Aluminium-Magnesium-Gusslegierungen: Leichte Stärke

1. Zusammenfassung

„Aluminium-Magnesium-Guss“ bezieht sich auf zwei verwandte, aber unterschiedliche technische Familien:

(A) Al-Mg-Gusslegierungen mit hohem Mg-Gehalt (Legierung mit Mg-Mehrheit zur Maximierung der Korrosionsbeständigkeit und spezifischen Festigkeit für Marine-/gewichtskritische Teile) Und (B) Al-Si-Mg-Gusslegierungen (Al-Si-Basis mit geringen Mg-Zusätzen zur Aushärtung und Festigkeit).

Al-Mg-Gusslegierungen bieten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit (vor allem in Chloridumgebungen), attraktives Festigkeits-Gewichtsverhältnis und gute Zähigkeit, Sie stellen jedoch eine Herausforderung beim Gießen und Schmelzhandhaben dar, da Mg leicht oxidiert und die Porosität fördern kann, wenn die Prozessdisziplin schwach ist.

Die meisten Al-Mg-Gusslegierungen sind nicht stark ausscheidungshärtend – die Verfestigung erfolgt hauptsächlich durch feste Lösung, Mikrostrukturkontrolle und thermomechanische Bearbeitung anstelle herkömmlicher T6-Methoden für Al-Si-Mg-Legierungen.

2. Was wir unter „Al-Mg-Guss“ verstehen – Familien und gängige Qualitäten

Zwei praktische Kategorien von Al-Mg-Gusslegierungen tauchen in der Industrie immer wieder auf:

• Kategorie A – Gusslegierungen mit hohem Magnesiumgehalt (Al-Mg-Familie): Legierungen, in denen der Mg-Gehalt hoch genug ist, um das Korrosionsverhalten und die spezifische Dichte/Festigkeit zu dominieren.
  In der Literatur und in der Werkstattpraxis wird in dieser Klasse häufig Mg genannt 3–6 Gew.-% Bereich mit kleinen Si-Zusätzen (≈0,5–1,0 %) wenn eine bessere Gießbarkeit erforderlich ist. Diese werden dort eingesetzt, wo Korrosionsbeständigkeit besteht / Geringes Gewicht steht im Vordergrund.
• Kategorie B – Al-Si-Mg-Gusslegierungen (Al-Si-Mg-Familie): Naheutektische Gusslegierungen auf Al-Si-Basis (Si ≈ 7–12 Gew.-%) Dazu gehört bescheidenes Mg (≈0,2–0,8 Gew.-%) künstliche Alterung zu ermöglichen (Mg₂Si-Ausfällung) und höhere Festigkeit nach T-Typ-Alterung (T6).
  Beispiele hierfür sind Industrielegierungen wie A356 (Al–Si–Mg) — Diese werden manchmal als „Al-Mg-haltige Gussteile“ bezeichnet. (Es handelt sich jedoch hauptsächlich um Al-Si-Legierungen mit Mg als verstärkendem Element).

In der Praxis wird man bei der Korrosionsbeständigkeit die Kategorie A wählen (Marine, chemischer Kontakt) und geringe Dichte dominieren; Wählen Sie bei der Gießbarkeit die Kategorie B, Dimensionsstabilität und Wärmebehandelbarkeit sind erforderlich.

3. Typische chemische Zusammensetzungen

Tisch: Typische Zusammensetzungsbereiche (technische Anleitung)

Notizen

• Die oben genannten Bereiche sind praktische technische Fenster – genaue Spezifikationen müssen auf eine Normbezeichnung verweisen (ASTM/EN) oder das Zertifikat des Lieferanten.
• Gusslegierungen mit hohem Mg-Gehalt nähern sich in ihrer Zusammensetzung dem Bereich von 5xxx-Knetlegierungen an, sind jedoch für den Guss geeignet (unterschiedliches Verunreinigungskontroll- und Erstarrungsverhalten).

4. Mikrostruktur und Phasenchemie – was die Leistung steuert

Primäre mikrostrukturelle Akteure

• α-Al-Matrix (kubisch flächenzentriert): die primär tragende Phase in allen Al-Legierungen.
• Mg in fester Lösung: Mg-Atome lösen sich in α-Al; In moderaten Konzentrationen stärken sie die Matrix durch Festigung der festen Lösung.
• Intermetallik / zweite Phasen:

• • Mg-reiche intermetallische Verbindungen (Al₃Mg₂/β): kann sich bei hohen Mg-Gehalten und in interdendritischen Regionen bilden; Ihre Morphologie und Verteilung steuern die Hochtemperaturstabilität und das Korrosionsverhalten.
  • Mg₂si (in Al-Si-Mg-Legierungen): bildet sich während der Alterung und ist die wichtigste Ausscheidungshärtungsphase in der Al-Si-Mg-Familie.
  • Fe-haltige Phasen: Fe-Verunreinigungen bilden spröde intermetallische Verbindungen (Al₅FeSi, usw.) die die Duktilität verringern und örtliche Korrosion fördern können; Mn wird häufig in geringen Mengen zugesetzt, um Fe-Phasen zu modifizieren.

Erstarrungseigenschaften

• Legierungen mit hohem Mg-Gehalt neigen dazu, ein relativ einfaches α zu haben + intermetallischer Erstarrungspfad, kann aber bei langsamer Abkühlung zu Entmischungen führen; Schnelles Abkühlen verfeinert die Struktur, erhöht jedoch das Risiko von Porosität, wenn die Zufuhr unzureichend ist.
• Al-Si-Mg-Legierungen erstarren mit primärem α, gefolgt von einem eutektischen α + Und; Mg ist an späteren Reaktionen beteiligt (Mg₂si) wenn der Mg-Gehalt ausreicht.

Link Mikrostruktur → Eigenschaften

• Bußgeld, gleichmäßig verteilte zweite Phasen sorgen für eine bessere Zähigkeit und vermeiden sprödes Verhalten.
• Grobe intermetallische Verbindungen oder Segregation Müdigkeit abbauen, Duktilität und Korrosionsverhalten. Steuerung durch Schmelzpraxis, Kornverfeinerung und Abkühlgeschwindigkeit sind entscheidend.

5. Wichtigste Leistungsmerkmale

Mechanische Eigenschaften (typische technische Bereiche – Gusszustand)

Die Werte variieren je nach Legierung, Abschnittgröße, Gussverfahren und Wärmebehandlung. Nutzen Sie Lieferantendaten für designkritische Zahlen.

• Dichte (typisch): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ für Al-Mg-Gusslegierungen (leichter Anstieg gegenüber reinem Al ~2,70).
• Zugfestigkeit (as-cast):

• • Gusslegierungen mit hohem Mg-Gehalt: ~150–260 MPa (abhängig vom Mg-Gehalt, Abschnittsdicke und Finish).
  • Al–Si–Mg (gießen + T6): ~240–320 MPa (Die A356 im T6-Alter liegen am oberen Ende).

• Ertragsfestigkeit: rund 0.5–0,8 × UTS als Leitfaden.
• Verlängerung:5–15% Je nach Legierung und Verarbeitung weisen Gussteile mit hohem Mg-Gehalt typischerweise eine gute Duktilität auf (einphasige Tendenz), Al-Si mit grobem Si zeigt eine geringere Dehnung, sofern es nicht modifiziert wird.
• Ermüdung und Bruchzähigkeit: gut, wenn die Mikrostruktur gesund und die Porosität gering ist; Ermüdungsverhalten, empfindlich gegenüber Gussfehlern.

Korrosionsbeständigkeit

• Gusslegierungen mit hohem Mg-Gehalt zeigen Ausgezeichnete allgemeine Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in Meeres- und alkalischen Umgebungen – Mg erhöht die Lochfraßbeständigkeit im Vergleich zu Standard-3xxx/6xxx-Al-Legierungen.
• Für chloridreiche Umgebungen, Al-Mg-Legierungen übertreffen oft einfache Al-Legierungen, sind aber immer noch schlechter als rostfreie Stähle und erfordern in schweren Fällen einen Oberflächenschutz.

Thermische Eigenschaften

• Die Wärmeleitfähigkeit von Al-Mg-Legierungen bleibt hoch (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ je nach Legierung und Gefüge), Dadurch eignen sie sich für Thermogehäuse und wärmeableitende Teile.

Hersteller & Schweißen

• Casting-Methoden: Sandguss, Permanente Form, Schwerkraft-Druckguss und einige Hochdruck-Druckguss (mit sorgfältigem Fluxen) werden verwendet.
• Schweißbarkeit: Al-Mg-Legierungen sind im Allgemeinen schweißbar (Gtaw, Gawn), Beim Schweißen von Gussteilen muss jedoch auf Porosität und Korrosion nach dem Schweißen geachtet werden (Verwenden Sie geeignete Zusatzlegierungen und reinigen Sie sie nach dem Schweißen).
• Verarbeitbarkeit: gerecht; Werkzeugauswahl und Drehzahlen angepasst an Aluminiumlegierungen.

6. Wärmebehandlung und thermische Verarbeitung

Welche Legierungen reagieren auf eine Wärmebehandlung??

• Al-Si-Mg-Gusslegierungen (Kategorie B) Sind hitzebehandelbar (Altershärtung): Lösungsbehandlung → Abschrecken → künstliche Alterung (T6) führt durch Ausfällung von Mg₂Si zu erheblichen Festigkeitssteigerungen.
  Typische T6-Flugpläne für A356/A357: Lösung ~495 °C, mehrere Stunden bei 160–180 °C reifen lassen (Befolgen Sie die Anweisungen des Lieferanten).
• Al-Mg-Gusslegierungen mit hohem Magnesiumgehalt (Kategorie A) Sind im Allgemeinen nicht im gleichen Maße ausscheidungshärtbar: Mg ist ein Festigkeitsträger in fester Lösung und viele Zusammensetzungen mit hohem Mg-Gehalt härten hauptsächlich durch Reckalterung oder Kaltumformung in Knetformen und nicht durch herkömmliche T6-Alterung.
  Der Schwerpunkt liegt auf der Wärmebehandlung von Gusslegierungen mit hohem Mg-Gehalt:

• • Homogenisierung um die chemische Entmischung zu reduzieren (Einweichen bei niedriger Temperatur, um den gelösten Stoff neu zu verteilen).
  • Spannungsarmglühen Gussspannungen abzubauen (typische Temperaturen: mäßige Glühvorgänge bei 300–400 °C – genaue Zyklen hängen von der Legierung und dem Abschnitt ab).
  • Sorgfältige Lösungsbehandlung: Wird selektiv für einige gegossene Al-Mg-Varianten verwendet, kann jedoch eine unerwünschte intermetallische Vergröberung begünstigen – siehe Legierungsdatenblätter.

Praktische Anleitung zur Wärmebehandlung

• Für Al-Si-Mg-Gussteile für Stärke gedacht, planen für Lösung + löschen + Altern (T6) und Design mit Abschnittsgrößen, die eine effektive Abschreckung ermöglichen.
• Für Gussteile mit hohem Mg-Gehalt, angeben Homogenisierung und Stressabbau Zyklen zur Stabilisierung der Mikrostruktur und Dimensionsstabilität; Erwarten Sie keine großen Alterungszuwächse.

7. Überlegungen zur Gießereipraxis und Verarbeitung

Schmelz- und Schmelzschutz

• Magnesiumkontrolle: Mg oxidiert leicht zu MgO. Verwenden Sie Schutzflussmittel (Salzfluss), kontrollierte Überhitzung, und die Krätzebildung minimieren.
• Schmelztemperatur: Halten Sie sich innerhalb der empfohlenen Bereiche für die gewählte Legierung; Eine übermäßige Überhitzung erhöht die Verbrennungsverluste und die Oxidbildung.
• Entgasung und Filtration: Wasserstoff und Oxide entfernen (Rotationsentgasung, Keramikschaumfilter) um die Porosität zu reduzieren und die mechanische/Korrosionsleistung zu verbessern.

Casting-Methoden

• Sandguss & Dauerform: Häufig bei Legierungen mit hohem Mg-Gehalt und bei größeren Teilen.
• Schwerkraft stirbt Guss / Tiefdruckguss: Erzeugt eine bessere Mikrostruktur und Oberflächenbeschaffenheit; gut für Strukturteile.
• Hochdruckguss: Wird hauptsächlich für Legierungen auf Al-Si-Basis verwendet; Vorsicht bei hohem Mg-Gehalt aufgrund von Mg-Oxidation und Gasporosität.

Gemeinsame Mängel & Milderung

• Porosität (Gas/Schrumpfung): durch Entgasung gemildert, Filtration, richtiges Anschnitt- und Steigrohrdesign, und durch Steuerung der Erstarrungsgeschwindigkeit.
• Oxid-/Bifilmdefekte: Kontrollieren Sie die Turbulenzen beim Gießen und nutzen Sie die Filterung.
• Heißes Zerreißen: Verwalten durch Design (Vermeiden Sie abrupte Abschnittswechsel) und Kontrolle der Zufuhr/Verfestigung.

8. Typische Anwendungen von Aluminium-Magnesium-Gusslegierungen

Aluminium werfen–Magnesiumlegierungen nehmen einen wichtigen Mittelweg in der Leichtmetalltechnik ein: Sie kombinieren im Vergleich zu vielen Aluminiumlegierungen eine geringere Dichte und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit mit akzeptabler Gießbarkeit und guter Zähigkeit.

Marine- und Offshore -Ausrüstung

• Gehäuse pumpen, Ventilgehäuse und Laufräder für Süß-/Brackwasseranwendungen
• Decksarmaturen, Servicehalterungen, Zwickel und Abdeckungen in Spritz-/Sprühzonen
• Rohrbeschläge, Kondensatorgehäuse und Servicegehäuse

Automobil und Transport

• Strukturhalterungen und Hilfsrahmen (Abschnitte mit geringer Masse)
• Karosserie aus weißen Bauteilen, Strukturgehäuse und Gehäuse für den Innenbereich
• Kühlkörpergehäuse und Trägerplatten für Leistungselektronik (in Elektrofahrzeugen)

Pumps, Ventile und Hardware für die Flüssigkeitshandhabung (industriell)

• Pumpengehäuse und Spiralen für die Chemikalien- und Wasserförderung
• Ventilkörper, Sitzgehäuse und Aktuatorgehäuse

Wärmeableitung und Elektronikgehäuse

• Elektronische Gehäuse, Wärmeverteiler und Motorsteuerungsgehäuse (EV-Traktion/Wechselrichter)
• Kühlkörpergehäuse, bei denen es auf Wärmeleitfähigkeit und geringe Masse ankommt

Luft- und Raumfahrt (nicht-primäre Strukturen und sekundäre Komponenten)

• Innenhalterungen, Gehäuse, Avionikgehäuse, nicht primäre Strukturplatten und Verkleidungen

Verbraucher & Sportartikel, Elektronik

• Leichte Rahmen, Schutzhüllen, Gehäuse für tragbare Geräte, Fahrradkomponenten (nicht kritisch), Kamerakörper

Industriemaschinen und HVAC-Komponenten

• Lüftergehäuse, Gebläsegehäuse, Endkappen für Wärmetauscher, leichte Pumpenabdeckungen

Spezialanwendungen

• Kryo-Ausrüstung (wo eine geringe Masse von Vorteil ist, die Legierungen jedoch für die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen geeignet sein müssen)
• Gehäuse für Offshore-Instrumente, flache Unterwasserkomponenten (mit ausreichendem Schutz)

9. Vor- und Nachteile

Vorteile von Aluminium-Magnesium-Gusslegierungen

• Überlegene Korrosionsbeständigkeit (vor allem in Meeresumgebungen)
• Geringe Dichte und hohe spezifische Festigkeit für gewichtskritische Anwendungen
• Hervorragende Gasdichtheit für Druckbehälter und geschlossene Systeme
• Gute Bearbeitbarkeit für präzise Endbearbeitung

Nachteile von Aluminium-Magnesium-Gusslegierungen

• Schlechte Gießleistung mit hoher Heißrissneigung und geringer Fließfähigkeit
• Oxidationsrisiko und Schlackeneinschluss erfordern Schutzatmosphären
• Höhere Produktionskosten aufgrund von Prozesskomplexität und Materialprämien
• Begrenzter Anwendungsbereich, beschränkt auf hochwertige Sektoren

10. Vergleichende Analyse: Al-Mg-Guss vs. Konkurrierende Legierungen

Die folgende Tabelle vergleicht gießen Aluminium–Magnesiumlegierungen (Al-Mg-Guss) mit häufig konkurrierenden Gussmaterialien, die in leichten und korrosionsempfindlichen Anwendungen verwendet werden.

Der Vergleich konzentriert sich auf wichtige technische Entscheidungskriterien und nicht nur nominale Materialeigenschaften, was eine praktische Materialauswahl ermöglicht.

Zusammenfassung der Materialauswahl

Wählen Aluminium-Magnesium-Gusslegierungen Wann leicht, Korrosionsbeständigkeit, und angemessene Stärke sind bei gemäßigten Temperaturen erforderlich.

Für extreme Umgebungen (Hohe Temperatur, Druck, oder aggressive Chemikalien), Edelstahl bleibt überlegen, während Al-Si-Legierungen dominieren wann komplexe Gussgeometrie und Kosteneffizienz sind von größter Bedeutung.

11. Schlussfolgerungen – praktische Erkenntnisse aus der Technik

• Al-Mg-Gusslegierungen bieten eine hervorragende Kombination aus geringer Dichte, Korrosionsbeständigkeit und ausreichende Festigkeit für viele strukturelle Anwendungen – aber sie sind es kein einziges Material; unterscheiden Gussfamilien mit hohem Mg-Gehalt von Gussfamilien mit Al-Si-Mg-Aushärtung.
• Prozessdisziplin ist wichtig: Schmelzschutz, Entgasung und Filtration sind unerlässlich, um die erwartete mechanische Leistung und Korrosionsleistung zu erreichen.
• Die Wärmebehandelbarkeit ist unterschiedlich: Al-Si-Mg-Gusslegierungen reagieren gut auf Lösung + Altern (T6) und liefern höhere Stärken; Gusslegierungen mit hohem Mg-Gehalt profitieren weniger von der konventionellen Alterung und hängen stärker von der Kontrolle der Mikrostruktur und der mechanischen Bearbeitung ab.
• Design zum Gießen: Kontrollabschnittdicke, Zuführung und Anguss, um häufige Gussfehler zu vermeiden, die sich am negativsten auf die Ermüdungs- und Korrosionsleistung auswirken.