Fachartikel

Auswirkung niedriger Magnesiumgehalte
VON INGRID MELING, PETTER ÅSHOLT, SUNNDALSØRA, NORWEGEN UND LEONHARD HEUSLER, BONN

Während die Europäischen Normen für Aluminium-Gusslegierungen bisher nur Varianten mit mindestens 0,25 m-% Mg abdeckten, berücksichtigen die aktuell überarbeiteten Versionen auch eine Variante mit 0,10 - 0,25 m-% Mg. Zugrunde liegt, dass mit der AlSi7Mg0,3 allgemein zwar die Festigkeitsvorgaben erfüllt werden, die geringe Duktilität jedoch oft problematisch ist. Über reduzierte Magnesiumgehalte und eine angepasste Wärmebehandlung können die mechanischen Eigenschaften nun besser abgestimmt werden.

Niedrige Mg-Gehalte ertüchtigen AlSi7-Legierungen für duktile Anwendungen. FOTO: HYDRO ALUMINIUM

Magnesium (Mg) wird üblicherweise als Legierungselement zu Gusslegierungen auf Al-Si- Basis hinzugefügt. Ein Teil des Mg befindet sich im α-Mischkristall und bewirkt dadurch eine entsprechende Festigkeitssteigerung. Die Menge der Elemente im Mischkristall hängt von der Erstarrungsgeschwindigkeit ab, die wiederum stark von der Gießtechnologie beeinflusst wird. Mit zunehmendem Magnesiumgehalt steigt auch die Menge an gelöstem Mg und erwartungsgemäß sollte die Festigkeit ebenfalls ansteigen. Darüber hinaus verbindet sich Mg mit Si und bildet bei der Wärmebehandlung feine Ausscheidungen, die eine Aushärtung ermöglichen.

Die Entwicklung der Elementkonzentrationen im Verlauf der Erstarrung von AlSi7(Mg) können basierend auf dem von Hydro entwickelten Alstruc-Erstarrungsmodell berechnet werden, das Erstarrungswege und Zusammensetzungen von Phasen auf der Grundlage der chemischen Zusammensetzung und der Erstarrungsbedingungen vorhersagt.

Demnach weist das Legierungssystem eine komplexe Ausscheidungssequenz auf, die mehrere metastabile Phasen umfasst. Die bei der Warmauslagerung gebildeten Ausscheidungsnadeln im Nanometerbereichbestehen aus Mg und Si (und möglicherweise Al) in verschiedenen Verhältnissen, wobei die genaue Stöchiometrie noch nicht vollständig verstanden ist. Die maximale Festigkeit (T6) wird erreicht, wenn hauptsächlich β"-Ausscheidungen im Gefüge vorliegen. Entgegen früherer Annahmen, dass sie die Stöchiometrie Mg2Si aufweisen, deuten neuere Studien auf Mg5Si6 und Mg5Al2Si4 als wahrscheinlichere Zusammensetzung hin.

In traditionellen AlSi7Mg-Gusslegierungen ist der Si-Gehalt um ein Vielfaches höher als der Mg-Gehalt, was zu der bekannten Bildung untereutektischer Gefüge aus α-Al und Al-Si-Eutektikum führt. Nur maximal 1,4 m-% des Siliziums liegen gelöst im α-Mischkristall vor. Dies bedeutet, dass Silizium außerhalb des Mischkristalls im Vergleich zu Magnesium im Überschuss vorhanden ist. Daher kann erwartet werden, dass eine Senkung des Mg-Gehalts die Dichte von Ausscheidungen des Mg-Si-Typs zur Aushärtung verringert und bei wärmebehandelten Legierungsvarianten zu einer verminderten Festigkeit bei gleichzeitiger Zunahme der Duktilität führen sollte. Zusätzlich werden intermetallische Partikel in der Gussstruktur vorhanden sein. Für die in dieser Studie untersuchten Legierungen wird ein bestimmter Anteil der π-Phase mit der stöchiometrischen Zusammensetzung Al8Mg3FeSi6 erwartet. Somit wird ein Teil des Magnesiums (und Siliziums) in die Bildung dieser nicht aushärtenden Phase gehen. Dies führt zu einem leicht verringerten Aushärtungspotenzial.

AlSi7Mg-Legierungen werden üblicherweise im wärmebehandelten Zustand für verschiedene Automobilteile im Schwerkraftgießverfahren und Räder im Niederdruckgießverfahren verwendet, da sie eine gute Kombination von mechanischen Eigenschaften und Gießbarkeit aufweisen. Die KSM Castings Group, ein globaler Herstellungs- und Entwicklungspartner von Al- und Mg-Gusskomponenten für die Automobilindustrie, verwendet für eine Fahrwerkskomponente eine AlSi7Mg-Legierung im Schwerkraftgießverfahren mit Mg < 0,2 m-%. Die Legierung wird mit einer zweistufigen Wärmebehandlung (T64) eingesetzt, wobei besondere Anforderungen an die Dehnung gestellt werden. Nach einem vom Kunden geforderten zusätzlichen Langzeitversuch bei erhöhter Betriebstemperatur erreichen die Proben immer noch eine beachtliche Bruchdehnung von 10 % bei einer Dehngrenze von 220 MPa und einer Zugfestigkeit von 285 MPa.

Aufgrund des bekannten gegenläufigen Zusammenhangs zwischen Festigkeit und Duktilität, sollten niedrigere Mg-Gehalte die Duktilität der Legierungen erhöhen. Viele Kundenspezifikationen von AlSi7Mg0,3-Legierungen liegen daher am unteren Ende des Normbereichs für Mg (0,25 - 0,45 m-%), um die geforderten Bruchdehnungswerte zu erfüllen. Dies führte zu dem Vorschlag, bei der kürzlich erfolgten Überarbeitung der Gusslegierungsnormen EN 1676 und EN 1706 die Legierungsvariante AlSi7(Mg) mit einem Mg-Gehalt von 0,10-0,25 % in die Normen aufzunehmen. Vor diesem Hintergrund war das Ziel dieser Arbeit auszuloten, inwieweit AlSi7Mg-Gusslegierungen mit Mg- Gehalten unter 0,25 m-% für Anwendungen mit hohen Duktilitätsanforderungen von industrieller Relevanz sein können.

Weitere Informationen:
Hydro Aluminium Deutschland GmbH
Aluminium Metal / Foundry Alloys / Technical Support
Leonhard Heusler
53117 Bonn
E-Mail: leonhard.heusler(at)hydro.com
Web: www.hydro.com



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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 10/2020 Seiten 28-33
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