Aluminium A2024: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandsübersicht & Anwendungen

Umfassender Überblick

A2024 ist eine Aluminium-Kupfer-Legierung aus der 2xxxer-Serie, bei der die Aluminium-Matrix hauptsächlich durch Zugaben von Kupfer und Magnesium verstärkt wird. Die Legierung enthält typischerweise etwa 3,8–4,9 % Cu, 1,2–1,8 % Mg sowie kleinere Mengen Mn, der Rest besteht aus Al und Spuren anderer Elemente.

A2024 ist eine wärmebehandelbare Legierung, die durch Lösungsglühen und Ausscheidungshärtung hohe statische Festigkeiten erreicht. Ihre Hauptmerkmale sind hohe Zug- und Ermüdungsfestigkeit, gute Bearbeitbarkeit und moderate Umformbarkeit in weicheren Zuständen, während die Korrosionsbeständigkeit gegenüber vielen Legierungen der 5xxx- und 6xxx-Serien geringer ist und häufig eine Oberflächenbehandlung für anspruchsvolle Einsatzbedingungen erfordert.

Typische Einsatzbereiche für A2024 sind Haupt- und Sekundärstrukturen im Luftfahrtbau, hochfeste Schmiedeteile, Komponenten für Lkw und Auflieger sowie einige marine Bauteile, bei denen das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht entscheidend ist und eine schützende Beschichtung verwendet wird. Ingenieure wählen A2024, wenn eine hohe spezifische Festigkeit und Ermüdungsleistung im Vordergrund stehen und die Bauteile gegen Korrosion geschützt oder konstruktiv so ausgelegt werden können, dass die begrenzte Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit kompensiert werden.

Temperzustände

Temper	Festigkeitsniveau	Dehnung	Umformbarkeit	Schweißbarkeit	Anmerkungen
O	Niedrig	Hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Vollständig geglüht; ideal für Umformung und Nachbearbeitung
H14	Mittel-niedrig	Moderat	Gut	Schlecht	Leicht Kaltverfestigt; begrenzte Verwendung gegenüber T-Zuständen
T3	Hoch	Moderat	Ausreichend	Schlecht	Lösungsglühen, Kaltumformung, natürliche Alterung
T4	Mittel-hoch	Moderat	Ausreichend	Schlecht	Lösungsglühen, natürliche Alterung; weicher als T6
T6	Hoch	Niedrig-moderat	Begrenzt	Schlecht	Lösungsglühen, künstliche Alterung; maximale Festigkeit
T351 / T3511	Hoch	Moderat	Ausreichend	Schlecht	Lösungsglühen, spannungsarm geglüht durch Dehnung; gebräuchlich in der Luftfahrt
T73	Mittel	Moderat	Ausreichend	Schlecht	Überschießalterung zur Verbesserung der Spannungsrissbeständigkeit bei leichtem Festigkeitsverlust

Der Temperprozess verändert die vorherrschenden Verformungs- und Bruchmechanismen, da er die Größe und Verteilung der Ausscheidungen beeinflusst. Peak-gealterte Zustände (T6/T3) maximieren Festigkeit und Ermüdungswiderstand, vermindern jedoch Duktilität und Umformbarkeit und verschlechtern die Schweißbarkeit aufgrund der Weichzonenbildung im HAZ.

Die Wahl des Temperzustands ist ein Kompromiss zwischen Fertigungsverträglichkeit und Einsatzleistung. Konstrukteure spezifizieren häufig T351/T3 für luftfahrtspezifische Strukturbauteile, bei denen Maßhaltigkeit nach Abschrecken und Entspannung wichtig ist.

Chemische Zusammensetzung

Element	% Bereich	Anmerkungen
Si	≤ 0,5	Häufige Verunreinigung; begrenzt zur Vermeidung spröder Zwischenphasen
Fe	≤ 0,5	Bildet Fe-reiche Zwischenphasen, die Bruchverhalten und Spannungsrisskorrosion beeinflussen
Mn	0,3–0,9	Verbessert Festigkeit durch Dispersoidbildung und begrenzt Rekristallisation
Mg	1,2–1,8	Trägt zur Ausscheidungshärtung (Mg-reiche Phasen) und Festigkeit bei
Cu	3,8–4,9	Hauptstärkebildner; steuert Ausscheidungshärtung
Zn	≤ 0,25	Geringer Anteil; höhere Werte unerwünscht für 2xxx-Balance
Cr	0,10–0,35	Kontrolle der Kornstruktur, begrenzt Kornwachstum während Lösungsglühen
Ti	≤ 0,15	Korngrößenverfeinerer während Erstarrung und Barrenverarbeitung
Sonstige (jeweils)	≤ 0,05	Spurenelemente kontrolliert zur Einhaltung mechanischer und korrosiver Spezifikationen

Kupfer und Magnesium sind die aktiven Elemente, die während der Alterung kohärente und semikohärente Ausscheidungen (S'- und S-Phasen) bilden und für die hohe Festigkeit der Legierung verantwortlich sind. Mangan und Chrom wirken als Mikrostrukturstabilisatoren, kontrollieren die Kornfeinung und Dispersoidchemie und verbessern so Zähigkeit und Rekristallisationsbeständigkeit.

Mechanische Eigenschaften

A2024 zeigt hohe Zug- und Streckgrenzen in T3/T6-Zuständen aufgrund einer feinen Verteilung Cu- und Mg-haltiger Ausscheidungen. Die Legierung ist wegen ihrer Kombination aus hoher statischer Festigkeit und günstigem Risswachstumsverhalten in ermüdungskritischen Anwendungen bevorzugt, jedoch kann lokal begrenzte Korrosion die Rissinitiierung bei fehlendem Schutz beschleunigen.

Streck- und Zugfestigkeit hängen von Blechdicke und Temper ab; dünne Bleche erreichen für denselben Zustand in der Regel höhere Festigkeiten. Die Dehnung ist in peak-gealterten Zuständen moderat und im geglühten Zustand deutlich höher; die Härte folgt den Zugfestigkeitseigenschaften und kann im Wärmeeinflussbereich (HAZ) von Schweißnähten erheblich abnehmen.

Die Ermüdungseigenschaften sind für eine Aluminiumlegierung generell ausgezeichnet; die Rissinitiierungslebensdauer profitiert von guter Oberflächenqualität und Korrosionsschutz, während die Risswachstumsraten niedriger liegen als bei vielen nicht wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen. Dickeneinflüsse sind deutlich: dickere Querschnitte können gröbere Ausscheidungsverteilungen und geringere Härtungsreaktion nach Abschreck- und Alterungszyklen zeigen.

Eigenschaft	O/Geglüht	Haupt-Temper (T3 / T6 / T351)	Anmerkungen
Zugfestigkeit (UTS)	~240–300 MPa	~430–490 MPa	Werte abhängig von Temper und Dicke; T6 nahe Spitzenwerten
Streckgrenze (0,2 % Rp0,2)	~70–150 MPa	~300–365 MPa	T3/T6 sehr hohe Streckgrenze; geglüht niedriger
Dehnung (A%)	~20–30 %	~10–20 %	T6 weist tendenziell geringere Dehnung als T3 oder O auf
Härte (HB)	~45–70 HB	~120–160 HB	Härte korreliert mit Ausscheidungszustand und mechanischen Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Wert	Anmerkungen
Dichte	2,78 g/cm³	Hoher Festigkeits-zu-Gewicht-Faktor im Vergleich zu Stahllegierungen
Schmelzbereich	~500–640 °C	Solidus und Liquidus durch Legierungselemente gegenüber reinem Al verschoben
Wärmeleitfähigkeit	~120–150 W/m·K	Niedriger als reines Al, aber weiterhin gut für Wärmeverteilung
Elektrische Leitfähigkeit	~30–40 %IACS	Reduziert gegenüber reinem Al durch Legierungselemente
Spezifische Wärme	~0,88–0,90 J/g·K	Typischer Wert für Aluminium nahe Raumtemperatur
Thermische Ausdehnung	~23–24 µm/m·K	Ähnlicher Koeffizient wie andere Al-Legierungen; bei Konstruktionen thermische Dehnungen berücksichtigen

Die Dichte und thermischen Eigenschaften machen A2024 dort attraktiv, wo Gewichtseinsparungen bei moderatem Wärmemanagement gefordert sind. Wärmeleitfähigkeit und Ausdehnung sollten bei Baugruppen mit unterschiedlichen Werkstoffen berücksichtigt werden, um thermische Spannungen und galvanische Einflüsse zu vermeiden.

Produktformen

Form	Typische Dicke/Größe	Festigkeitsverhalten	Übliche Temper	Anmerkungen
Blech	0,3–6 mm	Durchgängig gleichmäßige Festigkeit bei dünnen Querschnitten	O, T3, T6, T351	Häufigste Form für Flugzeughaut und Strukturtafeln
Platte	>6 mm bis ca. 150 mm	Kann Festigkeitsgradienten durch Dicke zeigen	T3, T6, T73	Starke Querschnitte erfordern kontrolliertes Abschrecken und Altern zur Vermeidung weicher Kerne
Strangpressprofil	Begrenzte Querschnitte	Weniger gebräuchlich wegen Risiko von Guss-/Extrusionsrissen	T6 (aushärtbar)	Extrudierte Profile vorhanden, aber weniger verbreitet als 6xxx Legierungen
Rohr	Außendurchmesser 10–150 mm, wandstärkenabhängig	Gute Ermüdungsfestigkeit bei nahtlosen Rohren	T3, T6	Einsatz bei hochfesten Rohrstrukturen und Fachwerken
Stab/Rundstahl	Verschiedene Durchmesser	Gute Zerspanbarkeit in den meisten Zuständen	O, T6	Geschmiedete und gezogene Stäbe für Fittings und Verbindungselemente

Verarbeitungsprozesse (Kaltwalzen, Schmieden, Strangpressen) beeinflussen die Endeigenschaften durch Textur und Eigenspannungen. Platten und schwere Schmiedeteile erfordern sorgfältige Wärmebehandlung und Abschreckkontrolle, um weiche Bereiche zu vermeiden und eine gleichmäßige mechanische Leistung durch die Dicke zu erzielen.

Äquivalente Werkstoffbezeichnungen

Norm	Werkstoff	Region	Anmerkungen
AA	A2024	USA	Primäre Bezeichnung für gewalzte Produkte
EN AW	2024	Europa	EN AW-2024 gebräuchlich; Spezifikationen können sich in Reinheitsgrenzen unterscheiden
JIS	A2017 / äquivalent A2024	Japan	A2017/2024 Familienmitglieder haben ähnliche Cu-Mg-Gehalte, aber unterschiedliche Grenzwerte
GB/T	2A02 / 2024	China	2A02 bezeichnet die chinesische Äquivalenz in nationalen Normen

Äquivalenztabellen sind nur annähernd, da einzelne Normen unterschiedliche Grenz- und Prüfanforderungen bezüglich Verunreinigungen und mechanischer Eigenschaften definieren. Anwender sollten Temperbezeichnungen und Zertifizierungsspezifikationen beim Austausch von Werkstoffen aus verschiedenen Normen oder Regionen sorgfältig prüfen.

Korrosionsbeständigkeit

A2024 verfügt über eine moderate atmosphärische Beständigkeit in offenen, trockenen Umgebungen, ist jedoch anfällig für lokale Korrosion und Lochfraß in maritimen und chloridhaltigen Atmosphären. Unbeschichtete 2024-Legierungen, die Meerwasser oder Spritzwasserzonen ausgesetzt sind, korrodieren relativ schnell im Vergleich zu 5xxx- und 6xxx-Serienlegierungen, weshalb Konstrukteure üblicherweise Alclad-Beschichtungen, Eloxieren oder organische Beschichtungen zum Schutz einsetzen.

Spannungsrisskorrosion (SCC) ist ein bekanntes Problem bei 2xxx-Serienlegierungen, insbesondere in peak-gealterten Zuständen unter Zugspannungen und korrosiven Umgebungen. Überalterte Zustände wie T73 oder lokale Konstruktionsmaßnahmen, die Restzugspannungen reduzieren, können das SCC-Risiko verringern – allerdings auf Kosten eines gewissen Festigkeitsverlusts.

Die galvanische Wechselwirkung mit ungleichartigen Metallen ist eine wichtige Konstruktionsüberlegung; gekoppelt mit kathodischen Metallen wie rostfreiem Stahl wird 2024 anodisch wirken und bevorzugt korrodieren. Im Vergleich zu 6xxx- und 5xxx-Legierungen bietet A2024 höhere Festigkeit, jedoch deutlich schlechtere Korrosionsbeständigkeit in unbehandelter Umgebung, die durch Schutzmaßnahmen kompensiert werden muss.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

Das Schweißen von A2024 ist aufgrund der Neigung zu Heißrissen und erheblicher Wärmezonenerweichung (HAZ), die die Festigkeit im Vergleich zum Grundwerkstoff reduziert, herausfordernd. Argonlichtbogen-Schweißen (TIG) und Metalllichtbogenschweißen (MIG) können mit speziellen Zusatzwerkstoffen wie 2319 durchgeführt werden, jedoch erreichen die Schweißverbindungen selten die Festigkeit des T3/T6-Grundmaterials ohne nachfolgende lokale Wärmebehandlung. Für tragende Anwendungen werden mechanische Verbindungen, Kleben oder genietete Bauweisen häufig bevorzugt gegenüber Schweißverbindungen.

Zerspanbarkeit

A2024 gilt unter den hochfesten Aluminiumlegierungen als gut zerspanbar, mit kontrollierbaren Spänen und guter Oberflächengüte bei Verwendung scharfer Hartmetallwerkzeuge und reichlich Kühlschmierstoff. Die Zerspanungsindizes liegen typischerweise im Bereich von 60–80 % relativ zu weicheren, gut zerspanbaren Aluminiumlegierungen. Futterreiche Strategien mit positiv geneigten Schneiden helfen, den Spanaufschlag zu kontrollieren. Empfohlene Werkzeugungen umfassen Hartmetall-Wendeplatten, robuste Spanabfuhr und Berücksichtigung unterbrochener Schnitte bei Schmiedeteilen und Formgusskomponenten.

Umformbarkeit

Die Umformung ist am besten in weicheren Zuständen wie O oder H1x durchführbar und eingeschränkt in peak-gealterten Zuständen, in denen die Duktilität reduziert ist. Biegeradien sollten konservativ gewählt werden; ein minimaler Innenbiegeradius von etwa 2–3-facher Werkstoffdicke ist ein praxisnaher Ausgangspunkt für T3/T6-Bleche, während O-temperiertes Material enge Radien zulässt. Wenn Umformen für hochfeste Bauteile erforderlich ist, sollten Vorwärmprozesse (Biegevorgang im O-Zustand, anschließend Lösungsglühen und Auslagern) eingesetzt werden, um die endgültigen mechanischen Eigenschaften zu erreichen.

Verhalten bei Wärmebehandlung

A2024 ist eine wärmebehandelbare Legierung und spricht gut auf Lösungsglühen und gesteuertes Auslagern an. Typische Lösungsglühtemperaturen liegen im Bereich von 495–500 °C, um Kupfer und Magnesium in den festen Zustand zu lösen, gefolgt von schnellem Abschrecken zur Erhaltung der Übersättigung. Natürliche Alterung (T4/T3-Varianten) führt im Laufe der Zeit zu partieller Festigkeitssteigerung, während künstliches Auslagern (T6) bei etwa 160–200 °C über mehrere Stunden die ausscheidungsgehärteten Phasen bildet und maximale Härte erreicht.

Temperübergänge wie T3 (Lösungsglühen, Kaltverfestigung, natürliche Alterung) und T6 (Lösungsglühen, Abschrecken, künstliches Auslagern) verändern die Ausscheidungsmorphologie von feinen, kohärenten Clustern zu größeren, halbkohärenten S'-Ausscheidungen und führen zu deutlich erhöhten Festigkeiten. Überalterung (T73) erzeugt gröbere Ausscheidungen, die die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion verbessern, jedoch die maximale Festigkeit reduzieren – ein Kompromiss für anspruchsvolle Einsatzbedingungen.

Eine nicht wärmebehandelbare Härtung von A2024 ist begrenzt; Kaltumformung stärkt zwar etwas, eine vollständige Festigkeitswiederherstellung nach Kaltverformung erfordert jedoch wärmebehandlungsspezifische Abfolge für 2xxx-Legierungen, die mit Abschreckkontrolle durchgeführt werden muss, um Eigenschaftsgradienten zu vermeiden.

Hochtemperatureigenschaften

A2024 verliert erhebliche Festigkeit bei Temperaturen über etwa 100–150 °C und wird normalerweise nicht für Dauerbetrieb unter erhöhten Temperaturen spezifiziert. Die Kriechbeständigkeit ist im Vergleich zu hochtemperaturbeständigeren Legierungen und Stählen begrenzt, und längere Exposition nahe Alterungstemperaturen kann zu Überalterung und Erweichung von peak-gealterten Zuständen führen. Oxidation ist verglichen mit Stählen minimal, jedoch begrenzen die mechanische Eigenschaftsverschlechterung und mögliche Ausscheidungsvergröberung den Langzeiteinsatz über Raumtemperatur hinaus.

Bei geschweißten Strukturen ist die Wärmezone (HAZ) besonders empfindlich gegenüber thermischen Zyklen, welche weiche Bereiche erzeugen; diese Zonen können Versagen unter zyklischer Belastung bei erhöhten Temperaturen kontrollieren. Die Konstruktion für thermische Zyklen und Einsatztemperatur muss Verlust von Streck- und Zugfestigkeit sowie mögliche beschleunigte Korrosionskinetik berücksichtigen.

Anwendungen

Branche	Beispielkomponente	Warum A2024 verwendet wird
Luft- und Raumfahrt	Flügelhaut, Rumpfrahmen, Beschläge	Hohe spezifische Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit
Marine	Strukturbauteile mit Beschichtung	Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis für nicht-exponierte Strukturen
Automobilindustrie	Fahrwerks- und Strukturbauteile	Hohe statische und Ermüdungsfestigkeit bei geringem Gewicht
Verteidigung	Lenkwaffen- und Munitionskomponenten	Gute Festigkeit und Bearbeitbarkeit für Präzisionsteile
Elektronik	Strukturelle Wärmeverteiler und Gehäuse	Ausgewogenheit von Steifigkeit, Bearbeitbarkeit und Wärmeleitfähigkeit

A2024 bleibt eine bevorzugte Legierung, wenn hohe statische und Ermüdungsfestigkeit zusammen mit guter Bearbeitbarkeit und akzeptablem Gewicht gefordert sind. Schutzbeschichtungen und sorgfältige Verbindungsgestaltung sind Voraussetzung für zuverlässigen Langzeiteinsatz in korrosiven Umgebungen.

Auswahlhinweise

Wählen Sie A2024, wenn Priorität auf hoher Zug- und Ermüdungsfestigkeit bei guter Bearbeitbarkeit liegt und Korrosionsschutz bereitgestellt werden kann. Verwenden Sie T3/T351 für luftfahrttechnische Strukturbauteile, bei denen Ermüdungsdauer und Maßstabilität entscheidend sind, und erwägen Sie T73 oder Beschichtungen bei SCC- oder Marineanwendungen.

Im Vergleich zu reinem Aluminium (1100) tauscht A2024 elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie überlegene Umformbarkeit gegen deutlich höhere Festigkeit und Ermüdungswiderstand, was es für maximale Leitfähigkeit oder Tiefumformung ungeeignet macht. Gegenüber Kaltumformlegierungen wie 3003 oder 5052 bietet A2024 deutlich höhere Festigkeit, jedoch geringere Korrosionsbeständigkeit und schlechtere Schweißbarkeit, weshalb jene Legierungen bevorzugt werden, wenn Korrosionsschutz und Fügebarkeit im Vordergrund stehen. Im Vergleich zu gebräuchlichen wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 bietet A2024 typischerweise höhere Ermüdungsfestigkeit und Steifigkeit bei gleicher Masse, aber schlechtere Korrosionsbeständigkeit und erschwerte Schweißbarkeit; A2024 wird gewählt, wenn strukturelle Ermüdungsmargen diese Nachteile überwiegen.

Zusammenfassung

A2024 bleibt eine wichtige hochfeste Aluminiumlegierung für Luft- und Raumfahrt sowie Hochleistungsstrukturbauteile aufgrund ihres ausgezeichneten Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnisses und Ermüdungseigenschaften. Der Einsatz erfordert bedacht getroffene Entscheidungen bezüglich Temper, Schutzbeschichtung und Fügeverfahren, um Korrosions- und Schweißbarkeitseinschränkungen zu managen; wenn diese Punkte beachtet werden, bietet A2024 eine effiziente Balance aus mechanischer Leistung und Fertigbarkeit.