Die Aluminiumlegierung 5083 ist eine Konstruktionslegierung aus der 5xxx-Reihe der knetbaren Aluminiumlegierungen. 5083 ist eine magnesiumreiche, nicht wärmebehandelbare Legierung, die besonders korrosionsbeständig ist und unter ständiger mechanischer Beanspruchung ihre Schweißnahtintegrität bewahrt. Aufgrund dieser Eigenschaften ist sie seit langem der Standard unter den maritimen Aluminiumlegierungen für Schiffe, Offshore-Plattformen und schwere Schweißkonstruktionen.
Die anhaltende Beliebtheit von 5083 im Schiffsbau beruht darauf, wie gut es sich in der Praxis bewährt, und nicht darauf, wie gut es die Spezifikationen erfüllt. Der hohe Magnesiumgehalt macht es sehr widerstandsfähig gegen Korrosion durch Meerwasser. Der fehlende Kupferanteil verhindert zudem Korrosion durch galvanische und interkristalline Mechanismen, von denen viele hochfeste Legierungen betroffen sind. Vor allem aber behält 5083 nach dem Schweißen einen Großteil seiner Festigkeit bei, was es besser für große Konstruktionen geeignet macht, bei denen die Verbindungsfestigkeit wichtiger ist als die maximalen Zugfestigkeitswerte.
Dieser Fokus auf die Leistungsfähigkeit führt jedoch zu einem wichtigen Kompromiss in der Konstruktion: Eine gute Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit bedeuten nicht, dass die Bearbeitung einfach ist oder dass die Maße sehr präzise sind. In erster Linie ist 5083 eine Konstruktionslegierung und kein Werkstoff für die Präzisionsbearbeitung.
Dieser Leitfaden befasst sich mit der Aluminiumlegierung 5083 unter dem Gesichtspunkt ihrer Einsatzmöglichkeiten. Wir werden uns mit ihrer Zusammensetzung, ihren mechanischen Grenzwerten, ihren Verarbeitungseigenschaften sowie dem Vergleich mit anderen gängigen Legierungen befassen. Dies soll Ingenieuren dabei helfen, realistische Ziele zu setzen und den richtigen Werkstoff für anspruchsvolle Anwendungen auszuwählen.
Was ist die Aluminiumlegierung 5083? Einordnung in die Legierungsreihe und Zusammensetzung
Die Aluminiumlegierung 5083 ist ein leistungsstarkes Mitglied der 5xxx-Serie der kaltverformbaren Aluminiumlegierungen. Sie weist eine Aluminium-Magnesium-Zusammensetzung (Al-Mg) auf und wird als nicht wärmebehandelbares Aluminium klassifiziert. 5083 erhält seine mechanische Festigkeit durch Festlösungsverfestigung und kontrollierte Kaltverfestigung, während die 6xxx-Serie ihre Festigkeit durch Auslagerung erhält.
Die Aluminiumlegierungen der 5xxx-Reihe und ihre Rolle im Bauwesen
Die 5xxx-Serie weist einige wesentliche Gemeinsamkeiten auf:
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Magnesium ist das Hauptmetall, aus dem die Legierung besteht.
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Sehr widerstandsfähig gegenüber Salzwasser und Standorten mit hohem Chloridgehalt.
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Bessere Schweißbarkeit bei nur geringem Festigkeitsverlust in der Wärmeeinflusszone (HAZ).
5083 liegt am oberen Ende des Festigkeitsbereichs dieser Baureihe. Aluminium 5052 eignet sich besser für die Blechbearbeitung, da es sich leicht formen lässt. Aluminium 5083 hingegen ist dafür ausgelegt, Platten, Versteifungen und Tragelemente zu tragen, die über einen langen Zeitraum hohen Belastungen ausgesetzt sind.
Warum 5083 eine Marinelegierung für Konstruktionen ist
5083 verfügt über einzigartige Eigenschaften, die es in der Praxis besonders geeignet machen: Es ist äußerst korrosionsbeständig, weist stabile Schweißverbindungen auf und bietet eine gleichbleibende mechanische Leistungsfähigkeit. Ein vereinfachter Positionsvergleich veranschaulicht seine Eigenschaften:
Einordnung der Aluminiumlegierungsserien in Tabelle 1
| Legierung | Hauptkraftmechanismus | Korrosionsbeständigkeit | Gemeinsamer technischer Schwerpunkt |
| 5052 | Mäßig (feste Lösung) | Ausgezeichnet | Blechformteile, Behälter und Gehäuse. |
| 5083 | Hoch (Mischkristall) | Ausgezeichnet (Marine) | Geschweißte Schiffbauteile, Schiffsrümpfe. |
| 6061 | Mäßig (Niederschlag) | Gut | Allgemeine Konstruktionsrahmen und bearbeitete Teile. |
Dieser Vergleich verdeutlicht die Materialauswahl: 5083 ist die beste Wahl, wenn die strukturelle Integrität und die Korrosionsbeständigkeit in marinen Umgebungen wichtiger sind als die Bearbeitbarkeit.
Die chemische Zusammensetzung von Aluminium 5083 und ihre Auswirkungen auf die Technik
Die sorgfältig abgestimmte chemische Zusammensetzung des Aluminium 5083 ist der Grund für seine hervorragende Leistungsfähigkeit. Kupfer und Zink werden bewusst nicht beigemischt, da sie die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen würden.
Tabelle 2: Typische chemische Zusammensetzung (Gew.-% %)
| Element | Mindestens % | Maximal % | Hauptfunktion im Ingenieurwesen |
| Magnesium (Mg) | 4 | 4.9 | Ein wichtiges Härtungsmittel, das die Korrosionsanfälligkeit von Gegenständen in Wasser verringert. |
| Mangan (Mn) | 0.4 | 1 | steuert die Struktur der Körner und macht sie stabiler, wenn sie ermüden. |
| Chrom (Cr) | 0.05 | 0.25 | Dadurch wird die Körnung feiner, und das Material ist unter Belastung weniger anfällig für Korrosion. |
| Silizium (Si) | – | 0.4 | eine Verunreinigung, die auf einem niedrigen Niveau gehalten wird. |
| Eisen (Fe) | – | 0.4 | ein geringer Verunreinigungsgrad. |
| Kupfer (Cu) | – | 0.1 | sehr niedrig, um galvanische Korrosion zu verhindern. |
| Aluminium (Al) | Bilanz | Basis-Matrix. |
So wirkt ein hoher Magnesiumgehalt
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Festigkeitssteigerung durch Mischkristalle: Magnesiumatome mischen sich in das Aluminiumgitter ein, wodurch sich das Gitter verformt und die Bewegung von Versetzungen erschwert wird. Dadurch wird die Streckgrenze erhöht, ohne dass eine Erwärmung erforderlich ist.
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Korrosionsschutz: Magnesium trägt zur Bildung einer stabilen, schützenden Oxidschicht bei, die in Salzwasser nicht korrodiert.
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Schweißnahtfestigkeit: Die Legierung behält nach dem Schweißen den Großteil ihrer Festigkeit, da keine Ausscheidungen vorhanden sind, die sich auflösen könnten. Im Gegensatz dazu verliert 6061 in der Schweißzone bis zu 40–50% seiner Festigkeit.
5083 – Physikalische und mechanische Eigenschaften von Aluminium
Der Zustand (Kaltverfestigung) und die Verarbeitungsgeschichte bestimmen das mechanische Verhalten von 5083, da es nicht wärmebehandelt werden kann.
Mechanische Eigenschaften je nach Temperierung
H116 und H321 sind die wichtigsten Härtegrade für den Einsatz im Schiffsbau.
Tabelle 3: Vergleich der mechanischen Eigenschaften
| Eigentum | 5083-O (geglüht) | 5083-H116 | 5083-H321 | Strukturelle Interpretation |
| Zugfestigkeit | ~290 MPa | ~330 MPa | ~345 MPa | stabil genug für die Hauptstrukturen des Rumpfes. |
| Streckgrenze | ~145 MPa | ~230 MPa | ~240 MPa | Ein großer Sprung von 5052; die Form ändert sich nicht. |
| Dehnung | 22% | 10–14% | 10–14% | Es bleibt auch im gehärteten Zustand duktil und lässt sich daher formen. |
| Ermüdungsfestigkeit* | ~130 MPa | ~160 MPa | ~160 MPa | Stabil unter zyklischer Wellenbelastung. |
*Ermüdungsfestigkeit bei 5×10^8 Zyklen.
Physikalische Merkmale
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Die Dichte: 2,66 g/cm³ (Die geringste Dichte unter den wichtigsten Konstruktionslegierungen, was den Auftrieb begünstigt).
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Elastizitätsmodul: 70,3 GPa. Die Steifigkeit hängt von der Rippenführung und der Wandstärke ab, nicht nur vom Material.
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Wärmeleitfähigkeit: ~121 W/m·K (niedriger als bei 6061, wodurch sich der Wärmebedarf beim Schweißen ändert).
Was die Härtebezeichnungen H111, H116 und H321 bedeuten
Bei Aluminium 5083 ist die Festigkeitsbezeichnung ein entscheidender Faktor bei der Auswahl im Ingenieurwesen. Sie gibt Aufschluss darüber, wie gut sich das Material verarbeiten lässt, und nicht nur darüber, wie fest es ist.
H111: Die Härtung für den allgemeinen Gebrauch
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Definition: Material, das geformt und gehärtet, jedoch nicht vollständig geglüht wurde.
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Anwendungsfall: Allgemeiner Stahlbau, bei dem eine Zertifizierung für den Schiffsbau und maximale Festigkeit keine Rolle spielen.
H116: Der Marine-Standard
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Definition: Stahl, der gehärtet und auf bestimmte Weise behandelt wurde, um Korrosion durch Abblättern zu verhindern.
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Anwendungsfall: Schiffsrümpfe, Unterwasserkonstruktionen. Viele Klassifikationsgesellschaften, wie DNV und Lloyd’s, schreiben diese Güteklasse für den Einsatz in Salzwasser vor.
H321: Das beständige Marine-Temper
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Definition: Verformungsgehärtet und anschließend thermisch stabilisiert.
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Anwendungsfall: Ähnlich wie H116, weist diese Legierung jedoch im Laufe der Zeit eine höhere Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion (SCC) auf. Sie verhindert, dass Legierungen mit hohem Magnesiumgehalt mit zunehmendem Alter weicher werden.
Verwenden Sie gemäß den technischen Vorschriften niemals H111 anstelle von H116/H321 in baulichen Anwendungen im Salzwasser. Die Festigkeit mag zwar ähnlich sein, doch die Korrosionsbeständigkeit unterscheidet sich erheblich.
Die Korrosionsbeständigkeit von 5083 in marinen Umgebungen
Aluminium der Marinegüteklasse 5083 ist am besten geeignet. Was darin enthalten ist (Magnesium) und was nicht (Kupfer), beeinflusst seine Leistungsfähigkeit.
Warum 5083 in Meerwasser besser ist
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Oxidationsstabilität: Der Mg-reiche Oxidfilm ist selbstheilend und bleibt in chloridhaltigen Umgebungen mit einem pH-Wert von 4 bis 8,5 stabil.
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Keine galvanischen Paare: Legierungen wie 2024 oder 7075, die sehr fest sind, weisen Kupfer-Zink-Ausscheidungen auf, die zu internen Mikrobatterien führen, wodurch es schnell zu Lochfraß kommt. 5083 ist auf mikrostruktureller Ebene homogen, sodass diese Art von Versagen nicht auftritt.
Grenzwerte für Spannungsrisskorrosion (SCC)
5083 ist großartig, aber Legierungen mit hohem Mg-Gehalt (>3% Mg) haben eine "Achillesferse'. Werden sie über einen längeren Zeitraum Temperaturen über 65 °C (150 °F) ausgesetzt, kann sich Magnesium an den Korngrenzen abscheiden, wodurch das Material anfälliger für Spannungsrisskorrosion (SCC) wird.
Entwurfsgrenze: Verwenden Sie 5083 nicht für Bauteile, die Teil des Abgassystems des Motors oder des Heißbereichs der Konstruktion sind. 5052 (mit geringerem Mg-Gehalt) ist bei höheren Temperaturen sicherer, aber auch weniger fest.
Schweißbarkeit von Aluminium 5083 und Eigenschaften nach dem Schweißen
5083 ist als sehr gut schweißbarer Baustahl bekannt.
Warum 5083 weiterhin stark ist
Bei wärmebehandelbaren Legierungen wie 6061 zerstört die beim Schweißen entstehende Wärme den Härtezustand und schwächt die Wärmeeinflusszone (HAZ) wieder.
Die feste Lösung aus Magnesium verleiht der Legierung 5083 ihre Festigkeit. Die beim Schweißen entstehende Wärme führt nicht dazu, dass das Magnesium aus der Lösung austritt. Die Legierung 5083 behält in der Wärmeeinflusszone (HAZ) wesentlich mehr von ihrer ursprünglichen Festigkeit bei als die Legierung 6061, auch wenn ein Teil der Kaltverfestigung verloren geht.
Schweißzusätze
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Als Standard-Füllstoff wird ER5183 verwendet. Es weist dieselbe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf wie das Grundmetall.
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ER5356: Eine gute Alternative, die häufig in der allgemeinen Fertigung zum Einsatz kommt.
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Verwenden Sie keine Füllstoffe der Serie 4xxx in Verbindung mit 5083. Das Silizium im Füllwerkstoff und das Magnesium im Grundmetall reagieren miteinander und bilden Magnesiumsilizid (Mg₂Si), das spröde ist, wodurch die Schweißnaht gerissen ist.
CNC – Bearbeitungsmerkmale von Aluminium 5083
Aus fertigungstechnischer Sicht hat die CNC-Bearbeitung von Aluminium 5083 Vor- und Nachteile. Es handelt sich nicht um eine leicht zerspanbare Legierung, sondern um eine Konstruktionslegierung.
Probleme bei der Bearbeitbarkeit
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"Gummy"-Verhalten: Die Späne sind hart und neigen dazu, Flecken zu hinterlassen, da sie viel Magnesium enthalten. Das Material bricht nicht so leicht wie 6061 oder 2011.
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Aufgebaute Kante (BUE): Aluminium neigt dazu, am Schneidwerkzeug zu haften.
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Lösung: Verwenden Sie polierte Hartmetalleinsätze mit großen positiven Spanwinkeln und einem starken Kühlmittel.
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Oberfläche: Es ist schwierig, eine spiegelglatte Oberfläche zu erzielen. Im Vergleich zu 6061 wirkt die Oberfläche oft matt oder etwas rau.
Verbleibende Spannungen und Verformungen
5083 wurde stark bearbeitet (gewalzt). Es weist im Inneren große Spannungen auf.
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Das Thema: Das liegt daran, dass man, wenn man eine Materialschicht abträgt, die Spannung auflöst, die die Platte flach hält. Das Werkstück verbiegt sich oder verformt sich.
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Die Lösung: 5083 ist nicht die beste Wahl für bearbeitete Teile mit dünnen Wänden, die sehr präzise sein müssen. Wenn Sie sehr präzise Maße benötigen, führen Sie eine Grobbearbeitung durch, spannungsentlasten Sie das Werkstück (oder lassen Sie es ruhen) und führen Sie anschließend eine Feinbearbeitung durch. Oder wechseln Sie zu der Gusswerkzeugplatte (ATP-5), einer 5xxx-Legierung, die bereits spannungsentlastet ist.
5083 – Einsatzmöglichkeiten von Aluminium im Bauwesen
5083 ist die beste Wahl, wenn eine plattenbasierte Konstruktion, die Integrität der Fugen und die Langlebigkeit die wichtigsten Faktoren sind.
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Schiffbau: Rümpfe, Decks und Aufbauten für Yachten, Patrouillenboote und Fähren.
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Offshore-Öl- und Gasförderung: Wohnräume, Hubschrauberlandeplätze und Laufstege auf Ölplattformen (wo das Stahlgewicht zu hoch ist).
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Druckbehälter: Ungebrannte, geschweißte Druckbehälter für die Kryotechnik (wie LNG-Tanks) und den Transport von Chemikalien.
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Panzerung: für Militärfahrzeuge. 5083 ist sehr gut geeignet, um Kugeln abzuhalten und Energie zu absorbieren.
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Verkehr: Kipperaufbauten und Eisenbahnwaggons, die robust und verschleißfest sein müssen.
Ein Vergleich der Aluminiumlegierungen 5083 und 5052
Viele Menschen haben oft Schwierigkeiten, sich zwischen 5083 und 5052 zu entscheiden. Beide sind für den Einsatz auf See geeignet, haben jedoch unterschiedliche Einsatzbereiche.
Tabelle 4: Ein Vergleich zwischen 5083 und 5052
| Funktion | 5083 Aluminium | 5052 Aluminium | Wie man wählt |
| Stärke | Hohe Streckgrenze (~230 MPa) | Mittlere Streckgrenze (~195 MPa) | Verwenden Sie 5083 für Rahmen und Rümpfe, die Gewicht tragen müssen. |
| Umformbarkeit | Mäßig | Ausgezeichnet | Verwenden Sie 5052 für Tanks und Platten, die auf komplizierte Weise gebogen sind. |
| Korrosion | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Beide sind seewasserbeständig. |
| Schweißeignung | Ausgezeichnet (stärkere Gelenke) | Ausgezeichnet (einfacher) | 5083 ist die beste Wahl für Konstruktionsschweißnähte. |
| Kosten | höher | niedriger | Verwenden Sie 5052 für Verkleidungen, die nicht tragend sind. |
| Gemeinsamer Teil | Schiffsrumpfplatte | Kraftstofftank/Halterung |
Verwenden Sie gemäß den technischen Vorschriften 5083 für die Außenhaut und die Struktur eines Schiffes. Verwenden Sie 5052 für die Schränke, Tanks und komplexen Blechhalterungen im Inneren.
Einschränkungen von Aluminium 5083 im Maschinenbau
5083 ist zwar robust, hat aber seine Grenzen.
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Nicht Verwendung über längere Zeiträume bei Temperaturen über 65 °C (150 °F). Spannungsrisskorrosion (SCC) stellt ein Risiko dar.
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Nicht für Präzisionsteile geeignet: Da es starke Eigenspannungen aufweist, eignet es sich nicht für bearbeitete Gehäuse, die einen festen Sitz erfordern und komplexe Formen aufweisen (verwenden Sie stattdessen 6061-T6 oder Gussplatten).
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Aussehen: Es wird nicht zu dekorativen Zwecken eloxiert, wie dies bei den Sorten 5052 oder 6061 der Fall ist. Die Oberfläche weist in der Regel eine ungleichmäßige dunkelgraue Färbung auf.
Zusammenfassung – Wichtige technische Aspekte
Die Aluminiumlegierung 5083 ist das festeste Metall für den Einsatz im Schiffsbau. Es handelt sich dabei nicht um eine Allzwecklegierung, sondern um einen speziellen Konstruktionswerkstoff, der für raue Bedingungen entwickelt wurde.
Wichtige Punkte:
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Verwendung 5083 für Schweißkonstruktionen, die mit Meerwasser, Kryogenik oder starken Stößen in Berührung kommen.
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Wähle die richtige Stimmung: Verwenden Sie für den Einsatz im maritimen Bereich H116 oder H321, um Abriebkorrosion zu verhindern.
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Konstruktion für das Schweißen: Nutzen Sie die hohe Festigkeit direkt nach dem Schweißen, um große Baugruppen leichter zu gestalten.
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Halte dich an die Grenzen: Führen Sie keine Arbeiten bei hohen Temperaturen (>65 °C) oder Präzisionsbearbeitungen an dünnwandigen Teilen durch.
Ingenieure können mit 5083 Konstruktionen bauen, die den härtesten Bedingungen auf der Erde standhalten, wenn sie wissen, wozu das Material fähig ist und wozu nicht.
FAQ
F: Ist 5083 fester als 6061?
A: Ja, im geschweißten Zustand. Beim Schweißen verliert 6061 erheblich an Festigkeit (auf eine Streckgrenze von etwa 110 MPa), während 5083 den Großteil seiner Festigkeit beibehält (auf eine Streckgrenze von etwa 165 MPa in der Schweißzone). 6061-T6 ist für Teile, die miteinander verschraubt werden, fester.
F: Ist es möglich, 5083 einer Wärmebehandlung zu unterziehen?
A: Nein. Man kann es nicht wärmebehandeln. Es wird nur durch Walzen fester. Wenn man es erhitzt, wird es weicher.
F: Rostet 5083?
A: Nein. Es bildet eine widerstandsfähige Oxidschicht, die das Material vor Lochfraß durch Salzwasser schützt. Es gehört zu den Aluminiumlegierungen, die am besten gegen Korrosion beständig sind.
F: Lässt sich Aluminium der Sorte 5083 biegen?
A: Ja, aber es benötigt einen größeren Biegeradius als 5052. 5052 eignet sich besser für scharfe Biegungen. Wenn man 5083 zu stark biegt, kann es zu Rissen kommen, insbesondere bei den Härtegraden H116 und H321.
F: Welcher Schweißdraht eignet sich am besten für 5083?
A: Die Norm lautet ER5183. Die Verwendung von ER5356 ist ebenfalls zulässig. Verwenden Sie nicht 4043.
