Aluminium 5251: Zusammensetzung, Eigenschaften, Härteanleitung & Anwendungsgebiete
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Umfassender Überblick
5251 ist ein Mitglied der Aluminiumlegierungen der 5xxx-Serie, die magnesiumbasierte, nicht wärmebehandelte Legierungen darstellen, welche ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bieten. Die Legierungszusammensetzung ordnet sie zu den Al-Mg(-Mn)-Legierungen ein, bei denen Magnesium das hauptsächliche lösliche Festigungselement und Mangan die sekundäre Kornstrukturoptimierung übernimmt.
Die Festigkeit wird bei 5251 primär durch Mischkristallverfestigung und Kaltverfestigung erreicht; die Legierung kann durch ausscheidungshärtende Wärmebehandlung nicht nennenswert verstärkt werden. Wichtige Eigenschaften sind eine moderate bis hohe Festigkeit für eine nicht wärmebehandelte Legierung, gute atmosphärische und marine Korrosionsbeständigkeit, ausgezeichnete Umformbarkeit im weichgeglühten Zustand sowie gute Schweißbarkeit mit üblichen Aluminium-Schmelzschweißverfahren.
Typische Anwendungsbereiche für 5251 sind Innen- und Außenverkleidungen im Automobilbau, marine Bauteile, architektonische und bautechnische Systeme sowie bestimmte Transport- und allgemeine Maschinenbauanwendungen. Konstrukteure wählen 5251, wenn eine korrosionsbeständige Legierung mit höherer Festigkeit als handelsübliches Reinaluminium und besserer Umformbarkeit im Vergleich zu vielen wärmebehandelbaren Legierungen gefordert ist.
5251 wird anderen Legierungen vorgezogen, wenn eine Kombination aus Kaltumformbarkeit, mittlerer Festigkeit und langlebigem Oberflächenschutz bei gleichzeitig niedrigen Fertigungskosten und ohne Alterungshärtung erforderlich ist. Das Einsatzprofil macht diese Legierung oft geeigneter als Legierungen, die Korrosionsbeständigkeit zugunsten höherer Spitzenfestigkeiten opfern.
Zustandsvarianten
| Zustand | Festigkeitsniveau | Dehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Hinweise |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch (18–30%) | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Vollständig weichgeglüht; optimal für Tiefziehen und komplexe Umformungen |
| H12 | Niedrig–Mittel | Moderat (12–20%) | Sehr gut | Sehr gut | Leicht kaltverfestigt für moderate Festigkeitssteigerung |
| H14 | Mittel | Moderat (10–18%) | Gut | Sehr gut | Viertelgehärtet; gebräuchlich für Blechanwendungen |
| H22 | Mittel | Moderat (10–18%) | Gut | Sehr gut | Thermisch stabilisiert nach Teilglühen |
| H24 | Mittel–Hoch | Niedriger (8–14%) | Ausreichend | Gut | Kaltverfestigt und teilweise geglüht |
| H32 | Hoch | Niedrig (6–12%) | Begrenzt | Gut | Kaltverfestigt und stabilisiert; gängiger Strukturzustand |
| T-Zustand (T5 / T6 / T651) | Keine Angabe | Keine Angabe | Keine Angabe | Keine Angabe | 5251 ist eine nicht wärmebehandelbare Legierung; T-Zustände sind nicht anwendbar |
Der Zustand hat einen entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von 5251: O bietet maximale Duktilität für Umformprozesse, während H-Zustände schrittweise höhere Streck- und Zugfestigkeiten auf Kosten der Dehnung erzeugen. Die Schweißbarkeit bleibt über alle Zustände gut, da 5251 nicht auf Alterungshärtung angewiesen ist; jedoch kann die Wärmeeinflusszone bei kaltverfestigten Zuständen lokal erweichen und dadurch die lokale Festigkeit reduzieren.
Chemische Zusammensetzung
| Element | Prozentsatzbereich | Hinweise |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0,25 | Verunreinigung; niedriger Gehalt zur Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit |
| Fe | ≤ 0,40 | Übliche Verunreinigung, kann intermetallische Phasen bilden und Duktilität beeinflussen |
| Mn | 0,20–0,80 | Steuert die Kornstruktur und Erholung; reduziert Rekristallisation |
| Mg | 2,0–3,0 | Primäres Festigungselement durch Mischkristallverfestigung; verbessert Korrosionsbeständigkeit |
| Cu | ≤ 0,10–0,15 | Niedrig gehalten, um Korrosionsbeständigkeit nicht zu beeinträchtigen |
| Zn | ≤ 0,20 | Geringer Anteil; kleine Mengen toleriert ohne große Eigenschaftsänderungen |
| Cr | ≤ 0,25 | Kann vorhanden sein zur Kornfeinung und Verbesserung der Rekristallisationsbeständigkeit |
| Ti | ≤ 0,15 | Kornfeiner bei gezielter Zugabe; meist Restgehalt |
| Sonstige | ≤ 0,05 je / ≤ 0,15 Gesamt | Spurenelemente und Reststoffe durch Normen begrenzt |
Die Zusammensetzung von 5251 ist so ausgelegt, dass die magnesiumbedingte Mischkristallverfestigung optimal genutzt wird, während Elemente, die die Bildung intermetallischer Phasen oder lokalisierte Korrosion fördern könnten, minimiert werden. Mn und Cr wirken als Mikrostrukturstabilisatoren und tragen dazu bei, die Festigkeit nach Warmumformung zu erhalten, während niedrige Cu-Gehalte sowie kontrollierte Anteile von Fe und Si eine hohe Korrosionsbeständigkeit und gute Duktilität gewährleisten.
Mechanische Eigenschaften
5251 zeigt ein Zugfestigkeitsverhalten, das für die kaltverfestigte 5xxx-Familie typisch ist: duktil und zäh im weichgeglühten Zustand mit deutlicher Steigerung von Streck- und Zugfestigkeit bei Kaltverfestigung. Die Streckgrenze steigt mit den H-Zuständen signifikant an, während das Zugfestigkeits-zu-Streckgrenzen-Verhältnis moderat bleibt und somit vorhersehbare plastische Verformungseigenschaften für Umformprozesse liefert. Die Dehnung nimmt mit steigender Festigkeit ab, weswegen Umform- und Endformprozesse vor oder während der Kaltverfestigung geplant und gesteuert werden müssen.
Die Härte korreliert mit dem Zustand; weichgeglühte Legierungen weisen geringe Brinell- bzw. Vickers-Härten auf, während H-Zustände in Härtebereiche vordringen, die für Strukturbauteile geeignet sind. Das Ermüdungsverhalten ist dank duktiler Bruchart und guter Beständigkeit gegen lokale Korrosion bei maritimen und atmosphärischen Belastungen grundsätzlich vorteilhaft; allerdings sinken die Ermüdungsgrenzen mit zunehmender Dicke und verschlechterter Oberflächenqualität. Die Dicke beeinflusst sowohl Streckgrenze als auch Umformverhalten: Dünnere Bleche lassen sich leichter umformen, während dickere Querschnitte höhere durchgehende Festigkeiten aufweisen und weniger anfällig für Durchdrehbrüche beim Biegen sind.
| Eigenschaft | O / weichgeglüht | Wichtiger Zustand (H32) | Hinweise |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 95–155 MPa | 240–310 MPa | Bereich abhängig von Kaltverfestigung und Blechdicke; H32 charakteristisch für Strukturfestigkeit |
| Streckgrenze | 30–80 MPa | 170–220 MPa | Deutlicher Anstieg von O- zu H32-Zustand durch Kaltverfestigung |
| Dehnung | 18–30% | 6–12% | Dehnung nimmt mit zunehmender Härte ab |
| Härte | 20–45 HB | 70–95 HB | Brinell-Härtewerte, abhängig von Zustand und Verarbeitung |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Hinweise |
|---|---|---|
| Dichte | 2,68 g/cm³ | Typisch für Al-Mg-Legierungen; gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis |
| Schmelzbereich | ≈ 600–655 °C | Schmelzbereich typisch für gewalztes Aluminium |
| Wärmeleitfähigkeit | ≈ 120–150 W/m·K | Niedriger als bei reinem Aluminium, aber weiterhin hoch; nützlich für Wärmemanagement |
| Elektrische Leitfähigkeit | ≈ 28–38 % IACS | Reduziert gegenüber reinem Al durch Legierungselemente; ausreichend für bestimmte elektrische Anwendungen |
| Spezifische Wärme | ≈ 0,90 J/g·K (900 J/kg·K) | Standardwert für Aluminiumlegierungen; relevant für thermische Masseberechnungen |
| Wärmeausdehnung | ≈ 23–24 µm/m·K | Vergleichbar mit anderen Al-Legierungen; wichtig bei Mehrwerkstoffkonstruktionen |
5251 behält günstige thermische und elektrische Transporteigenschaften im Vergleich zu vielen Strukturlegierungen bei, was den Einsatz in Anwendungen begünstigt, in denen sowohl Umformbarkeit als auch Wärmeleitfähigkeit gefragt sind. Die Dichte und das thermische Ausdehnungsverhalten unterstützen leichte und thermisch stabile Konstruktionen, wobei bei präzisen thermischen oder elektrischen Anforderungen die etwas reduzierte Leitfähigkeit gegenüber reinem Aluminium berücksichtigt werden sollte.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Gängige Zustände | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Blech | 0,3–4,0 mm | Festigkeit entsprechend Zustand; dünnere Stärken leichter umformbar | O, H14, H24, H32 | Häufigste Form für Automobil- und Architekturbleche |
| Platte | 4–25 mm | Höhere durchgehende Festigkeit; geringere Umformbarkeit | H22, H24, H32 | Verwendung für strukturtragende Bauteile mit steifen Anforderungen |
| Strangpressprofil | Variable Querschnitte | Festigkeit abhängig von nachfolgender Kaltverfestigung | O, H14 | Stranggepresste Profile werden oft weiterbearbeitet zur Festigkeitssteigerung |
| Rohr | 0,5–6,0 mm Wandstärke | Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit abhängig von Verarbeitung und Wandstärke | O, H14, H32 | Einsatz in leichten Strukturbauteilen und maritimen Rohrsystemen |
| Stab/Rundstahl | 6–100 mm | Massive Querschnitte behalten gute Bearbeitbarkeit | O, H12, H14 | Verwendung für bearbeitete Komponenten, Fittings und Befestigungen |
Unterschiede in der Produktform bestimmen verfügbare Zustände und mechanische Endeigenschaften; dünne Bleche werden für maximale Umformbarkeit hergestellt und verarbeitet, während Platten und dicke Strangpressprofile für belastete Bauteile angeboten werden. Verarbeitungsrouten wie Kaltwalzen, Glühen und Stabilisierung werden eingesetzt, um Duktilität oder Festigkeit vor der Fertigung und abschließenden Oberflächenbehandlung gezielt einzustellen.
Äquivalente Güten
| Norm | Güte | Region | Hinweise |
|---|---|---|---|
| AA | 5251 | USA | Standard American Alloy-Bezeichnung für geschmiedetes 5251 |
| EN AW | 5251 | Europa | EN-Version entspricht weitgehend AA-Zusammensetzung und -Zuständen |
| JIS | A5251 (ca.) | Japan | Japanische Normen beziehen sich auf vergleichbare Al-Mg-Güten; Spezifikationen lokal prüfen |
| GB/T | 5251 (ca.) | China | Chinesische Bezeichnung verwendet ähnliche Nummerierung; lokale Toleranzen prüfen |
Äquivalenztabellen sind annähernd, da regionale Spezifikationen sich in zulässigen Verunreinigungslimits, Prozessqualifikationen und Zustandsdefinitionen unterscheiden können. Beim Austausch von Legierungen zwischen Normen sollten Ingenieure Chemie, mechanische Eigenschaften und Zertifizierungsvorgaben prüfen und sich nicht nur auf numerische Entsprechung verlassen.
Korrosionsbeständigkeit
5251 bietet eine gute atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, typisch für Al-Mg-Legierungen; ein natürlicher Aluminiumoxidfilm kombiniert mit Magnesiumanteil sorgt für verbesserten Schutz bei Außen- und mild aggressiven Umgebungen. Es eignet sich gut für allgemeine marine und küstennahe Einsatzbedingungen, wobei die lokale Lochfraßbeständigkeit von Oberflächenfinish und Mg-Gehalt im Vergleich zu höher legierten Mg-Legierungen abhängt.
Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) bei 5251 ist niedrig im Vergleich zu einigen höherfesten Al-Mg-Legierungen; da es nicht alterungshärtend ist, entfallen ausscheidungsunterstützte SCC-Mechanismen, wie sie bei hitzehärtbaren Legierungen vorkommen. Kontakt mit edleren Metallen oder kathodischen Werkstoffen kann Galvanische Paare erzeugen; Konstrukteure sollten direkten Kontakt mit Edelstahl oder Kupfer ohne Isolierung bei dauerhafter Nassbeanspruchung vermeiden.
Im Vergleich zu 6xxx-Legierungen bietet 5251 eine verbesserte Allgemeinkorrosionsbeständigkeit, jedoch geringere maximale Festigkeit. Gegenüber 3xxx- und 1xxx-Legierungen tauscht 5251 leicht reduzierte Umformbarkeit und elektrische Leitfähigkeit gegen höhere strukturelle Belastbarkeit und besseres Korrosionsverhalten in chloridhaltigen Umgebungen.
Bearbeitungseigenschaften
Schweißbarkeit
5251 lässt sich gut mit MIG (GMAW) und TIG (GTAW) Schweißverfahren mit Aluminiumfülldrähten aus den Serien 4xxx und 5xxx schweißen. Empfohlene Füller sind ER4043 (Silizium) zur Reduzierung von Rissbildungen sowie ER5356 oder ER5183 (Al-Mg-Füller), wenn Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit übereinstimmen sollen; Porosität ist durch gute Passung und Reinigung zu minimieren. Heißrissbildung ist im Vergleich zu hitzehärtbaren Legierungen gering, jedoch wird die Wärmeeinflusszone (WEZ) bei kaltverfestigten Zuständen erweichen und lokale Festigkeit herabsetzen.
Zerspanbarkeit
Die Zerspanbarkeit von 5251 ist mäßig bis gut und generell besser als bei höherfesten 5xxx-Legierungen aufgrund des ausgewogenen Verhältnisses von Duktilität und Festigkeit; es handelt sich nicht um ein frei zerspanbares Aluminium. Hartmetallwerkzeuge mit positivem Spanwinkel sowie hohe Vorschübe und niedrigere Schnittgeschwindigkeiten ergeben die besten Oberflächen und Werkzeugstandzeiten. Spanformung ist mit scharfen Werkzeugen und geeigneter Kühlung gut kontrollierbar; übermäßige Kaltverfestigung der Schnittzone ist zu vermeiden.
Umformbarkeit
Die Umformbarkeit im O-Zustand ist ausgezeichnet für Tiefziehen, Biegen und komplizierte Stanzoperationen, mit vergleichsweise niedrigem Rückfedern gegenüber stärker legierten Zuständen. Empfohlene Biegeradien hängen von Dicke und Zustand ab, folgen aber im Allgemeinen den gängigen Aluminium-Richtwerten (z. B. Innenradius ≥ 1–2× Blechdicke für H-Zustände und ≥ 0,5–1× Blechdicke für O-Zustand). Kaltverfestigung ist der Hauptverfestigungsmechanismus, daher sind sequentielles Umformen und kontrollierte Rekristallisationsglühprozesse üblich, um komplexe Geometrien ohne Rissbildung zu erreichen.
Wärmebehandlung
5251 ist eine nicht wärmebehandelbare Legierung; signifikanter Ausscheidungshärtungseffekt durch Lösungsglühen und Auslagern ist nicht möglich. Der Versuch einer T‑Typ-Wärmebehandlung führt nicht zu Festigkeitssteigerungen wie bei 6xxx- und 7xxx-Legierungen und kann unerwünschte mikrostrukturelle Veränderungen verursachen.
Kaltverfestigung durch Umformung ist der primäre Mechanismus zur Erhöhung von Streck- und Zugfestigkeit. Standardglühprozesse (z. B. vollständiges Glühen zum O-Zustand) stellen Duktilität durch Erholung und Rekristallisation wieder her, und Stabilisierungsglühen (H3x/H4x-Zustände) wird verwendet, um mechanische Eigenschaften während der Bearbeitung oder im Einsatz zu stabilisieren.
Höhere Temperaturbeständigkeit
Mit steigender Temperatur nimmt die Festigkeit von 5251 kontinuierlich ab, häufig ist ab 100–150 °C eine spürbare Erweichung erkennbar, abhängig von Zustand und mechanischer Beanspruchung. Dauerhafte Exposition bei Temperaturen nahe dem Schmelzbereich ist nicht geeignet; bei intermittierender Nutzung bei erhöhten Temperaturen müssen Konstrukteure reduzierte Tragfähigkeit und beschleunigte Kriechvorgänge berücksichtigen.
Oxidation bei Betriebstemperaturen beschränkt sich auf die Bildung eines stabilen, schützenden Aluminiumoxidfilms; es entstehen keine signifikanten Skalen oder Versprödungen wie bei manchen Stählen. Die thermische Stabilität kaltverfestigter Zustände ist moderat, sodass längere Expositionen bei mäßig erhöhten Temperaturen Restspannungen abbauen und Streckgrenze in H-Zuständen, insbesondere in Schweißnähe und hoch beanspruchten Zonen, absenken können.
Anwendungsbereiche
| Branche | Beispielkomponente | Warum 5251 verwendet wird |
|---|---|---|
| Automobil | Innen- und Außenkarosseriebleche | Gute Umformbarkeit und moderate Festigkeit; Korrosionsbeständigkeit |
| Schiffbau | Strukturbleche und nicht-kritische Beschläge | Beständigkeit gegen Salzwasser und gute Ermüdungsleistung |
| Luftfahrt | Sekundärbeschläge und Verkleidungen | Günstiges Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und Korrosionsschutz für nicht-kritische Bauteile |
| Elektronik | Chassis und Wärmeverteiler | Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsstabilität |
| Architektur | Vorhangfassaden und Verkleidungen | Umformbarkeit für komplexe Formen und dauerhafte Außenbeständigkeit |
5251 besetzt eine praxisorientierte Nische, in der Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und angemessene strukturelle Festigkeit gleichzeitig gefordert sind und Wärmebehandlung Kosten oder Komplexität erhöhen würde. Es wird überwiegend als Blech und Profil verwendet, die vor der Endverwendung umfangreich umgeformt werden.
Auswahlhinweise
5251 ist eine logische Wahl, wenn mehr Festigkeit als bei handelsüblichem Rein-Aluminium (z. B. 1100) benötigt wird, gleichzeitig aber gute Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit erhalten bleiben sollen. Im Vergleich zu 1100 tauscht 5251 höhere Festigkeit und leicht reduzierte elektrische/thermische Leitfähigkeit gegen strukturelle Belastbarkeit und verbesserten Korrosionsschutz in chloridischen Umgebungen.
Im Vergleich zu anderen kaltverfestigten Legierungen wie 3003 und 5052 liegt 5251 meist näher an 5052 hinsichtlich Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit und bietet vergleichbare marine Leistungen, jedoch oft bessere Umformbarkeit als stark kaltverfestigte Varianten. Wird eine höherfestige, wärmebehandelbare Legierung wie 6061 benötigt, wird 5251 gewählt, wenn Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit oder Umformbarkeit im O-Zustand wichtiger sind als maximale Festigkeit.
Wählen Sie 5251, wenn Fertigungsabläufe erhebliches Kaltumformen oder Schweißen involvieren und langfristige atmosphärische oder marine Beanspruchung erwartet wird; dabei sind Kosten und Verfügbarkeit gegen leicht geringere Spitzenfestigkeiten im Vergleich zu wärmebehandelbaren Alternativen abzuwägen.
Schlussfolgerung
5251 bleibt eine relevante und praxisbewährte Al-Mg-Legierung für moderne Konstruktionen, da sie Umformbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit mit einem über Kaltverfestigung erreichbaren, praxisgerechten Festigkeitsniveau kombiniert. Ihr vorhersehbares Verhalten über Zustände, breite Verfügbarkeit in Produktformen und bewährte Leistung in Automobil-, Marine- und Architektur-Anwendungen machen sie zur verlässlichen Wahl, wenn ein langlebiges, gut umformbares Aluminium benötigt wird.