Aluminium-Druckguss-Innovationen 2022: Neue Legierungen für hohe Festigkeit & Zähigkeit

Hintergrund

Durch rasante Entwicklung in Auto-, Luftfahrt- und Computerindustrie steigen Anforderungen an Gussteile: leicht, zäh, korrosionsbeständig. Bei Aluminiumlegierungen sind Verarbeitung & Formgebung von hochfesten, zähen, korrosionsbeständigen Legierungen, Knetlegierungen und großkomplexen Bauteilen Forschungsschwerpunkte. Doch die meisten mechanischen Eigenschaften von Guss-Aluminiumlegierungen im Druckgusszustand bleiben bei niedriger Zugfestigkeit und Dehnung.

Warum neue Aluminium-Druckgusslegierungen diskutieren?

Technologischer Fortschritt → steigender Bedarf an hochfesten, leichten Gussteilen. Vorteile des Druckgusses für Aluminiumteile rücken in Fokus. Druckguss: flüssiges/halbflüssiges Metall unter hohem Druck & hoher Geschwindigkeit in Form → Erstarrung unter Druck → Gussstück.

Vorteile: hohe Maßgenauigkeit, hohe Festigkeit, hohe Materialausnutzung → breit genutzt für komplexe, mäßig belastete Bauteile.

Aluminiumdichte ≈ ⅓ von Eisen, Kupfer, Zink → top für Leichtbau. Hohe spezifische Festigkeit/Steifigkeit, gute Plastizität/Rheologie, enger Kristallisationstemperaturbereich, geringes lineares Schwinden, gut form-/zerspanbar, hohe mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit. → Aluminiumlegierung = Top-Kandidat für hochfeste, zähe Druckgusslegierungen.

Aluminium-Druckgussteile wirken gewichtsreduzierend in Auto, Luftfahrt u. a. Seit 1980ern treibt Autoindustrie (Intelligenz, Leichtbau, Modularisierung) verwandte Branchen an. Ersatz von Grauguss durch Al-Legierungen, Kunststoffe, Carbon fasst Fuß. >40 Autoteile (Wärmetauscher, Zylinder, Wasserpumpen, Radnaben) aus Al-Legierungen.

Neue Druckguss-Aluminiumlegierungen

Autoindustrie entwickelt weiter (Energie, Sicherheit, Komfort). Materialbedarf: Al-Mg-Legierungen ersetzen Stahl/Grauguss (energieintensiv, schwer). Al-Vorteil: hohe Bauteilintegration. Unterschiedliche Bauteile → unterschiedliche Anforderungsprofile: manche brauchen mehr Dehnung, andere mehr Korrosionsbeständigkeit. Mit Hochvakuum-Druckguss steigen Anforderungen an Al-Legierungen mit exzellenten Eigenschaften.

Für hochplastische Al-Legierungen forschen deutsche/japanische Wissenschaftler seit 1990ern an Al-Si-Mg-Systemen basierend auf Hochvakuumtechnik. Neue Legierungen der Rheinischen Aluminium (Deutschland): Maximal-59, Silafont-36, Castasil-37. Fe-Gehalt < 0,2 % → Zähigkeit/Festigkeit sichern, Kleben vermeiden. Zugleich 0,5–0,8 % Mn. Maximal-59: Dehnung 17 % (as-cast), genutzt für Autotüren.

Kondo Kaili nutzte Silafont-36 als Basis, variierte Mg-Gehalt. Optimum bei 0,33–0,40 % Mg → beste Dehnung & Druckfestigkeit.

Deutsche Forscher entwickelten Aural-2 und Aural-3. Aural-3: gute Fließfähigkeit, Fülleigenschaften. Mit Mg legiert → lösungsgeglüht → neue hochfeste/zähe Legierung. Dehnung 5–12 %, Streckgrenze σ₀,₂ = 250 MPa.

In China entwickeln Unternehmen/Institute hochfeste/zähe Al-Legierungen für Karosseriestrukturteile. Kooperation brachte: hochdehnbare, warmfeste Guss-Al-Legierung & Druckgussverfahren. Al-Si-Mg-System mit Si, Cu, Mg-Spezifikation + Spurenelemente Sc + M (Ti/Zr/V mind. eines). Streckgrenze 169 MPa, Dehnung 10 %, Warmzugfestigkeit (200 °C) 190 MPa, Warmdehnung 14 %. Exzellente RT- & Hochtemperatureigenschaften, ohne Lösungsglühen einsetzbar.

Aktuelle Forschung neuer hochfester/zäher Druckguss-Al-Legierungen fokussiert Al-Si-Mg-System. Mg-Zugabe zu Al-Si bildet Mg₂Si → bei Lösungsglühen aushärtbar. Mg bildet auch korrosionsbeständigen Spinellfilm auf Schmelzeoberfläche → bessere Korrosionsbeständigkeit.

Theoretisch stärkt Cu in Al-Si stärker als Mg. Cu keimt leichter in Al, nach Wärmebehandlung höhere Leistung, aber niedrigere Löslichkeitsrate in Al-Schmelze → Anwendung in Al-Si begrenzt. Forschung an Al-Si-Cu hochfest/zäh muss vertieft werden – hohe Bedeutung für neue Legierungsentwicklung.