Aluminium 5454: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen
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Umfassender Überblick
5454 ist ein Mitglied der 5xxx (Al-Mg)-Reihe von warmgewalzten Aluminiumlegierungen, die durch Magnesium als Hauptlegierungselement gekennzeichnet sind. In der europäischen Nomenklatur wird es oft als AlMg3 bezeichnet und nimmt den mittleren Festigkeitsbereich der Magnesiumlegierungen ein, wobei es mechanische Leistung mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit ausbalanciert.
Die wichtigsten Legierungselemente sind Magnesium und kontrollierte Additionen von Mangan zur Verbesserung der Festigkeit und des Gefüges. 5454 ist eine nicht wärmebehandelbare Legierung; ihre Festigkeitssteigerung wird hauptsächlich durch Lösungshärtung aufgrund des Magnesiums und durch Kaltverfestigung beim Umformen erreicht, nicht durch ausscheidungshärtende Wärmebehandlungen.
Wesentliche Merkmale von 5454 sind eine gute Zugfestigkeit für eine nicht wärmebehandelbare Legierung, starke Beständigkeit gegen marine und atmosphärische Korrosion, sehr gute Schweißbarkeit mit gängigen Schmelzverfahren und gute Umformbarkeit in geglühten oder leicht verfestigten Zuständen. Typische Anwendungsbereiche sind der Schiffbau, Transport, Druckbehälter und allgemeine Strukturbauteile, bei denen Korrosionsbeständigkeit und moderate Festigkeit gefordert sind.
Ingenieure wählen 5454 gegenüber anderen Legierungen, wenn sie eine Kombination aus besserer Festigkeit als bei handelsüblichen Reinaluminium und besserer Korrosionsbeständigkeit als bei einigen höherfesten Legierungen benötigen. Es wird häufig bevorzugt, wenn Schweißbarkeit, Schweißnahtfestigkeit und Dauerdauerfestigkeit in chloridhaltigen Umgebungen wichtiger sind als die absolute höchste Zugfestigkeit des Gewichtsverhältnisses, die wärmebehandelbaren Legierungen vorbehalten ist.
Zustandsvarianten
| Zustand | Festigkeitsniveau | Dehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Hinweise |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch (20–35%) | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Vollständig geglüht für maximale Duktilität |
| H111 / H112 | Niedrig–Mittel | Hoch–Mittel | Sehr gut | Ausgezeichnet | Leicht verfestigt oder bearbeitet; üblicherweise zur einfachen Umformung geliefert |
| H14 | Mittel | Mittel (8–15%) | Gut | Ausgezeichnet | Viertelgehärtet, häufig für Blechanwendungen mit verbesserter Festigkeit |
| H16 | Mittel–Hoch | Reduziert | Ausreichend–Gut | Ausgezeichnet | Halbgehärtet, Kompromiss zwischen höherer Festigkeit und etwas verminderter Duktilität |
| H18 | Hoch | Niedrig | Begrenzt | Ausgezeichnet | Vollgehärtet, verwendet bei höheren Anforderungen an Festigkeit und Steifigkeit |
| H24 | Mittel | Mittel | Gut | Ausgezeichnet | Verfestigt und teilweise geglüht; ausgewogenes Verhältnis von Umformbarkeit und Festigkeit |
| T5 / T6 / T651 | Nicht typisch | Nicht typisch | Nicht typisch | Nicht typisch | Bezeichnungen für wärmebehandelbare Zustände; generell nicht anwendbar auf 5454 |
Der Zustand hat einen direkten und vorhersehbaren Einfluss auf die Eigenschaften von 5454, da es sich um eine nicht wärmebehandelbare Legierung handelt. Geglühte Zustände (O) maximieren Duktilität und Korrosionsbeständigkeit und sind daher die beste Wahl für Tiefziehen und starke Kaltumformung.
Mit zunehmender Kaltverfestigung (H14 bis H18) erhöhen sich Zug- und Streckgrenze, während Dehnung und Biegeperformance abnehmen. Da 5454 nicht auf Lösungsglühen mit anschließender Alterung anspricht, wird die Zustandskontrolle durch mechanische Bearbeitung und kontrolliertes Glühen anstelle von Ausscheidungswärmebehandlungen erreicht.
Chemische Zusammensetzung
| Element | Prozentbereich | Hinweise |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0,30 | Verunreinigung; wird niedrig gehalten zur Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit und Duktilität |
| Fe | ≤ 0,40 | Intermetallische Phase; kontrolliert zur Begrenzung der Zähigkeitsminderung |
| Mn | 0,40–1,20 | Verbessert Festigkeit und Gefüge; hilft bei der Rekristallisationskontrolle |
| Mg | 2,6–3,6 | Hauptfestigungselement; sorgt für Lösungshärtung und Korrosionsbeständigkeit |
| Cu | ≤ 0,10 | Niedrig gehalten, um reduzierte Korrosionsbeständigkeit und galvanische Effekte zu vermeiden |
| Zn | ≤ 0,20 | Geringer Anteil; zu viel Zn kann Korrosionsbeständigkeit mindern |
| Cr | ≤ 0,25 | In kleinen Mengen in einigen Varianten zur Gefüge- und Rekristallisationskontrolle |
| Ti | ≤ 0,15 | Kornfeiner in Gussvarianten; geringer Einfluss in gewalzten Produkten |
| Andere | ≤ 0,15 jeweils, ≤ 0,35 gesamt | Rückstände und Spuren; kontrolliert zur Erhaltung der Legierungseigenschaften |
Der relativ hohe Magnesiumgehalt (etwa 3 Gew.-%) ist der dominierende Faktor für das mechanische und korrosive Verhalten von 5454. Die Mangan-Additionen sind gezielt und moderat; sie helfen, Kornrandverfestigungen auszugleichen und erhöhen die Festigkeit ohne die Korrosionsbeständigkeit zu beeinträchtigen. Niedrige Kupfer- und Siliziumgehalte gewährleisten, dass sich die natürlich entstehende Oxidschicht in marinen und industriellen Atmosphären schützend verhält.
Mechanische Eigenschaften
5454 zeigt ein Zug- und Streckgrenzprofil, das typisch für mittelstarke 5xxx-Reihen-Legierungen ist, mit signifikanter Duktilität in geglühten Zuständen und progressiven Festigkeitssteigerungen durch Kaltverfestigung. Die Streckgrenze steigt deutlich zwischen O- und halb- bis vollgehärteten Zuständen, während die Zugfestigkeit ebenfalls zunimmt, meist allerdings mit einer stärkeren Abnahme der Dehnung. Die Legierung weist eine gute Zähigkeit und Energieaufnahme im Vergleich zu vielen höherfesten, wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen auf.
Das Ermüdungsverhalten ist in chloridefreien Umgebungen angemessen, zeigt jedoch Sensitivität gegenüber Oberflächenzustand, Schweißnähten und Spannungskonzentratoren. Geschweißte Verbindungen weisen häufig eine Weichzone (HAZ) im Vergleich zum verfestigten Grundwerkstoff auf; die Auslegung sollte lokale Einbußen bei Streckgrenze und Ermüdungsgrenze berücksichtigen. Dicke und Produktform beeinflussen die mechanischen Werte – dickere Platten zeigen oft leicht niedrigere messbare Streckgrenzen aufgrund mikrostruktureller Heterogenität und möglicher Eigenspannungen.
Die Härtewerte steigen mit zunehmender Kaltverfestigung; die geglühte Legierung zeigt niedrige Brinell-/Vickers-Werte, während H16–H18 Zustände deutlich höhere Härtezahlen erreichen. Die Korrelation zwischen Härte und Zugfestigkeit ist ausreichend gut für schnelle Werkstattprüfungen, aber für kritische Bauteile und geschweißte Baugruppen wird eine vollständige Zugprüfung empfohlen.
| Eigenschaft | O/Geglüht | Wichtiger Zustand (z.B. H16/H18) | Hinweise |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | ~95–150 MPa | ~200–310 MPa | Breiter Bereich je nach Zustand und Produktform; Unterscheidungen zwischen Blech und Platte |
| Streckgrenze (0,2 % Dehngrenze) | ~30–70 MPa | ~120–240 MPa | Weichzone nach Schweißen kann lokale Streckgrenze in Schweißbaugruppen mindern |
| Dehnung (A50 oder A5) | ~20–35% | ~4–15% | Geglüht ermöglicht höchste Duktilität; vollgehärtet weist geringe Dehnung auf |
| Härte (HB) | ~25–45 HB | ~60–110 HB | Härte korreliert mit Kaltverfestigungsgrad und ist nützlich für Prozesskontrolle |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Hinweise |
|---|---|---|
| Dichte | 2,66–2,70 g/cm³ | Typisch für warmgewalzte Al-Mg-Legierungen, verwendet in Masse- und Steifigkeitsberechnungen |
| Schmelzbereich | ~590–645 °C | Solidus und Liquidus variieren mit der genauen Zusammensetzung und Verunreinigungen |
| Wärmeleitfähigkeit | ~120–150 W/m·K | Niedriger als reines Al, aber dennoch hoch; wichtig für Wärmeabfuhr und thermisches Design |
| Elektrische Leitfähigkeit | ~32–38 %IACS | Reduziert gegenüber reinem Aluminium durch Legierungszusätze |
| Spezifische Wärmekapazität | ~880–910 J/kg·K | Nützlich für thermische Übergangs- und Wärmekapazitätsberechnungen |
| Thermische Ausdehnung | ~23–24 µm/m·K (20–100 °C) | Typischer Wärmeausdehnungskoeffizient für Aluminiumlegierungen |
Die Dichte und thermischen Eigenschaften machen 5454 attraktiv für Strukturen, bei denen Masse und Wärmeableitung eine Rolle spielen, wie zum Beispiel Schiffsrümpfe und Wärmetauscherköpfe. Die Wärmeleitfähigkeit ist ausreichend hoch für viele thermische Managementaufgaben, wenn auch nicht so hoch wie bei reinem Aluminium oder einigen 6xxx Legierungen mit anderen Mikrostrukturen.
Die elektrische Leitfähigkeit ist moderat; 5454 wird nicht für Leiter gewählt, bei denen eine hohe IACS erforderlich ist, kann aber dort eingesetzt werden, wo eine Kombination aus mechanischer/korrosiver Leistung und ausreichender Leitfähigkeit gefordert ist. Die thermische Ausdehnung ist bei der Konstruktion aus Aluminium Standard und muss bei Mischwerkstoffstrukturen berücksichtigt werden.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Übliche Zustände | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Blech | 0,3–6 mm | Gleichmäßig; richtungsabhängig durch Walzrichtung | O, H111, H14, H16 | Weit verbreitet für Verkleidungen, Gehäuse und Schiffspanzerungen |
| Platte | 6–150 mm | Leicht verringerte gemessene Streckgrenze in dickeren Querschnitten | O, H111 | Verwendet für Strukturbauteile und drucktragende Komponenten |
| Strangpressprofil | Profile bis zu großen Querschnitten | Festigkeit variiert mit Querschnitt und Kühlprozess | O, H111, H14 | Gut geeignet für Rahmen und Schienen; erfordert Prozesskontrolle zur Mg-Verteilung |
| Rohr | Durchmesser bis mehrere hundert mm | Gute axiale und Umfangs-Festigkeit bei Kaltverfestigung | O, H16, H18 | Häufig verwendet für maritime und Transport-Rohre sowie Strukturrohre |
| Stab/Stange | Verschiedene Durchmesser | Hohe Gleichmäßigkeit im Querschnitt | H14–H18 | Verwendet für bearbeitete Zubehörteile, Befestigungen und gefertigte Bauteile |
Der Fertigungsweg und die Produktform beeinflussen das mechanische Verhalten und erzielbare Zustände. Dünn bis mitteldick gewalzte Bleche reagieren vorhersehbar auf Kaltverfestigung und Glühvorgänge, während dickere Platten aggressivere Walzung und kontrollierte Abkühlung benötigen, um gleichmäßige Eigenschaften zu gewährleisten.
Strangpressprofile und Rohre erfordern besondere Beachtung der Homogenisierung und Kontrolle innerer Porosität, da magnesiumreiche Legierungen in dicken Querschnitten zur Ausscheidung neigen können. Die Wahl des Zustands im Produktstadium ist grundlegend, um Umformprozesse und endgültige Einsatzanforderungen optimal abzustimmen.
Äquivalente Legierungen
| Norm | Legierung | Region | Hinweise |
|---|---|---|---|
| AA | 5454 | USA | Aluminum Association Bezeichnung, häufig verwendet in nordamerikanischen Spezifikationen |
| EN AW | 5454 | Europa | Gebräuchliche europäische Bezeichnung (AlMg3); standardisiert in EN 573/754 für Halbzeuge |
| JIS | A5454 | Japan | Japanischer Industriestandard mit ähnlichem Mg-Gehalt und mechanischen Anforderungen |
| GB/T | 5454 | China | Chinesischer Standardgrad, abgestimmt auf internationale chemische und mechanische Bereiche |
Die Äquivalenz der Normen liegt in der Regel sehr nahe, ist aber nicht identisch; zulässige Verunreinigungen und spezifizierte Prüfmethoden für mechanische Eigenschaften können variieren. Ingenieure sollten Walzzeugnisse und nationale Normen hinsichtlich dickeabhängiger Grenzwerte, Zustände und erlaubter Fertigungsverfahren prüfen, bevor sie Materialannahmekriterien finalisieren.
Korrosionsbeständigkeit
5454 besitzt eine hohe atmosphärische Korrosionsbeständigkeit und ist besonders gut für den Marineeinsatz geeignet, da die magnesiumreiche Matrix einen langlebigen, sich selbst regenerierenden Oxid-/Hydroxidfilm bildet. In stehenden chloridreichen Bedingungen kann lokales Lochfraß auftreten, wenn Oberflächenfilme beschädigt sind oder aggressive galvanische Kopplungen vorliegen, jedoch zeigt 5454 in solchen Umgebungen eine bessere Performance als viele kupferhaltige Legierungen.
Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) bei 5454 ist im Vergleich zu höherfesten Aluminiumlegierungen gering, kann sich aber bei Zugspannungen in warmen Chlorid-Umgebungen in Kombination mit schweißinduzierten Eigenspannungen erhöhen. Entwurfspraktiken empfehlen, Zugüberbeanspruchung zu vermeiden, Schweißrestspannungen zu kontrollieren sowie Nachbehandlungen oder kathodischen Schutz bei schweren Einsatzbedingungen einzusetzen.
Galvanische Wechselwirkungen sind zu berücksichtigen, wenn 5454 mit edleren Metallen als Aluminium (z. B. Edelstahl, Kupfer) kombiniert wird, insbesondere im maritimen Einsatz. Die Verwendung kompatibler Befestigungselemente, Isolierlagen oder Opferanoden verringert galvanische Angriffe und verlängert die Lebensdauer gegenüber unkontrollierten Materialpaarungen.
Fertigungseigenschaften
Schweißbarkeit
5454 lässt sich gut mit gängigen Schmelzschweißverfahren wie MIG (GMAW) und TIG (GTAW) schweißen. Empfohlene Zusatzwerkstoffe sind üblicherweise ER5356 oder ER5183 für höhere Festigkeit oder korrosionsbeständige Schweißverbindungen; sie werden passend zur Grundwerkstoffchemie ausgewählt, um Porosität und Duktilität zu kontrollieren. Das Risiko für Heißrisse ist gering im Vergleich zu manchen 2xxx- und 7xxx-Legierungen, jedoch sind Weichzonen-Anfälligkeit und Verlust der Kaltverfestigung häufig; geschweißte Konstruktionen sollten auf örtliche Streckgrenzenreduktionen im HAZ ausgelegt sein.
Zerspanbarkeit
Die Zerspanbarkeit von 5454 ist mäßig bis gut im Vergleich zu zerspanungsfreundlichen oder Aluminium-Silizium-Gusslegierungen; sie lässt sich besser bearbeiten als viele hochfeste Schmiedelegierungen, jedoch weniger leicht als reines Aluminium. Es werden scharfe Hartmetall- oder Schnellarbeitsstahlwerkzeuge mit moderaten bis hohen Vorschüben und niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten unter guter Kühlung/Schmierung empfohlen, um kontinuierliche Späne zu gewährleisten und einen Spanansatz zu vermeiden. Die Oberflächengüte und Maßhaltigkeit sind in der Regel gut, wenn Werkzeuge und Geschwindigkeiten auf Aluminiumlegierungen optimiert sind.
Umformbarkeit
Die Umformbarkeit ist im geglühten Zustand ausgezeichnet und bleibt in leicht kaltverfestigten Zuständen gut; Tiefziehen und komplexe Stanzprozesse bevorzugen O- oder H111-Zustände. Mindestbiegeradien hängen vom Zustand und der Dicke ab; übliche Werkstattpraxis verwendet Innenradien von 2–3× der Dicke für H14/H16 und bis zu 1–2× der Dicke im komplett geglühten Blech. Kaltverfestigung erhöht Streckgrenze und Zugfestigkeit, reduziert aber die Bruchdehnung und kann Federrückstellung verursachen, die im Werkzeugbau berücksichtigt werden muss.
Wärmebehandlungsverhalten
5454 ist eine nicht-wärmebehandelbare Legierung und spricht nicht auf konventionelle Lösungsglühen + Auslagern Zyklen an wie bei 6xxx- oder 7xxx-Legierungsfamilien. Versuche zur Lösungsglühung und zum Auslagern erzeugen nicht die Ausscheidungshärtungsmechanismen, die in diesen wärmebehandelbaren Familien wirksam sind.
Die mechanischen Eigenschaften werden durch Kaltverfestigung und thermische Prozesse wie Glühen gesteuert. Vollständige Glühtemperaturen für gewalzte 5xxx-Legierungen liegen typischerweise im Bereich von 300–415 °C, abhängig von Produktform und Dicke; kontrollierte Ofenglühungen und anschließendes Abschrecken oder langsames Abkühlen werden verwendet, um Duktilität wiederherzustellen und das Material zu erweichen.
Zwischen- oder Teilglühungen (z. B. zur Herstellung von H24 oder stabilisierten Zuständen) werden eingesetzt, um spezielle Kombinationen aus Festigkeit und Umformbarkeit zu erreichen. Stabilisierung oder Niedertemperatur-Relaxationszyklen können Eigenspannungen reduzieren, ohne die Festigkeit wesentlich zu verändern.
Hochtemperatureinsatz
Die Festigkeit von 5454 nimmt mit steigender Temperatur ab und ist bereits bei mäßig erhöhten Einsatztemperaturen (über ca. 100 °C) leicht reduziert. Langzeitexpositionen bei Temperaturen nahe 150–200 °C verschlechtern mechanische Eigenschaften durch Rekonstitution und mikrostrukturelle Veränderungen, weshalb Dauereinsatztemperaturen in der Regel deutlich darunter liegen.
Hochtemperaturoxidation stellt für Aluminiumlegierungen aufgrund der schützenden Oxidschicht kein gravierendes Problem dar, aber erhöhte Temperaturen beschleunigen das Oxidwachstum und können Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen beeinträchtigen. Schweißzonen und wärmebeeinflusste Bereiche (HAZ) zeigen verstärkte Erweichung bei Temperaturen, die bei Dauereinsatz beachtet werden sollten; Konstruktionen sollten Kriechen und Relaxation bei anhaltenden Lasten und Temperaturen berücksichtigen.
Anwendungen
| Branche | Beispielbauteil | Warum 5454 verwendet wird |
|---|---|---|
| Automobil | Kraftstoffleitungen, nicht-strukturelle Karosseriebleche | Gute Umformbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit |
| Schiffbau | Rumpfbeplankungen, Aufbaubleche | Hervorragende maritimen Korrosionsbeständigkeit und gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis |
| Luft- und Raumfahrt | Sekundärstrukturen, Zugangsklappen | Korrosionsbeständigkeit und angemessene Festigkeit für nicht-primäre Strukturen |
| Elektronik | Gehäuse, Wärmespreizer | Ausreichende Wärmeleitfähigkeit bei guter Korrosionsbeständigkeit |
| Druckbehälter / Tanks | Lagertanks, Rohrleitungen | Gute Schweißbarkeit und Beständigkeit gegen Seewasser sowie Industrieatmosphären |
Kombination aus Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und mittlerer Festigkeit macht 5454 zu einer vielseitigen Wahl in verschiedenen Industriezweigen. Insbesondere wird es für Bauteile bevorzugt, die korrosiven Atmosphären ausgesetzt sind und dabei die Kosten- und Gewichtsvorteile von Aluminium benötigen, ohne die Einsatzdauerfestigkeit zu opfern.
Auswahlhinweise
Wählen Sie 5454, wenn Sie eine Legierung suchen, die Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und moderate Festigkeit ohne Wärmenachbehandlung kombiniert. Sie ist besonders geeignet für maritime, transportbezogene und allgemeine Struktur-Anwendungen, bei denen eine gute Nachschweißleistung und Chloridbeständigkeit im Vordergrund stehen.
Im Vergleich zu kommerziell reinem Aluminium (z. B. 1100) bietet 5454 deutlich höhere Zug- und Streckfestigkeit bei nur leicht reduzierter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Gegenüber üblichen kaltverfestigten Legierungen wie 3003 oder 5052 besitzt 5454 in der Regel höhere Festigkeit und eine gleichwertige oder bessere maritime Korrosionsbeständigkeit, was sie für Rumpfbleche und Strukturplatten bevorzugt macht.
Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 erreicht 5454 zwar nicht die gleichen Spitzenfestigkeiten, wird jedoch häufig gewählt, wenn überlegene Korrosionsbeständigkeit, einfachere Fertigung (Schweißen ohne Nachwärmebehandlung) und bessere Duktilität in bestimmten Zuständen wichtiger sind als maximale Festigkeit.
Abschließende Zusammenfassung
5454 bleibt eine relevante und weit verbreitete Legierung, da sie eine robuste Kombination aus Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und mittlerer mechanischer Leistung bietet – und das ohne den Aufwand einer Wärmebehandlung. Ihre Eignung für marine und korrosive Umgebungen sowie ihr berechenbares Verarbeitungsverhalten bei Blech, Platte und Strangpressprofilen macht sie zu einer praxisgerechten Wahl für Konstrukteure und Verarbeiter, die langlebige und kosteneffiziente Aluminiumlösungen suchen.