Aluminiumlegierungen sind das Rückgrat der modernen CNC-Bearbeitung und Technik. Ganz gleich, ob Sie Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Gehäuse für die Automobilindustrie oder kundenspezifische Roboterteile entwerfen, Aluminium bietet ein unübertroffenes Verhältnis von hoher Festigkeit zu Gewicht, hervorragender Bearbeitbarkeit und natürlicher Korrosionsbeständigkeit.
Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden technischen Überblick über Aluminiumlegierungen, von der Legierungskunde bis hin zu praktischen Auswahlstrategien für Bearbeitungsprojekte.
Was ist eine Aluminiumlegierung?
Eine Aluminiumlegierung ist eine metallische Substanz, bei der Aluminium (Al) als Grundmatrix dient (in der Regel 85%-99%) und mit anderen Elementen kombiniert wird, um seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
Reines Aluminium ist weich und dehnbar und verfügt nicht über die für die meisten industriellen Anwendungen erforderliche strukturelle Festigkeit. Durch die Zugabe spezifischer Legierungselemente können die Ingenieure das Verhalten des Metalls drastisch beeinflussen. Dieser Prozess verwandelt ein weiches, leitfähiges Metall in ein Material, das so stark wie Stahl (wie 7075) oder so formbar wie Papier (wie geglühte Folie) sein kann.
Wie Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen
Die Leistung einer bestimmten Sorte wird durch ihre "Rezeptur" bestimmt. Das Verständnis der Rolle jedes primären Legierungselements hilft bei der Vorhersage, wie sich ein Werkstoff bei der Bearbeitung und Verwendung verhalten wird:
- Magnesium (Mg): Erhöht die Zugfestigkeit und verbessert die Beständigkeit gegen Seewasserkorrosion. Es verbessert auch die Schweißbarkeit (Schlüssel in der Serie 5xxx).
- Silizium (Si): Senkt den Schmelzpunkt und erhöht die Fließfähigkeit, weshalb es für Gusslegierungen unerlässlich ist. In Knetlegierungen verbindet es sich mit Magnesium und bildet Mg2Siund ermöglicht eine Verstärkung durch Wärmebehandlung (Schlüssel in den Serien 6xxx und 4xxx).
- Zink (Zn): Das stärkste festigende Element. In Kombination mit Magnesium und Kupfer entstehen Legierungen mit der höchsten verfügbaren Festigkeit und Härte (Schlüssel in der Serie 7xxx).
- Kupfer (Cu): Erhöht die Festigkeit und Härte erheblich und verbessert die Bearbeitbarkeit. Es wirkt sich jedoch negativ auf die Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit aus (Schlüssel in der Serie 2xxx).
- Mangan (Mn): Erhöht die Festigkeit durch Lösungshärtung, ohne die Duktilität oder Korrosionsbeständigkeit zu beeinträchtigen (Schlüssel in Serie 3xxx).
Physikalische und chemische Eigenschaften
Um eine Aluminiumlegierung für Ihre Anwendung auszuwählen, ist es wichtig, die grundlegenden Eigenschaften dieser Werkstofffamilie zu kennen.
Physikalische Eigenschaften
Die physikalischen Eigenschaften von Aluminium führen zu seiner Dominanz im Leichtbau und im Wärmemanagement.
- Niedrige Dichte: Aluminium hat eine Dichte von etwa 2,7 g/cm³die etwa ein Drittel derjenigen von Stahl beträgt (7,8 g/cm³). Dieses hervorragende Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht macht Aluminium zur ersten Wahl bei der Gewichtsreduzierung in der Luft- und Raumfahrt und bei Automobilkonstruktionen.
- Hohe Wärmeleitfähigkeit: Aluminium ist ein hervorragender Wärmeleiter und daher der Industriestandard für Kühlkörper, Motorkühlkomponenten und Elektronikgehäuse, bei denen die Wärmeableitung von entscheidender Bedeutung ist.
- Elektrische Leitfähigkeit: Bezogen auf das Gewicht leitet Aluminium den Strom besser als Kupfer. Diese Eigenschaft wird bei Hochspannungsleitungen und Stromschienen ausgiebig genutzt.
- Nicht-magnetisch: Im Gegensatz zu Stahl ist Aluminium nicht magnetisch. Das macht es zu einem idealen Material für den Schutz empfindlicher elektronischer Schaltungen und die Herstellung abgeschirmter Gehäuse für Antennen oder Radargeräte.
Chemische Eigenschaften
Das Verständnis des chemischen Verhaltens von Aluminium ist von entscheidender Bedeutung für die Vorhersage seiner Langlebigkeit in rauen Umgebungen und die Festlegung geeigneter Veredelungsverfahren.
Eloxal Eignung: Die natürliche Oxidschicht kann elektrochemisch verdickt werden durch Eloxieren. Dies erhöht nicht nur die Korrosionsbeständigkeit und die Oberflächenhärte, sondern ermöglicht es der Oberfläche auch, Farbstoffe für eine dauerhafte Färbung aufzunehmen.
Natürliche Korrosionsbeständigkeit: Wenn es Sauerstoff ausgesetzt wird, bildet Aluminium sofort eine mikroskopisch kleine, selbstheilende Schicht aus Aluminiumoxid (Al2O3).
Diese harte Barriere versiegelt das Kernmetall gegen die Umwelt und verhindert den für Eisenmetalle typischen Flugrost.
Chemische Reaktivität (Amphoterisch): Aluminium ist chemisch amphoter, das heißt, es reagiert sowohl mit starken Säuren als auch mit starken Laugen. Bei der CNC-Bearbeitung ist es wichtig, das Kühlmittel zu überwachen pH-Werte (neutral bis leicht alkalisch halten), um chemischen Lochfraß zu vermeiden.
Arten von Aluminiumlegierungen
Aluminiumknetlegierungen werden auf der Grundlage ihrer primären Legierungselemente in sieben Hauptserien eingeteilt.
| Serie | Hauptbestandteil | Wesentliche Merkmale | Typische Anwendungen |
| 1xxx | Reines Al (99% min) | Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit. Geringe Festigkeit. | Elektrische Stromschienen, chemische Tanks. | |
| 2xxx | Kupfer | Hohe Festigkeit, hohe Ermüdungsfestigkeit. Schlechte Korrosionsbeständigkeit. | Luft- und Raumfahrtstrukturen, Lkw-Räder. |
| 3xxx | Mangan | Mäßige Festigkeit, gute Verarbeitbarkeit. Allgemeiner Zweck. | Getränkedosen, Kochutensilien. |
| 4xxx | Silizium | Niedriger Schmelzpunkt. | Schweißdraht, Lötbleche. |
| 5xxx | Magnesium | Gute Festigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit im Meer. | Schiffsrümpfe, Druckbehälter. |
| 6xxx | Mg + Si | Struktureller Standard. Gute Festigkeit, Bearbeitung und Eloxierung. | 6061 Teile, architektonische Strangpressprofile. |
| 7xxx | Zink | Höchste Festigkeit. Hart aber teuer. | Flugzeugteile, hochbelastete Getriebe. |
Gängige Aluminiumsorten und ihre Verwendungszwecke
In der Welt der CNC-Bearbeitung sind fast 90% der Projekte auf einige wenige spezifische Sorten angewiesen. Wir haben sie in drei Gruppen eingeteilt, um Ihnen eine schnelle Auswahl zu ermöglichen.
Allzweck- und Konstruktionslegierungen (Serie 6xxx)
Dies ist die vielseitigste Legierungsserie, die ein perfektes Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bietet.
- 6061-T6 ("Der Alleskönner"): Der absolute Standard für die CNC-Bearbeitungsindustrie. Es zeichnet sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit, gute Schweißbarkeit und hervorragende kosmetische Ergebnisse nach dem Eloxieren aus. Es wird häufig für kundenspezifische Maschinenteile, elektronische Halterungen und Automatisierungsrahmen verwendet.
- 6082 ("Die Europäische Strukturnorm"): Sehr ähnlich in der Leistung wie 6061, aber mit einem etwas höheren Mangangehalt, was zu einer höheren Zugfestigkeit führt. Es ist die bevorzugte Legierung im Vereinigten Königreich und auf dem europäischen Markt, um 6061 zu ersetzen, das häufig in Schwerlasttraversen und Kranauslegern verwendet wird.
Hochfeste Legierungen für die Luft- und Raumfahrt (Serien 7xxx und 2xxx)
Wenn Stärke Vorrang vor Kosten oder Korrosionsbeständigkeit hat, sind diese Legierungen der Industriestandard.
- 7075-T651 ("The Aerospace Choice"): Mit Zink als primärem Legierungselement ist seine Streckgrenze mit der vieler Baustähle vergleichbar. Obwohl es teuer und schwer zu schweißen ist, ist es die beste Wahl für hochbelastete Flugzeugteile, Kletterausrüstung und Spritzgusswerkzeuge.
- 2024 ("Der Müdigkeitsbekämpfer"): Eine Legierung auf Kupferbasis, die für ihre außergewöhnliche Ermüdungsbeständigkeit bekannt ist. Obwohl sie eine schlechte Korrosionsbeständigkeit aufweist (die oft Alclad erfordert), ist sie das Arbeitspferd für Flugzeughäute, Flügelstrukturen und Hochspannungsverbindungselemente.
Bleche und Marinelegierungen (Serie 5xxx)
Diese Legierungen sind auf Umformbarkeit und Beständigkeit gegen raue Umgebungsbedingungen ausgelegt und nicht auf komplexes Fräsen.
- 5052 ("The Sheet Metal Standard"): Besitzt die beste Beständigkeit gegen Salzsprühnebelkorrosion und eine hervorragende Biege-/Stanzformbarkeit. Aufgrund seiner weicheren Beschaffenheit und der Tendenz, beim Schneiden "gummiartig" zu sein, wird es selten zum Fräsen verwendet, ist aber die erste Wahl für Schiffsgehäuse, gestanzte Platten und Kraftstofftanks.
Vorteile von Aluminiumlegierungen
Warum dominiert Aluminium den Markt der CNC-Bearbeitung? Es bietet eine einzigartige Konvergenz von Fertigungseffizienz und funktionaler Leistung, die nur wenige andere Metalle erreichen können.
- Außergewöhnliche Bearbeitbarkeit und Kosteneffizienz: Aluminium ist oft der Maßstab für die Zerspanbarkeit. Seine Späne brechen leicht und lassen sich reibungslos abführen, so dass die Bearbeiter hohe Spindeldrehzahlen und aggressive Vorschübe fahren können. Dies führt im Vergleich zu Stahl oder Titan zu kürzeren Zykluszeiten und niedrigeren Teilekosten.
- Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Mit einer Dichte von nur 2,7 g/cm³ ermöglicht Aluminium den Ingenieuren die Entwicklung robuster Komponenten, die deutlich leichter sind als ihre Gegenstücke aus Stahl. Hochfeste Güten wie 7075-T6 können sogar die Festigkeit von Baustahl erreichen und wiegen dabei zwei Drittel weniger.
- Natürliche Korrosionsbeständigkeit: Unter normalen atmosphärischen Bedingungen bildet Aluminium eine schützende Oxidschicht, die Rost verhindert. Dies macht es zu einem "wartungsfreien" Material für viele Anwendungen, da es nicht sofort gestrichen oder beschichtet werden muss, wie es bei Kohlenstoffstahl erforderlich ist.
- Nachhaltigkeit und Wiederverwertbarkeit: Aluminium ist 100% recycelbar, ohne seine Eigenschaften zu verlieren. Die für das Recycling von Aluminium benötigte Energie beträgt nur 5% der für die Primärproduktion benötigten Energie, was es zu einem äußerst attraktiven Material für Unternehmen macht, die sich auf Nachhaltigkeit und die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks konzentrieren.
Beschränkungen von Aluminiumlegierungen
Trotz seiner Vielseitigkeit ist Aluminium nicht die Lösung für jede technische Herausforderung. Die Kenntnis seiner physikalischen Grenzen ist entscheidend für die Vermeidung von Konstruktionsfehlern.
- Thermischer Leistungsabfall: Im Gegensatz zu Stahl verliert Aluminium bei hohen Temperaturen schnell an Festigkeit. Über 150°C (300°F)sinkt seine Zugfestigkeit erheblich. Für Hochtemperaturanwendungen - wie Auspuffkrümmer oder Verbrennungssektionen von Düsentriebwerken - sind Stahl, Titan oder Nickelsuperlegierungen erforderlich.
- Unterer Elastizitätsmodul (Steifigkeit): Der Elastizitätsmodul von Aluminium (ca. 70 GPa) beträgt etwa ein Drittel desjenigen von Stahl (200 GPa). Das bedeutet, dass sich ein Aluminiumteil bei gleicher Belastung dreimal so stark durchbiegt oder verformt wie ein identisches Stahlteil. Um dies zu kompensieren, benötigen Aluminiumbauteile oft dickere Querschnitte oder Verrippungen, um die gleiche Steifigkeit zu erreichen.
- Keine Ermüdungsgrenze: Eisenmetalle (Stahl) haben eine Belastungsgrenze, unterhalb derer sie theoretisch niemals durch Ermüdung versagen. Aluminium nicht. Unabhängig davon, wie gering die Belastung ist, wird Aluminium bei einer ausreichend hohen Zyklenzahl irgendwann aufgrund von Ermüdung versagen. Dies ist ein entscheidender Gesichtspunkt bei der Konstruktion von Bauteilen für Flugzeuge und rotierende Maschinen.
- Oberflächenhärte und Abnutzung: Aluminium ist relativ weich. Ohne Oberflächenbehandlungen wie Harteloxal (Typ III) ist es anfällig für Kratzer, Abrieb und adhäsiven Verschleiß, insbesondere bei Gleitreibungsanwendungen.
Wie wählt man die richtige Legierung?
Bei der Auswahl der richtigen Aluminiumsorte geht es nicht nur um die Wahl eines Metalls, sondern um einen präzisen technischen Kompromiss zwischen mechanischer Festigkeit, Herstellungskosten und Umweltbeständigkeit. Der folgende Leitfaden hilft Ihnen, das beste Material für Ihre spezifischen Designziele zu finden.
Allgemeiner Zweck und Kosteneffizienz
Für die überwiegende Mehrheit der nicht kritischen Strukturkomponenten, 6061-T6 ist der unbestrittene Industriestandard. Er bietet das perfekte Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Rohstoffkosten und Bearbeitungseffizienz. Wenn Sie keine extrem spezifischen Leistungsanforderungen haben, deckt 6061 80% den Bedarf an CNC-Bearbeitung mit der größten Lagerverfügbarkeit und den niedrigsten Beschaffungskosten.
Maximale Festigkeit (Stahl-Ersatz)
Wenn ein Teil extremen Spannungen oder schweren Lasten standhalten und gleichzeitig leicht sein muss (z. B. Rippen in der Luft- und Raumfahrt, Hochleistungszahnräder oder Antriebswellen), 7075-T6 ist die ideale Wahl. Seine Streckgrenze kann mit vielen Baustählen mithalten, und doch wiegt es nur ein Drittel so viel. Die Wahl von 7075 ermöglicht ultimativen Leichtbau, sofern das Budget die höheren Materialkosten verkraften kann.
Korrosionsbeständigkeit (Marine und Chemie)
In Salzwasser oder chemisch korrosiven Umgebungen, 5052 ist aufgrund seiner natürlichen Widerstandsfähigkeit die erste Wahl für Bleche und Gehäuseteile. Für Teile, die komplexes CNC-Fräsen erfordern, empfehlen wir 6061 kombiniert mit Typ III Hart-Eloxierung. Vermeiden Sie in diesen Fällen unbedingt 2024 oder 7075, da ihr hoher Kupfer- und Zinkgehalt sie sehr anfällig für schnelle Oxidation und Lochfraß macht.
Anforderungen an die Schweißbarkeit
Wenn Ihre Baugruppe WIG- oder MIG-Schweißen erfordert, 6061 und 5052 beide weisen eine ausgezeichnete Schweißbarkeit auf. Warnung: Verwenden Sie niemals 7075 oder 2024 für geschweißte Baugruppen. Diese hochfesten Legierungen neigen zu Mikrorissen in der Wärmeeinflusszone (WEZ), was zu einem erheblichen Risiko von Strukturversagen führt.
Kosmetisches Erscheinungsbild & Eloxieren
Für Unterhaltungselektronik oder dekorative Teile, die eine hochwertige Farbgebung erfordern, 6063 ist die beste Option. Seine feine Kornstruktur sorgt für eine gleichmäßige, lebendige Oberfläche nach dem Eloxieren. 6061 liefert ebenfalls sehr gute Ergebnisse. Im Gegensatz dazu führt 7075 nach dem Eloxieren oft zu einem instabilen gelblichen oder stumpfen Farbton, so dass es schwierig ist, die Farbkonsistenz zwischen den einzelnen Chargen zu gewährleisten.
Maßhaltigkeit (Präzisionsbefestigungen)
Für große Prüfvorrichtungen, Grundplatten oder optische Breadboards, MIC-6 (Gegossene Werkzeugplatte) ist jeder Knetlegierung (wie 6061) überlegen. Da MIC-6 gegossen und vollständig entspannt ist, enthält es fast keine inneren Spannungen. Das bedeutet, dass sich das Teil auch nach erheblichem Materialabtrag nicht verzieht, durchbiegt oder verdreht, was eine Ebenheit im Mikrometerbereich gewährleistet.
Typische Industrieanwendungen
Verschiedene Industriezweige sind auf bestimmte Aluminiumserien angewiesen, um bestimmte Vorschriften und Leistungsstandards zu erfüllen. Hier sehen Sie, wie Aluminium in den wichtigsten Branchen eingesetzt wird.
Luft- und Raumfahrt & Luftfahrt
In der Luft- und Raumfahrt ist die Stärke-Gewichts-Verhältnis ist die entscheidende Kennzahl. Ingenieure verlassen sich überwiegend auf 7075-T6 und 2024-T4. 7075 wird für kritische tragende Strukturen wie Flügelrippen und Rumpfspanten verwendet, die hohen G-Kräften standhalten müssen. 2024 wird aufgrund seiner höheren Ermüdungsfestigkeit häufig für Zugträger und die Außenhaut von Flugzeugen gewählt, obwohl es in der Regel eine Schutzverkleidung benötigt, um Korrosion zu verhindern.
Automobil & EV
Der Automobilsektor wird angetrieben durch Leichtbau zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und der Reichweite von Elektrofahrzeugen. 6061 wird aufgrund seiner hohen Umformbarkeit in großem Umfang für Karosserie-Strangpressprofile und Crash-Energieabsorptionssysteme verwendet. Bei komplexen Geometrien wie Motorblöcken und Getriebegehäusen werden Aluminiumgusslegierungen (wie A380) sind der Standard, während 5083 Blech wird häufig für Karosserieteile verwendet, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit erfordern.
Elektronik und Unterhaltungselektronik
Für Geräte wie Smartphones, Laptops und LED-Systeme, Wärmeleitfähigkeit und Ästhetik sind von größter Bedeutung. 6063 ist die erste Wahl für Kühlkörper, da es die Wärme effizient ableitet und zu komplexen Rippenformen extrudiert werden kann. Darüber hinaus werden 6063 und 6061 für Außengehäuse bevorzugt, da sie sich besonders gut eloxieren lassen und so die hochwertigen, farbigen Oberflächen ermöglichen, die man bei hochwertiger Unterhaltungselektronik sieht.
Industrielle Automatisierung und Robotik
In der Welt der kundenspezifischen Automatisierung, Formbeständigkeit und Bearbeitbarkeit sind der Schlüssel. 6061-T6 ist das Arbeitspferd für Roboterarme und strukturelle Halterungen. Für hochpräzise optische Breadboards oder Prüfvorrichtungen wechseln die Ingenieure jedoch häufig zu MIC-6 (Gegossene Werkzeugplatte). Im Gegensatz zu stranggepressten Legierungen sind gegossene Platten frei von inneren Spannungen, so dass das Teil auch nach dem Entfernen erheblicher Mengen an Material perfekt eben bleibt.
FAQs
F: Können Aluminiumlegierungen rosten?
A: Aluminium schon nicht roten Eisenoxid-Rost bilden. Stattdessen bildet seine Oberfläche eine dünne, stabile, selbstheilende Aluminiumoxid Schicht. In aggressiven Umgebungen wie Salzsprühnebel oder starker Alkalibelastung kann Aluminium bei unzureichendem Schutz Lochfraß oder Weißpulverkorrosion aufweisen.
F: Sind Aluminiumlegierungen für die Hochpräzisionsbearbeitung geeignet?
A: Ja. Die meisten Aluminium-Knetlegierungen haben geringe innere Spannungen, eine gute Wärmeleitfähigkeit und ein vorhersehbares Schneidverhalten. Spannungsarmgeglühte Platten ermöglichen es dem Aluminium, die Maßgenauigkeit bei schwerer Bearbeitung beizubehalten.
F: Können Aluminiumlegierungen leicht geschweißt werden?
A: Viele Aluminiumlegierungen - insbesondere solche, die mit Magnesium legiert sind - lassen sich gut schweißen. Kupfer- oder zinkhaltige Legierungen sind anfälliger für Heißrissbildung und erfordern möglicherweise alternative Fügeverfahren oder Konstruktionsänderungen.
F: Sind Aluminiumteile in Außen- oder Meeresumgebungen haltbar?
A: Aluminium ist aufgrund seiner Oxidschicht von Natur aus korrosionsbeständig. Bei langfristiger Einwirkung von Feuchtigkeit, Salzwasser oder Industriechemikalien, Eloxieren oder Chromatierungsbeschichtung wird empfohlen, um die Haltbarkeit zu verbessern.
F: Warum lässt sich Aluminium gut anodisieren?
A: Die natürliche Oxidschicht des Aluminiums kann elektrochemisch eingedickt während der Anodisierung. Dies verbessert die Verschleißfestigkeit, die Farbstoffaufnahme und den Korrosionsschutz - Leistungsmerkmale, die mit Stahl oder Kupfer nur schwer zu erreichen sind.
Schlussfolgerung
Die Auswahl der richtigen Aluminiumlegierung ist ein Gleichgewicht zwischen mechanischen Anforderungen, Umweltfaktoren und Herstellungskosten. Während 6061 als perfekter Standard für die meisten Bearbeitungsprojekte dient, können Hochleistungsanwendungen die Stärke von 7075 oder die Haltbarkeit von 5052 erfordern.
Das Verständnis dieser Nuancen stellt sicher, dass Ihre Teile nicht nur wie vorgesehen funktionieren, sondern auch effizient hergestellt werden. Bei Machining Minghe haben wir uns auf die Bearbeitung einer breiten Palette von Aluminiumlegierungen um die strengen Normen der Luft- und Raumfahrt und der Industrie zu erfüllen.
