Aluminium 4N01: Zusammensetzung, Eigenschaften, Lieferzustand und Anwendungsbereiche

Umfassender Überblick

4N01 ist in der 4xxx-Familie der Aluminiumlegierungen katalogisiert, einer Gruppe, die vor allem durch Silizium als kontrolliertes Legierungselement und durch Legierungen mit guter Schweißbarkeit und thermischer Stabilität gekennzeichnet ist. In der industriellen Praxis wird 4N01 als gewalzte Legierung verwendet, deren Zusammensetzung zwischen dem klassischen Verhalten der 3xxx (Al–Mn) und 4xxx (Al–Si) Legierungen liegt, was eine ausgewogene Kombination aus Umformbarkeit, moderater Festigkeit und zuverlässiger Fertigungsleistung ergibt.

Die Hauptlegierungselemente in 4N01 sind Silizium und Mangan als gezielte Zugaben, mit Restgehalten an Eisen und Spuren von Elementen wie Titan und Chrom, die zur Korngrenzenkontrolle und Mikrostrukturstabilisierung dienen. Die Festigkeitssteigerung erfolgt hauptsächlich durch Mischkornverfestigung und Kaltverfestigung während der Bearbeitung und nicht durch Ausscheidungshärtung, weshalb die Legierung funktional als nicht wärmebehandlungsfähige, kaltverformbare Legierung eingestuft wird.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von 4N01 gehören eine moderate Zugfestigkeit, gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit in atmosphärischen Umgebungen, eine überlegene Schweißbarkeit im Vergleich zu vielen wärmebehandelbaren Legierungen und sehr gute Kaltumformbarkeit im weichgeglühten Zustand. Typische Anwendungsbereiche für 4N01 sind der Transportsektor (Karosseriebleche und nicht-strukturelle Bauteile), Gebäudefassaden, leichte Haushaltsgeräte sowie bestimmte Anwendungen im Bereich der Extrusion und Rohrherstellung, bei denen eine Kombination aus Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.

Konstrukteure wählen 4N01 gegenüber anderen Legierungen, wenn ein Bauteil eine gute Fertigbarkeit (Tiefziehen, Anfasen, Schweißen) mit moderater Festigkeit und Gewichtsersparnis erfordert und dabei stabile Schweißeigenschaften wichtiger sind als die höchste mögliche Festigkeit. Die Legierung wird häufig dann bevorzugt, wenn Kosten, Verfügbarkeit und vorhersehbares Verhalten des Wärmeeinflussbereichs (HAZ) beim Schweißen wichtige Auswahlkriterien sind.

Vergütungszustände

Vergütungszustand	Festigkeitsniveau	Dehngrenze	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Hinweise
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht; optimal für Tiefziehen und Umformung
H12	Niedrig–Mittel	Moderat	Sehr gut	Ausgezeichnet	Teilweise Kaltverfestigung durch Walzen; behält gute Duktilität
H14	Moderat	Moderat–Niedrig	Gut	Ausgezeichnet	Üblicher kommerzieller Zustand für verstärkte Blechbauteile
H24	Moderat–Hoch	Moderat	Gut	Ausgezeichnet	Kaltverfestigt und stabilisiert für erhöhte Festigkeit
H32	Moderat	Moderat	Gut	Ausgezeichnet	Kaltverfestigt und stabilisiert; widerstandsfähig gegen Erweichung
T4 (begrenzt)	Moderat	Moderat	Gut	Ausgezeichnet	Natürliche Alterung nach Lösungsglühen; begrenzter Nutzen, da Legierung hauptsächlich nicht wärmebehandlungsfähig ist

Der Vergütungszustand beeinflusst den Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität bei 4N01 erheblich, da die Legierung auf Kaltverfestigung anstatt auf Ausscheidungshärtung angewiesen ist. Der weichgeglühte Zustand (O) bietet maximale Umformbarkeit und Tiefzieheigenschaften, während die H-Zustände durch kontrollierte Kaltverfestigung und Stabilisierung Streck- und Zugfestigkeit zulasten von Dehnung und Biegeradius verschärfen.

Chemische Zusammensetzung

Element	Prozentbereich	Hinweise
Si	0,4–1,0	Silizium verbessert die Fließfähigkeit beim Gießen und erhöht die Schweißbarkeit; moderate Werte verringern den Schmelzbereich und unterstützen die Stabilität des HAZ.
Fe	0,3–0,8	Eisen ist eine häufige Verunreinigung, die intermetallische Phasen bildet; erhöhter Fe-Gehalt vermindert die Duktilität und steigert die Anzahl spröder Einschlüsse.
Mn	0,6–1,2	Mangan sorgt für Mischkornverfestigung und verbessert die Beständigkeit gegen Rekristallisation und Korrosion.
Mg	0,02–0,20	Magnesium wird niedrig gehalten, um eine Alterungshärtung zu vermeiden; Spuren von Mg beeinflussen die Festigkeit und das Vernetzungsverhalten.
Cu	0,02–0,20	Kupfer bleibt meist gering; höhere Cu-Anteile verbessern die Festigkeit, können jedoch Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit beeinträchtigen.
Zn	0,02–0,20	Zink ist limitiert; höhere Zn-Gehalte erhöhen leicht die Festigkeit, können aber die Korrosionsbeständigkeit in maritimen Umgebungen verringern.
Cr	0,02–0,15	Chrom wird in kleinen Mengen zur Kornfeinung und zur Unterdrückung von Korngrenzenausscheidungen eingesetzt.
Ti	0,01–0,10	Titan wirkt als Entoxidationsmittel und Kornfeiner; geringe Zugaben verbessern die Schmiedbarkeit und steuern Einschlüsse.
Andere	≤0,15 (jeweils)	Spurelemente wie Zr, Ni und Pb werden normalerweise minimiert; Gesamtverunreinigungen sind begrenzt, um Eigenschaften zu erhalten.

Die Chemie von 4N01 ist darauf abgestimmt, Kaltumformbarkeit und Schweißbarkeit zu fördern und durch Mangan- und Siliziumanteile moderate Festigkeit zu liefern. Silizium verringert das Schmelzintervall und unterstützt Schweiß- und Lötprozesse, während Mangan die Mikrostruktur gegen Glühen stabilisiert und die Festigkeit ohne Wärmebehandlungsschritte erhöht.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 4N01 hängt stark vom Vergütungszustand und der Dicke ab. Im weichgeglühten Zustand zeigt das Material niedrige Streckgrenzen und hohe Dehnung, während H-Zustände eine erhöhte Streckgrenze und verminderte Duktilität aufweisen. Die Zugfestigkeit liegt im moderaten Bereich im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen; Konstrukteure sollten den Rückgang der Duktilität und einen zunehmenden Federverzug mit wachsender Kaltverfestigung berücksichtigen.

Die Streckgrenze ist im O-Zustand typischerweise niedrig und steigt mit zunehmender Kaltverfestigung im H-Zustand vorhersehbar an. Die Legierung zeigt eine lineare Kaltverfestigung bis mittlere Verformungsgrade, gefolgt von einer Stabilisierung durch Alterung. Die Dauerfestigkeit ist ausreichend für nicht-kritische zyklische Belastungen, wobei Oberfläche, Eigenspannungen aus Umformung und Schweißen sowie Materialstärke einen großen Einfluss auf die Ermüdungsgrenze haben.

Die Härte ist im weichgeglühten Zustand relativ gering und erhöht sich mit zunehmender Kaltverfestigung; sie korreliert mit der Steigerung von Streck- und Zugfestigkeit und kann als schneller Indikator für den Vergütungszustand in der Fertigung genutzt werden. Dickeneinflüsse sind signifikant: Dünnere Bleche erreichen bei Walzen und Umformung höhere effektive Festigkeitswerte und weisen während schneller Abkühlprozesse eine bessere Homogenität auf.

Eigenschaft	O/Weichgeglüht	Wichtiger Zustand (z. B. H14/H24)	Hinweise
Zugfestigkeit	80–120 MPa	150–220 MPa	Werte hängen von Blechdicke und Kaltverfestigungsgrad ab; H24 zeigt deutliche Zuwächse gegenüber O.
Streckgrenze	30–60 MPa	90–170 MPa	Streckgrenzen steigen deutlich mit Kaltverfestigung; für Konstruktionen den unteren Bereich bei dicken Querschnitten verwenden.
Dehnung	25–40%	8–20%	Weichgeglühtes Material ist sehr duktil; Dehnung nimmt mit steigendem Vergütungszustand ab.
Härte	20–40 HB	40–75 HB	Härte nimmt mit H-Zustand zu; dient als QA-Kriterium zur Zustandsüberprüfung.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Hinweise
Dichte	2,70 g/cm³	Standard-Aluminiumsdichte; wichtig für Masse- und Steifigkeitsberechnungen.
Schmelzbereich	~600–660 °C	Legierungselemente erweitern den Schmelzbereich gegenüber reinem Al; Silizium verengt den Bereich der Erstarrung.
Wärmeleitfähigkeit	120–150 W/m·K	Relativ hohe Wärmeleitfähigkeit; leicht unter reinem Aluminium aufgrund der Legierungselemente.
Elektrische Leitfähigkeit	~30–45 % IACS	Legierung reduziert Leitfähigkeit gegenüber reinem Aluminium, bleibt aber für viele elektrische Anwendungen akzeptabel.
Spezifische Wärme	~0,90 J/g·K	Wichtig für thermische Transienten in Kühlsystemanwendungen.
Wärmeausdehnung	23–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C)	Typische Wärmeausdehnung von Aluminium; relevant für Konstruktionen mit unterschiedlichen Werkstoffen wie Stahl und Verbundwerkstoffen.

Die physikalischen Eigenschaften machen 4N01 geeignet für Anwendungen, bei denen thermischer Transport und geringe Dichte im Vordergrund stehen, während absolute elektrische Leitfähigkeit keine dominierende Rolle spielt. Wärmeausdehnungs- und Leitfähigkeitswerte müssen bei Baugruppen mit unterschiedlichen Materialien berücksichtigt werden, um thermische Spannungen und galvanische Effekte zu vermeiden.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,2–6 mm	Uniform; höhere effektive Festigkeit bei dünneren Stärken	O, H12, H14, H24	Weit verbreitet für Karosserie, Verkleidungen und Fassaden.
Platte	6–25 mm	Etwas geringere Kaltverfestigung pro Durchgang; höhere Schubspannungen durch Dicke	O, H32	Genutzt für tragende Abdeckungen und dickere Bauteile.
Profil/Strangpressung	Wandstärke 1–20 mm	Festigkeit abhängig von Lösungsglühen und Dehnung	O, H14, H24	Geeignet für komplexe Profile mit Anforderungen an Schweißbarkeit und Oberfläche.
Rohr	Ø 6–300 mm	Umfangseigenschaften durch Bearbeitung beeinflusst; geschweißt und nahtlos erhältlich	O, H14	Verwendet für Hydraulikgehäuse, architektonische Rohre und leichte Tragstrukturen.
Stab/Stange	Ø 3–80 mm	Kaltgezogene Stäbe zeigen erhöhte Festigkeit durch Kaltverfestigung	H12, H14	Eingesetzt für bearbeitete Bauteile und Fittings mit Anforderungen an Fertigungsstabilität.

Der Fertigungsweg hat erheblichen Einfluss auf die endgültigen mechanischen Eigenschaften: Walzbleche besitzen bevorzugte Texturen, die Umformbarkeit und Steifigkeit beeinflussen, während Strangpressprofile von Reibungswärme und kontrolliertem Abschrecken profitieren, um eine konsistente Mikrostruktur zu erreichen. Die Wahl zwischen geschweißten Rohren und Strangpressprofilen hängt von Maßtoleranzen, Oberflächenqualität und Nachbearbeitung wie Lackieren oder Eloxieren ab.

Äquivalente Werkstoffgüten

Norm	Güte	Region	Hinweise
AA	4N01	USA	Handelsbezeichnung für lokale Beschaffung und technische Datenblätter.
EN AW	4xxx (ca.)	Europa	Vergleichbare Legierungen innerhalb der EN AW 4xxx Familie; direkte Entsprechung erfordert genaue Chemieabstimmung.
JIS	A4xxx (ca.)	Japan	Japanische Normen umfassen ähnliche Si/Mn-Legierungen; Äquivalenz muss über Zusammensetzung geprüft werden.
GB/T	4N01	China	In chinesischen Versorgungsketten weit verbreitet mit abgestimmter Chemie und Zuständen.

Regionale Standards und Nummerierungssysteme sind nicht immer eins zu eins vergleichbar; kleine Unterschiede bei Verunreinigungsgrenzen, Kupfer- oder Mangananteilen können relevante Unterschiede in Korrosionsverhalten und mechanischen Eigenschaften verursachen. Beim Austausch oder der Spezifikation äquivalenter Güten sollten Ingenieure die vollständigen chemischen und mechanischen Daten, Zustandsdefinitionen und Wärmebehandlungsnachweise der Lieferanten vergleichen statt allein auf die Bezeichnung zu vertrauen.

Korrosionsbeständigkeit

4N01 zeigt generell gute Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion durch die passive Aluminiumoxidschicht und die stabilisierende Wirkung von Mangan gegen interkristallinen Angriff. In ländlichen sowie urbanen Atmosphären verhält sich die Legierung vergleichbar zu anderen nicht wärmebehandelbaren Aluminiumgüten und übertrifft meist niedrig legierte Stähle hinsichtlich wartungsfreier Lebensdauer.

In marinen Umgebungen bietet 4N01 moderate Leistung; es ist widerstandsfähiger gegen allgemeine Korrosion als viele kupferhaltige Legierungen, jedoch anfällig für lokal begrenzte Lochfraßbildung bei chlorideichen Bedingungen ohne geeignete Oberflächenbehandlung. Schutzbeschichtungen wie Eloxieren, Umwandlungsschichten oder passende Lacksysteme werden häufig zur Verlängerung der Lebensdauer in Offshore- oder Küstenanwendungen empfohlen.

Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) ist bei 4N01 gering im Vergleich zu hochfesten wärmebehandelbaren Legierungen, da sie keine ausscheidungshärtenden Gefügestrukturen aufweist, die SCC fördern. Allerdings erfordern galvanische Wechselwirkungen mit edleren Metallen (z.B. Kupfer, passivierter Edelstahl) Konstruktionsmaßnahmen: Aluminium wirkt anodisch und kann bevorzugt korrodieren, sofern nicht elektrisch isoliert oder durch geeignete Beschichtungen geschützt.

Im Vergleich zu anderen Legierungsfamilien bietet 4N01 bessere Korrosionsbeständigkeit als viele Cu-haltige Legierungen und ähnliches Verhalten wie 3xxx- und 5xxx-Serien in nicht-marinen Umgebungen. Gegenüber 6xxx- und 7xxx-Serien ist 4N01 meist toleranter gegenüber Meeresexposition, erreicht jedoch nicht die Höchstfestigkeiten dieser wärmebehandelbaren Legierungen.

Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

4N01 zeigt hervorragende Schweißbarkeit mit gängigen Lichtscharterschweißverfahren wie MIG (GMAW) und TIG (GTAW); die Legierung hat ein relativ breites Schmelzintervall und neigt bei Einhaltung bewährter Verfahren nur minimal zu Heißrissen. Empfohlene Füllwerkstoffe sind solche mit vergleichbarer Duktilität und Korrosionsbeständigkeit — ER4043 ist ein häufig eingesetzter Si-reicher Zusatzwerkstoff für Schweißbaugruppen, ER5356 kann bei Bedarf nach höherer Schweißnahtfestigkeit verwendet werden, wobei die Zusammensetzung des Schweißmetalls Korrosions- und Mechanikeigenschaften beeinflusst. Eine Verklemmung des Wärmeeinflussbereichs (HAZ) ist im Vergleich zu ausscheidungshärtbaren Legierungen begrenzt, und nach dem Schweißen sind mechanische Eigenschaftsänderungen vorhersagbar und durch passende Konstruktion und Wärmeeintrag steuerbar.

Zerspanbarkeit

Als relativ duktiles, kaltverfestigbares Aluminium besitzt 4N01 eine durchschnittliche Zerspanbarkeit, typisch für gewalzte Aluminiumlegierungen; im H-Zustand mit höherer Festigkeit und Steifigkeit arbeitet das Material vibrationsärmer. Hartmetallwerkzeuge mit TiAlN- oder TiN-Beschichtung sind für höhere Schnittgeschwindigkeiten zu empfehlen, bei moderaten Vorschüben und höheren Drehzahlen zur Erzeugung kurzer und kontrollierter Späne. Kühlung und Spanabfuhr sind wichtig zur Vermeidung von Aufbauschneiden und Werkzeugverstopfung, und eine Vorverfestigung oder Wahl des Zustands kann Lebensdauer und Oberflächengüte deutlich beeinflussen.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit ist im vollständig geglühten (O) Zustand ausgezeichnet und ermöglicht Tiefziehen, Strecken, Kanten und komplexe Mehrstufen-Prägeprozesse ohne Rissbildung. Typische minimale Innenbiegeradien im O-Zustand betragen ca. das 1- bis 2-fache der Blechdicke für einfache Biegungen und 2- bis 4-fach für stärkere Umformungen, während Bauteile im H-Zustand größere Radien erfordern und eventuell Vorwärmen oder Zwischenglühen benötigen. Die Legierung reagiert vorhersehbar auf Kaltumformung; Konstrukteure geben häufig ein Glühen nach starker Umformung vor, um Federwirkung zu mindern und Duktilität vor der Endbearbeitung wiederherzustellen.

Verhalten bei Wärmebehandlung

4N01 ist im Wesentlichen nicht wärmebehandelbar; sie erreicht keine signifikante Ausscheidungshärtung durch künstliche Alterungszyklen wie bei 6xxx- oder 7xxx-Legierungen. Versuche mit standardisierten Lösungsglüh- und künstlichen Alterungsprozessen führen nur zu geringfügiger Festigkeitssteigerung, da die Legierung keine Mg–Si- oder Zn–Mg-Systeme zur Ausscheidungsbildung aufweist.

Die Festigkeitsvariation erfolgt daher überwiegend über gezielte Kaltverformung (Kaltverfestigung) und thermische Stabilisierung (Niedrigtemperaturglühen), um eine gewünschte Kombination aus Festigkeit und Dehnung einzustellen. Vollglühen (O) stellt maximale Duktilität wieder her, während Teilglühungen und Stabilisierungsthermische (T-Zustand) zur Spannungsarmung und Mäßigung der Effekte früherer Kaltumformung dienen.

Verhalten bei erhöhten Temperaturen

Die mechanische Festigkeit von 4N01 nimmt mit steigender Temperatur kontinuierlich ab; Konstrukteure begrenzen den Dauerbetrieb typischerweise auf unter ~150 °C, um wesentliche Einbußen bei Streckgrenze und Dauerfestigkeit zu vermeiden. Kurzzeitige Einwirkung höherer Temperaturen (bis ~250 °C) ist möglich, führt jedoch zu spürbarer Weichung und möglicher mikrostruktureller Erholung, was die Kaltverfestigung reduziert.

Oxidation bleibt bei praxisrelevanten Temperaturen minimal, da Aluminium eine schützende Oxidschicht bildet, jedoch kann längere Hochtemperaturbelastung zu dickeren Oxidschichten und veränderten Oberflächeneigenschaften sowie reduzierter Lackhaftung führen. Das Verhalten des Wärmeeinflussbereichs (HAZ) beim Schweißen in erhöhten lokalen Temperaturen ist im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen unkritisch, dennoch sind vorübergehender Festigkeitsverlust und mögliche Verzugseffekte in Schweißnähe zu berücksichtigen.

Anwendungen

Branche	Beispielkomponente	Warum 4N01 verwendet wird
Automobil	Außenbleche, innere Verstärkungen	Exzellente Umformbarkeit für Tiefziehen, gute Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit zu angemessenem Preis
Schiffbau/Marine	Nicht-tragende Decks, Fittings	Ausgewogenes Korrosionsverhalten und Fertigbarkeit für Küsten- und leichte Marineanwendungen
Luftfahrt	Sekundäre Anbauteile, Verkleidungen	Gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht für nicht primäre Strukturbauteile und gute Verbindbarkeit
Elektronik	Wärmeverteilerplatten, Gehäuse	Hohe Wärmeleitfähigkeit bei niedrigem Gewicht und zuverlässiger Fertigung
Bau & Architektur	Verkleidungen, Abkastungen, Fensterrahmen	Gute Umformbarkeit, ästhetische Oberflächen und Witterungsbeständigkeit

4N01 wird typischerweise dort eingesetzt, wo eine Kombination aus Umformbarkeit, Schweißbarkeit und ausreichender Festigkeit ohne komplexe Wärmebehandlung erforderlich ist. Ihre Rolle ergänzt oft hochfeste Legierungen, wenn wirtschaftliche Fertigung und Korrosionsbeständigkeit prioritär sind.

Auswahlhinweise

Bei der Auswahl von 4N01 empfiehlt sich die Verwendung in Anwendungen, die Umformbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit über maximale erreichbare Festigkeit stellen. Die nicht wärmebehandelbare Eigenschaft vereinfacht die Fertigung, reduziert Risiken durch Versprödung im Wärmeeinflussbereich und senkt Prozesskosten gegenüber ausscheidungshärtbaren Legierungen.

Im Vergleich zu handelsüblichem Rein-Aluminium (1100) bietet 4N01 eine deutlich höhere Festigkeit bei einem moderaten Kompromiss in der elektrischen Leitfähigkeit und leicht reduzierter Umformbarkeit, wodurch es sich besser für tragende Blechanwendungen eignet. Im Vergleich zu durch Kaltverfestigung gehärteten Legierungen wie 3003 oder 5052 liegt 4N01 auf einem ähnlichen oder leicht höheren Festigkeitsniveau, bietet dabei eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit und in einigen Schweißverbindungen eine verbesserte Schweißbarkeit.

Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 ermöglicht 4N01 eine einfachere Schweißbarkeit und eine bessere Vorhersagbarkeit des Verformungswärmebereichs (HAZ), allerdings bei geringerer maximaler Festigkeit. Wählen Sie 4N01, wenn vereinfachte Verarbeitung, überlegene Umformbarkeit oder kostenorientierte Produktion wichtiger sind als maximale Festigkeit oder Steifigkeit.

Zusammenfassende Bewertung

4N01 bleibt eine pragmatische ingenieurtechnische Wahl, wenn ein ausgewogenes Verhältnis von Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und verlässlicher Schweißbarkeit ohne den Aufwand einer Wärmebehandlung gefordert ist. Es dient weiterhin vielfältigen Branchen, in denen vorhersehbare Fertigung und Lebenszyklusleistung wichtiger sind als maximale Festigkeit.