Zugfestigkeit von Aluminiumstrangpressprofilen nach Legierung?

Viele Käufer vergleichen Aluminiumprofile nur nach Preis oder Form. Später sind sie dann mit Verformungen, Rissen oder vorzeitigem Versagen konfrontiert. In den meisten Fällen liegt das eigentliche Problem nicht im Design, sondern in einem Missverständnis hinsichtlich der Zugfestigkeit der Legierung.

Die Zugfestigkeit von Aluminiumstrangpressprofilen hängt hauptsächlich vom Legierungssystem und der Vergütung ab. Hohe Zugfestigkeitswerte werden durch die richtige Kombination aus Legierung und Vergütung erzielt, nicht allein durch das Strangpressen.

Die Zugfestigkeit ist einer der ersten Werte, auf die Ingenieure achten, aber auch einer der am häufigsten falsch verwendeten. In den folgenden Abschnitten wird erläutert, welche Legierungen am stärksten sind, wie das Tempern die Zugwerte verändert, ob die Oberflächenbehandlung eine Rolle spielt und wie die Zugfestigkeit in realen Profilen bestätigt wird.

Welche Legierungen bieten die höchste Zugfestigkeit?

Nicht alle Aluminiumlegierungen sind für denselben Zweck konzipiert. Einige legen den Schwerpunkt auf Formbarkeit, andere auf Korrosionsbeständigkeit. Eine kleinere Gruppe konzentriert sich auf Festigkeit. Wenn man weiß, wo die einzelnen Legierungen angesiedelt sind, kann man Überdimensionierung oder Leistungsmängel vermeiden.

Unter den gängigen Extrusionslegierungen bieten die Legierungen der Serie 7xxx die höchste Zugfestigkeit, gefolgt von ausgewählten Legierungen der Serie 6xxx wie 6061 und 6082. Eine höhere Zugfestigkeit geht jedoch oft mit einer geringeren Duktilität und höheren Kosten einher.

Legierungsserien einfach erklärt

Aluminiumlegierungen werden nach ihren Hauptlegierungselementen gruppiert:

• Baureihe 6xxxMagnesium und Silizium. Gute Balance zwischen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Extrudierbarkeit.
• Baureihe 7xxx: Auf Zinkbasis. Sehr hohe Festigkeit, schwieriger zu extrudieren, geringere Korrosionsbeständigkeit.
• Baureihe 5xxxMagnesiumhaltig. Gute Korrosionsbeständigkeit, mittlere Festigkeit, begrenzte Wärmebehandlungsreaktion.

Die meisten strukturellen Strangpressprofile in der Industrie verwenden 6xxx-Legierungen, da diese ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Produktionseffizienz bieten.

Zugfestigkeitsvergleich gängiger Extrusionslegierungen

Die folgende Tabelle zeigt typische Zugfestigkeitsbereiche für gängige Legierungen in üblichen Zuständen. Die Werte sind ungefähre Angaben und hängen von der Profilform und der Prozesssteuerung ab.

Warum die stärkste Legierung nicht immer die beste ist

Eine sehr hohe Zugfestigkeit klingt attraktiv, bringt jedoch Kompromisse mit sich:

• Eine geringere Dehnung bedeutet weniger Vorwarnung vor einem Bruch.
• Die Zähigkeit nimmt oft mit steigender Zugfestigkeit ab.
• Der Werkzeugverschleiß und die Ausschussquote steigen mit härteren Legierungen.
• Verfügbarkeit und Lieferzeit können länger sein.

Für viele Rahmen, Schienen und Stützen bieten 6061-T6 oder 6082-T6 mehr als ausreichende Zugfestigkeit, ohne die Risiken von ultrahochfesten Legierungen.

Anwendungsorientierte Legierungsauswahl

In der Praxis richtet sich die Wahl der Legierung nach den Anforderungen der Anwendung:

• Allgemeine Industrierahmen: 6063-T5 oder T6
• Tragende Strukturen: 6061-T6 oder 6005A-T6
• Hochbelastbare mechanische Teile: 6082-T6
• Besondere Anforderungen an die Festigkeit: 7xxx-Serie mit sorgfältigem Design

Wie wirkt sich das Tempern auf die Zugfestigkeitswerte aus?

Die Legierung allein bestimmt nicht die Zugfestigkeit. Der Temperzustand hat oft einen ebenso großen oder sogar größeren Einfluss. Zwei Profile aus derselben Legierung können aufgrund der Temperierung sehr unterschiedliche Zugfestigkeitswerte aufweisen.

Das Tempern beeinflusst die Zugfestigkeit, indem es die Ausscheidungshärtung und den inneren Spannungszustand steuert. Wärmebehandelte Zustände wie T6 maximieren die Zugfestigkeit, während weichere Zustände Festigkeit gegen Duktilität und Formbarkeit eintauschen.

Was Temperament wirklich bedeutet

Die Temperierung beschreibt die thermische und mechanische Geschichte des Aluminiums nach dem Strangpressen.

Zu den gängigen Extrusionstemperaturen gehören:

• T5: Von der Extrusionstemperatur abgekühlt und künstlich gealtert.
• T6: Lösung geglüht, abgeschreckt und künstlich gealtert.
• T4: Lösung wärmebehandelt und natürlich gealtert.

Jeder Schritt verändert die Größe und Verteilung der verstärkenden Ausscheidungen im Metall.

Zugfestigkeitsunterschiede nach Temperierung

Für die meisten 6xxx-Legierungen:

• T6 bietet die höchste Zugfestigkeit.
• T5 bietet eine etwas geringere Festigkeit, aber eine bessere Dimensionsstabilität.
• T4 bietet geringere Festigkeit, aber höhere Dehnung.

Die folgende Tabelle zeigt einen vereinfachten Vergleich am Beispiel von 6061.

Warum T6 nicht immer gewählt wird

Obwohl T6 die Zugfestigkeit maximiert, ist es nicht immer ideal:

• Dünne oder komplexe Profile können sich während der Lösungsbehandlung verziehen.
• Restspannungen können das Risiko von Verformungen während der Bearbeitung erhöhen.
• Einige Anwendungen erfordern eher Flexibilität als maximale Festigkeit.

In diesen Fällen können T5 oder sogar T4 eine bessere Leistung in der Praxis erzielen.

Konsistenz und Prozesskontrolle

Die Qualität der Temperierung hängt ab von:

• Präzise Temperaturregelung des Ofens
• Richtige Abschreckgeschwindigkeit
• Einheitliche Alterungszeit

Eine schlechte Temperierung kann zu Zugfestigkeitswerten unterhalb der Spezifikation führen, selbst wenn die Legierung korrekt ist.

Design-Tipp für Käufer

Bei der Angabe der Zugfestigkeit:

• Immer angeben Legierung + Härte, nicht nur Legierung.
• Bestätigen Sie, ob es sich um garantierte Mindestwerte oder typische Durchschnittswerte handelt.
• Fragen Sie, wie die Zugfestigkeitseigenschaften für komplexe Profile überprüft werden.

Kann die Oberflächenbehandlung die Zugfestigkeit verändern?

Oberflächenbehandlung wird oft im Zusammenhang mit Korrosion oder Aussehen diskutiert. Viele Käufer fragen, ob Eloxieren oder Beschichten die Zugfestigkeit verändert. Die kurze Antwort ist subtil, aber wichtig.

Oberflächenbehandlungen verändern die Zugfestigkeit von Aluminiumstrangpressprofilen nicht wesentlich, aber aggressive Verfahren oder hohe Temperaturen können die effektive Festigkeit leicht verringern oder oberflächenbedingte Ausfallrisiken mit sich bringen.

Volumenfestigkeit im Vergleich zum Oberflächenzustand

Zugversuche messen das Verhalten von Schüttgut. Die meisten Oberflächenbehandlungen wirken sich nur auf eine dünne äußere Schicht aus.

Zu den gängigen Behandlungen gehören:

• Eloxieren
• Pulverbeschichtung
• Elektrophoretische Beschichtung
• Mechanisches Polieren

Diese Prozesse verändern die innere Mikrostruktur der Legierung nicht.

Wenn die Oberflächenbehandlung eine Rolle spielen kann

Obwohl die Zugfestigkeit im Großmaßstab ähnlich bleibt, kann die Oberflächenbehandlung die Leistung indirekt beeinflussen.

Dicke Eloxalschichten

Durch hartes Eloxieren entsteht eine spröde Oxidschicht. Unter Zugbelastung:

• Das Oxid kann Risse bekommen.
• Risse können als Ausgangsstellen für Ermüdung oder Schlagbeanspruchung dienen, nicht jedoch bei statischen Zugversuchen.

Hochtemperaturexposition

Einige Beschichtungen erfordern erhöhte Aushärtungstemperaturen. Übermäßige Hitze kann:

• Die Legierung überalteren.
• Leichte Verringerung der Zugfestigkeit, insbesondere bei T6-Härtegraden.

Oberflächenbeschädigung vor der Beschichtung

Eine unsachgemäße Vorbehandlung kann Folgendes verursachen:

• Kratzer
• Gruben
• Chemischer Angriff

Diese Fehler verringern den effektiven Querschnitt und können in extremen Fällen zu niedrigeren gemessenen Zugfestigkeitswerten führen.

Was Oberflächenbehandlung nicht leistet

Die Oberflächenbehandlung bewirkt nicht:

• Erhöhen Sie die Zugfestigkeit über die Grenzen der Legierung hinaus.
• Verwandeln Sie eine niedrigfeste Legierung in eine hochfeste Legierung.
• Ersetzen Sie die richtige Legierung und Härtungsauswahl.

Praktische Anleitung

Für zugkritische Teile:

• Stellen Sie sicher, dass die Beschichtungstemperaturen innerhalb der Legierungsgrenzen bleiben.
• Vermeiden Sie unnötig dicke oder spröde Oberflächenschichten.
• Konzentrieren Sie sich bei den Zugfestigkeitsanforderungen auf das Grundmaterial, nicht auf die Beschichtung.

Welche Tests bestätigen die Zugfestigkeit in Profilen?

Die Werte im Datenblatt sind nur dann aussagekräftig, wenn sie überprüft wurden. Die Zugfestigkeit muss anhand standardisierter Tests gemessen werden, die das tatsächliche Materialverhalten widerspiegeln.

Die Zugfestigkeit von Aluminium-Strangpressprofilen wird durch standardisierte Zugversuche an Proben aus dem Profil bestätigt, wobei definierte Verfahren zur Kontrolle der Probenausrichtung, Geschwindigkeit und Messgenauigkeit angewendet werden.

Grundlagen der Standard-Zugprüfung

Die Zugprüfung umfasst:

• Ziehen einer vorbereiteten Probe mit kontrollierter Geschwindigkeit.
• Messung von Kraft und Dehnung.
• Berechnung von Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung.

Das Ergebnis stellt das Materialverhalten unter einachsiger Zugbeanspruchung dar.

Die Position und Ausrichtung der Probe sind wichtig.

Für Extrusionen:

• Die Proben werden in der Regel entlang der Extrusionsrichtung entnommen.
• Die Eigenschaften sind im gesamten Querschnitt im Allgemeinen einheitlich, dünne Wände können jedoch geringfügig variieren.

Bei Hohlprofilen können Proben stammen aus:

• Außenwände
• Netze oder Rippen
• Flache Abschnitte mit ausreichender Breite

Typische Testergebnisse

Eine Standard-Zugprüfung liefert:

• Zugfestigkeit
• Streckgrenze
• Dehnung bei Bruch

Diese Werte beschreiben zusammen die Festigkeit und Duktilität.

Batch-Tests im Vergleich zu Tests pro Profil

In Produktion:

• Zugversuche werden häufig pro Legierungscharge oder Schmelze durchgeführt.
• Nicht jedes Profil wird getestet, aber die Prozesskonsistenz wird überwacht.

Bei kritischen Anwendungen können Käufer Folgendes verlangen:

• Zusätzliche Tests an fertigen Profilen
• Überprüfung durch Dritte
• Prüfberichte zu Produktionschargen

Grenzen der Zugprüfung

Zugversuche zeigen nicht:

• Stoßfestigkeit
• Ermüdungslebensdauer
• Knickverhalten

Sie sind Teil einer vollständigen mechanischen Bewertung.

Testdaten richtig verwenden

Bei der Überprüfung von Zugversuchsberichten:

• Überprüfen Sie nicht nur Durchschnittswerte, sondern auch garantierte Mindestwerte.
• Teststandard und Probenort bestätigen.
• Stimmen Sie die gemeldete Temperatur mit dem gelieferten Produkt ab.

Schlussfolgerung

Die Zugfestigkeit von Aluminiumstrangpressprofilen hängt von der Wahl der Legierung, der Härtesteuerung und verifizierten Tests ab. Hohe Werte sind wichtig, aber noch wichtiger ist die richtige Abstimmung auf die jeweilige Anwendung. Wenn die Zugfestigkeit im Kontext verstanden wird, liefern Strangpressprofile eine zuverlässige und vorhersehbare Leistung.