abkühlung	O, H24, H14	Gute Strangpressbarkeit dank Silizium, verwendet für komplexe Profile
Rohr	Außendurchmesser 6 – 200 mm	Festigkeit wird von Wandstärke und Zustand bestimmt	O, H14	Üblich für geschweißte Rohre und Strukturprofile
Rundstab/Stange	6 – 100 mm Durchmesser	Kaltumformung erhöht Festigkeit; Stäbe für bearbeitete Bauteile	O, H18	Massive Querschnitte für Fittings und Befestigungen; Oberflächenqualität entscheidend für Bauteile mit Ermüdungsbelastung

Unterschiede in der Verarbeitung (Walzen vs Strangpressen vs Gießen) erzeugen unterschiedliche Mikrostrukturen, die die End-Eigenschaften beeinflussen: Strangpressprofile weisen oft längliche Körner auf und benötigen abgestimmte Zustandsbehandlungen, während gewalztes Blech sehr homogen und für Prägeprozesse vorhersehbarer ist. Die Wahl der Anwendung spiegelt diese Unterschiede wider; dünnes Blech im O-Zustand wird bevorzugt für Umformprozesse eingesetzt, während stranggepresste Profile in H-Zuständen für Struktursteifigkeit und Maßhaltigkeit gewählt werden.

Äquivalente Legierungen

Norm	Legierung	Region	Hinweise
AA	4040	USA	Industrielle Bezeichnung für die hier beschriebene Legierungszusammensetzung
EN AW	4xxx / AW-4040 (informell)	Europa	Keine einheitliche harmonisierte EN-Nummer; eng vergleichbare 4xxx-Serie Legierungen werden regional verwendet
JIS	A4040 (informell)	Japan	Japanische Normen beziehen sich auf ähnliche Al‑Si Schweißlegierungen mit regional unterschiedlichen Zusammensetzungstoleranzen
GB/T	Al‑4040 (informell)	China	Chinesische Normen besitzen äquivalente Al‑Si Schweißlegierungen, direkte 1:1 Äquivalenzen müssen jedoch anhand der chemischen Grenzwerte geprüft werden

Eine direkte Norm-zu-Norm Entsprechung ist nicht immer eins zu eins gegeben, da Zusammensetzungsgrenzen, Reinheitsanforderungen und Zustandsdefinitionen je nach Normierungsorganisation variieren. Ingenieure müssen bei einer Legierungs-Substitution über Regionen hinweg chemische Zusammensetzungsbereiche und mechanische Grenzwerte vergleichen; die Verarbeitungsgeschichte (Strangpressen vs Walzen) kann die Austauschbarkeit zusätzlich beeinflussen, selbst wenn die Nennzusammensetzung übereinstimmt.

Korrosionsbeständigkeit

In typischen atmosphärischen Umgebungen zeigt 4040 eine moderate Korrosionsbeständigkeit, die durch den Siliziumgehalt und niedrige Kupfer-/Zink-Werte begünstigt wird. Die Legierung bildet eine schützende Oxidschicht, die allgemeinen Schutz bietet; das Anodisieren verbessert zusätzlich die Oberflächenhaltbarkeit und Ästhetik. Lokales Lochfraßkorrosion tritt üblicherweise nur geringfügig in chloridfreien Atmosphären auf.

In maritimen und chloridreichen Umgebungen leistet 4040 einen akzeptablen Schutz, wird jedoch meist von magnesiumhaltigen 5xxx-Legierungen übertroffen, die eine überlegene Meerwasserbeständigkeit aufweisen. Für exponierte marine Strukturbauteile bevorzugen Konstrukteure häufig 5xxx-Legierungen oder Verbundlösungen; 4040 wird weiterhin für Innenkomponenten, geschweißte Baugruppen sowie dort verwendet, wo Anodisieren oder Beschichtungen zum Einsatz kommen.

Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion bei 4040 ist gering im Vergleich zu hochfesten 2xxx- und bestimmten 7xxx-Legierungen; allerdings können geschweißte Bereiche und kaltverfestigte H-Zustände bei Kombination mit aggressiven Chemikalien und Zugspannungen lokale Versprödungen zeigen. Galvanische Wechselwirkungen sind zu berücksichtigen: Aluminium ist gegenüber Kupfer, Edelstahl und Baustahl in vielen Umgebungen anodisch, daher sind Isolation oder kathodischer Schutz erforderlich, um beschleunigte Korrosion zu verhindern.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

4040 ist sehr gut schweißbar mit ausgezeichneter Schmelzflußfähigkeit dank Silizium; es wird häufig als Zusatzwerkstoff beim TIG- und MIG-Schweißen von Aluminium-Baugruppen verwendet. Übliche Zusatzwerkstoffe für heterogene Verbindungen sind 4043 (höherer Si-Anteil) oder kompatible 4xxx Schweißdrähte, um metallurgische und mechanische Eigenschaften anzugleichen. Das Risiko von Heißrissen ist gering; Schweißnahtwärmebetroffene Zonen (HAZ) können allerdings in H-Zuständen zu lokalen Festigkeitsminderungen durch Erweichung führen. Die Kontrolle des Wärmeeintrags und eine durchdachte mechanische Konstruktion nach dem Schweißen sind entscheidend für die Leistungserhaltung.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von 4040 ist im Vergleich zu reinem Aluminium mittel bis gut; es lässt sich sauber mit Hartmetallwerkzeugen bearbeiten und erzeugt lange, zusammenhängende Späne, die aktiv abgeführt werden müssen. Empfohlen werden scharfe Hartmetalleinsätze mit positivem Freiwinkel und moderaten Vorschubgeschwindigkeiten; Schnittgeschwindigkeiten beim Drehen liegen typischerweise zwischen 150–350 m/min, abhängig von Werkzeug und Kühlschmierstoff, bei unterbrochenen Schnitten wird eine geringere Geschwindigkeit empfohlen. Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit sind im O-Zustand hervorragend, während H-Zustände höhere Kräfte und Steifigkeit der Werkzeuge erfordern.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit ist im weichgeglühten O-Zustand ausgezeichnet und geeignet für Tiefziehen, Biegen und Streckziehen; der minimale Biegeradius kann bei Blechanwendungen im O-Zustand oft so gering wie 1–1,5× Blechdicke sein. Kaltumformung zu H-Zuständen verringert die Duktilität und erhöht Rückfederung sowie erforderliche Umformkräfte, weshalb H-Zustände bevorzugt für Anwendungen verwendet werden, bei denen die Endgeometrie nahezu fertig ist und nur geringe Nachbearbeitung nötig ist. Warmumformen oder Vorwärmen kann die Umformgrenzen für komplexe Formen erweitern, ohne dass ein vollständiges Glühen erforderlich ist.

Wärmebehandlungsverhalten

4040 ist im Hinblick auf Ausscheidungshärtung praktisch nicht wärmebehandelbar und zeigt daher nicht die T-Zustandsfähigkeit wie Legierungen der 2xxx- oder 6xxx-Familien. Versuche zur Lösungsglühung und anschließender Alterung führen nur zu geringen Veränderungen, da das Silizium im Bereich von 0,6–1,2 % keine ausscheidungsgehärteten Phasen vergleichbar mit Mg2Si bildet.

Der praktische metallurgische Hebel zur Eigenschaftsänderung bei 4040 ist die mechanische (Kalt-)Verformung und thermisches Glühen. Das vollständige Glühen (O) wird durch Erhitzen auf typische Aluminium-Glühtemperaturen (~350–415 °C, abhängig von Blechdicke und Produkt) und kontrolliertes Abkühlen erreicht, um die Duktilität wiederherzustellen. Teilglühen oder Spannungsarmglühen werden eingesetzt, um Eigenspannungen in dicken Bauteilen oder stark umgeformten Komponenten abzubauen.

Hochtemperatureinsatz

4040 behält bis mäßig erhöhte Temperaturen noch brauchbare mechanische Eigenschaften, aber Festigkeit und Steifigkeit nehmen oberhalb von ca. 100 °C kontinuierlich ab. Kriechbeständigkeit ist im Vergleich zu Speziallegierungen für Hochtemperatur begrenzt; langfristige statische Belastungen über 150 °C können messbares Kriechen verursachen und sollten bei Strukturbauteilen vermieden werden. Oxidation ist minimal, da Aluminium eine stabile Oxidschicht bildet, aber HAZ und thermisch beanspruchte Zonen können Kornwachstum und lokale Erweichung zeigen, was die Ermüdungsfestigkeit mindert.

Designer sollten daher die Dauereinsatztemperatur für tragende Bauteile im Bereich von 120–150 °C begrenzen und Kriech- sowie Ermüdungsverhalten bei Bauteilen mit gleichzeitiger Temperatur- und Lastzyklenschwankung bewerten. Für Kurzzeiteinsätze oder thermische Wechsel mit ausreichenden Sicherheitsreserven zeigt 4040 zuverlässige Leistung, insbesondere bei Oberflächenbeschichtungen oder Anodisierung zum Schutz vor Umwelteinflüssen.

Anwendungen

Branche	Beispielkomponente	Warum 4040 verwendet wird
Automobil	Geschweißte Halterungen, Fülldraht für Karosserie-Baugruppen	Ausgezeichnete Schweißbarkeit und gute Wärmeleitfähigkeit für Schweißen und Wärmemanagement
Marine	Innenliegende Strukturteile und geschweißte Baugruppen	Moderate Korrosionsbeständigkeit und gute Schweißbarkeit für Fertigungsteile
Luftfahrt	Nicht-kritische Fittings, Halterungen für Wärmemanagement	Günstiges Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und einfache Fertigung für sekundäre Strukturen
Elektronik	Kühlkörper und Gehäuse	Gute Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit Umformbarkeit und Schweißbarkeit
Konsumgüter	Gerätebleche und stranggepresste Profile	Oberflächenqualität, Anodisierfähigkeit und geringe Verzugsempfindlichkeit beim Schweißen

4040 wird gewählt, wenn die Kombination aus Schweißbarkeit, thermischer Leistung und moderater Festigkeit eine kosteneffektive Lösung bietet. Seinem Eigenschaftsmix ist es geeignet für geschweißte Baugruppen und umgeformte Bauteile, bei denen keine maximale Ausscheidungshärtung erforderlich ist.

Auswahlhinweise

Wählen Sie 4040, wenn Ihr Design ausgezeichnete Schweißbarkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und moderate Festigkeit mit guter Umformbarkeit im weichgeglühten Zustand erfordert. Es ist besonders geeignet für geschweißte Konstruktionen, Zusatzwerkstoff-Anwendungen und Bauteile, bei denen Wärmedissipation sowie Verbindungsleistung wichtig sind.

Im Vergleich zu kommerziell reinem Aluminium (z. B. 1100) tauscht 4040 einen Teil der elektrischen Leitfähigkeit und Umformbarkeit gegen höhere Festigkeit und verbessertes Schweißbadverhalten ein; wählen Sie 1100, wenn maximale Duktilität oder Leitfähigkeit erforderlich sind. Im Vergleich zu gängigen kaltverfestigten Legierungen (z. B. 3003 / 5052) bietet 4040 typischerweise eine bessere Schweißbarkeit und Schmelzfließfähigkeit, jedoch eine etwas geringere Korrosionsbeständigkeit gegenüber Meerwasser als 5xxx-Legierungen; bevorzugen Sie 5052 für kritische maritime Bleche. Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen (z. B. 6061 / 6063) ermöglicht 4040 einfacheres Schweißen und eine bessere Zusatzwerkstoffkompatibilität, weist jedoch eine niedrigere maximale Zugfestigkeit auf; wählen Sie 4040, wenn Schweißbarkeit und thermische Eigenschaften wichtiger sind als maximale Festigkeit.

Abschließende Zusammenfassung

4040 bleibt eine praktische Wahl für technische Anwendungen, die Schweißbarkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und ausgewogene mechanische Eigenschaften ohne die Komplexität der Wärmebehandlung priorisieren. Sein Verhalten als Mischkristall sowie durch Kaltverfestigung, kombiniert mit vorhersehbaren Fertigungsleistungen, macht diese Legierung zu einer zuverlässigen Wahl für geschweißte Konstruktionen, Komponenten für das Wärmemanagement und geformte Bauteile in verschiedenen Industriezweigen.