Aluminium 6061: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandstabelle & Anwendungsbereiche
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Umfassender Überblick
6061 ist ein Mitglied der 6xxx-Serie von Aluminiumlegierungen, einer Familie, die durch Magnesium und Silizium als Hauptlegierungselemente gekennzeichnet ist, welche das Mg2Si-Ausscheidung bilden. Diese Serie ist als wärmebehandelbar klassifiziert; ihre mechanischen Eigenschaften werden hauptsächlich durch Lösungsglühen, Abschrecken und anschließendes künstliches Altern verbessert, nicht nur durch Kaltverfestigung.
Die Hauptelemente in 6061 sind Magnesium (ca. 0,8–1,2 %) und Silizium (ca. 0,4–0,8 %), mit geringen Zugaben von Chrom, Kupfer, Eisen und anderen Reststoffen, die Festigkeit, Zähigkeit und Kornstruktur beeinflussen. Typische Merkmale umfassen ein günstiges Festigkeits-Gewichts-Verhältnis im Zustand T6, gute Korrosionsbeständigkeit in vielen Umgebungen, vernünftige Umformbarkeit im weichgeglühten oder T4-Zustand sowie ausgezeichnete Schweißbarkeit mit Standardverfahren für Aluminium.
Branchen, die 6061 häufig verwenden, sind strukturelle Automobilkomponenten, marine Beschläge, allgemeine Luft- und Raumfahrttechnik, Wärmetauscher und Freizeitprodukte für Verbraucher. Ingenieure wählen 6061, wenn eine ausgewogene Kombination aus Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Zerspanbarkeit gefordert ist und wenn nach der Fertigung Schweißen oder Eloxieren geplant ist; oft konkurriert es mit 6063 für Profile und mit 5xxx-Legierungen für korrosionskritische marine Anwendungen.
Zustandsvarianten
| Zustand | Festigkeitsniveau | Dehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Vollständig weichgeglühter Zustand für maximale Duktilität |
| T4 | Moderat | Hoch | Sehr gut | Sehr gut | Lösungsglühen und natürliche Alterung; gut zum Umformen vor der Endalterung |
| T5 | Moderat bis hoch | Moderat | Gut | Sehr gut | Abgekühlt von erhöhter Umschmelztemperatur und künstlich gealtert |
| T6 | Hoch | Moderat | Ausreichend | Gut | Lösungsglühen und künstliche Alterung; häufiger Strukturzustand |
| T651 | Hoch | Moderat | Ausreichend | Gut | T6 mit Spannungsabbau durch mechanisches Dehnen; verwendet für Platten/Extrusionen |
| H14 | Moderat | Moderat | Ausreichend | Sehr gut | Kaltverfestigt und teilweise geglüht; verwendet für geformte Bauteile |
| H18 | Hoch | Niedrig | Schlecht | Sehr gut | Vollsteif durch Kaltverfestigung; eingeschränkte Umformbarkeit |
Der gewählte Zustand bei 6061 korreliert direkt mit der Mikrostruktur und dem Ausscheidungszustand, der Streck- und Zugfestigkeiten sowie die Duktilität bestimmt. Lösungsglühen und Altern (T6) erzeugt feine Mg2Si-Ausscheidungen, die die Festigkeit erhöhen, jedoch die Umformbarkeit verringern und die Neigung zum Erweichen der Wärmeeinflusszone (WEZ) nach dem Schweißen steigern; weichgeglühte oder T4-Zustände stellen die Umformbarkeit auf Kosten der Spitzenfestigkeit wieder her.
Chemische Zusammensetzung
| Element | Bereich % | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Si | 0,4–0,8 | Silizium verbindet sich mit Mg zur Bildung der festigkeitssteigernden Mg2Si-Ausscheidungen |
| Fe | ≤0,7 | Eisen ist ein Verunreinigungsanteil, der Intermetallische Verbindungen bildet und Korrosion sowie Zerspanbarkeit beeinflusst |
| Mn | ≤0,15 | In kleinen Mengen vorhanden; kann die Kornstruktur leicht verfeinern |
| Mg | 0,8–1,2 | Hauptelement zur Festigkeitssteigerung über Mg2Si; steuert das Alterungsverhalten |
| Cu | 0,15–0,4 | Verbessert Festigkeit und Zerspanbarkeit, kann aber die Korrosionsbeständigkeit vermindern |
| Zn | ≤0,25 | Geringfügig; übermäßiges Zn wird vermieden, um Heiße Risse und Eigenschaftsänderungen zu verhindern |
| Cr | 0,04–0,35 | Hilft, die Kornstruktur zu steuern und begrenzt Rekristallisation während der Verarbeitung |
| Ti | ≤0,15 | Kornfeiner in Gussprodukten und einigen Walzerzeugnissen |
| Andere | ≤0,15 (jeweils) | Reststoffe und Spuren; Aluminium-Basisanteil |
Die Leistungsfähigkeit der Legierung wird durch das Verhältnis von Magnesium zu Silizium bestimmt, welche während der Alterung Mg2Si-Ausscheidungen bilden und die Hauptfestigkeitsquelle darstellen. Minderzusätze wie Chrom und Spuren verfeinern die Kornstruktur und reduzieren die Anfälligkeit für lokale Korrosion und Fehler bei der Warmverformung, während Kupfer teilweise Korrosionsbeständigkeit zugunsten erhöhter Festigkeit und Zerspanbarkeit opfert.
Mechanische Eigenschaften
Das Zugverhalten von 6061 variiert stark mit dem Zustand. Im Zustand T6 sorgt eine feine Verteilung von Mg2Si-Ausscheidungen für relativ hohe Streck- und Zugfestigkeiten bei moderater Duktilität; die Dehnung ist gegenüber weichgeglühten Zuständen typischerweise reduziert.
Die Dauerfestigkeit von 6061 ist für leichte Strukturbelastungen angemessen, wird jedoch stark durch Oberflächenqualität, Wärmebehandlung und vorhandene Schweißungen beeinflusst; Ermüdungsrisse können an Kerben und in durch Schweißwärme beeinflussten WEZ-Zonen initiieren. Dicke und Produktform beeinflussen ebenfalls das mechanische Verhalten: Dünnere Bleche erlauben oft höhere gemessene Streckgrenzen und Dehnungen durch Dickenkühlung und residuale Spannungsunterschiede, während dicke Platten niedrigere gemessene Duktilität aufweisen und eine T651-ähnliche Spannungsarmbehandlung benötigen.
| Eigenschaft | O/Weichgeglüht | Hauptzustand (T6 / T651) | Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | ~70–150 MPa (10–22 ksi) | ~260–320 MPa (38–46 ksi) | T6-Werte meist ca. 290 MPa; Werte abhängig von Form und Prüfnorm |
| Streckgrenze | ~35–90 MPa (5–13 ksi) | ~240–275 MPa (35–40 ksi) | T6-Streckgrenze ca. 240 MPa; O-Zustand deutlich niedriger zum Umformen |
| Dehnung | 15–25 % | 8–12 % | Die Dehnung nimmt mit steigender Härte ab |
| Härte | ~30–60 HB | ~80–110 HB | Härte korreliert mit Alterung; T6 deutlich härter als O-Zustand |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Dichte | 2,70 g/cm³ (0,0975 lb/in³) | Typisch für gewalzte Aluminiumlegierungen; begünstigt Leichtbau |
| Schmelzbereich | ~582–652 °C | Solidus-Liquidus-Bereich variiert mit Begleitelementen; reine Al-Basis ca. 660 °C |
| Wärmeleitfähigkeit | ~150 W/m·K | Guter Wärmeleiter im Vergleich zu Stählen; nützlich für Kühlkörper und Wärmetauscher |
| Elektrische Leitfähigkeit | ~30–40 % IACS | Niedriger als reines Aluminium durch Legierung; akzeptabel für gewisse elektrische Anwendungen |
| Spezifische Wärmekapazität | ~0,90 kJ/kg·K | Hohe Wärmekapazität im Vergleich zu vielen Metallen; beeinflusst thermische Masse |
| Wärmeausdehnung | ~23–24 µm/m·K (20–100 °C) | Moderater Ausdehnungskoeffizient; wichtig für unterschiedliche Ausdehnungen in Verbindungen |
Die relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und geringe Dichte von 6061 machen es attraktiv, wenn Wärmedissipation und Leichtbaudesign gefordert sind, z. B. bei Kühlkörpern und Fahrzeugkomponenten. Schmelzbereich und Wärmeausdehnung bestimmen die Auswahl in Schweiß-, Löt- und Designprozessen bei der Verbindung unterschiedlicher Materialien; Ausdehnungskoeffizienten müssen bei der Auslegung von Verbindungen berücksichtigt werden, um Verzug zu vermeiden.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Übliche Zustände | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|
| Blech | 0,2–6,0 mm (0,008–0,25 in) | Gute Gleichmäßigkeit | O, H14, T4, T6 | Weit verbreitet für Verkleidungen und geformte Teile |
| Platte | 6–200 mm (0,25–8 in) | Geringere Duktilität durch Dicke | T651, T6 | Dicke Platten werden oft spannungsarm geliefert (T651) |
| Extrusion | Profile bis zu mehreren Metern Länge | Festigkeit variiert mit Querschnitt und Kühlung | T5, T6 | 6061 lässt sich gut extrudieren; üblich für Strukturprofile und Rahmen |
| Rohr | Durchmesser klein bis groß; geschweißt oder nahtlos | Ähnlich dem Blech/Platte im Zustandsverhalten | O, T4, T6 | Verwendet für Fahrgestelle, Schienen und Hydraulikkomponenten |
| Stab/Rundstahl | Durchmesser bis mehrere Zoll | Homogene Mikrostruktur in gezogenen Stäben | O, T6 | Häufig für zerspante Bauteile und Fittings |
Verarbeitungsschritte legen fest, welche Form und welcher Zustand gewählt werden: Extrusionen sind häufig T5 oder T6, da sie nach der Formgebung künstlich gealtert werden, während Platten häufig als T651 wegen Dimensionsstabilität geliefert werden. Blech und Rohr werden je nach Umformbedarf gewählt; weichgeglühte (O) oder T4-Zustände ermöglichen tiefes Ziehen und Biegen, während T6 bessere Festigkeit im fertigen Zustand bietet, aber die Kaltumformung begrenzt.
Äquivalente Werkstoffbezeichnungen
| Norm | Bezeichnung | Region | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| AA | 6061 | USA | Bezeichnung der Aluminum Association für gewalzte Legierung der 6xxx-Serie |
| EN AW | 6061 | Europa | EN AW-6061 ist die gebräuchliche europäische Bezeichnung (gewalzte Legierung) |
| JIS | A6061 | Japan | JIS-Bezeichnung A6061 entspricht ähnlicher Chemie und Zuständen |
| GB/T | 6061 | China | GB/T 6061 ist die üblicherweise verwendete chinesische Norm für diese Legierung |
Die Normen in den verschiedenen Regionen sind hinsichtlich Chemie und Zustandsdefinitionen harmonisiert, unterscheiden sich jedoch in erlaubten Verunreinigungsgrenzen, Prüfmethoden für mechanische Eigenschaften und Bezeichnungen der Zustandskennzeichen. Einkäufer sollten das Datenblatt der jeweils geltenden Norm prüfen, um Mindestanforderungen an Eigenschaften, Wärmebehandlungshistorie und zulässige Toleranzen sicherzustellen, da nominelles „6061“ zwischen Lieferanten und nationalen Normen geringfügig variieren kann.
Korrosionsbeständigkeit
6061 weist eine gute allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit auf, bedingt durch die schützende Aluminiumoxidschicht und den vergleichsweise niedrigen Kupferanteil gegenüber einigen Legierungen der 2xxx-Serie. In ländlichen und industriellen Atmosphären zeigt es gute Leistungen; das Anodisieren verbessert zusätzlich den Oberflächenschutz gegen Korrosion und das Erscheinungsbild.
In maritimen Umgebungen erzielt 6061 eine akzeptable Leistung für viele tragende und nicht-kritische Anwendungen, ist jedoch weniger beständig als die 5xxx-Serie (magnesiumbasiert) bei kontinuierlichem Kontakt mit chloridreichem Meerwasser. Lokale Lochkorrosion kann in stagnierenden, hochsalzhaltigen Bedingungen auftreten; für eine langzeitige Nutzung sind Planung von Entwässerung, Schutzbeschichtung und Anodisierung wichtig.
Spannungsrisskorrosion (SCC) stellt bei 6061 unter vielen Einsatzbedingungen kein bedeutendes Risiko dar, die Anfälligkeit nimmt jedoch mit höherfesten Zuständen und exponierten Spannungen in chloridhaltigen Umgebungen zu. Galvanische Wechselwirkungen mit edleren Metallen (z. B. Edelstahl, Kupfer) können lokal beschleunigte Korrosion bewirken, weshalb in Konstruktionen mit Mischmetallen elektrische Isolation oder Opferanodenlösungen zu berücksichtigen sind.
Bearbeitungseigenschaften
Schweißbarkeit
6061 lässt sich sehr gut mit gängigen Schmelzschweißverfahren wie TIG (GTAW) und MIG (GMAW) schweißen; die Schweißbarkeit ist einer der wesentlichen technischen Vorteile gegenüber höherfesten, härtbaren Legierungen. Übliche Zusatzwerkstoffe sind 4043 (Al-Si) für bessere Fließfähigkeit und reduzierte Rissneigung sowie 5356 (Al-Mg) bei höherfesten Schweißnähten und Farbangleichung; die Wahl beeinflusst Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit der Verbindung.
Im Wärmeeinflussbereich (WEZ) weichelt das Material typischerweise gegenüber dem T6-Grundzustand auf, da Ausscheidungen sich auflösen oder gröber werden. Für sicherheitsrelevante Bauteile wird daher eine nachgeschaltete Wärmebehandlung oder der Einsatz von T651-Grundmaterial empfohlen. Die Gefahr von Heißrissen ist im Vergleich zu Al-Cu-Legierungen gering, aber Fügedesign, Spannungseinstellungen und Sauberkeit sind wichtig, um Porosität und unvollständige Fusion zu vermeiden.
Zerspanbarkeit
6061 zählt unter den Aluminiumlegierungen zu den gut zerspanbaren; es lässt sich sauberer und schneller bearbeiten als viele höherfeste Legierungen und liefert eine gute Oberflächenqualität. Hartmetallwerkzeuge werden bei moderat hohen Schnittgeschwindigkeiten eingesetzt, Schmier- und Kühlmittel reduzieren den Anbackverschleiß und verbessern die Spännevakuierung. Späne sind in der Regel kurz und gut handhabbar, wenn die Bearbeitungsparameter kontrolliert werden.
Vorschub und Schnittgeschwindigkeit sind an den Zustand und die Blechdicke anzupassen; höhere Festigkeiten (T6) erhöhen im Vergleich zum weichgeglühten Material die Schnittkräfte und den Werkzeugverschleiß. Zur Herstellung präziser Bauteile ist oft eine Kontrolle der Gratschbildung und eine Nachbearbeitung erforderlich.
Umformbarkeit
Die Umformbarkeit hängt stark vom Zustand ab: geglühte (O) und T4-Zustände lassen sich gut umformen und tolerieren enge Biegeradien und Tiefziehen, während T6 nur begrenzte Kaltumformbarkeit bietet und zur Rissbildung neigt. Empfohlene minimale Innenbiegeradien für 90°-Abkantungen in geglühtem Blech liegen typischerweise bei R/t ≈ 1–2 für leichte Umformung, während bei T6 größere Radien oder Vorwärmen/Lösungsglühen und anschließendes Auslagern nötig sind, um vergleichbare Geometrien zu erreichen.
Für moderate Umformungen mit anschließender endgültiger Auslagerung wird häufig die T4-Umformung gefolgt von T6-Aushärtung angewendet, um sowohl Geometrie als auch Endfestigkeit zu optimieren. Konstrukteure sollten Federverzug und anisotrope Eigenschaften aus dem Walzprozess beachten und geeignete Kornorientierungen und Werkzeugausführungen wählen, um Rissbildung zu minimieren.
Wärmebehandlungsverhalten
Die Lösungsglühtemperatur für 6061 liegt typischerweise im Bereich von ca. 520–560 °C, um Mg2Si und andere lösliche Bestandteile in eine übersättigte Festlösung zu überführen, gefolgt von raschem Abschrecken zur Lösungserhaltung. Die künstliche Alterung erfolgt anschließend bei niedrigen Temperaturen (häufig 160–190 °C) über mehrere Stunden, wodurch feine, festigkeitssteigernde Mg2Si-Ausscheidungen gebildet werden und der T6-Zustand erreicht wird; das Zeit-Temperatur-Profil steuert das Verhältnis von Festigkeit und Zähigkeit.
T4 ist der natürlich ausgehärtete Zustand nach Lösungsglühen und Abschrecken, bietet gute Umformbarkeit für die nachfolgende Bearbeitung vor der künstlichen Alterung zu T6 oder T5. Stabilisierte Zustände wie T651 umfassen eine kontrollierte Dehnung oder Spannungsausgleich nach dem Abschrecken, um Eigenspannungen und Verzug bei dickem Blech und Strangpressprofilen zu reduzieren.
Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen
6061 verliert mit steigender Temperatur zunehmend an Festigkeit; signifikante Abnahmen von Streckgrenze und Zugfestigkeit treten über etwa 100–150 °C auf. Die empfohlene dauerhafte Einsatztemperatur liegt meist unter etwa 120 °C für tragende Bauteile. Bei höheren Temperaturen sinkt die Stabilität der Mg2Si-Ausscheidungen, und Kriechen kann bei langanhaltender Belastung in heißer oder aggressiver Umgebung relevant werden.
Oxidation bei typischen Einsatztemperaturen ist im Vergleich zu Stählen minimal, dennoch werden Schutzbeschichtungen oder Anodisieren zur Erhaltung der Oberflächenqualität eingesetzt. Der Wärmeeinflussbereich geschweißter Bauteile zeigt aufgrund der Ausscheidungsvergröberung oft veränderte Hochtemperatureigenschaften, daher sollten thermische Beanspruchungen kontrolliert werden, um Auslegungsspielräume zu wahren.
Anwendungen
| Branche | Beispielkomponente | Warum 6061 verwendet wird |
|---|---|---|
| Automobilbau | Trägerkonsolen, Fahrgestellschienen | Ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit |
| Marine | Bootsarmaturen, Geländer | Gute Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit bei moderatem Meeresklima |
| Luft- und Raumfahrt | Befestigungen, Adapter, Innenstrukturen | Gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht sowie gute Bearbeitungseigenschaften |
| Elektronik | Kühlkörper, Gehäuse | Hohe Wärmeleitfähigkeit und einfache Zerspanbarkeit |
| Freizeit | Fahrradrahmen, Campingausrüstung | Leicht, schweißbar und kosteneffizient |
6061 wird bevorzugt eingesetzt, wenn eine Kombination aus guter Zerspanbarkeit, Schweißbarkeit, mäßiger bis hoher Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gefragt ist, ohne die höheren Kosten oder speziellen Verarbeitungserfordernisse höherfester Aluminiumlegierungen. Die Vielseitigkeit in Produktformen und Zustandsoptionen unterstützt ein breites Spektrum an technischen Konstruktionen.
Auswahlhinweise
Für allgemeine tragende und geschweißte Bauteile ist 6061 eine gute Erstwahl, wenn ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit, Korrosionsschutz und Fertigungskomfort erforderlich ist. Der T6-Zustand bietet respektable Streck- und Zugfestigkeit bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit mit gängigen Zusatzwerkstoffen, wobei jedoch die Weichstellung im Wärmeeinflussbereich bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss.
Im Vergleich zu reinem Aluminium (1100) handelt es sich bei 6061 um eine Legierung mit höherer Festigkeit und besserer Zerspanbarkeit, jedoch geringeren elektrischen und thermischen Leitwerten sowie leicht reduzierter Umformbarkeit. Gegenüber Kaltumgeformten Legierungen wie 3003 oder 5052 bietet 6061 höhere Festigkeiten durch Wärmebehandlung, jedoch meist geringere Duktilität und etwas reduzierte Korrosionsbeständigkeit gegenüber Chlorid.
- Bevorzugen Sie 6061 gegenüber 6063, wenn höhere Festigkeit und bessere Zerspanbarkeit wichtig sind, trotz des leicht besseren Oberflächenbildes und Anodisierverhaltens von 6063.
- Für dauerhafte, stark chloridexponierte Marineinsätze sind 5xxx-Legierungen zu empfehlen, bei denen Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund steht.
- Wählen Sie geglühte oder T4-Zustände bei hoher Umformkomplexität und härten Sie anschließend zum T6-Zustand für erforderliche Endfestigkeit aus.
Abschließende Zusammenfassung
6061 bleibt eine der am weitesten verbreiteten gewalzten Aluminiumlegierungen, da es eine pragmatische Balance aus Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und Zerspanbarkeit über viele Produktformen und Zustände bietet. Die Anpassungsfähigkeit an Standard-Wärmebehandlungen, ein ausgereifter Liefermarkt sowie zuverlässige Leistungsfähigkeit machen es zu einer verlässlichen Wahl für Konstrukteure und Hersteller in verschiedensten Branchen.