Aluminium 5051: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen

Umfassender Überblick

5051 ist ein Mitglied der 5xxx-Serie von Aluminiumlegierungen, die magnesiumverstärkte, nicht wärmebehandelbare Legierungen darstellen. Das primäre Legierungselement ist Magnesium, üblicherweise im niedrigen bis mittleren Prozentbereich, ergänzt durch Spuren von Mangan und Chrom zur Verfeinerung der Kornstruktur und Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit. Die Festigkeitssteigerung erfolgt nahezu ausschließlich durch Mischkristallverfestigung und Kaltumformung, nicht durch ausscheidungshärtende Wärmebehandlung, wodurch 5051 in dieselbe Verarbeitungsgruppe wie andere 5xxx-Legierungen fällt.

Wesentliche Eigenschaften von 5051 sind ein günstiges Verhältnis von moderater Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit (insbesondere in marinen und chloridhaltigen Umgebungen) sowie exzellenter Schweißbarkeit. Die Umformbarkeit in weicheren Zuständen ist gut bis sehr gut, und die Legierung spricht vorhersagbar auf Kaltumformung mit schrittweisen Festigkeitszuwächsen an. Typische Anwendungsbereiche sind der Schiffbau, Transportindustrie (Anhänger- und Fahrzeugeaufbauten), Druckbehälter sowie einige Architektur-Anwendungen, in denen Korrosionsbeständigkeit und moderate Festigkeit im Vordergrund stehen.

Ingenieure wählen 5051 gegenüber anderen Legierungen, wenn eine verbesserte Festigkeit gegenüber handelsüblichem Aluminium benötigt wird, während eine bessere marine Korrosionsbeständigkeit gegenüber vielen kaltverfestigten 3xxx-Legierungen erhalten bleibt. Die Legierung wird bevorzugt eingesetzt, wenn Schweißen und die Nachlöseigenschaften wichtig sind und eine Wärmebehandlung unpraktisch oder nicht erforderlich ist. Kosten und Verfügbarkeit sind weitere Vorteile; 5051 bietet oft ein attraktives Kosten-Leistungs-Verhältnis für Strukturtafeln, Profile und geschweißte Baugruppen.

Zustandsvarianten

Zustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch (20–35%)	Exzellent	Exzellent	Vollständig geglüht, maximale Duktilität und Umformbarkeit
H12	Moderat	Moderat (12–20%)	Gut	Exzellent	Teilverfestigt, begrenzte Umformbarkeit nach Härten
H14	Moderat-Hoch	Moderat (8–15%)	Gut	Exzellent	Viertelhart, häufig für Blechumformung und moderate Festigkeit
H18	Hoch	Niedrig (6–12%)	Begrenzt	Exzellent	Vollhart, verwendet bei höherer Streckgrenze ohne Glühen
H22	Moderat (stabilisiert)	Moderat	Gut	Exzellent	Spannungsarm geglüht nach Teilverfestigung für Stabilität in der Fertigung
H32	Moderat-Hoch	Moderat	Gut	Exzellent	Kaltverfestigt und stabilisiert, gebräuchlich bei geschweißten Strukturen
H111	Moderat	Moderat	Gut	Exzellent	Temporärer kaltverfestigter Zustand für begrenzte Umform-Operationen

Die Wahl des Zustands bei 5051 steuert den Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität; kühlere Zustände führen zu höherer Streck- und Zugfestigkeit zu Lasten der Dehnung und Umformbarkeit. Da 5051 nicht wärmebehandelbar ist, wird die H-Serie (Kaltumformung und Spannungsarmglühen) als Verfahren genutzt, um die mechanischen Eigenschaften gezielt an Bauteile und Fertigungsmethoden anzupassen.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Bemerkungen
Si	≤ 0.25	Geringer Siliziumgehalt zur Vermeidung von Sprödigkeit und Erhaltung der Schweißbarkeit
Fe	≤ 0.40	Typisches Verunreinigungselement; zu viel Fe reduziert die Umformbarkeit
Mn	≤ 0.20	Kleine Zusätze verbessern Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit an Korngrenzen
Mg	2.2–2.8	Hauptlegierungselement für Festigkeitssteigerung; bestimmt Korrosions- und Kaltverfestigungsverhalten
Cu	≤ 0.10	Niedrig gehalten zur Erhaltung von Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit
Zn	≤ 0.25	Geringfügig; höherer Zinkanteil erhöht Festigkeit, kann jedoch galvanische Probleme fördern
Cr	0.05–0.25	Mikrolegierung zur Kornstrukturkontrolle und Verbesserung der Spannungsrelaxation (strain-aging)
Ti	≤ 0.15	Kornfeiner, verwendet in einigen Guss- oder Schweißprodukten
Sonstige	≤ 0.15 Gesamt	Beinhaltet V, Zr usw., niedrig gehalten für konsistente Eigenschaften

Die Legierungschemie basiert auf Magnesium zur Mischkristallverfestigung, während Kupfer und Zink niedrig gehalten werden, um Korrosionsbeständigkeit und Schweißverhalten zu erhalten. Geringe Mengen an Chrom und Mangan steuern Rekristallisation und Kornwachstum bei der Verarbeitung, was Zähigkeit und interkristalline Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen verbessert.

Mechanische Eigenschaften

Das Zugverhalten von 5051 ist typisch für eine mittelstarke 5xxx-Legierung: Im geglühten (O) Zustand zeigt sie moderate Zug- und Streckfestigkeit bei relativ hoher Dehnung, während H-Zustände durch Kaltumformung die Streck- und Zugfestigkeit deutlich erhöhen, jedoch auf Kosten der Duktilität. Die Streckgrenze steigt progressiv mit zunehmender Kaltumformung und Härtestufe; H12/H14 liefern messbare Festigkeitsgewinne, während H18 oder H32 die höchsten erreichbaren Festigkeiten ohne Wärmebehandlung darstellen. Die Härte folgt den Streckgrenzentrends und wird häufig zur Prozesskontrolle bei Stanz- und Umformvorgängen herangezogen.

Das Ermüdungsverhalten ist empfindlich gegenüber Oberflächenzustand, Verarbeitung und Einsatzumgebung; polierte und gut verschweißte 5051-Legierungen weisen eine akzeptable Dauerfestigkeit bei strukturellen Anwendungen auf, Ermüdungsrisse entstehen jedoch bevorzugt an Schweißnähten und Kerbstellen. Die Blechdicke hat erhebliche Wirkungen: dünnere Blechstärken lassen sich besser zur Erhöhung der Festigkeit kaltverfestigen, während dickere Platten und Profile mehr Restduktilität in weicheren Zuständen behalten und die gleichmäßige Festigkeitsverteilung durch die Dicke schwieriger zu erzielen ist ohne Rekristallisationsverfahren.

Eigenschaft	O/Geglüht	Typischer Härtezustand (z.B. H14/H32)	Bemerkungen
Zugfestigkeit	110–145 MPa	210–275 MPa	Werte abhängig von Blechdicke und Kaltumformungsgrad
Streckgrenze	40–75 MPa	150–240 MPa	H-Zustände erhöhen die Streckgrenze deutlich durch Kaltverfestigung
Dehnung	20–35%	6–15%	Duktilität nimmt mit zunehmender Härte ab
Härte	25–35 HB	55–85 HB	Härte korreliert mit Kaltverfestigung und dient der Qualitätskontrolle

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	2.68 g/cm³	Typisch für geschmiedete Aluminiumlegierungen; günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
Schmelzbereich	~605–655 °C	Legierung erweitert das Schmelzintervall leicht unterhalb des Schmelzpunktes von reinem Aluminium (660 °C)
Wärmeleitfähigkeit	~130 W/m·K	Gute Wärmeleitfähigkeit, etwas geringer als bei reinem Aluminium
Elektrische Leitfähigkeit	~34–44 % IACS	Reduziert gegenüber reinem Aluminium aufgrund von Mg in der Lösungsphase
Spezifische Wärmekapazität	~900 J/kg·K	Typische Wärmekapazität für Aluminiumlegierungen bei Umgebungstemperatur
Wärmeausdehnungskoeffizient	23,0–24,5 µm/m·K	Moderater Koeffizient; wichtig für Bauteile mit verschiedenen Werkstoffen

5051 bewahrt viele der attraktiven physikalischen Eigenschaften von Aluminium: geringes Gewicht und hohe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Stahl, was die Legierung besonders für Wärmemanagement und Leichtbau macht. Das Verhältnis von Dichte zu mechanischen Eigenschaften ergibt eine gute spezifische Festigkeit, wobei Konstrukteure den Wärmeausdehnungskoeffizienten bei der Verbindung mit unterschiedlichen Metallen oder bei Temperaturwechselzyklen berücksichtigen müssen.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Bemerkungen
Blech	0,4–6 mm	Gut kaltverformbar; dünnere Bleche erreichen höhere Festigkeiten im H-Zustand	O, H14, H18, H32	Weit verbreitet für Verkleidungen, Paneele und Gehäuse
Platte	6–50 mm	Geringere Kaltumformbarkeit; meist in weicheren Zuständen zur Bearbeitung geliefert	O, H112, H32	Strukturplatten und dickere Bauteile
Profil/Strangpressung	Komplexe Profile	Festigkeit abhängig von Kaltumformung nach dem Strangpressen; kann alterungsstabilisiert sein	O, H32	Häufig verwendet für Rahmen, Schienen und Schiffbauteile
Rohr	1–12 mm Wandstärke	Ähnlich wie Blech; geschweißte oder nahtlose Varianten beeinflussen Eigenschaften	H14, H32	Verwendet als Strukturrohre und Rohrleitungen mit Korrosionsanforderung
Stab/Rundstahl	Ø3–100 mm	Kaltgezogener Stab hat höhere Festigkeit; Bearbeitungsrohlinge sind meist weicher	O, H18, H22	Fittings, Bolzen und Drehteile

Der Herstellungsprozess (Walzen, Strangpressen, Ziehen) beeinflusst Rekristallisation und Anisotropie der mechanischen Eigenschaften; Blech und dünnere Stärken sind die wirtschaftlichsten Formen und lassen sich am einfachsten zu höherfesten H-Zuständen kaltverformen. Profile und Platten werden gewählt, wenn Querschnittsdetails oder dickere Sektionen erforderlich sind, benötigen aber oft zusätzliche Spannungsarmglühungen oder kontrollierte Kühlung, um Verzug in geschweißten Baugruppen zu vermeiden.

Äquivalente Werkstoffbezeichnungen

Norm	Legierung	Region	Hinweise
AA	5051	USA	Bezeichnung der Aluminum Association für gewalzte 5xxx-Serie Mg-Legierungen
EN AW	5051	Europa	EN AW-5051 wird häufig verwendet; chemische und mechanische Grenzwerte ähnlich wie bei AA
JIS	A5051	Japan	JIS-Varianten stimmen in der Zusammensetzung überein, können aber unterschiedliche mechanische Prüfbedingungen spezifizieren
GB/T	5051	China	Chinesischer Standardwerkstoff mit vergleichbarer Zusammensetzung; Verarbeitungstoleranzen können abweichen

Unterschiede zwischen den Normen liegen typischerweise in den festgelegten Toleranzbereichen, den geforderten mechanischen Prüfverfahren und den zulässigen Verunreinigungslimits und nicht in der grundlegenden Chemie. Ingenieure sollten bei kritischen Anwendungen die Werkszeugnisse prüfen, um die Einhaltung der lokalen Normen bezüglich Eigenschaften, Zuständen und Fertigungsverfahren sicherzustellen.

Korrosionsbeständigkeit

5051 weist eine sehr gute atmosphärische Korrosionsbeständigkeit auf, die charakteristisch für die 5xxx-Serie aufgrund des Magnesium-Gehalts und der niedrigen Kupferanteile ist. Die Legierung bildet einen schützenden Oxidfilm, der in vielen Außen- und mild aggressiven Umgebungen eine gute Lochfraßbeständigkeit bietet. Im maritimen Einsatz und in chloridreichen Atmosphären schlägt sich 5051 im Vergleich zu vielen 3xxx- und 6xxx-Legierungen gut, obwohl eine langfristige Immersion und stehendes Salzwasser bei Versagen von Oberflächenbeschichtungen lokal begrenzte Angriffe verursachen können.

Die Empfindlichkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion (SCC) bei 5051 ist geringer als bei 5xxx-Legierungen mit höherem Mg-Gehalt (>3,5 % Mg), jedoch kann SCC bei hochbeanspruchten Bauteilen in aggressiven Umgebungen nicht vollständig ausgeschlossen werden. Entstehende Zugspannungen durch Umformen oder Schweißen erhöhen das Risiko für SCC, weshalb eine durchdachte Konstruktion, Spannungsarmglühen nach dem Schweißen und eine sorgfältige Werkstoffauswahl bei sicherheitskritischen Bauteilen wichtig sind. Galvanische Wechselwirkungen müssen berücksichtigt werden, wenn 5051 mit edleren Metallen wie Edelstahl oder Kupfer gekoppelt wird; geeignete Isolierungen oder Opferanoden sind in maritimen und architektonischen Anwendungen bewährte Gegenmaßnahmen.

Im Vergleich zu anderen Legierungsfamilien bietet 5051 eine überlegene marine Korrosionsbeständigkeit gegenüber vielen wärmebehandelbaren Legierungen (z. B. 6xxx-Serie), die Kupfer oder höhere Zinkgehalte enthalten, während es eine etwas geringere Höchstfestigkeit als alterungshärtbare 6xxx-Legierungen aufweist. Konstrukteure wählen 5051 häufig, wenn Dauerhaftigkeit in chloridhaltigen Umgebungen und Schweißbarkeit wichtiger sind als die maximal erreichbare Festigkeit.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

5051 lässt sich gut mit üblichen Schmelzschweißverfahren wie TIG (GTAW) und MIG (GMAW) verarbeiten. Schweißnähte in 5051 zeigen typischerweise eine gute Einbrandflüssigkeit und eine geringe Neigung zu Heißrissen, da die Legierung frei von signifikantem Kupfer ist und einen moderaten Magnesiumgehalt besitzt. Empfohlene Zusatzwerkstoffe sind üblicherweise 5356 (Al-Mg) für höhere Festigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit oder 4043 (Al-Si) für verbesserte Schweißbarkeit in bestimmten Fällen; die Wahl hängt von der gewünschten Festigkeit nach dem Schweißen und dem Anodisierverhalten ab. Konstrukteure sollten auf eine eventuelle Verweichung im Wärmeeinflussbereich (WEA) achten, insbesondere wenn das Grundmaterial in einem durch Kaltumformung gehärteten Zustand vorliegt, und bei Bedarf geeignete Nachbehandlungen oder lokale Wärmebehandlungen durchführen.

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von 5051 ist moderat; es lässt sich leichter bearbeiten als höherfeste Legierungen, aber weniger leicht als technisch reines Aluminium. Werkzeuge mit Hartmetallspitzen und positiver Spanwinkelgeometrie werden empfohlen, um eine günstige Spanbildung zu fördern und Aufbauschneiden zu vermeiden; Kühlschmierstoffe verbessern Oberflächenqualität und Werkzeugstandzeit. Die Schnittgeschwindigkeiten sind moderat, und Vorschübe sollten so gewählt werden, dass eine Kaltverfestigung an der Schnittfläche verhindert wird, da diese die Endbearbeitung erschweren kann. Für Hochvolumen-Drehen oder -Fräsen erhöhen Werkzeugbeschichtungen und starre Fixierungen die Prozessstabilität und verlängern die Werkzeuglebensdauer.

Umformbarkeit

Die Umformbarkeit ist im weichen (O) Zustand exzellent und bleibt in leichten H-Zuständen wie H12 und H14 sehr gut, was 5051 für Tiefziehen, Biegen und Streckziehen geeignet macht. Mindestbiegeradien richten sich nach dem Zustand und der Blechdicke, wobei für die Blechumformung üblicherweise ein Biegeradius von 1–3× der Materialdicke bei weichen Zuständen empfohlen wird; engere Radien erfordern eine vorherige Glühbehandlung oder weichere Zustände. Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit deutlich und verringert die Duktilität, daher sollten aufeinanderfolgende Umformschritte so geplant werden, dass Risse vermieden werden, und gegebenenfalls Zwischenweichglühungen bei komplexen Geometrien vorgesehen werden.

Verhalten bei Wärmebehandlung

5051 ist eine nicht wärmebehandelbare Legierung und spricht daher nicht auf Lösungsglühen und künstliches Altern an, um Festigkeit zu entwickeln; Veränderungen der mechanischen Eigenschaften werden durch kontrollierte Kaltverfestigung und Zustandsgestaltung erreicht. Standard-Wärmebehandlungszyklen für wärmebehandelbare Legierungen (Lösen und Abschrecken gefolgt vom Altern) sind für 5051 nicht wirksam, weshalb mit höheren Festigkeitswerten durch T-Zustände bei diesem Werkstoff nicht zu rechnen ist.

Das Glühen wird zur Rückgewinnung der Duktilität nach starker Kaltverfestigung verwendet; eine Vollglühung für 5051 erfolgt typischerweise bei etwa 350–415 °C mit kontrollierter Abkühlung, um den O-Zustand zu erzielen. Stabilisierungsglühen (z. B. H22 oder H32) beinhaltet niedrige Temperaturen oder Spannungsarmglühungen, um Spannungsalterung zu minimieren und eine vorhersehbare Maßstabilität für Fertigung und Schweißen zu gewährleisten. Kaltverfestigungsschemata und Zustandskontrollen sind Teil des Walzprozesses, um Material mit Zielwerten für Streckgrenze und Zugfestigkeit für Umform- oder Konstruktionszwecke bereitzustellen.

Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen

Bei erhöhten Temperaturen verliert 5051 schrittweise an Festigkeit, da die Festigkeitssteigerung durch feste Lösung abnimmt und Rekristallisationsprozesse zunehmen; praktisch nutzbare Dauereinsatztemperaturen für strukturelle Anwendungen liegen meist unter etwa 100 °C, sofern die nominelle Festigkeit eingehalten werden muss. Die Kriechfestigkeit bei mäßig erhöhten Temperaturen ist im Vergleich zu speziellen Hochtemperaturlegierungen eingeschränkt, und anhaltende Belastungen bei höheren Temperaturen führen im Zeitverlauf zu messbarer Verformung. Oxidation an der Luft ist minimal, da Aluminium eine stabile Oxidschicht bildet, jedoch kann thermische Belastung das Oberflächenbild verändern und nachfolgende Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen beeinträchtigen.

Geschweißte Verbindungen können im Wärmeeinflussbereich (WEA) lokale Verweichungen zeigen; dies ist bei höheren Betriebstemperaturen zu berücksichtigen, da die WEA zur schwächsten Stelle bezüglich Festigkeit werden kann. Für Anwendungen mit höherer Temperaturbeanspruchung sollten alternative Legierungen oder konstruktive Auslegungen in Erwägung gezogen werden.

Anwendungsbereiche

Branche	Beispielkomponente	Warum 5051 verwendet wird
Automobilindustrie	Karosseriebleche, Kraftstofftanks	Gute Umformbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit
Schiffs- und Bootsbau	Rumpfbleche, Decksstrukturen	Überlegene Lochfraßbeständigkeit gegenüber Chloriden und gute Schweißbarkeit
Luftfahrt	Beschläge, Verkleidungen (nicht sicherheitskritisch)	Gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis sowie Korrosionsverhalten
Elektrotechnik/Wärmemanagement	Kühlkörper, Gehäuse	Gute Wärmeleitfähigkeit und Fertigbarkeit
Architektur	Verkleidungen, Fassaden	Witterungsbeständigkeit und ästhetische Anodisierfähigkeit

5051 wird häufig dort eingesetzt, wo die Kombination aus Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und angemessener Festigkeit ohne zusätzlichen Aufwand durch Wärmebehandlung gefragt ist. Die ausgewogene Eigenschaftskombination unterstützt vielfältige Anwendungen von maritimen Bauteilen bis zu leichten Baugruppen, bei denen das Einsatzumfeld und das Fertigungsverfahren die Legierungswahl bestimmen.

Auswahlhinweise

Wählen Sie 5051, wenn Sie eine nicht wärmebehandelbare Legierung mit höherer Festigkeit als technisch reines Aluminium und überlegener Korrosionsbeständigkeit in chloridbelasteten Umgebungen benötigen. Sie ist besonders attraktiv, wenn Schweißen und Umformen erforderlich sind und Konstrukteure ein vorhersehbares Verhalten durch Kaltverfestigung statt Alterungshärtung bevorzugen.

Im Vergleich zu 1100 (technisch reines Al) tauscht 5051 etwas elektrische Leitfähigkeit und maximale Umformbarkeit gegen deutlich höhere Festigkeit und bessere marine Leistungsfähigkeit ein. Verglichen mit 3xxx-Legierungen (z. B. 3003 oder 5052) bietet 5051 vergleichbare oder etwas höhere Festigkeit bei ähnlicher Korrosionsbeständigkeit und stellt so einen Mittelweg aus Festigkeit und Duktilität dar. Im Vergleich mit wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061/6063 ermöglicht 5051 eine einfachere Schweißbarkeit und bessere Chloridkorrosionsbeständigkeit, auch wenn es nicht die Spitzenfestigkeit alterungshärtbarer 6xxx-Legierungen erreicht; 5051 kommt zum Einsatz, wenn Korrosionsbeständigkeit und Schweißnahtintegrität wichtiger als maximale Festigkeit sind.

• Bevorzugen Sie 5051 für geschweißte maritime Konstruktionen und korrosionsbeanspruchte Bauteile.
• Bevorzugen Sie 6061, wenn höchste strukturelle Festigkeit und Zerspanbarkeit entscheidend sind und die Korrosionsumgebung kontrolliert wird.
• Bevorzugen Sie 1100/3003 zur optimalen Umformbarkeit oder für elektrische Leitfähigkeit, wenn keine hohe Festigkeit erforderlich ist.

Zusammenfassendes Fazit

5051 bleibt eine praxisgerechte, ausgewogene Aluminiumlegierung für Anwendungen, die eine robuste Kombination aus Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und moderater Festigkeit ohne Wärmebehandlung erfordern. Das vorhersehbare Verhalten bei Kaltumformung und die breite Verfügbarkeit in gängigen Produktformen machen sie zu einer kosteneffizienten Wahl für maritime, transportbezogene und strukturelle Fertigungsaufgaben mit langfristiger Beständigkeit in aggressiven Umgebungen.