Aluminium zerspanen: Welche Legierung – 5083, 6061, 6082, 2017 oder 7075?

Eine Aluminiumbezeichnung liest man in zwei Schritten, etwa bei „EN AW-6082 T6“. EN AW-6082 kennzeichnet die Legierung: „EN“ steht für die Europäische Norm, „AW“ für Aluminium-Knetlegierung (gewalztes, stranggepresstes oder gezogenes Produkt, im Gegensatz zu Gussteilen), danach folgen vier Ziffern. Die erste gibt die Serie an und damit das wichtigste Legierungselement:

• 2xxx: Kupfer (2017A, 2024);
• 5xxx: Magnesium (5083, 5754);
• 6xxx: Magnesium und Silizium (6060, 6061, 6082);
• 7xxx: Zink (7075).

T6 bezeichnet den Werkstoffzustand. Die Serien 2xxx, 6xxx und 7xxx härten durch Wärmebehandlung aus (T-Zustände: T4 für Kaltaushärtung, T6 für Warmaushärtung, T651 für eine durch Recken spannungsarm gemachte Platte), die Serie 5xxx durch Kaltverfestigung (H-Zustände). Ein 6082 im Zustand T6 hat nicht dieselben Eigenschaften wie ein weichgeglühtes 6082: Der Zustand gehört zur Bezeichnung und muss auf der Zeichnung stehen. Für eine aus dem Vollen gefräste Platte begegnet man zum Beispiel „EN AW-6082 T651“ oder „EN AW-7075 T651“. Einen Überblick gibt der Lexikoneintrag zu Aluminiumlegierungen.

6082 und 6061: die Standardwahl

Mittlere Festigkeit, gute Zerspanbarkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, schweißbar und eloxierbar: Sie decken die Mehrzahl der mechanischen Teile, Rahmen und Halterungen ab. Sie sind sich ähnlich und oft austauschbar: 6082 ist in Europa am häufigsten lagernd, 6061 in Nordamerika. Schreibt Ihre Zeichnung eine der beiden vor, wie es in der Luftfahrt häufig ist, geben Sie an, dass keine Gleichwertigkeit zulässig ist; andernfalls schreiben Sie „oder gleichwertig“.

2017A: die leicht zerspanbare „Mechanik-Legierung“

Kupferlegierung mit guter mechanischer Festigkeit und ausgezeichneter Zerspanbarkeit, mit schönen Oberflächen. Dafür ist sie weniger korrosionsbeständig, lässt sich sehr schlecht schweißen und schlechter eloxieren: Sehen Sie einen Schutz vor. Sie eignet sich für aus dem Vollen gefräste mechanische Teile. Die verwandte 2024 ist ein Klassiker der Luftfahrt.

5083: die seewasserbeständige, schweißbare Legierung

Magnesiumlegierung, durch Kaltverfestigung gehärtet: ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, besonders gegen Meerwasser, und gutes Verhalten nach dem Schweißen. Sie wird vor allem als Blech und Platte angeboten. Sie lässt sich schlechter zerspanen (lange Späne, Neigung zum Verkleben mit dem Werkzeug) und ihre Festigkeit bleibt mäßig. Es ist die Legierung des Schiffbaus, der Behälter und der geschweißten Konstruktionen (siehe den Sektor Schiffbau und Wassersport).

7075: die hochfeste Legierung

Zinklegierung mit deutlich höherer Zugfestigkeit (in der Größenordnung von 500 MPa und mehr, gegenüber rund 300 MPa bei 6082 T6), mit guter Zerspanbarkeit und kurzen Spänen. Sie ist teurer, nicht mit Lichtbogenverfahren schweißbar und weniger korrosionsbeständig; im Zustand T6 ist sie anfällig für Spannungsrisskorrosion, weshalb es überaltete Zustände wie T73 gibt. Man findet sie in der Luftfahrt (Luft- und Raumfahrt), im Werkzeugbau und bei stark beanspruchten Teilen.

Weitere Legierungen, denen Sie begegnen

Die 5754, der 5083 ähnlich, aber weniger fest, ist ein Klassiker für gekantete und geschweißte Bleche. Die 6060 ist die Legierung der Strangpressprofile und für dekoratives Eloxieren beliebt. Die 2011 ist eine Automatenlegierung für in großen Serien gedrehte Teile. Gusslegierungen für Gussteile folgen anderen Regeln und werden hier nicht behandelt.

Aluminium lässt sich schnell zerspanen, mit hohen Schnittgeschwindigkeiten, doch Legierung und Zustand verändern das Ergebnis:

• Späne. Kurz und leicht abzuführen bei 2017A und 7075; länger und fließend bei 5083 und, in geringerem Maß, bei 6061. Das wirkt sich auf automatische Zyklen und auf die Oberflächengüte aus.
• Aufbauschneide. Weiche Legierungen (5083, 6061) neigen zum Verkleben mit dem Werkzeug, was das Aussehen verschlechtert. Der Betrieb gleicht das durch geeignete Werkzeuge (scharfkantiges Hartmetall, polierte Flächen) und durch Schmierung aus.
• Eigenspannungen. Eine dicke Platte enthält Walz- und Abschreckspannungen: Beim Abtragen von Material kann sich das Teil verziehen. Spannungsarme Zustände (T651) mildern das Problem; der Betrieb kann auch schruppen, ruhen lassen und dann schlichten.
• Wärmedehnung. Aluminium dehnt sich etwa doppelt so stark wie Stahl. Ein noch warmes Teil hat sein Maß nicht bei 20 °C: Bei engen Toleranzen erfolgt die Prüfung bei Bezugstemperatur.
• Verfügbares Rohmaterial. Rundstangen, Flachstangen, Walzplatten, Strangpressprofile, plangegossene Platten für Vorrichtungen: Das Rohteilformat bestimmt den Materialverlust durch Späne und damit den Preis (siehe die Preise der CNC-Zerspanung).

Zu den Verfahren im Einzelnen siehe die Seite Lohnfertigung CNC-Zerspanung.

Aluminium verzeiht viel, doch einige Konstruktionsentscheidungen verkürzen die Maschinenzeit und verringern den Verzug:

• Dünne Wände. Je dünner und höher eine Wand, desto stärker schwingt sie beim Schneiden und desto eher verformt sie sich. Verstärken Sie sie oder sehen Sie Rippen vor, wenn die Funktion es erlaubt, und weisen Sie den Betrieb auf sehr dünne Wände hin.
• Innenradien. Ein Fräser ist rund: Eine scharfe Ecke am Taschengrund erfordert eine Nachbearbeitung. Je großzügiger der Innenradius, desto größer und schneller kann das Werkzeug sein.
• Tiefe Taschen. Je tiefer eine Tasche im Verhältnis zu ihrer Breite, desto länger, empfindlicher und langsamer ist das Werkzeug. Besprechen Sie dieses Verhältnis mit dem Betrieb, bevor Sie die Zeichnung festlegen.
• Rohteil. Eine dicke Flachstange, von der der Großteil des Materials abgetragen wird, kostet Material und Zeit; ein Profil nahe an der Endform kann den Preis verändern.

Diese Entscheidungen hängen mit den Toleranzen zusammen: Tolerieren Sie nur die Funktionsmaße eng (siehe den Leitfaden zu den Zerspanungstoleranzen).

Das Schweißen ist oft das Kriterium, das eine Legierung ausscheiden lässt:

• 5083: sehr gute Schweißbarkeit (WIG, MIG) und gutes Verhalten in der Naht.
• 6061 und 6082: schweißbar, doch der Bereich nahe der Naht verliert einen Teil der Festigkeit des Zustands T6: Die Dimensionierung muss das berücksichtigen.
• 2017A: Schweißen nicht empfohlen (Rissgefahr). Bevorzugen Sie mechanische Verbindungen oder Kleben.
• 7075: mit Lichtbogenverfahren nicht schweißbar. Gleiche Lösung: Schrauben, Nieten, Kleben.

Zu den Verfahren siehe den Leitfaden Schweißen: WIG, MIG und MAG.

Bei der Korrosion sind die mechanisch festesten Legierungen (2017A, 7075), reich an Kupfer oder Zink, zugleich die empfindlichsten: Sie brauchen einen Schutz (Eloxieren, Lackierung, Chromatierung). 5083 liegt im Meerwasser vorn; die 6xxx-Legierungen verhalten sich in normaler Atmosphäre gut.

Das Eloxieren verdickt die natürliche Oxidschicht des Aluminiums: Es schützt vor Korrosion, härtet die Oberfläche (Hartanodisieren) und kann eingefärbt werden. Das Ergebnis hängt von der Legierung ab:

• 6060, 6061, 6082: gutes, gleichmäßiges Ergebnis, auch für dekorative Optik.
• 2017A und 7075: Sie lassen sich eloxieren, aber das Aussehen ist weniger einheitlich und das Ergebnis schwerer zu garantieren. Kommt es auf die Optik an, verlangen Sie einen Versuch beim Eloxalbetrieb.
• 5083: Das Schutzeloxieren funktioniert, aber das Aussehen kann zwischen Grundwerkstoff und Schweißnähten abweichen.

Drei Angaben gehören auf die Zeichnung:

1. Maße vor oder nach der Behandlung. Die Schicht wächst teils in das Metall hinein, teils nach außen: Sie verändert die Abmessungen, beim Hartanodisieren mitunter um mehrere zehn Mikrometer.
2. Abzudeckende Bereiche. Die Schicht ist elektrisch isolierend: Kennzeichnen Sie Kontakt- oder Erdungsflächen sowie Gewinde und Präzisionsbohrungen.
3. Die gewünschte Oberfläche: Schutz, Aussehen, Härte, Farbe.

Qualitative Richtwerte für Knetprodukte, die je nach Produkt und Dicke an der Norm oder am Datenblatt des Lieferanten zu bestätigen sind. Diese Legierungen haben alle eine Dichte von rund 2,7 bis 2,8 g/cm³, also etwa ein Drittel der von Stahl.

• Keine besonderen Anforderungen: ein 6082 (oder 6061) „oder gleichwertig“.
• Geschweißtes Teil oder maritime Umgebung: ein 5083, oder ein 6082, wenn die Festigkeit Vorrang hat.
• Stark zerspantes, nicht geschweißtes, geschütztes Teil: ein 2017A.
• Maximale Festigkeit oder konsequenter Leichtbau: ein 7075, bei Akzeptanz der Mehrkosten und des Oberflächenschutzes.

Einige Routinen vermeiden böse Überraschungen. Dimensionieren Sie nicht zu großzügig: Ein 7075 für ein wenig beanspruchtes Teil zahlt unnötig für Werkstoff, Schutz und manchmal eine längere Beschaffungszeit. Tragen Sie die vollständige Bezeichnung in die Zeichnung ein („EN AW-6082 T6“), nicht nur „Alu“. Verlangen Sie ein Werkstoffzeugnis nur, wenn die Rückverfolgbarkeit es erfordert (Luftfahrt, Medizintechnik, Energie), und prüfen Sie dann, ob es Legierung und Zustand nennt. Lassen Sie den Betrieb schließlich eine Alternative vorschlagen: Ein lagernder Typ senkt oft Preis und Lieferzeit.

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