Aluminium 4140: Zusammensetzung, Eigenschaften, Anlasstemperatur-Leitfaden & Anwendungsbereiche

Umfassender Überblick

Die Bezeichnung „4140“ ist in der Stahlnomenklatur weithin als Chrom-Molybdän-Legierung bekannt; es gibt keine einzelne, universell anerkannte Aluminiumlegierung, die in den wichtigsten Normen als „AA 4140“ gelistet ist. Zur Klarheit und ingenieurtechnischen Praxis behandelt dieser Artikel „Aluminium 4140“ als generische Vertretung der Al‑Si 4xxx-Familie – eine siliziumreiche, verformbare Legierungsklasse, die häufig für Füllmetalle, Hartlöten, Weichlöten und einige strukturelle Strangpressprofile verwendet wird.

Aluminiumlegierungen des Typs 4xxx sind hauptsächlich mit Silizium (Si) legiert und in der 4xxx-Reihe der Aluminum Association klassifiziert. Der primäre Festigkeitsmechanismus dieser Familie ist die Festigkeitssteigerung durch Bildung einer festen Lösung infolge des Siliziums und Kaltverformung; diese Legierungen reagieren nicht auf klassische Ausscheidungshärtung und sind daher nicht wärmebehandelbar im Sinne von 2xxx/6xxx/7xxx Legierungen.

Wesentliche Merkmale von Al‑Si-Legierungen sind ausgezeichnete Schmelzfließfähigkeit und Benetzbarkeit (was sie zu bevorzugten Schweiß- und Hartlötfüllerwerkstoffen macht), moderate statische Festigkeit im Vergleich zu reinem Aluminium, gute Korrosionsbeständigkeit in vielen Atmosphären sowie exzellente Schweißbarkeit. Die Umformbarkeit ist im geglühten Zustand meist gut, nimmt jedoch mit zunehmender Kaltverfestigung ab; die Zerspanbarkeit ist typischerweise günstig, da Silizium die Spanbildung verkürzt und die Maßhaltigkeit fördert.

Industriezweige, die auf Al‑Si (4xxx) Legierungen angewiesen sind, umfassen den Automobilbereich (Schweiß- und Hartlötfüller für Wärmetauscher), HLK-Technik (Heizkörper und Kondensatoren), Haushaltsgeräte, elektrische Leiter, bei denen Füllverhalten erforderlich ist, sowie einige nicht-primäre Luftfahrtstrukturen und Vorrichtungen. Ingenieure wählen oft eine 4xxx Legierung, wenn unterschiedliche Aluminiumlegierungen verbunden werden sollen oder eine überlegene Schmelzfließfähigkeit und Benetzbarkeit verlangt wird; die Auswahl erfolgt zu Lasten der maximalen mechanischen Festigkeit zugunsten der Verbindungsleistung und kosteneffektiven Fertigbarkeit.

Ausführungsvarianten (Temper)

Temper	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Hinweise
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht; am besten für Umformen und Löten geeignet
H12 / H14	Mittel	Mittel	Gut	Ausgezeichnet	Leichte Kaltverfestigung; ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Umformbarkeit
H18 / H24	Mittel-Hoch	Niedrig-Mittel	Ausreichend	Ausgezeichnet	Kaltverfestigt oder teilweise geglüht für höhere Festigkeit
H32	Mittel	Mittel	Gut	Ausgezeichnet	Nach Kaltverfestigung stabilisiert; eingesetzt, wenn Maßhaltigkeit erforderlich ist
T4 (sofern verwendet)	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Einige 4xxx-Varianten können durch Niedertemperatur-Behandlungen spannungsarm geglüht sein

Geglühte (O) Zustände bieten die höchste Duktilität und beste Umformbarkeit und werden typischerweise für Tiefziehen und umfangreiche Kaltumformungsprozesse gewählt. Kaltverfestigte Zustände (H1x/H2x) erhöhen durch Erhöhung der Versetzungsdichte Streck- und Zugfestigkeit, reduzieren jedoch die Dehnung und erhöhen den Rücksprung; die Schweißbarkeit bleibt temperaturübergreifend ausgezeichnet, da Silizium die Anfälligkeit für Erstarrungsrisse mindert.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Hinweise
Si	4,5–12,0	Hauptlegierungselement; steuert Schmelzbereich, Fließfähigkeit und Festigkeitssteigerung durch feste Lösung
Fe	0,4–1,5	Häufiger Verunreinigung; bildet intermetallische Phasen, die die Duktilität mindern und die Oberflächenqualität beeinflussen
Mn	0,05–0,6	Modifizierer der Kornstruktur; verbessert mäßig die Festigkeit und reduziert Sprödigkeit bei hohen Temperaturen („Hot Shortness“)
Mg	0,0–0,5	Kann in kleinen Mengen vorhanden sein; fördert bei Kombination mit Si in spezifischen Chemien geringe Ausscheidungen
Cu	0,0–0,5	In der Regel niedrig gehalten; erhöht die Festigkeit, kann jedoch die Korrosionsbeständigkeit reduzieren
Zn	0,0–0,5	Typischerweise gering; kann das galvanische Verhalten in Baugruppen beeinflussen
Cr	0,0–0,25	Spurenelemente zur Steuerung des Kornwachstums und der Rekristallisation in einigen Varianten
Ti	0,0–0,2	Kornverfeinerer, wenn absichtlich in kleinen Mengen zugesetzt
Andere	Rest (Al)	Geringfügige Spurenelemente (z. B. B, Sr) können zur Modifikation der Si-Morphologie hinzugefügt werden

Silizium ist das definierende Element: Höhere Si-Gehalte erhöhen die Fließfähigkeit und senken die Schmelztemperatur (vorteilhaft für Löt- und Fügezwecke), aber übermäßiges Si fördert die Bildung harter und spröder Si-reicher intermetallischer Phasen, die die Duktilität verringern. Eisen bildet platten- oder nadelartige intermetallische Verbindungen, die die Umformbarkeit und Oberflächenqualität mindern, weshalb der Gehalt kontrolliert wird. Kleine Zugaben von Mn, Ti oder Cr werden verwendet, um das Gefüge im Guss- oder Strangpresszustand zu verfeinern und die mechanische Stabilität während thermischer Zyklen zu verbessern.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von Aluminiumlegierungen des Typs 4xxx ist durch moderate Zugfestigkeiten und relativ niedrige Streckgrenzen im geglühten Zustand gekennzeichnet; Kaltverfestigung steigert die Streckgrenze erheblich bei gleichzeitig verminderter Duktilität. Die Dehnung im geglühten Zustand ist typischerweise hoch (gut für Umformungen), und Brucharten sind üblicherweise duktil mit gelegentlicher Beteiligung spröder intermetallischer Phasen, sofern Si- oder Fe-Gehalte hoch sind.

Die Härte korreliert mit dem Temperaturzustand und dem Si-Gehalt: Geglühte 4xxx-Legierungen sind im Vergleich zu wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen weich, während kaltverfestigte Zustände nützliche Härtegrade für strukturelle Anwendungen erreichen können. Die Dauerfestigkeit liegt allgemein unterhalb der Spitzenwerte von 6xxx- oder 7xxx-Legierungen; die Ermüdungslebensdauer ist empfindlich gegenüber Oberflächenbeschaffenheit, Schweiß-Wärmeeinflusszonen und Größe sowie Verteilung intermetallischer Partikel.

Die Blechdicke hat einen starken Einfluss: Dünne Bleche eignen sich gut für Tiefziehen und Löten, während dickere Platten oder Strangpressprofile eine höhere Steifigkeit im Fertigungszustand behalten, jedoch ein gröberes Gefüge und geringere Zähigkeit aufweisen können; eine Erweichung der Schweiß-Wärmeeinflusszone ist typischerweise kein kritisches Problem, da diese Legierungen nicht ausscheidungshärten.

Eigenschaft	O/ geglüht	Wichtigster Zustand (H14/H24)	Hinweise
Zugfestigkeit	80–150 MPa	150–260 MPa	Breite Spanne abhängig von Si-Gehalt und Kaltverfestigung; H-Zustände erhöhen die Zugfestigkeit
Streckgrenze	30–90 MPa	110–200 MPa	Streckgrenze steigt deutlich durch Kaltverfestigung
Dehnung	20–35 %	6–18 %	Im geglühten Zustand höchste Dehnung für Umformprozesse
Härte (HB)	25–60 HB	60–100 HB	Härte nimmt mit Si-Gehalt und Kaltverfestigung zu

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Hinweise
Dichte	2,68 g/cm³	Typisch für Al‑Si-Fertiglegierungen; etwas leichter als Stahl
Schmelzbereich	577–660 °C	Das eutektische Al‑Si senkt den Liquidus mit steigendem Si-Gehalt; Liquidus-Temperatur variiert mit Si%
Wärmeleitfähigkeit	110–150 W/m·K	Niedriger als reines Aluminium, jedoch weiterhin gut für Wärmetransportanwendungen
Elektrische Leitfähigkeit	30–45 % IACS	Reduziert gegenüber reinen Aluminiumqualitäten durch Si und andere Legierungselemente
Spezifische Wärme	≈0,90 J/g·K (900 J/kg·K)	Typisch für Aluminiumlegierungen bei Raumtemperatur
Wärmeausdehnung	23–25 µm/m·K	Vergleichbar mit anderen Aluminiumlegierungen; wichtig für Fügeverbindungen

Die relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und moderate Dichte machen Al‑Si-Legierungen vorteilhaft für Anwendungen, bei denen Wärmetransport und Gewicht eine Rolle spielen, beispielsweise bei Wärmetauschern und Kraftfahrzeugkühlern. Die reduzierte elektrische Leitfähigkeit gegenüber reinerem Aluminium begrenzt deren Einsatz als primäre elektrische Leiter, ist jedoch für viele strukturelle und verbindende Anwendungen, bei denen die elektrische Leistung sekundär ist, weiterhin akzeptabel.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,3–6,0 mm	Gut im Zustand O; kann durch Kaltverfestigung erhöhte Festigkeit erreichen	O, H14, H24	Weit verbreitet für Löten, Plattieren, Wärmetauscherlamellen
Platte	6–50 mm	Geringere Zähigkeit bei dickeren Abschnitten; grobkörnige Mikrostruktur	O, H32	Weniger gebräuchlich; Einsatz für Strukturbauteile, bei denen Schweißbarkeit im Vordergrund steht
Strangpressprofil	Profile bis mehrere Meter	Gute Maßhaltigkeit; Festigkeit durch Kaltverfestigung	O, H14, H18	Si verbessert den Fluss beim Strangpressen; verwendet für architektonische Profile
Rohr	Ø 6–200 mm	Konstante Wandstärke; gute Schweißbarkeit	O, H24	Häufig in Kondensatoren und Wärmetauscherrohren
Stab/Rundstahl	Ø 3–50 mm	Gute Zerspanbarkeit	O, H14	Oft als Schweiß- und Lötzusatzdraht/-stab geliefert

Blech und Rohre aus Al-Si-Legierungen sind für das Fügen und den Wärmeübergang optimiert, weniger für maximale statische Festigkeit. Strangpressprofile profitieren von der Fähigkeit des Siliziums, den Fluss durch die Matrize zu verbessern, was komplexe Querschnitte erlaubt. Stäbe und Rundstahl dienen häufig als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Zusatzwerkstoffen, bei denen die Schmelzeigenschaften im Vordergrund stehen.

Äquivalente Werkstoffe

Norm	Werkstoff	Region	Hinweise
AA	— (kein AA-4140 gelistet)	USA	4140 ist keine standardisierte AA-Aluminiumlegierung; für gängige Al-Si-Zusatzwerkstoffe AA-4043/4047 verwenden
EN AW	EN AW-4043 / EN AW-4047	Europa	Gängige Si-Zusatz- und Lötlegierungen; EN AW-Nomenklatur entspricht den AlSi5- und AlSi12-Familien
JIS	A4043	Japan	Weit verbreiteter Schweißzusatz in Japan, entspricht AlSi5
GB/T	AlSi5 / AlSi12	China	Landesnormen für Si-reiche Zusatzlegierungen zum Schweißen und Löten

Da „4140“ keine etablierte Aluminum Association-Bezeichnung ist, wählen Ingenieure typischerweise standardisierte AlSi-Legierungen (z. B. AA-4043 oder EN AW-4047), deren Si-Gehalt und Verunreinigungsgrenzen definiert sind. Unterschiede zwischen den Normen liegen hauptsächlich in strengeren Grenzwerten für Verunreinigungen (Fe, Cu) und erlaubten Spurenelementen; diese Variationen beeinflussen Duktilität, Benetzungsverhalten und Oberflächenqualität der Endteile.

Korrosionsbeständigkeit

Al-Si-Legierungen zeigen aufgrund der natürlichen Aluminium-Oxidschicht generell gute atmosphärische Korrosionsbeständigkeit. In ländlichen und industriellen Umgebungen sind sie leistungsfähig, wobei jedoch örtliche Korrosion an Stellen mit Angereicherung intermetallischer Partikel (Fe-reiche Phasen) auftreten kann. Diese bilden Mikro-Galvanikpaare, die unter Chlorid-Einwirkung Lochfraß auslösen können.

In maritimen Umgebungen sind Al-Si-Legierungen mäßig beständig, jedoch meist weniger widerstandsfähig im Langzeitkontakt mit Meerwasser als Al-Mg 5xxx Legierungen. Schutzmaßnahmen wie Eloxieren, organische Beschichtungen oder kathodischer Schutz werden häufig eingesetzt, um Chlorid-induziertem Lochfraß und Spaltkorrosion vorzubeugen.

Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) bei Al-Si-Legierungen ist im Vergleich zu hochfesten Al-Zn (7xxx) oder Al-Cu (2xxx) Legierungen relativ gering; allerdings kann lokale SCC in aggressiven korrosiven Umgebungen mit anhaltender Zugbelastung problematisch sein. Galvanische Wechselwirkungen sind sorgfältig zu steuern: Al-Si in Kontakt mit Edelstahl oder Kupferlegierungen wirkt anodisch und kann bevorzugt korrodieren, wenn kein elektrischer Isolator vorhanden ist.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

Al-Si (4xxx) Legierungen gehören zu den schweißtechnisch am besten geeigneten Aluminiumfamilien. Silizium vermindert Probleme im Erstarrungsbereich und verringert die Neigung zum Heißriss, was sie als Zusatzwerkstoffe (z. B. 4043, 4047) für TIG- und MIG-Schweißen vieler Aluminiumsubstrate prädestiniert. Empfohlene Zusatzwerkstoffe zur Verbindung von Aluminiumbaugruppen sind meist Al-Si-Füller, deren Chemie auf die Grundwerkstoffe abgestimmt ist, um Benetzung zu optimieren und Rissbildung zu minimieren. Vorwärmung und Vorschubgeschwindigkeit sollten so kontrolliert werden, dass Porosität und eine Erweichung im Wärmeeinflussgebiet gering bleiben, da diese Legierungen nicht ausscheidungshärtbar sind.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von Al-Si Legierungen ist gut, da Si zur Bildung kurz gebrochener Späne beiträgt. Hartmetallwerkzeuge mit positivem Spanwinkel und hohen Schnittgeschwindigkeiten sind empfohlen. Vorschub und Schnittgeschwindigkeit sind so zu wählen, dass Aufbauschneiden vermieden werden; Kühlschmierstoffe oder Luftstrom unterstützen Spänetransport und Oberflächengüte. Bei hohem Si-Gehalt können abrasive Eigenschaften die Werkzeugstandzeit verringern, sodass verschleißfeste Werkstoffe bevorzugt werden sollten.

Umformbarkeit

Die Umformung sollte vorzugsweise im geglühten (O) Zustand erfolgen, um maximale Dehnung und Biegbarkeit zu gewährleisten. Typische minimale Innenbiegeradien für Blech liegen je nach Si-Gehalt und Zustand bei 1–2×T (Blechdicke); kaltverfestigte Zustände erfordern größere Radien und schrittweises Umformen. Heißumformen kann für komplexe Geometrien eingesetzt werden, jedoch ist Vorsicht geboten, um Kornwachstum und Oberflächenoxidation zu vermeiden, da dies nachfolgendes Fügen beeinträchtigen kann.

Wärmebehandlungsverhalten

Al-Si 4xxx Legierungen sind im klassischen Sinne – wie 6000/7000 Serien – nicht wärmebehandelbar zur Ausscheidungshärtung. Sie reagieren nicht auf Lösungsglühen und künstliches Altern mit signifikanten Festigkeitssteigerungen; Silizium verbleibt größtenteils in Lösung oder als eutektische Si-Partikel. Thermische Bearbeitung dient hauptsächlich Spannungsabbau, Kornfeinung oder Modifikation der Si-Morphologie durch Modifikatoren wie Sr oder Na.

Kaltverfestigung ist das primäre Mittel zur Festigkeitssteigerung: kontrolliertes Kaltwalzen oder Ziehen erhöht die Versetzungsdichte und die Streckgrenze auf Kosten der Duktilität. Glühen zur vollständigen Rekristallisation wird zur Duktilitätsverbesserung angewendet; typische Glühzyklen liegen unterhalb der Schmelztemperatur von Al-Si, um Anlaufschmelzen zu vermeiden. Einige Al-Si Zusatzlegierungen lassen sich durch kurze thermische Zyklen mikrostrukturell homogenisieren, was das Lötverhalten verbessert; diese Behandlungen sind jedoch prozessorientiert und nicht langfristig eigenschaftssteigernd.

Hochtemperatureigenschaften

Al-Si Legierungen beginnen ab etwa 150–200 °C ihre nutzbare statische Festigkeit zu verlieren; Langzeitkriecheigenschaften sind begrenzt im Vergleich zu speziell für hohe Temperaturen entwickelten Aluminium- oder Halbzeuglegierungen. Siliziumpartikel verbessern die Maßhaltigkeit bei hohen Temperaturen durch partikuläre Verstärkung, jedoch ist die Dauerfestigkeit über 250 °C gering.

Oxidation an der Luft beschränkt sich typischerweise auf die Bildung der schützenden Al2O3 Schicht, die weiteren Abbau verlangsamt; bei hohen Temperaturen können jedoch Oxidation oder aggressive Atmosphären (schwefelhaltige Gase, Schmelzsalze) die Oberflächenangriffe beschleunigen. Schweissnaht-Wärmeeinflussgebiete zeigen nicht die lösungs-/ausfällungsbedingten Zyklen wie in ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierungen, aber langandauernde Hitzeeinwirkung kann Mikrostrukturen vergröbern und Zähigkeit vermindern.

Anwendungen

Branche	Beispielkomponente	Warum 4140 verwendet wird
Automobilindustrie	Gelötete Kühler und Kondensatoren	Exzellente Benetzung und Fließverhalten für gelötete Verbindungen; gute Wärmeleitfähigkeit
Kälte-, Klima- und Lüftungstechnik (HVAC)	Wärmetauscherlamellen und Rohrleitungen	Niedrige Dichte, hohe Wärmeleitfähigkeit und gute Umformbarkeit im geglühten Zustand
Luft- und Raumfahrt (nicht primär)	Leitungsrohre, Armaturen, Halterungen	Geringes Gewicht, gute Korrosionsbeständigkeit und einfache Fügbarkeit für nicht kritische Bauteile
Haushaltsgeräte	Kochfelder, Ofenkomponenten, Gehäuse	Kostengünstige Fertigung und guter Wärmeübergang
Schweißzusatzwerkstoffe	Zusatzstäbe/-drähte	Kontrollierter Schmelzbereich und Benetzungseigenschaften für Aluminiumverbindungen

Zusammenfassend zeichnen sich Al-Si (4xxx) Legierungen dort aus, wo Fügeperformance, Fließfähigkeit und moderate mechanische Eigenschaften wichtiger sind als maximale Festigkeit. Sie werden umfangreich als Zusatzmaterialien und in thermischen Systemen eingesetzt, da sie ausgewogene thermische, chemische und mechanische Eigenschaften bieten.

Auswahlhinweise

Behandle „4140“ als Entscheidung aus der 4xxx (Al-Si) Familie: Wähle es, wenn Schweißbarkeit, Schmelzfließverhalten und gute thermische Leistung im Vordergrund stehen, nicht maximale statische Festigkeit. Für Baugruppen, die Löten oder Fügen von unterschiedlichen Aluminiumsubstraten erfordern, ist ein 4xxx Zusatzwerkstoff oft die zuverlässigste und wirtschaftlichste Wahl.

Im Vergleich zu kommerziell reinem Aluminium (1100) tauscht eine 4xxx Legierung etwas elektrische Leitfähigkeit und Umformbarkeit gegen deutlich höhere Festigkeit und besseres Schmelz-/Benetzungsverhalten – besonders vorteilhaft bei Fügetechnik und thermischer Leistung. Gegenüber kaltverfestigten Aluminiumlegierungen wie 3003 oder 5052 bieten 4xxx Legierungen meist ähnliche oder leicht geringere Korrosionsbeständigkeit, jedoch verbessertes Schmelzverhalten und einfacheres Löten; sie befinden sich in einem mittleren Bereich zwischen Festigkeit und Fügbarkeit. Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061/6063 liefern 4xxx Legierungen niedrigere Höchstfestigkeiten, aber bessere Füge- und Lötperformance und oft geringere ...