Leichtmetall-Legierungen: Spotlight Aluminium

ALUMINIUMLEGIERUNG - KURZE DEFINITION

Aluminiumlegierungen gehören zu den Nichteisenlegierungen und sind die am häufigsten verwendete Legierung für Gussteile. Was die Aluminiumlegierung in all ihren Varianten für die Gießereiindustrie so beliebt macht, sind die hervorragenden Materialeigenschaften, die durch die Kombination mit anderen Leichtmetallen wie Kupfer, Magnesium oder Zink erreicht werden. Zu den Vorteilen gehören:

• Korrosionsbeständigkeit
• hohe Temperaturbeständigkeit
• Selbstheilungseigenschaften
• Eignung für raue Arbeitsumgebungen
• sehr leichter Werkstoff für Leichtbauweise

Lernen Sie weitere Leichtmetall-Legierungen in unserer Artikelserie kennen:

Der Rohstoff Aluminium erfreut sich in der verarbeitenden Industrie weltweit zunehmender Beliebtheit. Spitzenreiter bei der Verwendung von Aluminium waren 2017 die Transportindustrie und der Bausektor, auf die 26 % der weltweiten Aluminiumnachfrage entfielen. Auf den Plätzen 2 und 3 folgen die Elektroindustrie (14 %) und der Maschinen- und Anlagenbau (10 %). Gleichzeitig ist die weltweite Nachfrage nach Aluminium von 46 Millionen Tonnen im Jahr 2012 auf 59,2 Millionen Tonnen im Jahr 2017 stetig gestiegen. Vor diesem Hintergrund werden die folgenden Fragen für die Marktteilnehmer immer wichtiger: Was ist eine Aluminiumlegierung und was sind die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen? Die Antworten darauf und ein Überblick über die Einsatzmöglichkeiten von Aluminiumlegierungen bieten Orientierung im Markt.^{1, 2} 

Was sind Aluminiumlegierungen?

Aluminiumlegierungen entstehen durch die Kombination von Aluminium mit anderen Metallen, hauptsächlich Mangan, Magnesium, Kupfer, Silizium, Nickel, Zink und Beryllium. In den meisten Fällen wird Al99.5 (EN AW-1050A) als Grundmaterial verwendet. Auf diese Weise können die Festigkeitswerte deutlich erhöht und auch andere Eigenschaften positiv beeinflusst werden.

Im Druckgussbereich ist Silizium ein wesentliches Element, das zur Legierung von Aluminium verwendet wird, da es die Gießbarkeit verbessert. Man spricht hier von einer eutektischen Legierung aus Aluminium und Silizium. Diese Aluminium-Silizium-Legierung hat hervorragende Gießeigenschaften (dünnflüssig, geringe Schrumpfung) und eine hohe Steifigkeit. Sie ist im Allgemeinen leicht zu schweißen und korrosionsbeständig. Der Zusatz von Magnesium und Kupfer erhöht die Steifigkeit, während Kupfer die Korrosionsbeständigkeit verringert. Aluminiumgusslegierungen mit diesen Elementen werden als Werkstoffe für Motor- und Getriebegehäuse z. B. im Fahrzeug- und Flugzeugbau verwendet.

Für Gusslegierungen gilt die folgende Klassifizierung, die sich an der Europäischen Norm (EN) orientiert:

• 1xx: Reine Aluminiumqualitäten
• 2xx: Kupfer
• 3xx: Silizium-Kupfer/Magnesium
• 4xx: Silizium
• 5xx: Magnesium
• 7xx: Magnesium-Zink
• 8xx: Zinn

Was sind die Merkmale von Aluminiumlegierungen?

Aluminium kann eine gute Wahl sein, wenn eine korrosionsbeständige Legierung gesucht wird, die hohen Temperaturen standhält (200 Grad Fahrenheit oder mehr). Obwohl der Kontakt von Aluminium mit extrem rauen Bedingungen immer ein offensichtliches Korrosionsrisiko darstellt, halten Aluminiumkomponenten im Vergleich zu anderen Druckgusslegierungen relativ lange. Wenn die Außenseite eines Aluminiumbauteils beschädigt oder korrodiert ist, kann sich das Material mit der Zeit selbst "heilen". Aufgrund ihrer Robustheit sind Aluminiumprodukte daher besonders für sehr raue Arbeitsumgebungen geeignet.

Aluminiumlegierungen weisen die folgenden physikalischen Eigenschaften auf:

• Elektrische Leitfähigkeit: Die elektrische Leitfähigkeit hängt sowohl von der Zusammensetzung als auch von den Wärmebehandlungsbedingungen ab. Die elektrische Leitfähigkeit wird zur Überprüfung des Wärmebehandlungszustands einiger wärmebehandelbarer Legierungen verwendet.
• Wärmeleitfähigkeit: Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen verringert die Temperaturbelastung von Bauteilen (Räder, Kolben, Zylinderköpfe). Beim Schweißen führt die hohe Wärmeleitfähigkeit jedoch auch zu Problemen (hohe erforderliche Energiedichte, Auswirkungen auf Schweißeigenspannungen).
• Die Dichte: Die Dichte von Aluminium beträgt etwa 1/3 der Dichte vieler anderer Metalle mit Ausnahme von Titan und Magnesium. Die Dichte wird durch die Legierungsbildung nur geringfügig verändert. Aus anwendungstechnischer Sicht ist die Gewichtsbasis für den Vergleich von Werkstoffen weniger wichtig als die Volumenbasis. Bezogen auf das gleiche Gewicht hat nur Magnesium ein größeres nutzbares Metallvolumen als Aluminium.

Wofür werden Aluminiumlegierungen verwendet?

Aluminium wird häufig für die Herstellung von Gehäusen für elektronische Komponenten, Beleuchtungskörper, Schiffsteile und Antennen sowie für viele andere Anwendungen verwendet. Während das rohe Aluminiummaterial für das Auge vielleicht nicht so ansprechend ist, ist die Haltbarkeit des Korrosionsschutzes überragend, und es bietet mehrere verschiedene Optionen für die Oberflächenveredelung, darunter:

• Eloxieren
• Lackieren
• Pulverbeschichtung
• Teflon-Beschichtung
• Galvanische Beschichtung
• E-Beschichtung

Als Alternative zu hochfestem Stahl bieten moderne Aluminiumlegierungen ideale Eigenschaften in Bezug auf Steifigkeit, Festigkeit und Verformbarkeit. Diese Eigenschaften sind für die Automobilindustrie von besonderem Interesse, da sie die Konstruktion leichter, sicherer und nachhaltiger Fahrzeuge ermöglichen

Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit werden im Automobilbau immer wichtiger. Um diese Ziele zu erreichen, spielen optimierte Aerodynamik, reduzierter Rollwiderstand und innovative Motorentechnik, vor allem aber die Gewichtsreduzierung der Fahrzeuge eine große Rolle. Aluminium ersetzt daher in der Automobilproduktion gängige Stahllösungen.

Welche Entwicklungen und weiteren Anwendungsbereiche sind für Aluminiumlegierungen geeignet?

Ende 2018 stellte der amerikanische Aluminiumhersteller Alcoa eine neue NHT-Legierung vor. Hersteller von Stoßdämpfern, Türen und anderen Teilen hatten Probleme mit Heißrissbildung beim Gießen. Dies konnte durch die Weiterentwicklung der Aluminiumlegierung durch verbesserte Gießbarkeit gelöst werden.

Auch die Luft- und Raumfahrtindustrie macht sich das Leichtbaupotenzial von Aluminium zunutze. Bremer Wissenschaftler arbeiten an der Optimierung einer Hochleistungslegierung, die auch in der Raumfahrt eingesetzt werden kann. Darüber hinaus soll eine neuartige Aluminiumlegierung entwickelt werden, die die gleichen hervorragenden Materialeigenschaften aufweist, aber kostengünstiger ist. Interessant ist, dass diese Legierungen vor allem in der additiven Fertigung eingesetzt werden sollen.

Da Aluminiumlegierungen zunehmend in der additiven Fertigung eingesetzt werden, müssen modifizierte Aluminium- und Magnesiumlegierungen entwickelt werden, um z.B. das Rapid Prototyping zu optimieren.

Literatur

(1) Distribution of global aluminum consumption by main areas of use in 2016 and 2017, found in: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/240721/umfrage/verteilung-des-weltweiten-aluminiumbedarfs-nach-sektoren/

(2) Worldwide demand for aluminum in the years from 2012 to 2017 (in 1,000 tons), found in: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/156039/umfrage/weltweite-aluminiumnachfrage-seit-2006/