Aluminium 5150: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen

Umfassender Überblick

5150 ist eine Aluminiumlegierung der 5xxx-Serie, einer Familie, die durch Magnesium als Hauptlegierungselement definiert ist. Diese Serie zeichnet sich durch nicht wärmebehandelbare Legierungen aus, die hauptsächlich durch Mischkristallverfestigung und Kaltverfestigung anstatt durch Ausscheidungshärtung, wie sie bei 6xxx- und 7xxx-Legierungen verwendet wird, gehärtet werden.

Die wichtigsten Legierungselemente in 5150 sind Aluminium mit einem signifikanten Magnesiumanteil sowie geringe Mengen an Mangan, Chrom und Eisen als typische Beimischungen. Der Verfestigungsmechanismus beruht überwiegend auf Kaltverfestigung (Verformungshärtung) und Festigkeitssteigerung durch Mg in fester Lösung; eine nennenswerte Ansprechbarkeit auf konventionelle T-Wärmebehandlungen zur Ausscheidungshärtung ist nicht gegeben.

Zu den Schlüsselmerkmalen von 5150 zählen hohe Festigkeit für eine nicht wärmebehandelbare Legierung, sehr gute Korrosionsbeständigkeit unter vielen atmosphärischen und maritimen Bedingungen sowie im Allgemeinen gute Umformbarkeit bei weicheren Zuständen. Die Schweißbarkeit ist bei Anwendung geeigneter Zusatzwerkstoffe mit MIG- und TIG-Verfahren günstig, und 5150 wird häufig dort ausgewählt, wo ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, etwa in der Marine, im Transportwesen und bei bestimmten strukturellen Anwendungen.

Im Vergleich zu anderen Aluminiumfamilien wird 5150 gewählt, wenn Konstrukteure eine höhere Festigkeit als reines Al oder weichgefertigte 3xxx-Legierungen benötigen, jedoch die Kosten, Verzugsanfälligkeit oder geringere Korrosionsbeständigkeit hochfester wärmebehandelbarer Legierungen vermeiden wollen. Die Kombination aus mechanischer Leistung und Beständigkeit gegen Meerwasser macht es attraktiv für Rümpfe, Tragwerke und Bauteile, die zunächst umgeformt und anschließend geschweißt werden müssen.

Zustandsvarianten

Zustand	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch (20–35%)	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht, maximale Duktilität
H111	Mittel	Gut (15–25%)	Sehr gut	Sehr gut	Leicht kaltverfestigt, universell einsetzbar
H14	Mittel-hoch	Mittel (10–20%)	Gut	Sehr gut	Einfach kaltverfestigt, gebräuchlicher Blechzustand
H22	Hoch	Mittel (8–15%)	Mäßig	Gut	Kaltverfestigt und thermisch stabilisiert
H32	Hoch	Mittel (8–12%)	Mäßig	Gut	Kaltverfestigt, danach zum Schweißen stabilisiert
H116	Hoch	Niedriger (6–12%)	Begrenzt	Gut	Kaltverfestigt und spannungsarm geglüht für Marine-Anwendungen
H321	Hoch	Niedriger (6–12%)	Begrenzt	Gut	Kaltverfestigt und durch Niedertemperaturbehandlungen stabilisiert

Der Zustand hat einen starken Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und das Umformverhalten von 5150. Weichere Zustände (O, H111) bieten die beste Dehnfähigkeit und Tiefziehfähigkeit, während höhere H-Zustände die Festigkeit durch erhöhte Versetzungsdichte auf Kosten von Dehnung und Biegebarkeit steigern.

Bei der Auswahl des Zustands sollten nachgelagerte Bearbeitungsschritte wie Biegen, Tiefziehen und Schweißen berücksichtigt werden: für extreme Umformungen eignen sich weichere Zustände, für geschweißte Baugruppen, die eine höhere Festigkeit im Ausgangszustand und geringere Verzüge erfordern, sind H32 oder H116 empfehlenswert.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Bemerkungen
Si	0.10–0.40	Verunreinigung; höherer Si-Gehalt reduziert Duktilität und erhöht leicht die Festigkeit
Fe	0.40–1.00	Typischer Reststoff; bildet intermetallische Phasen, die die Oberflächenqualität beeinflussen können
Mn	0.10–0.50	Verbessert Festigkeit und Kornstrukturkontrolle
Mg	3.0–5.5	Hauptverstärkungselement; erhöht Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit
Cu	0.00–0.20	Niedrig gehalten, um Korrosionsbeständigkeit zu erhalten; geringe Mengen erhöhen Festigkeit
Zn	0.00–0.25	Geringe Konzentrationen; höherer Zn-Gehalt kann Korrosionsbeständigkeit mindern
Cr	0.05–0.30	Steuert Kornstruktur und verbessert Widerstand gegen Rekristallisation
Ti	0.00–0.10	Kornfeiner; wird in kleinen Mengen für Guss- oder Schmeideprozesse eingesetzt
Andere	0.05–0.15	Spurenelemente und Verunreinigungen; Rest Aluminium

Der Mg-Gehalt ist der dominierende Faktor für das mechanische und korrosive Verhalten von 5150: mit steigendem Mg erhöhen sich Festigkeit durch Mischkristallverfestigung und das Opferverhalten in maritimen Umgebungen. Minderungslegierungselemente wie Mn und Cr werden gezielt eingesetzt, um die Kornstruktur zu verfeinern, Versetzungen während der Verarbeitung zu stabilisieren und die Anfälligkeit für Korngrenzversagen zu reduzieren.

Mechanische Eigenschaften

5150 zeigt ein Zugverhalten, das typisch für Mg-reichere 5xxx-Legierungen ist: eine relativ flache Verfestigungskurve nach der Streckgrenze und gute gleichmäßige Dehnung in weicheren Zuständen. Streckgrenze und Zugfestigkeit steigen mit Kaltverfestigung und Stabilisierung, während Duktilität und Gesamtdehnung abnehmen; somit sind Kompromisse vorhersehbar und reproduzierbar für die Produktionskontrolle.

Die Härte korreliert mit Zustand und Kaltverfestigung; geglühtes 5150 ist relativ weich und sehr gut bearbeitbar, während Hxx-Zustände Härtegrade erreichen können, die für mäßig belastete Strukturbauteile geeignet sind. Die Dauerfestigkeit ist für eine nicht wärmebehandelbare Legierung generell gut, zeigt jedoch Empfindlichkeiten gegenüber Oberflächenzustand und schweißbedingtem Aufhärten im Wärmeeinflussbereich (HAZ), weshalb das Design Oberflächenfinish, Kerben und Schweißnahtprofile kontrollieren sollte.

Die Blechdicke beeinflusst die Eigenschaften: mit abnehmender Dicke verändern sich die während der Umformung erreichbare Kaltverfestigung und die Abkühlraten bei thermischer Stabilisierung, was Restspannungen beeinflusst. Bei dicken Platten können Kornstruktur und Kaltverfestigungsverhalten abweichen, sodass eine zustandsspezifische Eigenschaftsprüfung erforderlich ist.

Eigenschaft	O/Geglüht	Wichtiger Zustand (H116/H32)	Bemerkungen
Zugfestigkeit	120–170 MPa	280–350 MPa	Großer Bereich abhängig von Mg-Gehalt und Kaltverfestigung; Werte hängen von Lieferant und Blechdicke ab
Streckgrenze	40–90 MPa	180–300 MPa	Streckgrenze steigt stark mit Kaltverfestigung und Stabilisierung
Dehnung	20–35%	6–15%	Duktilität nimmt mit steigender Festigkeit ab; abhängig von Blechdicke
Härte	25–45 HB	80–120 HB	Brinell-Härte korreliert mit Zustand und Kaltverfestigung

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	2,66 g/cm³	Typisch für Al-Mg-Schmiedellegierungen
Schmelzbereich	570–645 °C	Solidus- und Liquidus-Temperaturbereich abhängig von Legierungselementen
Wärmeleitfähigkeit	120–150 W/m·K	Niedriger als reines Al, aber immer noch hoch für wärmeableitende Anwendungen
Elektrische Leitfähigkeit	28–40 % IACS	Reduziert durch Mg und andere Legierungselemente gegenüber reinem Aluminium
Spezifische Wärme	~0,90 J/g·K	Ungefähr bei Raumtemperatur
Wärmeausdehnung	23–24 ×10^-6 /K	Ähnlich vielen Aluminiumlegierungen; bei Verbindungskonstruktionen zu berücksichtigen

5150 behält die günstige Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität von Aluminiumlegierungen, weshalb es für Bauteile geeignet ist, die eine vernünftige Wärmeabfuhr erfordern. Die elektrische Leitfähigkeit ist niedriger als bei reinem Aluminium, aber akzeptabel für viele strukturelle oder Sammelschienen-Anwendungen, bei denen Leitfähigkeit nicht die primäre Anforderung darstellt.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient muss bei der Kombination von 5150 mit fremden Werkstoffen berücksichtigt werden, insbesondere in maritimen oder automobilen Baugruppen, in denen zyklische Temperaturwechsel auftreten. Dichte und Schmelzbereich entsprechen den üblichen Werten für geschmiedete Al-Mg-Legierungen, was Auswirkungen auf Gussvermeidung und Schweißverfahren hat.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,3–6,0 mm	Reagiert gut auf Kaltverfestigung	O, H111, H14, H32	Verwendet für Karosseriebleche, Gehäuse und umgeformte Teile
Platte	6–100+ mm	Niedrigere Walzduktilität; schwerere Querschnitte	O, H111, H22	Strukturblech für Marine- und Transportanwendungen
Profil-Extrusion	Querschnitte von mehreren mm bis 200+ mm	Orientierung beeinflusst Streckgrenze und Zugfestigkeit richtungsabhängig	O, H112, H32	Profile für Rahmen, Schienen und Struktur-Extrusionen
Rohr	Außendurchmesser 10–300 mm	Kaltverfestigung beeinflusst Rundheit und mechanische Eigenschaften	O, H111, H32	Geschweißte oder nahtlose Rohre für strukturelle Verwendung
Stab/Stange	Durchmesser 5–200 mm	Typische Eigenschaften für geschmiedete Stäbe	O, H111	Verwendet für bearbeitete Fittings und Verbindungselemente

Bleche werden häufig dort eingesetzt, wo Umformen und anschließendes Schweißen erforderlich sind; dünndicke Bleche können bei Umformprozessen hohe Dehnungen erreichen, bevor das Altern relevant wird. Platten werden für Strukturbauteile hergestellt; dickere Querschnitte erfordern eine sorgfältige Kontrolle des Walzprozesses und der Lösungspulverisierung/-stabilisierung, um gleichmäßige Eigenschaften durch die Dicke zu gewährleisten.

Extrusionen ermöglichen komplexe Querschnitte, bei denen Anisotropie durch Walzen akzeptabel ist oder berücksichtigt werden kann; Stäbe und Rundmaterial werden typischerweise im weicheren Zustand für die Bearbeitung geliefert und bei Bedarf durch Kaltverfestigung auf höhere Festigkeiten gebracht.

Äquivalente Güten

Norm	Güte	Region	Hinweise
AA	5150	USA	Aluminium Association-Bezeichnung für diese Mg-haltige Knetlegierung
EN AW	5150	Europa	EN-Bezeichnung entspricht meist der AA-Serie, Lieferantendatenblätter beachten
JIS	A5150	Japan	Japanische Äquivalente mit ähnlichen Mg-Gehalten; mechanische Spezifikationen prüfen
GB/T	5150	China	Chinesische Normnummern variieren leicht; chemische Bereiche weithin abgestimmt

Die cross-normative Äquivalenz für knetbare 5xxx-Legierungen ist im Allgemeinen eng, aber Hersteller und Normungsgremien können unterschiedliche Grenzwerte für Spurenelemente und mechanische Anforderungen verwenden. Ingenieure sollten Lieferantenzertifikate und regionale Normrevisionen prüfen, um sicherzustellen, dass chemische und mechanische Toleranzen den Konstruktionsvorgaben entsprechen.

Feine Unterschiede zeigen sich häufig bei zulässigen Fe-/Si-/Mn-Rückständen, Zustandsdefinitionen und erlaubten Dickenbereichen; diese können Umformbarkeit, Schweißverhalten und Korrosionsbeständigkeit bei kritischen Anwendungen beeinflussen.

Korrosionsbeständigkeit

5150 bietet sehr gute atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, repräsentativ für höherlegierte Mg-haltige 5xxx-Legierungen, mit verbesserter Leistung in maritimen und küstennahen Umgebungen im Vergleich zu Al-Cu-Legierungen. Die Beständigkeit gegen Lochfraß und Allgemeinkorrosion ist günstig, wenn die Legierung sauber und richtig behandelt ist, insbesondere bei Verwendung von Schutzbeschichtungen oder Eloxal.

In maritimen Umgebungen zeigt 5150 gute Widerstandskraft gegen Meerwassereinwirkung; das Design muss jedoch galvanische Wechselwirkungen mit nobleren Materialien berücksichtigen. Kopplungen zu Edelstahl oder kupferreichen Legierungen ohne geeignete Isolierung können zu beschleunigter Korrosion des Aluminiumteils führen.

Die Empfindlichkeit gegen Spannungsrisskorrosion (SCC) in 5xxx-Legierungen nimmt mit steigendem Mg-Gehalt und höheren Festigkeitszuständen zu; stabilisierte Zustände wie H116 sind formuliert, um SCC unter Schweiß- und Betriebsbedingungen zu minimieren. Im Vergleich zu 6xxx- und 7xxx-Serien ist 5150 in ungefertigtem Zustand generell widerstandsfähiger gegen interkristalline Korrosion, aber weniger beständig als reines Aluminium gegenüber Gleichmäßiger Korrosion.

Galvanische Kompatibilität, Schutzbeschichtungen und Fügeauslegung sind entscheidende Parameter für Marine- und Industrieeinsätze. Richtige Anwendung macht 5150 zu einer ausgezeichneten Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Leistungsfähigkeit gegenüber vielen marktüblichen Alternativen.

Fertigungs-Eigenschaften

Schweißbarkeit

5150 lässt sich gut mit gängigen Gasabschirmverfahren (MIG/GMAW, TIG/GTAW) schweißen, vorausgesetzt, es werden geeignete Zusatzwerkstoffe wie 5xxx-Serie (z.B. ER5356 oder ER5183 Äquivalente) verwendet. Die Gefahr von Heißrissen ist gering bis mäßig; eine kontrollierte Wärmeeinbringung sowie Vor- und Nachbehandlung reduzieren das Erweichen der Wärmeeinflusszone (HAZ) und verzugsbedingte Spannungen.

Schweißnähte können eine lokale Festigkeitsabsenkung zeigen, wenn die HAZ gegenüber dem kaltverfestigten Grundmaterial weicher ist; der Einsatz von Stabilisierungsthermische (H116-ähnlich) und mechanisierten Verfahren verringern die Variabilität. Vermeiden Sie Zusatzwerkstoffe mit hohem Cu-Gehalt, wenn Korrosionsbeständigkeit Priorität hat.

Bearbeitbarkeit

Die Bearbeitbarkeit von 5150 ist moderat; die Legierung lässt sich besser zerspanen als viele ältere, zähere Al-Mg-Legierungen, aber schlechter als speziell für Drehen entwickelte frei bearbeitbare Aluminiumlegierungen. Hartmetallwerkzeuge mit positivem Spanwinkel und steifen Aufspannungen sind empfehlenswert; moderate Schnittgeschwindigkeiten und großzügiger Kühlschmierstofffluss reduzieren den Spanaufbau und verbessern die Oberflächenqualität.

Die Spanbildung neigt zu kontinuierlichen Bändern; Spanbrecher oder unterbrochene Schnitte können für schlanke Bauteile erforderlich sein. Bohrspitzenwinkel und Stufenbohrstrategien helfen, Gratrandbildung und Bohrungsqualität bei dünnwandigen Komponenten zu kontrollieren.

Umformbarkeit

Die Kaltumformbarkeit ist in weicheren Zuständen (O, H111) ausgezeichnet und ermöglicht tiefes Tiefziehen, Biegen und Hydroforming mit engen Radien, wenn der Rückfederungseffekt berücksichtigt wird. Bei zunehmender Festigkeit (H32/H116) müssen Biegeradien vergrößert und Stempel-/Werkzeugspiel für geringere Dehnbarkeiten angepasst werden.

Warmumformen kann die Umformfenster für komplexe Geometrien erweitern, und kontrollierte Vorverformungsfolgen verbessern die Konsistenz. Für anspruchsvolle Umformaufgaben sind O oder H111 zu empfehlen, mit anschließender Stabilisierung vor Schweißungen.

Wärmebehandlungsverhalten

5150 ist keine wärmebehandelbare Legierung; mechanische Festigkeitssteigerung erfolgt primär durch Kaltverfestigung (Verfestigung durch Dehnung) und das Verbleiben von Magnesium in fester Lösung. Thermische Stabilisierung (Niedrigtemperatur-Backen oder Spannungsarmglühen) kann nach Umformen oder Schweißen eingesetzt werden, um mechanische Eigenschaften einzustellen und Eigenspannungen ohne Alterungseffekte wie bei 6xxx-Legierungen zu reduzieren.

Lösungsbehandlung und Ausscheidungshärtung, wie sie bei wärmebehandelbaren Legierungen angewendet werden, führen bei 5150 nicht zu nennenswerter Altersfestigkeit, daher sind T6/T7-Zyklen nicht anwendbar. Weichglühen stellt durch Rekristallisation die Duktilität wieder her; kontrolliertes Glühen mit schnellem Abkühlen führt zum duktilen O-Zustand, geeignet für umfangreiche Umformungen.

Kaltverfestigung ist wiederholbar und kann in den Fertigungsablauf integriert werden: typischerweise werden Bauteile in O oder H111 geformt, dann auf den gewünschten H-Zustand kaltverfestigt, eventuell gefolgt von Stabilisierungsglühen, um natürliche Alterung oder Spannungserholung im Betrieb zu minimieren.

Hochtemperatureigenschaften

5150 behält bei erhöhten Temperaturen moderate Festigkeit, zeigt jedoch progressive Festigkeitsabnahme bei Annäherung an 150–200 °C mit deutlicher Erweichung oberhalb. Für zeitweilige Temperaturbelastungen bis ca. 150 °C bleibt die Legierung mechanisch brauchbar; Dauerbetrieb bei höheren Temperaturen wird für tragende Anwendungen nicht empfohlen.

Oxidation ist für Aluminiumlegierungen bei typischen Einsatztemperaturen minimal, jedoch können Abscalierungen und Oberflächenveränderungen in aggressiven thermischen Umgebungen oder bei langzeitiger Hitzeeinwirkung auftreten. Die HAZ in der Schweißzone kann bei lokal erhöhter Temperatur weiter erweichen, weshalb Wärmeeintragskontrolle und Nachbehandlung für thermische Zyklen wichtig sind.

Die Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen ist im Vergleich zu speziellen hitzebeständigen Legierungen eingeschränkt; daher sollte 5150 für dauerhafte Hochtemperaturbeanspruchung tragender Bauteile vermieden werden. Alternative Legierungen oder Konstruktionen sind bei überlappenden höheren Temperaturen und Belastungen zu bevorzugen.

Anwendungen

Branche	Beispielkomponente	Warum 5150 verwendet wird
Marine	Spantenbleche, Decksstrukturen	Hervorragende Beständigkeit gegen Meerwasser und gute Umformbarkeit
Automobil & Transport	Leichtbauchassis-Bauteile, Tankanlagen	Hoher Festigkeits-zu-Gewicht-Wert und gute Schweißbarkeit für Fertigungsbaugruppen
Luftfahrt (sekundär)	Fittings, Halterungen	Gute Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit für nachgeordnete Strukturteile
Elektronik & Wärmemanagement	Gehäuse, Wärmeverteiler	Zulässige Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit Umformbarkeit
Architektur	Fassaden, Verkleidungen	Witterungsbeständigkeit mit langlebiger Oberflächenbehandlung für küstennahe Installationen

5150 wird eingesetzt, wenn Konstrukteure einen korrosionsbeständigen, schweißbaren Aluminiumwerkstoff mit höherer Festigkeit als reines Aluminium oder 3xxx-Serien benötigen, dabei aber auf die Fertigungskomplexität hochfester wärmebehandelbarer Legierungen verzichten wollen. Die Vielseitigkeit im Umformen, Schweißen und mäßigen Zerspanen macht die Legierung ideal für fertigungsbedingte Strukturelemente.

Auswahlhinweise

Bei der Wahl von 5150 sollten Anwendungen im Vordergrund stehen, die marine Korrosionsbeständigkeit, gute Schweißbarkeit und moderate bis hohe Festigkeit durch Kaltverfestigung erfordern. Wählen Sie weichere Zustände für komplexe Umformungen und H32/H116 für geschweißte Strukturen, die eine vorhersehbare Einsatzleistung benötigen.

Im Vergleich zu kommerziell reinem Aluminium (z. B. 1100): tauscht 5150 höhere Festigkeit gegen etwas reduzierte elektrische Leitfähigkeit und einen moderaten Verlust an intrinsischer Umformbarkeit; wählen Sie 1100, wenn Leitfähigkeit und gute Umformbarkeit die Hauptanforderungen sind. Im Vergleich zu häufig verwendeten, durch Kaltverfestigung gehärteten Legierungen (z. B. 3003 / 5052): bietet 5150 in der Regel höhere Festigkeit bei ähnlicher oder besserer Korrosionsbeständigkeit, kann jedoch weniger umformbar sein als 3003 in gleichen Zuständen. Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen (z. B. 6061 / 6063): erreicht 5150 nicht die Höchstfestigkeiten der 6xxx-Serie im künstlich gealterten Zustand, bietet dafür aber bessere Beständigkeit gegen Meerwasserkorrosion und einfachere Fertigung (weniger Verzug, keine Abschreck-/Alterungszyklen), was es für geschweißte marine oder transportbezogene Strukturen geeignet macht.

Praktische Auswahl-Checkliste: - Verwenden Sie O- oder H111-Zustände für starke Umformprozesse und wechseln Sie zu H32/H116, wenn Schweißen und Einsatzfestigkeit erforderlich sind. - Spezifizieren Sie passende Zusatzwerkstoffe (5xxx-Serien Schweißzusätze) zur Sicherstellung der Korrosionsverträglichkeit beim Schweißen. - Prüfen Sie das Mill-Zertifikat auf Mg-Gehalt und Zustandsdefinitionen, um die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) und die zu erwartenden mechanischen Eigenschaften zu kontrollieren.

Abschließende Zusammenfassung

5150 bleibt eine relevante und pragmatische Wahl, wenn Konstrukteure einen korrosionsbeständigen, schweißbaren Aluminiumwerkstoff mit durch Kaltverformung erreichbar erhöhter Festigkeit benötigen. Sein ausgewogenes Verhältnis von Umformbarkeit (in weicheren Zuständen), vorhersehbarer Kaltverfestigungsreaktion und marinebeständiger Haltbarkeit macht es zu einer verlässlichen Legierung für Anwendungen im Transportwesen, Schiffbau und für gefertigte Tragstrukturen.