Aluminiumplatte in Marinequalität: 5083-H111 vs. 5083-H321 Härteauswahl

Warum 5083 der Maßstab für Aluminiumplatten in Marinequalität ist

5083 ist eine nicht-wärme-behandelbare Al-Mg-Legierung der 5xxx-Serie und ist seit Jahrzehnten das Referenzmaterial für Rumpfbeschichtungen, Decks und Aufbauten. Die in ASTM B209 angegebenen Zusammensetzungsgrenzen sind 4,0–4,9 % Magnesium, 0,40–1,00 % Mangan und 0,05–0,25 % Chrom, Rest Aluminium. Magnesium sorgt für die Festigung der festen Lösung, Mangan kontrolliert die rekristallisierte Kornstruktur und Chrom verlangsamt das Kornwachstum beim Warmwalzen, so dass das Blech mäßige Festigkeit mit ausgezeichneter Beständigkeit gegen Meerwasser verbindet und diese Beständigkeit auch im geschweißten Zustand beibehält. Die Dichte beträgt etwa 2,66 g/cm3, etwa ein Drittel der von Kohlenstoffstahl.

Da die Legierung nicht durch Wärmebehandlung gestärkt werden kann, ergeben sich ihre Eigenschaften aus dem Härtegrad -, dem Ausmaß der angewendeten Kaltumformung und der anschließenden Stabilisierungsbehandlung. Aus diesem Grund verhalten sich zwei Platten mit der gleichen Chemie, 5083-H111 und 5083-H321, in einer Fertigungswerkstatt sehr unterschiedlich.

Was H111 und H321 im Temperamentsystem tatsächlich bedeuten

In der Bezeichnung H-Temper bedeutet H1x nur kaltverfestigt, H2x bedeutet kaltverfestigt und teilweise geglüht und H3x bedeutet kaltverfestigt und stabilisiert. Die Ziffern hinter dem Buchstaben geben an, wie viel Kaltverformung im Produkt verbleibt. Dieser einzelne Buchstabe erklärt fast jeden Unterschied zwischen den beiden Materialien:

5083-H111- nach dem Glühen leicht kaltverfestigt, auf einen Wert unterhalb des H11-Minimums. Die Versetzungsdichte bleibt niedrig, so dass die Dehnung und die Kaltumformbarkeit hoch sind und sich die Platte ohne Risse auf enge Radien biegt und rollt.

5083-H321- wurde durch Kaltverformung auf etwa ein Viertel-hart und stabilisierte sich dann bei niedriger Temperatur. Der Stabilisierungsschritt scheidet die Beta-Phase (Al3Mg2) in kontrollierter, diskontinuierlicher Form entlang der Korngrenzen statt als kontinuierlicher Film aus, was die Festigkeit erhöht und die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und interkristallinen Angriff verbessert.

Für dauerhaften Kontakt mit Meerwasser und für geschweißte Strukturen, die nach der Herstellung nicht wieder geglüht werden können, sind H321 und H116 die in den Schifffahrtsspezifikationen geforderten Härtegrade. Bei H111 handelt es sich eher um einen Formungszustand als um einen Immersionszustand.

Vergleich der mechanischen Eigenschaften von 5083-H111 und 5083-H321

Die folgenden Zahlen sind typische Raumtemperaturwerte für Bleche im Dickenbereich von 4–40 mm. Die Spannungsprüfung folgt ASTM E8/E8M und die Mindestversorgungseigenschaften sind in ASTM B209 und ASTM B928 definiert.

Meerwasser, Spannungskorrosion und intergranularer Angriff

Beide Härtungen widerstehen gleichmäßigen Angriffen in Meeresatmosphären und fließendem Meerwasser und bilden beide den gleichen schützenden Oxidfilm. Der Unterschied zeigt sich, sobald das Material sensibilisiert wird. Eine 5xxx-Legierung, die mehr als etwa 3 % Magnesium enthält, scheidet Al3Mg2 entlang der Korngrenzen aus, wenn sie über längere Zeiträume im Bereich von 50-150 °C gehalten wird, und ein kontinuierlicher Grenzfilm macht das Metall anfällig für interkristalline Korrosion. Der Salpetersäure-Massenverlusttest nach ASTM G67 ist die anerkannte beschleunigte Methode zur Messung dieser Anfälligkeit, während ASTM G47 und ASTM G110 Spannungskorrosions- und interkristalline Korrosionstests von hochfesten Aluminiumprodukten abdecken.

Das H321-Blech ist stabilisiert, sodass sich die Betaphase in einer diskontinuierlichen, weniger schädlichen Morphologie bildet, und die Spezifikationen für Schiffsbleche erfordern stabilisierte Zustände, bei denen Spannungskorrosionsbeständigkeit eine Konstruktionsanforderung ist.

H111-Platten werden normalerweise zuerst geformt und anschließend geschützt; Es eignet sich besser für die Spritzwasserzone und die darüber liegende{2}Wasserstruktur als für dauerhaftes Eintauchen.

Keines der Temperiermittel sollte nach der Lieferung einem Betrieb bei erhöhter Temperatur ausgesetzt werden, da dies unabhängig von der ursprünglichen Temperierstufe wieder zu einer erneuten Sensibilisierung führt.

Hinweise zum Schweißen, Umformen und zur Fertigung

Schweißen- Beide Härtegrade werden mit 5183, 5356 oder 5556 Zusatzwerkstoff im WIG- und MIG-Verfahren geschweißt. Es ist kein Vorwärmen erforderlich und die Verbindungen gewinnen durch natürliche Alterung nach dem Schweißen an Festigkeit zurück. H321 behält die Festigkeit nach dem Schweißen vorhersehbarer bei, da seine Wärmeeinflusszone bereits stabilisiert ist.

Biegen und Rollen- H111 akzeptiert enge Biegeradien, Tiefziehen und Rollformen; H321 entwickelt eine stärkere Rückfederung, benötigt großzügige Radien und sollte nach der Lieferung nicht stark kalt umgeformt werden.

Bearbeitung-beide Härtungen lassen sich sauber mit scharfen Werkzeugen mit hohem Span-bearbeiten; H321 bietet eine höhere Dimensionsstabilität, da Restspannungen durch die Stabilisierungsbehandlung teilweise abgebaut werden.

Glühen- Wenn ein geformtes Teil erweicht werden muss, wird durch ein O-Temperglühen die Kaltverfestigung entfernt, aber das Teil verliert dann den Festigkeitsvorteil beider Temperierungen.

Auswahlhilfe nach Anwendung

In der Praxis beschränkt sich die Wahl auf eine einzige Designfrage: Erhält das Teil seine endgültige Form durch Biegen und Schweißen oder ist es in einer nassen und dynamischen Umgebung hohen Belastungen ausgesetzt? Im ersten Fall ist die Formbarkeit maßgebend, im zweiten Fall die stabilisierte Festigkeit.

Häufig gestellte Fragen

F: Ist 5083-H111 oder 5083-H321 besser für einen Bootsrumpf?
Unterhalb der Wasserlinie und bei strukturellen Bodenbeschichtungen wird die stabilisierte H321-Vergütung bevorzugt, da sie Spannungskorrosion und interkristallinem Angriff bei dauerhaftem Eintauchen widersteht. Oberhalb der Wasserlinie, wo Platten gebogen und geschweißt werden, wird H111 oft wegen seines überlegenen Formverhaltens gewählt.

F: Kann 5083-H321 nach der Lieferung gebogen werden?
Es ist biegbar, allerdings mit größeren Biegeradien und höherer Rückfederung als H111. Eine starke Kaltumformung sollte vermieden werden, da die stabilisierte Struktur eine geringere verbleibende Duktilität aufweist.

F: Was ist der Unterschied zwischen H116 und H321?
Beide gehören zur stabilisierten Familie, die für Schiffsbleche verwendet wird, und beide erfüllen die Korrosionsanforderungen von ASTM B928. H116 verfügt über zusätzliche Korrosionsakzeptanzgrenzwerte, die speziell für den Einsatz auf See bestimmt sind, und wird häufig für Rumpf- und Deckplatten spezifiziert.

F: Benötigen die beiden Härtegrade unterschiedliche Schweißzusätze?
Nein. Beide werden mit 5183, 5356 oder 5556 Zusatzwerkstoff verschweißt. Der Unterschied liegt in der in der Wärmeeinflusszone erhaltenen Festigkeit, die im stabilisierten Zustand gleichmäßiger ist.

F: Werden die Eigenschaften durch die Lagertemperatur beeinflusst?
Ja. Eine längere Lagerung über etwa 50 °C kann eine 5xxx-Legierung sensibilisieren und die Korrosionsbeständigkeit unabhängig von der Temperatur beeinträchtigen. Daher sollten Spulen und Platten in einem trockenen Lagerhaus mit mäßiger Temperatur aufbewahrt werden.

F: Welche Härte bietet für die allgemeine Fertigung ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis?
Für nicht eingetauchte Teile, die auf einer Abkantpresse geformt werden, bietet 5083-H111 die niedrigsten Herstellungskosten, da weniger Umformvorgänge und eine geringere Rückfederungskompensation erforderlich sind. H321 rechtfertigt seine Kosten, wenn Festigkeit, Ermüdungslebensdauer oder Korrosionsbeständigkeit das Design bestimmen.