Aluminium 4048: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen
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Umfassender Überblick
Legierung 4048 ist ein Mitglied der 4xxx-Serie der Aluminiumlegierungen, einer siliziumreichen Familie, die hauptsächlich durch Silizium als Hauptelement charakterisiert ist. Die Legierung wird üblicherweise zusammen mit anderen Al-Si-Legierungen eingestuft, die für Schweißzusatzwerkstoffe, Hartlöten und bestimmte Strangpressprofile verwendet werden, bei denen eine gute Fließfähigkeit, ein niedriger Schmelzbereich und gute Verschleißeigenschaften erforderlich sind.
Die Hauptlegierungselemente in 4048 sind Silizium (Si) im hohen einstelligen bis niedrigen zweistelligen Prozentbereich, mit geringen Zusätzen von Mangan, Magnesium, Kupfer und Spuren von Elementen, die die Gießbarkeit und das mechanische Verhalten beeinflussen. Da Silizium das dominierende Legierungselement ist, erfolgt die Festigkeitssteigerung weitgehend nicht durch Wärmebehandlung, sondern beruht auf mikrostruktureller Steuerung, Mischkristallverfestigung und bei gewalzten Formen auf Kaltverfestigung; eine Ausscheidungshärtung (Alterung) ist im Vergleich zu 6xxx- und 7xxx-Serien begrenzt.
Wesentliche Merkmale von 4048 sind gute Fließfähigkeit und niedriger Schmelzbereich (nützlich für Zusatzwerkstoffe und Hartlöten), gute Korrosionsbeständigkeit in vielen atmosphärischen und industriellen Umgebungen, eine angemessene Schweißbarkeit bei Kombination mit passenden Zusatzlegierungen sowie eine moderate Umformbarkeit bei weicheren Zuständen. Industrielle Anwendungen umfassen Automobil-Schweißzusatzwerkstoffe und Deckschichten, Lötlegierungen, bestimmte Strangpressteile und Anwendungen, bei denen eine siliziumreiche Oberfläche oder eine lotbare Chemie von Vorteil sind.
Ingenieure wählen 4048, wenn eine siliziumangereicherte Legierung zur Verbesserung der Schweißbadfließfähigkeit, zur Reduzierung von Heißrissen oder zur Bereitstellung einer siliziumreichen Oberfläche für Löt- oder Verbindungsprozesse erforderlich ist. Sie wird gegenüber höherfesten, wärmebehandelbaren Legierungen bevorzugt, wenn der Einsatz Fluidität, Kompatibilität mit Al-Si-Füllern oder verbesserte Verschleißfestigkeit verlangt und nicht die maximale Festigkeit.
Zustandsvarianten
| Zustand | Festigkeitsniveau | Dehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Vollständig geglühter Zustand für Umformen und Löten |
| H12 / H14 | Mittel | Mäßig | Gut | Gut | Leichte bis mittlere Kaltverfestigung; gebräuchlich für Strangpressprofile |
| H18 / H22 | Hoch | Niedrig | Ausreichend | Ausreichend | Stärkere Kaltverfestigung, verwendet bei erhöhter Festigkeit |
| T4 (falls verwendet) | Mittel | Mäßig | Gut | Gut | Natürlich gealtert nach Lösungsglühen; begrenzte Wirkung in 4xxx-Serie |
| T6 (selten) | Begrenzter Zuwachs | Mäßig | Mäßig | Mäßig | Künstliche Alterung mit begrenzter Wirkung; nicht Hauptverstärkungsmechanismus |
Der Zustand hat einen maßgeblichen Einfluss auf Dehnbarkeit, Festigkeit und Umformbarkeit von 4048. Der weichere O-Zustand maximiert die Dehnung und Kaltumformbarkeit, während H-Zustände durch Kaltverformung die Streck- und Zugfestigkeit auf Kosten von Dehnung und Biegefähigkeit erhöhen.
Da 4048 überwiegend nicht wärmebehandelbar ist, bewirken T-Zustände im Vergleich zu 6xxx-Legierungen nur moderate Veränderungen; eine praktische Eigenschaftsanpassung erfolgt meist durch mechanische Verformung und Glühzyklen und nicht durch klassische Lösungsglühen-und-Alterungsbehandlungen.
Chemische Zusammensetzung
| Element | % Bereich | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Si | 8,0 – 12,0 | Hauptelement, steuert Schmelzbereich, Fließfähigkeit und Verschleiß; hoher Si-Gehalt senkt Schmelzpunkt und verbessert Lötbarkeit |
| Fe | 0,3 – 1,0 | Verunreinigung, die eisenreiche Intermetallische Phasen bildet und Dehnbarkeit sowie Zerspanbarkeit beeinflusst |
| Mn | 0,1 – 0,8 | Geringe Zusätze verfeinern das Korngefüge und verbessern Festigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit leicht |
| Mg | 0,05 – 0,6 | Geringe Mg-Gehalte modifizieren Festigkeit und Ausscheidungsverhalten; Übermaß kann Silizium-Eutektoidänderung verringern |
| Cu | 0,05 – 0,5 | Kleine Mengen erhöhen Festigkeit, können aber Korrosionsbeständigkeit reduzieren; begrenzt zur Vermeidung von Heißrissanfälligkeit |
| Zn | ≤ 0,2 | Niedrig gehalten; Zink spielt in 4xxx-Legierungen eine untergeordnete Rolle |
| Cr | ≤ 0,1 | Spurenzusatz zur Kornstrukturansteuerung und Rekristallisationsunterdrückung |
| Ti | ≤ 0,15 | Kornfeiner bei Guss- und Strangpressteilen bei kontrollierter Zugabe |
| Andere (inkl. Sn, B, Ni) | Summe bis 0,15 | Rest- und Spurenelemente niedrig gehalten, um schädliche Intermetallische Phasen zu vermeiden |
Die Chemie von 4048 steuert sein Verhalten: Silizium bestimmt das Eutektoidverhalten, senkt Solidus- und Liquidustemperatur und verbessert die Fließfähigkeit für Schweiß- und Lötprozesse; Mangan und geringfügige Übergangselemente verfeinern die Mikrostruktur und erhöhen die Resistenz gegen lokale Korrosion; Magnesium und Kupfer werden niedrig gehalten, um die Festigkeit zu justieren, jedoch ohne schädliche Phasen zu fördern.
Mechanische Eigenschaften
Im Zugversuch zeigt 4048 eine moderate Zugfestigkeit und gute Dehnbarkeit im geglühten Zustand. Zug- und Streckgrenzwerte steigen deutlich mit Kaltverfestigung (H-Zustände), während die Dehnung abnimmt. Die Härte folgt dem gleichen Trend; geglühtes Material ist relativ weich und gut umformbar, während Kaltverfestigungszustände höhere Brinell- oder Vickers-Werte aufweisen.
Die Dauerfestigkeit von 4048 entspricht typischen Al-Si-Legierungen: Dauerfestigkeit verbessert sich durch Kaltverfestigung und verringerte Oberflächenrauheit, jedoch können siliziumreiche Phasen und intermetallische Partikel Rissinitiationsstellen bilden. Die Blechdicke beeinflusst das mechanische Verhalten und die Umformbarkeit stark; dünnere Blechstärken lassen sich leichter ziehen und biegen und zeigen ein einheitlicheres Kaltverfestigungsverhalten, während dickere Abschnitte mehr ursprüngliche intermetallische Phasen besitzen und steifer, aber weniger duktil sind.
Für die Auslegung sollten Ingenieure die statischen Festigkeitswerte aus den spezifischen Zuständen und Produktformen heranziehen und für Dauerfestigkeit sowie Umwelteinflüsse angemessene Sicherheitsfaktoren anwenden. Schweiß- und Lötprozesse können das Material lokal erweichen oder spröde machen, abhängig von Wärmeeintrag und Zusatzwerkstoffkompatibilität; daher wird für kritische Bauteile eine mechanische Nachprüfung empfohlen.
| Eigenschaft | O/Geglüht | Wichtiger Zustand (H14) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 80 – 130 MPa | 160 – 260 MPa | Bereich abhängig von Materialstärke, Verarbeitung und Grad der Kaltverfestigung |
| Streckgrenze | 30 – 70 MPa | 110 – 200 MPa | Streckgrenze steigt signifikant bei H-Zuständen |
| Dehnung | 18 – 30 % | 6 – 18 % | Geglühte Legierungen zeigen hohe Dehnbarkeit; Kaltverfestigung reduziert Dehnung |
| Härte (HB) | 20 – 35 HB | 45 – 90 HB | Härte korreliert mit Zustand und Kaltverfestigungsgrad |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Dichte | 2,68 – 2,72 g/cm³ | Typisch für Aluminium-Silizium-Legierungen; leicht abhängig vom Si-Gehalt |
| Schmelzbereich | ~565 – 620 °C | Siliziumreiche Zusammensetzung senkt Solidus/Liquidus gegenüber reinem Al |
| Wärmeleitfähigkeit | 110 – 140 W/m·K | Niedriger als bei reinem Aluminium, aber immer noch gut für Wärmeablesung |
| Elektrische Leitfähigkeit | ~28 – 40 % IACS | Reduziert gegenüber reinem Aluminium durch Legierung; Leitfähigkeit sinkt mit Si-Gehalt |
| Spezifische Wärmekapazität | ~0,90 J/g·K | Typischer Wert für Aluminium bei Umgebungstemperaturen |
| Thermische Ausdehnung | 22 – 24 µm/m·K (20–100 °C) | Ausdehnungskoeffizient ähnlich anderen Al-Legierungen; Siliziumgehalt senkt ihn leicht |
Die physikalischen Eigenschaften spiegeln die siliziumreiche Chemie wider: Die Verringerung des Schmelzbereichs und die gute Wärmeleitfähigkeit machen 4048 nützlich für Verbindungs- und thermische Anwendungen. Die elektrische Leitfähigkeit ist gegenüber 1xxx-Legierungen reduziert und sollte bei der elektrischen oder thermischen Auslegung berücksichtigt werden.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Übliche Zustände | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|
| Blech | 0,3 – 6,0 mm | Reagiert auf Kaltumformung; dünne Dicken lassen sich gut formen | O, H14 | Häufig verwendet für Kaschier- oder Lötdruckbleche und Wärmeaustauschlamellen |
| Platte | 6 – 50+ mm | Dickere Platten weisen höheren gegossenen intermetallischen Anteil auf | O, H22 | Verwendet, wo Masse und Verschleißfestigkeit gefordert sind |
| Profil (Extrusion) | Profile bis zu mehreren Metern | Festigkeit wird durch Kaltverfestigung und Strangpressverformung gesteuert | O, H12/H14 | Gut geeignet für komplexe Querschnitte mit silicon-angereicherter Oberfläche |
| Rohr | Wandstärke 0,5 – 10 mm | Geometrie beeinflusst Reaktion auf Kaltumformung und Berstdruckfestigkeit | O, H18 | Verwendet für Niederdruck-Fluidsysteme und gelötete Baugruppen |
| Stange/Rundstahl | 3 – 100 mm | Üblicherweise in weicheren Zuständen für Zerspanung oder Ziehen geliefert | O, H14 | Gerade Stangen für Bearbeitung oder Folgeumformung |
Verschiedene Produktformen werden verarbeitet, um die siliziumgetriebenen Eigenschaften von 4048 optimal zu nutzen: Dünnbleche für Löten und Wärmeübertragungsflächen, Profile für komplexe Querschnitte und Stangen/Rundstahl für die Zerspanung. Verarbeitungsparameter wie Strangpresstemperatur, Abkühlrate und nachfolgende Kaltverformung haben starken Einfluss auf mechanische End-Eigenschaften und Mikrostruktur.
Äquivalente Werkstoffgüten
| Norm | Güte | Region | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| AA | 4048 | USA | In Lieferantendokumentationen als siliziumreiche 4xxx-Variante anerkannt |
| EN AW | AlSi9Cu (ca.) | Europa | Keine direkte 1:1-Entsprechung; einige EN-Legierungen haben ähnlichen Si-Gehalt, unterscheiden sich jedoch in Cu/Mg |
| JIS | A4048 (informell) | Japan | Lokale Bezeichnungen variieren; Chemie anhand Werkszeugnisse überprüfen |
| GB/T | 4048 | China | Lokale Standardgüten möglich; nationale Spezifikation für genaue Bereiche prüfen |
Die Äquivalenz zwischen regionalen Normen ist nur näherungsweise, da 4xxx-Legierungen breite Zusammensetzungsfenster aufweisen und kleine Schwankungen in Mg, Cu oder Mn die Eigenschaften verändern können. Ingenieure sollten stets chemische und mechanische Zertifikate der Werke prüfen, bevor sie die Austauschbarkeit für kritische Bauteile bestätigen.
Korrosionsbeständigkeit
4048 zeigt eine gute atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, typisch für Al-Si-Legierungen, da die passive Aluminiumschicht erhalten bleibt und Silizium die Passivierung der Oberfläche nicht deutlich beeinträchtigt. In Industrie- und Stadtatmosphären weist die Legierung gute Beständigkeit auf; Oberflächenbehandlungen wie Eloxieren oder Schutzlacke erhöhen die Lebensdauer zusätzlich.
In maritimen Umgebungen ist die Leistung von 4048 moderat; chlorideinduziertes Lochfraßkorrosion stellt auf ungeschützten Oberflächen, insbesondere unter Spannung oder in Spalten, ein Risiko dar. Eine geeignete Konstruktion zur Vermeidung von Spalten, der Einsatz von Beschichtungen und kathodischer Schutz mindern die Meereskorrosion. Kaschierung mit reiner Aluminiumfolie oder Lacksystemen ist üblich bei längerfristiger Seewassereinwirkung.
Spannungsrisskorrosion ist für 4048 im Vergleich zu hochfesten, ausscheidungshärtbaren Legierungen kein primärer Ausfallmechanismus, jedoch kann lokale Versprödung in Schweiß- oder Lötnahtzonen auftreten, wenn hohe Mikrostrukturheterogenität und Restspannungen vorliegen. Galvanische Wechselwirkungen mit anderen Metallen sind zu bewerten: 4048 ist anodisch gegenüber Edelstahl und kathodisch zu edleren Metallen, daher sind Isolation und Schraubenauswahl wichtig.
Im Vergleich zu anderen Legierungsfamilien übertrifft 4048 im Allgemeinen hochfeste Cu-reiche Legierungen in der Korrosionsbeständigkeit, ist jedoch etwas weniger beständig als hochreine 1xxx-Serien. Der Siliziumgehalt wirkt sich positiv auf bestimmte Oberflächenbehandlungen und Lötprozesse aus und verbessert somit das Korrosionsverhalten in Baugruppen.
Verarbeitungseigenschaften
Schweißbarkeit
4048 wird häufig als Zusatzwerkstoff beim TIG- und MIG-Schweißen eingesetzt, da der hohe Siliziumgehalt die Schweißbadflüssigkeit verbessert und Heißrisse reduziert. Als Grundlegierung kann konventionelles GTAW/GMAW mit angepasstem Draht oder ER4043-ähnlichen Zusatzwerkstoffen verwendet werden, um Siliziumverdünnung und mechanische Eigenschaften zu steuern. Wärmeeinflusszonen können je nach Grundzustand und Wärmeeintrag weich werden oder Mikrostrukturänderungen zeigen; deshalb empfiehlt sich die Kontrolle von Zwischenlagentemperaturen sowie Vor- und Nachwärmen bei kritischen Verbindungen.
Zerspanbarkeit
Das Zerspanen von 4048 ist mäßig; siliziumreiche Legierungen neigen zu abrasiven, brüchigen Spänen und beanspruchen Schneidwerkzeuge stärker als reines Aluminium. Hartmetallwerkzeuge mit passenden Beschichtungen (TiN, TiAlN) und stabile Aufspannungen bei moderaten bis hohen Schnittgeschwindigkeiten sowie ausreichender Kühlschmierung liefern beste Ergebnisse. Spanbruch und konservative Vorschübe reduzieren Werkzeugverschleiß; Oberflächenqualität hängt vom Zustand und der Verteilung der Siliziumpartikel ab.
Umformbarkeit
Die Umformbarkeit ist im geglühten Zustand (O) am besten, wobei kleine Biegeradien und Tiefziehen möglich sind. Mit zunehmender Kaltverfestigung (H-Zustände) müssen die Biegeradien größer gewählt und Umformschritte eingeführt werden, um Rissbildung zu vermeiden. Bei starken Umformungen sind Zwischen-Glühungen üblich, um Duktilität wiederherzustellen. Konstrukteure sollten minimale Biegeradien entsprechend Blechdicke und gewähltem Zustand festlegen.
Wärmebehandlungsverhalten
Als Legierung der 4xxx-Serie ist 4048 im konventionellen Sinne nicht ausscheidungshärtbar. Lösungsglühen und künstliches Altern bringen nur geringe Verbesserungen, da Silizium keine härtenden Ausscheidungen bildet, wie sie bei 6xxx- oder 7xxx-Serien genutzt werden. T6-ähnliche Behandlungen erzielen marginale Effekte und sind für Massenänderungen an den Eigenschaften meist wirtschaftlich nicht sinnvoll.
Kaltverfestigung ist das primäre Mittel zur Erhöhung der Festigkeit: kontrollierte Kaltumformung (H-Zustände) erhöht Streck- und Zugfestigkeit zu Lasten der Duktilität. Glühen dient zur Wiederherstellung der Duktilität und zur Spannungsrelaxation; typische Glühzyklen finden knapp unterhalb der Eutektiktemperatur für gewalzte Werkstoffe statt, um Kornwachstum zu vermeiden und Oberflächenqualität zu erhalten. Beim Löten und als Zusatzwerkstoff werden lokale Erwärmung und kontrollierte Abkühlung statt kompletter Lösungsglühungen verwendet.
Hochtemperatureinsatz
4048 verliert mit steigender Temperatur progressiv an Festigkeit, mit deutlichen Einbußen oberhalb von etwa 150–200 °C; Einsatztemperaturen nahe oder über 300 °C verringern mechanische Leistung und Maßhaltigkeit spürbar. Oxidation bei erhöhten Temperaturen beschränkt sich meist auf die Bildung der Aluminiumschicht; dicke Oxidschichten sind bei üblichen Anwendungen selten, sollten aber bei Langzeiteinsatz berücksichtigt werden.
Wärmeeinflusszonen aus Schweißprozessen können lokale Aufweichungen und Versprödungen verursachen; hohe Temperaturen beschleunigen diffusionsbedingte Siliziumverlagerungen und können spröde intermetallische Phasen vergrößern. Für Bauteile mit hoher Temperaturbeständigkeit sind gezielt auf Kriechfestigkeit ausgelegte Legierungen statt 4048 zu wählen.
Anwendungsbereiche
| Industrie | Beispiel-Komponente | Warum 4048 verwendet wird |
|---|---|---|
| Automobilindustrie | Schweißzusatz für Karosserie- und Strukturnahtverbindungen | Hoher Si-Gehalt verbessert Schweißbadflüssigkeit und reduziert Heißrisse |
| Maritime Anwendungen | Gelötete Wärmetauscher und Armaturen | Gute Lötbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bei geeigneten Beschichtungen |
| Luft- und Raumfahrt | Nicht-kritische Armaturen, Dichtungen und Kaschierschichten | Kompatibilität mit Al-Si-Lötprozessen und moderates Festigkeits-Gewicht-Verhältnis |
| Elektronik | Kühlrippen und gelötete Baugruppen | Thermische Leitfähigkeit und Lötbarkeit geeignet für Wärmemanagement |
4048 wird häufig gewählt, wenn Schweiß- und Lötleistung oder Kompatibilität von Zusatzwerkstoffen im Fokus stehen. Die Kombination aus guter Umformbarkeit in weichen Zuständen und erhöhter Festigkeit in kaltverfestigten Zuständen positioniert die Legierung zwischen reinem Aluminium und hochfesten ausscheidungshärtbaren Werkstoffen.
Auswahlhinweise
Wählen Sie 4048, wenn Ihre Hauptanforderungen Schweiß-/Lötflüssigkeit, Widerstand gegen Heißrisse und gute Korrosionsbeständigkeit im Einsatz sind, ohne maximale Ausscheidungshärtung anzustreben. Die Legierung ist insbesondere als Zusatz- oder Kaschiermaterial effektiv und überall dort, wo eine siliziumreiche Oberfläche oder eine lötbare Chemie gefordert ist.
Im Vergleich zu handelsüblichem Reinaluminium (1100) tauscht 4048 etwas elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie Umformbarkeit gegen höhere Festigkeit und bessere Löt-/Schweißbarkeit ein. Gegenüber kaltverfestigten Legierungen wie 3003 oder 5052 bietet 4048 vergleichbare oder etwas geringere Duktilität, jedoch bessere Löt-/Schweißflüssigkeit und vergleichbare Korrosionsresistenz. Im Vergleich zu ausscheidungshärtbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 erreicht 4048 geringere Spitzenfestigkeit, wird jedoch bevorzugt eingesetzt, wenn Kompatibilität beim Fügen, geringeres Heißrissrisiko und siliziumverstärkte Oberflächeneigenschaften wichtiger sind als maximale Zugfestigkeit.
Beachten Sie bei der Materialauswahl die Kompromisse: Benötigen Sie hohe Festigkeit nach Wärmebehandlung, wählen Sie eine 6xxx-Legierung; bei besonders guter Umformbarkeit und Leitfähigkeit eine 1xxx-Serie; für gute Fügeverarbeitung mit solider Korrosionsbeständigkeit ist 4048 oft die pragmatische Lösung.
Abschließende Zusammenfassung
Aluminium 4048 bleibt relevant, wenn siliziumbedingte Eigenschaften – verbesserte Schweiß- und Lötfließfähigkeit, reduzierte Heißrissbildung und gute Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen – neben mäßiger Festigkeit und Umformbarkeit gefordert sind. Seine Rolle als Zusatzwerkstoff, Beschichtung und spezialisierte Knetlegierung macht es zu einer praxisorientierten Lösung in Baugruppen, die verbindungstechnische Leistungsfähigkeit und zuverlässiges Korrosionsverhalten über maximale wärmebehandelbare Festigkeit stellen.