Gießen Aluminium Legierungen sind zentrale Werkstoffe in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Industriemaschinerie, und Unterhaltungselektronik, geschätzt für ihre leichten Eigenschaften (Dichte 2,5–2,8 g/cm³), Ausgezeichnete Gussbarkeit, und abstimmbare mechanische Leistung.
Basierend auf ihren primären Legierungselementen, Aluminiumgusslegierungen werden international in vier Kernsysteme eingeteilt: Al-Si (Aluminium-Silizium), Al-Cu (Aluminium-Kupfer), Al-mg (Aluminium-Magnesium), Und Al-Zn (Aluminium-Zink).
Jedes System weist unterschiedliche Eigenschaften auf, die auf spezifische Anwendungsanforderungen zugeschnitten sind, von hochfesten Luft- und Raumfahrtkomponenten bis hin zu korrosionsbeständigen Schiffsteilen.
Dieser Artikel bietet eine umfassende Analyse ihrer Klassifizierung, Schlüsseleigenschaften, Legierungsmechanismen, und industrielle Anwendungen – basierend auf ASTM B179, ISO 3116, und andere internationale Standards.
1. Einstufung: vier Hauptfamilien von Aluminiumgusslegierungen
| Familie | Typische Komposition (wt%) | Schlüsseleigenschaften | Typische Anwendungen |
| Al - Ja (Aluminium–Silizium) | Und ≈ 7–12%; + Moll Mg (≈0,2–0,6 %), optional mit (bis zu ~4%) | Hervorragende Fließfähigkeit und geringe Erstarrungsschrumpfung; Gute Gussbarkeit und Verwirrbarkeit; gute Verschleiß- und thermische Stabilität (insbesondere übereutektisch); aushärtbar, wenn Mg vorhanden ist | Motorblöcke, Zylinderköpfe, Übertragungsgehäuse, Strukturgüsse, Druckgussteile, Kolben (übereutektisch für geringe Wärmeausdehnung) |
| Al-Cu (Aluminium–Kupfer) | Cu ≈ 3–10%; Si niedrig (≤ ~2 %); Mg/Mn-Zusätze möglich | Hohe Festigkeit im Gusszustand und bei der Wärmebehandelbarkeit; überlegene Festigkeit bei erhöhter Temperatur und Kriechfestigkeit (Ausscheidungsverfestigung durch Al₂Cu) | Hot-End-Motorkomponenten, Ventilsitze, hochbelastete Strukturgussteile und Teile, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden |
| Al - mg (Aluminium–Magnesium) | Mg ≈ 3–6%; Si klein (≈0,5–1,0 %) optional, um die Gießbarkeit zu verbessern | Sehr gute Korrosionsbeständigkeit (hervorragend im Meerwasser); geringe Dichte und gute Zähigkeit; einphasige oder nahezu einphasige Mikrostrukturen möglich | Meereshardware, Unterwassergehäuse, leichte Strukturteile, bei denen Korrosionsbeständigkeit und geringe Masse entscheidend sind |
| Al - Zn / Al -Zn -mg (Zinkhaltige Systeme) | Mehrere Gew.-% Zn mit vorhandenem Mg (Zn und Mg kombiniert zur Ausscheidungshärtung) | Sehr hohe erreichbare Festigkeit nach Lösungsbehandlung + Altern (T6); gute spezifische Festigkeit | Präzision, Hochfeste Komponenten und Strukturteile, die lösungsbehandelt und gealtert werden (Wird dort eingesetzt, wo maximale statische Festigkeit erforderlich ist) |
2. Die dominierende Familie beim Guss sind Al-Si-Legierungen
Typische Komposition & Mikrostruktur
- Und: Typischerweise 7–12 Gew.-% in vielen Gussqualitäten; nahezu eutektisch (~12,6 Gew.-% Si) Zusammensetzungen weisen die beste Fließfähigkeit und die geringste Gussschrumpfung auf.
- Weitere sinnvolle Ergänzungen: Mg (≈0,3–0,6 % in A356) zur Aushärtung (Es fällt Mg₂Si aus); Cu (in Kolben- oder Hochtemperaturlegierungen) für Festigkeit bei erhöhter Temperatur;
In im Hochtemperaturbetrieb und in übereutektischen Legierungen zur Kontrolle der Siliziumsprödigkeit. - Mikrostruktur im Gusszustand: primär α-Al Dendriten plus eutektischem Silizium (A + Und).
In unmodifizierten Legierungen ist eutektisches Si grob und plättchenförmig; Nach der Modifikation wird das Si fein und faserig.
Eutektische Modifikation (Zweck und Agenten)
Ziel: grob umwandeln, plättchenförmiges Si zu einer feinfaserigen Morphologie, die die Duktilität verbessert, Bearbeitbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit.
- Natrium (N / A) — sehr wirksamer Modifikator, aber flüchtig; erfordert eine versiegelte Dosierung und eine sorgfältige Kontrolle.
- Strontium (Sr) – der am häufigsten verwendete kommerzielle Modifikator; typische Dosierung 0.015–0,03 Gew.-%; Eine Überdosierung ist unwirksam und kann schädlich sein.
- Antimon (Sb) — wird in einigen Systemen in Kombination mit Sr verwendet, um die Modifikation zu stabilisieren.
- Seltene Erden — Kleine Zusätze können bei einigen Legierungen die Modifikationseffekte stabilisieren und verlängern.
Schädliche Verunreinigungen und ihre Kontrolle
- Eisen (Fe) — häufige Fremdverunreinigung, die sich hart bildet, spröde intermetallische Verbindungen (Z.B., FeAl₃, Al₉Fe₂Si₂) die Gussteile verspröden und die Oberflächenbeschaffenheit und Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen.
Minderung: hinzufügen Mn (≈0,3–0,5 %) oder Cr (≈0,1–0,2 %) um Fe-Phasen in weniger schädliche Morphologien zu modifizieren (Al₆(Fe,Mn)), und Kontrolle des Schrottrohstoffs. - Phosphor (P) – reagiert mit Na und baut die Modifikation ab; Kontrollieren Sie den P-Gehalt der Ofenbeschickung genau.
- Sn/Pb — Bilden Sie niedrig schmelzende Eutektika, die zu Heißbrennen und Durchbrennen führen; halten < ~0,05 % wenn möglich.
- Kalzium (Ca.) – können hochschmelzende Verbindungen bilden, die die Fließfähigkeit verringern und das Schrumpfen fördern; Ca-Kontrolle < ~0,05 % für gute Gießbarkeit.
Repräsentative Al-Si-Gusslegierungen und Anwendungen
- A356.0 / Und AC-ALSI7MG (≈Si 7,0–7,5 %, Mg 0,3–0,5 %) — weit verbreiteter Sand & Dauerformlegierung; hitzebehandelbar (T6); Anwendungen: Motorblöcke, Strukturgehäuse, Räder.
- A357 – ähnlich wie A356, jedoch mit strengerer Fe-Kontrolle und höheren mechanischen Eigenschaften.
- A319 / A380 (Druckgussfamilien) — Al-Si-Cu-Druckgusslegierungen für Automobilpumpengehäuse, Radnaben, Getriebehäuser.
- Übereutektisches Al–Si (Und > 12%) — Wird aufgrund der sehr geringen Wärmeausdehnung und des guten Verschleißverhaltens für Kolben und Gleitanwendungen verwendet (oft mit Ni/seltenen Erden legiert, um die Sprödigkeit zu reduzieren). Beispielkomposition: AlSi12Cu2Mg für hochwarmfeste Kolbenlegierungen.
3. Al-Cu-Gusslegierungen – hohe Festigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit
Metallurgie & Leistung
- Stärke ergibt sich aus Al₂cu (th) Beim Altern bilden sich Niederschläge; Cu sorgt für eine hohe Guss- und Wärmebehandlungsfestigkeit sowie eine gute Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen.
- Abtausch: Cu erhöht die Tendenz zur Kurzschlussbildung, Entmischung und Schrumpfung während der Erstarrung; Die Casting-Praxis muss diese berücksichtigen.
Typische Kompositionen & Verwendung
- Gusslegierungen mit hohem Cu-Gehalt (Z.B., Al–Cu mit 3–10 % Cu): Wird für Ventile verwendet, Sitze, und Komponenten, die thermische Stabilität und mechanische Festigkeit bei erhöhter Temperatur erfordern.
- Mehrkomponentenverstärkung (Zusatz von Mn, Mg, usw.) können komplexe Dispersionen erzeugen, die sowohl die Festigkeit als auch die Heißverarbeitbarkeit verbessern.
4. Al-Mg-Gusslegierungen – Korrosionsbeständigkeit und geringes Gewicht
Schlüsselattribute
- Mg 3–6 Gew.-% in Gussvarianten entstehen Al₃Mg₂-Phasen; bei richtiger Verarbeitung, Viele Al-Mg-Gusslegierungen weisen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf (insbesondere im Marinebereich, Chlorid-tragende Umgebungen) und geringere Dichte als typische Al-Si-Gusslegierungen.
- Oberflächenbeschaffenheit und Oxidqualität sind wichtig; Mg neigt während des Schmelzens zur Oxidation, daher ist die Kontrolle der Schmelze von entscheidender Bedeutung.
Typische Anwendungen
- Meereskomponenten, schwimmfähige Strukturen, korrosionsbeständige Gehäuse und Leichtbauteile, bei denen eine hohe spezifische Korrosionsbeständigkeit und mäßige Festigkeit erforderlich sind.
Bearbeitungsnotizen
- Verwenden Sie eine kontrollierte Atmosphäre oder Flussmittel, Minimieren Sie Turbulenzen, um Krätze und die Aufnahme von Wasserstoff zu reduzieren, und fügen oft kleine Mengen Si hinzu, um die Gießbarkeit zu verbessern.
5. Al - Zn (einschließlich Al–Zn–Mg) Gusslegierungen – hohe Festigkeit nach der Wärmebehandlung
Eigenschaften
- Zn (oft gepaart mit Mg) Bietet ein Legierungssystem, das gut auf Lösungsbehandlung und Alterung reagiert (T6) produzieren sehr hohe Streckgrenzen und Zugfestigkeiten.
- Die Herstellbarkeit im Gusszustand ist weniger freundlich (größere Neigung zu Porosität und Heißriss) Daher ist eine sorgfältige Anguss- und Erstarrungskontrolle erforderlich.
Anwendungen
- Präzision, hochfeste Teile, bei denen eine Wärmebehandlung nach dem Gießen akzeptabel ist – Armaturen für die Luft- und Raumfahrt und einige Präzisionsinstrumentenkomponenten.
6. Vergleichende Gießbarkeit und Auswahlberatung
| Legierungsfamilie | Gussbarkeit | Typische Stärke (as-cast / T6) | Korrosion | Typische beste Verwendungsmöglichkeiten |
| Al - Ja | Exzellent (am besten) | Mäßig → gut (T6 verbessert sich) | Gut | Allgemeine Gussteile, Motorblöcke, Gehäuse, Räder |
| Al-Cu | Fair → herausfordernd | Hoch; gute erhöhte T-Festigkeit | Mäßig | Motorkomponenten, Ventile, heiße Arbeitsteile |
| Al - mg | Mäßig (Schmelzkontrolle erforderlich) | Mäßig | Exzellent (Marine) | Marine, leicht, korrosionsbeständige Teile |
| Al - Zn / Al -Zn -mg | Mäßig bis schlecht im Gusszustand; besser nach Wärmebehandlung | Sehr hoch nach T6 | Variable; oft niedriger als Al–Mg | Präzision, hochfeste Teile nach Alterung |
7. Wärmebehandlung von Aluminiumguss – Praktische Regeln
Die Wärmebehandlung ist das wichtigste Werkzeug, um eine Aluminium-Mikrostruktur im Gusszustand in eine kontrollierte umzuwandeln, brauchbarer Zustand.
Für Gusslegierungen, Die gemeinsamen Ziele sind:
(1) Erhöhung der Festigkeit durch Lösungsbehandlung + löschen + Altern (T-Behandlungen);
(2) Reduzieren Sie Segregation und chemische Inhomogenität durch Homogenisierung;
(3) Entlasten Sie Gussspannungen und stellen Sie die Duktilität durch Glühen wieder her;
(4) Stabilisieren Sie die Mikrostruktur für Dimensionsstabilität im Betrieb.
Typische Behandlungsfenster (Praxisbezug)
(Werte sind technische Leitlinien; Erkundigen Sie sich beim Legierungslieferanten und bei der Produktnorm nach den genauen Regelungen.)
| Behandlung | Typische Temperatur (° C) | Typische Einweichzeit | Typische Legierungen / Notizen |
| Homogenisierung | 420–520 ° C. | 2–12 h (Dickeabhängig) | Nützlich für große Al-Cu-Gussteile und einige Al-Si-Legierungen mit hohem Cu-Gehalt |
| Lösungsbehandlung | 480–520 ° C. | 1–6 Std (abschnittsabhängig) | Al–Si–Mg (A356/A357): ~495 °C; Al-Cu-Legierungen oft ~495–505 °C |
| Löschen | Wasser (~20–40 °C) oder Polymerabschreckung | sofort; Minimieren Sie die Zeit zwischen Ofen und Abschrecken | Der Quench-Schweregrad ist entscheidend für die T6-Reaktion; Schwere Abschnitte benötigen eine Quench-Modellierung |
Künstliches Altern (T6) |
150–185 °C | 4–12 h (Hängt von der Legierung ab & gewünschte Eigenschaften) | A356 T6: typisch 160–180 °C für 4–8 Stunden; Al-Zn-Mg-Legierungen variieren – beachten Sie die Spezifikationen |
| Stabilisierend / T7 (Überschuss) | 170–200 ° C. | längere Alterung (Z.B., 8–24 Std) | Wird dort verwendet, wo thermische Stabilität herrscht > Service-Temp hat Priorität (weniger Spitzenstärke, mehr Stabilität) |
| Glühen / Stressabbau | 300–400 ° C. (niedrig) | 0.5–2 h | Zur Wiederherstellung der Duktilität und zum Stressabbau; Vermeiden Sie den Aufenthalt in sigmabildenden Bereichen (Gilt nicht für die meisten Al) |
Wichtig: Die Einweichzeiten skalieren mit der Abschnittsgröße. Verwenden Sie Berechnungen der thermischen Masse oder Lieferantentabellen, um die Haltezeiten für bestimmte Gussquerschnitte zu bestimmen.
Häufige Mängel und Vorbeugung bei der Wärmebehandlung
- Unzureichende Lösungsansätze (niedrige Temperatur / kurze Zeit) → unvollständige Auflösung löslicher Phasen; führt zu einer geringeren Alterungsreaktion und schlechten mechanischen Eigenschaften.
Verhütung: Befolgen Sie Zeit-Temperatur-Profile, die an die Abschnittsgröße angepasst sind; Verwenden Sie Thermoelemente oder Simulationen, um das Einweichen zu überprüfen. - Überlösung (Temperatur zu hoch / Zeit zu lang) → Anschmelzen niedrig schmelzender eutektischer Phasen (insbesondere in Legierungen mit hohem Cu-Gehalt) und Kornvergröberung.
Verhütung: Halten Sie die maximale Temperatur ein und vermeiden Sie Überhitzung; Verwenden Sie die Ofensteuerung & Diagramme. - Rissbildung / Verzerrung → übermäßiger Wärmegradient oder Zurückhaltung während des Abschreckens.
Verhütung: Design-Einrichtungen, Verwenden Sie für sehr große Teile eine Stufenabschreckung oder eine Polymerabschreckung; ermöglichen eine kontrollierte Wärmeentnahme. - Alterserleichterung im Service → wenn sich der Service der Alterungstemperatur nähert, es kommt zu einer vorzeitigen Erweichung.
Verhütung: Wählen Sie T7/überalterten Zustand, oder wählen Sie eine thermisch stabilere Legierung (Ni-stabilisiert) für erhöhte T. - Oberflächenkorrosion nach Wärmebehandlung → Rückstände von Abschrecksalzen oder verunreinigtem Wasser können Aluminium angreifen.
Verhütung: sofortige gründliche Reinigung (entionisiertes Wasser), Löschsalze neutralisieren, und schützende Umwandlungen oder Beschichtungen auftragen.
Besondere Überlegungen nach Legierungsfamilie
- Al–Si–Mg (Z.B., A356/A357): gemeinsame T6: Lösung ~495 °C, löschen, Alter 160–180 °C.
Anfällig für Porositätseffekte; Eine Wärmebehandlung verbessert die Festigkeit, eingeschlossenes Gas kann jedoch die mechanische Effizienz verringern. - Al-Cu-Legierungen: erfordern bei großen Gussteilen eine Homogenisierung, um die Entmischung vor dem Lösungsglühen zu reduzieren; Sorgfältige Kontrolle, um ein beginnendes Schmelzen niedrig schmelzender Bestandteile zu vermeiden.
- Al-Zn-Mg-Legierungen: reagiert sehr gut auf T6, ist aber sehr empfindlich gegen Quench; Gefahr von Spannungsrisskorrosion, wenn eine falsche Alterungs-/Abschrecksequenz und Restspannungen vorhanden sind – Verunreinigungsgehalt und Spannungsabbau kontrollieren.
- Al-Mg-Legierungen: viele sind nicht ausscheidungshärtbar (oder nur minimal); Die Wärmebehandlung konzentriert sich eher auf das Glühen/Entlasten als auf die T6-Verstärkung.
8. Praktische Legierungsbeispiele und anwendungsgerechte Abstimmung
- Allgemeine Struktur, wärmebehandelbare Gussteile: A356/A357 (Al–Si–Mg) — Motorgehäuse, Getriebe, Radteile.
- Strukturteile aus Druckguss (Automobil): A380 / A319-Familie (Al-Si-Cu-Druckguss) — Pumpengehäuse, Getriebegehäuse, Radnaben.
- Hochtemperaturkolben / Teile mit geringer Ausdehnung: Übereutektisches Al–Si (Si 12–18 Gew.-%) mit Ni/RE-Zusätzen – Kolben, Präzisionslager.
- Marine / korrosionskritisch: Al-Mg-Gussvarianten (Mg 3–6 Gew.-%) — Seewasserarmaturen und -gehäuse.
- Hochfest, wärmebehandelte Teile: Al-Zn-Mg-Gusslegierungen (unterliegen der T6-Behandlung) — Präzisionskomponenten, die eine hohe statische Festigkeit erfordern.
9. Schlussfolgerungen
Aluminiumgusslegierungen sind eine vielseitige Familie, die auf ein breites mechanisches Spektrum abgestimmt werden kann, Wärme- und Korrosionsbeständigkeit durch sorgfältige Legierungsauswahl, Schmelzenpraxis, Änderung, Wärmebehandlung und Umformung.
Al-Si-Legierungen sind das Rückgrat der Welt des Aluminiumgusses, da sie hervorragende Gießbarkeit mit guter mechanischer Leistung und Reaktionsfähigkeit bei der Wärmebehandlung vereinen.
Al-Cu Und Al - Zn Systeme bieten eine höhere Festigkeit und Hitzebeständigkeit auf Kosten der Gießbarkeit; Al - mg Legierungen sind unersetzlich, wenn es auf Korrosionsbeständigkeit und geringe Dichte ankommt.
Für zuverlässige Komponentenleistung, Paaren Sie eine geeignete Legierungswahl (Verwenden Sie anerkannte internationale Bezeichnungen wie A356/A357, A319/A380, AlSi12Cu2Mg usw.) mit strenger Verunreinigungskontrolle, korrekte Modifikationspraxis für Al-Si-Familien (Herr/Na) und die richtige Gieß-/Wärmebehandlungsroute.
FAQs
Was ist die am häufigsten verwendete Aluminiumgusslegierung??
A356.0 (Al-Serie) ist am häufigsten, Aufgrund seiner ausgewogenen Gießbarkeit macht es etwa 40 % der weltweiten Aluminiumgussproduktion aus, Stärke, und Korrosionsbeständigkeit.
Welche Aluminiumgusslegierung eignet sich am besten für Schiffsanwendungen??
535.0 (Al-Mg-Serie) bietet eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit gegenüber Meerwasser (Korrosionsrate <0.005 mm/Jahr) und leichte Eigenschaften, Damit ist es ideal für Schiffsausrüstung.
Können Al-Cu-Legierungen für komplexe Gussteile verwendet werden??
Nein – Al-Cu-Legierungen sind schlecht gießbar (geringe Fließfähigkeit, hoher Schrumpfung) und sind für komplexe Geometrien ungeeignet. Verwenden Sie A356.0 oder A380.0 für komplexe Teile, die eine hohe Festigkeit erfordern.
Welche Wärmebehandlung ist für Al-Zn-Mg-Legierungen erforderlich??
Al-Zn-Mg-Legierungen (Z.B., 712.0) erfordern eine T6-Wärmebehandlung (Lösungsbehandlung + künstliches Altern) um eine hohe Festigkeit zu erreichen – die Festigkeit im Gusszustand ist zu gering (~180 MPa) und ist für praktische Anwendungen nicht geeignet.
So verbessern Sie die Gießbarkeit von Al-Mg-Legierungen?
Fügen Sie 0,5–1,0 % Si hinzu, um eutektische Phasen zu bilden, verbessern die Fließfähigkeit, und verwenden Sie während des Schmelzens einen Schutzgasschutz, um eine Mg-Oxidation zu verhindern.
