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Leichtmetall-Legierungen: Spotlight Magnesium
Bei der Konstruktion von Bauteilen spielt das Gewicht eine immer wichtigere Rolle. Damit steigt auch die Bedeutung von Magnesium, denn der Werkstoff zeichnet sich nicht nur als leichtester metallischer Konstruktionswerkstoff aus, sondern bietet auch zahlreiche weitere Vorteile für die Serienfertigung.
In den Augen von Experten ist Magnesium ein unterschätzter Stoff. Diese Ansicht wird auch durch Statistiken gestützt: Während im Jahr 2017 Aluminium einen Anteil von 19.076.000 Tonnen an der weltweiten Gussproduktion hatte, waren es bei Magnesium nur 197.000 Tonnen1. Magnesium ist der leichteste metallische Konstruktionswerkstoff und gemessen an der Masse die leichteste Legierung, die in modernen Druckgussverfahren verwendet wird. Diese Eigenschaft ist auch in der Automobilindustrie nicht unbemerkt geblieben. Da die Industrie nach immer leichteren Strukturbauteilen sucht, ist eine deutliche Zunahme von Magnesium in der Materialstruktur von Fahrzeugen zu erwarten. Lag der Anteil von Magnesium im Jahr 2010 noch bei 9 %, so soll er bis 2030 auf 17 %2 steigen und sich damit fast verdoppeln. Das geringe Gewicht ist sicherlich ein wichtiger Grund für die steigende Beliebtheit von Magnesium, aber auch die kostengünstige Herstellung macht den Werkstoff für industrielle Anwendungen interessant. Außerdem kann das siebthäufigste Element der Erde sogar aus Meerwasser gewonnen werden und ist in nahezu unbegrenzten Mengen vorhanden.
Was sind Magnesiumlegierungen?
Eine Magnesiumlegierung liegt vor, wenn neben dem Hauptbestandteil Magnesium auch andere Metalle enthalten sind. Legierungen werden in der Regel durch Zusammenschmelzen der einzelnen Elemente und anschließendes Abkühlen hergestellt. Nach dem alphanumerischen Bezeichnungssystem (ASTM) können Magnesiumlegierungen in folgende Gruppen eingeteilt werden: M (Magnesium, Mangan), AM (Magnesium, Aluminium, Mangan), AZ (Magnesium, Aluminium, Zink, Mangan), K (Magnesium, Zirkonium), ZK (Magnesium, Zink, Zirkonium), ZE (Magnesium, Zink, Zirkonium, seltene Erden), EZ (Magnesium, seltene Erden, Zirkonium), QE (Magnesium, Silber, seltene Erden, Zirkonium), WE (Magnesium, Yttrium, seltene Erden, Zirkonium), ZC (Magnesium, Zink, Kupfer, Mangan), AS (Magnesium, Aluminium, Silizium, Mangan), AJ (Magnesium, Aluminium, Strontium). Der Vorteil dieser Verbundwerkstoffe gegenüber reinem Magnesium liegt vor allem in den besseren mechanischen Eigenschaften und der höheren Korrosionsbeständigkeit.
Was sind die Merkmale von Magnesiumlegierungen?
Als eines der leichtesten und flexibelsten Metalle spielen Magnesium und seine Legierungen eine wichtige Rolle beim Druckguss, werden aber auch beim Sand- und Kokillenguss verwendet. Die Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe hängen von ihrer Zusammensetzung ab. So beträgt der Anteil von Aluminium in Magnesium-Druckgusslegierungen immer mindestens 4 %, um die Gießbarkeit zu verbessern. Auf diese Weise lassen sich Magnesiumlegierungen in nahezu jede Form gießen - selbst dünnwandige und komplexe Strukturen sind realisierbar. Die Verwendung einer bestimmten Legierung hängt jedoch auch von der Temperatur ab, da sie das metallurgische Gefüge des Magnesiums beeinflusst. Die folgenden Legierungen sind für den Guss besonders wichtig:
- AZ91: Geeignet für Druckguss, Kokillenguss und Sandguss. Auch dieser Verbundwerkstoff weist eine gute Festigkeit auf und zeichnet sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Gießbarkeit aus. Die Kombination dieser Eigenschaften macht den Werkstoff zur am häufigsten verwendeten Druckgusslegierung und ermöglicht die Verwendung der Teile bei Raumtemperatur.
- AM50/AM60: Diese Legierungen sind aufgrund ihrer guten Gießeigenschaften gut für den Druckguss geeignet. Sie zeichnen sich außerdem durch hohe Duktilität, Zugfestigkeit und Energieaufnahme aus. Die aus diesen Legierungen hergestellten Teile können auch bei Raumtemperatur verwendet werden.
- AS21/AS41, AE42 und AJ52/AJ62: In diesem Fall sind die guten Kriecheigenschaften der Hauptvorteil, obwohl die Verwendung auch bei höheren Temperaturen möglich ist.
- AE44: Bekannt für hervorragende Gießeigenschaften und hohe Duktilität, eignet sich diese Legierung für Hochtemperaturanwendungen.
- AS31: zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit und gute Kriecheigenschaften bei Temperaturen bis zu 150 ºC aus.
- SC1, WE43, WE54, QE22, Elektron21: Diese Legierungen werden üblicherweise im Sand- und Kokillenguss verwendet. Aufgrund der hohen Temperaturbereiche können für diese Legierungen nur aluminiumfreie Werkstoffe verwendet werden.
Physikalische Eigenschaften von Magnesiumlegierungen
Magnesiumlegierungen haben eine Dichte von 1,7-2,0 g/cm3, die etwa 30 % unter der von Aluminium liegt. Diese Eigenschaft ist besonders im Flugzeug- und Fahrzeugbau von Bedeutung. Was die Wärmeleitfähigkeit betrifft, so wurde die Verwendung von Magnesium lange Zeit mit einer Brandgefahr in Verbindung gebracht. Diese Annahme konnte jedoch für moderne Legierungen widerlegt werden, da Elemente wie Kalzium und Yttrium die Entflammbarkeit von Magnesium verringern. Die elektrische Leitfähigkeit schwankt je nach Zusammensetzung der Bestandteile, liegt aber im Allgemeinen in einem sehr günstigen Bereich.
Anwendungsbereiche
Aufgrund des Leichtbaupotenzials von Magnesium werden Magnesiumgussteile zunehmend im Multimaterialbau eingesetzt. Magnesium ist für den Bau moderner Fahrzeuge von großer Bedeutung. Die Vorteile von Legierungsbauteilen sind ihr geringes Gewicht, ihre aerodynamischen Eigenschaften und ihre Leichtgängigkeit. Im Vergleich zu Stahl und Aluminium lassen sich mit Magnesiumbauteilen ca. 55 % bzw. 25 - 40 % Gewicht einsparen. Werden z.B. die Türen und Heckklappen aus Magnesium und Aluminium statt aus Stahl gefertigt, kann das Gewicht um ca. 40 - 50 kg reduziert werden.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie profitiert vor allem von den isolierenden Eigenschaften und der langen Haltbarkeit, die äußeren Einflüssen widerstehen. Das Material ist auch in der Lage, die Flexibilität und Haltbarkeit von Kraftstofftransfersystemen, Kraftstoffeinspritzdüsen und Motorgehäusen in Verkehrsflugzeugen zu erhöhen. Ein weiteres Transportmittel, das im Zusammenhang mit Magnesium zunehmend Beachtung findet, ist ein Kinderfahrrad. Ein chinesischer Hersteller verwendet solche Legierungen vor allem für den Rahmen, den Radkranz, die Vordergabel und andere Teile des Fahrrads, wodurch das Fahrzeug sehr leicht und stoßdämpfend wird. Für diese technologische Entwicklung hat die International Magnesium Association in diesem Jahr einen Preis in der Kategorie "Commercial Cast Product" verliehen.
Schutzgehäuse aus Magnesiumlegierungen werden auch in Telefonen, Laptops, Tablets und Fernsehern verwendet. Obwohl diese Legierungen eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, bieten sie auch eine hervorragende Abschirmung gegen elektromagnetische und Funkstörungen. Darüber hinaus sind Magnesiumlegierungen zu 100 % recycelbar und könnten aufgrund ihrer Verfügbarkeit zum nachhaltigen Standard für die meisten tragbaren Elektronikgehäuse werden. Neben anderen Verbraucherprodukten wie Koffern oder Haushaltsgegenständen werden Magnesiumlegierungen auch in medizinischen Implantaten verwendet. Magnesium in Form von Legierungen bietet ein großes Potenzial in zahlreichen Branchen.
Referenzen
