Aluminium 8021: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen

Umfassender Überblick

8021 gehört zur 8xxx-Serie der Aluminiumlegierungen, einer Gruppe, die Kompositionen außerhalb der traditionellen 1xxx–7xxx Gruppen umfasst und typischerweise für spezifische Leistungskombinationen statt für den Massenmarkt maßgeschneidert ist. Die Chemie umfasst in der Regel moderate Mengen an Silizium und Magnesium bei kontrollierten Gehalten an Eisen und Mangan; kleine Zugaben von Kupfer, Chrom und Titan werden zur Festigkeitsanpassung und Kornstrukturkontrolle eingesetzt.

Die Legierung ist im Allgemeinen wärmebehandelbar durch Aufhärtung (Ausscheidungshärtung), wenn Mg und Si in geeigneten Verhältnissen vorhanden sind, obwohl einige Fertigungsprozesse auch kontrollierte Kaltverfestigung verwenden, um Zwischenwerteigenschaften zu erzielen. Wesentliche Eigenschaften sind eine mäßig bis hohe spezifische Festigkeit für eine Nicht-7xxx-Legierung, gute atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, angemessene thermische und elektrische Leitfähigkeit für Aluminium sowie gute Umformbarkeit im weichgeglühten Zustand; die Schweißbarkeit ist bei Beachtung von Zusatzstoffanpassung und Wärmeeintrag typischerweise akzeptabel.

Industrien, die häufig das 8021-typische Leistungsprofil nutzen, sind die Automobilindustrie (Struktur- und Karosserieteile), der Transportsektor (Wärmetauscher und Zierleisten), Konsumgüter (Applikationen und leichte Gehäuse) sowie Spezialverpackungen, bei denen eine Kombination aus Umformbarkeit und Festigkeit erforderlich ist. Ingenieure wählen 8021, wenn sie eine wärmebehandelbare Aluminiumlegierung mittlerer Festigkeit benötigen, welche eine bessere Festigkeit als gängige 1xxx- oder 3xxx-Legierungen bietet, jedoch leichter zu formen und kostengünstiger als hochfeste 6xxx/7xxx-Systeme ist.

Im Vergleich zu vielen wärmebehandelbaren Legierungen betont 8021 die Kombination von Eigenschaften – eine ausreichende Ausscheidungshärtung ohne extreme Anfälligkeit gegenüber Abschreck- oder Alterungssensitivität – und wird häufig bevorzugt, wenn Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit zugunsten inkrementeller Festigkeitssteigerungen nicht beeinträchtigt werden dürfen.

Ausführungen (Tempers)

Ausführung	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Bemerkungen
O	Niedrig	Hoch (20–35%)	Hervorragend	Hervorragend	Vollständig geglüht, maximale Duktilität für Umformung
H14	Mittel	Mittel (10–18%)	Gut	Gut	Kaltverfestigt auf mittlere Festigkeit, verwendet für Ziehteile
T4	Mittel	Mittel (12–20%)	Gut	Gut	Lösungsgeglüht und natürlich gealtert; Ausgewogenheit zwischen Umformbarkeit und Festigkeit
T5	Mittel-Hoch	Niedriger (8–15%)	Mäßig	Gut	Abgekühlt nach Umformung und künstlich gealtert; gut für Extrusionen und stranggepresste Profile
T6	Hoch	Niedrig (6–12%)	Begrenzt	Akzeptabel	Lösungsgeglüht und künstlich gealtert für maximale Festigkeit
T651	Hoch	Niedrig (6–12%)	Begrenzt	Akzeptabel	Lösungsgeglüht, durch Strecken spannungsarm geglüht, künstlich gealtert; gebräuchlich für Strukturbleche

Der Ausführung (Temper) kommt eine entscheidende Bedeutung für die Zugfestigkeit und Streckgrenze zu, da 8021 auf Ausscheidungshärtung reagiert, wenn Mg und Si vorhanden sind. Weichgeglühtes (O) Material wird dort eingesetzt, wo maximale Umformbarkeit gefragt ist, während T6 oder T651 Ausführungen Spitzenfestigkeit für Strukturbauteile auf Kosten der Duktilität bieten.

Zwischenstufen der H- und T-Ausführungen erlauben Konstrukteuren, einen Kompromiss zwischen Umformbarkeit und Festigkeit anzustreben; beispielsweise werden T4 oder T5 häufig gewählt, wenn nachfolgende Umformungen oder Schweißprozesse erwartet werden und eine volle T6-Ausprägung entweder nicht erforderlich ist oder Risse riskieren würde.

Chemische Zusammensetzung

Element	Massen-% Bereich	Bemerkungen
Si	0.3–0.9	Trägt zur Festigkeit durch Mg2Si-Ausscheidungen bei, wenn Mg vorhanden ist; verbessert Gießbarkeit und begrenzt Löslichkeit von Fe.
Fe	0.2–0.7	Übliche Verunreinigung; steuert Art der intermetallischen Partikel und beeinflusst Kornstruktur sowie Zähigkeit.
Mn	0.05–0.6	Kornfeinbildner und Festigungselement im festen Lösung oder als Dispergierte; verbessert Korrosionsbeständigkeit.
Mg	0.4–0.9	Hauptaushärtungselement (mit Si) für Ausscheidungshärtung; erhöht auch die Kaltverfestigungsempfindlichkeit.
Cu	0.05–0.4	Ermöglicht höhere Festigkeit durch Al2Cu Ausscheidungen, kann jedoch Korrosionsbeständigkeit bei Überschuss mindern.
Zn	0.05–0.25	Üblicherweise niedrig; kleine Mengen zur Feinabstimmung von Festigkeit und Alterungskinetik.
Cr	0.02–0.15	Steuert Rekristallisation und Kornwachstum; verbessert Temperaturstabilität des Tempers und Zähigkeit.
Ti	0.01–0.10	Zugabe als Kornfeinbildner im Block-/Stranggut; fördert isotrope mechanische Eigenschaften.
Sonstige	Rest Al	Spurenelemente (V, Zr, Sr) können zur Mikrostrukturkontrolle eingefügt sein.

Das Verhältnis von Mg zu Si bestimmt, ob sich 8021 wie eine klassische ausscheidungshärtbare Legierung (Bildung von Mg2Si) verhält oder hauptsächlich durch Umformhistorie und kleine Dispergierte gestärkt wird. Eisen und Mangan werden typischerweise kontrolliert, um grobe intermetallische Phasen zu begrenzen, die Duktilität und Umformbarkeit verschlechtern. Spurenelemente wie Chrom und Titan werden zum Kornstrukturmanagement während Walz- und Strangpressprozessen eingesetzt, um Zähigkeit zu verbessern und Anisotropie zu reduzieren.

Mechanische Eigenschaften

Zugtechnisch zeigt 8021 ein breites Spektrum erreichbarer Eigenschaften: Im weichgeglühten Zustand besitzt es die Duktilität von universell einsetzbarem Aluminium, während die Spitzenwerte der Alterszustände Festigkeiten erreichen, die für leichte Strukturbauteile geeignet sind. Das Streckverhalten in T6/T651-Ausführungen reflektiert klassische Ausscheidungshärtung mit einem deutlichen Anstieg gegenüber O- oder H-Tempern; Höhenplateau und Kaltverfestigungsexponent werden durch Ausführung und Blechdicke beeinflusst.

Die Härte korreliert annähernd mit der Zugfestigkeit; weichgeglühte Bleche sind weich und gut umformbar, während T6-Profile deutlich höhere Härte und geringere Dehnung zeigen. Die Dauerfestigkeit ist für diese Legierungsgruppe generell gut, sofern die Oberflächenbeschaffenheit kontrolliert wird; die Lebensdauer unter Lastwechseln ist abhängig von Zugfestigkeit, Oberflächenzustand und Dicke, da Rissinitiierung häufig an Oberflächenfehlern oder intermetallischen Partikeln erfolgt.

Effekte der Blechdicke sind wichtig: Dünnbleche erreichen nach Kaltverfestigung und Abschreckung höhere scheinbare Festigkeiten durch schnellere Abkühlung, während dicke Platten längere Lösungsbehandlungszeiten und gröbere Mikrostruktur benötigen, was die maximal erreichbare Festigkeit mindert. Bearbeitungsbedingte Eigenspannungen und durch Schweißen veränderte Wärme-Einflusszonen können ebenfalls Dauerfestigkeit und Zugverhalten beeinflussen.

Eigenschaft	O/Weichgeglüht	Wichtige Ausführung (T6/T651)	Bemerkungen
Zugfestigkeit	90–140 MPa	240–300 MPa	Bereich abhängig von Dicke und genauer Wärmebehandlung; T6 bietet die höchste Festigkeit.
Streckgrenze	40–70 MPa	160–260 MPa	Signifikanter Anstieg durch künstliches Altern; Streuung durch Fertigungsprozess steuerbar.
Bruchdehnung	20–35%	6–12%	Weichgeglüht für Umformung; Alterszustände reduzieren Duktilität bei erhöhter Festigkeit.
Härte	25–40 HB	70–95 HB	Brinell-Härte folgt ungefähr der Zugfestigkeit; variiert mit Ausführung und Mikrostruktur.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Bemerkungen
Dichte	2,70 g/cm³	Typisch für Aluminiumlegierungen; bietet günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.
Schmelzbereich	≈ 555–640 °C	Fest-/Flüssigbereich abhängig von Si- und weiteren Legierungsbestandteilen; kein eindeutiger Schmelzpunkt.
Wärmeleitfähigkeit	130–160 W/m·K	Niedriger als bei reinem Aluminium, aber immer noch ausreichend für Wärmetauscheranwendungen.
Elektrische Leitfähigkeit	32–44 % IACS	Niedriger als bei reinem Aluminium durch Legierung; für viele elektrische Anwendungen ausreichend.
Spezifische Wärme	≈ 900 J/kg·K	Typischer Wert für Aluminium zur Berechnung thermischer Massen.
Thermische Ausdehnung	23–24 µm/m·K	Ähnlich wie andere Al-Mg-Si-Legierungen; wichtig für Berechnung thermischer Spannungen.

Die Kombination von elektrischer und thermischer Leitfähigkeit bei 8021 stellt einen nützlichen Kompromiss zwischen reinem Aluminium und stark legierten, hochfesten Systemen dar. Die thermische Ausdehnung und geringe Dichte machen die Legierung attraktiv für Baugruppen, bei denen angepasste thermische Ausdehnung und Gewichtskontrolle gefordert sind. Konstrukteure sollten Leitfähigkeitsminderungen gegenüber reinem Aluminium bei der Auslegung von Wärmeübertragungsbauteilen oder elektrischen Sammelschienen berücksichtigen.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Zustände	Hinweise
Blech	0,2–6,0 mm	Gleichmäßige Eigenschaften durch Kaltwalzen; dünnere Stärken kühlen schneller ab	O, H14, T4, T6, T651	Verwendet für Karosseriebleche, Gehäuse und Wärmetauscher
Platte	>6,0–100 mm	Aufgrund der größeren Dicke kann die maximale Festigkeit geringer ausfallen	O, T6	Bauteile mit Anforderungen an höheren Querschnittsfestigkeiten
Strangpressprofil	Querschnitte bis zu 300 mm	Festigkeit abhängig vom Strangpressverhältnis und dem Ausscheidungszustand	T5, T6	Komplexe Profile, Schienen und Rahmen
Rohr	Durchmesser 6–200+ mm	Wandstärke beeinflusst Abkühlung und Ausscheidungsvorgänge	O, T6	Wärmetauscherrohre, Leitungssysteme
Stab/Rundstahl	6–100 mm Durchmesser	Gute Zerspanbarkeit im Zustand O; höhere Festigkeit im T6-Zustand	O, T6	Schrauben, Bolzen, Wellen (bei ausreichender Korrosionsbeständigkeit)

Die Blech- und Folienverarbeitung basiert auf kontrollierten Walzzyklen und Lösungsglühen, um eine gleichmäßige Ausscheidungsverteilung in 8021 zu erzielen. Für Strangpressprofile ist eine enge Chemie und homogene Halbzeugqualität notwendig, um Oberflächenfehler zu vermeiden und konstante mechanische Eigenschaften zu gewährleisten. Die Plattenfertigung für Strukturbauteile nutzt längere thermische Zyklen und teils Homogenisierungsbehandlungen, um Mittelliniensedimentierungen und grobe Intermetallische Phasen zu minimieren.

Äquivalente Werkstoffbezeichnungen

Norm	Werkstoff	Region	Hinweise
AA	8021	USA	Handelsübliche Legierungsbezeichnung, verwendet in nordamerikanischen Lieferketten.
EN AW	8021 (oder vorläufig)	Europa	Einige Hersteller liefern EN-Äquivalente projektbezogen, nicht umfassend standardisiert.
JIS	A8021 (kommerziell)	Japan	Häufig in Lieferantendokumentationen genannt; genaue Zusammensetzung kann variieren.
GB/T	8021	China	Handelsbezeichnungen vorhanden, jedoch leicht unterschiedliche Zusammensetzungstoleranzen möglich.

Direkte 1:1-Äquivalenzen für 8xxx-Legierungen sind oft nicht eindeutig, da regionale Normen leicht unterschiedliche Verunreinigungsgrenzen und Bezeichnungsregelungen erlauben. Einkäufer sollten die Werkszertifikate und chemischen Analysen anfordern und bei internationalen Beschaffungen bei Bedarf kritische Eigenschaftsgrenzen spezifizieren statt nur auf Werkstoffbezeichnungen zu vertrauen.

Korrosionsbeständigkeit

8021 bietet allgemein eine gute atmosphärische Korrosionsbeständigkeit dank ausgewogenem Mg/Si-Verhältnis und kontrolliertem Kupfergehalt. Die Legierung bildet eine stabile, haftfähige Oxidschicht in vielen Umgebungen und zeigt eine bessere Lochfraßbeständigkeit als Legierungen mit höherem Kupferanteil, was sie für Außeneinsätze in Architektur- und Automobilverkleidungen prädestiniert.

In maritimer Atmosphäre und bei Salzsprühnebel zeigt 8021 eine vernünftige Performance gegenüber 5xxx-Serien-Legierungen, jedoch kann eine langzeitige Eintauchung in Chloridlösungen bei unzureichendem Schutz lokal begrenzte Korrosionsschäden hervorrufen. Passivierungsschichten lassen sich durch Eloxieren oder Umwandlungsbeschichtungen ergänzen, um die Lebensdauer in aggressiven Umgebungen zu verlängern.

Spannungsrisskorrosion (SCC) ist für 8021 im Vergleich zu hochfesten 7xxx-Legierungen kein Hauptversagensmechanismus, jedoch können überalterte oder unsachgemäß verschweißte Materialien mit groben Ausscheidungen eine verminderte SCC-Beständigkeit aufweisen. Galvanische Kopplungen sind durch Isolierung gegenüber kathodischen Legierungen (z. B. Edelstahl) und Auswahl kompatibler Verbindungselemente oder Beschichtungen zu steuern; 8021 liegt mit seiner moderaten Leitfähigkeit und Korrosionsverhalten zwischen den 3xxx/5xxx- und den aktiveren 2xxx/7xxx-Familien.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit
8021 lässt sich gut mit gängigen Verfahren (WIG, MAG/MIG und Widerstandsschweißen) schweißen, wenn auf Wärmeeintrag und Schweißzusatzstoff-Kompatibilität geachtet wird. Typische Zusatzwerkstoffe sind 4xxxer Serien (Al-Si) oder Mischungen aus 5xxx/4xxx, je nach Korrosionsbeständigkeit und Festigkeitserhaltung; 4xxx-Zusätze verringern die Neigung zu Heißrissen durch Förderung eines duktileren Schweißgutes. Die Wärmeeinflusszone (WEZ) erweicht typischerweise relativ zum maximal gelagerten Grundwerkstoff, sodass eine nachträgliche Wärmebehandlung oder konstruktive Auslegung für tragende Bauteile erforderlich sein kann.

Zerspanbarkeit
Im geglühten Zustand (O) lässt sich 8021 ähnlich anderen Al-Mg-Si-Legierungen gut bearbeiten mit guter Spankontrolle und geringem Werkzeugverschleiß; der Bearbeitbarkeitsindex ist moderat bis hoch. Für unterbrochene Schnitte oder harte T6-Zustände werden Hartmetall- oder Schnellarbeitsstahlwerkzeuge mit TiN-Beschichtung empfohlen. Empfohlene Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe sollten für peak-gealterte Zustände zurückhaltend gewählt werden, um Aufbauschneiden zu vermeiden; Kühlung und scharfe Werkzeuggeometrien reduzieren Oberflächenverfestigung.

Umformbarkeit
Die Umformung ist am besten in den Zuständen O oder T4 durchzuführen, wo Duktilität und Rückfederverhalten günstig sind; minimale Biegeradien hängen vom Zustand und der Dicke ab, üblicherweise 1–3× Dicke bei einfachen Biegungen im geglühten Blech. Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit durch Verfestigung, und anschließende Lösungsglühen/Auslagern können Bauteile weichmachen oder noch weiter härten. Für Tiefziehen oder komplexe Stanzvorgänge empfiehlt sich der Einsatz von Schmiermitteln und progressivem Umformen, um Faltenbildung und Randrisse zu vermeiden.

Wärmebehandlungsverhalten

Als wärmebehandelbare Legierungsklasse (bedingt durch Mg und Si) durchläuft 8021 die typische T-Zustandsfolge: Lösungsglühen bei Temperaturen meist im Bereich 500–540 °C zum Auflösen löslicher Phasen, schnelles Abschrecken zur Bildung einer übersättigten festen Lösung und künstliches Auslagern bei 150–200 °C zur Ausscheidung von Mg2Si und verwandten Phasen. Lösungszeit und Abschreckgeschwindigkeit sind entscheidend für Bleche und Platten; dünne Bleche kühlen schneller ab und erreichen eine gleichmäßigere Höchstfestigkeit als dickere Bereich.

Typische künstliche Auslagerungszyklen für T6 erreichen Höchsteigenschaften nach 4–12 Stunden bei 160–185 °C, während T5 kürzere Zyklen sind und bei geformten oder stranggestrangten Teilen nach Temperaturabsenkung erfolgen. Überalterung senkt die maximale Festigkeit, verbessert jedoch Spannungsrelaxation und Zähigkeit; der T7-Zustand wird eingesetzt, wenn thermische Stabilität und Spannungsrissbeständigkeit im Vordergrund stehen.

Wenn 8021 in verfestigten Zuständen verarbeitet wird, erfolgt das Glühen (Zustand O) durch Halten bei ~350–400 °C mit anschließendem langsamen Abkühlen, um die Legierung zu erweichen und die Umformbarkeit wiederherzustellen. Kaltumformungszyklen und Teilglühungen (H-Zustände) werden verwendet, um Festigkeit ohne vollständige Wärmebehandlungsschritte einzustellen.

Leistung bei hohen Temperaturen

8021 behält seine mechanischen Eigenschaften bis zu moderaten Einsatztemperaturen; oberhalb von ~150 °C beginnen die ausgefällten Mg2Si-Phasen zu vergröber und die Legierung erfährt einen messbaren Festigkeitsverlust. Für dauerhaften Betrieb bei höheren Temperaturen sollte überaltert werden, um die Mikrostruktur zu stabilisieren, was jedoch die Höchstfestigkeit bei Raumtemperatur reduziert.

Die Oxidation ist durch die schützende Aluminiumschicht begrenzt, doch längere Hochtemperatureinwirkung kann zu Zunderbildung und Diffusion von Legierungselementen führen, die Oberfläche und mechanische Eigenschaften verändern. Wärmeeinflusszonen von Schweißnähten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, können weitere Erweichung oder Phasengroßkornbildung zeigen, weshalb für thermisch zyklische Anwendungen konstruktive Margen und eine nachträgliche Stabilisierung spezifiziert werden sollten.

Anwendungsgebiete

Branche	Beispielkomponente	Warum 8021 verwendet wird
Automobilbau	Karosseriebleche, innere Strukturbleche	Ausgewogene Umformbarkeit und Festigkeit; Gewichtsersparnis und gute Korrosionsbeständigkeit
Maritime Industrie	Verkleidungen, leichte Strukturhalterungen	Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit in moderat aggressiven Umgebungen
Luft- und Raumfahrt	Sekundärbeschläge, Verkleidungen	Günstiges Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und thermisches Verhalten für nicht tragende Bauteile
Elektronik	Kühlkörper, Gehäuse	Gute Wärmeleitfähigkeit und leichte Umformbarkeit zu komplexen Formen

8021 wird häufig dort eingesetzt, wo ein Kompromiss zwischen der Umformfreundlichkeit niedriglegierter Aluminiumlegierungen und der Festigkeit wärmebehandelbarer höherfester Grade gefordert ist. Die Vielseitigkeit hinsichtlich Produktformen und Zustandsfolgen macht sie zu einer kosteneffizienten Wahl für mittelbeanspruchte Strukturkomponenten und Teile des Wärmemanagements.

Auswahlhinweise

Als schnelle Auswahlhilfe: Wählen Sie 8021, wenn Sie eine höhere Festigkeit als bei handelsüblichem Aluminium benötigen, gleichzeitig aber bessere Umformbarkeit und Korrosionsverhalten als bei einigen hochfesten wärmebehandelbaren Legierungen wünschen. Es ist eine praktische Wahl, wenn moderate Höchstfestigkeit, gute Schweißbarkeit und vernünftige Wärmeleitfähigkeit gefragt sind, ohne den Aufwand der Verarbeitung von hochfesten 7xxx-Legierungen.

Im Vergleich zu 1100 (gewerblich reines Al) tauscht 8021 eine gewisse elektrische und thermische Leitfähigkeit gegen erhebliche Verbesserungen in Zugfestigkeit und Streckgrenze sowie geringeren Rückfeder-Effekt beim Umformen ein. Im Vergleich zu Kaltverfestigten Legierungen wie 3003 oder 5052 bietet 8021 typischerweise eine höhere erreichbare Festigkeit nach dem Altern bei ähnlicher oder verbesserter Korrosionsbeständigkeit, weist jedoch eine weniger unkomplizierte Kaltumformbarkeit ohne Zwischenglühen auf. Im Vergleich zu gängigen wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 oder 6063 hat 8021 möglicherweise eine etwas geringere Höchstfestigkeit, kann jedoch aufgrund besserer Schweißbarkeit, einfacherer Alterungsreaktion oder wenn ein spezifisches Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit und Umformbarkeit gewünscht wird, bevorzugt werden.

Kosten und Verfügbarkeit sollten berücksichtigt werden: 8021 eignet sich besonders für Teile mit hohem Volumen, bei denen das maßgeschneiderte Gleichgewicht die Verarbeitungsprozesse reduziert. Für höchste Festigkeiten oder bei vorgeschriebenen zertifizierten Luftfahrtschemien können jedoch weiterhin Legierungen der Serien 6xxx oder 7xxx erforderlich sein.

Abschließende Zusammenfassung

8021 bleibt eine relevante, vielseitige Aluminiumlegierung der mittleren Klasse, die es Entwicklern ermöglicht, die Lücke zwischen hochumformbarem reinem Aluminium und sehr hochfesten, jedoch spröderen Legierungssystemen zu schließen. Ihre einstellbare Ansprechbarkeit auf den Härtegrad, akzeptable Schweißbarkeit sowie ausgewogene Korrosions- und thermische Eigenschaften machen sie zu einem praktischen Werkstoff für Anwendungen in der Automobilindustrie, Schiffbau, Elektronik und dem Leichtflugzeugbau, bei denen Fertigbarkeit und kosteneffiziente Leistungsfähigkeit entscheidende Faktoren sind.