Metalle für Konstruktionen: Auswahl und Verarbeitung

Das Wichtigste auf einen Blick

• Baustahl S235JR nach DIN EN 10025 ist der wirtschaftliche Standard für tragende Schweißkonstruktionen.
• Edelstahl 1.4301 kostet 2024 rund 2.700 bis 3.600 Euro je Tonne und deckt korrosive Umgebungen ab.
• Aluminium 6060 nach DIN EN 573 erreicht nur rund ein Drittel der Stahlsteifigkeit, wiegt aber ebenfalls nur ein Drittel.
• Kupfer Cu-DHP ist erste Wahl, wenn elektrische oder thermische Leitfähigkeit gefordert ist.
• Entscheidend sind nicht die Werkstoffkosten allein, sondern Verarbeitung, Oberfläche und Lebensdauer.

Was metallische Konstruktionswerkstoffe leisten müssen

Ein Lastenheft nennt selten nur eine Anforderung. Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Temperaturbereich, Gewicht, Fügbarkeit und Preis wirken gleichzeitig auf die Auswahl ein. Der Werkstoff, der alle Punkte erfüllt, existiert in der Regel nicht. Die Aufgabe besteht darin, den günstigsten Kompromiss zu finden.

Zwei Kennwerte steuern die Auslegung. Die Streckgrenze markiert die Belastung, ab der sich ein Bauteil bleibend verformt. Der Elastizitätsmodul bestimmt, wie stark es sich im elastischen Bereich durchbiegt. Stahl erreicht etwa 210.000 Newton je Quadratmillimeter, Aluminium rund 70.000.

Normen machen Werkstoffe vergleichbar. DIN EN 10025 regelt warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustählen, DIN EN 573 die chemische Zusammensetzung und die Lieferformen von Aluminium-Knetlegierungen. Wer an solchen Festlegungen mitwirkt und wie das Verfahren abläuft, beschreibt DIN unter Wie DIN-Normen entstehen.

Eine Norm belegt keine Eignung für jeden Einsatzfall. Sie legt Grenzwerte fest, etwa die chemische Analyse, die Mindeststreckgrenze und die Kerbschlagarbeit. Ob eine Konstruktion hält, entscheidet die Auslegung: im Stahlbau über die Eurocodes, im Maschinenbau über die einschlägigen Berechnungsregeln und die Vorgaben des Betreibers.

Vier Konstruktionsmetalle im Vergleich

Vier Werkstoffe decken im Maschinen- und Anlagenbau die meisten Fälle ab: Baustahl, Edelstahl, Aluminium und Kupfer. Die folgende Übersicht nennt die Norm, typische Anwendungen und Orientierungspreise für Halbzeuge.

Werkstoff	Norm	Typische Anwendung	Streckgrenze	Preis je Tonne
S235JR	DIN EN 10025-2	Rahmen, Träger, Behälter, Bühnen	235 N/mm²	650 bis 900 Euro
1.4301	DIN EN 10088-2	Apparatebau, Lebensmitteltechnik	190 bis 210 N/mm²	2.700 bis 3.600 Euro
Aluminium 6060	DIN EN 573-3	Strangpressprofile, Gehäuse, Gestelle	60 bis 200 N/mm²	3.500 bis 4.500 Euro
Cu-DHP	DIN EN 1412	Rohrleitungen, Wärmetauscher, Elektrotechnik	60 bis 90 N/mm² (weich)	8.500 bis 9.800 Euro

Alle Preise sind Orientierungswerte für Halbzeuge, Stand 2024, ohne Mehrwertsteuer und ohne Zuschnitt, Oberfläche oder Lieferung. Die Streckgrenze von Aluminium 6060 hängt vom Zustand ab und reicht von T4 bis T66.

Baustahl S235JR: der wirtschaftliche Standard

Die Kurzbezeichnung S235JR ist selbsterklärend. Das S steht für einen Baustahl, die 235 für die Mindeststreckgrenze in Newton je Quadratmillimeter. Das JR kennzeichnet eine Kerbschlagarbeit von 27 Joule bei plus 20 Grad Celsius. Geregelt ist der Werkstoff in DIN EN 10025-2 für flache und lange Erzeugnisse.

Verfügbar ist S235JR als Blech, Band, Träger, Winkel, Rohr und Rundstahl. Typische Anwendungen sind Schweißgestelle, Kranbahnträger, Lagerbehälter, Bühnen, Landmaschinen und Aufspannplatten. Für Anlagen im Freien wird der Stahl feuerverzinkt oder beschichtet, weil unlegierter Stahl ohne Schutz rostet.

Die Verarbeitung gilt als einfach. S235JR lässt sich mit MAG, WIG oder Unterpulver schweißen, kalt umformen, brennen, sägen und bohren. Das begrenzte Kohlenstoffäquivalent hält die Aufhärtung in der Wärmeeinflusszone niedrig. Bei großen Blechdicken, niedrigen Umgebungstemperaturen oder starkem Wärmeabfluss ist ein Vorwärmen sinnvoll.

Wird die Festigkeit knapp, führen höhere Güten wie S355J2 nach derselben Norm weiter. Bei wechselnder Feuchte und ohne Beschichtung kommt wetterfester Baustahl infrage, der eine schützende Patina ausbildet. Er ist kein Ersatz für eine Verzinkung in allen Umgebungen, sondern eine eigene Konstruktionsentscheidung.

Edelstahl 1.4301: wenn Korrosion den Ausschlag gibt

1.4301 ist ein austenitischer Chrom-Nickel-Stahl mit etwa 18 Prozent Chrom und 8 bis 10,5 Prozent Nickel. Die Werkstoffnummer ist in DIN EN 10088-2 für Flachprodukte und in DIN EN 10088-3 für Stäbe festgelegt. Die hohe Chromkonzentration bildet an der Oberfläche eine Passivschicht, die sich nach Kratzern selbst wieder aufbaut.

Anwendungen liegen dort, wo Feuchtigkeit, Reinigungsmittel oder Lebensmittel ins Spiel kommen: Tanks, Rohrleitungen, Abfüllanlagen, Kücheneinrichtungen, Fassaden, Geländer und medizinische Geräte. Auch für Trinkwasser ist der Werkstoff üblich, sofern die Wasserqualität zur Auslegung passt.

Grenzen zeigen sich bei Chloriden. In salzhaltiger Luft, in Sole oder in stehenden chloridhaltigen Medien kann die Passivschicht örtlich durchbrochen werden. Es entstehen Lochfraß oder Spannungsrisskorrosion. Dann ist der molybdänhaltige Werkstoff 1.4404 die bessere Wahl.

Beim Verarbeiten sind zwei Punkte wichtig. Erstens verfestigt 1.4301 stark, was Werkzeuge und Vorschübe beansprucht. Zweitens müssen Eisenverunreinigungen von der Oberfläche ferngehalten werden, weil sie dort zu Rost führen.

Nach dem Schweißen werden Nähte abgebeizt und passiviert. Der Preis von 2.700 bis 3.600 Euro je Tonne schwankt mit dem Nickelpreis und den Legierungszuschlägen der Lieferanten.

Aluminium 6060: leicht, aber weniger steif

6060 ist eine Aluminium-Knetlegierung vom Typ AlMgSi0,5. DIN EN 573-3 legt die chemische Zusammensetzung fest, DIN EN 755 die Anforderungen an Strangpressprofile. Der Zustand wird mit einem Buchstaben und Ziffern angegeben. T4 steht für lösungsgeglüht und kaltausgehärtet, T66 für eine warmausgehärtete Variante mit höherer Festigkeit.

Die Dichte beträgt 2,70 Gramm je Kubikzentimeter, also rund ein Drittel von Stahl. Der Elastizitätsmodul liegt mit etwa 70.000 Newton je Quadratmillimeter ebenfalls bei einem Drittel. Konstruktionen aus 6060 müssen deshalb steifer ausgelegt werden, was einen Teil des Gewichtsvorteils wieder aufzehrt.

Typische Anwendungen sind Gestelle, Gehäuse, Fassadenprofile, Fördertechnik, Schaltschränke und Fahrzeugaufbauten. Strangpressprofile lassen sich mit Nutensteinen und Verbindern montieren, ohne dass geschweißt werden muss.

Beim Schweißen sinkt die Festigkeit in der Wärmeeinflusszone, weil die Ausscheidungshärtung verloren geht. Wer die volle Festigkeit braucht, plant Schraub- oder Nietverbindungen ein. Oberflächen erhalten durch Eloxieren eine harte, dekorative Oxidschicht. Ein weiterer Punkt ist die Wärmedehnung: Sie liegt mit etwa 23 Mikrometern je Meter und Kelvin ungefähr doppelt so hoch wie bei Stahl.

Kontaktkorrosion ist zu vermeiden. Aluminium und Stahl dürfen sich in feuchter Umgebung nicht blank berühren, sonst löst sich das unedlere Aluminium auf. Trennscheiben, Beschichtungen oder Verbindungsmittel aus Edelstahl lösen das Problem.

Kupfer Cu-DHP: Leitfähigkeit und Wärme

Cu-DHP trägt die Werkstoffnummer CW024A und ist ein phosphor-desoxidiertes Kupfer mit einem Kupferanteil von mindestens 99,90 Prozent. Die Bezeichnung regelt DIN EN 1412, Rohre für Wasser und Gas folgen DIN EN 1057. Die elektrische Leitfähigkeit erreicht im weichen Zustand rund 56 bis 58 Megasiemens je Meter.

Daraus ergeben sich die Einsatzfelder: Trinkwasser- und Heizungsrohre, Wärmetauscher, Klima- und Kältetechnik, Stromschienen, Dachbleche und Fassaden. Kupfer ist gut kaltumformbar, was enge Biegeradien in der Rohrverlegung erlaubt. Es lässt sich weichlöten, hartlöten und mit Pressfittingen verbinden.

Schweißen ist wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit anspruchsvoll, weil die Wärme schnell aus der Naht abfließt. Beim Umformen verfestigt das Material, sodass Zwischenglühen nötig werden kann. An der Atmosphäre bildet Kupfer mit der Zeit eine grüne Patina, die als Gestaltungselement akzeptiert oder mit einer Beschichtung unterbunden wird.

Der Preis liegt 2024 bei etwa 8.500 bis 9.800 Euro je Tonne und folgt eng dem Börsenpreis an der London Metal Exchange. Ein Kupferbauteil ist damit je Kilogramm das teuerste der vier Beispiele.

Kosten einordnen: Preise, Rechenbeispiel und Nebenkosten

Werkstoffpreise sind ein Teil der Rechnung. Dazu kommen Zuschnitt, Umformung, Schweißen, Oberflächenbehandlung, Prüfungen und Ausschuss. Ein Beispiel zeigt, wie stark die Werkstoffwahl durchschlägt.

Beispielrechnung: Ein Schweißgestell für eine Montagelinie besteht aus 2,5 Tonnen S235JR-Halbzeug. Bei 800 Euro je Tonne ergeben sich 2.000 Euro Materialkosten, ohne Mehrwertsteuer, ohne Zuschnitt, Stand 2024.

Wird dasselbe Gestell aus Aluminium 6060 gebaut, sinkt das Gewicht auf etwa 1,0 Tonne. Wegen des niedrigeren E-Moduls fallen die Querschnitte größer aus, der Gewichtsvorteil schrumpft also. Bei 4.000 Euro je Tonne kostet das Material rund 4.000 Euro.

In Edelstahl 1.4301 bleibt das Gewicht mit etwa 2,6 Tonnen nahe am Stahl, weil die Dichte vergleichbar ist. Bei 3.100 Euro je Tonne sind das etwa 8.060 Euro. Dafür entfällt der Korrosionsschutz, der bei der Stahlvariante mit Feuerverzinkung oder Beschichtung bezahlt werden muss.

Ob sich der teurere Werkstoff rechnet, hängt von Stückzahl, Lebensdauer und Instandhaltung ab. Ein Aluminiumgestell lässt sich leichter umsetzen und schneller zerspanen. Ein Edelstahlgestell spart Lackarbeiten über Jahre.

Amtliche Erzeugerpreise für Industriegüter veröffentlicht das Statistische Bundesamt monatlich in seinen Preisstatistiken. Strukturzahlen zu Produktion und Kosten im Verarbeitenden Gewerbe liefern die Branchendaten derselben Behörde.

Auch die Kreislaufwirtschaft gehört in die Rechnung. Schrott ist ein Wertstoff, Stahl und Aluminium werden in großem Umfang wiederverwertet. Das Umweltbundesamt beschreibt in seinem Themenschwerpunkt Ressourcennutzung und ihre Folgen, wie Verbrauch und Kreisläufe zusammenhängen. Die Europäische Umweltagentur ordnet Materialverbrauch und Kreislaufwirtschaft in Europa unter Resource use and materials ein.

Verarbeitung: Schweißen, Trennen und Umformen im Vergleich

Die Fügetechnik ist ein Auswahlkriterium, kein Nebenaspekt. Stahl und Edelstahl sind schweißbar, Aluminium nur mit Abstrichen bei der Festigkeit, Kupfer lässt sich besser löten als schweißen. Wer eine Fertigung ohne Schweißerei plant, entscheidet sich anders als ein Betrieb mit eigener Schweißtechnik.

So bereiten Sie eine Schweißkonstruktion aus S235JR vor:

1. Werkstoffzeugnisse prüfen, zum Beispiel ein Abnahmeprüfzeugnis 3.1 nach DIN EN 10204, und Chargen den Bauteilen zuordnen.
2. Fügeflächen reinigen, Zunder, Rost, Öl und Farbe entfernen, damit keine Poren entstehen.
3. Nahtvorbereitung und Spaltmaße festlegen und die Schweißfolge planen, um Verzug gering zu halten.
4. Vorwärmen, wenn Blechdicke, Kohlenstoffäquivalent und Umgebungstemperatur es erfordern.
5. Nach dem Schweißen langsam abkühlen lassen, Verzug messen und die Dokumentation abschließen.

Bei Edelstahl gelten strengere Regeln. Werkzeuge und Bürsten müssen frei von unlegiertem Stahl sein. Nach dem Schweißen werden Zunder und Anlauffarben entfernt, anschließend wird passiviert.

Aluminium verlangt Schutzgasschweißen mit Wechselstrom oder Impuls, weil die Oxidschicht erst aufgebrochen werden muss. Die Wärmeeinbringung ist hoch, die Schmelze dünnflüssig. Verzug und Einbrandkerben sind häufige Fehler, ebenso eine fehlende Gasabdeckung auf der Wurzelseite.

Kupfer wird überwiegend gelötet oder mit Pressfittingen verbunden. Beim Umformen sind Mindestbiegeradien zu beachten, weil das Material nach dem Biegen aushärtet und Risse bilden kann. Welche Prüfverfahren und Zusatzwerkstoffe genormt sind, erarbeiten Fachgremien. Die Übersicht der Normenausschüsse bei DIN zeigt, welcher Ausschuss welches Themenfeld betreut.

Werkstoffauswahl in fünf Schritten

1. Anforderungen sammeln: Belastung, Steifigkeit, Medium, Temperatur, Lebensdauer und Einbausituation.
2. Kennwerte festlegen: erforderliche Streckgrenze mit Sicherheitsbeiwert, E-Modul, Kerbschlagarbeit, Korrosionsbeständigkeit.
3. Fertigung prüfen: Schweißbarkeit, Umformgrad, Zerspanbarkeit und verfügbare Halbzeugformen.
4. Kosten über die Lebensdauer rechnen: Werkstoff, Verarbeitung, Oberfläche, Instandhaltung, Schrottwert.
5. Werkstoff und Zustand festschreiben, Zeugnisse vereinbaren und eine Alternative benennen, falls der Markt nicht liefert.

Häufige Fragen

Wann reicht S235JR aus?

Wenn die Festigkeit für die Auslegung genügt und Korrosion beherrschbar bleibt. In trockener Umgebung oder mit Verzinkung ist der Stahl die günstigste Lösung. Bei dauerhafter Feuchte, Salz oder Chloriden führt der Weg zu Edelstahl.

Warum ist 1.4301 nicht für jedes korrosive Medium geeignet?

Die Passivschicht widersteht Wasser und vielen Säuren, aber nicht hohen Chloridkonzentrationen. In Sole, salzhaltiger Luft oder stehenden chloridhaltigen Medien drohen Lochfraß und Spannungsrisskorrosion. Der molybdänhaltige Werkstoff 1.4404 ist dann die bessere Wahl.

Was bedeutet der Zustand T66 bei Aluminium 6060?

T66 bezeichnet einen warmausgehärteten Zustand mit höherer Streckgrenze als T4 oder T5. Profile in T66 tragen mehr Last bei gleichem Querschnitt, lassen sich aber schlechter kalt umformen.

Wie groß ist der Preisunterschied zwischen Baustahl und Edelstahl?

Pro Tonne liegt 1.4301 mit 2.700 bis 3.600 Euro etwa beim Drei- bis Vierfachen von S235JR mit 650 bis 900 Euro. Dafür entfallen Beschichtung und ein Teil der Instandhaltung.

Welche Norm legt die Zusammensetzung von Aluminium-Knetlegierungen fest?

DIN EN 573-3 regelt die chemische Zusammensetzung, DIN EN 573-4 die Formen der Erzeugnisse. Maße und Toleranzen von Strangpressprofilen stehen in DIN EN 755.