Duktile Druckgusslegierungen



Für Druckgussteil mit hohen Ansprüchen and die Duktilität, z. B. Strukturteile der Automobilindustrie mit hohen Anforderungen an das Verformungsvermögen im Crashfall, scheiden aufgrund der geringen erzielbaren Bruchdehnungen ( < 1 %!) die sonst vielfach verwendeten Aluminium-Druckgusslegierungen Al Si9Cu3(Fe) (VDS 226) oder Al Si12(Fe) (VDS 230) aus. Ursache für die geringen Bruchdehnungen der in EN 1706 genormten Druckgusslegierungen ist darin enthaltende Element Eisen.

Die Rolle des Elementes Eisen in Druckgusslegierungen

Das Element Eisen ist ein natürliches Begleitelement bzw. Verunreinigung des Aluminiums und wird vielen Hüttenaluminium-Druckgusslegierungen zugegeben, um ein Ankleben des Gussteils an der Form zu verhindern. Neben der positiven Wirkung der Verringerung der Klebeneigung entstehen jedoch bedeutende Nachteile, da sich bei der Erstarrung bei Eisengehalten über ca. 0,5 % größere eisenhaltige und intermetallische Phasen im Gefüge ausscheiden.

Durch die Kinetik der Erstarrung bilden sich diese Phasen in zahlreichen komplexen Formen aus. Überwiegend liegen sie jedoch in grober plattenförmiger, polygonaler oder fächerartiger Struktur vor (Bilder 1 und 2). Dadurch geht ein hoher Anteil des Duktilitätspotentials der Aluminium-Druckgusslegierungen verloren, die erzielbare Bruchdehnung nimmt mit zunehmendem Eisengehalt signifikant ab.

Die Vorteile von eisenarmen Legierungen

Hohe Duktilitätsforderungen an das Gussteil setzen den Einsatz von eisenarmen Druckgusslegierungen voraus. Zur Reduktion der Klebeneigung hat sich die Zugabe von Mangan bewährt. Ähnlich wie Eisen reduziert Mangan die Klebeneigung im Druckgusswerkzeug, die sich bei der Erstarrung bildenden Ausscheidungen zeichnen sich jedoch durch eine für die Duktilität vorteilhaftere (weil weniger nadelförmige) Morphologie aus (s. Eisennadeln).

Neben Mangan können auch mit Chrom und Kobalt geeignete Legierungselemente zur Reduktion der Klebeneigung zugesetzt werden. Gleichzeitig können aber zu hohe Gehalte dieser Legierungselemente auch zu unerwünschten Effekten wie intermetallischen Ausscheidungen im Warmhalteofen (in Form von Ofenschlamm) bzw. im Gussstück führen. Ziel der Entwicklung von duktilen Druckgusslegierungen in den letzten Jahren war daher die Einstellung einer optimalen Zusammensetzung, die einerseits für eine geringe Klebeneigung sorgt und andererseits die Bildung von Einschlüssen zuverlässig vermeidet.

Überblick über die duktilen und eisenarmen Druckgusslegierungen, chemische Zusammensetzungen und mechanische Eigenschaften

Folgende eisenarme Al-Druckgusslegierungen sind, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, am Markt verfügbar:

  • Naturharte und duktile Legierungen der Al Mg5Si2Mn-Gruppe
  • Hochfeste und duktile Legierungen der Al Si9MgMn-Gruppe, aushärtbar
  • Eisenarme, korrosionsbeständige, polierfähige Legierung auf Basis Al Mg9
  • Eisenarme, selbstaushärtende, höchstfeste Legierung vom Typ Al Zn10Si8Mg

Die chemische Zusammensetzung einiger ausgewählter Legierungen eines Legierungsherstellers geht aus Tabelle 1 hervor.

Festigkeit vs. Bruchdehnung

Für den Konstrukteur bzw. Gussanwender ergibt sich in der Auslegungs- bzw. Konzeptionsphase oft die Fragestellung nach der Duktilität und der Festigkeit. Im Allgemeinen - und hier stark vereinfacht angenommen - werden für statische Grenzfälle die Belastungen im elastischen Bereich abgeklärt und berechnet. Für diese Fälle ist die 0,2 %-Dehngrenze (Rp0,2) relevant bzw. für den Duktilitätsnachweis sind die Werte der erzielbaren Bruchdehnung ausschlaggebend. Das Eigenschaftsprofil der Legierungen kann daher in einem Festigkeits-Dehnungsdiagramm festgelegt werden. In Bild 3 sind einige duktile und eisenarme Druckgusslegierungen mit ihrem Eigenschaftsprofil ersichtlich, wobei die Bereiche nur für den Gusszustand gelten. Das Eigenschaftsfeld lässt sich durch eine gezielte Wärmebehandlung von aushärtbaren Legierungen (Al Si9MnMg bzw. Al Si10MgMn) noch erweitern.

Grundsätzlich gilt ein Naturgesetz bei metallischen Werkstoffen, dass Festigkeit und Duktilität einander konkurrieren. Dies ist auch aus Bild 3 zu entnehmen. Die hochfeste und selbstaushärtende Legierung vom Typ Al Zn10Si8Mg (Markenname UNIFONT®-94) hat eine geringe Bruchdehnung, während die duktilen Legierungen vom Typ Al Mg5Si2Mn nur geringe bis mittlere 0,2%-Dehngrenzenwerte aufweist. Einen guten Kompromiss stellt dabei die zugleich eine feste und duktile Legierung vom Typ Al Mg5Si2MnCr (Markenname MAXXALLOY®-ULTRA© ) dar, wobei hier jedoch eine Wanddickenabhängigkeit zu berücksichtigen ist. Im Bereich der Wanddicken von 2 bis 4 mm werden höhere Werte erzielt (sowohl Rp0,2 als auch A5d) als bei Wanddicken über 4 mm. Die Legierungen und ihre Eigenschaften werden nachfolgend beschrieben. Die statischen mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Wanddicke und des Wärmebehandlungszustandes (Werkstoffzustandes) sind in Tabelle 2 zusammen gefasst.

Eine nähere Beschreibung der eisenarmen und duktilen Legierungen erfolgt unter den Stichworten:

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