Al Mg5Si2Mn-Druckgusslegierung



Duktile Aluminium-Druckgusslegierung für Druckgussteile mit hohen Ansprüchen an die Duktilität, Bruchdehnung bzw. mit hohen Anforderungen an das Verformungsvermögen. Eine Übersicht (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) über die Legierungen dieses Typs und deren chemische Zusammensetzungen gibt Tabelle 1 wieder.

Legierungstyp Al Mg5Si2Mn

Die Herstellung von großflächigen Strukturteilen mit geringen Wandstärken stellt hohe Anforderungen an die einzusetzende Druckgusslegierung. Neben gutem Fließvermögen und geringer Klebeneigung muss der Werkstoff vor allem die Voraussetzungen für optimale Duktilität erbringen. Hohe Duktilität im Gussteil setzt den Einsatz von eisenarmen Druckgusslegierungen voraus.

Unter dem Legierungstyp Al Mg5Si2Mn sind die naturharten, hochduktilen Legierungen zusammengefasst, die Bezeichnung „naturhart“ wurde dabei von den Knetwerkstoffen übernommen. Genau genommen neigen auch die Al Mg5Si2Mn-Legierungen etwas, wenn auch in sehr geringem Ausmaß, zur Alterung, dieser Effekt ist bei Raumtemperatur aber bereits nach wenigen Tagen abgeschlossen. Abhängig von der Wandstärke werden ausgezeichnete mechanische Eigenschaften ohne Wärmebehandlung erreicht. Dabei ist vor allem die hohe Bruchdehnung in dünnwandigen Teilen hervorzuheben. Die verhältnismäßig geringe 0,2 %-Dehngrenze ist für AlMg-Legierungen typisch. Das breite Erstarrungsintervall sichert eine gute Formfüllung, wobei die Warmrissneigung noch als gering einzustufen ist.

Trotz des geringen Eisengehaltes neigen die Legierungen nicht zum Ankleben, denn durch die Anwesenheit von Mangan lassen sich auch dünnwandige Teile sehr gut ausformen. Bei der Auslegung der Formschrägen ist die im Vergleich zu AlSi-Legierungen höhere Erstarrungsschrumpfung von Legierungen dieses Typs zu berücksichtigen. Diese Legierungen sind korrosionsbeständig und hervorragend schweißbar. Sie werden überall dort eingesetzt, wo Druckgussteile mit sehr hoher Duktilität bei guter Festigkeit ohne Wärmebehandlung verlangt werden. Die Einsparung der Wärmebehandlung verringert die Herstellungskosten der Gussteile durch:

  • Einsparung der Wärmebehandlungskosten (Energie, Investitionen)
  • Kein Wärmebehandlungsausschuss (verzogene Teile, Blister)
  • Keine Nacharbeit (z. B. Richtarbeiten an den Teilen)

Als Beispiele für die Anwendung können Sicherheitsteile im Fahrzeugbau genannt werden (Fahrwerksteile, Druckbehälter, PKW-Sitze, Strukturteile).

Die Gefügeeinstellung der Al Mg5Si2Mn-Legierungen erfolgt bereits im Schmelzwerk durch eine spezielle Schmelzebehandlung (Bild 1). Dabei gilt es, den Gehalt an Alkali- und Erdalkalielementen soweit wie möglich abzusenken. Bereits Gehalte von 10 ppm Natrium führen zu einem spröden Gefüge. Bei der Weiterverarbeitung in der Druckgießerei muss daher auch jeglicher Einsatz von natriumhaltigen Reinigungssalzen vermieden werden. Beim Einsatz von Kreislaufmaterial wird die Überwachung der Kalzium- und Natriumgehalte empfohlen. Eine bewährte Methode zur Kontrolle der Metallqualität stellt die thermische Analyse dar. Der richtige Gefügezustand dieser Legierungen ist durch eine Rekaleszenz von 0,6 bis 1,2 °C nachweisbar.

Legierungstyp Al Mg5Si2MnCr

Im Rahmen eines Entwicklungsprojektes wurden die Einflüsse des Chromzusatzes zu einer Basislegierung vom Typ Al Mg5Si2Mn hinsichtlich mechanischer Eigenschaften untersucht. Die Kombination von Mangan und Chrom reduziert die Klebeneigung im Werkzeug und verringert den Gussteilverzug aufgrund erhöhter Warmfestigkeit beim Ausformen. Die Legierung Al Mg5Si2MnCr enthält zwischen 0,1 und 0,3 Gewichts-% Chrom, damit wird die Klebeneigung reduziert. Die 0,2 %-Dehngrenze ist verglichen mit einer chromfreien Legierung um etwa 10 bis 15 MPa höher. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Al Mg5Si2MnCr (Markenname MAXXALLOY®-Structure© von SAG Aluminium Lend GmbH) sind dünnwandige Druckgussteile mit 2 bis 4 mm Wanddicke.

Die sehr gute Schweißbarkeit ermöglicht die Herstellung von komplexen Baugruppen aus Gussteilen und z. B. Strangpressprofilen aus 5000er und 6000er Legierungen. Als Beispiel können Strukturteile genannt werden. Die in Tabelle 2 angegebenen Richtwerte für die mechanischen Eigenschaften kennzeichnen das Potential dieser Legierung unter der Voraussetzung von fehlerfreiem Guss (weitgehend frei von Poren, Lunkern und Oxiden). Für Sicherheitsteile sind daher die geeigneten gießtechnischen Maßnahmen (z. B. die Anwendung von Vakuum) zur Vermeidung dieser Fehler vorzusehen. Die Schweißbarkeit wird auch von den verwendeten Trenn- und Schmierstoffen beeinflusst. Durch Verunreinigung beim Einschmelzen der Masseln können die mechanischen Eigenschaften ebenfalls beeinträchtigt werden. Für diesen Prozessschritt ist daher besondere Sorgfalt geboten.

Legierungstyp Al Mg5Si2MnCrRE

Durch Zulegieren von Metallen wie Zirkonium, Chrom und Vanadium kann die 0,2 %-Dehngrenze nochmals weiter gesteigert werden. Die Kombination von Chrom und Mangan führt allerdings auch hier zu einem höheren Seigerfaktor der Legierung, die Zugabe von Chrom ist daher nicht unbegrenzt möglich. Die Legierungselemente Vanadium und Zirkonium reichern sich im Kreislaufmaterial an, besonders Zirkonium kann in der Folge zu harten Einschlüssen führen, welche die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen bzw. bei der späteren Bearbeitung zu einem erhöhten Verschleiß der Werkzeuge führen.

Das Zulegieren von seltenen Erden ist grundsätzlich möglich, führt aber zu unerwünschten Begleiteffekten. Leicht lösbare Legierungselemente wie Cer und Lanthan wurden bisher ausschließlich zur Verbesserung der Kornfeinung in Knetwerkstoffen bzw. in Versuchen als Veredelungsmittel für AlSi-Gusslegierungen eingesetzt. Die Zugabe von 100 bis 500 ppm Cer bzw. Lanthan steigert, abhängig von der Wanddicke bzw. der Erstarrungsgeschwindigkeit, die 0,2 %-Dehngrenze von 160 MPa auf 190 bis 230 MPa. Erklärbar ist dieser Effekt durch die Bildung von intermetallischen Al-Ce bzw. Al-La-Phasen, welche die Versetzungsbewegung behindern. Beim Einsatz von Lanthaniden ist eine spezielle Schmelztechnik erforderlich. Durch die außerordentlich hohe Affinität dieser Metalle zu Sauerstoff tritt sofort eine rasche Oxidation auf. Bei unsachgemäßer Zugabe bilden sich sehr grobe Ausscheidungen, welche sich negativ auf die Bruchdehnung und Dauerfestigkeit auswirken. Durch die Weiterentwicklung der Schmelztechnologie und Verfahrenstechnik ist es nun möglich, diese Elemente ohne starke Oxidation in die Schmelze einzubringen sowie eine vollständige Auflösung zu gewährleisten.

Das Ergebnis dieser Entwicklungen ist eine Legierung vom Typ Al Mg5Si2MnCrRE (Markenname MAXXALLOY®-ULTRA© der SAG Aluminium Lend GmbH). Diese Legierung bietet die Vorteile der Al Mg5Si2MnCr, jedoch mit deutlich gesteigerter 0,2%-Dehngrenze bzw. Zugfestigkeit. Im Rahmen der Legierungsweiterentwicklung wurden auch die Gehalte von Magnesium und Silizium etwas angehoben, in Druckgussversuchen konnten dadurch verbesserte Gießeigenschaften nachgewiesen werden. Die Legierung zeichnet sich durch ein besonders feines α-Mischkristall-Mg2Si-Eutektikum aus und ist gegenüber störenden Begleitelementen, wie zum Beispiel Phosphor, unempfindlicher. Der Kreislaufanteil kann daher etwas erhöht werden. Die erwähnte höhere Oxidationsneigung der Metallschmelze wird durch Beryllium-Gehalte von 30 bis 40 ppm ausgeglichen. Das Abbrandverhalten, besonders bei längeren Stehzeiten der Schmelze, ist dadurch mit jenem der Al Mg5Si2MnCr vergleichbar.

Die mit diesem Legierungstyp erreichbaren mechanischen Eigenschaften gibt die Tabelle 2 wieder (Gusszustand) und diese wurden mittels Druckgussstufenplatten nachgewiesen. Bei noch höheren Anforderungen an die 0,2 %-Dehngrenze kann eine Warmauslagerung durchgeführt werden. Dazu ist das Abschrecken der Druckgussteile unmittelbar nach dem Ausformen erforderlich, die 0,2%-Dehngrenze kann dadurch nochmals um etwa 10 % gesteigert werden.

Vorteile durch den Einsatz von Al Mg5Si2Mn-Legierungen


Zusammengefasst können durch den Einsatz dieser Legierungen hochfesten und trotzdem duktilen Druckgussteile erzeugt werden. Die speziellen Legierungszusammensetzungen mit Zusätzen von Chrom und seltenen Erden bietet bereits im Gusszustand höchste Festigkeits- und Bruchdehnungseigenschaften, sodass eine Wärmebehandlung entfallen kann. Die maximal erreichbaren mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar mit Schmiedestücken aus EN AW-6082 im Zustand T6. Die mechanischen Eigenschaften sind jedoch abhängig von den Wanddicken des Gussteiles. Festigkeit und Bruchdehnung sinken mit zunehmender Wanddicke, daher eignen sich diese Legierungen besonders zur Herstellung von hochbelasteten, dünnwandigen Gussteilen.



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